鄭州大學(xué)-金屬擠壓及拉拔工藝課件

鄭州大學(xué)-金屬擠壓及拉拔工藝課件10.3金屬擠壓工藝

10.3.1管棒型材擠壓工藝概述用擠壓法生產(chǎn)管棒型材的工藝流程，如圖10.41所示。在擠壓生產(chǎn)過程中，基本工藝參數(shù)的選擇對產(chǎn)品的質(zhì)量有著質(zhì)量重要的影響，為了獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品，必須正確地選擇工藝參數(shù)。所謂基本工藝參數(shù)包括制品設(shè)計(jì)和錠坯尺寸、擠壓溫度和速度、潤滑條件等。圖10.41擠壓法生產(chǎn)管棒型材的工藝流程示意10.3.2錠坯尺寸的選擇1.錠坯尺寸選擇的原則錠坯尺寸選擇的原則具體包括以下幾點(diǎn)：(1)錠坯質(zhì)量。對錠坯質(zhì)量的要求，根據(jù)合金、制品的技術(shù)要求和生產(chǎn)的工藝而定。(2)變形程度。根據(jù)合金塑性圖確定適當(dāng)變形量，一般為保證擠壓制品斷面組織和性能均勻，應(yīng)使擠壓時(shí)的變形程度大于80%，可取90%以上。(計(jì)算公式)(3)擠壓壓余。在擠壓定尺和倍尺產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)考慮壓余的大小及切頭尾所需的金屬量。(4)設(shè)備能力。在確定鑄錠尺寸時(shí)，必須考慮設(shè)備的能力和擠壓工具的強(qiáng)度。(5)填充系數(shù)。為保證操作順利進(jìn)行，在擠壓筒與鑄錠之間，空心錠坯的內(nèi)徑與穿孔針之間都應(yīng)留有一定的間隙。在確定這一間隙時(shí)，應(yīng)考慮錠坯熱膨脹的影響?！魍鉃閿D壓筒內(nèi)徑與錠坯外徑間的間隙；△內(nèi)為錠坯（空心的）內(nèi)徑與穿孔針外徑間的間隙，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可按表10-2選取。（計(jì)算公式）表10-2△外與△內(nèi)之值合金種類擠壓機(jī)類型△外/mm△內(nèi)/mm鋁及其合金臥式立式6~102~34~83~4重有色金屬臥式立式5~101~21~5稀有金屬臥式立式2~41~23~51~1.52.擠壓比λ的選擇擠壓比為制品橫斷面積與坯料橫斷面積的比。選擇擠壓比λ時(shí)應(yīng)考慮合金塑性、產(chǎn)品性能以及設(shè)備能力等因素。實(shí)際生產(chǎn)中主要考慮擠壓工具的強(qiáng)度和擠壓機(jī)允許的最大壓力。為了獲得均勻和較高的力學(xué)性能，應(yīng)盡量選用大的擠壓比進(jìn)行擠壓，一般要求：一次擠壓的棒、型材λ＞10鍛造用毛坯λ＞5二次擠壓用毛坯λ可不限一般輕金屬擠壓比λ值的范圍為8~60，純金屬與軟合金允許的值較大，硬金屬較小。擠壓型材時(shí)λ=10~45，擠壓棒材時(shí)λ=10~25。為保證焊縫質(zhì)量，使用組合模擠壓時(shí)λ≥25。重金屬擠壓比λ一般在4~90范圍內(nèi)選取，對組織與性能有一定要求的擠壓制品，擠壓比一般不低于4~6。（變形程度=？）3.錠坯長度的確定按擠壓制品所要求的長度來確定錠坯的長度時(shí)，可用下式計(jì)算：(10-1)式中，L0—錠坯長度；D0—錠坯直徑；

Dt—擠壓筒直徑；Kt—填充系數(shù)，，一般取為1.05~1.1；Lz—制品長度；LQ—切頭、切尾長度；hy—壓余厚度。10.3.3擠壓溫度與速度的選擇1.擠壓溫度的選擇確定擠壓溫度的原則是：在所選擇的溫度范圍內(nèi)，保證金屬具有最好的塑性及較低的變形抗力，同時(shí)要保證制品獲得均勻良好的組織性能等。擠壓與軋制相比，由于擠壓變形熱效應(yīng)大，所以一般來說擠壓溫度要比熱軋的溫度低些。合理的擠壓溫度范圍，應(yīng)該是根據(jù)“三圖”定溫的原則：(1)合金的狀態(tài)圖。它能夠初步給出加熱溫度范圍，擠壓上限低于固相線的溫度T0，為了防止鑄錠加熱時(shí)過熱和過燒，通常熱加工溫度上限?。?.85~0.90）T0，而下限對單相合金（0.65~0.70）T0。

