东北大材料成型工艺学（中）课件02拉拔

第二篇拉拔一、概述

拉拔:在外加拉力的作用下，使金属通过模孔以获得所需形状、尺寸和性能制品的塑性加工方法。

一般在室温进行，只有室温强度高、塑性差的合金如钨、锌等才加热；是管、棒、型、线的主要生产方法1

基本方法1）实心材拉拔截面为实心，如棒、型和线材拉拔。P制品模子坯料2）空心材拉拔截面为空心，如管和空心型材拉拔。芯杆芯头P制品模子坯料P制品模子坯料

空拉：拉拔时管坯内部不放芯头，拉拔后壁厚略有变化，主要目的是减径，又称减径拉拔。

固定短芯头拉拔：拉拔时管坯内部放芯头，并用芯杆固定，拉拔后管坯可实现减径和减壁。是实际中应用最广泛的方法。

游动芯头拉拔：拉拔时管坯内部放芯头，但芯头不固定，依靠自身形状稳定在变形区中。此法使盘管拉拔得以实现。

长芯杆拉拔：管坯套在表面抛光的芯杆上，拉拔时芯杆与管坯一起通过模孔。游动芯头P制品模子坯料芯杆P制品模子坯料

顶管法：将芯杆套入带底的管坯中，芯杆和管坯一起顶出模孔。在生产难熔金属、贵金属短管时采用，也适于生产大直径管材（直径>300mm)。芯杆P制品模子坯料制品坯料芯头P

扩径拉拔：是用小直径管坯生产大直径制品的一种方法，有压入扩径和拉拔扩径两种方法。2

变形指数1）延伸系数2）加工率（断面收缩率）不难看出：分别为坯料和制品的面积分别为坯料和制品的长度3

实现拉拔的必要条件

作用在制品上的拉应力小于材料的屈服极限。即：<若认为硬化后的与接近，则有：<若定义：为安全系数，则实现拉拔的必要条件是：安全系数K>1。一般取K＝1.4～2.0。P制品模子坯料4

拉拔的特点

1）制品的尺寸精确，表明光洁；

2）工具和设备简单，维修方便；

3）可连续高速生产小规格长制品；

4）受安全系数K的限制，道次变形量小，简单断面型材也难一次成形。如：二、园棒拉拔时的应力与变形1

应力

1）应力状态

外力：拉力P，模壁压力N

、摩擦力T

。

应力状态：两向压（径向和周向）一向拉（轴向），且有，即为轴对称应力状态。NPT2）应力分布规律轴向：：入口<出口（出口力大、面积小）：入口>出口（塑性条件）

因此：模子入口处磨损比出口大；道次加工率大时模子出口处磨损比道次加工率小时轻。径向：：外部>中心：外部<中心

原因：环断面越向外，其向内变形的阻力越大；米宁实验。2

变形1）应变状态两向压缩（径向和周向）一向延伸（轴向），且有。

2）应变规律与挤压类似，即：边部变形>中心变形；

后部变形>前端变形;

中心流速>边部流速。但由于摩擦小，不均匀程度远比挤压小。三、管材拉拔时的应力与变形1

空拉按目的不同有：

减径空拉：目的是减径，主要用于中间道次，一般认为拉拔后壁厚不变；

整径空拉：目的是精确控制制品的尺寸，减径量不大（0.5～1），一般在最后道次进行；

定型空拉：目的是控制形状，主要用于异型管材拉拔，即用于圆截面向异型截面过渡拉拔。1）应力应力状态：与圆棒拉拔时类似，即：周向、径向为压，轴向为拉，但，且有。（内表面为自由表面，径向变形阻力小。）应力状分布规律：

轴向上：：入口<出口；：入口>出口。

径向上：：外部>中心；：外部<中心；：外部>中心。、当时，壁厚增加；2）变形（应变）应变状态：轴向延伸、周向压缩、径向可能是延伸、压缩或为0（不变），这取决于三个应力之间的关系。直观上看，轴向应力（拉）使壁变薄，周向应力（压）使壁变厚。从力学角度分析有：，为瞬时的非负的比例系数。又，因此当时，壁厚不变；当时，壁厚减小。

