拉拔

第一节引言第二节管棒型材挤压加工第三节管棒型线材拉拔第四节管材轧制第三章有色金属管棒型材加工第三节管棒型线材拉拔3.1拉拔概述3.2拉拔时的应力与变形3.3拉拔力3.4拉拔设备与工具3.5拉拔工艺主要内容：拉拔的概念，拉拔时的变形指标；管材拉拔的主要方法，各自的特点及适用范围；拉拔方法的优缺点；拉拔技术的发展概况。重点：管材拉拔方法的特点及适用范围。目的和要求：掌握拉拔变形指标的意义及计算方法；管材拉拔不同方法各自的特点及适用范围；拉拔技术的发展进步情况。3.1拉拔概述3.1.1拉拔的一般概念在外力作用下，迫使金属坯料通过模孔，以获得相应形状、尺寸的制品的塑性加工方法，如图3.1.1所示。根据拉拔制品的断面形状，可将拉拔方法分为实心材拉拔（见图3.1.1a）和空心材拉拔（见图3.1.1b、c）。实心材包括线材、棒材和型材；空心材包括管材和空心异形型材。3.1拉拔概述图3.1.1拉拔原理示意图a-实心制品拉拔；b-管材空拉；c-管材衬拉断面减缩率：φ=（1-F1/F0）×100%延伸率：ε=（L1/L0-1）×100%拉伸系数：λ=L1/L0=F0/F1减壁量：△t=t0-tk减径量：△d=d0-dk3.1拉拔概述3.1.2拉拔时的主要变形指标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。图3.1.2管材拉拔的一般方法a-空拉；b-长芯棒拉拔；c-固定芯棒拉拔；d-游动芯头拉拔；e-顶管法；f-扩径拉拔在拉拔时，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）扩径拉拔主要优点：（1）尺寸精确，表面光洁度高。（2）设备简单，维修方便，在一台设备上可以生产多种品种、规格的制品。（3）适合于各种金属及合金的细丝和薄壁管生产，规格范围很大。丝（线）材：Φ10~Φ0.002mm；管材：外径Φ0.1~Φ500mm；壁厚最小达0.01mm；壁厚与直径的比值可达到1：2000。（4）对于不可热处理强化的合金，通过冷拔，利用加工硬化可使其强度提高。3.1.4拉拔法的特点主要缺点：（1）受拉拔力限制，道次变形量小，往往需要多道次拉拔才能生产出成品。（2）受加工硬化的影响，两次退火间的总变形量不能太大，从而使拉拔道次增加，降低生产效率。（3）由于受拉应力影响，在生产塑性低、加工硬化程度大的金属时，易产生表面裂纹，甚至拉断。（4）生产扁宽管材和一些较复杂的异形管材时，往往需要多道次成型。3.1.4拉拔法的特点公元前20~30世纪，把金块锤锻后，通过小孔手工拉制细金丝，同时出现了类似于拉线模的东西。公元12世纪，有了锻线工和拉线工之分，确立了拉拔加工。13世纪中叶，德国首先制造了水力拉拔机，并得到推广，使拉拔走上了机械化作业的道路。1871年，出现了连续拉线机。进入20世纪后，拉拔技术及装备、拉拔理论得到了不断发展、进步。出现了多模高速连续拉拔机、多线链式拉拔机、圆盘拉拔机以及管棒材成品连续拉拔矫直机列。目前，高速拉线机速度可达到80m/s；圆盘拉拔机最大圆盘直径为3m，生产Φ40~50mm以下管材，速度可达25m/s，最大长度可达6000m以上。3.1.5拉拔技术的发展进步第三节管棒型线材拉拔3.1拉拔概述3.2拉拔时的应力与变形3.3拉拔力3.4拉拔设备与工具3.5拉拔工艺主要内容：圆棒材、管材拉拔时的应力与变形；拉拔制品的残余应力。难点：管材空拉时的应力与变形；拉拔制品中的残余应力分布。目的和要求：掌握圆棒拉拔时的应力分布；管材空拉时的变形规律及影响因素；游动芯头拉拔时芯头在变形区中稳定的条件；拉拔制品中残余应力的产生、分布、危害及减小或消除的方法。3.2拉拔时的应力与变形图棒材拉拔时的变形区形状3.2.1.1变形区的形状变形区的形状如图所示。通常按速度场可把变形区分三个区：Ⅰ、Ⅲ区，弹性变形区；Ⅱ区，塑性变形区。3.2拉拔时的应力与变形3.2.1圆棒材拉拔时的应力与变形3.2.1.2应力与变形状态圆棒材拉拔时的受力与变形状态如图所示。外力：拉拔力P，模壁正压力N，摩擦力T。应力：变形区中的金属基本上处于两向压（σr、σθ）、一向拉（σl）的应力状态。由于金属的轴对称变形，其应力也呈轴对称状态，即σr≈σθ。应变：变形区中的金属基本上处于两向压缩（εr、εθ）、一向延伸（εl）的变形状态。