第2章 挤压分类及基本原理

.,第一节挤压变形的金属流动分析为了搞清楚各种挤压方法的金属流动情况，可以采用坐标网格法、视塑性法、光塑性法、密栅云纹法等实验方法和上限法、有限元法等数值计算方法。下面采用直观、简便的坐标网格法来分析各种挤压方法的金属流动情况。,第二章挤压分类及基本原理,.,一、正挤压实心件黑色金属流动分析为了解黑色金属正挤压实心件的金属流动情况，可将圆柱体坯料切成两块，见图2-1(a)。在其中的一块剖面刻上均匀的网格，并在剖面上涂润滑油，再与另一块的剖面拼合在一起放入挤压凹模模腔内进行正挤压。当挤压至某一时刻时停止挤压，取出试件，将试件沿拼合面分开，此时可以观察到坐标网格的变化情况。,第二章挤压分类及基本原理,.,图2-1正挤压变形的网格示意图a)变形前b)理想变形c)理想润滑时的变形d)实际变形,第二章挤压分类及基本原理,.,正挤压时坯料大致分为：变形区、不变形区(又分为待变形区、已变形区)和死区，见图2-2a。因为变形区始终处于凹模孔口附近，只要压余厚度不小于变形区的高度，变形区的大小、位置基本不变，所以正挤压变形属于稳定变形。,第二章挤压分类及基本原理,1一待变形区2一变形区3一死区4一已变形区,.,正挤压实心件的变形特点是：金属进入变形区才发生变形，此区称为剧烈变形区。进入此区以前或离开此区以后，金属几乎不变形，仅作刚性平移。在变形区内，金属的流动是不均匀的，中心层流动快，外层流动慢。而当进入稳定变形阶段以后，不均匀变形的程度是相同的。在凹模出口转角处会产生程度不同的金属死区。,第二章挤压分类及基本原理,.,第二章挤压分类及基本原理,二、正挤压空心件变形的流动分析,正挤压空心件的坐标网格变化情况见图2-3。坯料除了受凹模工作表面的接触摩擦影响外，还受到芯棒表面接触摩擦的影响，因而坯料上的横向坐标线向后弯曲，不再有产生超前流动的中心区域，这说明正挤压空心件的金属流动比正挤压实心件均匀一些。,.,第二章挤压分类及基本原理,在进入稳定流动时，剧烈变形区也是集中在凹模锥孔附近高度很小的范围内，金属在进入变形区以前或离开变形区以后几乎不发生塑性变形，仅作刚性平移。,.,第二章挤压分类及基本原理,图2-4反挤压变形的网格图a)变形前b)稳定变形c)非稳定变形,三、反挤压变形的流动分析,.,用实心坯料反挤压杯形件时，挤压变形过程的坐标网格变化情况见图2-4。图2-4b表示坯料高径比大于1时，坯料底部尺寸小于临界尺寸时(0.1-0.2)d1(d1为反挤压凸模直径)，进入稳定挤压状态时的网格变化情况。图2-4c表示坯料底部尺寸小于临界尺寸时(0.1-0.2)d1(d1为反挤压凸模直径)，底厚内的全部金属材料皆产生流动时的非稳定变形状态。,第二章挤压分类及基本原理,.,图2-5反挤压变形分区1-已变形区2-死区3-变形区4-过渡区5-待变形区,第二章挤压分类及基本原理,可将坯料内部的变形情况分为五个区域(见图2-5)：1区为已变形区；2区为金属“死区”，它紧贴着凸模端表面，呈倒锥形，该锥形大小随凸模端表面与坯料间的摩擦阻力大小而变化；,.,第二章挤压分类及基本原理,3区为剧烈变形区，坯料金属在此区域内产生剧烈流动，该区的轴向范围大约为(0.1-0.2)d1(d1为反挤压凸模直径)，当凸模下行到坯料底部仍大于此界限尺寸时，仍为稳定变形状态，金属流动局限于3区内；4区为过渡区；5区为待变形区，即紧贴凹模腔底部的一部分金属，保持原状，不产生塑性变形。,.,四、复合挤压变形的流动分析复合挤压因为是正挤压、反挤压的组合，有很多种复合的情况，其坐标网格的变化情况，见图2-6。,第二章挤压分类及基本原理,图2-6复合挤压变形的网格图a)杆-杆b)杯-杯c)杯-杆1-凸模2-工件3-凹模4-下凸模D-死区,.,第二章挤压分类及基本原理,复合挤压存在向不同出口挤出的流动的分界面，即分流面。分流面的位置影响两端金属的相对挤出量，但由于受到零件形状及变形条件(如模具结构、摩擦润滑等)的影响，分流面至今尚无简单决定的方法。,.,第二章挤压分类及基本原理,第二节挤压变形的应力与应变一、挤压变形的应力与应变状态正挤压时变形区的应力状态是三向受压，变形是两向压缩、一向向外挤出伸长的应变状态。