《材料工程基础》课件-第五章 金属的塑性加工（第5、6、7节）

拉拔原理与方法拉拔基本理论拉拔工艺拉拔工具3.5

拉拔在外加拉力作用下，使金属通过摸孔产生塑性变形，获得与摸孔形状、尺寸相同的制品的加工方法，称之为拉拔。3.5.1拉拔原理与方法制品P模子坯料拉拔具有悠久的历史，大约在公元前20～30世纪即出现了手工拉丝(主要用于金等贵金属丝)，公元8～9世纪，拉拔制线发展较快，大约在公元12世纪正式确定了拉拔加工法。13世纪中叶，德国首先制造了水力拉拔机，在世界上广泛推广；直到17世纪才出现了卷筒拉拔机，确立了现代拉拔工业基础。现在拉拔加工产品的品种和规格越来越多，被广泛应用于国民经济的各个领域。拉拔发展概况①拉拔制品的尺寸精度高，表面粗糙度低②工具与设备简单，维护方便，一机多用③适用于连续高速生产断面尺寸小的长尺产品（Al、Cu拉拔纤维直径可小至10μm）④变形道次多，工艺过程长。⑤拉拔时变形区内的应力状态为：两向压缩一向拉伸。拉拔加工的特点拉拔方法拉拔加工方法实心材拉拔空心材拉拔棒材型材线材空心异型材空拉长芯杆拉拔管材

固定芯头拉拔游动芯头拉拔顶管扩径拉拔从产量和技术要求等方面看，管材拉拔在拉拔加工中占有重要地位。空拉拉拔时管坯内部不放芯头，拉拔后壁厚度略有变化，主要目的是减径，又称减径拉拔。制品坯料P

模子长芯杆拉拔芯杆P

模子长芯杆拉拔是指管坯套在表面抛光的芯杆上，拉拔时芯杆与坯管料坯一起通过模孔。制品固定芯头拉拔是在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。固定芯头拉拔芯头P制品

模子芯杆 坯料游动芯头拉拔游动芯头拉拔是指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。游动芯头P制品

模子坯料顶管顶管法是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)。芯杆P制品

模子坯料扩径拉拔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。制品坯料芯头P①圆棒拉拔时的应力与变形②空拉时的应力与变形③固定短芯头拉拔变形④游动芯头拉拔变形⑤长芯杆拉拔变形3.5.2拉拔基本理论应力①圆棒拉拔时的应力与变形NP

T

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（径向 和周向 ）一向拉（轴向 ），且有 ，即为轴对称应力状态。与挤压类似，即：边部变形>中心变形；前端变形>后部变形；中心流速>边部流速。但由于摩擦小，不均匀程度远比挤压小。变形及应变规律注意：拉拔时会产生周期性裂纹。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

。径向压应力的数值由管材外表面至内表面逐渐减小，在内表面上为零。周向应力由外表面向内逐渐增大。轴向应力由变形区入口为零逐渐增加，在变形区出口(模孔出口)处达到最大。②空拉时的应力与变形按目的不同有：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（0.5～1），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。变形空拉时壁厚增加或减少，主要取决于两个因素：①圆周方向压应力：促使金属沿径向流动，导致管材壁厚增加②轴向拉应力：促使金属产生轴向延伸，并导致壁厚减薄。这两个因素作用的强弱取决于各种变形条件。变形分三部分：③固定短芯头拉拔变形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。A

B

C

D由于内摩擦的存在，拉拔力大、道次加工率小，但变形较均匀；内表面质量好、尺寸精确；不能生产较长的制品。因为：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；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

