.,1,5.拉拔成形原理與控制,5.1概述拉拔可分為：（1）實(shí)心拉拔主要包括棒材、型材及線材的拉拔。（2）空心拉拔主要包括管材及空心型材的拉拔。,圖5-1拉拔示意圖1-坯料；2-模子；3-制品,.,2,5.2線棒材拉拔原理5.2.1建立拉拔過(guò)程的條件5.2.1.1拉拔時(shí)的受力分析反作用力作用：摩擦力作用：拉拔特點(diǎn)：,.,3,5.2.1.2建立拉拔過(guò)程的條件,K：拉拔的“安全系數(shù)”。K1為建立拉拔過(guò)程的條件。,.,4,5.2.1.3拉拔時(shí)壓縮力的作用拉拔時(shí)?？妆诘膲嚎s力R是促使線棒材變形的主要因素。R與P的關(guān)系為：,.,5,5.2.2拉拔時(shí)變形區(qū)內(nèi)金屬流動(dòng)規(guī)律和應(yīng)力分布特點(diǎn)5.2.2.1金屬在變形區(qū)內(nèi)的流動(dòng)特點(diǎn)(1)縱向上的網(wǎng)格變化：1）；2）(2)橫向上的網(wǎng)格變化：1）；2）,.,6,正方形格子A：延伸變形：壓縮變形：正方形格子B：延伸變形：壓縮變形：各層中橢圓的長(zhǎng)、短軸變化情況是：rlBrlna；r2B1n1A；2A2n2B,.,7,5.2.3.2變形區(qū)的形狀,.,8,5.2.3.3變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律(1)應(yīng)力沿軸向的分布規(guī)律軸向應(yīng)力l，由變形區(qū)入口端向出口端逐漸增大。原因：,r1,.,9,周向應(yīng)力及徑向應(yīng)力r則從變形區(qū)入口端到出口端逐漸減小。原因：塑性方程式：,.,10,拉拔生產(chǎn)中模子的磨損：1）道次加工率大時(shí)模子出口處的磨損比道次加工率小時(shí)要輕；2）模子入口處一般磨損比較快。,圖5-7變形區(qū)內(nèi)各斷面上l與r間的關(guān)系L-變形區(qū)全長(zhǎng)；A-彈性區(qū)；B-塑性區(qū)；sr-變形前金屬屈服強(qiáng)度；sch-變形后金屬屈服強(qiáng)度,.,11,(2)應(yīng)力沿徑向分布規(guī)律徑向應(yīng)力r與周向應(yīng)力由表面向中心逐漸減小。原因：,軸向應(yīng)力l由表面向中心逐漸增大。原因：,環(huán)狀層,.,12,5.2.3.4反拉力對(duì)變形和應(yīng)力分布的影響,圖5-9反拉力Q對(duì)軸向應(yīng)力l、徑向應(yīng)力r和和摩擦應(yīng)力的影響a-無(wú)反拉力；b-有反拉力,.,13,5.3管材拉拔的基本原理,.,14,.,15,（1）拔管的特點(diǎn)：1)拔管時(shí)金屬處于軸向受拉,徑向和周向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，變形抗力低。根據(jù)塑性方程式：,.,16,2)由于應(yīng)力狀態(tài)存在拉應(yīng)力，變形時(shí)金屬性較差，因而對(duì)于低塑性金屬因加工硬化而降低了塑性時(shí)，拔制比較困難。3)存在拔制應(yīng)力。冷拔鋼管產(chǎn)生的加工硬化有利于增加拔制時(shí)的道次變形量。,.,17,圖5-11牽引擴(kuò)管法的變形過(guò)程（a）和應(yīng)力狀態(tài)(b)二向拉一向壓,(2)擴(kuò)徑,.,18,擴(kuò)拔時(shí)的擴(kuò)徑率一般1520%。