材料成型工艺学课件

材料成型工艺学

第一篇挤压一、概述1

简介

压力加工：借助外力使金属产生塑性变形进而形成各种尺寸、形状和用途的零件和半成品。（不同于机加工）工业中广泛使用的零件一般通过下列方法获得：铸造，如轧机牌坊；铸造——机加工，如轧辊；铸造——压力加工，如钢轨；铸造——压力加工——机加工，如螺栓等。重要用途的零件一般均需通过压力加工。压力加工的主要方法有：轧制；挤压与拉拔；锻造与冲压（锻压）主要产品有：板、带、条、箔；轧制管、棒、型、线；挤压与拉拔各种零件如车轴、饭盒、洗衣机筒等；锻造与冲压1）挤压与拉拔产品简介

A管材按截面形状分：圆管、型管如方、六角形管等；按合金种类分：铝管、铜管、钢管等；按生产方法分：挤制管、拉制管、焊管、铸管、无缝管等；按用途分：空调管、压力表管、波导管、锅炉管、输油管、冷凝管、天线管等；按性能分：M（退火态）、R（热态）、Y（硬态）、Y2（半硬态）、C（淬火态）、CZ（淬火自然时效态）、CS（淬火人工时效态）等；

此外：盘管、蚊香管等。B棒、线材棒材：D>6mm；分类与管材类似；大多是半成品，进一步加工成各种零件，如弹簧，螺栓、螺母等；线材：D<6mm；多以盘状供货，广泛应用于仪器仪表、电子电力部门，如电线电缆等。C型材非圆截面材，又称经济断面材（可提高材料的利用率）；铝、钢型材较多；

许多型材只能用压力加工法生产，如钢轨、变断面型材等。2）产品的生产方法产品的生产一般可分两步;

坯料制取（开坯）：充分利用金属在高温时的塑性对其进行大变形量加工，如热挤、热轧、热锻

制品的获得：进行目的在于控制形状、尺寸精度、提高综合性能的各种冷加工，如冷轧、拉拔、冲压目前研究：近终形成形技术、短流程生产技术A管材管材无缝管有缝管挤压斜轧穿孔铸造轧制带弯形焊接拉拔轧管拉拔成品

挤压：生产灵活、产品质量好，适用于品种、规格多、产量小（有色金属）的场合，但成本高、成品率低；

斜轧穿孔：生产率、成品率高；成本低；但制品形状尺寸精度差；尺寸规格受限制；多用于产量大的钢坯生产，有色金属厂基本没有；铸造：产品的尺寸规格少、质量差、性能低；主要用于生产大尺寸、性能要求不高的产品，如下水管；

加热定心穿孔轧管：道次变形量大，几何损失少，适于难变形合金，能缩短工艺流程，也是提供长管坯的主要方法（使盘管生产得以实现），但形状、尺寸精度差；

拉拔：是获得精确尺寸、优质表面和性能的主要方法；

焊管：效率高、成本低，但性能、质量差。先进工艺：挤压——轧管——（圆盘）拉拔——联合拉拔轧管示意图芯棒B

棒、型、线材棒、型、线挤压连铸连轧型轧拉拔成品

挤压：适用于多品种、多规格、复杂断面；

连铸连轧：生产率、成品率高、能耗低（利用余热直接轧制）；但品种、规格单一；型轧：适于单一品种、大批量产品的生产。发展方向：中小棒材：挤压（轧制）圆盘坯料后联合拉拔出成品；线材：连续、多模、高速方向发展。2

基本概念

挤压：对放在容器（挤压筒）内的坯料一端施以压力，使之从特定的空隙（模孔）中流出而成型的塑性加工方法。欲完成挤压需有：1）产生动力的装置：挤压机2）传递动力、容纳坯料、控制制品尺寸和形状的工具：轴、筒、模、穿孔针、垫片、模座、锁键））轴筒垫片坯料制品模模座锁键穿孔针

过程：清理筒、装模、落锁键、送锭、放垫片、挤压、抬锁键、切压余、冷却（润滑）工具、重复下一次。1）正向挤压特点：1）存在较大的外摩擦（高温、高压），导致能耗大、变形不均匀（组织性能不均）,制品表面质量好；2）操作方便、适用范围广，是目前最广泛应用的方法。3

基本方法

根据变形温度分：热挤压、冷挤压和温挤压；根据变形特征分：正（向）挤压、反（向）挤压、连续方法有很多，但最基本的方法有以下两种：挤压等。制品流出的方向与挤压杆的运动方向相同。2）反向挤压制品流出的方向与挤压杆的运动方向相反。））））固定））空心锭特点：

1）变形局限在模孔附近，大部分坯料与挤压筒间没有相对运动，因此外摩擦小，能耗低、变形均匀（组织性能均匀）；

2）操作不方便、制品的尺寸范围小；

3）制品表面质量差。此外还有：卧式挤压、立式挤压、连续挤压等。注：

1）冷、热变形应以合金的再结晶温度界定，如Sn、Pb在室温变形也无硬化，属热变形；

2）冷、热挤压是挤压的两大分支，冶金工业中主要应用热挤压，常称挤压；机械工业主要应用冷挤压。4基本特点1）优点

A可最大限度提高材料的变形能力，因此可加工脆性材料；一次可进行大变形。B可提高材料的焊合性，因此可生产复合材料；粉末挤压；舌模挤压。C材料与工具的密合性高，因此可生产复杂断面制品；选择坯料自由度大。D生产灵活（只需更换筒、模即可生产不同的制品），制品性能高。2）缺点

A工具消耗大，产品成本高工作条件：高温、高压、高摩擦，工具消耗大，原料成本高，占制品成本35％以上。B生产率低挤压速度低、辅助工序多。C成品率低固有的几何损失多（压余、实心头、切头尾），不能通过增大锭重来减少。D制品组织性能不均匀二、挤压时金属流动的规律