8～12m。固定短芯头拉拔的特点变形过程：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。A

B

C

D E

F④游动芯头拉拔变形变形过程与固定短芯头拉拔时相同，即空拉、减径和定径区。⑤长芯杆拉拔变形ABCD拉拔力小，道次加工率大。因为：ⅰ芯杆承担了一部分拉拔力；ⅱ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；适于小管薄壁管以及塑性差合金管的生产；脱杆麻烦。特点拉拔加工一般需要多道次加工才能完成。涉及的过程包括：①确定拉力大小②拉拔配模③拉拔润滑3.5.3拉拔工艺拉拔力是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。影响拉拔力的因素合金性能：强度高，拉拔力大；变形程度：变形程度大，拉拔力大；模角：与挤压类似，存在一最佳模角，其值为6~9°。摩擦与润滑：润滑时，摩擦系数小，拉拔力小。①确定拉力大小即：<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

＝1.4～2.0制品P模子坯料实现拉拔的必要条件必要条件：作用在制品上的拉应力小于材料的屈服极限。K过小，意味着金属加工率过大，容易产生断头、拉断等现象。K过大，表示道次加工率过小。没有充分发挥金属的变形能力。制品直径越小，壁厚越薄，K值应越大些。拉拔配模：根据成品的要求（有时还包括坯料尺寸）来确定拉拔道次及各道次所需模孔形状、尺寸的工

作。②拉拔配模由于管棒线材拉拔前后断面形状均为圆形，因而拉拔配模的主要任务是确定拉拔次数和道次变形量。确定拉拔次数的最简单方法是均等道次变形率法，即假设总断面压缩率为rt

(％)，道次断面压缩率为r(％)，拉拔道次为n，则有：1-

rt（%）=[1-

r(％)]n∴上式是用断面压缩率表示的平均分配法配模设计。也可用延伸系数来进行配模设计。设总延伸系数为，平均道次延伸系数为λ，则拉拔道次n为：道次数确定后，即可确定各道次的断面压缩率或延伸系数。实际生产中很少采用每道次变形量均相等的变形分配方法，一般采用使第一道次的变形量尽可能大，然后逐步减小的方法。异型材拉拔配模设计要考虑：道次次数道次变形量每道次的模孔形状选择合适的坯料断面形状。异型材拉拔模孔孔型设计异型材拉拔配模直接影响拉拔过程的变形均匀性，从而影响制品形状与尺寸精度。异型材拉拔配模注意：异型材拉拔时，成品的外形必须要包容在坯料外形当中，否则难以拉拔成形。因为拉拔过程中，坯料难以产生中心向外的径向运动。工艺步骤：选择坯料

配模，按圆棒拉拔配模：拉拔道次、各道次延伸系数计算各道次相应的模孔面积

确定坯料拉拔过程中金属流动的流线

按各道次间面积比例对金属流线分段，从而确定各道次模孔形状

设计模孔、计算拉拔应力、校核安全系数拉拔用润滑剂应满足如下基本要求：对金属与工具具有较强的粘附力和耐压性能。以保证拉拔时在接触表面形成稳定的润滑膜。具有良好的化学稳定性，对金属和工具无腐蚀作用。具有良好的冷却、散热性能，润滑性受温度影响小；具有适当的闪点和着火点，使用安全，对人体环境无害；成本低廉。③拉拔润滑皮膜处理的主要目的在于增加润滑剂在金属表面的吸附性能，提高润滑效果。拉拔前进行皮膜(覆膜)拉拔润滑过程

处理在拉拔时使用润滑剂碳酸钙肥皂皮膜磷酸盐皮膜硼砂膜

草酸盐膜金属膜

树脂膜等拉拔润滑基本过程常用拉拔润滑剂湿式润滑剂干式润滑剂矿物油、脂肪酸、动植物油脂、乳液等二硫化钼石墨肥皂脂肪酸皂石蜡等常用拉拔润滑剂拉拔工具主要包括拉拔模和芯头。此二者的结构、形状尺寸、表面质量与材质对制品的质量、产量、成本等具有重要影响。3.5.4拉拔工具图 普通拉拔模的基本结构（a）锥形模

（b）弧线模拉拔模旋转模辊式模普通模（应用最多）弧线模：只用于细线的拉拔锥形模：管、棒、型材和较粗的线材拉拔拉拔模图芯头的结构与形状a)圆柱形固定短芯头 b)

