挤压与拉拔.

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、盘管、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：翅片管、蚊香管等。B棒、线材棒材：D6mm；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：D6mm；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；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——联合拉拔水平连铸管坯——行星轧制——拉拔挤压：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：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。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、连续挤压等。方法有很多，但最基本的方法有以下两种：1）正向挤压制品流出的方向与挤压杆的运动方向相同。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。2）反向挤压制品流出的方向与挤压杆的运动方向相反。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。1）填充挤压阶段挤压时，为便于将锭坯放入筒中，常使锭坯的外径小于筒内径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％）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L、R、θ，且均可看成是主应力，但由于挤压模孔的存在，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。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L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。E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：b锭坯的长度与直径比小于3－4，即L/D3-4。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，又称平流挤压阶段。A挤压比挤压时的变形量常用挤压比表征，定义挤压比为：挤压比的大小由被挤压材料的塑性决定，可查表。挤压比λ的选择与合金种类、挤压方法、产品性能、挤压机能力、挤压筒内径及锭坯长度等因素有关。如果λ值选用过大，挤压机会因挤压力过大而发生“闷车”，使挤压过程不能正常进行，甚至损坏工具，影响生产率。如果λ值选用过小，挤压设备的能力不能得到充分利用，也不利于获得组织和性能均匀的制品。挤压比λ一般应满足下列要求：一次挤压的棒、型材≥8～12轧制、拉拔、锻造用毛坯≥5二次挤压用毛坯不限。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L、r、θ，且可近似看成是轴对称，即r=θ。实际上，在区有：轴向应力分布规律：轴向上：由前向后逐渐增大；径向上：由中心向边部逐渐增大。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纵向网格在进、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，横向网格的中心朝前，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横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）。D挤压筒内金属分区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。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。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。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）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。模主要有平模（ɑ=90）和锥模（ɑ90），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）。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。5）变形程度及速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，