固态成形原理讲义-拉拔

1、5. 拉拔成形原理与控制拉拔成形原理与控制5.1 概述概述 拉拔可分为： （1）实心拉拔 主要包括棒材、型材及线材的拉拔。 （2）空心拉拔 主要包括管材及空心型材的拉拔。图5-1 拉拔示意图1-坯料；2-模子；3-制品5.2 线棒材拉拔原理线棒材拉拔原理5.2.1 建立拉拔过程的条件建立拉拔过程的条件5.2.1.1 拉拔时的受力分析反作用力作用：摩擦力作用：拉拔特点：5.2.1.2 建立拉拔过程的条件KzbK：拉拔的“安全系数”。K1为建立拉拔过程的条件。5.2.1.3 拉拔时压缩力的作用拉拔时模孔壁的压缩力R是促使线棒材变形的主要因素。R与P的关系为：)sin(PR5.2.2 拉拔时变形区内

2、金属流动规律和应力分布特点拉拔时变形区内金属流动规律和应力分布特点5.2.2.1金属在变形区内的流动特点(1)纵向上的网格变化： 1）；2）(2)横向上的网格变化： 1）；2）正方形格子A：延伸变形： 压缩变形： 正方形格子B：延伸变形： 压缩变形：各层中椭圆的长、短轴变化情况是：rlBrlna ；r2Br2n1n1A； 2A2n2B01lnraA02lnrbA011lnrrBB022lnrrBB5.2.3.2 变形区的形状 5.2.3.3 变形区内的应力分布规律(1)应力沿轴向的分布规律轴向应力l，由变形区入口端向出口端逐渐增大。原因： r1F0入口端入口端出口端出口端LF1 r0 l0 l

3、1 0 1L周向应力及径向应力r则从变形区入口端到出口端逐渐减小。原因：塑性方程式：zhrlK)(zhrlK拉拔生产中模子的磨损：1）道次加工率大时模子出口处的磨损比道次加工率小时要轻；2）模子入口处一般磨损比较快 。 图5-7 变形区内各断面上l与r间的关系L-变形区全长；A-弹性区；B-塑性区；sr-变形前金属屈服强度；sch-变形后金属屈服强度(2)应力沿径向分布规律径向应力r与周向应力由表面向中心逐渐减小。原因：轴向应力l由表面向中心逐渐增大。原因：环状层环状层5.2.3.4 反拉力对变形和应力分布的影响 图5-9 反拉力Q对轴向应力l、径向应力r和和摩擦应力的影响a-无反拉力；b-有

4、反拉力5.3 5.3 管材拉拔的基本原理管材拉拔的基本原理（1）拔管的特点：1)拔管时金属处于轴向受拉,径向和周向受压的应力状态，变形抗力低。根据塑性方程式： s312)由于应力状态存在拉应力，变形时金属性较差，因而对于低塑性金属因加工硬化而降低了塑性时，拔制比较困难。3)存在拔制应力。 冷拔钢管产生的加工硬化有利于增加拔制时的道次变形量。 图5-11 牵引扩管法的变形过程（a）和应力状态(b)二向拉一向压(2)扩径扩拔时的扩径率一般1520%。扩径后钢管的长度有所缩,壁厚有所减薄，扩径后钢管的直径可按下式计算：KHHHkkdSSddS)(4212图5-12 压缩扩管法的变形过程(a)和应力状

5、态(b)一向拉二向压5.3.1 无芯棒拔管过程无芯棒拔管过程（1）变形过程和变形区图5-13-1 空拔过程中钢管尺寸的变化a-锥角10，模孔直径24 mm；b-20，22mm；c-30，24mm；1-和模壁接触；2-和模壁脱离产生不接触变形区的原因：图5-14 空拔时钢管上单元窄条的弯曲 （2）变形区中的应力分布 在无芯棒拔制的情况下，根据作用在单元环上的力的平衡条件，r与t之间存在如下关系： SDDSrtrt22或图5-15 确定r和t之间关系的图示图5-16 沿变形区长度，s、t、l和r的变化；1-t；2-r（3）拔制后钢管直径的确定空拔后钢管的直径：使用锥形空拔模时，相对直径差可用下列经

6、验公式计算：式中 DK和SK拔制后钢管的直径和壁厚，毫米； 延伸系数。210aadDK%100)2sin125. 00015. 0(0KKDSdD改变模孔形状可以减少甚至消除出口端不接触变形。图5-17 模孔形状对缩径量的影响（4） 壁厚变化及均壁作用1）产生壁厚变化的力学条件r-m0即 r1/2(l+t) 时，r0，壁增厚。r-m=0即 r=1/2(l+t) 时，r=0，壁厚不变。r-m0即 r1/2(l+t) 时，r0，壁减薄。 2)壁厚变化的些规律 a)空拔钢管壁厚的变化发生在接触变形区，也发生在不接触变形区。空拔后钢管壁厚的改变是整个变形区内壁厚变化的总和。 b)空拔时钢管壁厚的变化主