挤压时金属的流动规律，即筒内各部分金属体积的相互转移规律对制品的组织、性能、表面质量以及工具设计有重要影响。因此研究挤压时金属的流动规律以及影响因素，可改善挤压过程、提高制品的性能和质量。挤压时金属的流动规律十分复杂，且随挤压方法以及工艺条件的变化而变化，现以生产中广泛使用的简单挤压（单孔模正挤圆棒）过程为例进行分析。1、简单挤压时金属流动的规律

按流动特性和挤压力的变化规律，可将挤压过程分为：填充挤压阶段：金属在挤压杆（力）的作用下首先充满挤压筒和模孔（金属主要径向流动），挤压力急剧升高；

基本挤压阶段：又称层流挤压阶段，金属不发生紊乱流动，即锭外（内）层金属出模后仍在外（内）层，挤压力稳中有降；终了挤压阶段：又称紊流挤压阶段，金属发生紊乱流动，即外层进入内层，挤压力上升。挤压杆行程挤压力Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

填充阶段基本阶段终了阶段1）填充挤压阶段

挤压时，为便于将锭坯放入筒中，常使锭坯外径小于筒内径1－15mm，因此在挤压力的作用下，锭坯首先径向流动充满挤压筒，同时有少量金属流入模孔。杆、垫片、锭坯开始接触到锭坯充满挤压筒的阶段称为填充挤压阶段。A

必要性

a操作要求；b实心锭挤管，否则穿孔针弯曲导致管材偏心；c制品要求横向性能，如航空用型材必须有一定的镦粗变形（25－30％）

，且可看成是主应力，但由于模孔的存在，导致分布不均匀，体现在：径向上：中心小，两边大，差异由前向后逐渐减小。轴向上：对着模孔部分：由前向后增大对着模壁部分：由前向后减小B

应力分析作用于坯料上的外力：挤压力：P；

模端面反力：N；

摩擦力：T应力状态类似于自由体镦粗，为三向压应力，即、、Ⅰ

Ⅰ

Ⅱ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅲ

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

C

变形（应变）分析应变状态：一向压缩（轴向）、二向延伸（径向、周向）变形过程：开始出鼓形，断面首先充满挤压筒；继续加力，断面充满挤压筒；最后，断面充满挤压筒。Ⅱ

Ⅰ

Ⅲ

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

D

坯料端面变形分析

填充挤压时，部分金属会流入模孔，但此部分金属并不是发生塑性变形后流入模孔的，而是被剪出的，其组织是铸态组织，必须切下（棒材头）。

原因：轴向应力在径向上的分布是不均匀的，且在模孔周围最大，这种应力突变会产生很大的切应力，当此切应力达到材料的剪切极限时，对着模孔部分的金属便沿模孔被剪出。NNE填充阶段应注意的问题

a

尽量减小变形量（锭坯与挤压筒的间隙），否则易造成：制品性能不均匀；棒材头大，即切头大；低塑性材料易出现表面裂纹。此阶段的变形量用填充挤压系数表征，定义填充挤压系数为：一般

b锭坯的长度与直径比小于3－4，即L/D<3-4。否则变形不均出现鼓形，甚至失稳弯曲，导致封闭在模、筒交界处的空气压入表面微裂纹中，出模后若焊合则形成气泡，若未焊合则出现起皮缺陷。

c

锭坯梯温加热，即坯料获得长度上的原始温度梯度，变形抗力低的高温端靠近模孔，填充挤压时坯料由前向后依次变形，从而将空气排除。2）基本挤压阶段

金属从模孔中流出到锭坯长度等于变形区高度的阶段。A

挤压比挤压时的变形量常用挤压比表征，定义挤压比为：

单孔模挤压时，挤压比为：

挤压比的大小由被挤压材料的塑性决定，可查表。B

应力分析外力：挤压力P

；筒、模的反力N；筒、模、垫片与坯料间的摩擦力T

。应力状态：为三向压应力，即、、，且可近似看成是轴对称，即。在区有：Ⅰ>在区有：Ⅱ

>轴向应力分布：轴向上：由前向后逐渐增大；径向上：由中心向边部逐渐增大。NNNTⅠ

Ⅱ

C

变形（应变）分析应变状态：二向压缩（径向、周向）、一向延伸（轴向）变形规律（应变分布）：可由此阶段坐标网格变化分析。>>

a

横向（水平方向）网格在进、出模孔发生方向相反的两次弯曲，弯曲程度由内向外逐渐增大，说明变形是不均匀的。分别连接两次弯曲的弯折点可得两个曲面，一般将此两曲面与模孔锥面或死区界面所围成的区域叫变形区压缩锥，或简称变形区。

>>

b

在变形区中，纵向（垂直方向）网格的中心朝前，且越接近模孔弯曲越大，说明中心质点的流速大于外层质点的流速，且差异越接近模孔越大。这是因为：外摩擦影响：外层大，中心小；断面温度分布：一般外层低，中心高；模孔的存在使中心质点的流动阻力小于外层质点。>>

c

制品的网格也有畸变，表现在：①纵向线的弯曲程度以及弯曲顶点的间距由前向后逐渐增大，说明变形（延伸变形和剪切变形）由前向后逐渐增大。②中心网格变成近似矩形，外层网格变成平行四边形，说明外层质点不仅承受了纵向延伸，还承受了附加的剪切变形，且剪切变形由中心向外层逐渐增大。

变形规律总结：径向上：外层大，中心小；轴向上：后端大，前端小；变形差异：由前向后逐渐增加；流动速度：中心大，外层小；总体看流动平稳（层流）。变形前后外层中心D

挤压筒内金属分区死区（前端难变形区）变形区后端难变形区剧烈滑移区①前端难变形区又称死区，位于筒、模交界处的环形区域，是由于筒、模的摩擦和冷却，使此部分金属不易变形形成的。死区在基本挤压阶段基本不参与流动。

