擠壓分類及基本原理-課件

第一節(jié)擠壓變形的金屬流動(dòng)分析

為了搞清楚各種擠壓方法的金屬流動(dòng)情況，可以采用坐標(biāo)網(wǎng)格法、視塑性法、光塑性法、密柵云紋法等實(shí)驗(yàn)方法和上限法、有限元法等數(shù)值計(jì)算方法。

下面采用直觀、簡(jiǎn)便的坐標(biāo)網(wǎng)格法來(lái)分析各種擠壓方法的金屬流動(dòng)情況。

第二章擠壓分類及基本原理

一、正擠壓實(shí)心件黑色金屬流動(dòng)分析

為了解黑色金屬正擠壓實(shí)心件的金屬流動(dòng)情況，可將圓柱體坯料切成兩塊，見(jiàn)圖2-1(a)。在其中的一塊剖面刻上均勻的網(wǎng)格，并在剖面上涂潤(rùn)滑油，再與另一塊的剖面拼合在一起放入擠壓凹模模腔內(nèi)進(jìn)行正擠壓。當(dāng)擠壓至某一時(shí)刻時(shí)停止擠壓，取出試件，將試件沿拼合面分開(kāi)，此時(shí)可以觀察到坐標(biāo)網(wǎng)格的變化情況。

第二章擠壓分類及基本原理

圖2-1正擠壓變形的網(wǎng)格示意圖a)變形前b)理想變形c)理想潤(rùn)滑時(shí)的變形d)實(shí)際變形

第二章擠壓分類及基本原理

正擠壓時(shí)坯料大致分為：變形區(qū)、不變形區(qū)(又分為待變形區(qū)、已變形區(qū))和死區(qū)，見(jiàn)圖2-2a。因?yàn)樽冃螀^(qū)始終處于凹?？卓诟浇?，只要壓余厚度不小于變形區(qū)的高度，變形區(qū)的大小、位置基本不變，所以正擠壓變形屬于穩(wěn)定變形。第二章擠壓分類及基本原理

1一待變形區(qū)2一變形區(qū)3一死區(qū)4一已變形區(qū)

正擠壓實(shí)心件的變形特點(diǎn)是：金屬進(jìn)入變形區(qū)才發(fā)生變形，此區(qū)稱為劇烈變形區(qū)。進(jìn)入此區(qū)以前或離開(kāi)此區(qū)以后，金屬幾乎不變形，僅作剛性平移。在變形區(qū)內(nèi)，金屬的流動(dòng)是不均勻的，中心層流動(dòng)快，外層流動(dòng)慢。而當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定變形階段以后，不均勻變形的程度是相同的。在凹模出口轉(zhuǎn)角處會(huì)產(chǎn)生程度不同的金屬"死區(qū)"。第二章擠壓分類及基本原理

第二章擠壓分類及基本原理

二、正擠壓空心件變形的流動(dòng)分析

正擠壓空心件的坐標(biāo)網(wǎng)格變化情況見(jiàn)圖2-3。坯料除了受凹模工作表面的接觸摩擦影響外，還受到芯棒表面接觸摩擦的影響，因而坯料上的橫向坐標(biāo)線向后彎曲，不再有產(chǎn)生超前流動(dòng)的中心區(qū)域，這說(shuō)明正擠壓空心件的金屬流動(dòng)比正擠壓實(shí)心件均勻一些。第二章擠壓分類及基本原理

在進(jìn)入穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，劇烈變形區(qū)也是集中在凹模錐孔附近高度很小的范圍內(nèi)，金屬在進(jìn)入變形區(qū)以前或離開(kāi)變形區(qū)以后幾乎不發(fā)生塑性變形，僅作剛性平移。第二章擠壓分類及基本原理

圖2-4反擠壓變形的網(wǎng)格圖a)變形前b)穩(wěn)定變形c)非穩(wěn)定變形三、反擠壓變形的流動(dòng)分析

用實(shí)心坯料反擠壓杯形件時(shí)，擠壓變形過(guò)程的坐標(biāo)網(wǎng)格變化情況見(jiàn)圖2-4。

圖2-4b表示坯料高徑比大于1時(shí)，坯料底部尺寸小于臨界尺寸時(shí)(0.1-0.2)d1(d1為反擠壓凸模直徑)，進(jìn)入穩(wěn)定擠壓狀態(tài)時(shí)的網(wǎng)格變化情況。圖2-4c表示坯料底部尺寸小于臨界尺寸時(shí)(0.1-0.2)d1(d1為反擠壓凸模直徑)，底厚內(nèi)的全部金屬材料皆產(chǎn)生流動(dòng)時(shí)的非穩(wěn)定變形狀態(tài)。第二章擠壓分類及基本原理

