金屬室溫?cái)D壓成形中的流動規(guī)律—南理工

1、金屬室溫?cái)D壓成形中的流動規(guī)律班 級：9131161502學(xué) 號：913116150208姓 名：安 志 恒南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院20165. 301.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 掌握擠壓變形過程中金屬流動規(guī)律的一般測量方法。（2） 學(xué)會分析考察軸對稱擠壓時金屬流動區(qū)域的特性和產(chǎn)生原因。（3） 學(xué)會計(jì)算金屬沿?cái)D壓軸向的應(yīng)力、應(yīng)變值，并繪制其分布圖。（4） 學(xué)會分析考察變形過程擠壓力的變化情況，掌握測量擠壓時擠壓力的一般測量方法。（5） 了解擠壓模具模孔設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能引起金屬出?？讜r發(fā)生彎曲等的原因。2.實(shí)驗(yàn)原理研究金屬在擠壓時的擠壓力變化規(guī)律是非常重要的，因?yàn)閿D壓制品的組織性能、表面質(zhì)量、形狀尺寸和

2、工模具的設(shè)計(jì)原則都與其密切相關(guān)。影響擠壓力的因素有：金屬材料的變形抗力、摩擦與潤滑、溫度、工模具的形狀和結(jié)構(gòu)、變形程度與變形速度等。擠壓力的變化規(guī)律如圖1所示。擠壓力行程圖1 擠壓力隨著擠壓軸行程變化研究擠壓時金屬流動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方法有很多種：如坐標(biāo)網(wǎng)格法、觀察塑性法、金相法、光塑性法、莫爾條紋法、硬度法等，其中最常用的是坐標(biāo)網(wǎng)格法。多數(shù)情況下，金屬的塑性變形是不均勻的。若將變形體分割成無窮多的單元體，如果單元體足夠小，則可近似認(rèn)為是此單元體發(fā)生的是均勻變形。因此可借均勻變形理論來解釋不均勻變形過程，此即為坐標(biāo)網(wǎng)格法的理論基礎(chǔ)。此法中，網(wǎng)格應(yīng)盡可能小，但考慮到單晶體的各向異性的影響，一般取邊長為

3、5mm，深度為12mm。坐標(biāo)網(wǎng)格法是研究金屬塑性變形分布應(yīng)用最廣泛的一種方法，其實(shí)質(zhì)是把模型毛坯制成對分試樣，變形前在試樣的一個剖分面上刻上坐標(biāo)網(wǎng)如圖2所示。變形后根據(jù)網(wǎng)格變化計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)變，也可由此得到應(yīng)變分布。坐標(biāo)網(wǎng)可劃成正方形或圓形，其尺寸根據(jù)坯料尺寸及變形程度確定，一般在210mm之間。圖3為擠壓成形后縱剖面的網(wǎng)格變化情況。圖2 擠壓之前剖分面上的坐標(biāo)網(wǎng)格圖3 擠壓后剖分面上的坐標(biāo)網(wǎng)格，坐標(biāo)原點(diǎn)可以設(shè)在左下角，以使最終應(yīng)變分布曲線分布在第一象限圖4為金屬擠壓變形后單元坐標(biāo)網(wǎng)格的變化。如圖4a所示，在正方形坐標(biāo)網(wǎng)格內(nèi)刻有內(nèi)切圓。若變形時坐標(biāo)面上無剪應(yīng)力，則正方形變成了矩形，內(nèi)切圓變成了內(nèi)

4、切橢圓（圖4b），橢圓軸的尺寸和方向反映了主變形的大小和方向（即主軸的方向）。若坐標(biāo)面上作用有剪應(yīng)力，則正方形變成了平行四邊形，內(nèi)切圓變成了內(nèi)切橢圓，切點(diǎn)不在橢圓的頂點(diǎn)（圖4c），橢圓的軸與新的主應(yīng)力方向重合，只要測出變形后橢圓的尺寸r1、r2，便可按照下式計(jì)算應(yīng)變1和2，即 （1）如果r1、r2難以測準(zhǔn)，則可測量平行四邊形的邊長a1，b1和剪切角，然后由下面關(guān)系式換算出r1和r2，即 （2） （3）依次測量擠壓成形后試樣縱剖面不同結(jié)點(diǎn)位置平行四邊形的邊長a1，b1和剪切角，代入上述表達(dá)式（1）,（2）和（3）即可獲得該結(jié)點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變，然后依次對結(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，最后畫出金屬擠壓成形的應(yīng)變分布圖。

5、(a)(b)(c)圖4 單元坐標(biāo)網(wǎng)格變形情況（a）變0形前 （b）無剪應(yīng)力變形后 （c）有剪應(yīng)力變形后，其中實(shí)線框?yàn)榧魬?yīng)力較小的情況，虛線框?yàn)榧魬?yīng)力較大的情況3.實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備此實(shí)驗(yàn)主體設(shè)備為YJQ-500B金屬臥式正向擠壓機(jī)，最大主缸壓力500噸，能夠進(jìn)行室溫及加熱條件下的棒材和管材擠壓等操作。 圖5 YJQ-500B臥式擠壓機(jī)外觀模具：金屬正擠成形專用模具，擠壓筒入口直徑80mm，出口直徑30mm3.2 實(shí)驗(yàn)材料工業(yè)純鉛，78×70 mm·mm; 潤滑劑選用石墨與二硫化鉬的機(jī)械混合物。4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟（1） 選取一套剖分好的純鉛試樣，測量并記錄實(shí)際試樣