由于相对与和较小，因此近似有：

当时，壁厚增加；

当时，壁厚不变；

当时，壁厚减小。

由于沿轴向上越来越大，越来越小，因此，某一断面从入口向出口的变形过程中，在不同部位壁厚的变化规律是：在模子入口处增厚，到一定值时开始变薄。空拉后壁厚究竟如何变化，取决于全过程变形的累积。3）影响空拉壁厚变化的因素相对壁厚：坯料的直径与壁厚之比，即，研究认为：当>7.6时，只增壁；当<3.6时，只减壁；当=3.6～7.6时，随工艺参数的不同，可能增壁、减壁或壁厚不变。合金性能：合金越硬，越大，增壁趋势越弱。道次加工率：越大，越大，增壁趋势越弱。润滑：润滑时摩擦小，小，增壁趋势增加。

总之，凡是使拉拔力增大的因素，均使增壁趋势减弱，减壁趋势增加。4）空拉纠正管坯偏心的作用挤压坯、斜轧穿孔坯往往是偏心的，在其后安排若干道次的空拉，可将偏心纠正过来，原理是：

A

若同一圆周上的分布均匀，则薄壁处的大，因为是使壁厚增加的因素，因此薄壁处增厚的多，直至壁厚均匀；

B

由于薄壁处的大，因此薄壁处先发生塑性变形，产生轴向延伸，结果在薄壁处产生轴向附加压应力，使壁增厚；厚壁处产生轴向附加拉应力，使壁减薄，直至壁厚均匀，附加应力消失。