死区的顶部能阻碍锭坯的表面缺陷进入变形区而流入制品，因此能提高制品的表面质量。影响死区大小的因素：模角、摩擦、挤压温度等，随这些参数的增大，死区增大，如平模挤压时死区大。②后端难变形区位于垫片端面附近，是由于筒、垫片的摩擦和冷却，使此部分金属不易变形形成的，在基本挤压末期，此区域逐渐变成一小楔形区。③在变形区中，有一个剧烈滑移区，处于死区和快速流动区之间。变形越不均匀，此区越大，因此随挤压过程的进行，此区不断扩大。剧烈滑移会导致晶粒过渡破碎，易导致制品表面出现微裂纹和组织粗大（粗晶环），导致制品性能下降。死区（前端难变形区）变形区后端难变形区剧烈滑移区3）终了挤压阶段：筒内锭坯长度减小到接近变形区高度时的流动阶段。>>主要特征：A挤压力升高；（死区参与流动、温度低）

B

金属径向流速增加，金属回流（紊流）（维持体积不变规律）。

实际生产中，在此阶段停止挤压（留压余）。2、正挤管材时金属流动的特点

1）金属流动比挤压棒材时均匀。主要是由于穿孔针的摩擦和冷却，使内部质点的流动阻力增大；

2）穿孔时强烈的内摩擦易导致制品内表面出现裂纹，因此一般润滑穿孔针。））轴筒垫片坯料制品模模座穿孔针3、反挤压时金属流动的特点

1）变形区小且集中在模孔附近，金属流动均匀；

2）死区小，制品表面质量差；

3）挤压力小且在基本挤压阶段不变。行程挤压力Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

填充阶段基本阶段终了阶段正挤反挤））4、影响挤压时金属流动规律的因素

1）摩擦与润滑挤压时的摩擦有：筒、模、垫片穿孔针与坯料间的摩擦，一般主要指筒、坯料间的摩擦。润滑时摩擦力小，金属流动均匀；

2）金属强度强度高流动均匀。（强度高，摩擦小；变形热大，温度分布均匀）；

3）温度有坯料温度和工具预热温度。坯料温度高，流动不均匀。（温度高，强度低，变形不均匀；温度高，出炉后冷却使锭温度梯度大，变形不均匀；一般温度高导热性能下降，锭温度梯度大，变形不均匀）；

工具预热温度高，流动均匀。（使锭温度分布均匀）模主要有平模（）和锥模（<

），模角越大，流动越不均匀，平模挤压时流动最不均匀（死区大，摩擦大；弯曲（剪切）变形大）。

4）工具结构与形状指与坯料接触的筒、模、垫片和穿孔针，筒、穿孔针的结构和形状基本不变，为圆柱形，故只分析模和垫片。垫片主要有平、凸、凹三种，凹垫片流动均匀，但仅在挤压初期有作用，同时由于加工、切压余困难，实际中除了在半连续挤压中外，还是采用平垫片。平模锥模平凸凹

5）变形程度

随变形程度的增大，外层质点向中心流动的阻力增加，导致坯料中心质点与外层质点的流速差增加，变形不均匀。但当变形程度增加到一定程度时，剪切变形深入到内部，变形向均匀方向转化。实践表明：当变形程度为60％时，变形最不均匀；当变形程度>85－90％时，变形均匀，性能均匀；当变形程度<6％时，变形较均匀，但性能低。变形程度变形不均匀性60％6％85％三、挤制品的组织、性能和主要缺陷1、挤制品的组织1）挤制品组织的不均匀性

A

特征一般情况，前端、中心晶粒粗大，后端、边部晶粒细小。

头部中部尾部

B

原因

a

变形特点决定的挤压时变形的分布规律是前端、中心变形小，后端、外层变形大，导致晶粒的破碎程度由前向后、由里向外逐渐增大；

b

温度分布规律决定的坯料的温度分布规律一般是前端、中心高，后端、外层低，即前端、中心在高温下变形，而后端、外层在低温下变形；注：

a

挤压软铝合金时，坯料、筒间温差不大，热量不易散失，温度分布规律与上述相反。

b

合金在相变温度下变形，会引起组织不均。如HPb59-1，在720℃以上为均匀的相，若在挤压过程中温度低于720℃，则会析出相，导致组织不均。2）挤制品的层状组织

A

特征断口呈现出与木质折断后相似的形貌，分层的断口凸凹不平并带有裂纹；分层面近似平行于轴线；一般出现在前端。

B

原因

a

根本原因是坯料中存在有大量的气孔、缩孔或在晶界上分布有未溶解的第二相或杂质等，在挤压时被拉长，从而出现层状组织；

b

与变形特点有关挤压初期流动平稳，形成的杂质膜不易破坏，后期变形逐渐紊乱，杂质膜破坏，层状组织不明显。

c

与铸造条件有关冷却速度大，柱状晶明显，缺陷、夹杂物易集中分布，层状组织明显；反之不明显。

d

与合金成分有关出现层状组织的合金不多，在铜合金中主要是含Al的青铜QAl10-3-1.5和QAl10-4-4以及含Pb的黄铜HPb59-1；铝合金中主要是LD2和LD4，而LY11、LY12、LC4中较少、主要是由于这些合金中易出现氧化物夹杂。

C

对性能的影响对纵向性能影响不大，使横向性能显著下降。有层状组织的衬套，承受的内压降低30％。

D

防止措施

a

主要从铸锭着手，如降低冷却强度以缩小柱状晶区，分散杂质；

b

增大变形程度，以增加紊流区，进而破坏杂质膜。3）挤制品的粗晶组织

某些合金在挤压时或在随后的热处理时，会形成异常粗大的晶粒组织，这种组织称为粗晶粒或粗晶组织。易出现粗晶组织的主要是某些铝合金，如纯铝、软铝在挤压后即出现；而锻铝、硬铝在挤压后的淬火时出现。

