材料成型工艺学拉拔.ppt

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、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： 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 N P T 2）应力分布规律 轴向：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： ：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 = 3.67.6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 BCD 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 812m 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 A BCD E F 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 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650 m/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。