20140609金属室温挤压成形中的流动规律

金属室温挤压成形中的流动规律

——《材料成形原理》课程实验

实验目的

1)

掌握测量挤压时金属流动规律的一般测量方法。 2)

分析考察轴对称挤压时金属流动区域的特性和产生原因。 3)

分析考察挤压力的变化情况，掌握测量挤压时挤压力的一般测量方法。 4) 使学生了解模孔设计不当，可能引起金属出模孔时发生弯曲等的原因。

实验原理

挤压变形时，挤压力的变化与金属质点的流动有关。在填充阶段，随着挤压轴行程的变化，金属质点呈轴向流动，挤压力逐渐上升。当金属填充满挤压筒后，挤压力达到最大值P max ，该力通常称为挤压力。随着挤压轴行程的进一步变化，挤压进入基本挤压阶段，金属质点呈纵向平稳流动，挤压力逐渐下降，直到进入终了挤压阶段，挤压力开始上升，金属又进入到紊流阶段。所以，通过对整个挤压过程的研究，可以了解实际金属的流动情况，分析其对金属制品的组织和性能的影响。

研究金属在挤压时的挤压力的变化规律是非常重要的，因为挤压制品的组织性能、表面质量、形状尺寸和工模具的设计原则都与其密切相关。影响挤压力的因素有：金属材料的变形抗力、摩擦与润滑、温度、工模具的形状和结构、变形程度与变形速度等。挤压力的变化规律如图1所示。

图1 挤压力随着挤压轴行程变化

研究挤压时金属流动规律的实验方法有很多种：如坐标网格法、观察塑性法、金相法、光塑性法、莫尔条纹法、硬度法等，其中最常用的是坐标网格法，我们的实验将采用这种方法。多数情况下，金属的塑性变形是不均匀的。若将变形体分割成无穷多的单元体，如果单元体足够小，则可近似认为是此单元体发生的是均匀变形。因此可借均匀变形理论来解释不均匀变形过程，此即为坐标网格法的理论基础。此法中，网格应尽可能小，但考虑到单晶体的各向异性的影响，一般取边长为5mm ，深度为1～2mm 。

坐标网格法是研究金属塑性变形分布应用最广泛的一种方法，其实质是把模型毛坯制成对分试样，变形前在试样的一个剖分面上刻上坐标网如图2所示。变形后根据网格变化计算相应的应变，也可由此得到应变分布。坐标网可划成正方形或圆形，其尺寸根据坯料尺寸及变形程度确定，一般在2~10mm 之间。图3为挤压成形后纵剖面的网格变化情况。

Ⅰ

Ⅱ Ⅲ

挤

压

力 行程

图2 挤压之前剖分面上的坐标网格图3 挤压后剖分面上的坐标网格，坐标原点可以设在左下角，使最

终应变分布曲线分布在第一象限

图4为金属挤压变形后单元坐标网格的变化。如图4a所示，在正方形坐标网格内刻有内切圆。若变形时坐标面上无剪应力，则正方形变成了矩形，内切圆变成了内切椭圆（图4b），椭圆轴的尺寸和方向反映了主变形的大小和方向（即主轴的方向）。

若坐标面上作用有剪应力，则正方形变成了平行四边形，内切圆变成了内切椭圆，切点不在椭圆的顶点（图4c），椭圆的轴与新的主应力方向重合，只要测出变形后椭圆的尺寸r1、r2，便可按照下式计算应变ε1和ε2，即

2

2

1

1

ln

;

ln

r

r

r

r

=

=ε

ε（1）

如果r1、r2难以测准，则可测量平行四边形的边长a1，b1和剪切角γ，然后由下面关系式换算出r1和r2，即

2

1

2

1

2

2

1

2

1

2

1

2

1

1

4

]

)

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(

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2

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b

a

b

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+

+

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γ

γ

（2）

2

1

2

1

2

2

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1

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4

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a

b

a

b

a

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+

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+

=

γ

γ

（3）依次测量挤压成形后试样纵剖面不同结点位置平行四边形的边长a1，b1和剪切角γ，代入上述表达式（1）,（2）和（3）即可获得金属挤压成形的应变分布图。

图4 单元坐标网格变形情况（a）变0形前（b）无剪应力变形后（c）有剪应力变形后，其中实线框为剪应

力较小的情况，虚线框为剪应力较大的情况

实验装置及材料

(a) (b)

(c)

1)实验设备：YJJ-500B金属卧式正向挤压机。

该挤压机自2007年调试验收之后，作为材料

科学与工程专业基础课《材料成形原理》实验

教学的重要设备，为材料科学与工程学院本科

生开设了“金属室温挤压成形中的流动规律”

的实验，对于加深学生们对金属塑性成形原理

和工艺的理解，提高学生对塑性成形过程的分

析能力发挥了重要作用，取得了良好的效果。

此外，该设备还将作为《塑性加工设备》这门

专业课的实验教学设备，为本科生开设相关实

验。

2)模具：金属正挤成形专用模具，挤压筒入口直

径80mm，出口直径30mm

3)实验材料：纯铅

4)样品尺寸：直径78mm，高度70mm。

5)润滑剂：石墨，二硫化钼。

实验及报告要求

1)自备相机、直尺，对挤压前样品坐标网格、挤压后坐标网格进行拍照。

2)准备彩色粉笔末，用以填充网格间隙，以便清晰反映变形流线，。

3)实验报告要求：三页（姓名、学号、上课具体时间）。

a)第一页：挤压前后照片、并标明坐标点与网格的变化，定性描述室温挤压过程金属流动

规律并进行分析与讨论；

b)第二页：定量计算。两个选择，一是计算实验过程中自己的照片中铅棒的应变分布，也

可选图2-10c图稳定挤压段（橙色框）中的6个格子内的主应变分布。

c)第三页：对本实验中可能造成误差的各个因素进行分析与讨论，提出改善误差的方法与

手段等；……

参考文献

1)魏立群：金属成形原理实验指导书[M]。上海应用技术学院，2003年12月。

2)赵志业：金属塑性变形与轧制理论[M]。冶金工业出版社，2003年9月。

3)马怀宪：金属塑性加工学——挤压、拉拔和冷轧[M]。冶金工业出版社，2003年3月。