1、三、金属塑性成形的基本理论“三度” “五图”,三度：变形温度、变形速度、变形程度。“三度”构成了金属塑性加工的热力学条件。 五图：相图、两类再结晶全图、变形力学图、变形抗 力图、塑性图。“五图”是制定“三度”的理论依据。,绪论,变形温度,塑性变形时金属所具有的实际温度，称为变形温度，它与加热温度是有区别的。变形温度既取决于金属变形前的加热温度，又与变形中能量转化而使金属温度提高的温度有关，同时又与变形金属同周围介质进行热交换所损失的温度有关。一般情况下，随着温度升高， 塑性增加，变形抗力降低。,绪论,变形速度,变形速度为单位时间内变形程度的变化或单位时间内的相对位移体积，即： 式中 变形速度；
2、变形程度；V 变形物体的体积；,绪论,相图,概念：合金相图是用图的形式表明一个合金系的成分、温度和相态之间的关系。,应用：,再结晶全图,第一类再结晶全图是描述晶粒大小与变形程度和退火温度之间的关系图像（主要针对冷变形）； 第二类再结晶全图是描述晶粒大小与与变形温度（主要是加工终了温度）和变形程度之间的关系的图像（主要针对热变形） 。 变形体内一点的主应力图与主应变图结合构成变形力学图。,根据再结晶全图即可确定为了获得均匀的组织与一定的晶粒尺寸晶粒时，所需要施加的变形程度、保持的加工终了温度或退火温度，是制定金属冷热变形和退火工艺规程的重要参考依据。,变形抗力图,变形抗力是指材料在一定温度、速度
3、和变形程度下，保持原有状态而抵抗塑性变形的能力。 变形抗力图是描述变形抗力与变形程度之间的关系图像。,塑性（状态）图,概念：表示金属塑性指标与变形温度及加载方式的关系曲线图形，简称塑性图。 应用：合理选择加工方法制定冷热变形工艺,1.2.1 超塑性成形,1 定义： 超塑性是指金属或合金在特定条件下，即低的形变速率（10-2/s10-4/s）、一定的变形温度T0.5Tm(Tm为材料熔点温度)和均匀的细晶粒度(晶粒平均直径为0.25m)，其相对延伸率超过100以上的特性。如钢超过500、纯钛超过300、锌铝合金超过1000。 2 超塑性状态下的金属在拉伸变形过程中不产生缩颈现象，变形应力可比常态下
4、金属的变形应力降低几十倍。因此该金属极易成形，可采用多种工艺方法制出复杂零件。 3 目前常用的超塑性成形材料主要是锌铝合金、铝基合金、钛合金及高温合金。,超塑性成形工艺的应用,（1）板料冲压 如图1-20所示，零件直径较小，但很高。选用超塑性材料可以一次拉深成形，质量很好，零件性能无方向性。图1-20(a)为拉深成形示意图。,图1-20 超塑性板料拉深 1冲头（凸模）；2压板；3凹模；4电热元件； 5坯料；6高压油孔；7工件,图1-21 板料气压成形 1电热元件；2进气孔；3板料；4工件；5凹（凸）模；6模框；7抽气孔,超塑性成形工艺的应用,（2）板料气压成形。如图1-21所示。超塑性金属板料
5、放于模具中，把板料与模具一起加热到规定温度，向模具内充人压缩空气或抽出模具内的空气形成负压，板料将贴紧在凹模或凸模上，获得所需形状的工件。该方法可加工的板料厚度为0.44mm。,超塑性成形工艺的应用,（3）挤压和模锻。高温合金及钛合金在常态下塑性很差，变形抗力大，不均匀变形引起各向异性的敏感性强，通常的成形方法较难成形，材料损耗极大，致使产品成本很高。如果在超塑性状态下进行模锻，就完全克服了上述缺点，节约材料，降低成本。超塑性模锻工艺特点: (1)扩大了可锻金属材料种类。如过去只能采用锻造成形的镍基合金，也可 以进行超塑性模锻成形。(2)金属填充模膛的性能好，可锻出尺寸精度高、机械加工余量小甚
6、至不用加工的零件。(3)能获得均匀细小的晶粒组织，零件力学性能均匀一致。(4)金属的变形抗力小，可充分发挥中、小设备的作用。,1.2.2 旋压成形,1，定义：旋压成形是利用旋压机使坯料和模具以一定的速度共同旋转，并在滚轮的作用下使坯料在与滚轮接触的部位上产生局部变形，获得空心回转体零件的加工方法（见右图）。 2，旋压根据板厚变化情况分为普通旋压和变薄旋压两大类。,图1-22 旋压加工,3.4 改善咬入的措施 1.减小 2.增大 1) 将轧辊磨粗 2) 低速咬入 3) 咬入时减少润滑剂，洗辊 4) 适当的温度,轧机：依靠两根或多根旋转圆柱体将物体拽入使 它发生塑性变形的机械装置称为轧机。轧制过程