圖2-5反擠壓變形分區(qū)

1-已變形區(qū)2-死區(qū)3-變形區(qū)4-過(guò)渡區(qū)5-待變形區(qū)

第二章擠壓分類及基本原理

可將坯料內(nèi)部的變形情況分為五個(gè)區(qū)域(見(jiàn)圖2-5)：1區(qū)為已變形區(qū)；2區(qū)為金屬“死區(qū)”，它緊貼著凸模端表面，呈倒錐形，該錐形大小隨凸模端表面與坯料間的摩擦阻力大小而變化；第二章擠壓分類及基本原理

3區(qū)為劇烈變形區(qū)，坯料金屬在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生劇烈流動(dòng)，該區(qū)的軸向范圍大約為(0.1-0.2)d1(d1為反擠壓凸模直徑)，當(dāng)凸模下行到坯料底部仍大于此界限尺寸時(shí)，仍為穩(wěn)定變形狀態(tài)，金屬流動(dòng)局限于3區(qū)內(nèi)；4區(qū)為過(guò)渡區(qū)；5區(qū)為待變形區(qū)，即緊貼凹模腔底部的一部分金屬，保持原狀，不產(chǎn)生塑性變形。四、復(fù)合擠壓變形的流動(dòng)分析

復(fù)合擠壓因?yàn)槭钦龜D壓、反擠壓的組合，有很多種復(fù)合的情況，其坐標(biāo)網(wǎng)格的變化情況，見(jiàn)圖2-6。第二章擠壓分類及基本原理

圖2-6復(fù)合擠壓變形的網(wǎng)格圖a)桿-桿b)杯-杯c)杯-桿

1-凸模2-工件3-凹模4-下凸模D-死區(qū)第二章擠壓分類及基本原理

復(fù)合擠壓存在向不同出口擠出的流動(dòng)的分界面，即分流面。分流面的位置影響兩端金屬的相對(duì)擠出量，但由于受到零件形狀及變形條件(如模具結(jié)構(gòu)、摩擦潤(rùn)滑等)的影響，分流面至今尚無(wú)簡(jiǎn)單決定的方法。

第二章擠壓分類及基本原理

第二節(jié)擠壓變形的應(yīng)力與應(yīng)變一、擠壓變形的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)正擠壓時(shí)變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)是三向受壓，變形是兩向壓縮、一向向外擠出伸長(zhǎng)的應(yīng)變狀態(tài)。杯形件反擠壓可把變形區(qū)分為內(nèi)、外兩個(gè)不同區(qū)域：內(nèi)區(qū)域的變形與圓柱體鐓粗類似，是一向壓縮、兩向伸長(zhǎng)的應(yīng)變狀態(tài)；外區(qū)域的變形與受內(nèi)壓的圓環(huán)變形類似，是兩向伸長(zhǎng)(軸向和切向)、一向壓縮(徑向)的應(yīng)變狀態(tài)。二、擠壓變形程度

擠壓變形程度表示方法有以下三種：

1.斷面減縮率

2.擠壓比

3.對(duì)數(shù)變形程度第二章擠壓分類及基本原理

三者之間存在如下關(guān)系：三、應(yīng)力狀態(tài)對(duì)擠壓變形的影響

1.對(duì)塑性的影響

擠壓變形區(qū)中的基本應(yīng)力狀態(tài)是三向壓應(yīng)力。在塑性成形中，變形區(qū)內(nèi)的金屬受拉應(yīng)力的影響越小，受壓應(yīng)力的影響越大，則塑性越高；相反，則塑性越低。因此，擠壓變形可以大大提高被擠壓坯料的塑性。第二章擠壓分類及基本原理

三向壓應(yīng)力之所以可提高被擠壓材料的塑性，歸納起來(lái)主要有如下幾個(gè)原因：

1)

三向壓應(yīng)力狀態(tài)能遏止晶間相對(duì)移動(dòng)，阻止晶間變形，從而提高了塑性；而拉應(yīng)力會(huì)促進(jìn)晶間變形，加速晶界的破壞。

2)

三向壓應(yīng)力狀態(tài)有利于消除由于塑性變形所引起的各種破壞，能促使被破壞了的晶內(nèi)和晶間的聯(lián)系得到恢復(fù)。這樣，不僅使金屬變得致密，而且還能使各種顯微裂紋，甚至宏觀破壞得到修復(fù)。

第二章擠壓分類及基本原理

3)

三向壓應(yīng)力狀態(tài)能使金屬內(nèi)某些夾雜物的危害程度大為降低。因金屬內(nèi)部夾雜物的存在，正如內(nèi)部空洞一樣會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中帶來(lái)的危害。

4)

三向壓應(yīng)力狀態(tài)可以抵消或減小由于不均勻變形而引起的附加拉應(yīng)力，從而減輕了附加拉應(yīng)力所造成的破壞作用。第二章擠壓分類及基本原理

圖2-7提高塑性的擠壓方法(a)施加反向推力的擠壓法(b)包套擠壓法第二章擠壓分類及基本原理

2.