擴(kuò)徑后鋼管的長(zhǎng)度有所縮,壁厚有所減薄，擴(kuò)徑后鋼管的直徑可按下式計(jì)算：,圖5-12壓縮擴(kuò)管法的變形過(guò)程(a)和應(yīng)力狀態(tài)(b)一向拉二向壓,.,19,5.3.1無(wú)芯棒拔管過(guò)程（1）變形過(guò)程和變形區(qū),圖5-13-1空拔過(guò)程中鋼管尺寸的變化a-錐角10，模孔直徑24mm；b-20，22mm；c-30，24mm；1-和模壁接觸；2-和模壁脫離,.,20,產(chǎn)生不接觸變形區(qū)的原因：,圖5-14空拔時(shí)鋼管上單元窄條的彎曲,.,21,（2）變形區(qū)中的應(yīng)力分布在無(wú)芯棒拔制的情況下，根據(jù)作用在單元環(huán)上的力的平衡條件，r與t之間存在如下關(guān)系：,圖5-15確定r和t之間關(guān)系的圖示,.,22,圖5-16沿變形區(qū)長(zhǎng)度，s、t、l和r的變化；1-t；2-r,.,23,（3）拔制后鋼管直徑的確定空拔后鋼管的直徑：使用錐形空拔模時(shí)，相對(duì)直徑差可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：式中DK和SK拔制后鋼管的直徑和壁厚，毫米；延伸系數(shù)。,.,24,改變?？仔螤羁梢詼p少甚至消除出口端不接觸變形。,圖5-17模孔形狀對(duì)縮徑量的影響,.,25,（4）壁厚變化及均壁作用1）產(chǎn)生壁厚變化的力學(xué)條件r-m0即r1/2(l+t)時(shí)，r0，壁增厚。r-m=0即r=1/2(l+t)時(shí)，r=0，壁厚不變。r-m0即r1/2(l+t)時(shí)，r0，壁減薄。,.,26,2)壁厚變化的些規(guī)律a)空拔鋼管壁厚的變化發(fā)生在接觸變形區(qū)，也發(fā)生在不接觸變形區(qū)?？瞻魏箐摴鼙诤竦母淖兪钦麄€(gè)變形區(qū)內(nèi)壁厚變化的總和。b)空拔時(shí)鋼管壁厚的變化主要取決于拔制前原始直徑與原始壁厚的比值D/S。,.,27,c)模具的形狀對(duì)空拔管的壁厚變化有影響,圖5-18-1壁厚變化率與變形程度及模具錐角的關(guān)系a-D/S=30(301.0毫米)；b-D/S=15(302.0毫米)；1-=5；2-10；3-15；4-20；5-25,.,28,d)鋼的力學(xué)性能對(duì)空拔時(shí)壁厚的影響塑性大的金屬壁厚變化較大。,圖5-18-2空拔時(shí)壁厚變化與變形前鋼管狀態(tài)的關(guān)系1-退火管；2-具有23.5%的冷變形量；3-具有51.0%的冷變形量,.,29,e)道次加工率與加工道次的影響道次加工率增大時(shí)，相對(duì)拉應(yīng)力增加，使增壁空拉過(guò)程的增壁幅度減小，減壁空拉過(guò)程的減壁幅度增大。f)潤(rùn)滑條件、模子幾何參數(shù)及拉拔速度的影響,.,30,g)空拔過(guò)程中的均壁作用在對(duì)不均勻壁厚管坯拉拔時(shí)，空拉能起到自動(dòng)糾正管坯偏心的作用，且空拉道次越多，效果就越顯著。原因：,.,31,3）空拔過(guò)程中鋼管的穩(wěn)定性在薄壁管進(jìn)行空拔時(shí)，管壁很薄，減徑量超過(guò)一定值時(shí)，空拔時(shí)鋼管就會(huì)由于局部的或沿管全長(zhǎng)的管壁內(nèi)凹，造成凹折缺陷。喪失穩(wěn)定性可能的壁厚范圍：。,圖5-19空拔時(shí)因鋼管喪失穩(wěn)定性而造成的缺陷,.,32,5.3.2短芯棒拔管過(guò)程特點(diǎn)：1）芯棒位置固定不變；2）道次加工率較??；3）難以拉制較長(zhǎng)管子。（1）變形過(guò)程和變形區(qū),圖5-20短芯棒拔制的模具及變形區(qū),.,33,圖5-21短芯棒拔制過(guò)程建立時(shí)作用在外模及芯棒上的力P1-無(wú)芯棒拔制時(shí)的力；P2-長(zhǎng)芯棒拔制時(shí)的力P3、P1-芯棒停止移動(dòng)時(shí)的力；P4、P2-穩(wěn)定拔制時(shí)的力,.,34,在穩(wěn)定拔制階段，鋼管的變形過(guò)程是先減徑，繼之是減壁，最后是定徑。因而短芯棒拔制時(shí)的變形區(qū)由減徑區(qū)、減壁區(qū)和定徑區(qū)三部分組成。