拉拔课件(自学完美版)

r


r 2t D
L
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：
d r r ， 为瞬时的非负的比例系数。又 L ，因此 2 r r m ( r ) 3 2 当 r ( L ) 2 时，壁厚增加；
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。
坯料
制品
P
芯杆 模子
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。
坯料
制品
P
芯杆 模子
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)。 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。
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：
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。
：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： r
：外部>中心
L ：外部< 中心
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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 向 L ），且有 r 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; 两向压缩（径向 r 和周向 ）一向延伸（轴
A B
C D
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：
边部 + 中心 边部 中心 边部 + 中心 边部
0 － 轴向 － 径向 － 周向
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
当 0 L 时，壁厚增加。
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 D0 S0 ，研究 认为：
当 D0 S0 >7.6时，只增壁；
当 D0 S0 <3.6时，只减壁； 当 D0 S0 =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， L 越大，增壁趋势越弱。 道次加工率：越大， L 越大，增壁趋势越弱。 润滑：润滑时摩擦小， L 小，增壁趋势增加。
A B
C D
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。
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 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。
P
若认为硬化后的 s 与
模子
b 接近，则有：
L < b
b 若定义： K 为安全系数，则实现拉拔的必 L
要条件是：安全系数K >1。一般取 K ＝1.4－2.0。
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 N T P
1）应力状态 外力：拉力P ，模壁压力N 、摩擦力T 。 应力状态：两向压缩（径向 r 和周向 ）一向延 伸（轴向 L），且有 r ，即为轴对称应力状 态。
2）应力分布规律 轴向：
r
L ：入口<出口（出口力大、面积小）
。
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 2

T1
T2
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
Fx T2 T1 cos N1 sin T2 N1 ( f cos sin ) 0
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；
坯料
截面为空心，如管和空心型材拉拔。
制品
P
模子
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。
芯杆 坯料
制品
P
芯头 模子
坯料
制品
P
游动芯头 模子
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 得所需形状和尺寸制品的塑性加工方法。
坯料 制品
P
模子
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。
2）空心材拉拔
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 r 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；
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。
减径模 压力 减壁模 模子
制品
流 速
芯头
套管
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。
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
制品
坯料
P
芯头
2 变形指数
1）延伸系数

F0、F1 分别为坯
料和制品 的面积
F0 L1 F1 L0
F0 F1 F0
不难看出：
2）加工率（断面收缩率）

L0、L1 分别为坯
料和制品 的长度
1
1

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。
坯料 制品
PL 即： L < s FL
A 导致某些合金制品如黄铜产生应力腐蚀；
B 导致制品在放臵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 压副应力； C 低温退火，仅使金属发生回复。
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。
A BC
D EF
DE段：减壁区，外径减 小、内径不变，实现减壁。
EF段：定径区。
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。
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 r ，且有 r 。（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：
r 、 径向上： r
L ：入口<出口；
：入口>出口。
：外部>中心； ：外部<中心； ：外部>中心。
2） 表面裂纹
A 特征：存在于表部；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副应力导致的。
0
＋
0
＋
0
＋
－
基本应力
副应力
工作应力
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、确定合理拉拔工艺规程 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。
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：
T2 T1 cos N1 sin 0 即： N1 (sin f cos ) T2 上式若成立必须有： sin f cos 0 即：tan f tan N N
当 r ( L ) 2 时，壁厚不变； 当
r ( L ) 2
时，壁厚增加。
由于 r 相对与 L 和
当 0 L 时，壁厚增加； 当 0 L 时，壁厚不变；
较小，因此近似有：
由于 L 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。