對(duì)變形抗力的影響

應(yīng)力狀態(tài)對(duì)變形抗力的影響是很大的，例如，用冷擠壓和冷拉拔方法加工同種材料(退火純銅)、同樣尺寸的零件，見(jiàn)圖2-8。

第二章擠壓分類及基本原理

圖2-8

不同加工方法對(duì)變形抗力的影響

a)冷拉拔b)冷擠壓

實(shí)測(cè)得冷擠壓所需變形抗力為450MPa，總擠壓力F為35KN；冷拉拔所需變形抗力為220MPa，總拉拔力F為11KN。冷擠壓所需的單位擠壓力約為冷拉拔的2倍。

第二章擠壓分類及基本原理

第三節(jié)擠壓變形的附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力

一、擠壓變形產(chǎn)生的附加應(yīng)力

附加應(yīng)力：在塑性變形過(guò)程中，變形金屬內(nèi)部除了存在著與外力相應(yīng)的基本應(yīng)力以外，還由于物體內(nèi)各層的不均勻變形受到變形體整體性的限制，而引起變形金屬內(nèi)部各部分自相平衡的應(yīng)力。第二章擠壓分類及基本原理

圖2-9正擠壓時(shí)產(chǎn)生的附加應(yīng)力

擠壓時(shí)，同樣也會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，圖2-9為正擠壓時(shí)產(chǎn)生的附加應(yīng)力示意圖。

外層金屬的附加應(yīng)力是拉應(yīng)力，中層金屬的附加應(yīng)力是壓應(yīng)力。圖2-9正擠壓時(shí)產(chǎn)生的附加應(yīng)力第二章擠壓分類及基本原理

就正擠壓的基本應(yīng)力來(lái)說(shuō)，都是壓應(yīng)力。但由于金屬流動(dòng)不均勻，從而在外層產(chǎn)生了不利于塑性變形的附加拉應(yīng)力?；緫?yīng)力與附加應(yīng)力的代數(shù)和，就是工作應(yīng)力。如被擠材料塑性較差時(shí)，該附加拉應(yīng)力可能使工件產(chǎn)生開(kāi)裂。二、附加應(yīng)力產(chǎn)生的原因附加應(yīng)力是由于材料各部分變形不均勻而產(chǎn)生的，而擠壓時(shí)的變形又往往是不均勻的，因此產(chǎn)生附加應(yīng)力是難免的。擠壓時(shí)產(chǎn)生不均勻變形的主要原因如下：

(1)變形金屬與模具之間存在著摩擦力。(2)各部分金屬流動(dòng)阻力不一致。(3)變形金屬的組織結(jié)構(gòu)不均勻。(4)模具工作部分的形狀與尺寸不合理。第二章擠壓分類及基本原理

圖2-10凹模工作帶高度尺寸不一致所引起的附加應(yīng)力附加應(yīng)力可以分作三種：

第一種附加應(yīng)力：在變形體中，為了平衡幾個(gè)大的部分之間由于不均勻變形而產(chǎn)生的附加應(yīng)力；

第二種附加應(yīng)力：為了平衡兩個(gè)或幾個(gè)晶粒之間由于變形不均勻分布而產(chǎn)生的附加應(yīng)力；

第三種附加應(yīng)力：為了平衡一個(gè)晶粒內(nèi)部由于各部分之間的不均勻變形而產(chǎn)生的附加應(yīng)力。第二章擠壓分類及基本原理

三、殘余應(yīng)力

引起塑性體變形的作用力取消以后，隨之消失的僅是基本應(yīng)力。附加應(yīng)力不是由外力引起的，而是為了自身得到平衡引起的。因此，當(dāng)外力取消以后，附加應(yīng)力并不消失而殘留在變形體內(nèi)部，稱為殘余應(yīng)力。與附加應(yīng)力相同，殘余應(yīng)力也是互相平衡的。與三種附加應(yīng)力相對(duì)應(yīng)，殘余應(yīng)力也可分為三種。第二章擠壓分類及基本原理