杯形件反挤压可把变形区分为内、外两个不同区域：内区域的变形与圆柱体镦粗类似，是一向压缩、两向伸长的应变状态；外区域的变形与受内压的圆环变形类似，是两向伸长(轴向和切向)、一向压缩(径向)的应变状态。,.,二、挤压变形程度挤压变形程度表示方法有以下三种：1.断面减缩率2.挤压比3.对数变形程度,第二章挤压分类及基本原理,.,三、应力状态对挤压变形的影响1.对塑性的影响挤压变形区中的基本应力状态是三向压应力。在塑性成形中，变形区内的金属受拉应力的影响越小，受压应力的影响越大，则塑性越高；相反，则塑性越低。因此，挤压变形可以大大提高被挤压坯料的塑性。,第二章挤压分类及基本原理,.,三向压应力之所以可提高被挤压材料的塑性，归纳起来主要有如下几个原因：1)三向压应力状态能遏止晶间相对移动，阻止晶间变形，从而提高了塑性；而拉应力会促进晶间变形，加速晶界的破坏。2)三向压应力状态有利于消除由于塑性变形所引起的各种破坏，能促使被破坏了的晶内和晶间的联系得到恢复。这样，不仅使金属变得致密，而且还能使各种显微裂纹，甚至宏观破坏得到修复。,第二章挤压分类及基本原理,.,3)三向压应力状态能使金属内某些夹杂物的危害程度大为降低。因金属内部夹杂物的存在，正如内部空洞一样会产生应力集中带来的危害。4)三向压应力状态可以抵消或减小由于不均匀变形而引起的附加拉应力，从而减轻了附加拉应力所造成的破坏作用。,第二章挤压分类及基本原理,.,图2-7提高塑性的挤压方法(a)施加反向推力的挤压法(b)包套挤压法,第二章挤压分类及基本原理,.,2.对变形抗力的影响应力状态对变形抗力的影响是很大的，例如，用冷挤压和冷拉拔方法加工同种材料(退火纯铜)、同样尺寸的零件，见图2-8。,第二章挤压分类及基本原理,.,图2-8不同加工方法对变形抗力的影响a)冷拉拔b)冷挤压实测得冷挤压所需变形抗力为450MPa，总挤压力F为35KN；冷拉拔所需变形抗力为220MPa，总拉拔力F为11KN。冷挤压所需的单位挤压力约为冷拉拔的2倍。,第二章挤压分类及基本原理,.,第三节挤压变形的附加应力与残余应力一、挤压变形产生的附加应力附加应力：在塑性变形过程中，变形金属内部除了存在着与外力相应的基本应力以外，还由于物体内各层的不均匀变形受到变形体整体性的限制，而引起变形金属内部各部分自相平衡的应力。,第二章挤压分类及基本原理,图2-9正挤压时产生的附加应力,挤压时，同样也会产生附加应力，图2-9为正挤压时产生的附加应力示意图。外层金属的附加应力是拉应力，中层金属的附加应力是压应力。,.,图2-9正挤压时产生的附加应力,第二章挤压分类及基本原理,就正挤压的基本应力来说，都是压应力。但由于金属流动不均匀，从而在外层产生了不利于塑性变形的附加拉应力。基本应力与附加应力的代数和，就是工作应力。如被挤材料塑性较差时，该附加拉应力可能使工件产生开裂。,.,二、附加应力产生的原因附加应力是由于材料各部分变形不均匀而产生的，而挤压时的变形又往往是不均匀的，因此产生附加应力是难免的。挤压时产生不均匀变形的主要原因如下：(1)变形金属与模具之间存在着摩擦力。(2)各部分金属流动阻力不一致。(3)变形金属的组织结构不均匀。(4)模具工作部分的形状与尺寸不合理。,第二章挤压分类及基本原理,图2-10凹模工作带高度尺寸不一致所引起的附加应力,.,附加应力可以分作三种：第一种附加应力：在变形体中，为了平衡几个大的部分之间由于不均匀变形而产生的附加应力；第二种附加应力：为了平衡两个或几个晶粒之间由于变形不均匀分布而产生的附加应力；第三种附加应力：为了平衡一个晶粒内部由于各部分之间的不均匀变形而产生的附加应力。,第二章挤压分类及基本原理,.,三、残余应力引起塑性体变形的作用力取消以后，随之消失的仅是基本应力。附加应力不是由外力引起的，而是为了自身得到平衡引起的。因此，当外力取消以后，附加应力并不消失而残留在变形体内部，称为残余应力。与附加应力相同，残余应力也是互相平衡的。与三种附加应力相对应，残余应力也可分为三种。