A

分布规律由前端外层向后端外层逐渐扩大，严重时可扩展至整个断面，象带锥度的圆管，又称粗晶环。铸造组织细晶组织粗晶组织死区粗晶组织细晶组织

B

形成机理出现粗晶组织的根本原因是在挤压时或在挤压后的淬火时发生了集聚再结晶，因此凡是能降低再结晶温度、促进再结晶过程的因素均易导致粗晶环。

a

与变形特点有关

挤压时

对于纯铝、软铝合金而言，挤压速度快，变形热大，制品出模后温度较高，因此外层、后端优先发生再结晶和集聚再结晶，形成粗晶组织。

b

与合金成分有关

易出现粗晶环的合金中均含有Mn、Cr等过渡族元素，这些元素的特点是：溶入基体中能提高再结晶温度，以第二相如MnAl6、CrAl7在晶界析出时能阻碍晶粒长大。外层、后端变形大中心、前端变形小外层、后端再结晶温度低中心、前端再结晶温度高

挤压时，由于中心质点流动速度快，导致边部产生拉附加应力，促进Mn、Cr元素的析出，降低再结晶温度，但因析出的第二相能阻碍晶粒长大，因此含这些元素的合金在挤压后是一次再结晶组织，不出现粗晶组织。挤压后淬火时，为了得到均匀的单相固溶体组织，加热温度高、时间长，在这种条件下，析出的第二相重新溶入基体，阻碍晶粒长大的作用消失，因此一次再结晶后的晶粒吞并周围的晶粒并迅速长大，形成粗晶组织。

注：

1）有关粗晶形成机理还有待进一步研究；

2）粗晶组织降低性能，应尽量避免，生产中应检查。2、挤制品的性能1）挤制品性能的不均性

a

制品前端、内部强度低、塑性高；后端、外层相反；（纯铝、软铝分布规律相反）

b

各向异性，纵向性能高于横向性能；

c

性能差异随变形程度不同而不同。当变形程度<20%时，性能均匀但较低；当变形程度为60％时，性能差异最大；当变形程度>80％时，性能均匀且较高。因此挤压时变形程度应>80％。

外层内层1-外层2-内层2）挤压效应

某些工业用铝合金，在经过同一热处理后（淬火、时效），挤制品与其它压力加工制品相比，在纵向上具有较高的强度和较低的塑性，这一现象叫挤压效应。易出现挤压效应的合金：锻铝、硬铝

A

特征出现在制品内部（外部因粗晶环而消失）；组织是未再结晶的加工组织。

B

形成机理

a

与形成的织构有关挤压时，金属处于两压一拉的变形状态且流动平稳，晶粒皆沿挤压方向被拉长，形成较强的纵向织构，即大多数晶粒的某一晶向（111）均按挤压方向取向，导致纵向强度升高。

b

与合金成分有关出现挤压效应的合金也都含Mn、Cr元素，由于挤压时中心质点流速快，因此内部产生压附加应力，不利于Mn、Cr元素的析出，使再结晶温度升高，可认为挤压后制品内部是过饱和的、未再结晶的加工组织。在挤压后的淬火加热时，内部过饱和的固溶体继续析出，析出的第二相弥散分布在晶界上，阻碍晶粒长大（阻碍再结晶过程），因此热处理后，制品的内部仍保留着未再结晶的加工组织，导致强度升高。

c

与强烈的三向压应力状态有关挤压时强烈的三向压应力状态使晶界、晶内破坏较少，有利于缺陷的愈合，使强度升高。注要得到类似的强化效应，关键不在于采用什么加工方法，而在于通过什么途径使合金在热变形以及随后的热处理过程中，仍然保留有未再结晶的加工组织。粗晶与挤压效应总结：均出现在含Mn、Cr元素的铝合金中；

粗晶出现在外层，

挤压效应出现在内层；

粗晶产生的根本原因是发生了集聚再结晶；

挤压效应产生的根本原因是未发生再结晶。挤压后外层是粗晶组织结果

形成机理：铸造时冷速快导致铸锭是过饱和组织；挤压时淬火加热时中心是未再结晶的加工组织外层的第二相溶解，阻碍作用消失中心的第二相析出，阻碍再结晶外层是平衡的一次再结晶组织中心是过饱和的未再结晶组织外层易再结晶；第二相易析出，阻碍再结晶过程中心不易再结晶；第二相不易析出，进一步提高再结晶温度外层变形大；流速慢中心变形小；流速快中心再结晶温度高；压附加应力外层再结晶温度低；拉附加应力3、挤制品的主要缺陷1）挤制品裂纹

A

特征出现在制品表面，外形大致相同，呈周期性分布，又称周期性裂纹。

裂纹一般出现在高温塑性差的合金中，如锡磷青铜、锡黄铜、硬铝等合金。

B

形成原因变形不均所产生的轴向拉附加应力作用结果。挤压时中心质点流速快，中心产生轴向拉附加应力，当此力与基本应力叠加后的工作应力达到合金的强度极限时，就会产生裂纹。由于在表面的拉附加应力最大，故裂纹首先在表面产生。

棒材直径拉应力压应力附加应力分布流动速度裂纹轨迹裂纹加深速度

裂纹的产生一方面在裂纹的尖角处产生应力集中，促进裂纹的扩展，另一方面也消除了此局部的拉附加应力，因此当裂纹扩展到一定深度后不再向内扩展。随着变形的进行，合金又会由于拉附加应力的产生而形成裂纹，因而裂纹呈周期性分布。

C

消除措施

a

使变形均匀，消除轴向拉附加应力，如润滑等；

b

提高基本应力，如施加反压力、增加定径带长度、增加变形程度等（以能耗多为代价）；

c

保证合金的高温强度，制订合理的温度－速度规程，使合金处于高温塑性好的区域，如低温快速、高温慢速、等温挤压等。2）挤压缩尾又称挤压缩孔，是出现在制品尾部的一种缺陷，是指挤压过程中，坯料表面的缺陷（氧化物、偏析瘤、杂质、油污等）进入制品内部或出现在制品的表面层，而形成的一种漏斗状、环状、半环状的疏松组织缺陷。缩尾破坏组织的连续性和致密性，降低制品性能。缩尾依其存在的部位可分为以下三种：环形缩尾中心缩尾皮下缩尾

