第三部分 金属拉拔
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径>30~60mm为中空，<5mm为钢 丝; 薄壁管芯头带锥度。
游动芯头
两圆柱+锥体 实现稳定拉拔：摩擦角<1< ， 保证润滑： - 1=1~3º 一般1=9º ，=12º 小圆柱长度=模孔工作带长度+移动范围+2~5mm
常用游动芯头结构：a,b-直线拉拔；c、d、e-盘管拉拔
•
润滑条件、模子几何参数、拉拔速度：使拉应力增加， 则增壁量减小、减壁量增加
空拉纠偏：空拉道次越多、纠偏越明显。衬拉效果不明显
同一圆周厚壁处 <薄壁处 ⇒薄壁处先变形，增壁，附压
应力⇒厚壁处附拉应力⇒厚壁处变形、减壁……
(2) 固定芯头拉拔
摩擦接触面大，道次加工率低，难 拉长管（难定位、芯杆弹性变形引 起“竹节”）。 两区：空拉区、减壁区 特点： ① 芯头表面与管子内表面产生摩擦, 其摩擦力的方向与拉拔方向相反, 因而使轴向应力增加,拉拔力增大。 ② 管子内部有芯头支撑,因而其内壁 上的径向应力不等于零，管子内层 与外层的径向应力差值小,变形比 较均匀。
2）芯头材料 钢：中、小芯头-35钢、T10A、30CrMnSi镀Cr
大芯头-T8、T10
硬质合金：中、小芯头-YG15
五、拉拔设备
管棒型拉拔机
链式拉拔机：单链、双链 联合拉拔机：拉拔、矫直、切断、抛光、探伤等 圆盘拉拔机：小截面，最高2400m/min
拉线机：
单模拉线机 多模拉线机
弧线形模：细线拉拔 锥形模：粗线、管、棒、型
Ⅰ-润滑带： Ⅱ-压缩带：
Ⅲ-工作带
Ⅳ-出口带
Ⅰ-润滑带：润滑剂容易进入、减小摩擦、带走热量、防刮伤；线：
40~60º (β过大、过小…)，Lr=1.1~1.5D1;管棒：r4~8mm圆弧。
Ⅱ-压缩带：锥形-大变形率，弧形-大、小均可（常<1.0mm）
Ly=a×0.5(D0max-D1)cotα
lch：0.2~0.3D1
高速拉拔：减小润滑角、加长压缩带，产生“楔形效应”
拉模材料：高硬度、高耐磨性、强度
金刚石：高硬度，脆；一般Ф0.3~0.5mm细线
硬质合金：YG3\6\8\15， Ф25~40制品
钢：T8A、T10A镀Cr；中、大规格制品 铸铁：大规格、小批量制品 刚玉陶瓷模：Al2O3+MgO，高硬度、脆，
第三部分 金属拉拔
袁武华 夏伟军 湖南大学材料学院
一、拉拔的一般概念
1 拉拔的实质 对金属坯料施以拉力,使之通过模孔以获 得与模孔截面尺寸、形状相同的制品的 塑性加工方法称为拉拔。 拉拔是管材、棒材、型材以及线材的主 要生产方法之一。
2 拉拔分类
实心拉拔：棒、线、
型材 空心拉拔：空拉、长 芯杆拉拔、固定芯头、 游动芯头、顶管、扩 径
异形管拉拔坯料
圆管坯拉拔⇒1~2道次空拉过渡⇒1道次成 品拉拔（空、短芯头固定拉拔） 关键：确定过渡拉拔前圆管直径、壁厚； 一般加工率小，主要考虑成形 ∴根据坯料与异形管外形轮廓长度来确定，坯 料轮廓长度大3~5%。
椭圆形： D0=(a+b)/2 六角形： D0=a/6=1.91a 正方形： D0= a/4=1.27a 矩形： D0=2(a+b)/
影响空拉壁厚变化因素：
几何：相对壁厚（s0/D0）、物理：相对拉拔应力（ l /s平）
（1）相对壁厚。增加，向中心流动阻力增大，增厚量减小 （2）相对拉拔应力。 • 材质、状态：影响变形抗力、f、硬化速率；硬，增厚 趋势若； • 道次加工率与加工道次：道次加工率增大，相对拉应力大⇒
增壁空拉增幅减小（多道次⊿s增 >单道次⊿s）；减壁空拉减壁幅度增 加（多道次⊿s减 <单道次⊿s） 。