7、轧辊与轧件相互作用，轧件被摩擦力拽入旋转的轧辊间，受到压缩而发生塑性变形的过程称为轧制过程。 几何变形区的金属流动轧制与经典实验类似，是由平面变成了圆弧，变形区分作三部分：前滑区：朝轧辊辊过出口处方向的变形区后滑区：朝轧辊辊过入口处方向的变形区中性面：前滑区与后滑区的分界面中性角：中性面相对于轧辊垂直轴线的圆心角,3 轧制过程建立的条件 3.1 轧制过程的四个阶段一、开始咬入阶段：瞬间完成，轧辊对轧制的摩擦力 二、拽入阶段：轧件前端到达两辊连心线位置。 三、稳定轧制阶段：轧件前端从辊缝中出来后稳定轧制。 四、轧制终了阶段：轧件后端进入变形区直至完全脱离轧辊。,2 金属的高向变形2.1 厚轧件与
8、薄轧件l/h0.5-1.0 称为 薄轧件l/h0.5-1.0 称为 厚轧件l/h=0.5-1.0 视情况而定2.2 薄轧件的变形特点前后滑区的摩擦力均指向中性面，表层金属所受阻力比中部大，延伸比中部小，呈显为单鼓形。,(1) l/h增大，变形深入，沿高度方向上应力和变形趋于均匀，变形前的垂直横截面，变形后还是垂直横截面，宽度可以忽略不记，这又称作“平断面假设”； (2) 质点轧制线方向上的运动速度（考察5个关键的横截面）； (3) 附加应力分析（在轧制线方向，由于金属流动不均匀而产生的）。方法：考查变形区与外端相互作用而引起的附加应力。 原因：在变形区，高向上流动不均匀，而在外端，高向上速度却
9、要变成一样，因此外端对变形区出来的部分必然引起附加应力,2.3 厚轧件的变形特点 (1) l/h减小，变形不深入，只发生表面变形，呈双鼓形； (2) 质点轧制线方向上的运动速度（考察5个关键的横截面）；(3) 附加应力分布(在轧制线方向，由于金属流动不均匀而产生的)产生的后果,1.5 影响前滑的因素（影响中性角的因素）1、轧辊直径 D 2、摩擦系数 3、轧件厚度 H 4、加工率 h 5、张力 前张力Qh ，前滑 后张力QH ， ，后滑,1.2 轧制压力的概念 一、定义：轧件给轧辊合力的垂直分量 (压下螺丝下测得的总压力) 二、在简单轧制条件下： 无Qh与QH， Fx=0，Fy=Ny+THy,2
10、.4 轧制压力的工程计算（只讨论n） 一、轧制压力的工程计算原理：P= pBlB-板宽，一般用平均板宽 l-几何变形区水平投影长度（或宽度）p=nss实际变形抗力snnns0上面不同的计算公式，只是对n的处理不同，下面的任务是具体讨论n的具体处理办法。,nnn，n，n，n中间主应力影响因素n，外摩擦及几何形状系数n，外端影响系数n，张力影响系数1. n 从塑性加工力学知： 在平面变形时影响最大，n1.15 在轴对称应力状态影响最小，n1.0 因此，n11.15 轧制时假设条件为平面变形n1.15令 K=1.15s，则有轧制时轧制压力的计算公式。,2. n（张力） 反映为k的变化，这时，k=k-
11、qq=qH/(2-)+qh(1-)/(2-)3. n（外端）n=(l/h)-0.44. n（外摩擦与形状影响系数）假设n=1，n=1，则有：p=ns=nn，n，n，s =n kn = p/ k 经典计算公式一般表示为p/ k=f(外摩擦与形状影响系数) 事实上： 我们已注意到，经典计算公式只是考虑了外摩擦与形状因素（l/h）r的影响。相当于只考虑了n。,第五章 轧机传动力矩及主电机功率,1 轧制传动力矩 1.1 轧制传动力矩的组成(轧制时主电动机轴上输出 的传动力矩)：M=Mr/i+Mf+Mk+Md Mr：轧制变形的力矩(由变形金属对轧辊的作用合力所引起的阻力矩)。 i：轧辊与主电机间的传动比
12、(=电机转数/轧辊转数),Mf：附加摩擦力矩(轧制时在轴承、传动机构所增加的摩擦力矩)Mk：空转力矩(轧机空转时在轴承、传动机构所增加的摩擦力矩)Md：轧辊速度发生变化的动力矩(轧机加速或减速时的惯性力矩)其中：静力矩：Mr/i+Mf+Mk动力矩：Md,连续轧制 - 热连轧与冷连轧,连轧机列：在同一时刻使物体发生两次或两次以上变形的轧机。 连轧：用连轧机列进行的轧制过程。 热连轧: 板坯为热板坯的连轧。通常板坯为经未冷却连铸板坯或步进式加热炉加热的初轧板坯作原料。 冷连轧: 板坯为冷板坯的连轧。通常板坯为冷却后的初轧板坯作原料。,热连轧与冷连轧的比较,概念： 在挤压过程中，把锭坯表层金属被挤压
