东北大学材料成型工艺学第二篇(一)
更新时间:2023-08-14 00:02:01 阅读量: IT计算机 文档下载
材料成型工艺学(下)主 讲
李宝绵EPM重点实验室
东北大学
第一篇 挤压
一、概述1 简介压力加工:借助外力使金属产生塑性变形进而形成各 种尺寸、形状和用途的零件和半成品。(不同于机加工) 工业中广泛使用的零件一般通过下列方法获得: 铸造,如轧机牌坊; 铸造后机加工,如轧辊; 铸造后压力加工,如钢轨; 铸造后压力加工再机加工,如螺栓等。 重要用途的零件一般均需通过压力加工。
压力加工的主要方法有: 轧制;挤压与拉拔;锻造与冲压
主要产品有:
板、带、条、箔;轧制管、棒、型、线;挤压与拉拔 各种零件如车轴、饭盒、洗衣机筒等;锻造与冲压
1)挤压与拉拔产品简介A 管材 按截面形状分:圆管、型管如方、六角形管等;
按合金种类分:铝管、铜管、钢管等;按生产方法分:挤制管、拉制管、焊管、铸管、无缝 管等; 按用途分:空调管、压力表管、波导管、锅炉管、输 油管、冷凝管、天线管等; 按性能分:M(退火态)、R(热态)、Y(硬态)、 Y2(半硬态)、C(淬火态)、CZ(淬火自然时效态)、 CS(淬火人工时效态)等; 此外:盘管、蚊香管等。
B 棒、线材 棒材:D>6mm;分类与管材类似;大多是半成品, 进一步加工成各种零件,如弹簧,螺栓、螺母等; 线材: D<6mm;多以盘状供货,广泛应用于仪器仪 表、电子电力部门,如电线电缆等。 C 型材 非圆截面材,又称经济断面材(可提高材料的利用 率);铝、钢型材较多;
许多型材只能用压力加工法生产,如钢轨、变断面型 材等。
2)产品的生产方法产品的生产一般可分两步; 坯料制取(开坯):充分利用金属在高温时的塑性对 其进行大变形量加工,如热挤、热轧、热锻 制品的获得:进行目的在于控制形状、尺寸精度、提 高综合性能的各种冷加工,如冷轧、拉拔、冲压
目前研究:近终形成形技术、短流程生产技术A 管材 挤压
无缝管管 材 有 缝 管 轧 制 带
斜轧穿孔铸造 弯形 焊接
拉拔 轧管 拉拔
成 品
挤压:生产灵活、产品质量好,适用于品种、规格多、 产量小(有色金属)的场合,但成本高、成品率低;斜轧穿孔:生产率、成品率高;成本低;但制品形状 尺寸精度差;尺寸规格受限制;多用于产量大的钢坯生 产,有色金属厂基本没有; 铸造:产品的尺寸规格少、质量差、性能低;主要用 于生产大尺寸、性能要求不高的产品,如下水管; 轧管:道次变形量大,几何损失少,适于难变形合金, 能缩短工艺流程,也是提供长管坯的主要方法(使盘管 生产得以实现),但形状、尺寸精度差; 拉拔:是获得精确尺寸、优
质表面和性能的主要方法; 焊管:效率高、成本低,但性能、质量差。
先进工艺:挤压
轧管
(圆盘)拉拔
联合拉拔
B 棒、型、线材棒、型、线 挤压 连铸连轧 拉拔 成品
型轧挤压:适用于多品种、多规格、复杂断面; 连铸连轧:生产率、成品率高、能耗低(利用余热直 接轧制);但品种、规格单一; 型轧:适于单一品种、大批量产品的生产。 发展方向: 中小棒材:挤压(轧制)圆盘坯料后联合拉拔出成品; 线材:多模、高速方向发展。
2 基本概念挤压:对放在容器(挤压筒)内的坯料一端施以压力,使 之从特定的空隙(模孔)中流出而成型的塑性加工方法。
穿孔针 模
模座锁 键
欲完成挤压需有: 1)产生动力的装臵: 挤压机 2)传递动力、容纳 坯料、控制制品尺寸 和形状的工具: 轴、筒、模、穿孔针、 垫片、模座、锁键
P
))
轴 筒
垫片 坯料
制品
过程:清理筒、装模、落锁键、送锭、放垫片、挤压、 抬锁键、切压余、冷却(润滑)工具、重复下一次。
3 基本方法根据变形温度分:热挤压、冷挤压和温挤压; 根据变形特征分:正(向)挤压、反(向)挤压、连续 挤压等。 方法有很多,但最基本的方法有以下两种: 1)正向挤压 制品流出的方向与挤压杆的运动方向相同。 特点: 1)存在较大的外摩擦(高温、 高压),导致能耗大、变形 不均匀(组织性能不均),制 品表面质量好; 2)操作方便、适用范围广, 是目前最广泛应用的方法。