,圖5-21-1固定短芯頭拉拔時(shí)的應(yīng)力與變形圖,.,35,圖5-22短芯棒拔制時(shí)主應(yīng)力沿減壁區(qū)的分布,.,36,（2）金屬的流動(dòng)和變形特點(diǎn)：1）管子內(nèi)部有芯頭支撐，因而內(nèi)壁上的徑向應(yīng)力r不等于零，管子內(nèi)層與外層徑向應(yīng)力差值小，變形比較均勻。,圖5-22-1空拔和短芯棒拔制后鋼管外表面的周向拉伸殘余應(yīng)力1-空拔管；2-短芯棒拔制后的鋼管,.,37,2）芯頭表面與管子內(nèi)表面產(chǎn)生摩擦，摩擦的作用：3）對(duì)殘余應(yīng)力的影響。,圖5-23短芯棒拔制后鋼管外表面的殘余應(yīng)力與減徑率及減壁率的關(guān)系a-周向殘余應(yīng)力；b-軸向殘余應(yīng)力,.,38,（3）拔制時(shí)的抖動(dòng)現(xiàn)象拔制過(guò)程中，芯棒在變形區(qū)內(nèi)處于穩(wěn)定位置時(shí)，作用在芯棒上的總摩擦力與拉桿彈性拉伸的反力Q相平衡：p作用在芯棒上的單位壓力,Mpa；d芯棒的直徑,毫米；l鋼管內(nèi)表面和芯棒接觸面的長(zhǎng)度，毫米；f一摩擦系數(shù)。,.,39,5.3.3長(zhǎng)芯棒拔制過(guò)程特點(diǎn)：在拔制過(guò)程中可認(rèn)為芯棒的前進(jìn)速度等于鋼管的出口速度VB，設(shè)離開(kāi)外模后鋼管的截面積為FK；在減壁區(qū)的任一截面鋼管的截面積為F，前進(jìn)速度為V，則根據(jù)秒流量相等原則有：因?yàn)樗?.,40,5.3.4游動(dòng)芯棒拔管過(guò)程特點(diǎn)：1）拔制力小，可提高道次變形量；2）不存在拉桿的限制，可拔制小口徑鋼管和較長(zhǎng)鋼管；3）內(nèi)外表面質(zhì)量和尺寸精度高。,圖5-26游動(dòng)芯棒拔制I-芯棒的前圓錐段；II-芯棒的圓錐段；III-芯棒的后圓柱段,.,41,（1）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定拔制的基本條件當(dāng)芯棒處于穩(wěn)定位置時(shí)，在它的前圓柱段和圓錐段上分別作用著正壓力N1、N2及摩擦力T1、T2，力平衡方程：所以式中1圓錐段母線的傾斜角，度；f芯頭與管材內(nèi)表面之間的摩擦系數(shù)。由上式可得出實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定拔制的一個(gè)基本條件：實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定拔制的第二個(gè)基本條件：游動(dòng)芯棒的錐角必須小于或等于外模的錐角，即1（2）道次變形量,.,42,5.4拉拔制品中的殘余應(yīng)力5.4.1殘余應(yīng)力的分布5.4.1.1拉拔棒材中的殘余應(yīng)力分布,圖5-27拉拔時(shí)的副應(yīng)力,.,43,拉拔后棒材中呈現(xiàn)的殘余應(yīng)力分布有以下三種情況：1）拉拔時(shí)棒材整個(gè)斷面都發(fā)生塑性變形。,圖5-28棒材整個(gè)斷面發(fā)生塑性變形時(shí)的殘余應(yīng)力分布a-軸向殘余應(yīng)力；b-周向殘余應(yīng)力；c-徑向殘余應(yīng)力,.,44,2)拉拔時(shí)僅在棒材表面發(fā)生塑性變形。在軸向上棒材表面層為殘余壓應(yīng)力，中心層為殘余拉應(yīng)力。在周向上殘余應(yīng)力的分布與軸向上基本相同，而徑向上棒材表面到中心層為殘余壓應(yīng)力。3)拉拔時(shí)塑性變形未進(jìn)入到棒材的中心層，拔后制品中殘余應(yīng)力的分布應(yīng)該是前二種情況的中間狀態(tài)。,.,45,5.4.2拉拔管材中的殘余應(yīng)力空拉管材軸向：周向：徑向：,.,46,影響空拔管外表面軸向和周向拉伸殘余應(yīng)力大小的主要因素：直徑壓縮率、鋼的力學(xué)性能、鋼管的壁厚等。