固態(tài)成形原理講義拉拔課件

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5.拉拔成形原理與控制

5.1概述圖5-1拉拔示意圖15.2線棒材拉拔原理5.2.1建立拉拔過程的條件5.2.1.1拉拔時的受力分析反作用力作用：摩擦力作用：拉拔特點(diǎn)：5.2線棒材拉拔原理25.2.1.2建立拉拔過程的條件

K：拉拔的“安全系數(shù)”。K>1為建立拉拔過程的條件。5.2.1.2建立拉拔過程的條件K：拉拔的“安全系數(shù)”。K35.2.1.3拉拔時壓縮力的作用拉拔時?？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：5.2.1.3拉拔時壓縮力的作用45.2.2拉拔時變形區(qū)內(nèi)金屬流動規(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）5.2.2拉拔時變形區(qū)內(nèi)金屬流動規(guī)律和應(yīng)力分布特點(diǎn)5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、短軸變化情況是：rlB>rln>a；r2B<r2n<b則有：1B>1n>1A；2A>2n>2B正方形格子A：65.2.3.2變形區(qū)的形狀

5.2.3.2變形區(qū)的形狀75.2.3.3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：r1F0入口端出口端LF1r0l0l101L5.2.3.3變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力r1F0入口端出口端LF18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：周向應(yīng)力及徑向應(yīng)力r則從變形區(qū)入口端到出9拉拔生產(chǎn)中模子的磨損：1）道次加工率大時模子出口處的磨損比道次加工率小時要輕；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；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)度拉拔生產(chǎn)中模子的磨損：圖5-7變形區(qū)內(nèi)各斷面上l與r間10(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(2)應(yīng)力沿徑向分布規(guī)律軸向應(yīng)力l由表面向中心逐漸增大。環(huán)115.2.3.4反拉力對變形和應(yīng)力分布的影響

圖5-9反拉力Q對軸向應(yīng)力l、徑向應(yīng)力r和和摩擦應(yīng)力的影響a-無反拉力；b-有反拉力5.2.3.4反拉力對變形和應(yīng)力分布的影響圖5-9反拉力125.3管材拉拔的基本原理

5.3管材拉拔的基本原理

13固態(tài)成形原理講義拉拔課件14（1）拔管的特點(diǎn)：1)拔管時金屬處于軸向受拉,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：

（1）拔管的特點(diǎn)：152)由于應(yīng)力狀態(tài)存在拉應(yīng)力，變形時金屬性較差，因而對于低塑性金屬因加工硬化而降低了塑性時，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的道次變形量。2)由于應(yīng)力狀態(tài)存在拉應(yīng)力，變形時金屬性較16

圖5-11牽引擴(kuò)管法的變形過程（a）和應(yīng)力狀態(tài)(b)二向拉一向壓(2)擴(kuò)徑圖5-11牽引擴(kuò)管法的變形過程（a）和應(yīng)力狀態(tài)(b17擴(kuò)拔時的擴(kuò)徑率一般≤15～20%。擴(kuò)徑后鋼管的長度有所縮,壁厚有所減薄，擴(kuò)徑后鋼管的直徑可按下式計算：圖5-12壓縮擴(kuò)管法的變形過程(a)和應(yīng)力狀態(tài)(b)一向拉二向壓擴(kuò)拔時的擴(kuò)徑率一般≤15～20%。擴(kuò)徑后鋼管的圖5-12壓185.3.1無芯棒拔管過程（1）變形過程和變形區(qū)圖5-13-1空拔過程中鋼管尺寸的變化a-錐角10，?？字睆?4mm；b-20，22mm；c-30，24mm；1-和模壁接觸；2-和模壁脫離5.3.1無芯棒拔管過程圖5-13-1空拔過程中鋼管尺寸19產(chǎn)生不接觸變形區(qū)的原因：圖5-14空拔時鋼管上單元窄條的彎曲產(chǎn)生不接觸變形區(qū)的原因：圖5-14空拔時鋼管上單元窄條的彎20