(2)金屬與合金的塑性圖。塑性圖是金屬和合金的塑性在高溫下隨變形狀態(tài)以及加載方式而變化的綜合曲線圖，這些曲線可以是沖擊韌性αK、斷面收縮率ψ、延伸率δ、扭轉(zhuǎn)角θ以及鐓粗出現(xiàn)第一個(gè)裂紋時(shí)的壓縮率等。(3)第二類再結(jié)晶圖。擠壓制品的溫度，對制品組織與性能影響很大，參照第二類再結(jié)晶圖，可以控制制品的晶粒度。擠壓終了溫度太高會發(fā)生聚集再結(jié)晶,溫度過低金屬引起加工硬化和能耗大?？傊?，“三圖”定溫是確定熱加工溫度的主要理論依據(jù)，同時(shí)還要考慮擠壓加工的特點(diǎn)，如擠壓的金屬與合金、擠壓方法、熱效應(yīng)等。常用鋼種、輕金屬及重金屬擠壓溫度控制范圍列于表10-3。表10-3常用金屬擠壓溫度控制范圍牌號擠壓溫度/℃牌號擠壓溫度/℃牌號擠壓溫度/℃碳素鋼低合金鋼滾珠軸承鋼鉻不銹鋼鉻鎳不銹鋼純鋁防銹鋁鍛鋁硬鋁超硬鋁1200±1001200±701125±251175±251180±30320~480320~480370~520380~450380~450鎂合金紫銅(棒)紫銅(管)H96-H80H68H62HPb59-1HSn70-1HSn62-1300~350750~830800~880790~870700~770600~710600~650650~750650~750HAl77-2QAl10-3-1.5QA19-2,QA19-4QSn6.5-0.1B30鎳及其合金鉛及其合金鋅鋅合金720~820750~800750~850650~700900~10001000~1200200~250250~350200~3202.擠壓速度和金屬流出速度的選擇擠壓時(shí)的速度一般可分為三種表示方法：①擠壓速度V擠，所謂擠壓速度系指擠壓機(jī)主柱塞運(yùn)行速度，也就是擠壓桿與墊片前進(jìn)的速度；②流出速度V流，是指金屬流出?？椎乃俣?；③變形速度，是指最大主變形與變形時(shí)間之比，也稱應(yīng)變速度。一般在工廠中大多采用流出速度，因?yàn)樗鼘Σ煌慕饘倩蚝辖鸲加幸欢ǖ臄?shù)值范圍，該值取決于金屬或合金的塑性。確定金屬流出速度應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：①金屬塑性變形區(qū)溫度范圍愈寬，則擠壓金屬流出速度也愈大；②復(fù)雜斷面比簡單斷面的金屬流出速度要低，擠壓大斷面型材的流出速度應(yīng)低于小斷面的；③擠壓時(shí)潤滑條件好，則可提高擠壓速度；④當(dāng)其他條件相同時(shí)，純金屬的流出速度可高于合金的，而快速冷硬的合金應(yīng)更慢些，高溫的金屬與合金，可用很高的流出速度，例如合金鋼、鈦合金等；⑤對同一種合金，當(dāng)擠壓溫度愈高，則金屬流出速度應(yīng)愈低；⑥擠壓管材時(shí)金屬流出速度應(yīng)比擠壓同樣斷面棒材時(shí)取小些?？傊?，確定金屬流出速度時(shí)應(yīng)對各種因素進(jìn)行綜合分析，不可死套以上原則。表10-4是常見金屬擠壓流出模孔的速度范圍。表10-4常見金屬擠壓流出?？椎乃俣冉饘倥铺柫鞒瞿？姿俣?m·min-1金屬牌號流出?？姿俣?m·min-1純鋁防銹鋁鍛鋁硬鋁超硬鋁鎂合金紫銅H62、H6840~25025~1003~901~3.51~20.5~518~30012~60HSn70-1HA177-2QSn6.5-0.1B30鎳及其合金鉛及其合金鋅鋅合金2.4~6.02.4~6.01.8~9.018~7.218~2206.0~602.0~232.0~1210.3.4擠壓潤滑1)擠壓潤滑的目的為使擠壓時(shí)金屬流動均勻，提高制品表面質(zhì)量，延長擠壓工具的使用壽命和降低擠壓力，減少能量消耗，在擠壓時(shí)應(yīng)對擠壓筒、擠壓模、穿孔針進(jìn)行潤滑。但是，為了防止和減小擠壓縮孔的形成，擠壓時(shí)對擠壓墊片不能進(jìn)行潤滑。擠壓潤滑的另一目的是防止粘性較大的金屬粘結(jié)擠壓工具，以提高制品質(zhì)量。如擠壓鋁合金管材時(shí)，對穿孔針就應(yīng)該進(jìn)行潤滑，否則管材內(nèi)表面質(zhì)量就無法保證。