13、垫切离而滞留在挤压筒内的挤压方法，称之为脱皮挤压。 概念：挤压时锭坯在挤压力作用下，将金属分成两股或几股流入焊合室，在焊合室内强大压力作用下，重新焊合在一起，然后进入模孔与芯棒构成的间隙而形成空心制品。 连续挤压是采用连续挤压机，在压力和摩擦力的作用下，使金属坯料连续不断地送入挤压模，获得无限长制品的挤压方法。,。,（1）填充挤压阶段：即开始挤压阶段，金属充满挤压筒和模孔，挤压力急剧上升；（2）基本挤压阶段：即稳定挤压阶段，挤压力随锭坯长度缩短、表面摩擦力总量减小；（3）终了挤压阶段：即紊流挤压阶段，工具对金属的冷却，强烈的摩擦，使挤压力上升。,按流动特征与挤压力的变化规律分成三个阶段,2.2
14、.1 正向挤压的变形特点,2.2 挤压时金属的变形规律,挤压过程中，受内、外部因素的影响，金属流动很不均匀。外部因素主要有挤压方法、外摩擦、工具形状及变形程度等；内部因素主要有合金成分、金属强度、导热性和相变等。,2.2.3 影响金属流动的因素,2.2 挤压时金属的变形规律,（5）工具形状,2.2 挤压时金属的变形规律,2.2.3 影响金属流动的因素,a. 挤压模 工具形状的影响主要是模角的影响，模角即模面与挤压轴线的夹角，模角越大，则挤压时金属的流动越不均匀，当模角为90时，金属流动最不均匀，如图所示。 但是模角对产品的质量有重要的影响，模角大，死区就大，制品表面质量好；而模角小时，死区就小
15、，制品表面不好。所以存在一个合理模角范围，在此范围内，使金属流动较均匀，制品表面质量又可以保证，挤压力又低。 合理模角范围通常在60 65左右。 定径带锥角： 出现非接触变形 组合模：中心阻碍作用，金属流动均匀，缩尾减小。 多孔模：改善几何对称。 思考：是否金属流动越均匀，制品性能就越好？（参考“6)变形程度的影响”）,2.4.1 挤压制品的组织,2.4.1.1 挤压制品组织不均匀性,挤压制品的组织在断面（横向性）与长度方向（纵向性）上都是不均匀的，这种不均匀性主要是由于变形不均匀引起的，与挤压温度和速度的变化也有关系。挤压制品组织不均匀性主要表现在某些铝合金在挤压和随后的热处理过程中，在制品
16、尾端外层出现粗大晶粒组织，通常称之为粗晶环，或出现表面的晶粒粗大组织，如图所示。由于变形不均匀，挤压制品也会产生层状组织：其特征是制品被折断后，呈现出与木质相似的断口，分层的断口表面凹凸不平，分层方向与挤压制品轴向平行，继续塑性加工或热处理均无法消除。,2.4.1.1.1 表现特征,（1）断面与长度方向不均匀主要由变形不均匀引起 在横断面上，变形程度是由中心向边部逐渐增加的。从而导致了外层金属的晶粒破碎程度比中心层剧烈。 在纵向上，变形程度是由头部向尾部逐渐增加的。使得尾端晶粒比前端细小。,2.4.1 挤压制品的组织,2.4.1.1 挤压制品组织不均匀性,2.4.1.1.2 产生原因,主要是针
17、对锭温与筒温相差比较大的金属而言的。例如，对挤压速度慢的锡磷青铜，开始挤压时，金属在高温下变形，出模孔后的组织为再结晶组织；而后段挤压时，由于受工具的冷却作用，变形温度较低，金属出模孔后再结晶不完全；且挤压后期金属流速加快，更不利于再结晶。故尾部晶粒细小。,（2） 挤压温度和速度的变化,2.4.1.1 挤压制品组织不均匀性,2.4.1.1.2 产生原因,主要是对于温度变化可能会产生相变的合金而言的。例如HPb59-1，其相变温度为720C。在高于720C挤压时，制品组织呈单相组织。冷却过程中，在相变温度下从相内均匀析出呈多面体的相晶粒，组织比较均匀。但如果温度降低到相变温度以下挤压时，所析出的
18、相会被挤压成长条形的带状组织。,（3） 相变的影响,2.4.1.1 挤压制品组织不均匀性,2.4.1.1.2 产生原因,a. 粗晶区的纵向强度(b、0.2)比细晶区的低 b. 粗晶区的疲劳强度低；c. 淬火时易沿晶界产生应力裂纹；d. 锻造时易产生表面裂纹；e. 粗、细晶区冲击韧性值差别不大；f. 粗晶区的缺口敏感性比细晶区的小。,粗晶环对制品性能的影响,2.4.1.2 挤压制品的粗大晶粒组织粗晶环,如前所述，挤压制品外层金属、尾部金属的晶粒破碎和晶格歪扭程度分别比内部和前端严重。晶粒破碎严重部分的金属，处于能量较高的热力学不稳定状态，降低了该部位的再结晶温度。在随后的热处理过程中易较早发生再