注：当管坯偏心严重时，由于过大，此时不但不能纠正偏心，还会导致管壁失稳而向内凹陷，尤其是管壁较薄时。5）空拉的特点

A

能纠正偏心；

B

适于小管、异型管以及盘管拉拔；

C

拉拔力小，道次加工率大；

D操作简单；

E制品内表面质量差、尺寸精度低。2

固定短芯头拉拔1）变形过程变形分三部分：ABCD

AB段：空拉区，主要是减径变形，壁厚一般有所增加，又称减径区。应力应变特点与空拉时一样。

BC段：减壁区，此阶段外径减小，内径不变，壁厚减薄。应力应变特点与棒材拉拔时一样。

CD段：定径区，为弹性变形区。2）固定短芯头拉拔的特点

A

由于内摩擦的存在，拉拔力大、道次加工率小，但变形较均匀；

B

内表面质量好、尺寸精确；

C

不能生产较长的制品。因为：

a

长的芯杆在自重作用下易弯曲，导致芯头难以正确地固定在模孔中；

b

长的芯杆弹性变形量较大，易引起跳车，使制品出现“竹节”缺陷。一般，拉制品的长度为8～12m。3

游动芯头拉拔1）变形过程

AB段：空拉区，管坯减径、增壁。

BC段：减径区，管坯进行较大的减径，同时也减壁，减壁量大约等于空拉时的增壁量。

CD段：二次空拉区，由于拉应力方向改变，管坯内壁稍微离开芯头表面。

DE段：减壁区，外径减小、内径不变，实现减壁。

EF段：定径区。ABCDEF2）芯头在变形区内稳定的条件芯头在变形区内稳定时，作用其上外力合力的水平分量必须为0，即：即：

上式若成立必须有：即：

因此，芯头在变形区内稳定的必要条件是：

即：芯头锥角大于摩擦角。

否则，由于

导致芯头向前运动，若大圆柱段直径较小，则芯头被拉过模子，成为空拉；若大圆柱段直径较大，则导致芯头压卡管坯，造成拉断。

此外，芯头锥角还应小于或等于模角，即：否则，管坯内壁首先与大圆柱段接触，使芯头一直向前运动。

除满足以上两个条件外，要保证拉拔过程顺利进行，还应满足：芯头轴向游动的几何范围应有一定的限度。因此，实现游动芯头拉拔的条件是：

芯头轴向游动的几何范围应有一定的限度。3）游动芯头拉拔的特点

A

能生产长管、盘管（生产率、成品率高）；

B

能消除芯杆带来的竹节、偏心等缺陷；

C

拉拔力低，道次加工率大；

D

由于芯头游动，内表面易出现明暗交替的环纹；

E

工艺难度大。4

长芯杆拉拔1）变形过程与固定短芯头拉拔时相同，即空拉、减径和定径区。2）特点

A

拉拔力小，道次加工率大。因为a

芯杆承担了ABCD一部分拉拔力；b

芯杆给管坯内壁的摩擦力方向与拉拔方向一致，有助于拉拔；

B

适于小管薄壁管以及塑性差合金管的生产；

C

脱杆麻烦。四、拉制品的残余应力及主要缺陷1

残余应力

残余应力：无外力作用时，以平衡状态存在于物体内部的应力。现以棒材拉拔为例分析。1）残余应力的分布

整个断面均发生塑性变形时，残余应力分布为：中心边部边部中心边部边部+0+－－－轴向径向周向中心

仅表面发生变形时：轴向上：边部为压、中心为拉；径向上：整个断面为压；周向上：与轴向上相同。2）残余应力的危害

A

导致某些合金制品如黄铜产生应力腐蚀；

B

导致制品在放置和使用过程中逐渐改变尺寸和形状；

C

继续机加工时，若残余应力不是对称消失，则导致制品变形、弯曲。3）残余应力的消除

A

根本措施是消除不均匀变形，如减小摩擦、选择适当的模角等；

B

矫直加工

辊式矫直：仅表面变形，产生一封闭压力层，使边部的拉残余应力减小或消除；

张力矫直：施加拉力，使制品产生1～3％的拉伸变形，有残余拉应力的外层先进入塑性状态，进而产生压残余应力；

拉弯矫直：上两者的综合（多用于带材）。

C

低温退火，仅使金属发生回复。2

拉制品的主要缺陷1）中心裂纹

A

特征：存在于内部；呈月牙形周期性分布；由变形区入口向出口越来越大；严重时表面出现细颈。

B

原因：棒材拉拔时，中心的轴向拉应力大于边部的轴向拉应力，因此中心易出现裂纹且呈月牙形。又由于轴向拉应力越向出口越大，因此裂纹一旦出现就越来越长、越来越宽。由于裂纹的形成是能量的积聚和释放的过程，即拉应力达到一定值时，裂纹就出现，而裂纹的出现又使拉应力得到释放（降低），因此裂纹扩展到一定程度后即停止。随着变形过程的进行，又会出现第二条裂纹，呈周期性。此外，拉拔坯料一般来源于挤压，而挤制品的外层强度高、中心强度低，这也是中心易出现裂纹的原因。2）表面裂纹

A

特征：存在于表面；呈月牙形周期性分布，又称三角口。

B

原因：不均匀变形使表面产生拉附加应力导致的。附加应力工作应力＋－00＋五、拉拔力

拉拔力：作用于制品前端用以实现塑性变形的力。是选择设备吨位、校核工具强度、确定合理拉拔工艺的依据。1

影响拉拔力的因素1）合金性能：强度高，拉拔力大；2）变形程度：变形程度大，拉拔力大；3）模角：与挤压类似，存在一最佳模角，其值为6－9°。4）摩擦与润滑：润滑时，摩擦系数小，拉拔力小。摩擦系数与润滑剂的性质、润滑方式、模具和金属的材料以及表面状态有关。模具和金属的材料越硬、表面越光洁，摩擦系数越小。

在润滑方式上，近年来采用了流体动力润滑方法，使润滑膜增厚，可大幅度降低界面摩擦。压力套管模子流速制品芯头减径模减壁模

原理：坯料与芯头或套管间具有狭窄的间隙，借助于运动的坯料和润滑剂的粘性，使模子入口处的润滑剂压力升高，进而使润滑剂膜的厚度增加。速度越大、间隙越小，效果越显著。高压油模箱拉拔模密封模