2)反向挤压 制品流出的方向与挤压杆的运动方向相反。固定
))
))
空 心 锭
))
特点:1)变形局限在模孔附近,大部分坯料与挤压筒间 没有相对运动,因此外摩擦小,能耗低、变形均匀 (组织性能均匀); 2)操作不方便、制品的尺寸范围小; 3)制品表面质量差。
此外还有:卧式挤压、立式挤压等。注: 1)冷、热变形应以合金的再结晶温度界定,如Sn、 Pb在室温变形也无硬化,属热变形; 2)冷、热挤压是挤压的两大分支,冶金工业中主 要应用热挤压,常称挤压;机械工业主要应用冷挤压。
4 基本特点1)优点 A 可最大限度提高材料的变形能力,因此
可加工脆性材料;一次可进行大变形B 可提高材料的焊合性,因此 可生产复合材料;粉末挤压;舌模挤压 C 材料与工具的密合性高,因此 可生产复杂断面制品;选择坯料自由度大 D 生产灵活(只需更换筒、模即可生产不同 的制品),制品性能高。
2)缺点A 工具消耗大,产品成本高
工作条件:高温、高压、高摩擦,工具消耗大,原 料成本高,占制品成本35%以上 B 生产率低 挤压速度低、辅助工序
多 C 成品率低
固有的几何损失多(压余、实心头、切头尾),不 能通过增大锭重来减少 D 制品组织性能不均匀。
二、挤压时金属流动的规律
挤压时金属的流动规律,即筒内各部分金属体积的 相互转移规律对制品的组织、性能、表面质量以及工 具设计有重要影响。因此研究挤压时金属的流动规律 以及影响因素,可改善挤压过程、提高制品的性能和 质量。 挤压时金属的流动规律十分复杂,且随挤压方法以 及工艺条件的变化而变化,现以生产中广泛使用的简 单挤压(单孔模正挤圆棒)过程为例进行分析。
1、简单挤压时金属流动的规律按流动特性和挤压力的变化规律,可将挤压过程分为: 填充挤压阶段:金属在挤压杆(力)的作用下首先充满 挤压筒和模孔(金属主要径向流动),挤压力急剧升高; 基本挤压阶段:又称层 挤 流挤压阶段,金属不发生 终了阶段 压 紊乱流动,即锭外(内) 力 层金属出模后仍在外(内) 层,挤压力稳中有降;Ⅰ Ⅱ Ⅲ 挤压杆行程 基本阶段
填充阶段
终了挤压阶段:又称紊 流挤压阶段,金属发生紊 乱流动,即外层进入内层, 挤压力上升。
1)填充挤压阶段
P
A 必要性
挤压时,为便于将锭坯 放入筒中,常使锭坯的外 径小于筒内径1-15mm, 因此在挤压力的作用下, 锭坯首先径向流动充满挤 压筒,同时有少量金属流 入模孔。杆、垫片、锭坯 开始接触到锭坯充满挤压 筒的阶段称为填充挤压阶 段。
a 操作要求; b 实心锭挤管, 否则穿孔针弯曲导 致管材偏心 ; c 制品要求横向性能, 如航空用型材必 须有一定的镦粗变形(25-30%)
B 应力分析Ⅰ
P T T
Ⅰ Ⅱ
作用于坯料上的外力: 挤压 力: P ; 模端面反力: N ; 摩擦力: T应力状态类似于自由体镦粗, 为三向压应力,即 L、 r 、 ,且可看成是主应力,但由 于模孔的存在,导致 L 分布不 均匀,体现在: 径向上:中心小,两边大,差 异由前向后逐渐减小。
Ⅱ Ⅲ
T
T
Ⅲ
NⅠ
N
Ⅱ
轴向上:对着模孔部分:由前向后增大
Ⅲ
对着模壁部分:由前向后减小
C 变形(应变)分析应变状态:一向压缩(轴向)、二向延伸(径向、周向)Ⅱ 断面首先充满挤压筒;继续加 变形过程:开始出鼓形, Ⅰ 断面充满挤压筒;最后, Ⅲ 断面充满挤 力,
压筒。PⅠ
P
P
ⅡⅢ
D 坯料端面变形分析 填充挤压时,部分金 属会流入模孔,但此部 分金属并不是发生塑性 变形后流入模孔的,而 是被剪出的,其组织是 铸态组织,必须切下 (棒材头)。
N
P
LN
原因:轴向应力 L 在径向上的分布是不均匀的,且 在模孔周围最大,这种应力
突变会产生很大的切应力, 当此切应力达到材料的剪切极限时,对着模孔部分的金 属便沿模孔被剪出。
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