19、结晶，当其他部位刚开始发生或还没有发生再结晶时，该部位发生了晶粒长大。,粗晶环的形成机制,2.4.1.2 挤压制品的粗大晶粒组织粗晶环,挤压设备 加热炉 挤压机 辅助机构 挤压工、模具 基本工具：挤压筒、挤压轴、轴套、轴座、挤压垫、模支撑、支撑环等等 模具：模子、模垫、穿孔针 辅助工具：牵引装置、导路、吊钳等,2.5 挤压装备与工模具,2.5.2.1 主要挤压工具的组成挤压工具主要有挤压模、挤压杆、穿孔针、挤压垫片及挤压筒等。 挤压模用于生产所需要的形状、尺寸的制品。 穿孔针（芯棒）对实心锭进行穿孔或用空心锭生产管材。 挤压垫防止高温金属与挤压杆直接接触，并防止金属倒流。 挤压杆用于传递主柱塞
20、压力。挤压筒用于容纳高温锭坯。挤压工具承受着长时间的高温、高压、高摩擦，因此挤压工具的使用寿命比较短，消耗量很大，而这些工具的材料均是耐热合金钢，工具成本高。由于挤压机的种类和结构不同，挤压工具的结构与装配方式有很大差异，图2.6.1是卧式挤压机挤压工具装配示意。,2.5.2 挤压机的工具组成及装配,3.1.3 管材拉拔的一般方法及适用范围管材拉拔可按不同方法分类。按照拉拔时管坯内部是否放置芯棒可分为：无芯棒拉拔（空拉）和带芯棒拉拔（衬拉）。按照拉拔时金属的变形流动特点和工艺特点可分为：空拉、固定短芯棒拉拔、游动芯头拉拔、长芯棒拉拔、顶管法和扩径拉拔等6种方法，如图3.1.2所示。,在拉拔时，
21、管坯内部不放置芯棒。 变形特点：减径、不减壁。但在减径过程中，壁厚依据D/S（外径/壁厚）值的不同会有所增减。当减径量比较大时，管材内表面会变得比较粗糙。 空拉分类：整径（或减径）空拉、成型空拉。整径（减径）空拉：用于生产小直径管材，控制管材的直径尺寸。成型空拉：利用圆断面管坯生产各种简单断面异形管材。应用：空拉适合于小直径管材的减径，盘管拉拔，冷轧管的减、整径，异形管的成型拉拔。,3.1.3 管材拉拔的一般方法及适用范围,（1）空拉,定义：将管坯套在表面抛光的圆柱形芯棒上，使芯棒与管坯一起从模孔中拉出，实现减径和减壁。 特点：管坯与芯棒之间摩擦力的方向与拉拔方向一致，使拉拔力减小，从而可增大
22、道次加工率；在拉拔薄壁管材和低塑性管材时，可防止管材的失稳和拉断。 主要缺点：要准备大量表面抛光的长芯棒；要有专门的脱芯棒机构。 应用：适合于薄壁管、低塑性合金管材的拉拔。,3.1.3 管材拉拔的一般方法及适用范围,（2）长芯棒拉拔,拉拔时，将带有短芯棒的芯杆固定，管坯通过芯棒与模孔之间的间隙实现减径和减壁。固定短芯棒拉拔是管材生产中应用最广泛的一种拉拔方法。管材内表面质量比空拉的好，但不适合拉拔细长管材。,3.1.3 管材拉拔的一般方法及适用范围,（3）固定短芯棒拉拔,拉拔过程中，芯头不用固定，依靠其本身所具有的外形建立起来的力平衡被稳定在模孔中，实现管材的减径和减壁。游动芯头拉拔是目前管材
23、生产中较为先进的一种方法，非常适合长管和盘管生产，对于提高生产率、成品率和管材内表面质量都非常有利。,3.1.3 管材拉拔的一般方法及适用范围,（4）游动芯头拉拔,将芯杆套入带底的管坯中，操作时芯杆与管坯一同从模孔中顶出，实现减径和减壁。顶管法适用于大直径管材生产。,3.1.3 管材拉拔的一般方法及适用范围,（5）顶管法,将扩径芯头装入直径较小的管坯中拉拔，管坯通过扩径后，直径增大，壁厚减薄，长度减小。 适用于当受到设备能力限制时，用小直径管坯生产大直径管材。,3.1.3 管材拉拔的一般方法及适用范围,（6）扩径拉拔,（1）应力沿轴向分布l 入 l 出r入r出入 出,变形区中的应力分布如图示。
24、,图 变形区内的应力分布,3.2.1.4 圆棒变形区内的应力分布规律,3.2.1 圆棒材拉拔时的应力与变形,原因：稳定拉拔过程中，变形区内任一横断面向模孔出口方向移动时，面积逐渐减小，而此断面与变形区入口端球面间的变形体积不断增大。为实现塑性变形，通过此断面作用在变形体的l必须逐渐增大。根据塑性方程，可得： l -（- r ）=Kzhl + r = Kzh如果把金属的变形抗力看成是常数，则随着l向出口方向增大， r和必然减小。另外， r在入口处较大也可以从实际生产中模子入口处磨损较快得到证实。,3.2.1 圆棒材拉拔时的应力与变形,（2）应力沿径向分布r 外r 内外 内l 外 l 内,原因：在