四、附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力的危害性

(1)縮短擠壓件的使用壽命

(2)引起擠壓件尺寸及形狀的變化

(3)降低金屬的耐蝕性當(dāng)擠壓件表層具有殘余應(yīng)力時(shí)，會(huì)降低其耐蝕性。此外，殘余應(yīng)力還會(huì)使金屬的塑性、沖擊韌性及疲勞強(qiáng)度等降低。第二章擠壓分類及基本原理

五、防止和消除附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力的方法

(1)減少摩擦阻力的影響(2)合理設(shè)計(jì)模具工作部分的結(jié)構(gòu)和尺寸以保證擠壓件的變形與應(yīng)力分布較為均勻。

(3)盡可能采用組織均勻的金屬變形

第二章擠壓分類及基本原理

(4)擠壓后采用有效的熱處理方法以消除殘余應(yīng)力

第一種殘余應(yīng)力用低溫回火方法就可大大減小；第二種殘余應(yīng)力采用將擠壓件加熱到稍低于再結(jié)晶溫度下可以完全消除；第三種殘余應(yīng)力，只有經(jīng)過(guò)再結(jié)晶才能消除。第二章擠壓分類及基本原理

第四節(jié)擠壓件的常見(jiàn)缺陷

一、表面折疊

多余表皮金屬被壓入坯料表層所形成的缺陷，稱為表面折疊。正擠壓中，擠壓頭部較粗大的桿形件，需要采用兩道成形工序。如果在第一道正擠壓中工件的頭部與桿部連接處圓弧太大，則在第二道成形工序中因凹模的圓角半徑較小，便有可能使坯料過(guò)渡區(qū)部分的材料被壓入端部的底平面上，形成如圖2-11a所示的折疊。

反擠壓時(shí)凹模底部設(shè)有較大的圓角半徑，而坯料底部為直角過(guò)渡，在擠壓過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生折疊，如圖2-11b、c所示。第二章擠壓分類及基本原理

第二章擠壓分類及基本原理

圖2-11擠壓折疊a)正擠壓折疊b)、c)反擠壓折疊形成

二、表面折縫在變形過(guò)程中，多余的表皮金屬受阻而在其邊界處積聚，隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行深入到材料內(nèi)部所形成的一種缺陷，稱為表面折縫。

第二章擠壓分類及基本原理

圖2-12擠壓表面折縫a)正擠壓時(shí)的表面折縫b)反擠壓時(shí)的死角區(qū)剝落c)復(fù)合擠壓時(shí)的橫向折縫第二章擠壓分類及基本原理

當(dāng)正擠壓出現(xiàn)死角區(qū)時(shí)，如圖2-12a所示的D區(qū)，坯料后半部分的表皮金屬向凹模出口方向滑動(dòng)受到死角區(qū)金屬的阻礙，多余的表皮金屬被積聚在死角區(qū)入口處。隨后，多余的表皮金屬沿滑移面被拉入金屬內(nèi)部，并隨金屬的流動(dòng)一起向前延伸，從而形成折縫。反擠壓與復(fù)合擠壓時(shí)，也會(huì)因其變形的死角區(qū)金屬阻止表皮金屬滑動(dòng)而產(chǎn)生折縫。圖2-12b為反擠時(shí)底部死角區(qū)的剝落，圖c為復(fù)合擠壓的橫向折縫。三、縮孔

縮孔是指變形過(guò)程中變形體一些部位上產(chǎn)生較大的空洞或凹坑的缺陷。第二章擠壓分類及基本原理

圖2-13擠壓時(shí)的縮孔a)正擠壓時(shí)的縮孔b)反擠壓時(shí)的角部縮孔

第二章擠壓分類及基本原理

當(dāng)正擠壓進(jìn)行到待變形區(qū)厚度較小、甚至只有變形區(qū)而無(wú)待變形區(qū)厚度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生圖2-13a所示的縮孔。若變形程度較大，潤(rùn)滑條件、凹模入口又不利，則中心層的金屬流動(dòng)快，外層流動(dòng)落后于中心層，產(chǎn)生淺縮孔；若外層金屬根本不向下移動(dòng)，反而向上移動(dòng)，便產(chǎn)生很深的縮孔。

筒形件反擠壓進(jìn)行到待變形區(qū)厚度較小，甚至當(dāng)坯料底厚小于壁厚時(shí)仍繼續(xù)反擠，則會(huì)因材料不足以形成較厚的壁部而產(chǎn)生如圖2-13b所示的角部縮孔。四、裂紋擠壓裂紋分表面裂紋和內(nèi)部裂紋。

當(dāng)模具的圓角半徑過(guò)小，會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，可能發(fā)生角裂，如圖2