（2）變形區(qū)中的應(yīng)力分布在無芯棒拔制的情況下，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（2）變形區(qū)中的應(yīng)力分布圖5-15確21圖5-16沿變形區(qū)長度，s、t、l和r的變化；1-t；2-r圖5-16沿變形區(qū)長度，s、t、l和r的變化；1-22（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，相對直徑差可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計算：式中DK和SK—拔制后鋼管的直徑和壁厚，毫米；

—延伸系數(shù)。（3）拔制后鋼管直徑的確定23改變?？仔螤羁梢詼p少甚至消除出口端不接觸變形。圖5-17?？仔螤顚s徑量的影響改變?？仔螤羁梢詼p少甚至消除出口端不接觸變圖5-17?？仔?4（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-m>0即r>1/2(l+t)時，r>0，壁增厚。r-m=0即r=1/2(l+t)時，r=0，壁厚不變。r-m<0即r<1/2(l+t)時，r<0，壁減薄。（4）壁厚變化及均壁作用252)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€變形區(qū)內(nèi)壁厚變化的總和。

b)空拔時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。

2)壁厚變化的—些規(guī)律26c)模具的形狀對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；5-25c)模具的形狀對空拔管的壁厚變化有影響圖5-18-1壁厚變27d)鋼的力學(xué)性能對空拔時壁厚的影響塑性大的金屬壁厚變化較大。圖5-18-2空拔時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d)鋼的力學(xué)性能對空拔時壁厚的影響圖5-18-2空拔時壁厚28e)道次加工率與加工道次的影響道次加工率增大時，相對拉應(yīng)力增加，使增壁空拉過程的增壁幅度減小，減壁空拉過程的減壁幅度增大。f)潤滑條件、模子幾何參數(shù)及拉拔速度的影響e)道次加工率與加工道次的影響29g)空拔過程中的均壁作用在對不均勻壁厚管坯拉拔時，空拉能起到自動糾正管坯偏心的作用，且空拉道次越多，效果就越顯著。原因：g)空拔過程中的均壁作用303）空拔過程中鋼管的穩(wěn)定性在薄壁管進(jìn)行空拔時，管壁很薄，減徑量超過一定值時，空拔時鋼管就會由于局部的或沿管全長的管壁內(nèi)凹，造成凹折缺陷。喪失穩(wěn)定性可能的壁厚范圍：。

圖5-19空拔時因鋼管喪失穩(wěn)定性而造成的缺陷3）空拔過程中鋼管的穩(wěn)定性圖5-19空拔時因鋼管喪失穩(wěn)定315.3.2短芯棒拔管過程特點(diǎn)：1）芯棒位置固定不變；2）道次加工率較??；3）難以拉制較長管子。（1）變形過程和變形區(qū)

圖5-20短芯棒拔制的模具及變形區(qū)5.3.2短芯棒拔管過程圖5-20短芯棒拔制的模具及變形32圖5-21短芯棒拔制過程建立時作用在外模及芯棒上的力P1-無芯棒拔制時的力；P2-長芯棒拔制時的力P3、P1’-芯棒停止移動時的力；P4、P2’-穩(wěn)定拔制時的力圖5-21短芯棒拔制過程建立時作用在外模及芯棒上的力33

在穩(wěn)定拔制階段，鋼管的變形過程是先減徑，繼之是減壁，最后是定徑。因而短芯棒拔制時的變形區(qū)由減徑區(qū)、減壁區(qū)和定徑區(qū)三部分組成。圖5-21-1固定短芯頭拉拔時的應(yīng)力與變形圖在穩(wěn)定拔制階段，鋼管的變形過程是先減徑，繼圖5-21-134圖5-22短芯棒拔制時主應(yīng)力沿減壁區(qū)的分布圖5-22短芯棒拔制時主應(yīng)力沿減壁區(qū)的分布35（2）金屬的流動和變形特點(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（2）金屬的流動和變形圖5-22-1空拔和短芯棒拔制后鋼362）芯頭表面與管子內(nèi)表面產(chǎn)生摩擦，摩擦的作用：3）對殘余應(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2）芯頭表面與管子內(nèi)表面產(chǎn)生摩擦，摩擦的作圖5-23短芯棒37（3）拔制時的抖動現(xiàn)象拔制過程中，芯棒在變形區(qū)內(nèi)處于穩(wěn)定位置時，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度，毫米；f一摩擦系數(shù)。