锥形固定芯头

c)游动芯头固定短芯头游动芯头圆柱形固定短芯头：应用广泛锥形芯头：用于薄壁管拉拔，为了减小摩擦力，防止管材拉断。芯头自由锻模型锻造特种锻造3.6锻造定义：在加压设备及工（模）具的作用下，使金属坯料或铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得一定几何形状、尺寸和质量的锻件的加工方法。锻造2012年4月1日，中国二重独立自主设计、制造、安装的世界最大的8万吨模锻压机热负荷试车一次成功论证5年，建造5年，至少上千人参与了建造。总高42米，重约2.2万吨，单件重量在75吨以上的零件68件，压机尺寸、整体质量和最大单件重量均为世界第一通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，提高金属的力学性能。具有较高的劳动生产率。适应范围广。可以大大地节省金属材料和减少切削加工工时。不能锻造形状复杂的锻件。锻造的特点分类三类特种锻造自由锻模锻自由锻是利用冲击力或压力使金属在上下两个抵铁之间产生变形，从而获得所需形状及尺寸的锻件。由于在上下抵铁之间坯料四周的变形不受限制，所以称为自由锻。特点：自由锻生产所用工具简单，具有较大的通用性，因而它的应用范围较为广泛。可锻造的锻件质量由不及1kg到300t。在重型机械中，自由锻是生产大型和特大型锻件的惟一成形方法。3.6.1自由锻自由锻所用设备：根据它对坯料施加外力的性质不同，分为手工锻、锤上自由锻和液压机上自由锻三大类。自由锻分类手工锻手工锻造现在主要是用于金、银、铜装饰品和工艺品的生产加工。在锻件生产用得愈来愈少。空气锤、蒸汽锤。依靠产生的冲击力使金属坯料变形，用于锻造中、小型锻件。空气锤是将电能转化成压缩空气的压力能来产生打击力。锤上自由锻液压机是依靠产生的压力使金属坯料变形。其中，通常是在油压机或水压机上进行。水压机可产生很大的作用力，能锻造质量达300t的锻件，是重型机械厂锻造生产的主要设备。液压机上自由锻自由锻工序工序基本工序：使坯料完成主要变形的工序。辅助工序：为方便基本工序的操作先对坯料进行少量的变形如倒棱等。精整工序：为使锻件尺寸、表面合格，在基本工序后应用的工序如校正表面平整等。自由锻工序镦粗镦粗——使毛坯高度减小、横断面积增大的锻造工序。镦粗部分的高度应不大于坯料直径的2.5~3倍①镦粗局部镦粗——在坯料上某一部分进行的镦粗。镦粗部分的高度应不大于坯料直径的2.5~3倍局部镦粗拔长反复90°翻转拔长的翻转方法沿螺旋线翻转②拔长拔长——使毛坯横断面积减小、长度增加的锻造工序。沿螺旋线翻转法反复90°翻转法操作方便，变形不均匀操作不方便，变形均匀冲孔——在坯料上冲出透孔或不透孔的锻造工序。双面冲孔单面冲孔③冲孔双面冲孔冲凹痕、撒煤粉、冲至坯料厚度的