25、变形区，金属的每个环形的外面层上，作用着径向应力r 外 ，在内表面上作用着r 内，由于r总是力图减小其外表面，这就需要r 外大于r 内。距离中心层越远，表面积越大，所需要的力就越大。l沿径向的分布则可根据塑性方程得出。另外，在径向上l 外 l 内也可从拉拔棒材时内部有时出现周期性裂纹得到证实。,图 作用在塑性变形区各圆环内、外表面上的径向应力,3.2.1 圆棒材拉拔时的应力与变形,（1）空拉时变形区的应力分布,图 管材空拉时的变形力学图,空拉时，主应力l、r和在变形区中的分布规律与圆棒材拉拔时相似。l 入 l 出 r 入r 出 入 出,a. 应力沿轴向分布,3.2.2.1 空拉,径向应力r在径
26、向上的分布规律：由管材的外表面向内表面逐渐减小，即r 外r 内，直到管材内表面处为零。这是因为管材内壁无任何支撑物以建立起反作用力之故。在管材内壁上为两向应力状态，即轴向应力l和周向应力 。周向应力在径向上的分布规律则由管材外表面向内表面逐渐增大，即外 内。,b. 应力沿径向分布,3.2.2.1 空拉,空拉时的变形状态是三维变形：轴向延伸、周向压缩，径向延伸或压缩。研究的目的：分析径向的变形规律，研究管材壁厚的变化规律。,（2）空拉时变形区内的变形特点,3.2.2.1 空拉,引起管材壁厚变化的应力是轴向拉应力 l 和周向压应力 。在 l 的作用下，管材发生延伸变形，可使其壁厚变薄；而在 的作用
27、下，可使管材壁厚增厚，二者所起的作用是相反的。关键在于谁起主导作用。根据塑性加工力学，应力状态可以分解为球应力分量和偏差应力分量。将空拉管材时的应力状态分解，有三种管壁变化情况。,a. 空拉时变形区内的壁厚变化规律,（2）空拉时变形区内的变形特点,某一点的径向主变形r 是延伸还是压缩或为0，主要取决于rm m =（l +r +）/ 3 的代数值如何。当r -m 0，即r （ l + ）/2时，r为正，管壁增厚。当r -m =0，即r =（ l + ）/2时， r为0，管壁厚不变。当r -m 0，即r （ l + ）/2时， r为负，管壁减薄。,a. 空拉时变形区内的壁厚变化规律,空拉时，管壁厚
28、沿变形区长度上也有不同的变化。由于l 由模子入口向出口逐渐增大，而 逐渐减小，所以，在入口处， 相对大， l 相对小，容易增壁。出口处， 相对小， l 相对大，容易减壁。因此，管材壁厚在变形区内的变化规律是由模子入口处开始增加，达到最大值后开始减薄，到模子出口处减薄最大。,a. 空拉时变形区内的壁厚变化规律,（2）空拉时变形区内的变形特点,相对壁厚的影响对于外径D相同的管坯，增加壁厚S将使金属向中心流动的阻力增大，从而使管壁增厚量减小。对于壁厚相同的管坯，增加外径，减小了“曲拱”效应，使金属向中心流动的阻力减小，使管坯空拉后壁厚增加的趋势加强。一般：当D /S7.6（6）时，增壁；当D /S=
29、3.67.6（56）时，可能出现增壁、减壁或不变。,b. 影响空拉时壁厚变化的因素,（2）空拉时变形区内的变形特点,减径量的影响减径量越大，壁厚的变化也越大。在总减径量不变的情况下，多道次空拉的增壁量大于单道次的增壁量；多道次空拉的减壁量小于单道次的减壁量。模角的影响随着模角增大，拉拔应力发生变化，并且存在着一最小值，其相应的模角称为最佳模角。如果模角变化使拉拔应力 l增大，就会导致增壁过程中的增壁趋势减小；减壁过程中的减壁趋势增大。,b. 影响空拉时壁厚变化的因素,（2）空拉时变形区内的变形特点,定径带长度h、摩擦系数f、拉拔速度v的影响增大h、f、v，都会使拉拔应力l增大，导致增壁时的增壁
30、趋势减小；减壁时的减壁趋势增大。 合金及状态的影响合金及状态影响到变形抗力s、摩擦系数f、加工硬化速率等。通常， s大， l大。相同合金，硬度越高，增壁的趋势越弱。 拉拔方式的影响 采用倍模（或称双模）拉拔，会使管壁增加时的增壁趋势减小，管壁减薄时的减壁趋势增大。相当于增加一个反拉力。,b. 影响空拉时壁厚变化的因素,（2）空拉时变形区内的变形特点,（3）游动芯头拉拔,3.2.2.2 衬拉,拉拔时，芯头不固定，依靠芯头所设计的特殊形状和芯头与管材接触面间的力平衡，使其保持在变形区中。,芯头在变形区中稳定的条件,图 游动芯头拉拔时芯头在 变形区内的受力情况,芯头在变形区内的稳定位置，取决于作用在