3.2.1圆棒材拉拔时的应力与变形图拉拔时的受力及变形状态3.2.1圆棒材拉拔时的应力与变形3.2.1.3金属在变形区内的流动特点拉拔时金属变形流动的坐标网格如图。图圆棒拉拔时的坐标网格变化拉拔时金属的变形流动在一定程度上与挤压相似，其坐标网格在拉拔前后的变化情况也与挤压时基本相同，但其变化比挤压时简单，金属流动的不均匀性也比挤压时小。变形区内金属的变形规律：外层金属的延伸变形比内层的大；外层金属的压缩变形也大于中心层。3.2.1圆棒材拉拔时的应力与变形（1）应力沿轴向分布σl入＜σl出∣σr入∣＞∣σr出∣∣σθ入∣＞∣σθ出∣变形区中的应力分布如图示。图变形区内的应力分布3.2.1.4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σl必须逐渐增大。根据塑性方程，可得：σl-（-σr）=Kzhσl+σr=Kzh如果把金属的变形抗力看成是常数，则随着σl向出口方向增大，σr和σθ必然减小。另外，σr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∣σr外∣＞∣σr内∣∣σθ外∣＞∣σθ内∣σl外＜σl内原因：在变形区，金属的每个环形的外面层上，作用着径向应力σr外，在内表面上作用着σr内，由于σr总是力图减小其外表面，这就需要σr外大于σr内。距离中心层越远，表面积越大，所需要的力就越大。σl沿径向的分布则可根据塑性方程得出。另外，在径向上σl外σl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拉拔管材时，失去了轴对称的变形条件，其变形的不均匀性、附加剪切变形和应力都会有所增加。3.2.2.1空拉空拉时，管材的壁厚尺寸在变形区中是变化的。受不同因素的影响，可以变薄、变厚或基本不变。掌握空拉时管材的壁厚变化规律和计算，是制定拉拔工艺规程以及选择管坯尺寸所必须的。3.2.2管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σl、σr和σθ在变形区中的分布规律与圆棒材拉拔时相似。σl入＜σl出∣σr入∣＞∣σr出∣∣σθ入∣＞∣σθ出∣a.应力沿轴向分布3.2.2.1空拉径向应力σr在径向上的分布规律：由管材的外表面向内表面逐渐减小，即∣σr外∣＞∣σr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σl和周向应力σθ。周向应力σθ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∣σθ外∣＜∣σθ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σl和周向压应力σθ。在σl的作用下，管材发生延伸变形，可使其壁厚变薄；而在σθ的作用下，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εr是延伸还是压缩或为0，主要取决于σr－σm[σm=（σl+σr+σθ）/3]的代数值如何。当σr-σm0，即σr（σl+σθ）/2时，εr为正，管壁增厚。当σr-σm=0，即σr=（σl+σθ）/2时，εr为0，管壁厚不变。当σr-σm0，即σr（σl+σθ）/2时，εr为负，管壁减薄。a.空拉时变形区内的壁厚变化规律空拉时，管壁厚沿变形区长度上也有不同的变化。由于σl由模子入口向出口逐渐增大，而σθ逐渐减小，所以，在入口处，σθ相对大，σl相对小，容易增壁。出口处，σθ相对小，σl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图空拉6A02合金管材时变形区的壁厚变化情况3.2.2.1空拉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/S3.6（5）时，减壁；当D/S7.6（6）时，增壁；当D/S=3.6~7.6（5~6）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α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σl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σl增大，导致增壁时的增壁趋