2/3~3/4翻转冲穿单面冲孔单面冲孔：大端朝下直接冲孔。适用于：较薄的坯料。扩孔——减小空心毛坯壁厚而增大其内径和外径的锻造工序。冲头扩孔扩孔的方法心轴扩孔切向受拉应力，容易胀裂，所以每次扩孔量不宜太大冲头扩孔④扩孔心轴扩孔心轴扩孔：利用上砧和心轴对空心坯料沿圆周依次连续压缩而实现扩孔。切向拉应力很小，坯料不容易破裂，加工薄壁锻件弯形——采用一定的工模具将毛坯弯成所规定外形的锻造工序。1—成形压铁2—坯料3—成形垫铁自由弯形成形弯形⑤弯形切割——把板材或型材等切成所需形状和尺寸的坯料或工件的锻造工序。单面切割双面切割和四面切割圆料切割⑥切割单面切割：将剁刀垂直于坯料，锤击剁刀使其切入坯料至接近底部，然后翻转坯料，用剁刀或克子对准切口将坯料剁断。这种方法常用于切断坯料和切除料头。双面切割和四面切割双面切割——在坯料的两个相对面上先后切割。四面切割——先切割两相对面，再切割相邻的两相对面。双面和四面切割一般用于切割截面较大的坯料。圆料切割3/1~3/2120°~150切断盘类零件锻造工序：镦粗变形为主，孔心件还得加冲孔工序锻件分类轴类零件锻造工序：拔长，切肩和锻台阶筒类零件锻造工序：镦粗，冲孔，在心轴上拔长环类零件锻造工序：镦粗，冲孔，在心轴上扩孔。曲轴类零件锻造工序：拔长，错移，锻台阶，扭转弯曲类零件锻造工序：拔长，弯曲压盖锻件图自由锻实例印槽一端拔小端部镦粗滚圆冲孔锻出凸台两垫环中修正外圆修正使加热到锻造温度的金属坯料在锻模模膛内一次或多次承受冲击力或压力的作用，而被迫流动成形以获得锻件的压力加工方法。坯料只能在模具的模膛所限定的空间范围内变形，不是自由变形，而是有约束地变形，因而锻件尺寸精确、加工余量小，结构可以比较复杂，生产率高。3.6.2模型锻造①生产效率高；②锻件尺寸精度高，机加工余量小；③可锻造形状较复杂的锻件；④可实现大批量生产，节省金属材料，降低成本；⑤操作简单，易于实现机械化、自动化。特点（与自由锻相比）模锻按使用设备不同可分为：①胎模锻②锤上模锻③摩擦压力机上模锻④曲柄压力机上模锻⑤平锻机上模锻等。分类胎模锻是在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的工艺方法。胎模锻一般采用自由锻方法制坯，然后在胎模中成形。胎模的种类较多，主要有扣模、筒模及合模三种。①胎模锻扣模用来对坯料进行全部或局部扣形，以生产长杆非回转体锻件。也可以为合模锻造进行制坯。用扣模模锻锻造造时时，，坯坯料料不不转转动动。。扣模扣模筒模筒模主要用于锻造齿轮、法兰盘等盘类锻件。组合筒模由于有两个半模(增加一个分模面)的结构，可锻出形状更复杂的胎模锻件，扩大了胎模锻的

应用范围。，可生产形合模由上模状复杂、精度和下下模模组组成成，，并并有有导导向向结结构构较高高的的非非回回转转体体锻锻件件。。合模合模优点：由于胎模结构较简单，可提高锻件的精度，不需昂贵的模锻设备，扩大了自由锻生产的范围。缺点：但胎模易损坏，较其它模锻方法生产的锻件精度低，劳动强度大，适用企业：胎模锻只适用于没有模锻设备的中小型工厂中生产中小批量锻件。特点及适用范围锤上模锻与自由锤相似，不同是砧座和锤身是连成一封闭的整体，是由上模和下模两部分组成。上下模合在一起，中间部分形成完整的模膛。锻模上有分模面和飞边槽。②锤上模锻1--锤头3--飞边槽5--模垫8--分模面2--上模4--下模6、7、10--楔铁9--模膛锤上模锻具有设备投资较少；锻件质量较好；适应性强；可以实现多种变形工步；锻制不同形状的锻件。优点锤上模锻震动大、噪声大；完成一个变形工步往往需要经过多次锤击；难以实现机械化和自动化；生产率在模锻中相对较低。缺点概述分离工序成形工序特种冲压成形3.7

