《材料成型工艺学 中》课件：拉拔

1、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。,2）空心材拉拔 截面为空心，如管和空心型材拉拔。,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

2、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。,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)。,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.

3、42.0。,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。,2）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

4、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（0.51），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 ，

5、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。 径向上： ：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

6、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 = 3.67.6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

7、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：

8、,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 812m。,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

9、：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。,2） 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

10、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,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

11、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：,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，

12、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13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

13、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。,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

14、； 3）模角：与挤压类似，存在一最佳模角，其值为69。,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。,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。,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/

15、min时，拉拔力随速度的升高而升高；当速度在650 m/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

16、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

17、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

18、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12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。,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 35 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,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。,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，