變形不均勻原因及防止措施

會計學(xué)1變形不均勻原因及防止措施2023/1/1825.2變形不均勻的原因接觸面上的外摩擦變形區(qū)的幾何因素工具與工件的輪廓形狀變形體內(nèi)部溫度分布不均變形體的外端金屬性質(zhì)不均的影響第1頁/共40頁2023/1/183接觸面上的外摩擦在工具和變形金屬之間的接觸面上必然存在摩擦。由于摩擦力的作用，在一定程度上改變了金屬的流動特性并使應(yīng)力分布受到影響。第2頁/共40頁2023/1/184鐓粗時的分區(qū)圓柱體鐓粗時，由于接觸面上有摩擦存在，在接觸表面附近金屬流動困難，圓柱形坯料轉(zhuǎn)變成鼓形。在此情況下，可將變形金屬整個體積大致分為三個區(qū)：Ⅰ區(qū)表示由外摩擦影響而產(chǎn)生的難變形區(qū)；Ⅱ區(qū)表示與作用力成45°角的最有利方位的易變形區(qū)；Ⅲ區(qū)表示變形程度居于中間的自由變形區(qū)。第3頁/共40頁2023/1/185鐓粗時摩擦力對變形及應(yīng)力分布的影響第4頁/共40頁2023/1/186應(yīng)力分布不均外摩擦不僅影響變形，而且使接觸面上的應(yīng)力（或單位壓力）分布不均勻，沿試樣邊緣的應(yīng)力等于金屬的屈服極限，從邊緣到中心部分，應(yīng)力逐漸升高。另外，沿物體高度方向由接觸面至變形體的中部，應(yīng)力的分布是逐漸減小的，這是因外摩擦的影響逐漸減弱所致。第5頁/共40頁2023/1/187帶孔的玻璃錘頭鐓粗塑料實(shí)驗(yàn)第6頁/共40頁2023/1/188側(cè)面翻平變形物體在壓縮時，由于接觸摩擦的作用，在出現(xiàn)單鼓形的同時，還會出現(xiàn)側(cè)表面的金屬局部地轉(zhuǎn)移到接觸表面上來的側(cè)面翻平現(xiàn)象。隨著壓下率的增加，aa和bb部分由側(cè)表面逐步地轉(zhuǎn)移到端面上來。此側(cè)面翻平現(xiàn)象發(fā)生在側(cè)表面面積的減小量大于接觸面面積的增加量的時候。如果接觸面面積增加量大于側(cè)面的減小量時，則因新的接觸面的形成將不再吸收側(cè)面的多余面積。第7頁/共40頁2023/1/189圓柱體垂直剖面上坐標(biāo)網(wǎng)格在鐓粗過程中的變化第8頁/共40頁2023/1/1810由此可見，物體在壓縮時接觸面積的增加，可由接觸表面上金屬質(zhì)點(diǎn)滑動和側(cè)面質(zhì)點(diǎn)翻平兩部分組成。側(cè)面金屬翻平量的大小取決于接觸摩擦條件和變形物體的幾何尺寸。接觸面上的摩擦越大，接觸面上的金屬質(zhì)點(diǎn)越不易滑動，因而側(cè)面金屬轉(zhuǎn)移上來的數(shù)量就越多。試樣的高度越大，側(cè)面金屬越易于轉(zhuǎn)移到接觸表面上來。當(dāng)試樣的高度大于直徑時，接觸面積的增加將主要是由側(cè)面金屬的轉(zhuǎn)移所造成。第9頁/共40頁2023/1/1811翻平寬展鼓形寬展第10頁/共40頁2023/1/1812粘著現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，圓柱體金屬在鐓粗過程中，若接觸摩擦較大和高徑比H／D較大時，則在端面的中心部位有一區(qū)域，在此區(qū)域上金屬質(zhì)點(diǎn)對工具完全不產(chǎn)生相對滑動而粘著在一起。此現(xiàn)象稱為粘著現(xiàn)象。此粘著在一起的區(qū)域稱為粘著區(qū)。此粘著現(xiàn)象也影響到金屬的一定深度，這樣就構(gòu)成了以粘著區(qū)為基底的圓錐形或近似圓錐形的體積，此體積稱為“難變形區(qū)”。第11頁/共40頁2023/1/1813難變形區(qū)第12頁/共40頁2023/1/1814變形區(qū)的幾何因素在金屬塑性加工中存在著外摩擦，變形的不均勻分布情況與變形區(qū)幾何因素(如H/d、H/L、H/B等)有密切關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明：鐓粗圓柱體時，當(dāng)試樣原始高度與直徑比H/d<2.0時才發(fā)生上述的單鼓形不均勻變形。