擠壓分類及基本原理

1、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,

2、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)始終處于凹模孔,口附近，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)

3、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

4、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)d,1,d,1,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)d,1,d,1,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,

5、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)d,1,d,1,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

6、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，

7、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,100,0,1,0,A,A,A,A,A,A,G,1,0,A,A,1,0,ln,G,A,1,1,G,ln,A,1,1,ln,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)

8、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

9、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,450M

10、Pa,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

11、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。基本應(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,

12、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

13、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

14、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

15、,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

16、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

17、；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,2-14a,b,所示,第二章,擠壓分類及基本原理,圖,2-14,擠壓裂紋,a,正擠壓表面裂紋,b,反擠壓表面裂紋,c,減徑擠壓內(nèi)部裂紋,d,復(fù)合擠壓內(nèi)部裂紋,第二章,擠壓分類及基本原理,圖,2-14,擠壓裂紋,a,正擠壓表面裂紋,b,反擠壓表面裂紋,c,減徑擠壓內(nèi)部裂紋,d,復(fù)合

18、擠壓內(nèi)部裂紋,減徑擠壓時(shí)，由于斷面收縮率較小，此時(shí)中心層金屬的流動(dòng),反而慢于表層金屬，中心層產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，會(huì)產(chǎn)生圖,2-14c,所,示的裂紋,桿,桿復(fù)合擠壓時(shí)，如果中間部分的厚度小于桿徑，則會(huì)產(chǎn),生圖,2-14d,所示的內(nèi)部裂紋，也可視這種裂紋為縮孔,第五節(jié),擠壓對(duì)金屬組織和力學(xué)性能的影響,一、對(duì)金屬組織的影響,擠壓時(shí)，在強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力作用下金屬晶粒被破,碎，原來(lái)較大的晶粒擠壓后變成為等軸細(xì)晶粒組織，因,而提高了強(qiáng)度,第二章,擠壓分類及基本原理,二、對(duì)力學(xué)性能的影響,由于冷擠壓會(huì)使金屬材料產(chǎn)生加工硬化，因此,冷擠壓件的強(qiáng)度指標(biāo)隨擠壓變形程度的增加而增加,塑性指標(biāo)隨擠壓變形程度的增加而略有下降,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-