A

环形缩尾

a

特征分布在制品尾部中间部位，呈完整的圆环或部分圆环，一般在200－1000mm内。

b

形成原因挤压末期发生紊乱流动，即外层金属发生回流，由于后端难变形区的存在，回流的金属沿难变形区界面流动，分布在制品的中间层。由于外层金属含有氧化皮、油污等脏物，流入制品内部与基体金属不能焊合，形成环形缩尾。

环形缩尾是最常见的缩尾。难变形区

B

中心缩尾

a

特征分布在制品尾部中心部位，短而粗，呈漏斗状，一般留在压余内，只有在大规格制品、压余又薄时才能观察到。

b

形成原因随着挤压过程的进行，后端难变形区逐渐变成一小楔形，回流的金属沿此界面流动，分布在制品的中心。由于外层金属含有氧化皮、油污等脏物，流入制品内部与基体金属不能焊合，形成中心缩尾。当回流的外层金属也不能补充中心金属的短缺时，形成缩孔。难变形区

C

皮下缩尾

a

特征分布在制品尾部周边部位，没有规律性。

b

形成原因挤压末期，金属温降大、塑性低，导致剧烈滑移区与死区界面发生断裂（内摩擦转变为外摩擦），含有氧化皮、油污等脏物的外层金属沿此界面流出，同时，死区也不是完全的刚体，也会沿模孔一点一点的流出，包覆在由死区界面流出的脏金属上面，形成皮下缩尾。

D

防止措施

a

使挤压不处于末期如留压余（压余长度一般为锭径的10－30％）、半连续挤压；

b

使变形均匀，金属不产生回流，主要措施是制订合理的工艺参数，如润滑、锥模挤压、低温挤压、提高工具表面光洁度等；

c

提高坯料表面质量如机加工、加热时尽量减少氧化、热剥皮、脱皮挤压等。制品垫片脱皮四、挤压力

挤压力：轴通过垫片作用在坯料上使之从模孔中流出的力，是指曲线上的最大力。挤压力是制订工艺、选择设备、校核工具强度的依据。影响因素：有很多，如摩擦、金属性质、挤压温度、变形程度、模角等。模角逐渐增大过程中，一方面弯曲变形增大，导致挤压力升高；另一方面摩擦面减小，导致挤压力减小，结果存在一最佳模角，使挤压力最小。挤压时最佳模角为45－60°。模角应力平模挤压时形成死区，模角取60°。模子筒Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

挤压力的计算:

定径区:

Ⅰ

变形区:

近似塑性条件:

边界条件:

时

时

因此有:

即:

未变形区:

Ⅲ

因此有:

五、挤压工艺

1

挤压温度确定

确定原则：1）在所确定的温度范围内，合金具有高的塑性和低的变形抗力；2）满足制品的组织、性能和表面质量要求。

确定方法：“三图”定温。

相图：确定出大致温度范围，原则是保证在单相区加工。一般为（0.7-0.9）T0

。0.7T0温度范围0.9T0相图

塑性图：合金塑性随温度而变化的图，可进一步确定（缩小）温度范围，保证合金具有最好的塑性。

第二类再结晶图：晶粒度随变形程度和温度（变形后温度）而变化的图，用于控制制品的组织和性能，防止晶粒过分长大。由左图知，500℃左右合理。

临界变形程度温度塑性图第二类再结晶图

三图定温是确定热加工温度的基础，在具体确定挤压温度时，还应考虑：

1）易氧化（如铜合金、钛合金）及易粘结工具（铝合金以及含铝的青铜）的合金，温度取下限；

2）挤压时的变形程度大、摩擦大，因此变形热效应和摩擦热大，又由于变形系统封闭，热量不易散失，结果导致变形区温度升高。所以挤压温度应适当降低，一般比热轧温度低；此外还应考虑挤压方法，如立式挤压时速度快，温度可低些；舌模以及分流组合模挤压时，为提高焊合性能，温度可高些。总之，在确定坯料加热温度时，必须考虑合金在挤压时的温度变化。

2

挤压速度或金属流出速度确定

挤压时的速度有三种：挤压速度：挤压轴的运动速度；流出速度：制品的流出速度；变形速度：单位时间内变形量的大小，只理论上用。

实际中一般确定流出速度，因它可综合衡量挤压速度和挤压比对挤压过程的影响，且可直观地看出生产率的大小。确定流出速度的原则是：在保证制品质量（一般是表面不出现裂纹）的前提下尽量大，以提高生产率。根据实际经验，有以下规律：

1）合金的塑性变形温度范围越宽，流出速度越大；

2）复杂断面比简单断面的流出速度要低；大断面比小断面的流出速度要低；

3）润滑条件好时流出速度可提高；

4）纯金属的流出速度可高于合金的；

5）挤压温度越高，流出速度应越低；

6）管材挤压时的流出速度应比同样断面棒材的低。

总之，塑性好的合金、挤压时流动均匀的合金，流出速度可大些。

3挤压优化（温度－速度控制）

挤压时希望流出速度越大越好，但流出速度受合金性能以及设备能力所制约，如图所示。温度速度

曲线1是设备能力极限曲线，由设备吨位和工具强度决定；曲线2是制品表面开始出现裂纹的冶金学极限，由合金的性能决定；两曲线所围成的阴影区域提供了可选择的温度和速度范围；两曲线的交点给出了最佳的挤压温度以及在此温度下允许的最大挤压速度。温度速度