7、要取决于拔制前原始直径与原始壁厚的比值D/S。 c)模具的形状对空拔管的壁厚变化有影响图5-18-1 壁厚变化率与变形程度及模具锥角的关系a-D/S=30(301.0毫米)；b- D/S=15(302.0毫米)；1-=5；2-10；3-15；4-20；5-25d)钢的力学性能对空拔时壁厚的影响塑性大的金属壁厚变化较大。图5-18-2 空拔时壁厚变化与变形前钢管状态的关系1-退火管；2-具有23.5%的冷变形量；3-具有51.0%的冷变形量e)道次加工率与加工道次的影响道次加工率增大时，相对拉应力增加，使增壁空拉过程的增壁幅度减小，减壁空拉过程的减壁幅度增大。f)润滑条件、模子几何参数及拉拔速度

8、的影响g) 空拔过程中的均壁作用在对不均匀壁厚管坯拉拔时，空拉能起到自动纠正管坯偏心的作用，且空拉道次越多，效果就越显著。原因：3） 空拔过程中钢管的稳定性在薄壁管进行空拔时，管壁很薄，减径量超过一定值时，空拔时钢管就会由于局部的或沿管全长的管壁内凹，造成凹折缺陷。丧失稳定性可能的壁厚范围： 。 图5-19 空拔时因钢管丧失稳定性而造成的缺陷%4DS5.3.2 5.3.2 短芯棒拔管过程短芯棒拔管过程特点： 1）芯棒位置固定不变；2）道次加工率较小；3）难以拉制较长管子。（1） 变形过程和变形区图5-20 短芯棒拔制的模具及变形区图5-21 短芯棒拔制过程建立时作用在外模及芯棒上的力P1-无芯

9、棒拔制时的力；P2-长芯棒拔制时的力P3、P1-芯棒停止移动时的力；P4、P2-稳定拔制时的力 在稳定拔制阶段，钢管的变形过程是先减径，继之是减壁，最后是定径。因而短芯棒拔制时的变形区由减径区、减壁区和定径区三部分组成。 图5-21-1 固定短芯头拉拔时的应力与变形图图5-22 短芯棒拔制时主应力沿减壁区的分布（2） 金属的流动和变形特点：1）管子内部有芯头支撑，因而内壁上的径向应力r不等于零，管子内层与外层径向应力差值小，变形比较均匀。图5-22-1 空拔和短芯棒拔制后钢管外表面的周向拉伸残余应力1-空拔管；2-短芯棒拔制后的钢管2）芯头表面与管子内表面产生摩擦，摩擦的作用： 3）对残余应力

10、的影响。图5-23 短芯棒拔制后钢管外表面的残余应力与减径率及减壁率的关系a-周向残余应力；b-轴向残余应力（3）拔制时的抖动现象拔制过程中，芯棒在变形区内处于稳定位置时，作用在芯棒上的总摩擦力与拉杆弹性拉伸的反力Q相平衡：p作用在芯棒上的单位压力,Mpa；d芯棒的直径,毫米；l钢管内表面和芯棒接触面的长度，毫米；f一摩擦系数。 dfpl5.3.3 5.3.3 长芯棒拔制过程长芯棒拔制过程特点：在拔制过程中可认为芯棒的前进速度等于钢管的出口速度VB，设离开外模后钢管的截面积为FK；在减壁区的任一截面钢管的截面积为F，前进速度为V，则根据秒流量相等原则有： 因为 所以 FVVFBKKFF VVB

11、 5.3.4 5.3.4 游动芯棒拔管过程游动芯棒拔管过程特点： 1）拔制力小，可提高道次变形量；2）不存在拉杆的限制，可拔制小口径钢管和较长钢管；3）内外表面质量和尺寸精度高。图5-26游动芯棒拔制I-芯棒的前圆锥段；II-芯棒的圆锥段；III-芯棒的后圆柱段（1） 实现稳定拔制的基本条件当芯棒处于稳定位置时，在它的前圆柱段和圆锥段上分别作用着正压力N1、N2及摩擦力T1、T2，力平衡方程： 所以 式中 1圆锥段母线的倾斜角，度； f芯头与管材内表面之间的摩擦系数。 由上式可得出实现稳定拔制的一个基本条件：实现稳定拔制的第二个基本条件：游动芯棒的锥角必须小于或等于外模的锥角，即 1（2） 道

12、次变形量0cossin21111TTN0, 021TNtgtgf111, 0cossin115.45.4 拉拔制品中的残余应力拉拔制品中的残余应力5.4.1 5.4.1 残余应力的分布残余应力的分布5.4.1.1 拉拔棒材中的残余应力分布图5-27 拉拔时的副应力拉拔后棒材中呈现的残余应力分布有以下三种情况：1）拉拔时棒材整个断面都发生塑性变形。图5-28 棒材整个断面发生塑性变形时的残余应力分布a-轴向残余应力；b-周向残余应力；c-径向残余应力2)拉拔时仅在棒材表面发生塑性变形。在轴向上棒材表面层为残余压应力，中心层为残余拉应力。在周向上残余应力的分布与轴向上基本相同，而径向上棒材表面到中