,第二章挤压分类及基本原理,.,四、附加应力和残余应力的危害性(1)缩短挤压件的使用寿命(2)引起挤压件尺寸及形状的变化(3)降低金属的耐蚀性当挤压件表层具有残余应力时，会降低其耐蚀性。此外，残余应力还会使金属的塑性、冲击韧性及疲劳强度等降低。,第二章挤压分类及基本原理,.,五、防止和消除附加应力和残余应力的方法(1)减少摩擦阻力的影响(2)合理设计模具工作部分的结构和尺寸以保证挤压件的变形与应力分布较为均匀。(3)尽可能采用组织均匀的金属变形,第二章挤压分类及基本原理,.,(4)挤压后采用有效的热处理方法以消除残余应力第一种残余应力用低温回火方法就可大大减小；第二种残余应力采用将挤压件加热到稍低于再结晶温度下可以完全消除；第三种残余应力，只有经过再结晶才能消除。,第二章挤压分类及基本原理,.,第四节挤压件的常见缺陷一、表面折叠多余表皮金属被压入坯料表层所形成的缺陷，称为表面折叠。正挤压中，挤压头部较粗大的杆形件，需要采用两道成形工序。如果在第一道正挤压中工件的头部与杆部连接处圆弧太大，则在第二道成形工序中因凹模的圆角半径较小，便有可能使坯料过渡区部分的材料被压入端部的底平面上，形成如图2-11a所示的折叠。反挤压时凹模底部设有较大的圆角半径，而坯料底部为直角过渡，在挤压过程中就会产生折叠，如图2-11b、c所示。,第二章挤压分类及基本原理,.,第二章挤压分类及基本原理,图2-11挤压折叠a)正挤压折叠b)、c)反挤压折叠形成,.,二、表面折缝在变形过程中，多余的表皮金属受阻而在其边界处积聚，随着变形的继续进行深入到材料内部所形成的一种缺陷，称为表面折缝。,第二章挤压分类及基本原理,图2-12挤压表面折缝a)正挤压时的表面折缝b)反挤压时的死角区剥落c)复合挤压时的横向折缝,.,第二章挤压分类及基本原理,当正挤压出现死角区时，如图2-12a所示的D区，坯料后半部分的表皮金属向凹模出口方向滑动受到死角区金属的阻碍，多余的表皮金属被积聚在死角区入口处。随后，多余的表皮金属沿滑移面被拉入金属内部，并随金属的流动一起向前延伸，从而形成折缝。反挤压与复合挤压时，也会因其变形的死角区金属阻止表皮金属滑动而产生折缝。图2-12b为反挤时底部死角区的剥落，图c为复合挤压的横向折缝。,.,三、缩孔缩孔是指变形过程中变形体一些部位上产生较大的空洞或凹坑的缺陷。,第二章挤压分类及基本原理,图2-13挤压时的缩孔a)正挤压时的缩孔b)反挤压时的角部缩孔,.,第二章挤压分类及基本原理,当正挤压进行到待变形区厚度较小、甚至只有变形区而无待变形区厚度时，会产生图2-13a所示的缩孔。若变形程度较大，润滑条件、凹模入口又不利，则中心层的金属流动快，外层流动落后于中心层，产生浅缩孔；若外层金属根本不向下移动，反而向上移动，便产生很深的缩孔。筒形件反挤压进行到待变形区厚度较小，甚至当坯料底厚小于壁厚时仍继续反挤，则会因材料不足以形成较厚的壁部而产生如图2-13b所示的角部缩孔。,.,四、裂纹挤压裂纹分表面裂纹和内部裂纹。当模具的圆角半径过小，会产生较大的应力集中，可能发生角裂，如图2-14a、b所示。,第二章挤压分类及基本原理,图2-14挤压裂纹a)正挤压表面裂纹b)反挤压表面裂纹c)减径挤压内部裂纹d)复合挤压内部裂纹,.,第二章挤压分类及基本原理,图2-14挤压裂纹a)正挤压表面裂纹b)反挤压表面裂纹c)减径挤压内部裂纹d)复合挤压内部裂纹,减径挤压时，由于断面收缩率较小，此时中心层金属的流动反而慢于表层金属，中心层产生附加拉应力，会产生图2-14c所示的裂纹。杆-杆复合挤压时，如果中间部分的厚度小于杆径，则会产生图2-14d所示的内部裂纹，也可视这种裂纹为缩孔。,.,第五节挤压对金属组织和力学性能的影响一、对金属组织的影响挤压时，在强烈的三向压应力作用下金属晶粒被破碎，原来较大的晶粒挤压后变成为等轴细晶粒组织，因而提高了强度。,第二章挤压分类及基本原理,.,二、对力学性能的影响由于冷挤压会使金属材料产生加工硬化，因此，冷挤压件的强度指标随挤压变形程度的增加而增加，塑性指标随挤压变形程度的增加而略有下降。,第二章挤压分类及基本原理,.,第二章挤压分类