由图可看出，低温时由于合金的变形抗力大，此时制约流出速度的因素是设备能力；高温时由于合金的变形抗力较低，此时制约流出速度的因素是合金的性能。

曲线2的位置比较固定，由合金的性能决定；但曲线1的影响因素较多，如减小挤压比、润滑等由于降低了挤压力而导致曲线左移，进而扩大可供选择的工艺参数范围。

4

挤压比

（变形程度）

确定挤压比时应考虑：

1）合金的性能温度确定后，挤压比越大，制品流出速度越大，出模温度越高，越易出现裂纹。

2）制品的性能为保证制品性能均匀，挤压比应>10。

3）设备能力和工具强度挤压比越大，挤压力越大，易导致闷车或损坏工具。

5

多孔模挤压在挤压小尺寸（直径<30－40）制品时，为提高生产率、降低挤压比，或受料台长度的限制，常采用多孔模挤压；此外，挤压小规格复杂断面型材时，为使金属流动均匀，也常采用多孔模挤压。

模孔数目确定：太多易导致制品出模后相互缠绕而划伤制品；操作困难；模子强度降低。当仅考虑合金性能时，孔数n可按下式确定：实际中，孔数一般<4－6。

模孔布置原则：均匀布置在同心圆上。同心圆直径应适当，过分靠近边缘易导致死区流动，还易导致制品外测产生裂纹；过分靠近中心易导致制品内侧出现裂纹。

6

型材模挤压

型材挤压时，由于坯料和制品失去了对称性以及制品本身可能不对称，如壁厚不同，因此流动非常不均匀，若设计不当，则由于不均匀变形会导致制品出现裂纹、波浪、弯曲、扭拧等缺陷。设计的基本原则是：

1）型材的重心布置在模孔的中心线上

对于只有一个对称轴且壁厚差较大的型材，型材的重心必须偏离模孔中心一定距离，且使难流动的薄壁部分更接近中心。

2）采用多孔模对称布置（增加整体对称性）不正确

正确

3）采用不等长的定径带

不易流动的薄壁部分定径带短，易流动的厚壁部分定径带长。

利用不等长定径带控制流速是实际中广泛采用的方法，但有限度，定径带长到一定值时，金属由于冷却收缩不与其接触，失去阻碍作用。

4）采用阻碍角或促流斜面

在易流动的厚壁模孔入口处做一斜面，此斜面与轴线的夹角叫阻碍角；同样，对于难流动的薄壁部分，可做一具有角（倾斜的模子端面与水平面的夹角）的促流斜面。

阻碍角增加了摩擦面积；促流斜面对金属反作用力的水平分力，促使金属向薄壁处流动。

5）采用平衡模孔在挤压异形管材、大尺寸制品时，模上只能布置一个模孔，为了平衡流动，可配置平衡模孔，平衡模孔最好为圆形以便利用。平衡模孔

7

舌形模挤压舌形模（将模与舌芯做成一体）挤压又称焊合挤压，挤压时金属在强大的压力作用下被分成几股流入模孔，借助于模壁的压力使金属重新焊合起来形成空心制品。主要用于小尺寸管材、形状复杂制品、焊合性能好的合金挤压。结构多为桥式，桥的断面形状主要为水滴形。舌模的制造费用高，易于损坏，压余长且分离麻烦，目前已逐渐被分流组合模所取代。

8分流组合模挤压由上模和下模组成，二者用螺栓连接（有定位销）。特点与舌模相同，但结构比后者更合理、使用更方便。按结构形式可分孔道式和叉架式两种。

叉架式组合模挤压力小，挤压后修模、清理压余容易，适于生产大尺寸空心型材，但加工制造困难，应用较少。叉架下模制品挤压方向螺孔孔道

孔道式组合模加工制造方便、生产操作简单，能生产形状复杂的空心型材，但挤压力大，易闷车，挤压后修模困难。实际中应用最广泛。制品孔道下模上模挤压方向

挤压时金属产生两次激烈变形，一次是进入模腔的变形，一次是进入模孔的变形，流动阻力大，因此适于强度低、易焊合合金（纯铝、软铝合金）的挤压。

分流比：分流孔的面积与制品面积之比。分流比小，挤压力大，对模具和挤压生产都不利，对型材，一般取：10－30；对管材取：5－10；对非对称制品，应尽量保证各部分分流比相等。定位销凸模凹模

分流孔数量应尽量少以减少焊缝，布置尽量与制品保持几何相似性。

型材模挤压、舌模挤压和分流组合模挤压非常复杂，也非常重要，尤其是近年来工业的发展，对（空心）型材的形状、尺寸精度要求越来越高，这更促进了上述方法研究和发展。上面仅介绍了一些基本原则，详细内容可参阅有关资料。9、变断面制品挤压变断面制品有阶段变断面和连续变断面两种。挤压模也有两种：整体模和可拆卸模。

1）整体模由整块钢料制成。平模锥模

平模：模角为90°，挤压时存在死区形成自然模角，一般取60°

。平模挤压制品表面质量好，但挤压力大，能耗多。

锥模：模角一般为55－70°，挤压时流动均匀，挤压力小，但制品表面质量差，适于大规格管材和难变形合金管棒型材挤压。平锥模碗形模平流线模流线模双锥模

双锥模：工作面由两段锥面组成，锥角分别为60－65°和10－15°，挤压时流动均匀，适于铜、镍、铝合金管材挤压。

平锥模：工作面由平面和锥面组成，兼有平模和锥模的优点，适于钢和钛合金挤压。

此外还有：流线模，平流线模和碗形模。

2）可拆卸模模孔由几个模块（一般为3～4个模块）组装而成，主要用于变断面制品挤压。首先将小断面的可拆卸模装在模支承中并移至挤压筒进行挤压。挤压完毕后，移开模支承，同时，将模子同型材和模支承脱开，换上可挤压大断面型材的可拆卸模，并将模支承再移至挤压筒进行挤压。双位楔法挤压阶段变断面制品连续变断面制品挤压仿形板与凸模一起运动连续变断面制品挤压一、比较正向挤压与反向挤压的优缺点二、挤压筒内金属的分区及其对制品品质的影响三、比较挤压效应与粗晶环的异同点四、建筑铝型材、大型铝型材的挤压特点五、镁合金的挤压特点优点：a变形均匀、无缩尾缺陷；b表面的拉附加应力小，可提高挤压速度。缺点：设备结构复杂，对模具的强度要求高。注：筒与坯料间不能润滑；筒与杆的速度比最佳值在1.4～1.6之间。2