（3）拔制時的抖動現(xiàn)象385.3.3長芯棒拔制過程特點(diǎn)：在拔制過程中可認(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?.3.3長芯棒拔制過程39

5.3.4游動芯棒拔管過程特點(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鋼管；3）內(nèi)外表面質(zhì)量和尺寸精度高。圖5-26游動芯棒拔制I-芯棒的前圓錐段；II-芯棒的圓錐段；III-芯棒的后圓柱段5.3.4游動芯棒拔管過程圖5-26游動芯棒拔制40（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，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)定拔制的一個基本條件：實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定拔制的第二個基本條件：游動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（1）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定拔制的基本條件415.4

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拉拔時的副應(yīng)力5.4拉拔制品中的殘余應(yīng)力圖5-27拉拔時的副應(yīng)力42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）拉拔時棒材整個斷面都發(fā)生塑性變形。圖5-28棒材整個斷面發(fā)生塑性變形時的殘余應(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)力拉拔后棒材中呈現(xiàn)的殘余應(yīng)力分布有以下三種情圖5-28棒材整432)拉拔時僅在棒材表面發(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)。2)拉拔時僅在棒材表面發(fā)生塑性變形。在軸向445.4.2拉拔管材中的殘余應(yīng)力空拉管材

軸向：周向：徑向：5.4.2拉拔管材中的殘余應(yīng)力45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’影響空拔管外表圖5-31空拔管內(nèi)三個方向殘余應(yīng)力的定性分布46（2）襯拉管材

拉拔管材時，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。（2）襯拉管材拉拔管材時，管子的外表面和內(nèi)表面的變形量不相475.4.3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大；5）減少分散變形度；6）在拉拔管材時應(yīng)盡可能地采用襯拉，減少空拉量。

5.4.3殘余應(yīng)力的消除48(2)矯直加工

(2)矯直加工49（3）退火利用低于再結(jié)晶溫度的低溫退火來消除或減少殘余應(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（3）退火圖5-34拉拔棒材退火前、后殘余應(yīng)力的變化505.5拉拔力5.5.1各種因素對拉拔力的影響（1）被加工金屬的性質(zhì)對拉拔力的影響

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-B205.5拉拔力圖5-35金屬抗拉強(qiáng)度與拉拔應(yīng)力之間的關(guān)系51（2）變形程度對拉拔力的影響（3）模角對拉拔力的影響

圖5-36拉拔黃銅線時拉拔應(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（2）變形程度對拉拔力的影響圖5-36拉拔黃銅線時拉拔應(yīng)52（4）拉拔速度對拉拔力的影響（5）摩擦與潤滑對拉拔力的影響

金屬與合金坯料直徑（mm）加工率（%）模子材料潤滑劑拉拔力（N）鋁2.023.4碳化鎢鋼固體肥皂固體肥皂127.5235.4黃銅2.020.1碳化鎢鋼固體肥皂固體肥皂196.1313.8磷青銅0.6518.5碳化鎢碳化鎢固體肥皂植物油147.0255.0