（3）长芯杆拉拔
芯杆摩擦力方向与拉拔方向一致， 拉拔力降低15~20%。道次延伸 系数可以较大。
（4）游动芯头拉拔
（5）扩径拉拔
拉拔制品中的残余应 力 1）残余应力的分布：
4
拉拔棒材： 整个截面变形： 若仅表面变形， 中心出现附加拉应力 空拉拔管材：
2）残余应力消除 减小不均匀变形：摩擦、模角、坯料退火、 衬拉等 矫直加工：辊式矫直 退火：低于再结晶温度去应力退火。
实心型材：
坯料为简单截面：圆、矩、方等，另外： ①成品断面轮廓限于坯料轮廓内； ②型材各部分延伸系数尽可能相等； ③形状逐渐过渡，并有一定的过渡道次。
B 中间退火次数 N=ln/ln’平-1
’平可以由经验值确定
C 拉拔道次及道次延伸系数分配
n= ln/ln’平
或n=ln/lnmax
次压缩率减小；环形沟槽）、实际压 缩变形增大；
非接触直径减小（带反拉）、 实际压缩变形减小； 出口直径增加（弹性回复）、 减小（高速、热效应） 纵向扭曲（轴向变形不均匀） 断裂 ⑤变形区应力分布 1入< 1出 入 > 出 ，
r入 > r出
2) 管材变薄、不变； 主应力图：两压一拉（ 外< 内） 主变形图：两向压缩一向延伸/ 一向压缩两向延伸 壁厚变化取决于应力偏张量： ‘r（= r - m ） ‘r>0即r >1/2（ l + ） ‘r=0即r =1/2（ l + ） ‘r<0即r <1/2（ l + ）
②操作要求：管材每道次必须有减壁和减径
减壁所须道次ns<减径所须道次nD ∴先定管坯壁厚尺寸，计算减壁道次ns，推算最小管径。
ns=ln(s0/sk)/ln s平
nD=（D0-Dk）/△D平
③保证产品表面质量：总变形量大有利；但控制空拉道次和 变形量；内表要求严格则衬拉。
④坯料制造条件及具体情况：挤、轧坯公差，管偏心（增 空拉纠偏） ∴在满足质量要求下，提高生产率，坯料截面尺寸尽量小； 长度根据设备能力尽可能长。
2
实现拉拔过程的基本条件
拉拔应力<金属出模口屈服强度：
1=P1/F1<s
即拉拔实现条件：
（有色金属以 b取代 s ）
安全系数K= b/ 1>1
有色金属一般K：1.40~2.00，过小-断头、拉断；过大-道次加工率小
钢铁：K.1.1~1.25 成盘拉拔：K= b/(1+ w)，成盘拉拔的道次加工率较小。 卷筒直径D小， w大。最小D: D100d/s (d、s拉拔管制品外径、壁厚)
三 拉拔力
P1、 l 影响因素： 被加工金属变形抗力； 变形程度（断面收缩率）； 模角； 拉拔速度；（低、高速；启动瞬间冲击） 摩擦、润滑（润滑剂、方式，模具材质） 反拉力 振动（声波、超声波）
拉拔力计算方法：
平均主应力法 滑移线法 上限法 有限元法
四、拉拔工具
拉拔模、芯头
1 拉拔模 1）普通拉模：
六、拉拔工艺
1 拉拔配模 单模、多模拉拔配模 （1）配模原则： 最少拉拔道次、最佳质量（表面、尺 寸、性能）、与现有设备参数、设备能 力适应。
（2）配模内容：坯料尺寸、退火次数、道次变形量 A: 坯料尺寸 圆形制品坯料尺寸： 总加工率 坯料尺寸 成品尺寸
总加工率确定：
①产品性能：软态、硬态
α过小-摩擦接触面增加，过大-拉拔力和非接触变形增大； 变形程度、摩擦增加-最佳α增加，管：~12º 。 Ⅲ-工作带：稳定制品形状、尺寸，小于制品尺寸，Ld长度： 线：0.5~0.65D1 棒：0.15~0.25D1 空拉管：0.25~0.5D1 衬拉管：0.1~0.2D1 Ⅳ-出口带：防止金属划伤、工作带剥落； 2γ：60~90º
3 拉拔法的特点
