醫(yī)用鎂合金微管的拉拔工藝研究及拉拔模具的設(shè)計畢業(yè)論文

1、單位代碼 02 學(xué)號 1101180016 分 類 號 TH6 密 級 畢業(yè)論文醫(yī)用鎂合金微管的拉拔工藝研究及拉拔模具的設(shè)計 院（系）名稱工學(xué)院機(jī)械系 專業(yè)名稱材料成型及控制工程 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師2015年5月15日醫(yī)用鎂合金微管的拉拔工藝研究及拉拔模具的設(shè)計摘 要根據(jù)成形工藝的不同，可以將鎂合金材料大致分為變形及鑄造鎂合金兩大類。鑄造主要通過鑄造加工滿足鎂合金產(chǎn)品。鎂合金微管在合金結(jié)構(gòu)中的地位很重要，因為它的作用很廣泛，比如可替代鋁合金和其他金屬薄壁件，從而達(dá)到節(jié)省資源和降低重量的目的。目前己涉及的領(lǐng)域有摩托車工業(yè)、家用電器、紡織印刷、通訊、電子、航空、航天、汽車、包裝、軍工以及醫(yī)學(xué)介入治

2、療等行業(yè)。目前，針對醫(yī)用鎂合金微管的應(yīng)用研究基本上集中于心血管支架。 本文以生物可降解鎂合金血管支架用薄壁微管加工為背景，根據(jù)鎂合金優(yōu)良的材料力學(xué)性能和加工性能，對其進(jìn)行了拉拔成形工藝研究和拉拔模具設(shè)計。關(guān)鍵詞：鎂合金，微管，生物可降解，生物相容性，拉拔 Research on Drawing Process and Drawing Die Design of Medical Magnesium Alloy Capillary (Tube) eAbstractAccording to different forming process, the magnesium alloy material

3、 is mainly divided into two categories: casting magnesium alloy and magnesium alloy. The former mainly through the casting for magnesium alloy products. Include sand casting, permanent mold casting, investment casting, lost foam casting, die casting, etc. The die casting is the most mature and most

4、widely used technology. Magnesium alloy microtubule is a kind of important magnesium alloy structural parts.It can be used as an alternative to aluminum alloy and other metal thin pieces , and to achieve weight loss, energy saving effect. At present, It has been widely used in communications, electr

5、onics, aviation, aerospace, automotive, motorcycle industry, household electricalappliances, textile printing, packaging, military and medical intervention treatment industry.To date, Medical magnesium alloy capillarys research focused on cardiovascular stents. It was based on the mini tube manufact

6、uring process for biodegradable magnesium coronary stents. The magnesium alloy material with excellent mechanical properties and processing performance, has carried on the study on the forming process anddrawing die design.Key words: Magnesium Alloy, Microtubule, Biodegradable , Biocompatibility, Dr

7、awing 目 錄 HYPERLINK l _Toc31792 1緒論1 HYPERLINK l _Toc22049 引言1 HYPERLINK l _Toc29442 生物支架用微管材料1 HYPERLINK l _Toc25806 生物支架用鎂合金微管2 HYPERLINK l _Toc25806 1.4 本課題研究的目的和意義3 HYPERLINK l _Toc25806 1.5 論文主要工作3 HYPERLINK l _Toc11382 2鎂及鎂合金4 HYPERLINK l _Toc24293 純鎂及鎂合金的特性4 HYPERLINK l _Toc17639 鎂合金的分類4 HYPE

8、RLINK l _Toc27496 3鎂合金成形工藝6 HYPERLINK l _Toc3733 鑄造鎂合金的成形工藝6 HYPERLINK l _Toc19122 鎂合金的塑性變形機(jī)制6 HYPERLINK l _Toc4225 3. 鎂合金塑性變化的滑移原理6 HYPERLINK l _Toc28443 3.2.2 鎂合金塑性變化的孿生原理7 HYPERLINK l _Toc32494 3.3 變形鎂合金的塑性加工技術(shù)7 HYPERLINK l _Toc14974 3.3.1擠壓7 HYPERLINK l _Toc15591 3.3.2鍛造7 HYPERLINK l _Toc15591 3

9、.3.3超塑性成形8 HYPERLINK l _Toc15591 3.3.4 軋制8 HYPERLINK l _Toc15591 3.3.5 拉拔變形8 HYPERLINK l _Toc21904 4拉拔工藝的研究現(xiàn)狀9 HYPERLINK l _Toc18072 4.1 拉拔工藝的特點9 HYPERLINK l _Toc20062 9 HYPERLINK l _Toc20062 9 HYPERLINK l _Toc22049 4.3.1拉拔時的變形指數(shù)9 HYPERLINK l _Toc22049 4.3.2實現(xiàn)拉拔過程的基本條件10 HYPERLINK l _Toc22049 4.3.3管