冲压成形定义：冲压成形是利用装在冲床上的冲模对金属材料加压，使之产生变形或分离，从而获得零件或毛坯的加工方法。冲压一般是在室温下进行，所以有时又称冷冲压。冲压成形的对象多为板材，故常称板料冲压。3.7.1概述①在常温下加工，金属板料必须具有足够的塑性和较低的变形抗力。②金属板料经冷变形强化，获得一定的几何形状后，结构轻巧，强度和刚度较高。③冲压件尺寸精度高，质量稳定，一般不需机械加工即可作零件使用。板料冲压的特点④冲压生产操作简单，生产率高，便于实现机械化和自动化。⑤可以冲压形状复杂的零件，废料少。⑥冲压模具结构复杂，精度要求高，制造费用高，只适用于大批量生产。冲压工艺广泛应用于汽车、飞机、农业机械、仪表电器、轻工和日用品等工业部门。冲压工序成形工序分离工序修边冲裁剪切弯曲拉深胀形翻边分离工序指冲压过程中使冲压件与板料沿一定的轮廓相互分离的工序。包括：冲孔、落料、切断、切口、切边、剖切、整修等3.7.2分离工序冲孔、落料冲孔、剖切冲裁是借助模具使板材分离的一种基本工序，冲裁分为落料和冲孔。落料是被分离的部分为成品，而周边是废料；冲孔是被分离的部分为废料，而周边是成品。冲裁冲裁落料冲孔冲裁变形过程裂纹扩展相遇冲裁变形过程板料分离冲裁变形过程分为三个阶段：①弹性变形阶段：板料产生弹性压缩、弯曲、局部拉深；②塑性变形阶段：塑性变形加大，出现微裂纹；③断裂分离阶段：裂纹扩展、相遇，板料分离。冲裁件质量垂直、光洁、毛刺小；在图纸规定的公差范围内；外形满足图纸要求；表面平直，即拱弯小。冲裁件质量：有断面状况、尺寸精度和形状误差。凸凹模间隙对冲裁件质量的影响间隙小间隙大间隙适中当间隙过小时，形成两节光亮带。当间隙过大时，断面光面减小，塌角与斜度增大，形成厚而大的拉长毛刺，且难以去除，同时冲裁的翘曲现象严重。外形尺寸缩小，内腔尺寸增大，模具寿命较高。当间隙合适时，这时光面约占板厚的1/2～1/3左右，切断面的塌角、毛刺和斜度均很小。零件的尺寸几乎与模具一致，完全可以满足使用要求。排样是指落料件在条料，带料或板料上合理布置的方法。落料件的排样有两种类型：无搭边排样和有搭边排样。冲裁件的排样不同排样方式材料消耗对比成形工序指材料在不破裂的条件下产生塑性变形，从而获得一定形状、尺寸和精度要求的零件。包括：弯曲、拉深、胀形等。3.7.3成形工序弯曲：在冲压力的作用下，把平板坯料弯折成一定角度和形状的一种塑性成型工艺。弯曲的典型形状：弯曲典型弯曲工件变形区外层金属受切向拉应力作用，发生伸长变形；内层金属受切向压应力作用，产生压缩变形；在这两个应力-应变区之间存在一个不产生应力和应变的中性层，位置在板料的中心部位。弯曲变形区的外表层存在最大的切向拉应力和最大的伸长变形，是最危险的部位。如果最大拉应力超过材料的强度极限，则会造成板料破裂。最大拉应力与弯曲半径、板料厚度、材料性能有关。弯曲变形特点当外载生与品件的准确。塑荷去弯曲在角度一般性弯弯曲曲使使板板料料产产生生弹弹性性变变形形和和塑塑性性变变形形，，除除后后，，弹弹性性变变形形部部分分恢恢复复，，从从而而使使板板料料产产

方方向向相相反反的的变变形形。。设计计弯弯曲曲模模具具时时，，必必须须使使模模具具的的角角度度比比成成

小小一一个个回回弹弹角角，，以以保保证证成成品品件件的的弯弯曲曲角角度度

回回弹弹角角为为00~~1100°°弯曲回弹图

弯曲时的回弹现象1—回弹前 2—回弹后指将一定形状的平板毛坯通过拉深模冲压成各种形状的开口空心件，或以开口空心件为毛坯通过拉深进一步使空心件改变形状和尺寸的一种冷冲压加工方