有效摩擦挤压挤压时挤压筒以高于挤压杆的速度运动，筒作用于坯料的摩擦力有助于金属流动。3

无压余挤压前一个锭挤出2/3时装入下一个锭进行挤压，具有半连续性质。有无润滑和润滑两种方式。无润滑：主要由于生产长制品，

一般要求合金在挤压温度下有具有好的焊接性能，且限于对焊合面的质量和性能要求不高的制品。润滑：目的是消除压余、提高成品率（10～15％）、缩短非挤压间隙时间。注：润滑挤压时一般采用凹形垫片以平衡金属流动、防止缩尾、使接合界面成近似平面（减少切头切尾损失）。4

连续挤压有连续挤压和连续铸挤两种。连续挤压（Conform）20世纪70年代提出。是挤压技术的一次革命，可连续生产，生产率、成品率高；主要缺点是生产的品种和规格受到限制（适于合金强度低、尺寸规格小、形状简单的场合）。连续挤压复合

铝包钢线：1956年日立电缆公司研制成功。生产方法有：

包覆轧制：轧包后仅能表明精整，不能拉拔，因此性能较低；

热浸镀法：镀层厚度不均且较脆，不宜再加工；粉末挤压烧结法：将铝粉挤压包覆在钢芯上，经烧结再加工。技术成熟（美国），我国尚未掌握。连续挤压包覆：20世纪90年代武汉电缆集团引进。连续铸挤（Castex）1983年提出。连续铸造与连续挤压结合为一体。可分：动态结晶、半固态挤压和挤压塑性变形三个阶段。铸挤复合5

复合材料挤压弥散型层状型6

等通道角挤压（ECAE）

20世纪80年代提出，使试样在尺寸和形状不变的情况下实现大塑性变形，进而细化组织。可获得块状超细晶材料。对于ECAE，可通过调整剪切方向控制织构和组织。（大塑性变形）连续ECAE累积轧制Cu/ZrCu/Al7

半固态挤压将液、固相共存的均匀混合的非枝晶坯料由挤压筒内挤出成形的加工方法。特点：1）变形抗力低，可实现大变形；2）可获得晶粒细小、组织性能均匀的制品；3）有利于低塑性、高强度、复合材料等难变形材料的成形。

半固态坯料制备方法：在凝固过程中进行强烈的机械搅拌、电磁搅拌、单辊剪切/冷却、倾斜板铸造、近液相线铸造等，将枝晶破碎进而获得液相和细小等轴晶组成的半固态坯料。利用半固态坯料直接成形的方法称为流变成形；将坯料加热到半固态进行成形的方法称为触变成形。二、拉拔新技术一种辊式模是：模孔由旋转型辊组成。可增加道次加工率、减少退火次数、提高拉拔速度；同时可在拉拔过程中调节压下拉拔锥形材。缺点是制品尺寸、形状精度较低。1

辊式模拉拔另一种辊式模是：模孔由若干个旋转平辊组成。主要用于生产型材。2

无模拉拔在拉拔过程中，感应线圈与拉拔卡头做相反方向运动。由于能加热，因此适于高强、低塑性材料拉拔。断面收缩率可用下式计算：（；而）3

静液挤压拉线将绕成螺管状的线坯4放在高压容器中，施加比纯挤压时低一点的压力，同时在出口施加拉力。可获得大的加工率。由于可实现流体润滑，因此适于易粘摸的材料以及较软的材料拉拔，如Pb、Au、Ag等。4

集束拉拔将两根以上的坯料包在圆管里进行拉拔，达到尺寸后去掉包覆管。是生产极细线和复合线的一种方法。主要问题是：加工过程中的不均匀变形导致线经呈不规则圆形。5

玻璃膜金属液抽丝

将金属块或粉末3放入玻璃管2内，其下端放一高频线圈4，使玻璃管和金属逐渐熔化，利用玻璃的可抽丝性从下方将其引出，可得到表面覆有玻璃膜的超细金属丝。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、尺寸和性能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。P制品模子坯料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。

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。游动芯头P制品模子坯料芯杆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)。芯杆P制品模子坯料制品坯料芯头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）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＝1.4～2.0。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（径向和周向）一向拉（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（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）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（0.5～1），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。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；：入口>出口。

径向上：：外部>中心；：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，壁厚减小。

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，壁厚减小。

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=3.6～7.6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：ABCD

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、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8～12m。3

游动芯头拉拔1）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。ABCDEF2）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ABCD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：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1～3％的拉伸变形，有残余拉应力的外层先进入塑性状态，进而产生压残余应力；

拉弯矫直：上两者的综合（多用于带材）。

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），因此裂纹扩展到一定程度后即停止。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：存在于表面；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附加应力导致的。附加应力工作应力＋－00＋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、确定合理拉拔工艺的依据。1

影响拉拔力的因素1）合金性能：强度高，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6－9°。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。压力套管模子流速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。高压油模箱拉拔模密封模

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/min时，拉拔力随速度的升高而升高；当速度在6－50m/min时，拉拔力随速度的升高而降低；再增加速度，拉拔力变化不明显。6）反拉力反拉力对拉拔力和模壁压力的影响如图。随反拉力的增加，模壁压力下降，但拉拔力开始不变，直到值增加到（称为临界反拉力）后才开始升高。因此，采用反拉力小于临界反拉力值进行拉拔是有利的，体现在：在不增加能量消耗的情况下，可减小模孔的磨损。