2)擠壓鋁合金的潤滑擠壓鋁合金用的潤滑劑有以下幾類：①70%~80%72號汽缸油+30%~20%粉狀石墨；②60~70%250號苯甲基硅油+40%~30%粉狀石墨；③65%汽缸油+15%硬脂酸鉛+10%石墨+10%滑石粉；④65%汽缸油+10%硬脂酸鉛+10%石墨+15%二硫化鉬。一般對鋁合金擠壓時(shí)，為了防止把錠坯表層的油污、氧化物帶進(jìn)制品內(nèi)部或表面，保證制品質(zhì)量，一般不使用潤滑劑，有時(shí)在模子上涂上極少一點(diǎn)潤滑劑。3)銅合金及其他重金屬的潤滑重金屬大多用45號機(jī)油加20%~30%片狀石墨作潤滑劑；而青銅、白銅擠壓時(shí)，用45號機(jī)油30%~40%的片狀石墨。在冬季為增加潤滑劑的流動性，往往加入5%~9%煤油，在夏季則加適量的松香，可使石墨質(zhì)點(diǎn)處于懸浮狀態(tài)。銅及銅合金在擠壓時(shí)都要進(jìn)行潤滑，在模子和穿孔針上薄薄地涂上一層，擠壓筒在擠壓后也用蘸有上述潤滑劑的布簡單擦一下。4)鋼、鎳、鈦等合金的潤滑鋼、鎳、鈦等合金目前大多采用玻璃潤滑劑，這種潤滑劑在擠壓時(shí)能起到潤滑與絕熱作用。玻璃潤滑劑的使用方法有涂層法、滾玻璃粉法以及玻璃布包錠法等，以潤滑擠壓筒與錠坯的接觸面。在制品表面去除玻璃潤滑劑的方法，一般采用噴砂法、急冷法及化學(xué)法等。對低碳鋼的冷擠壓，廣泛采用磷化-皂化處理潤滑方法。磷化處理：是將經(jīng)過表面潔凈處理的鋼放入磷酸錳鐵或磷酸二氫鋅的水溶液中，通過磷酸與鐵相互作用，生成不溶于水的、牢固地粘附在鋼表面的磷酸鹽膜層的過程，膜層厚度約為十幾微米，主要成分為磷酸鐵或磷酸鋅，呈多孔狀，對其他潤滑劑具有很強(qiáng)的吸附作用。由于磷化膜層本身摩擦系數(shù)并不很低，為提高潤滑效果，通常磷化后再進(jìn)行皂化處理。皂化是利用硬脂酸鈉或肥皂作潤滑劑，與磷化層中的磷酸鋅反應(yīng)生成硬脂酸鋅，俗稱鋅肥皂或金屬肥皂的過程。典型的磷化-皂化處理工藝包括除油-酸洗-磷化-中和-皂化-干燥等工序。10.5拉拔理論及工藝10.5.1拉拔的基本理論1.拉拔工藝概述1)拉拔的分類在拉力的作用下，使金屬坯料通過模孔，從而獲得相應(yīng)形狀和尺寸制品的塑性加工方法稱之為拉拔，如圖10.42所示。拉拔是金屬管材、棒材、型材及線材的主要加工方法之一。圖10.42拉拔工藝示意按拉拔時(shí)金屬的溫度分，在再結(jié)晶溫度以下的拉拔是冷拔，在再結(jié)晶溫度以上的拉拔是熱拔，在高于室溫低于再結(jié)晶溫度的拉拔是溫拔。冷拔是金屬絲、線生產(chǎn)中應(yīng)用最普遍的拉拔方式。熱拔主要用于高熔點(diǎn)金屬如鎢、鉬等金屬絲的拉拔。溫拔主要用于難變形的合金如高速鋼絲、軸承鋼絲的拉拔。按拉拔制品的斷面形狀，可將拉拔分為實(shí)心材拉拔和空心材拉拔。實(shí)心材拉拔主要包括棒材、型材及線材的拉拔?？招牟睦沃饕糜趫A管和異型管材的拉拔。按拉拔過程中金屬同時(shí)通過的模子數(shù)分，只通過一個(gè)模子的拉拔是單道次拉拔，依次連續(xù)通過若干(2~25)個(gè)模子的拉拔是多道次連續(xù)拉拔。

2)拉拔的特點(diǎn)與其他塑性加工方法相比較，拉拔工藝法有以下特點(diǎn)：(1)拉拔制品尺寸精確、表面質(zhì)量高。由于拉拔一般在冷狀態(tài)下進(jìn)行，與熱軋材相比，拉拔制品有較高的尺寸精度和表面光潔度。(2)拉拔制品力學(xué)性能高。在拉拔過程中，會產(chǎn)生加工硬化，從而使材料的強(qiáng)度提高。(3)拉拔生產(chǎn)的工具和設(shè)備簡單，維修方便。在一臺拉拔設(shè)備上只需要更換模具即可生產(chǎn)多種規(guī)格和品種的制品。拉拔方法也很適合用于連續(xù)高速生產(chǎn)斷面尺寸很小而長度很長的制品，生產(chǎn)效率高。(4)道次變形量和兩次退火間的總變形量受到限制。拉拔時(shí)的變形量一般較小，這使得拉拔道次一般較多。2.拉拔的變形指數(shù)與拉拔實(shí)現(xiàn)條件1)拉拔時(shí)的變形指數(shù)拉拔時(shí)坯料發(fā)生塑性變形，其形狀和尺寸發(fā)生改變。以Fq和Lq表示拉拔前金屬坯料的斷面積及長度，F(xiàn)h和Lh表示拉拔后金屬制品的斷面積和長度，根據(jù)體積不變的條件可得到以下的變形指數(shù)和它們之間的關(guān)系式。（1）延伸系數(shù)λ。表示拉拔后金屬材料長度與拉拔前金屬材料長度之比，也等于拉拔前后橫斷面的面積之比，即：

(10-2)（2）斷面減縮率ψ。表示拉拔后金屬材料橫斷面積減小量與初始面積之比，即：

(10-3)2)實(shí)現(xiàn)拉拔過程的基本條件拉拔過程是借助于在被加工的坯料前端施以拉力實(shí)現(xiàn)的，變形區(qū)的受力特點(diǎn)為二向壓縮一向拉伸狀態(tài)，如果拉應(yīng)力過大，超過材料出模口的屈服強(qiáng)度，則可引起制品出現(xiàn)細(xì)徑，甚至拉斷，因此必須滿足以下基本條件：