31、芯头上力的轴向平衡。其力的平衡方程为： N1 sin1 -T1 cos 1 -T2=0N1（sin1 -f cos 1）= T2由于N1 0， T2 0故： sin1 -f cos 1 0tan 1 tan1 -(1),（3）游动芯头拉拔,3.2.2.2 衬拉,芯头在变形区中稳定的条件,式中： 1 芯头轴线与锥面间的夹角；f芯头与管坯间的摩擦系数；芯头与管坯间的摩擦角。满足此条件，在拉拔过程中，芯头不会从变形区中退出。另外，为了防止芯头向模子出口方向运动，其棱角部分挤断管材，还应满足芯头的锥角1 不大于模角.即1 -(2)一般情况下， - 1 =3左右。满足(1)(2)两条件。,图 拉拔棒材中
32、的残余应力,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。,（1）轴向残余应力外层拉、中心层压在拉拔过程中，由于金属流动不均，棒材外层产生附加拉应力，中心层则出现与之平衡的附加压应力。拉拔结束后，由于弹性后效作用，制品长度缩短，而外层较中心层缩短得较大。但是，物体的整体性防碍了这种自由变形，其结果在外层产生残余拉应力，中心层则出现残余压应力。（2） 周向残余应力外层拉、中心层压由于棒材中心部分在轴向和径向上受到残余压应力作用，故此部分金属在周向上有涨大变形的趋势。但是，外层金属阻碍其自由涨大，从而在中心层产生周向残余压应力，外层则产生与之平衡的周向残
33、余拉应力。,3.2.3.1 拉拔棒材中的残余应力分布,（3）径向残余应力外表面为0外，整个断面上受压，中心最大在径向上，由于弹性后效的作用，棒材断面上所有的同心环形薄层，都欲增大其直径。在外表面这种弹性恢复不受限制，但由外向内所有环形薄层的弹性恢复均会受到其外层的阻碍，从而产生一残余压应力。中心层恢复的阻力最大。,3.2.3.1 拉拔棒材中的残余应力分布,3.5.2 拉拔配模设计 3.5.2.1 拉拔配模 拉拔配模设计（概念）：根据成品的尺寸、形状、机械性能、表面质量及其他要求，确定坯料尺寸（有时坯料尺寸是确定的）、拉拔方式、拉拔道次及其所使用的工模具的形状和尺寸。 原则：在保证成品性能和质量
34、的前提下，尽可能增大道次延伸系数。（正确的配模设计，除能满足上述要求外，还应保证在尽量减少断头、拉断次数和裂纹、裂口等缺陷的情况下，减少拉拔道次以提高生产率和设备利用率。）,理论+经验,1）实现拉拔过程的必要条件L = P / FL s （3-1）式中： L出模孔断面上的拉拔应力；P拉拔力；FL出模孔断面积；s出模孔后的材料屈服强度。对于无明显屈服点的材料（如有色金属），由于其Sb，故常用b代替S 。,即： L 1令： b/ L = k k 称为安全系数则实现拉拔过程的必要条件就是：k 1 （3-2）k 值大小与被拉金属的性质、直径、状态、拉拔方式、拉拔变形条件（温度、速度、反拉力等）等有关。
35、通常 k = 1.4 2.0。,1）实现拉拔过程的必要条件,3.5 拉拔工艺,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 。拉拔力是靠绞盘转动带动线产生的。,（5）线材拉拔配模设计,A 带滑动拉拔配模设计,图 带滑动多模连续拉拔受力分析,若定义n = n/ n为滑动系数，n一般取1.0151.04,A 带滑动拉拔配模设计,e. 滑动系数n 、滑动率的确定及分配,为保证拉拔过程中un vn，
36、各道次应按照nn来配模。,对于一个制造好的拉线机，n是设计值。关键是确定n值。一般情况下，滑动系数n不宜过大，否则使能耗增大和使绞盘过早磨损；对软金属易划伤表面。,n大，则n可以大一些。但必须注意加工硬化和线材的尺寸精度， n应逐渐减小， n也应逐渐减小。则滑动率Rn也应该是逐渐减小的。Rn =（un- vn ）/ un,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。,A 带滑动拉拔配模设计,滑动式多模连续拉拔的实质：在速比n确定的拉拔机上， n是个变量（模孔磨损引起），确定合理的滑动系数或滑动率，使vn的波动在vnun的范围内，并适应秒体积