B20

1.12

20碳化鎢碳化鎢鉆石鉆石固體肥皂植物油固體肥皂植物油156.9196.1147.0156.9表5-1潤滑劑與模子材料對拉拔力影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（4）拉拔速度對拉拔力的影響金屬與合金坯料直徑（mm）加工53（6）反拉力對拉拔力的影響帶反拉力拉拔由于存在反拉力Q，此時的拉拔力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。 （6）反拉力對拉拔力的影響54（7）振動對拉拔力的影響拉拔時對拉拔工具（模子或芯頭）施以振動可以顯著地降低拉拔力，繼而提高道次加工率。所用的振動頻率分為聲波（25500赫）與超聲波（16800赫）兩種。振動方式有軸向、徑和周向。（7）振動對拉拔力的影響555.5.2拉拔力的計算（自學(xué)）5.5.2.1拉拔力實(shí)測圖5-42液壓測力計圖5-41在拉力試驗(yàn)機(jī)上測定拉拔力的裝置1-導(dǎo)輪；2-模子；3-潤滑劑；4-反拉力模；5-刻度盤；6-夾頭；7-導(dǎo)輪8-放線盤；9-建立反拉力的荷重；10-支承；11-模子架；12-收線盤；13-收線盤傳動裝置；Q-反拉力；M-模子壓力；P-拉拔力；Mq、Pq–帶反拉力時的模子壓力與拉拔力5.5.2拉拔力的計算（自學(xué)）圖5-42液壓測力計圖5-565.5.2.2拉拔力的理論計算拉拔力的理論計算方法很多，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5.5.2.2拉拔力的理論計算圖5-43棒線材拉拔中575.6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，因此常常在中心層上的拉應(yīng)力首先超過材料強(qiáng)度極限，造成拉裂。5.6拉拔制品的主要缺陷58(2)表面裂紋圖5-51棒材表面裂紋示意圖圖5-52定徑區(qū)中沿軸向工作應(yīng)力分布示意圖a-基本應(yīng)力；b-附加應(yīng)力；c-工作應(yīng)力(2)表面裂紋圖5-51棒材表面裂紋示意圖圖5-52定595.6.2管材制品的主要缺陷(1)偏心拉拔管坯的壁厚是不均勻的，利用不均勻壁厚管坯進(jìn)行拉拔時，空拉能起到自動糾正管坯偏心的作用，使管材偏心度減小，但有的管坯偏心過于嚴(yán)重而空拉糾正不過來，造成管材偏心缺陷。(2)皺折若D0／S0值較大，而管壁薄厚又不均勻，道次加工率又較大加之退火不均勻時，管壁易失穩(wěn)而凹陷或皺折。5.6.2管材制品的主要缺陷605.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5.拉拔成形原理與控制

5.1概述圖5-1拉拔示意圖615.2線棒材拉拔原理5.2.1建立拉拔過程的條件5.2.1.1拉拔時的受力分析反作用力作用：摩擦力作用：拉拔特點(diǎn)：5.2線棒材拉拔原理625.2.1.2建立拉拔過程的條件

K：拉拔的“安全系數(shù)”。K>1為建立拉拔過程的條件。5.2.1.2建立拉拔過程的條件K：拉拔的“安全系數(shù)”。K635.2.1.3拉拔時壓縮力的作用拉拔時?？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：5.2.1.3拉拔時壓縮力的作用645.2.2拉拔時變形區(qū)內(nèi)金屬流動規(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）5.2.2拉拔時變形區(qū)內(nèi)金屬流動規(guī)律和應(yīng)力分布特點(diǎn)65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、短軸變化情況是：rlB>rln>a；r2B<r2n<b則有：1B>1n>1A；2A>2n>2B正方形格子A：665.2.3.2變形區(qū)的形狀

5.2.3.2變形區(qū)的形狀675.2.3.3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：r1F0入口端出口端LF1r0l0l101L5.2.3.3變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力r1F0入口端出口端LF168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：周向應(yīng)力及徑向應(yīng)力r則從變形區(qū)入口端到出69拉拔生產(chǎn)中模子的磨損：1）道次加工率大時模子出口處的磨損比道次加工率小時要輕；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；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)度拉拔生產(chǎn)中模子的磨損：圖5-7變形區(qū)內(nèi)各斷面上l與r間70(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(2)應(yīng)力沿徑向分布規(guī)律軸向應(yīng)力l由表面向中心逐漸增大。環(huán)715.2.3.4反拉力對變形和應(yīng)力分布的影響

圖5-9反拉力Q對軸向應(yīng)力l、徑向應(yīng)力r和和摩擦應(yīng)力的影響a-無反拉力；b-有反拉力5.2.3.4反拉力對變形和應(yīng)力分布的影響圖5-9反拉力725.3管材拉拔的基本原理

5.3管材拉拔的基本原理

73固態(tài)成形原理講義拉拔課件74（1）拔管的特點(diǎn)：1)拔管時金屬處于軸向受拉,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：