(10-4)式中，σl——作用在被拉金屬出?？跈M斷面上的拉拔應(yīng)力；

Pl——拉拔力；

Fl——被拉金屬出?？跈M斷面積；σs——金屬出?？诤蟮淖冃慰沽Γ辉诶芜^程中，因?yàn)樽冃慰沽﹄S變形的大小發(fā)生變化，確定起來比較困難，另外金屬拉拔時(shí)產(chǎn)生加工硬化，變形抗力與抗拉強(qiáng)度σb相近，故式(10-4)也可以表示為σl<σb。為定量表示被拉金屬出?？诘目估瓘?qiáng)度與拉拔應(yīng)力之間的關(guān)系，引入安全系數(shù)K：(10-5)因此，實(shí)現(xiàn)拉拔過程的基本條件是安全系數(shù)K大于1。拉拔時(shí)的安全系數(shù)與被拉拔金屬的直徑、狀態(tài)（退火或硬化）以及變形條件（溫度、速度、反拉力等）有關(guān)。K值一般在1.4~2.0之間。有色金屬拉拔時(shí)的安全系數(shù)見表10-5。對鋼材來說，主要考慮斷頭問題，一般安全系數(shù)K>1.1~1.25

。表10-5有色金屬拉拔時(shí)的安全系數(shù)拉拔制品的品種與規(guī)格厚壁管材、型材及棒材薄壁管材和型材不同直徑的線材/mm>1.01.0~0.40.4~1.00.10~0.050.050~0.015安全系數(shù)K>1.35~1.41.6≥1.4≥1.5≥1.6≥1.8≥2.03)拉拔后金屬的組織與性能金屬在拔制過程中其內(nèi)部的晶粒尺寸也相應(yīng)地發(fā)生了變化，即晶粒在拉拔方向上拉長。在變形量較大的情況下，可出現(xiàn)明顯的纖維狀組織，使得制品呈現(xiàn)各向異性，形成變形織構(gòu)。在拉拔時(shí)形成的變形織構(gòu)叫做“絲織構(gòu)”，其特征是各個(gè)晶粒的某一晶向與拉拔力方向平行或接近平行。金屬拉拔后的制品產(chǎn)生顯著的加工硬化，即隨著變形程度的增加，變形阻力增大，強(qiáng)度和硬度增高，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。在生產(chǎn)中可利用加工硬化來提高材料的強(qiáng)度，從而改善其力學(xué)性能。但加工硬化會給冷拔帶來困難，為能進(jìn)一步進(jìn)行冷拔變形，需要進(jìn)行中間退火。另外，冷拔后材料的物理與物理化學(xué)性質(zhì)如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性、密度、耐腐蝕性都會發(fā)生改變。3.圓棒拉拔時(shí)應(yīng)力與變形狀態(tài)在拉拔時(shí)，變形區(qū)金屬所受的外力有拉拔力P，模壁給予金屬的正拉力N和摩擦力T，如圖10.43所示。金屬在拉拔力、正壓力和摩擦力的作用下，變形區(qū)的金屬處于兩向壓和一向拉的應(yīng)力狀態(tài)。由于被拉金屬是實(shí)心圓棒，應(yīng)力呈軸對稱應(yīng)力狀態(tài)，即σr=σθ。變形區(qū)中金屬的變形狀態(tài)為兩向壓縮和一向延伸。

