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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。,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,P,制品,模子,坯料,游动芯
2、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。,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 1.42.0。,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
3、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。,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
4、)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 ,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: :
5、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, 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
6、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
7、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:,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。
8、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,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,
9、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接触,使芯头一直向前运动。,除满足以上两个
10、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,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
11、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)
12、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
13、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。,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,0,0,0,五、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、确定合理拉拔工艺规程的依据。 1 影响拉拔力的因素 1)合金性能:强度高
14、,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。,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