塑性加工工艺与设备

塑性加工工艺第二节轧制轧制定义：靠旋转的轧辊与轧件之间形成的摩擦力将轧件拖进辊缝之间，并使之受到压缩产生塑性变形的过程。一、轧制过程及其基本原理•简单理想轧制过程：•两个轧辊均被驱动、直径相等、转速相同；•轧制过程中两个轧辊完全对称；•轧辊为刚性的；轧件除受轧辊作用外，不受其它外力作用；•轧件的机械性质均匀。1.变形区主要参数轧件在轧辊作用下产生变形的区域叫变形区，变形区以外两端不产生变形的区域叫外区或刚端。10hhh)cos1(2Rh（1）压下量（2）变形区长度hRhhRl)4(2RhhRhRtg)2(Rh2h0h1lb0b1DROaCBA222)2(hRRl（3）延伸系数λ=L1/L0（4）压下率（5）宽展=b1－b0%100)/(0hhb2.轧制过程中的金属流动前滑区后滑区中性面：轧件运动速度＝轧辊线速度的水平分量中性角：秒流量相等原则：单位时间内通过变形区内任一横断面的金属体积应该为一常数。FHvH＝Fxvx＝Fhvh＝常数)21(23.咬入条件咬入时咬入后RNNaTTNxTxαPTθφ2改善咬入条件的途径：（1）降低角：（2）提高角：4.轧制压力（1）轧制压力的基本概念轧制压力是轧制时轧辊施加于轧件使之变形的力。但通常把轧件施加于轧辊总压力的垂直分量称为轧制压力。xlhHαθdxtθRsincossincoscoscos00dxtBdxtBdxpBPaa一般通称的轧制压力或实测的轧制总压力，并非为轧制单位压力之合力，而是轧制单位压力、单位摩擦力的垂直分量之和。(2)轧制力的理论计算h0h+Δhhh1dθθασx+dσxσxprμprprsinθprcosθμprsinθμprcosθRdθμprpr0cos)cos(2sin)cos(2))((dxPdxPhdhhdrrxxx022dxPdxtgPdhhdrrxx0sincosdhPdhPdhhdrrxxdhPhdrx)sincos1()(dRPhdrx)cos(sin2)(dxtgdh2sin2Rddh如果假定垂直应力为Pr（主应力1），水平应力x（主应力3），根据屈服准则，1－3＝1.15s＝0*有：Pr－x＝0*——冯.卡尔曼微分方程积分，采里科夫解，求得Pr与（即h）的关系式，则影响Pr的主要因素如下：)(0rxPdddRPhPhdhdrrx)cos(sin2)()(0轧制力的影响：a.轧辊弹性压扁任何一台给定的轧机，都有一个最小可轧制厚度值，低于这一厚度，轧辊会产生很大变形，而被轧制的材料无任何塑性变形。b.轧辊弯曲会导致所生产的金属板中心厚边缘薄。c.轧机弹性或塑性轧辊分离力使机架产生变形，辊缝增大5.轧制力矩aPMhRbbpFpP210）（hRaψ为力臂系数，一般取ψ=0.3~0.6hRbbpM2)(10）（10bbhRpM二、轧制方法1.按轧制温度热轧冷轧2.按轧件与轧辊的相对运动关系纵轧：轧辊的纵轴线相互平行，轧件运动方向与延伸方向与轧辊纵轴线垂直。斜轧：轧辊的纵轴线倾斜互成一定角度，轧件边旋转边沿自身纵轴线方向前进，且前进方向与轧辊纵轴线方向成一定角度。横轧：轧辊的纵轴线相互平行，轧件沿自己的横轴线方向运动前进，与轧辊纵轴线垂直。纵轧斜轧横轧3.按轧制生产过程半成品轧制—开坯成品轧制—粗轧、精轧三、板带材轧制特点：宽厚比（B/H）大规格：中厚板（中板4~20mm，厚板20~60mm，特厚板60mm以上）薄板和带材（0.2~4mm）极薄带材和箔材（0.001~0.2mm）技术要求：尺寸精度、板形、表面光洁度、性能1.中厚板轧制2.热连轧板带材生产与中厚板轧制的区别：不用展宽，采用立辊对宽度进行压缩。3.冷带钢生产厚度：0.1~3mm，宽度为100～2000mm优点：轧制速度高（可达40m/s以上），道次压下率大，产品表面光洁、板形平直、尺寸精度高和机械性能好。