也可将润滑剂以很高的压力送入模孔中来增加润滑膜的厚度，此时称为流体静力润滑。5）拉拔速度当速度<5m/min时，拉拔力随速度的升高而升高；当速度在6－50m/min时，拉拔力随速度的升高而降低；再增加速度，拉拔力变化不明显。6）反拉力反拉力对拉拔力和模壁压力的影响如图。随反拉力的增加，模壁压力下降，但拉拔力开始不变，直到值增加到（称为临界反拉力）后才开始升高。因此，采用反拉力小于临界反拉力值进行拉拔是有利的，体现在：在不增加能量消耗的情况下，可减小模孔的磨损。

原因：当时，随值的增加，值下降，进而摩擦力下降，因此可认为，此时值的增加与摩擦力的下降值相等，所以拉拔力不变。7）振动对拉拔模具（模、芯头）施加声波或超声波振动，可显著降低拉拔力，现已出现超声拉拔新技术。

2

拉拔力的计算1）棒线材拉拔力计算

与挤压力计算类似（见P191）。棒线材拉拔时的应力分析2）管材拉拔力计算（以空拉为例）近似塑性条件:

展开并略去高阶微量得：沿r方向建立平衡方程:

结果见P193。面投影代替力投影法则，有:

六、拉拔工艺

拉拔配模：根据成品的要求（有时还包括坯料尺寸）来确定拉拔道次及各道次所需模孔形状、尺寸的工作。

原则：在保证成品性能和质量的前提下，尽可能增大道次延伸系数以提高生产率。1

拉拔配模设计的内容

1）坯料尺寸的确定

A

圆形制品坯料尺寸的确定对于给定成品尺寸而言，确定坯料尺寸实际是确定总加工率。在确定总加工率时，应考虑以下因素：

a

保证产品性能对软态产品而言，性能由成品退火参数决定，确定总加工率时只要避开临界变形程度即可；对硬态、半硬态产品而言，应根据加工硬化曲线查出规定性能所要求的加工率，以此算出坯料尺寸。

b

保证操作顺利进行针对衬拉管材而言，因为这时既有减径量又有减壁量，若二者变形量设计不当，会导致操作不能进行。例如，若总减径量<总减壁量，则当管坯直径达到成品尺寸时，其壁厚仍大于成品壁厚，此时由于芯头无法放入而不能继续减壁。因此，衬拉时，管坯尺寸的选择应保证：

减壁所需道次<减径所需道次

c

保证产品表面质量拉拔时，随着拉拔道次和变形量的增加，坯料中的一些缺陷如划伤、夹灰等会逐渐暴露于表面，并可及时去除。因此适当增大总变形量对表面质量有好处。

d

坯料制造的条件和生产实际情况，应便于管理。

B

异型管材拉拔时坯料尺寸的确定异型管材生产时一般也采用圆管坯，拉拔到一定尺寸后进行1～2道过渡空拉，使其形状逐渐向成品形状过渡。因此，关键是确定过渡圆的尺寸。过渡圆

由于过渡拉拔的主要目的是成型，所以尺寸设计时主要考虑的成型正确问题。为保证成型正确，过渡圆尺寸设计的原则是：过渡圆的外形尺寸等于或稍大于成品的外形尺寸。具体确定时，首先按周长相等原则计算，然后再加3～5％以确保棱角等部位能充满。

为两次退火间的总延伸系数；

为两次退火间允许的平均总延伸系数。

2）中间退火次数的确定退火退火退火

为坯料到产品的总延伸系数；

3）拉拔道次的确定

为道次平均延伸系数。退火退火

4）道次延伸系数的分配道次道次延伸系数延伸系数

适于塑性好、冷硬速率慢的材料，可充分利用其塑性在中间道次给予较大的变形，为精确控制成品尺寸精度，成品道次给予小的变形。

适于冷硬速率快的材料。

5）校核安全系数2

拉拔配模设计

1）圆棒拉拔配模设计

A

给定成品和坯料尺寸：根据材料允许的道次延伸系数和两次退火间允许的总延伸系数，确定退火次数和拉拔道次；

B

给定成品尺寸并要求一定的性能：根据加工硬化曲线，确定最后一次退火时应留有的加工率；

C

只要求成品尺寸：在保证表面质量的前提下，尽量减小坯料的尺寸。

2）空拉配模设计除考虑安全系数外，还要考虑过程的稳定性，一般认为，道次减径量不能超过壁厚的6倍。

3）固定短芯头拉拔配模设计固定短芯头拉拔的主要目的是减壁，因此设计时要遵循“少缩多薄”的原则，即少减径、多减壁。因为减径量越大，则空拉段越长，结果金属的塑性不能有效地用于减壁上。