,圖5-31空拔管內(nèi)三個(gè)方向殘余應(yīng)力的定性分布1-軸向殘余應(yīng)力l；2-周向殘余應(yīng)力t；3-徑向殘余應(yīng)力r,.,47,（2）襯拉管材,拉拔管材時(shí)，管子的外表面和內(nèi)表面的變形量不相同，差值可以用內(nèi)徑減縮率和外徑減縮率之差來(lái)表示，即：D0、d0拉拔前管外徑與內(nèi)徑,毫米；D1、d1拉拔后管外徑與內(nèi)徑,毫米。,.,48,5.4.3殘余應(yīng)力的消除(1)減少不均勻變形措施：1）減少拉拔模壁與金屬的接觸表面的摩擦；2）采用最佳模角；3）對(duì)拉拔坯料采取多次的退火；4）使兩次退火間的總加工率不要過(guò)大；5）減少分散變形度；6）在拉拔管材時(shí)應(yīng)盡可能地采用襯拉，減少空拉量。,.,49,(2)矯直加工,.,50,（3）退火利用低于再結(jié)晶溫度的低溫退火來(lái)消除或減少殘余應(yīng)力。,圖5-34拉拔棒材退火前、后殘余應(yīng)力的變化a-退火前；b-退火后,.,51,5.5拉拔力5.5.1各種因素對(duì)拉拔力的影響（1）被加工金屬的性質(zhì)對(duì)拉拔力的影響,圖5-35金屬抗拉強(qiáng)度與拉拔應(yīng)力之間的關(guān)系1-鋁；2-銅；3-青銅；4-H70；5-含97%銅3%鎳的合金；6-B20,.,52,（2）變形程度對(duì)拉拔力的影響（3）模角對(duì)拉拔力的影響,圖5-36拉拔黃銅線時(shí)拉拔應(yīng)力與斷面減縮率的關(guān)系,圖5-37拉拔應(yīng)力與模角之間的關(guān)系,.,53,（4）拉拔速度對(duì)拉拔力的影響（5）摩擦與潤(rùn)滑對(duì)拉拔力的影響,表5-1潤(rùn)滑劑與模子材料對(duì)拉拔力影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,.,54,（6）反拉力對(duì)拉拔力的影響帶反拉力拉拔由于存在反拉力Q，此時(shí)的拉拔力P，不僅要克服作用在模座的軸向壓力Pd，還要克服外加的發(fā)拉力Q。拉拔力P=Pd+Q。,.,55,（7）振動(dòng)對(duì)拉拔力的影響拉拔時(shí)對(duì)拉拔工具（模子或芯頭）施以振動(dòng)可以顯著地降低拉拔力，繼而提高道次加工率。所用的振動(dòng)頻率分為聲波（25500赫）與超聲波（16800赫）兩種。振動(dòng)方式有軸向、徑和周向。,.,56,5.5.2拉拔力的計(jì)算（自學(xué)）5.5.2.1拉拔力實(shí)測(cè),圖5-42液壓測(cè)力計(jì),圖5-41在拉力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定拉拔力的裝置1-導(dǎo)輪；2-模子；3-潤(rùn)滑劑；4-反拉力模；5-刻度盤(pán)；6-夾頭；7-導(dǎo)輪8-放線盤(pán)；9-建立反拉力的荷重；10-支承；11-模子架；12-收線盤(pán)；13-收線盤(pán)傳動(dòng)裝置；Q-反拉力；M-模子壓力；P-拉拔力；Mq、Pq帶反拉力時(shí)的模子壓力與拉拔力,.,57,5.5.2.2拉拔力的理論計(jì)算拉拔力的理論計(jì)算方法很多，如平均主應(yīng)力法、滑移線法、上界法以及有限元法等，而目前應(yīng)用較廣泛的為平均主應(yīng)力法，下面主要介紹平均主應(yīng)力法。(1)棒線材拉拔力計(jì)算圖5-43為棒線材拉拔力中應(yīng)力分析示意圖。在變形區(qū)x方向上取一厚度為dx的單元體，并根據(jù)單元體上作用的x軸向應(yīng)力分量，建立平衡微分方程式，整理，略去高階微量得：,圖5-43棒線材拉拔中的應(yīng)力分析,.,58,5.6拉拔制品的主要缺陷5.6.1實(shí)心材的主要缺陷(1)中心裂紋由拉拔時(shí)應(yīng)力分布規(guī)律可知，在塑性變形區(qū)內(nèi)中心層上的軸向主拉應(yīng)力大于周邊層的，因此常常在中心層