13、心层为残余压应力。3)拉拔时塑性变形未进入到棒材的中心层，拔后制品中残余应力的分布应该是前二种情况的中间状态。5.4.2 5.4.2 拉拔管材中的残余应力拉拔管材中的残余应力(1) 空拉管材 轴向：周向：径向：影响空拔管外表面轴向和周向拉伸残余应力大小的主要因素：直径压缩率、钢的力学性能、钢管的壁厚等。图5-31 空拔管内三个方向残余应力的定性分布1-轴向残余应力l；2-周向残余应力t；3-径向残余应力r（2） 衬拉管材 %100)(010010DDDddd拉拔管材时，管子的外表面和内表面的变形量不相同，差值可以用内径减缩率和外径减缩率之差来表示，即： D0、d0拉拔前管外径与内径,毫米；D1

14、、d1拉拔后管外径与内径,毫米。 5.4.3 残余应力的消除 (1)减少不均匀变形措施： 1）减少拉拔模壁与金属的接触表面的摩擦；2）采用最佳模角；3）对拉拔坯料采取多次的退火；4）使两次退火间的总加工率不要过大；5）减少分散变形度；6）在拉拔管材时应尽可能地采用衬拉，减少空拉量。 (2)矫直加工 （3）退火利用低于再结晶温度的低温退火来消除或减少残余应力。图5-34 拉拔棒材退火前、后残余应力的变化a-退火前；b-退火后5.5 拉拔力拉拔力5.5.1 各种因素对拉拔力的影响各种因素对拉拔力的影响（1）被加工金属的性质对拉拔力的影响 图5-35 金属抗拉强度与拉拔应力之间的关系1-铝；2-铜；

15、3-青铜；4-H70；5-含97%铜3%镍的合金；6-B20（2） 变形程度对拉拔力的影响（3） 模角对拉拔力的影响图5-36 拉拔黄铜线时拉拔应力与断面减缩率的关系图5-37 拉拔应力与模角之间的关系（4） 拉拔速度对拉拔力的影响（5） 摩擦与润滑对拉拔力的影响 金属与合金坯料直径（mm）加工率（%）模子材料润滑剂拉拔力（N）铝2.023.4碳化钨钢固体肥皂固体肥皂127.5235.4黄铜2.020.1碳化钨钢固体肥皂固体肥皂196.1313.8磷青铜0.6518.5碳化钨碳化钨固体肥皂植物油147.0255.0 B20 1.12 20碳化钨碳化钨钻石钻石固体肥皂植物油固体肥皂植物油156.

16、9196.1147.0156.9表表5-1 润滑剂与模子材料对拉拔力影响的实验结果润滑剂与模子材料对拉拔力影响的实验结果（6） 反拉力对拉拔力的影响带反拉力拉拔由于存在反拉力Q，此时的拉拔力P，不仅要克服作用在模座的轴向压力Pd，还要克服外加的发拉力Q。拉拔力P=Pd+Q。 （7） 振动对拉拔力的影响拉拔时对拉拔工具（模子或芯头）施以振动可以显著地降低拉拔力，继而提高道次加工率。所用的振动频率分为声波（25500赫）与超声波（16800赫）两种。振动方式有轴向、径和周向。5.5.2 拉拔力的计算（自学）拉拔力的计算（自学）5.5.2.1 拉拔力实测图5-42 液压测力计图5-41 在拉力试验机

17、上测定拉拔力的装置1-导轮；2-模子；3-润滑剂；4-反拉力模；5-刻度盘；6-夹头；7-导轮8-放线盘；9-建立反拉力的荷重；10-支承；11-模子架；12-收线盘；13-收线盘传动装置；Q-反拉力；M-模子压力；P-拉拔力；Mq、Pq 带反拉力时的模子压力与拉拔力 5.5.2.2拉拔力的理论计算 拉拔力的理论计算方法很多，如平均主应力法、滑移线法、上界法以 及有限元法等，而目前应用较广泛的为平均主应力法，下面主要介绍平均 主应力法。(1)棒线材拉拔力计算 图5-43为棒线材拉拔力中应力分析示意图。在变形区x方向上取一厚度为dx的单元体，并根据单元体上作用的x轴向应力分量，建立平衡微分方程式，整理，略去高阶微量得：图5-43 棒线材拉拔中的应力分析5.6 拉拔制品的主要缺陷拉拔制品的主要缺陷5.6.1 实心材的主要缺陷实心材的主要缺陷 (1)中心裂纹由拉拔时应力分布规律可知，在塑性变形区内中心层上