當(dāng)坯料高度較大且變形程度甚小時(當(dāng)H/d＞2.0時)，則往往只產(chǎn)生表面變形，而中間層的金屬不產(chǎn)生塑性變形或塑性變形甚小，結(jié)果導(dǎo)致形成雙鼓形。第13頁/共40頁2023/1/1815雙鼓形第14頁/共40頁2023/1/1816工具與工件的輪廓形狀工具（或坯料）形狀是影響金屬塑性流動方向的重要因素。工具與金屬形狀的差異，是造成金屬沿各個方向流動的阻力有差異，因而金屬向各個方向的流動（即變形量）也有相應(yīng)差別。第15頁/共40頁2023/1/1817如圖所示，在圓形砧或V型砧中拔長圓斷面坯料時，工具的側(cè)面壓力使金屬沿橫向流動受到很大的阻礙，被壓下的金屬大量沿軸向流動，這就使拔長效率大大提高。當(dāng)采用圖c所示的工具時，則產(chǎn)生相反的結(jié)果，金屬易于橫向流動。abc第16頁/共40頁2023/1/1818在許多情況下，當(dāng)工具的形狀已得到了嚴(yán)格的控制時，為獲得變形均勻的產(chǎn)品，還必須要考慮原始坯料形狀的影響。如果坯料的尺寸和形狀的選擇不當(dāng)也會使物體產(chǎn)生不均勻變形。第17頁/共40頁2023/1/1819變形體內(nèi)部溫度分布不均變形物體的溫度不均勻，會造成金屬各部分變形和流動的差異。變形首先發(fā)生在那些變形抗力最小的部分。一般，在同一變形物體中高溫部分的變形抗力低，低溫部分的變形抗力高。這樣，在同一外力的作用下，高溫部分變形量大，低溫部分變形量小。而變形物體是一整體，限制了物體各部分不均勻變形的自由發(fā)展，從而產(chǎn)生相互平衡的附加應(yīng)力。第18頁/共40頁2023/1/1820在變形體內(nèi)因溫度不同所產(chǎn)生熱膨脹的不同而引起的熱應(yīng)力，與由不均勻變形所引起的附加應(yīng)力相疊加后，有時會加強(qiáng)應(yīng)力的不均勻分布，甚至?xí)鹱冃挝矬w的斷裂。在熱軋中常見到軋件軋出后會出現(xiàn)上翹或下翹現(xiàn)象，產(chǎn)生此現(xiàn)象原因之一就是軋件的溫度不均所造成的。第19頁/共40頁2023/1/1821鋁—鋼雙金屬軋制時由不均勻變形產(chǎn)生的彎曲現(xiàn)象第20頁/共40頁2023/1/1822變形體的外端外端（未變形的金屬）對變形區(qū)金屬的影響主要是阻礙變形區(qū)金屬流動，進(jìn)而產(chǎn)生或加劇附加的應(yīng)力和應(yīng)變。在自由鍛造中，除鐓粗外的其他變形工序，工具只與坯料的一部分接觸，變形是分段逐步進(jìn)行的，因此，變形區(qū)金屬的流動是受到外端的制約的。第21頁/共40頁2023/1/1823封閉形外端在被壓縮體積的外部存在有封閉形外端時，一方面，被壓縮體積的變形要影響到外端的一定區(qū)域。另一方面，外端會阻礙被壓縮體積的向外擴(kuò)展。若外端的體積甚小時，則在變形過程中，在被壓縮體積變形的影響下，外端的高度也會有所減小，外端向外擴(kuò)展。如果外端的體積較大，則被壓縮體積的變形很難進(jìn)行。若所施的壓力非常大時，也可以把工具(壓頭)壓人變形物體內(nèi)，此時部分變形金屬將沿工具的周圍被擠出?？梢姡饘僭诰哂蟹忾]形外端條件下的壓縮與無外端時有很大差別。封閉形外端可以減小被壓縮物體的不均勻變形，并可使其三向壓應(yīng)力狀態(tài)增強(qiáng)。第22頁/共40頁2023/1/1824封閉形外端非封閉形外端第23頁/共40頁2023/1/1825非封閉形外端在金屬壓力加工中屬于非封閉形外端的變形過程較多，例如，鍛造延伸，拉拔等。第24頁/共40頁2023/1/1826外端對變形物體的縱向延伸有強(qiáng)迫“拉齊”作用，使變形物體沿高度方向的縱向延伸趨于一致。結(jié)果，在變形區(qū)內(nèi)于自由延伸大的中部產(chǎn)生附加壓應(yīng)力，于自由延伸小的端部產(chǎn)生附加拉應(yīng)力。