37、流量的变化，使拉拔过程顺利进行。,e. 滑动系数n 、滑动率的确定及分配,（1） 定义：将一系列速度不同的机架轧制线排在同一直线上形成的轧制方式，每个机架上只设相同尺寸的孔型。,线杆的串列式轧制,（2）轧件堆拉与连轧条件：V1出V2进 堆V1出V2进 拉V1出=V2进 正常调节措施： 张力自调节 调节前机架或者后机架的速度 调节辊缝,线杆的串列式轧制,速比： i = U2/U1 A： 对于1#机架有：1=F0/F1V1出=(1+S1)U1V1出=V1进1 C： 理想状态：V1出 = V2进 S1=S2由上述可得： 2 = i,B： 对于2#机架有：2=F1/F2V2出= (1+S2)U2V2进
38、= V2出/2,其中，V和U分别为轧件和轧辊的线速度； 为轧件变形延伸系数； S为前滑值。,线杆的串列式轧制,（3）连轧原理,轧件的堆拉： 2 i F1U1 F2U2 堆 2 = i F1U1 = F2U2 平 2 i F1U1 F2U2 拉在生产中控制堆拉原则： 原因-现象-措施措施： F U,线杆的串列式轧制,（3）连轧原理,拉伸前的准备： 酸洗：去掉氧化皮； 焊接：增加线坯长度，提高生产率； 辗头：线坯端头呈圆锥形，便于穿模； 扒皮：去掉毛剌、凹坑、氧化皮(可经过一道加工率为30%的拉伸，使线坯变圆、并产生加工硬化)。,（2） 拉线辅助工序,4.4.1 线材生产工艺概述,在设备能力和金属
39、塑性许可的情况下，采用较大的加工率，以减少退火次数，缩短生产周期； 焊接结坯，由于焊缝强度低，第一道加工率应小一些； 对同一金属，大规格加工率应小一些； 塑性好的金属加工率可大一些，塑性差的则应小一些，退火后可大一些； 按成品性能控制加工率。,拉伸加工率选择原则,（2） 拉线辅助工序,4.4.1 线材生产工艺概述,拉伸时的润滑 作用：润滑与冷却 选择：浓稠的润滑用于粗拉；液体润滑剂主要用于多次拉伸机； c）常用润滑剂：铜线拉伸-乳化液肥皂1.3%+油4.0%+水94.7%，总脂酸量4-5%，总碱量0.2-0.3%，用于粗拉。肥皂1.0%+油3.0%+水96.0%，总脂酸量4-5%，总碱量0.1
40、-0.2%，用于中、细拉。铝线拉伸-油气缸油( 1.7mm线以上)、50号机油( 1.70.70mm)和变压器油( 0.7mm线以下)。,1.2 拉线辅助工序：,（2） 拉线辅助工序,4.4.1 线材生产工艺概述,线材退火：a） 目的：消除加工硬化，便于继续拉伸，控制制品最终的组织与性能。b） 分类：成品退火：达到线材成品的性能和消除内应力；中间退火：消除加工硬化，改善加工性能。c） 工艺参数：铜线中间退火： 3.5mm以上用600 680 3.5mm以下用540 600，时间7090min,1.2 拉线辅助工序：,（2） 拉线辅助工序,4.4.1 线材生产工艺概述,铜线成品退火： 390 4
41、80，时间130 150mind） 气氛：保护性气氛：水蒸汽、二氧化碳、氮气及其他混合气体(中性或微还原性气氛)真空退火e） 退火炉类型：周期性作业、连续式作业,（2） 拉线辅助工序,4.4.1 线材生产工艺概述,酸洗a） 目的：热轧线坯和氧化退火后的线材，表面有一层氧化物，由于性脆、硬度大，易使线模磨损，划伤线材，降低表面质量。b） 工序：酸洗、水洗、中和、干燥。,（2） 拉线辅助工序,4.4.1 线材生产工艺概述,提高金属塑性，降低变形抗力，即增加金属的可锻性。使之易于流动成形并获得良好的锻后组织和力学性能。,1）锻前加热的目的,1、锻前加热的目的及方法,一、毛坯加热的方法,金属在加热过程
42、中，由于能量升高，原子的振动加快、振幅增大，以及电子运动的自由行程改变，还有周围介质的影响等原因，金属将发生如下变化：(1)化学变化 氧化皮与脱碳层等缺陷。(2)物理变化 热导率、热扩散系数、膨胀系数、密度等均随温度的升高而变化。(3)组织结构变化 组织转变，晶粒 ，严重时会造成过热、过烧。(4)力学性能变化 加热温度，塑性 ，变形抗力，残余应力逐步消失；但也可能产生温度应力与组织应力，过大的内应力会引起加热的金属开裂。,2、金属加热时的变化和常见的缺陷,第一节 毛坯加热与锻件冷却,（2）脱碳 钢在高温加热时，表层中的碳和炉气中的氧化性气体与某些还原性气体发生化学反应，生成甲烷或一氧化碳，造成