① 拉拔制品的尺寸精确、表面光洁。 ② 最适合于连续高速生产断面非常小的长的制品。 铜、铝线的直径最细可达10um,不锈钢丝最细0.5um。 管材的壁厚最薄0.5um。 ③ 拉拔生产的工具与设各简单,维护方便。在一台设 备上可以生产多种规格和品种的制品。 ④ 坯料拉拔道次变形量和两次退火间的总变形量受 到拉应力的限制。
Ф0.37~2.0mm线
2） 辊式拉模 ① 拉拔力小,能耗少,工具寿命长。 ② 可采用较大的变形量,道次压缩率可达30%~40%。 ③ 拉拔速度较高。 ④ 在拉拔过程中能改变辊间的距离,从而获得变断 面型材。
3）旋转模 滚动代替滑动接触，减小摩擦，减小椭圆度
2 芯头
1）结构： 固定短芯头：一般为圆柱，直
3 拉拔时的应力与变形 1）圆棒拉拔
①应力状态：
两压(r= )一拉(1)
②变形区变形状态： 两向压缩（ r、 ）一 向延伸（1） ③流动特征： 纵、横向网格线…… --周边实际变形>中心 （延伸、弯曲、剪切）
④变形区形状： 三个区、两同心球 异常情况：
非接触直径增大（f、增加、道
4 发展方向
自动化、连续化；规格、精度；模具；润滑剂等。
二、拉拔时的金属变形特征
1 拉拔时的变形指数
FQ、LQ：坯料断面积及长度；FH、LH：拉拔制品…… ①延伸系数= FQ/ FH= LH/ LQ
② 相对加工率（断面收缩率%）=（ FQ —FH）/ FQ
③ 相对伸长率%： =（ LH - LQ ）/ LQ ④积分（对数）延伸系数i: i=ln (FQ / FH)=ln 相互关系：=1/（1- ）=1+ =ei
道次延伸系数分配：
经验/计算。考虑：加工硬化、原始组织、坯料状态/公差、 成品要求等，一般： （1）铜、铝、镍、白铜等塑性好，加工硬化速率低： 第一、最后道次较小延伸系数，中间道次延伸系数较大； （2）黄铜等硬化速率快： 退火后第一道次大变形，逐渐减小，2~3道次后退火。 一般，成品延伸率k （平）1/2
游动芯头
两圆柱+锥体 实现稳定拉拔：摩擦角<1< ， 保证润滑： - 1=1~3º 一般1=9º ，=12º 小圆柱长度=模孔工作带长度+移动范围+2~5mm
常用游动芯头结构：a,b-直线拉拔；c、d、e-盘管拉拔
•
润滑条件、模子几何参数、拉拔速度：使拉应力增加， 则增壁量减小、减壁量增加
空拉纠偏：空拉道次越多、纠偏越明显。衬拉效果不明显
同一圆周厚壁处 <薄壁处 ⇒薄壁处先变形，增壁，附压
应力⇒厚壁处附拉应力⇒厚壁处变形、减壁……
(2) 固定芯头拉拔
摩擦接触面大，道次加工率低，难 拉长管（难定位、芯杆弹性变形引 起“竹节”）。 两区：空拉区、减壁区 特点： ① 芯头表面与管子内表面产生摩擦, 其摩擦力的方向与拉拔方向相反, 因而使轴向应力增加,拉拔力增大。 ② 管子内部有芯头支撑,因而其内壁 上的径向应力不等于零，管子内层 与外层的径向应力差值小,变形比 较均匀。
2）芯头材料 钢：中、小芯头-35钢、T10A、30CrMnSi镀Cr
大芯头-T8、T10
硬质合金：中、小芯头-YG15
五、拉拔设备
管棒型拉拔机
链式拉拔机：单链、双链 联合拉拔机：拉拔、矫直、切断、抛光、探伤等 圆盘拉拔机：小截面，最高2400m/min
拉线机：
单模拉线机 多模拉线机
弧线形模：细线拉拔 锥形模：粗线、管、棒、型
Ⅰ-润滑带： Ⅱ-压缩带：
Ⅲ-工作带
Ⅳ-出口带
Ⅰ-润滑带：润滑剂容易进入、减小摩擦、带走热量、防刮伤；线：
40~60º (β过大、过小…)，Lr=1.1~1.5D1;管棒：r4~8mm圆弧。
Ⅱ-压缩带：锥形-大变形率，弧形-大、小均可（常<1.0mm）
Ly=a×0.5(D0max-D1)cotα