6、尺寸。（2） 將試樣分開并進(jìn)行拍照，對原始坐標(biāo)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。（3） 用粉筆灰對坐標(biāo)網(wǎng)格進(jìn)行填充，以便清晰反映變形流線。（4） 將樣品放入臥式擠壓機(jī)擠壓筒內(nèi)。（5） 安裝好擠壓模具。（6） 開機(jī)，接通擠壓機(jī)主電源，5秒內(nèi)打開電機(jī)開關(guān)。合模、擠壓杠進(jìn)，對剖分試樣進(jìn)行室溫?cái)D壓變形。當(dāng)擠壓杠前進(jìn)位置接近限位開關(guān)時完成擠壓變形。擠壓桿退，開模、停電機(jī)、斷開電源，分步操作。最后對變形后試樣進(jìn)行剪切。（7） 對純鉛棒中心剖面的網(wǎng)格進(jìn)行拍照、計(jì)算并分析前后的變化。5.實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)（1） 自備相機(jī)、直尺等。（2） 準(zhǔn)備彩色粉筆末（3） 遵守實(shí)驗(yàn)室規(guī)章制度，安全規(guī)范操作。（4） 不能穿拖鞋進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。6.實(shí)驗(yàn)報(bào)告6

7、.1 擠壓前后剖分試樣及流動規(guī)律圖6 擠壓前剖分試樣圖7 擠壓后剖分試樣金屬流動規(guī)律：正擠壓時材料的流動方向與施力方向相同，金屬坯料與擠壓筒壁之間的滑動存在摩擦力。正擠壓時的材料流動一般可分為如下三個階段： （1） 開始擠壓階段坯料受軸向比力后，首先使坯料填滿擠壓筒和模孔，擠壓力直線上升 （2） 基本擠壓階段在軸向力繼續(xù)作用下，坯料的任一斷面上的各質(zhì)點(diǎn)，均以相同速度或 以定的速度差進(jìn)入變形壓縮錐。坯料的外層流出?？诤?仍處于制件的外層，而不會流入 制件的中心。靠近墊片和模子角落處的坯料不流動，形成死區(qū)。擠壓時，變形區(qū)內(nèi)的坯料呈三向應(yīng)力狀態(tài)，即軸向壓應(yīng)力、徑向壓應(yīng)力和周向壓應(yīng)力。 （3） 終了階

8、段是指擠壓筒內(nèi)坯料長度小到接近變形區(qū)壓縮錐的高度時。此時壓力重新升高，外層坯料向中心急潮流動，“死區(qū)”的積料也開始流向?？?，形成“擠壓縮層”的。6.2 定量計(jì)算6.3 問題、意見與建議 實(shí)驗(yàn)中，可以考慮通過蘸取熒光液對樣品網(wǎng)格進(jìn)行標(biāo)記，同時人工取樣品耗時耗力，建議可以反向取樣來達(dá)到目的。7思考題1、金屬在室溫進(jìn)行擠壓變形時，哪些因素會影響金屬的流動？請分別進(jìn)行描述。（1）摩擦與潤滑的影響：用表面粗糙磨損的擠壓筒內(nèi)襯擠壓時，金屬流動不均勻；無潤滑擠壓時，產(chǎn)生很大的摩擦阻力，變形擴(kuò)展很深，金屬流動不均勻；潤滑擠壓時，摩擦阻力小，變形區(qū)在模子附近，金屬流動較均勻；擠壓管材時，錠坯中心部分受穿孔針摩擦

9、力和冷卻作用，降低了其流動速度，擠壓管材時比擠壓棒材金屬流動要均勻。（2）錠坯溫度與擠壓筒溫度的影響：對多數(shù)金屬，如黃銅等，隨著錠坯溫度升高，摩擦系數(shù)增大，金屬流動不均勻。由不同合金的導(dǎo)熱性不同，純銅的導(dǎo)熱系數(shù)較高,錠坯內(nèi)外層金屬的溫差較小，使變形抗力接近一致。而導(dǎo)熱性低的合金,錠坯斷面上溫度若分布不均勻，金屬的變形抗力也不同。溫度的改變，使合金可能發(fā)生相變，影響金屬流動的均勻性。擠壓筒溫度升高，金屬流動趨于均勻。因?yàn)閿D壓筒溫度升高，使錠坯內(nèi)外層溫度差減小，擠壓時金屬內(nèi)外層變形抗力趨于一致,使得擠壓過程中的金屬流動均勻。對傳熱系數(shù)低的金屬，錠坯徑向上的溫度分布和硬度分布都很不均勻，其金屬流動不均勻程度嚴(yán)重。（3）擠壓工具形狀和結(jié)構(gòu)的影響：擠壓生產(chǎn)時,最常用的擠壓模具有兩種類型:平模和錐模。模角增大擠壓時死區(qū)高度增大，金屬流動間的摩擦作用增大,當(dāng)模角增大到90°時，金屬流動最不均勻，所以,錐模擠壓時要比乎模擠壓時金屬流動均勻。（4）變形程度與擠壓速度的影響：變形程度增加時，錠坯中心層與表層金屬的流動速度差增加，金屬流動的均勻性下降。金屬流出速度與延伸系數(shù)成正比例增加，一般是擠壓速度大，金屬不均勻流動加劇，由于擠壓速度大來不及軟化，從而加快了加工硬化，使金屬塑性降低。此外，擠壓速度的提高，增加了變形熱效應(yīng)，使錠坯溫度升高,有可能進(jìn)入高溫脆性區(qū)，降低了金屬加工塑性。（5）