工艺特点：（1）加工温度低，产生加工硬化，需要中间退火。（2）采用工艺冷却和润滑（3）张力轧制四、管材轧制1.无缝钢管（1）穿孔（2）轧管：自动轧管机（3）均整：带芯棒斜轧（4）定径和减径：无芯棒连轧2.焊管将管坯（钢板或带钢）弯曲成所需的钢管形状，然后采用焊接法焊接成钢管。五、型材轧制型材轧制主要用于各种型钢生产。大多数有色金属型材主要采用挤压、拉拔的方法生产。•型钢的轧制方法：在轧辊上加工出轧槽，把两个或两个以上轧辊的轧槽对应装配起来，形成孔型。轧制时，轧件通过一系列孔型，一般断面积由大变小，长度由短变长，以达到所要求的形状和尺寸。角钢槽钢工字钢孔型系统示例六、线材轧制•特点：（1）总的延伸率大，轧件温降快，头尾温差大，轧制速度高。（2）机架多、分工细，产品比较单一、轧机专业程度高。（3）高速无扭转轧机具有特殊的孔型系统。Y型轧机45轧机第三节挤压一、挤压原理、基本方法及特点1.挤压定义：对放在挤压筒内的金属坯料施加压力，使之从特定的模孔中流出，获得所需断面形状和尺寸的一种塑性加工方法。2.挤压方法：可按挤压方向、变形特征、润滑状态、挤压温度、挤压速度、模具种类或结构、坯料形状或数目、制品形状或数目分类。常用挤压方法3.特点：①具有比轧制更为强烈的三向压应力状态图，金属可以发挥其最大的塑性，获得大变形量。可加工用轧制或锻造加工有困难甚至无法加工的金属材料。②可生产断面极其复杂的，变断面的管材和型材。③灵活性很大，只需更换模具，即可生产出很多产品。④产品尺寸精确，表面质量好。⑤工艺流程简单，设备投资少，实现生产过程自动化和封闭化比较容易。⑥金属的固定废料损失较大。压余量10～15％，轧件的切头尾损失仅为1～3％。⑦加工速度低。⑧沿长度和断面上制品的组织、性能不够均一。⑨工具消耗较大。小结：挤压法非常适合于生产品种、规格、批数繁多的有色金属管、棒、型材及线坯。在生产断面复杂的或薄壁的管材和型材，直径与壁厚之比趋近于2的超厚壁管材，以及脆性的有色金属和钢铁材料方面，挤压法是唯一可行的压力加工方法。二、挤压基本理论1.正挤压时金属的流动正挤压反挤压ⅡⅠⅢ挤压力P挤压轴位移（1）填充挤压阶段：锭筒间隙，填充系数Rt=Ft/F0坯锭的长度与直径之比（2）基本挤压阶段挤压比＝锭坯断面积/制品断面积圆棒正挤压时子午面上网格变化示意图锥模挤压平模挤压•纵向线两次弯曲，弯曲角度由外向内逐渐缩小。压缩锥（变形区）。•横向线弯曲。•外层网格变形为平行四边形，说明承受了剪切变形，外层金属的主延伸变形比内层的大，沿纵向制品后端的主延伸变形比前端的大。•使用平模或大模角锥模挤压时，都存在死区。模角增大、摩擦加大、挤压比减小、挤压速度降低，死区增大。死区的存在对提高制品表面质量极为有利。•棒材前端横向线弯曲很小，制品头部晶粒粗大，机械性能低劣，应切除。（3）终了挤压阶段挤压力上升各种缩尾形成过程示意图减少缩尾的措施：进行不完全挤压，留压余；脱皮挤压；机加工锭坯表面。2.反挤压时的金属流动•挤压力比正挤压小30～40％，且与坯料长度无关。•反挤压时的塑性变形区很小，集中在模孔附近，网格的横向线与筒壁基本上垂直，进入模孔时才发生剧烈的弯曲。不存在锭坯内中心层与周边层区域的相对位移，金属流动较均匀。•产生挤压缩尾的倾向很小，压余可比正挤压时减少一半。•挤压筒和模具的磨损小，寿命长。•死区很小，恶化制品表面质量。3.影响金属流动的因素（1）挤压筒壁上的摩擦力（2）筒温（3）金属导热性（4）润滑剂的绝热性（5）合金相状态（6）金属的强度（7）模角（8）变形程度4.挤压力挤压杆通过挤压垫作用在锭坯上使之流出模孔的压力，称为挤压力。通常指Pmax。