lch：0.2~0.3D1
高速拉拔：减小润滑角、加长压缩带，产生“楔形效应”
拉模材料：高硬度、高耐磨性、强度
金刚石：高硬度，脆；一般Ф0.3~0.5mm细线
硬质合金：YG3\6\8\15， Ф25~40制品
钢：T8A、T10A镀Cr；中、大规格制品 铸铁：大规格、小批量制品 刚玉陶瓷模：Al2O3+MgO，高硬度、脆，
第三部分 金属拉拔
袁武华 夏伟军 湖南大学材料学院
一、拉拔的一般概念
1 拉拔的实质 对金属坯料施以拉力,使之通过模孔以获 得与模孔截面尺寸、形状相同的制品的 塑性加工方法称为拉拔。 拉拔是管材、棒材、型材以及线材的主 要生产方法之一。
2 拉拔分类
实心拉拔：棒、线、
型材 空心拉拔：空拉、长 芯杆拉拔、固定芯头、 游动芯头、顶管、扩 径
异形管拉拔坯料
圆管坯拉拔⇒1~2道次空拉过渡⇒1道次成 品拉拔（空、短芯头固定拉拔） 关键：确定过渡拉拔前圆管直径、壁厚； 一般加工率小，主要考虑成形 ∴根据坯料与异形管外形轮廓长度来确定，坯 料轮廓长度大3~5%。
椭圆形： D0=(a+b)/2 六角形： D0=a/6=1.91a 正方形： D0= a/4=1.27a 矩形： D0=2(a+b)/
影响空拉壁厚变化因素：
几何：相对壁厚（s0/D0）、物理：相对拉拔应力（ l /s平）
（1）相对壁厚。增加，向中心流动阻力增大，增厚量减小 （2）相对拉拔应力。 • 材质、状态：影响变形抗力、f、硬化速率；硬，增厚 趋势若； • 道次加工率与加工道次：道次加工率增大，相对拉应力大⇒
增壁空拉增幅减小（多道次⊿s增 >单道次⊿s）；减壁空拉减壁幅度增 加（多道次⊿s减 <单道次⊿s） 。
（3）长芯杆拉拔
芯杆摩擦力方向与拉拔方向一致， 拉拔力降低15~20%。道次延伸 系数可以较大。
（4）游动芯头拉拔
（5）扩径拉拔
拉拔制品中的残余应 力 1）残余应力的分布：
4
拉拔棒材： 整个截面变形： 若仅表面变形， 中心出现附加拉应力 空拉拔管材：
2）残余应力消除 减小不均匀变形：摩擦、模角、坯料退火、 衬拉等 矫直加工：辊式矫直 退火：低于再结晶温度去应力退火。
实心型材：
坯料为简单截面：圆、矩、方等，另外： ①成品断面轮廓限于坯料轮廓内； ②型材各部分延伸系数尽可能相等； ③形状逐渐过渡，并有一定的过渡道次。
B 中间退火次数 N=ln/ln’平-1
’平可以由经验值确定
C 拉拔道次及道次延伸系数分配
n= ln/ln’平
或n=ln/lnmax
次压缩率减小；环形沟槽）、实际压 缩变形增大；
非接触直径减小（带反拉）、 实际压缩变形减小； 出口直径增加（弹性回复）、 减小（高速、热效应） 纵向扭曲（轴向变形不均匀） 断裂 ⑤变形区应力分布 1入< 1出 入 > 出 ，
r入 > r出
2) 管材变薄、不变； 主应力图：两压一拉（ 外< 内） 主变形图：两向压缩一向延伸/ 一向压缩两向延伸 壁厚变化取决于应力偏张量： ‘r（= r - m ） ‘r>0即r >1/2（ l + ） ‘r=0即r =1/2（ l + ） ‘r<0即r <1/2（ l + ）
②操作要求：管材每道次必须有减壁和减径
减壁所须道次ns<减径所须道次nD ∴先定管坯壁厚尺寸，计算减壁道次ns，推算最小管径。
ns=ln(s0/sk)/ln s平
nD=（D0-Dk）/△D平
③保证产品表面质量：总变形量大有利；但控制空拉道次和 变形量；内表要求严格则衬拉。
④坯料制造条件及具体情况：挤、轧坯公差，管偏心（增 空拉纠偏） ∴在满足质量要求下，提高生产率，坯料截面尺寸尽量小； 长度根据设备能力尽可能长。