圖10.43圓棒拉拔時(shí)應(yīng)力與變形狀態(tài)通過分析坐標(biāo)網(wǎng)格在拉拔前后的變化，可得出以下規(guī)律（如圖10.44）：(1)縱向上的網(wǎng)格變化。在軸線上，拉拔前形狀為正方形網(wǎng)格A經(jīng)拉拔后變成矩形，內(nèi)切圓變成正橢圓，其長軸和拉拔方向一致。因此，金屬在軸線上的變形是沿軸向延伸，在徑向和周向上被壓縮。在周邊上的網(wǎng)格除了受到軸向拉長，徑向和周向上被壓縮之外，還發(fā)生了剪切變形。圖10.44圓棒拉拔時(shí)斷面坐標(biāo)網(wǎng)格的變化(2)橫向上的網(wǎng)格變化。拉拔前為直線的橫線進(jìn)入變形區(qū)后開始變成拉拔方向凸出的弧形線，且其曲率由入口端到出口端逐漸增大，到出口端后不再變化。說明在拉拔過程中周邊層的金屬流動速度小于中間層。隨著模角和摩擦系數(shù)的增大，這種不均勻性更加明顯。拉拔后中心線上延伸變形最小，表面延伸變形最大，其他部分的延伸變形介于兩者之間；而拉拔后中心線上的壓縮變形最小，表面的壓縮變形最大，其他部分的壓縮變形介于兩者之間。4.管材拉拔時(shí)的應(yīng)力與變形1)空拉時(shí)的應(yīng)力分布和變形特點(diǎn)空拉時(shí)，主應(yīng)力圖仍為兩向壓、一向拉的應(yīng)力狀態(tài);而主變形圖則根據(jù)壁厚增加或減小，可以是:軸向延伸、周向壓縮、徑向（厚向）延伸或壓縮的變形狀態(tài)（如圖10.45所示）。圖10.45空拉管材時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變影響空拉時(shí)壁厚變化的因素比較復(fù)雜，主要有以下幾點(diǎn)：(1)管坯幾何尺寸的影響。近年來的研究表明，影響空拉壁厚變化的因素應(yīng)是管坯的徑厚比及相對拉拔應(yīng)力，考慮兩者的綜合影響所得到的臨界系數(shù)（徑厚比）Do/So=3.6~7.6。一般情況下，當(dāng)Do/So≥7.6時(shí)，只出現(xiàn)增壁(越薄時(shí))；當(dāng)Do/SO≤3.6時(shí)只出現(xiàn)減壁(越厚時(shí))；Do/So=3.6~7.6時(shí)，壁厚基本不變。(2)材質(zhì)與狀態(tài)的影響。材質(zhì)與材料的狀態(tài)決定變形抗力、坯料與工具間的摩擦系數(shù)以及金屬變形時(shí)的硬化速率。研究表明，金屬硬度越高，增壁趨勢越弱。(3)道次加工率與加工道次的影響。道次加工率增大時(shí)，相對拉應(yīng)力值增加，這使增壁幅度減小，減壁空拉過程的減壁幅度增大。當(dāng)ε>40%時(shí)，盡管Do/So≥7.6，也有可能出現(xiàn)減壁現(xiàn)象，這是由于相對拉拔應(yīng)力增大之故。(4)潤滑條件、模子幾何參數(shù)及拉拔速度的影響。潤滑條件的惡化，模角不在合理范圍內(nèi)，定徑帶長度以及拉速增大均會使相對拉拔力增加，從而導(dǎo)致增壁空拉過程的增壁量減小，而使減壁過程的減壁幅度加大。與擠壓、軋制工藝不同，空拉具有糾正管材偏心的作用，其原因在于周向應(yīng)力的分布不同，壁厚處的周向應(yīng)力小于壁薄處的周向應(yīng)力。因周向應(yīng)力是引起壁厚增加的應(yīng)力，周向應(yīng)力越大，壁厚增加得越大，所以壁薄部分在周向應(yīng)力的作用下逐漸增厚，使整個(gè)斷面上的管壁厚趨于一致。有芯頭拉拔時(shí)糾正管材偏心的效果沒有空拉時(shí)顯著，這是由于此時(shí)徑向壓應(yīng)力增大，從而妨礙了管材壁厚的調(diào)整。2)襯拉時(shí)的應(yīng)力分布和變形特點(diǎn)(1)固定短芯頭拉拔的情況（如圖10.46）。在使用固定芯頭拉拔時(shí)，由于管子內(nèi)部的芯頭不動，接觸摩擦面積比拉拔棒材和空拉時(shí)大，因而道次加工率較小。圖中:Ⅰ區(qū)為空拉區(qū)Ⅱ區(qū)為減壁段Ⅲ區(qū)為定徑段。圖10.46固定短芯頭拉拔時(shí)的應(yīng)力分布和變形特點(diǎn)

(2)長芯桿拉拔的情況（如圖10.47）。長芯桿拉拔管材時(shí)管子的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)與固定短芯頭拉拔時(shí)的基本相同，變形區(qū)由空拉段、減壁段和定徑段組成。長芯桿拉拔的特點(diǎn)是：在管材拉拔時(shí)芯桿有向前滑動的趨勢，因此芯桿作用于管內(nèi)表面的摩擦力方向與拉拔方向一致，從而有助于減小拉拔力。與固定短芯頭拉拔相比，拉拔力一般可減小15%~20%，因此長芯桿拉拔可以采用較大的延伸系數(shù)，最大延伸系數(shù)可達(dá)2.95。

圖10.47長芯桿拉拔時(shí)的應(yīng)力分布和變形特點(diǎn)(3)游動芯頭拉拔的情況（如圖10.48）。在用游動芯頭拉伸時(shí)，芯頭后端不固定，靠自身的幾何形狀與管子接觸面之間力的平衡使其穩(wěn)定在變形區(qū)中。游動芯頭一般由三部分組成：小圓柱部分，其直徑等于拉拔后管子的內(nèi)徑；圓錐部分，其錐角略小于模角；大圓柱部分，其直徑略小于管坯的內(nèi)徑。為實(shí)現(xiàn)正常拉拔，游動芯頭的錐角必須大于芯頭與管坯間的摩擦角，而小于?？妆诘膬A角。