（1）拔管的特點(diǎn)：752)由于應(yīng)力狀態(tài)存在拉應(yīng)力，變形時金屬性較差，因而對于低塑性金屬因加工硬化而降低了塑性時，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的道次變形量。2)由于應(yīng)力狀態(tài)存在拉應(yīng)力，變形時金屬性較76

圖5-11牽引擴(kuò)管法的變形過程（a）和應(yīng)力狀態(tài)(b)二向拉一向壓(2)擴(kuò)徑圖5-11牽引擴(kuò)管法的變形過程（a）和應(yīng)力狀態(tài)(b77擴(kuò)拔時的擴(kuò)徑率一般≤15～20%。擴(kuò)徑后鋼管的長度有所縮,壁厚有所減薄，擴(kuò)徑后鋼管的直徑可按下式計算：圖5-12壓縮擴(kuò)管法的變形過程(a)和應(yīng)力狀態(tài)(b)一向拉二向壓擴(kuò)拔時的擴(kuò)徑率一般≤15～20%。擴(kuò)徑后鋼管的圖5-12壓785.3.1無芯棒拔管過程（1）變形過程和變形區(qū)圖5-13-1空拔過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5.3.1無芯棒拔管過程圖5-13-1空拔過程中鋼管尺寸79產(chǎn)生不接觸變形區(qū)的原因：圖5-14空拔時鋼管上單元窄條的彎曲產(chǎn)生不接觸變形區(qū)的原因：圖5-14空拔時鋼管上單元窄條的彎80

（2）變形區(qū)中的應(yīng)力分布在無芯棒拔制的情況下，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（2）變形區(qū)中的應(yīng)力分布圖5-15確81圖5-16沿變形區(qū)長度，s、t、l和r的變化；1-t；2-r圖5-16沿變形區(qū)長度，s、t、l和r的變化；1-82（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，相對直徑差可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計算：式中DK和SK—拔制后鋼管的直徑和壁厚，毫米；

—延伸系數(shù)。（3）拔制后鋼管直徑的確定83改變?？仔螤羁梢詼p少甚至消除出口端不接觸變形。圖5-17?？仔螤顚s徑量的影響改變?？仔螤羁梢詼p少甚至消除出口端不接觸變圖5-17?？仔?4（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-m>0即r>1/2(l+t)時，r>0，壁增厚。r-m=0即r=1/2(l+t)時，r=0，壁厚不變。r-m<0即r<1/2(l+t)時，r<0，壁減薄。（4）壁厚變化及均壁作用852)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€變形區(qū)內(nèi)壁厚變化的總和。

b)空拔時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。

2)壁厚變化的—些規(guī)律86c)模具的形狀對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；5-25c)模具的形狀對空拔管的壁厚變化有影響圖5-18-1壁厚變87d)鋼的力學(xué)性能對空拔時壁厚的影響塑性大的金屬壁厚變化較大。圖5-18-2空拔時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d)鋼的力學(xué)性能對空拔時壁厚的影響圖5-18-2空拔時壁厚88e)道次加工率與加工道次的影響道次加工率增大時，相對拉應(yīng)力增加，使增壁空拉過程的增壁幅度減小，減壁空拉過程的減壁幅度增大。f)潤滑條件、模子幾何參數(shù)及拉拔速度的影響e)道次加工率與加工道次的影響89g)空拔過程中的均壁作用在對不均勻壁厚管坯拉拔時，空拉能起到自動糾正管坯偏心的作用，且空拉道次越多，效果就越顯著。原因：g)空拔過程中的均壁作用903）空拔過程中鋼管的穩(wěn)定性在薄壁管進(jìn)行空拔時，管壁很薄，減徑量超過一定值時，空拔時鋼管就會由于局部的或沿管全長的管壁內(nèi)凹，造成凹折缺陷。喪失穩(wěn)定性可能的壁厚范圍：。

圖5-19空拔時因鋼管喪失穩(wěn)定性而造成的缺陷3）空拔過程中鋼管的穩(wěn)定性圖5-19空拔時因鋼管喪失穩(wěn)定915.3.2短芯棒拔管過程特點(diǎn)：1）芯棒位置固定不變；2）道次加工率較?。?）難以拉制較長管子。（1）變形過程和變形區(qū)