4）游动芯头拉拔配模设计

减壁量必须有相应的减径量配合，否则会导致管坯内表面与大圆柱段接触，一般认为，芯头大、小圆柱段的直径差应大于等于减壁量的6倍，即：Dd

5）异型管材拉拔配模设计主要是防止过渡空拉时管壁内凹，尤其是长边。

此外，要保证成型拉拔时能顺利地放入芯头。

6)

实心型材拉拔配模设计

a

成品的外形必须包括在坯料的外形之中；

b

为使变形均匀，坯料各部分的延伸系数应尽量相等；实际中满足此点很困难，一般情况下，要求高的面给予较大的变形；

c

坯料与模孔各部分尽量同时接触，否则由于未被压缩部分的强迫延伸，引起形状尺寸不精确。为保证这一点，各部分的模角应不同；

d

对带锐角的型材，形状要逐渐过渡，不允许由锐角向钝角过渡。

总之，设计原则是：使坯料各部分同时得到尽可能均匀的压缩。

实际设计时可采用图解法，步骤如下：

1）选坯料选择与成品形状相近且简单的坯料。（坯料的断面尺寸应满足制品的力学性能和表面质量要求）

2）确定拉拔工艺参考与制品品种相同、断面积相等的圆断面制品的配模设计，初步确定拉拔道次、道次延伸系数以及各道次的断面积F1、F2、F3……。3）确定各道次模子定径区的断面形状可分三步：A将成品的图形置于坯料的外形轮廓之中，二者重心尽量重合并力求使二者外形间的最短距离各处相差不大；坯料成品B根据成品断面的复杂程度，将坯料外形等分30~60个点，通过这些点做垂直于坯料和成品外形轮廓且长度最短的曲线；（这些曲线可近似看作是金属的流线）C按照、、……值比例将各金属流线分段，将相同的段用曲线圆滑地连接起来，即得到各道次定径区的断面形状。（圆形坯料可按各道次减径量的比例将各金属流线分段）坯料成品

例：欲拉制853.5mm

双沟电车线，材料为紫铜，截面形状及尺寸见图。已查得为保证348MPa的强度要求，冷变形的加工率需大于55%。试进行配模设计。

1）确定坯料形状和尺寸因电车线的宽厚比为1，故采用圆形坯料。冷变形加工率11115.76.128.51.50.3855%以上，相当于延伸系数大于2.22，因此坯料的截面积为：直径为：按线杆尺寸系列，取：

2）确定拉拔工艺最大总延伸系数为：

取平均道次延伸系数（相当于道次加工率为20%），则拉拔道次为：取拉拔道次为：因为：所以：因此实际平均延伸系数为：

3）确定各道次模孔定径带的截面形状

设计出各道次的延伸系数:根据铜的加工性能、道次延伸系数的分配原则、参照平均道次延伸系数，各阶段延伸系数分配如下：

计算出各道次的截面积和当量圆的直径。

计算、

、……

或各道次的减径量。

画出金属流线（将坯料外形等分30-60点并做最短曲线）

按、

、……

或各道次的减径量比例划分各金属流线，将各流线上的相应点相连即得到各道次定径带的截面形状。例：坯料直径为

mm，成品直径为mm的软态铝合金，材料两次退火间允许的总延伸系数为2.2，道次允许的延伸系数为1.26，试设计拉拔工艺。确定中间退火次数：最大总延伸系数为：中间退火次数为：取退火次数为3+1。第一次退火时坯料的直径为：取3.5。53.52.31.61.2。同理可算出第二、第三次退火时坯料的直径。道次延伸系数分配：确定拉拔道次53.5：3.52.3：取4道次。取3道次。2.31.6：取3道次。1.61.2：取3道次。