圖10.48游動芯頭拉拔時(shí)變形區(qū)的受力3)擴(kuò)徑拉拔時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變擴(kuò)徑拉拔是一種用小直徑管坯拉拔成大直徑管材的拉拔方法。擴(kuò)徑拉拔有兩種類型，壓入擴(kuò)徑和拉伸擴(kuò)徑，如圖10.49所示壓入擴(kuò)徑法適合用于大而短的管坯。壓入擴(kuò)徑法的管坯長度和直徑之比一般不大于10。壓入擴(kuò)徑時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)為縱向、徑向兩向壓應(yīng)力，切向（周向）拉應(yīng)力；變形狀態(tài)為兩向壓縮變形和一向延伸變形，即擴(kuò)徑時(shí)管坯的長度縮短，壁厚變薄，直徑增大。拉拔擴(kuò)徑法適合用于小斷面的薄壁長管生產(chǎn)。拉拔擴(kuò)徑的應(yīng)力狀態(tài)與壓入擴(kuò)徑的不同在于軸向應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，變形狀態(tài)與壓入擴(kuò)徑相同，但壁厚減薄量一般比壓入擴(kuò)徑時(shí)要大。圖10.49擴(kuò)徑拉拔時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變5.拉拔制品中的殘余應(yīng)力在拉拔過程中，由于存在不均勻變形而形成附加應(yīng)力，在拉拔后部分附加應(yīng)力殘余留在制品中，形成殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力對制品的力學(xué)性能有不利的影響，還會造成尺寸形狀的不穩(wěn)定。減少或消除殘余應(yīng)力的方法主要有以下幾種：(1)減少不均勻變形。由于殘余應(yīng)力是由不均勻變形造成的，所以減少拉拔過程中的不均勻變形是最根本的措施。在拉拔管材時(shí)，應(yīng)盡量采用襯拉，減少空拉量。(2)矯直加工。常采用輥式矯直來去除拉拔制品的殘余應(yīng)力。用張力矯直也可以減小拉拔制品的殘余應(yīng)力。(3)低溫退火。在生產(chǎn)中，常采用大大低于金屬的再結(jié)晶溫度的低溫退火來消除或減少拉拔制品中的殘余應(yīng)力，這種退火也稱為去應(yīng)力退火。1)拉拔實(shí)心材的主要缺陷拉拔實(shí)心材的主要缺陷有中心裂紋、表面裂紋、起皮、起刺、麻坑、內(nèi)外層力學(xué)性能不均等，生產(chǎn)中比較常見的中心裂紋和表面裂紋的起因與防治措施如下：(1)中心裂紋。一般來說，無論時(shí)鍛造坯料還是擠壓、軋制的坯料，內(nèi)層的強(qiáng)度都低于外層。而拉拔時(shí)的應(yīng)力分布規(guī)律是，在塑性變形區(qū)內(nèi)中心層的軸向主拉應(yīng)力大于周邊層，因此在拉拔過程中常常是中心的拉應(yīng)力首先超過強(qiáng)度極限，從而在中心出現(xiàn)裂紋。為了防止中心裂紋的產(chǎn)生，可采取以下措施：①提高錠坯的質(zhì)量，減少中心雜質(zhì)和氣孔，并使坯料內(nèi)外層的力學(xué)性能盡量均勻；②對坯料進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，?xì)化晶粒；③在拉拔過程中進(jìn)行中間退火；④選擇合理的拉拔道次和道次加工率。(2)表面裂紋。在拉拔棒材、線材時(shí)，有時(shí)會在表面出現(xiàn)三角口的裂紋。表面裂紋是由拉拔過程中產(chǎn)生的不均勻變形所造成的。在定徑區(qū)由于摩擦的作用，中心的金屬流動快，受壓附應(yīng)力，周邊層的金屬流動慢，受拉附應(yīng)力，因此周邊層所受的實(shí)際工作應(yīng)力（拉應(yīng)力）比中心層大很多。當(dāng)此拉應(yīng)力大于金屬的斷裂極限時(shí)，就會產(chǎn)生表面裂紋。變形越不均勻，產(chǎn)生裂紋的傾向越嚴(yán)重。2)拉拔管材制品的主要缺陷拉拔管材制品的主要缺陷有表面劃傷、裂紋、異物壓入、偏心和皺折等，以偏心和皺折最為常見。(1)偏心。實(shí)際生產(chǎn)中拉拔管坯的壁厚往往是不均勻的，雖然空拉方法對壁厚不均的管坯進(jìn)行拉拔時(shí)能起到糾正偏心的作用，但有些管坯偏心過于嚴(yán)重，則難以完全得到糾正，從而使制品拉拔后仍存在偏心。(2)皺折。當(dāng)管坯存在偏心，且D0/S0值較大，如采用過大的道次加工率、退火不均勻時(shí)，管材在拉拔過程中因失穩(wěn)出現(xiàn)凹陷或皺折。10.5.2拉拔力及其影響因素為實(shí)現(xiàn)拉拔過程，作用在模出口加工材料上的外力稱為拉拔力。拉拔力與拉拔后材料的斷面積之比稱為拉拔應(yīng)力。對拉拔力影響的主要因素有以下幾點(diǎn)：(1)被加工金屬的性質(zhì)對拉拔力的影響。拉拔力與被拉拔金屬的抗拉強(qiáng)度成線性關(guān)系，抗拉強(qiáng)度愈高，拉拔力愈大。(2)變形程度對拉拔力的影響。拉拔應(yīng)力與變形程度呈正比關(guān)系，隨著斷面減縮率的增加，拉拔應(yīng)力增大。(3)模角對拉拔力的影響。隨著模角α增大，拉拔應(yīng)力發(fā)生變化，并且存在一個(gè)最小值，其相應(yīng)的模角稱為最佳模角。隨著變形程度增加，最佳模角α值逐漸增大。(4)拉拔速度對拉拔力的影響。由5m·min-1以下低速拉拔時(shí)，拉拔應(yīng)力隨拉拔速度的增加而有所增加。當(dāng)拉拔速度增加到6~50m·min-1時(shí)，拉拔速度增加，拉拔應(yīng)力下降；繼續(xù)增加拉拔速度而拉拔力變化不大。(5)摩擦與潤滑對拉拔力的影響。在拉拔過程中，潤滑劑的性質(zhì)、潤滑方式、模具材料、模具和被拉拔材料的表面狀態(tài)對摩擦力的大小皆有影響，從而對拉拔力的大小產(chǎn)生影響。在其他條件相同的情況下，使用鉆石模的拉拔力最小，硬質(zhì)合金模次之，鋼模最大。這是因?yàn)槟＞卟牧显接玻瑨伖獾迷搅己?，金屬越不容易粘結(jié)工具，摩擦力就越小。(6)反拉力對拉拔力的影響。一般隨著反拉力的增加，模子所受到的壓力近似直線下降，拉拔力逐漸增加。但是，在反拉力達(dá)到臨界反拉力Qc值之前，對拉拔力并無明顯影響。因此將反拉應(yīng)力值控制在臨界反拉應(yīng)力值范圍以內(nèi)，可以在不增大拉拔應(yīng)力和不減小道次加工率的情況下減小模子入口處金屬對模壁的壓力磨損，從而延長了模子的使用壽命。(7)振動對拉拔力的影響。在拉拔時(shí)對拉拔工具（模具或芯頭）施以振動可以顯著地降低拉拔力，繼而提高道次加工率。拉拔力的理論計(jì)算方法較多，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，由平均主應(yīng)力法得到的棒線材、管材等拉拔應(yīng)力計(jì)算公式請參考有關(guān)設(shè)計(jì)手冊。