圖5-20短芯棒拔制的模具及變形區(qū)5.3.2短芯棒拔管過程圖5-20短芯棒拔制的模具及變形92圖5-21短芯棒拔制過程建立時作用在外模及芯棒上的力P1-無芯棒拔制時的力；P2-長芯棒拔制時的力P3、P1’-芯棒停止移動時的力；P4、P2’-穩(wěn)定拔制時的力圖5-21短芯棒拔制過程建立時作用在外模及芯棒上的力93

在穩(wěn)定拔制階段，鋼管的變形過程是先減徑，繼之是減壁，最后是定徑。因而短芯棒拔制時的變形區(qū)由減徑區(qū)、減壁區(qū)和定徑區(qū)三部分組成。圖5-21-1固定短芯頭拉拔時的應(yīng)力與變形圖在穩(wěn)定拔制階段，鋼管的變形過程是先減徑，繼圖5-21-194圖5-22短芯棒拔制時主應(yīng)力沿減壁區(qū)的分布圖5-22短芯棒拔制時主應(yīng)力沿減壁區(qū)的分布95（2）金屬的流動和變形特點(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（2）金屬的流動和變形圖5-22-1空拔和短芯棒拔制后鋼962）芯頭表面與管子內(nèi)表面產(chǎn)生摩擦，摩擦的作用：3）對殘余應(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2）芯頭表面與管子內(nèi)表面產(chǎn)生摩擦，摩擦的作圖5-23短芯棒97（3）拔制時的抖動現(xiàn)象拔制過程中，芯棒在變形區(qū)內(nèi)處于穩(wěn)定位置時，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度，毫米；f一摩擦系數(shù)。

（3）拔制時的抖動現(xiàn)象985.3.3長芯棒拔制過程特點(diǎn)：在拔制過程中可認(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?.3.3長芯棒拔制過程99

5.3.4游動芯棒拔管過程特點(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鋼管；3）內(nèi)外表面質(zhì)量和尺寸精度高。圖5-26游動芯棒拔制I-芯棒的前圓錐段；II-芯棒的圓錐段；III-芯棒的后圓柱段5.3.4游動芯棒拔管過程圖5-26游動芯棒拔制100（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，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)定拔制的一個基本條件：實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定拔制的第二個基本條件：游動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（1）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定拔制的基本條件1015.4

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拉拔時的副應(yīng)力5.4拉拔制品中的殘余應(yīng)力圖5-27拉拔時的副應(yīng)力102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）拉拔時棒材整個斷面都發(fā)生塑性變形。圖5-28棒材整個斷面發(fā)生塑性變形時的殘余應(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)力拉拔后棒材中呈現(xiàn)的殘余應(yīng)力分布有以下三種情圖5-28棒材整1032)拉拔時僅在棒材表面發(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)。2)拉拔時僅在棒材表面發(fā)生塑性變形。在軸向1045.4.2拉拔管材中的殘余應(yīng)力空拉管材

軸向：周向：徑向：5.4.2拉拔管材中的殘余應(yīng)力105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’影響空拔管外表圖5-31空拔管內(nèi)三個方向殘余應(yīng)力的定性分布106（2）襯拉管材

拉拔管材時，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。（2）襯拉管材拉拔管材時，管子的外表面和內(nèi)表面的變形量不相1075.4.3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大；5）減少分散變形度；6）在拉拔管材時應(yīng)盡可能地采用襯拉，減少空拉量。

5.4.3殘余應(yīng)力的消除108(2)矯直加工

(2)矯直加工109（3）退火利用低于再結(jié)晶溫度的低溫退火來消除或減少殘余應(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（3）退火圖5-34拉拔棒材退火前、后殘余應(yīng)力的變化1105.5拉拔力5.5.1各種因素對拉拔力的影響（1）被加工金屬的性質(zhì)對拉拔力的影響

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-B205.5拉拔力圖5-35金屬抗拉強(qiáng)度與拉拔應(yīng)力之間的關(guān)系111（2）變形程度對拉拔力的影響（3）模角對拉拔力的影響

圖5-36拉拔黃銅線時拉拔應(yīng)力與斷面減縮率的關(guān)系圖5-