2
实现拉拔过程的基本条件
拉拔应力<金属出模口屈服强度：
1=P1/F1<s
即拉拔实现条件：
（有色金属以 b取代 s ）
安全系数K= b/ 1>1
有色金属一般K：1.40~2.00，过小-断头、拉断；过大-道次加工率小
钢铁：K.1.1~1.25 成盘拉拔：K= b/(1+ w)，成盘拉拔的道次加工率较小。 卷筒直径D小， w大。最小D: D100d/s (d、s拉拔管制品外径、壁厚)
三 拉拔力
P1、 l 影响因素： 被加工金属变形抗力； 变形程度（断面收缩率）； 模角； 拉拔速度；（低、高速；启动瞬间冲击） 摩擦、润滑（润滑剂、方式，模具材质） 反拉力 振动（声波、超声波）
拉拔力计算方法：
平均主应力法 滑移线法 上限法 有限元法
四、拉拔工具
拉拔模、芯头
1 拉拔模 1）普通拉模：
六、拉拔工艺
1 拉拔配模 单模、多模拉拔配模 （1）配模原则： 最少拉拔道次、最佳质量（表面、尺 寸、性能）、与现有设备参数、设备能 力适应。
（2）配模内容：坯料尺寸、退火次数、道次变形量 A: 坯料尺寸 圆形制品坯料尺寸： 总加工率 坯料尺寸 成品尺寸
总加工率确定：
①产品性能：软态、硬态
α过小-摩擦接触面增加，过大-拉拔力和非接触变形增大； 变形程度、摩擦增加-最佳α增加，管：~12º 。 Ⅲ-工作带：稳定制品形状、尺寸，小于制品尺寸，Ld长度： 线：0.5~0.65D1 棒：0.15~0.25D1 空拉管：0.25~0.5D1 衬拉管：0.1~0.2D1 Ⅳ-出口带：防止金属划伤、工作带剥落； 2γ：60~90º
3 拉拔法的特点
① 拉拔制品的尺寸精确、表面光洁。 ② 最适合于连续高速生产断面非常小的长的制品。 铜、铝线的直径最细可达10um,不锈钢丝最细0.5um。 管材的壁厚最薄0.5um。 ③ 拉拔生产的工具与设各简单,维护方便。在一台设 备上可以生产多种规格和品种的制品。 ④ 坯料拉拔道次变形量和两次退火间的总变形量受 到拉应力的限制。
Ф0.37~2.0mm线
2） 辊式拉模 ① 拉拔力小,能耗少,工具寿命长。 ② 可采用较大的变形量,道次压缩率可达30%~40%。 ③ 拉拔速度较高。 ④ 在拉拔过程中能改变辊间的距离,从而获得变断 面型材。
3）旋转模 滚动代替滑动接触，减小摩擦，减小椭圆度
2 芯头
1）结构： 固定短芯头：一般为圆柱，直
3 拉拔时的应力与变形 1）圆棒拉拔
①应力状态：
两压(r= )一拉(1)
②变形区变形状态： 两向压缩（ r、 ）一 向延伸（1） ③流动特征： 纵、横向网格线…… --周边实际变形>中心 （延伸、弯曲、剪切）
④变形区形状： 三个区、两同心球 异常情况：
非接触直径增大（f、增加、道
4 发展方向
自动化、连续化；规格、精度；模具；润滑剂等。
二、拉拔时的金属变形特征
1 拉拔时的变形指数
FQ、LQ：坯料断面积及长度；FH、LH：拉拔制品…… ①延伸系数= FQ/ FH= LH/ LQ
② 相对加工率（断面收缩率%）=（ FQ —FH）/ FQ
③ 相对伸长率%： =（ LH - LQ ）/ LQ ④积分（对数）延伸系数i: i=ln (FQ / FH)=ln 相互关系：=1/（1- ）=1+ =ei
道次延伸系数分配：
经验/计算。考虑：加工硬化、原始组织、坯料状态/公差、 成品要求等，一般： （1）铜、铝、镍、白铜等塑性好，加工硬化速率低： 第一、最后道次较小延伸系数，中间道次延伸系数较大； （2）黄铜等硬化速率快： 退火后第一道次大变形，逐渐减小，2~3道次后退火。 一般，成品延伸率k （平）1/2