10.5.3拉拔工藝1.拉拔配模分類與原則為了使拉拔制品獲得合格的尺寸、形狀、力學(xué)性能及表面質(zhì)量，一般要對拉拔坯料進(jìn)行幾次拉拔。拉拔配模即根據(jù)制品的要求（有時(shí)還要考慮坯料）來確定拉拔道次和各道次?？椎某叽缧螤罴爸虚g退火次數(shù)。拉拔配模分以下兩類：(1)單模拉拔配模。在拉拔機(jī)上，坯料每次只能通過一個(gè)模子，在配模時(shí)確定每道次拉拔所需的拉模尺寸和形狀稱為單模拉拔配模。(2)多模連續(xù)拉拔配模。在一臺拉拔機(jī)上，坯料每次連續(xù)通過分布在牽引絞盤之間的數(shù)個(gè)或幾十個(gè)模子，確定所需要拉模尺寸和形狀，稱之為多模拉拔配模。在多模拉拔配模時(shí)，應(yīng)考慮各?？酌塍w積流量及絞盤與坯料滑動特性的要求。拉拔配模的原則主要有以下幾點(diǎn)：①應(yīng)能充分發(fā)揮金屬的塑性，提高生產(chǎn)率，降低能耗，在保證拉拔過程穩(wěn)定的前提下，盡可能增大每道次的延伸系數(shù)；②減少不均勻變形，使拉拔制品獲得最佳的表面質(zhì)量、精確的尺寸和性能；③要與現(xiàn)有的設(shè)備參數(shù)（模數(shù)、速度）和設(shè)備能力（拉拔力、控制范圍）等相適應(yīng)。2.道次數(shù)和中間退火次數(shù)的確定1)拉拔道次及道次延伸系數(shù)的分配拉拔道次及道次延伸系數(shù)的分配可根據(jù)總延伸系數(shù)λ∑和道次平均系數(shù)確定拉拔道次n，即：(10-6)

紫銅合金的平均道次延伸系數(shù)為1.15~1.40，黃銅合金的平均道次延伸系數(shù)為1.10~1.20。

2)中間退火次數(shù)的確定在拉拔過程中，金屬或合金會產(chǎn)生加工硬化，塑性降低，會出現(xiàn)斷頭及拉斷現(xiàn)象，此時(shí)需要進(jìn)行中間退火以使材料的塑性得到恢復(fù)。中間退火次數(shù)可由下式確定：