原因：当时，随值的增加，值下降，进而摩擦力下降，因此可认为，此时值的增加与摩擦力的下降值相等，所以拉拔力不变。7）振动对拉拔模具（模、芯头）施加声波或超声波振动，可显著降低拉拔力，现已出现超声拉拔新技术。

2

拉拔力的计算1）棒线材拉拔力计算

与挤压力计算类似（见P191）。棒线材拉拔时的应力分析2）管材拉拔力计算（以空拉为例）近似塑性条件:

展开并略去高阶微量得：沿r方向建立平衡方程:

结果见P193。面投影代替力投影法则，有:

六、拉拔工艺

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。

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以提高生产率。1

拉拔配模设计的内容

1）坯料尺寸的确定

A

圆形制品坯料尺寸的确定对于给定成品尺寸而言，确定坯料尺寸实际是确定总加工率。在确定总加工率时，应考虑以下因素：

a

保证产品性能对软态产品而言，性能由成品退火参数决定，确定总加工率时只要避开临界变形程度即可；对硬态、半硬态产品而言，应根据加工硬化曲线查出规定性能所要求的加工率，以此算出坯料尺寸。

b

保证操作顺利进行针对衬拉管材而言，因为这时既有减径量又有减壁量，若二者变形量设计不当，会导致操作不能进行。例如，若总减径量<总减壁量，则当管坯直径达到成品尺寸时，其壁厚仍大于成品壁厚，此时由于芯头无法放入而不能继续减壁。因此，衬拉时，管坯尺寸的选择应保证：

减壁所需道次<减径所需道次

c

保证产品表面质量拉拔时，随着拉拔道次和变形量的增加，坯料中的一些缺陷如划伤、夹灰等会逐渐暴露于表面，并可及时去除。因此适当增大总变形量对表面质量有好处。

d

坯料制造的条件和生产实际情况，应便于管理。

B

异型管材拉拔时坯料尺寸的确定异型管材生产时一般也采用圆管坯，拉拔到一定尺寸后进行1～2道过渡空拉，使其形状逐渐向成品形状过渡。因此，关键是确定过渡圆的尺寸。过渡圆

由于过渡拉拔的主要目的是成型，所以尺寸设计时主要考虑的成型正确问题。为保证成型正确，过渡圆尺寸设计的原则是：过渡圆的外形尺寸等于或稍大于成品的外形尺寸。具体确定时，首先按周长相等原则计算，然后再加3～5％以确保棱角等部位能充满。

为两次退火间的总延伸系数；

为两次退火间允许的平均总延伸系数。

2）中间退火次数的确定退火退火退火

为坯料到产品的总延伸系数；

3）拉拔道次的确定

为道次平均延伸系数。退火退火

4）道次延伸系数的分配道次道次延伸系数延伸系数

适于塑性好、冷硬速率慢的材料，可充分利用其塑性在中间道次给予较大的变形，为精确控制成品尺寸精度，成品道次给予小的变形。

适于冷硬速率快的材料。

5）校核安全系数2

拉拔配模设计

1）圆棒拉拔配模设计

A

给定成品和坯料尺寸：根据材料允许的道次延伸系数和两次退火间允许的总延伸系数，确定退火次数和拉拔道次；

B

给定成品尺寸并要求一定的性能：根据加工硬化曲线，确定最后一次退火时应留有的加工率；

C

只要求成品尺寸：在保证表面质量的前提下，尽量减小坯料的尺寸。

2）空拉配模设计除考虑安全系数外，还要考虑过程的稳定性，一般认为，道次减径量不能超过壁厚的6倍。

3）固定短芯头拉拔配模设计固定短芯头拉拔的主要目的是减壁，因此设计时要遵循“少缩多薄”的原则，即少减径、多减壁。因为减径量越大，则空拉段越长，结果金属的塑性不能有效地用于减壁上。

4）游动芯头拉拔配模设计

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：Dd

5）异型管材拉拔配模设计主要是防止过渡空拉时管壁内凹，尤其是长边。

此外，要保证成型拉拔时能顺利地放入芯头。

6)

实心型材拉拔配模设计

a

成品的外形必须包括在坯料的外形之中；

b

为使变形均匀，坯料各部分的延伸系数应尽量相等；实际中满足此点很困难，一般情况下，要求高的面给予较大的变形；

c

坯料与模孔各部分尽量同时接触，否则由于未被压缩部分的强迫延伸，引起形状尺寸不精确。为保证这一点，各部分的模角应不同；

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。

总之，设计原则是：使坯料各部分同时得到尽可能均匀的压缩。

实际设计时可采用图解法，步骤如下：

1）选坯料选择与成品形状相近且简单的坯料。（坯料的断面尺寸应满足制品的力学性能和表面质量要求）

2）确定拉拔工艺参考与制品品种相同、断面积相等的圆断面制品的配模设计，初步确定拉拔道次、道次延伸系数以及各道次的断面积F1、F2、F3……。3）确定各道次模子定径区的断面形状可分三步：A将成品的图形置于坯料的外形轮廓之中，二者重心尽量重合并力求使二者外形间的最短距离各处相差不大；坯料成品B根据成品断面的复杂程度，将坯料外形等分30~60个点，通过这些点做垂直于坯料和成品外形轮廓且长度最短的曲线；（这些曲线可近似看作是金属的流线）C按照、、……值比例将各金属流线分段，将相同的段用曲线圆滑地连接起来，即得到各道次定径区的断面形状。（圆形坯料可按各道次减径量的比例将各金属流线分段）坯料成品

例：欲拉制853.5mm

双沟电车线，材料为紫铜，截面形状及尺寸见图。已查得为保证348MPa的强度要求，冷变形的加工率需大于55%。试进行配模设计。

1）确定坯料形状和尺寸因电车线的宽厚比为1，故采用圆形坯料。冷变