此外，變形物體為一整體，變形物體的縱向延伸的變化也必然會影響著橫向?qū)捳沟淖兓?。?5頁/共40頁2023/1/1827在變形區(qū)的中部，由于外端對縱向延伸的“拉齊”作用使自由延伸減小的結(jié)果，使寬展被迫增大，而在端部由于使自由延伸的被迫增加，使寬展減小。結(jié)果，由于外端對縱向延伸的“拉齊”作用，使變形區(qū)沿高向的中部產(chǎn)生的寬展最大，端部寬展最小。這樣，由于外端的存在，使變形物體的縱向變形的不均勻性減小，橫向變形的不均勻性增大。第26頁/共40頁2023/1/1828金屬性質(zhì)不均的影響變形金屬中的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、夾雜物、相的形態(tài)等分布不均會造成金屬各部分的變形和流動的差異。例如，在受拉伸的金屬內(nèi)存在一團(tuán)雜質(zhì)，由于雜質(zhì)和其周圍晶粒的性質(zhì)不同，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)果這種缺陷周圍的晶粒必須發(fā)生不均勻變形，并會產(chǎn)生晶間及晶內(nèi)附加應(yīng)力。第27頁/共40頁2023/1/18295.3變形不均的防止措施變形不均產(chǎn)生的后果

減輕變形不均的措施

第28頁/共40頁2023/1/1830變形不均產(chǎn)生的后果使單位變形力增大當(dāng)變形不均勻分布時，將使物體內(nèi)部產(chǎn)生相互平衡的附加應(yīng)力，使變形能量消耗增加，也使單位變形力增大。此外，當(dāng)應(yīng)力不均勻分布時，將使變形體內(nèi)實(shí)際的應(yīng)力分布情況與基本應(yīng)力有很大不同，有時雖然作用著單向的基本應(yīng)力，但工作應(yīng)力卻可能變成三向同名應(yīng)力狀態(tài)，此時也會使單位變形力增大。第29頁/共40頁2023/1/1831使塑性降低在具有應(yīng)力不均勻分布的變形物體內(nèi)，當(dāng)某處的工作應(yīng)力達(dá)到金屬的斷裂強(qiáng)度時，則在該處將首先產(chǎn)生斷裂，從而導(dǎo)致金屬的塑性下降。第30頁/共40頁2023/1/1832擠壓件上表面裂紋及應(yīng)力分布圖第31頁/共40頁2023/1/1833使產(chǎn)品質(zhì)量降低由于變形的不均勻分布使物體內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力，若變形后物體的溫度較低不足以消除此附加應(yīng)力時，則在物體內(nèi)將存有殘余應(yīng)力，從而使物體的力學(xué)性能下降。同時，由于變形體內(nèi)各處的變形不同，其再結(jié)晶后各處的晶粒大小也不同，造成組織與性能分布不均。第32頁/共40頁2023/1/1834摩擦系數(shù)f不同時塑壓件退火后中心軸上晶粒大小分布第33頁/共40頁2023/1/1835使技術(shù)操作復(fù)雜由于變形體內(nèi)應(yīng)力的分布不均，使加工工具的各部分受力不均，以致使工具各部分的彈性變形和磨損不均。這樣就使工具設(shè)計、制造和維護(hù)復(fù)雜。同時也使對材料進(jìn)行的熱處理制度復(fù)雜化。第34頁/共40頁2023/1/1836減輕變形不均的措施正確選定變形的溫度－速度制度變形溫度應(yīng)保證物體在單相區(qū)完成塑性變形，并在整個物體內(nèi)分布均勻。變形速度制度的選擇也應(yīng)使變形在物體內(nèi)分布均勻，如H／d比較大的厚件，在速度較低的壓力機(jī)上鍛壓較合適。第35頁/共40頁2023/1/1837減小金屬表面上的外摩擦為減小接觸表面上的摩擦系數(shù)，應(yīng)提高和保持工具表面的光潔度和采用適宜的潤滑劑。也可采用超聲振動加工等方法來減少外摩擦的不利影響。第36頁/共40頁2023/1/1838合理設(shè)計加工工具形狀要正確選擇與設(shè)計鍛模、軋輥孔型及其它工具，使其形狀與坯料斷面能