N=(lnλ∑/ln)(10-7)式中，N—中間退火次數(shù)；

λ∑—由坯料至成品的總延伸系數(shù)；—兩次退火間的平均總延伸系數(shù)，表10-6列出了常見金屬拉拔的的經(jīng)驗(yàn)值。表10-6常見金屬拉拔的的經(jīng)驗(yàn)值鋁合金管材兩次退火間平均總壁厚減縮系數(shù)銅合金棒材兩次退火間平均總延伸系數(shù)L1~L6,LF21,LD2LY11LY12LY2LY31.42~1.501.33~1.541.25~1.431.25~1.541.19~1.33紫銅H62，HPb59-1H68，HSn70-1QSn7-0.2QSn6.5-0.1不限1.2~1.41.5~2.21.28~1.61.28~1.63.單模拉拔配模1)圓棒拉拔一般地說，圓棒拉拔配模有三種情況：①給定坯料與制品尺寸，要求確定道次數(shù)和計(jì)算各道次的?？壮叽纾虎诮o定制品尺寸，并對拉拔制品的力學(xué)性能提出要求；③只要求制品尺寸。對第三種情況，在保證拉拔制品表面質(zhì)量的情況下，可使坯料的尺寸盡量接近制品尺寸，以減少拉拔道次。2)型材拉拔在進(jìn)行型材拉拔配模時(shí)，應(yīng)盡可能減少拉拔時(shí)變形的不均勻性，正確確定原始坯料的形狀、尺寸和各道次的?？仔螤詈统叽?。實(shí)心型材的坯料大多采用簡單的形狀，如圓形、矩形和方形等。3)圓管拉拔(1)空拉管材。對于直徑小于6~10mm的管子，由于放芯頭較困難，常采用空拉方法拉拔管材。在確定空拉的道次變形量時(shí)，除考慮金屬出?？诘膹?qiáng)度以防拉斷外，還應(yīng)考慮管子在變形時(shí)的穩(wěn)定性問題。當(dāng)變形量過大時(shí)，管子會產(chǎn)生凹陷。為防止凹陷，一般在α=10°~15°時(shí)，空拉道次減徑量不超過壁厚的6倍，即D0-D1≤6S0。(2)固定芯頭拉管。采用固定芯頭拉拔管時(shí)，應(yīng)選取較小的延伸系數(shù)。對塑性良好的金屬如紫銅、鋁等，道次延伸系數(shù)最大可達(dá)1.7，兩次退火間的總延伸系數(shù)可達(dá)10，大直徑管材通常拉拔2~5道次后要退一次火。(3)游動芯頭拉管。游動芯頭拉拔配模時(shí)除應(yīng)滿足拉拔配模的一般原則外，還應(yīng)注意減壁量必須與減徑量相配合，否則將導(dǎo)致管內(nèi)壁在拉拔時(shí)與芯頭大圓柱接觸，破壞了力的平衡，使拉拔過程不能正常進(jìn)行。4.多模連續(xù)拉拔多模連續(xù)拉線機(jī)又稱多次拉線機(jī)，在這種拉線機(jī)上，線材要依次連續(xù)通過多個(gè)模子，每兩個(gè)模子之間有絞盤，線以一定的圈數(shù)纏繞其上，以建立起拉拔力。根據(jù)拉拔時(shí)線與絞盤間的速度關(guān)系，可分為滑動式多模連續(xù)拉拔和無滑動多模連續(xù)拉拔兩種情況。1)滑動式多模連續(xù)拉拔滑動式多模連續(xù)拉線機(jī)的特點(diǎn)是除最后的收線盤外，線與絞盤圓周的線速度不相等，存在著滑動?；瑒邮蕉嗄＿B續(xù)拉拔過程如圖10.50所示，由放線盤放出的線首先穿過第一個(gè)模子，然后在模子后的絞盤上繞2~4圈，再進(jìn)入第二個(gè)模子，依此類推，最后線材通過成品模到收線盤上。用于粗拉的拉線機(jī)的模子數(shù)一般為5、7、11、13和15個(gè)，用于中拉和細(xì)拉的模子數(shù)一般為9~21個(gè)。圖10.50滑動式多模連續(xù)拉拔過程示意圖1—放線盤；2—模子；3—收線盤；4—絞盤2)儲線式拉拔儲線式拉拔常用的拉線機(jī)有滑輪式拉線機(jī)和雙卷筒拉線機(jī)，雙卷筒拉線機(jī)是滑輪式拉線機(jī)的改進(jìn)機(jī)型。圖10.51是滑輪式拉線機(jī)工作示意，在拉拔過程中，依靠在中間絞盤上積蓄一定的線圈數(shù)，通過線圈數(shù)在一定的范圍內(nèi)的增多或減少使連續(xù)拉拔得以進(jìn)行。圖10.51儲線式無滑動連續(xù)拉拔過程1—中間絞盤；2—收線絞盤；3—拉線模；4—滑動圓盤；5、6、7—導(dǎo)輪3)非儲線式無滑動拉線非儲線式無滑動拉線機(jī)主要有活套式拉線機(jī)和直進(jìn)式拉絲機(jī)兩種。(1)活套式拉絲機(jī)?；钐资嚼z機(jī)的基本原理見圖10.52，在相鄰兩卷筒中間設(shè)置一個(gè)活套臂，活套臂在金屬秒體積流量出現(xiàn)不平衡時(shí)，可以收入或放出少量金屬線，起緩沖作用。圖10.52活套式拉絲機(jī)1—汽缸；2—活套臂；3—活套輪

(2)直進(jìn)式拉絲機(jī)。直進(jìn)式拉絲機(jī)卷筒之間金屬絲不經(jīng)任何導(dǎo)輪而走直線，大大簡化了金屬絲的走線，因而也叫直線式拉絲機(jī)。5.拉拔潤滑拉拔潤滑劑包括在拉拔時(shí)直接使用的潤滑劑，也包括為了形成潤滑膜在拉拔前在金屬表面形成的潤滑涂層和鍍層。主要根據(jù)拉拔方式、拉拔材料、拉拔規(guī)格以及產(chǎn)品用途來選擇潤滑劑。鋼的棒線材的拉拔潤滑方法一般有化學(xué)涂層法、樹脂膜法以及油潤滑法，各種潤滑方法的特點(diǎn)如表10-7所示。管材拉拔潤滑與棒線材基本相同