金属拉拔理论课件.ppt
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1、金属拉拔理论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。B 导致制品在放置和使用过程中逐渐改变尺寸和形状;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。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;其直径比制品的名义直径小。1)合金性能:强度高,拉拔力大;模孔由被动旋转的辊组成,特点是:a 摩擦力小、能
2、耗低、工具寿命长;B 异型管材拉拔时坯料尺寸的确定当速度300mm)。一般,拉制品的长度为812m。变形分三部分:游动芯头P制品模子坯料 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。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。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。2 变形指数1)延伸系数2
3、)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:1。一般取 K 1.42.0。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:两向压缩(径向 和周向)一向延伸(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(
4、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(0.51),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
5、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。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,壁厚增加。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
6、,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。整径空拉:目的是精确控制制品的尺寸,减径量不大(0.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;变换后得:,可记为:C 拉拔力低,道次加工率大;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。b 可采用较大的道次加工率;A 圆形制品坯料尺寸的确定为了对通过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
7、起。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。具体计算参见P212。BC 段:减壁区,此阶段外径减小,内径不变,壁厚减薄。厚的变化规律是:在模子入口处增厚,到一定值时开始变薄。B 导致制品在放置和使用过程中逐渐改变尺寸和形状;f 为线与绞盘间的摩擦系数,一般取0.d 改变辊间距可生产变断面型材。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
8、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
9、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。整径空拉:目的是精确控制制品的尺寸,减径量不大(0.4)道次延伸系数的分配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。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。B 导致制品在放置和使用过程中逐渐改变尺寸和形状;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。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
10、不能超过壁厚的6倍。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。5)校核安全系数在润滑方式上,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。润滑:润滑时摩擦小,小,增壁趋势增加。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。2 固定短芯头拉拔1)变形过程 变形分三部分:A B C D 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
11、、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。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。若定义:为滑动系数,则一般取:d 滑动率 的分配外力:拉力P,模壁压力N、摩擦力T。径向上:外部 中心;B 压缩带():金属在此阶段进行塑性变形。2 拉制品的主要缺陷但进线速度 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。根据线的运动速度 与绞盘的圆周速度 的关系(
12、相等、不相等),分带滑动和无滑动拉拔两种。B 适于小管、异型管以及盘管拉拔;,此时摩擦力方向朝前,过程是稳定的。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。3 游动芯头拉拔1)变形过程 A B C D 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
13、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
14、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 A B C D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
15、: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。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
16、越来越大;严重时表面出现细颈。两向压缩(径向 和周向)一向延伸(轴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。与固定短芯头拉拔时相同,即空拉、减径和定径区。当 3.5)异型管材拉拔配模设计在润滑方式上,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。上式若成立必须有: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: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。但由于摩擦小,不均匀程度远比挤压小。C 低温退火,仅使金属发生回复。B 压缩
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