•影响挤压力的因素（1）温度，金属变形抗力，挤压力。（2）变形程度，挤压力。（3）挤压速度（4）摩擦，挤压力。（5）模角（6）锭坯长度，挤压力（7）反挤压力比正挤压力低20～30％。挤压机主体结构•后置式穿孔缸挤压机的主要零部件：•模座•机架•压余分离装置•调整装置•挤压牵引机构（纵动式模座横动式模座回转式模座联合式模座挤压杆挤压垫片穿孔针四、挤压模具•挤压模具类型•整体模•可拆卸模•舌模•分流组合模整体模(a)平模(d)锥模(e)平锥模(c)双锥模(f)碗形模（b）平流模可拆卸模具挤压模具的设计整体模的设计单孔模设计多孔模的设计舌形模的设计分流模的设计挤压模具的设计单孔模设计模角工作带长度模孔尺寸入口圆角半径模孔出口处直径模子外形尺寸挤压模具的设计多孔模设计模孔数目模孔排列原则型材模孔设计重心布置模孔布置工作带长度设计挤压模具的设计分流组合模设计挤压比分流比分流孔分流桥模芯焊合室挤压模具的制造模具材料的选择模具的加工机械加工热处理挤压工艺设计锭坯尺寸的选择选择原则挤压比的确定锭坯长度的确定•温度的选择•速度的选择•润滑剂的选择第四节拉拔加工一、拉拔原理、方法、特点1.拉拔定义：在外加拉力的作用下，迫使金属通过模孔产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的制品的加工方法，称之为拉拔（或称为拉伸）。是生产管材、棒材、型材及线材的主要方法之一。拉拔成形原理示意图dNdNdNdNdTdTrllr坯料坯料坯料P2.拉拔方法实心材拉拔—棒材、型材、线材空心材拉拔—管材3.特点（1）拉拔制品尺寸精度高，表面光洁度好。（2）工具与设备简单，维护方便。（3）最适合于连续高速生产断面尺寸小的长制品。（4）拉拔道次变形量和两次退火间的总变形量受到限制，工艺过程长。过大的道次加工率将导致制品尺寸、形状不合格，甚至被拉断。原因是变形区内为两压一拉应力状态，不利于充分发挥金属的塑性。二、拉拔基本原理1.圆棒拉拔时的应力与变形dNdRdT拉拔制品内部的周期性裂纹示意图D1D2D2D12.管材拉拔时的应力与变形（1）空拉llrrl增壁厚l减壁厚lrrlrr•空拉时的主应力：1—轴向应力l2—径向应力r3—切向应力空拉时的壁厚变化取决于r－mm＝（1+2+3）/3r－m0，管壁增厚r－m=0，管壁不变r－m0，管壁变薄空拉能起到自动纠正管坯偏心的作用。（2）衬拉rlArlA特点：1.芯头表面与管子内表面产生摩擦，拉拔力增大。2.内壁上径向应力不为零，管子内外层径向应力差值小，变形比较均匀。固定芯头拉拔特点：1.芯头表面与管子内表面产生摩擦，摩擦力与拉力方向相同，拉拔力减小。2.内壁上径向应力不为零，管子内外层径向应力差值小，变形比较均匀。长芯杆拉拔特点：1.芯头表面与管子内表面产生摩擦，方向与拉拔力相同，拉拔力减小。2.为了实现游动头拉拔，必须满足①α1＜β，②α1＜α。游动芯头拉拔bsLDDBB20111拉拔力的理论计算棒材拉拔力的计算2121201114dDDDBBbsL拉拔力的理论计算管材拉拔力的计算空位管材三、实现拉拔过程的必要条件由于拉拔是通过施加在制品上的拉力实现的，施加在制品断面上的拉力L必须小于金属出模口处的屈服强度s。否则，将会产生制品细颈、甚至拉断等现象。1LbKK=1.4~2.0，即L=(0.7~0.5)b。K过小，意味着加工率过大，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。锥形模弧线模2α2β2γⅠⅡⅢⅣ(a)(b)四、拉拔工具1.拉拔模2.芯头dl3l2l1βαd(a)圆柱形固定芯头(b)锥形固定芯头(c)游动芯头实现游动芯头稳定拉拔的基本条件是，其中为芯头与管内壁之