7）线材拉拔配模设计线材生产一般是多模、连续、高速拉拔，如下图所示。由放线盘放出的线首先通过第一个模子，然后在中间绞盘上绕2～4圈再进入第二个模子，依次类推，最后线材通过成品模到收线盘上。

根据线的运动速度与绞盘的圆周速度的关系（相等、不相等），分带滑动和无滑动拉拔两种。放线盘模子收线盘中间绞盘

A

带滑动拉拔配模设计带滑动拉拔：拉拔过程中线与绞盘间有滑动，即线的运动速度与绞盘的圆周速度不相等。

a

建立拉拔力的条件为了对通过n模的线建立起拉拔力，n绞盘的放线端必须施以拉力，即为紧边，使线压紧在绞盘上产生压力，当绞盘转动时，线与绞盘间产生摩擦力，进而建立起。

与的关系可由柔性体绕圆柱体表面摩擦规律得到。

m为绕线的圈数，一般为2～4圈；

f为线与绞盘间的摩擦系数，一般取0.1；因此：

若定义：为滑动率，则实现带滑动拉拔的基本条件也可描述为：滑动率。

b

实现带滑动拉拔的基本条件与的关系有以下三种可能情况：，此时绞盘起制动作用，导致断线；，此时为静摩擦，可建立起，但过程是不稳定的，一旦由于某种原因使线速增加，则为上种情况；，此时摩擦力方向朝前，过程是稳定的。因此，，即绞盘的圆周速度大于线的运动速度是实现带滑动拉拔的基本条件。

c

如何保证取决于拉线机的设计，不能改变，因此只能控制，使始终成立。在稳定拉拔过程中，下式应成立：

、分别为成品线的速度和断面积。因为收线盘上线与绞盘间无滑动，因此有，故

由上式可知，若成品模磨损，则增大，导致任一绞盘上的线速增大，此时为保证拉拔过程仍能顺利进行，下式应该成立：

变换后得：，可记为：

此式说明：为保证，n道次以后的总延伸系数必须大于收线盘与第n个绞盘的速比。此条件为必要条件，实际中还有其它因素可导致增大，如润滑剂较粘或绞盘、线有局部缺陷时，有可能导致线与某绞盘发生短时的粘结，此时（该绞盘相当于收线盘）并引起该道次以前的线速增加。但此情况与成品模磨损时不同，只是暂时的，因为此时该道次以后的线速不变，结果其上的线必然松弛，使拉拔过程恢复正常。但在此调节过程中，该绞盘上的拉拔力急剧升高，有可能导致在恢复正常前发生断线。为防止这种情况发生，应有：

变换后得：，可记为：

即：任一道次的延伸系数必须大于相邻两绞盘的速比。此条件为充分条件。定义：为滑动系数，一般取：

思考：是大好还是小好？

d

滑动率的分配因为即又故有即因此有即

因此，滑动率的分配原则是：由前向后越来越小。

B

无滑动拉拔配模设计拉拔过程中线与绞盘间没有滑动，有储线式和非储线式两种，前者应用广泛，如图所示。为保证线与绞盘间无滑动，绕线圈数不能少于7～12圈。

中间绞盘导轮导轮滑动圆盘导轮收线盘

无滑动拉拔时，任一绞盘的圆周速度与进线速度相等，即：；但进线速度与出线速度可以不等，即拉拔过程中任一绞盘上线的圈数可以改变。为保证拉拔过程连续、稳定进行，在拉拔过程中任一绞盘上线的圈数应逐渐增加，即保证，此式可改写成：中间绞盘导轮导轮滑动圆盘导轮收线盘

即：，或中间绞盘导轮导轮滑动圆盘导轮收线盘，又：，故：

即：任意道次的延伸系数大于相邻绞盘的速比。

C

配模设计步骤与单模拉拔配模不同，多模连续拉拔配模时的延伸系数分配与拉线机原始设计的绞盘速比有关。对于储线式无滑动拉线机，由于各绞盘上的线圈储存量可以调节拉拔过程，因此对配模要