金属拉拔理论.pptx

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1、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和尺寸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制品模子坯料第1页/共64页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。第2页/共64页游动芯头P制品模子坯料 游动芯头拉拔：拉

2、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。芯杆P制品模子坯料 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。第3页/共64页芯杆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)。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。第4页/共64页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第5页/共64页3 实现拉拔的必要条件 作用在

3、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：1。一般取 K 1.42.0。P制品模子坯料第6页/共64页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：第7页/共64页二、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：两向压缩（径向 和周向 ）一向延伸（轴向 ），且有 ，即为轴对称应力状态。NPT第8页/共64页2）应力分布规律轴向：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

4、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。第10页/共64页三、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。第11页/共64页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

5、。径向上：外部中心；：外部中心。、第12页/共64页当 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，壁厚增加。第13页/共64页 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，壁厚增加。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

6、，取决于全过程变形的累积。第14页/共64页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。第15页/共64页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

7、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。第16页/共64页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。第17页/共64页2 固定短芯头拉拔1）变形过程 变形分三部分：A BCD AB段：空拉区，主要是减径变形，壁厚一般有所增加，

8、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。第18页/共64页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。第19页/共64页3 游动芯头拉拔1）变形过程 A BCD E F AB段：空拉区，管坯减径、增壁。BC段：减径区，管坯进行较大的

9、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。第20页/共64页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。第21页/共64页 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

10、一直向前运动。第22页/共64页 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。第23页/共64页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 A BC D一部分拉拔力；b 芯杆给管坯内壁的摩擦力方向

11、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。第24页/共64页四、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+轴向径向周向中心第25页/共64页 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

12、制品变形、弯曲。第26页/共64页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，进而产生压副应力；C 低温退火，仅使金属发生回复。第27页/共64页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。第28页/共64页 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

13、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），因此裂纹扩展道一定程度后即停止。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。第29页/共64页2）表面裂纹 A 特征：存在于表部；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副应力导致的。基本应力副应力工作应力000第30页/共64页五、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、

14、确定合理拉拔工艺规程的依据。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。第31页/共64页 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

15、大、间隙越小，效果越显著。第32页/共64页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。第33页/共64页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。第34页/共64页 原因：当 时，随 值的增

16、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。磨损。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 拉拔力的计算与测量（略）第35页/共64页六、拉拔工具1 拉拔模 有普通模、辊式模和旋转模三种。1）普通模：有锥模和弧形模两种。在加工率相同时，弧形模与被拉拔金属的接触面大，从而可减少模孔的磨损，因此在拉细线时采用，一般情况下均采用锥模。第36页/共64页 A 润滑带（）：作用是使润滑剂容易进入模孔，减小拉拔使的摩擦；带走由于变形和摩擦产生的热量。B 压缩带（）：金属在此阶段进行塑性变形。C 定径带

17、（）：使新品获得稳定而精确 形状和尺寸。其直径比制品的名义直径小。D 出口带（）：作用是防止制品出模后被划伤。各部分的尺寸设计参见P191193。第37页/共64页 注：拉拔过程中拉模受到较大的摩擦，尤其在拉细线时，拉拔速度快，拉模磨损更严重。因此拉模材料要具有足够的强度、硬度和耐磨性。一般大尺寸制品拉拔时用耐磨钢，小尺寸制品拉拔时用硬质合金或金刚石，并做成镶嵌结构。第38页/共64页2）辊式模 模孔由被动旋转的辊组成，特点是：a 摩擦力小、能耗低、工具寿命长；b 可采用较大的道次加工率；c 拉拔速度高；d 改变辊间距可生产变断面型材。水平辊立辊第39页/共64页3）旋转模 拉拔时模子旋转，特

18、点是：以滚动接触代替滑动接触，不仅降低摩擦力，还可使模子磨损均匀，因此可减小制品的椭圆度，多用于连续拉线机的成品模上。2 芯头（略）第40页/共64页七、拉拔工艺 拉拔配模：根据成品的要求（有时还包括坯料尺寸）来确定拉拔道次机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。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，确定坯料尺寸实际就是确定总加工率。在确定总加工率时，应考虑以下方面：第41页/共64页 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

19、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。如若总减径量总减壁量，则当管坯直径达到成品尺寸时，其壁厚应大于成品壁厚，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 具体计算参见P212。第42页/共64页 c 保证产品表面质量 拉拔时的轴向应力为拉应力，因此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

20、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。过渡圆第43页/共64页 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。第44页/共64页 C 实心型材拉拔时坯料尺寸的确定 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

21、足此点很困难，一般情况下，要求高的面给予较大的变形；第45页/共64页 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P217。第46页/共64页 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。退火退火第47页/共64页 4）道次延伸系数的分配 道次道次延伸系数延伸系数

22、 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。适于冷硬速率块的材料。5）校核安全系数 第48页/共64页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。第49页/共64页 3）固定短

23、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第50页/共64页 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。第51页/共64页 6）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

24、24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第52页/共64页 A 带滑动拉拔配模设计 带滑动拉拔是指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 。第53页/共64页 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24圈；f 为线与绞盘间的摩擦系数，一般

25、取0.1；因此：第54页/共64页 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。第55页/共64页 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

26、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：第56页/共64页 变换后得：，可记为：此时说明：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，实际中还有其他因素可导致 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：

27、第57页/共64页 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。若定义：为滑动系数，则一般取：思考：是大好还是小好？第58页/共64页 d 滑动率 的分配因为 故有又 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。第59页/共64页 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712圈。中间绞盘导轮导轮滑动圆盘导轮收线盘第60页/共64页 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第61页/共64页 即：，或 中间绞盘导轮导轮滑动圆盘导轮收线盘，又：，故：第62页/共64页 THANK YOU第63页/共64页感谢您的观看。第64页/共64页