43、钢料表层的含碳量减少，这种现象称为脱碳。 脱碳造成的结果是使锻件表面变软，强度和耐磨性降低。当脱碳层较深时，会影响到锻件的质量。,金属加热时的常见的缺陷,第一节 毛坯加热与锻件冷却,（3）过热 加热温度过高，会使晶粒急剧长大，导致金属塑性减小，塑性成形性能下降，这种现象称为“过热”。 实践证明，过热对金属锻造过程影响并不大，甚至过热得较严重的钢材，只要没有过烧，在足够大的变形程度下，晶粒粗大的组织一般可以消除。,金属加热时的常见缺陷,（4）过烧 如果加热温度接近熔点，会使晶界氧化甚至熔化，导致金属的塑性变形能力完全消失，这种现象称为“过烧”。 过烧的毛坯在锻造时，会在表面引起网格状的裂纹，一般
44、称为“龟裂”，过烧严重时，毛坯会破裂成碎块。坯料将报废。 （5）裂纹 毛坯在加热中，由于其表层与心部温度的差异造成的温度应力，以及相变发生时间的差异引起的组织应力超出材料在此温度下的强度极限时便产生裂纹。 加热规范：从毛坯装炉开始到出炉的整个过程中，炉温和料温随时间变化的规定。,第一节 毛坯加热与锻件冷却,二、锻件冷却,第一节 毛坯加热与锻件冷却,锻件的冷却是指锻件从终锻温度出模冷却到室温。 1、锻件冷却常见的缺陷冷却速度选择不当，可能因产生裂纹、白点或网状碳化物等缺陷而报废。 1）裂纹 冷却裂纹是由于锻件冷却过程中的内应力引起的，它由锻件表面向内部扩展。按照冷却时内应力产生的原因，有温度应力
45、、组织应力和残余应力。,若锻件材料为抗力较小、塑性较高（软钢：低碳钢与低合金钢）的合金，心部由受压应力转变成受拉应力，易产生冷却裂纹。内裂。若锻件材料为抗力大、塑性低的合金（硬钢：高碳钢与高合金钢），表层为拉应力，心部为压应力。易产生外裂。,（1）温度应力,有相变的材料，由于相变前后组织的比体积不同，在不同的相之间会产生组织应力。冷却组织应力和加热组织应力一样是三向应力，且其中切向应力最大，是引起表面纵裂的主要原因。,（2）组织应力,由于变形不均匀所引起的附加应力。残余应力在锻件内部的分布，根据锻件各部位变形程度和冷却速度的不同，可能是表层为拉应力而心部为压应力，或者与此相反。,（3）残余应力
46、,锻件在冷却过程中存在上述三种内应力，总的内应力为这些应力的叠加。当叠加后总的内应力值超过材料的强度极限时，便会在锻件的相应部位产生裂纹。,一、模锻的概念,第三节 开式模锻工艺及模具设计,优点： 生产率高； 锻件形状较复杂，尺寸精度较高；粗糙度也比自由锻低 锻件的机械加工余量较小，材料利用率较高； 可使流线分布更为完整合理，从而进一步提高零件的使用寿命； 生产过程操作简便，劳动强度比自由锻小； 锻件达到一定批量后，其成本降低。 定义：把加热好的坯料放在固定于模锻设备上的模具内进行锻造的方法称为模锻。模锻是使用专用锻模进行锻造来获得所需形状和尺寸锻件的主要工艺方法。,模锻的特点：,一、模锻的概念
47、,第三节 开式模锻工艺及模具设计,模锻的特点：,缺点： 设备投资大； 生产准备周期，尤其是锻模制造周期都比较长，批量小的锻件在经济上不合算； 锻模成本高，且寿命较低； 工艺灵活性不如自由锻。,锻件上内圆角对应模膛上的外圆角。作用：使金属易于流动充填深腔，防止出现折叠的锻件，同时也防止模膛中较窄的凸出部分被压蹋。,内圆角半径R,一般取 R(23)r,圆角半径,冲孔连皮,锤上模锻时，由于不可能依靠上、下模的突起部分的打靠将金属完全挤压掉，就不能直接锻出通孔。必须在孔内保留一层冲孔连皮，终锻后将冲孔连皮切除。一般情况下，当锻件内孔直径大于30时要考虑设冲孔连皮。,必须正确选择连皮形式及其尺寸：,连皮
48、厚度应适当：过薄，锻件容易发生锻不足并要求较大的打击力，从而导致模具凸出部分加速模损或打塌；太厚，冲除连皮困难，易使锻件形状走样，而且浪费金属。,1)造成足够大的横向阻力，迫使金属充满模膛。 2)容纳毛坯上的多余金属，起补偿与调节作用。 3)对于锤类设备上模锻，可缓冲模具撞击，提高锻模寿命。,飞边槽的作用,二、 开式模锻,飞边槽设计,(2)飞边槽尺寸的确定主要尺寸：桥部高度h、宽度b及入口圆角半径r。对锻件质量及锻模寿命的影响：当h减小，b增大时，则水平方向流动阻力增大，有利于充满模膛。但如果b过度增大，将导致锻造不足，并使锻模加速磨损。若h太大，b过小，会造成金属向外流动的阻力太小，不利于充填模膛，并产生厚大飞边。入口处圆角半径r太小，易产生压塌内陷，影响锻件出模；若r太大，影响切边质量。,