10、材襯拉時的應(yīng)力與變形10 HYPERLINK l _Toc22049 4.3.4殘余應(yīng)力的消除11 HYPERLINK l _Toc22049 4.4 拉拔工藝的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀11 HYPERLINK l _Toc27870 4.5 鎂合金拉拔工藝的研究現(xiàn)狀12 HYPERLINK l _Toc27870 5拉拔模具計算與設(shè)計13 HYPERLINK l _Toc9662 5.1 拉拔工藝方案確定13 HYPERLINK l _Toc9662 5.選擇管材坯料13 HYPERLINK l _Toc9662 5.1.2 確定拉拔道次和各道次延伸系數(shù)13 HYPERLINK l _Toc9662

11、5.1.3 確定各道次截面尺寸14 HYPERLINK l _Toc21383 5.1.4 計算拉拔力15 HYPERLINK l _Toc21383 5.1.5 選擇拉拔機(jī)17 HYPERLINK l _Toc21383 5.1.6 確定中間工序18 HYPERLINK l _Toc21383 5.2 拉拔模具設(shè)計18 HYPERLINK l _Toc21383 5.2.1 拉模材料選擇18 HYPERLINK l _Toc21383 5.2.2 模子結(jié)構(gòu)與尺寸19 HYPERLINK l _Toc21383 5.2.3 長芯桿的結(jié)構(gòu)與尺寸22 HYPERLINK l _Toc21383 5

12、.3潤滑23 HYPERLINK l _Toc10333 結(jié)論24 HYPERLINK l _Toc9526 致謝25 HYPERLINK l _Toc30673 參考文獻(xiàn)261 緒 論 很長時間以來，冠心病都是我國病人的頭號殺手，生命保住了，很有可能留下殘疾。社會還需要投入大量的精力來維系這部分患者的生命，同時給家人帶來了較沉重的壓力。藥物控制種類較多，但始終對治療動脈粥樣硬化和冠心病的作用有限，治療效果不甚理想，對患者的精神狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)壓力造成了一系列問題。引言從1988年以來，隨著醫(yī)療科技的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，很多人不用簡單的經(jīng)皮血管成形技術(shù)而采取其支架技術(shù)，它的含義是在做經(jīng)皮手術(shù)過程中，將鎂

13、合金微管支架(或稱血管搭橋)植入人體內(nèi)用來克服單一的經(jīng)皮血管成形術(shù)所產(chǎn)生的難題。血管支架剛開始僅僅用在經(jīng)皮手術(shù)中，由于其效果不是太理想，有時候會造成損害血管的問題，在后期的實踐中，血管支架也用來治愈在旁路搭橋中的多次損傷，現(xiàn)已成為血管介入治療的常見療法。與經(jīng)皮血管技術(shù)相比，血管內(nèi)支架植入術(shù)明顯降低了血管急性閉塞和再狹窄的發(fā)病率。但對于人體這種比較復(fù)雜的生理環(huán)境而言，支架作為“外來物”必然會激發(fā)人體內(nèi)的自我排異反應(yīng)。實驗證明，裸支架植入血管內(nèi)后會導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞的增殖或遷移，從而帶來手術(shù)的失敗。對大部分患者來講，使用支架半年以后，容易引發(fā)其他的并發(fā)癥，因此，亞急性血栓形成和血管再狹窄仍就是手術(shù)后的兩

14、大主要并發(fā)癥。本文采用AZ91D鎂合金管坯，利用其優(yōu)良的生物特性和力學(xué)性能，通過拉拔成形工藝制備薄壁支架管。1.2 生物支架用微管材料目前臨床應(yīng)用的血管支架以不銹鋼和Ni-Ti合金為主要的制備材料。這些血管支架在治療的過程中存在如下問題： (1)Ni離子溶出，可能引起毒副作用； (2)血管內(nèi)膜增生，約有20%以上的發(fā)生血管再狹窄和血栓； (3)慢性炎癥、抗血小板治療時間長，需要長期服藥治療； (4)(植入支架的血管)無法適應(yīng)血管的自然生長，特別不利于年輕患者； (5)出現(xiàn)意外時無法進(jìn)行外科血管再造術(shù)(二次手術(shù))； (6)長期的內(nèi)皮機(jī)能紊亂； (7)后續(xù)的監(jiān)測困難，無法使用MRI。如今可降解高分

15、子材料已經(jīng)被證實可以在人體環(huán)境下降解，但是其力學(xué)性能太低，特別是剛度只有3 4GPa，用作支架時，會發(fā)生顯著的回彈，造成血管截面積狹小，無法達(dá)到預(yù)想的效果。因此，開發(fā)新型的高強(qiáng)度可降解支架材料就顯得異常迫切。1.3 生物支架用鎂合金微管 鎂合金微管作為航空領(lǐng)域的導(dǎo)油管，是一種節(jié)能的材料，因為它的低密度性，可以說是工業(yè)中最輕的金屬；在醫(yī)用原料方面，鎂合金血管支架具有生物降解的特性，可以說是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中最開發(fā)潛力的新型優(yōu)質(zhì)金屬材料；在國防工業(yè)方面，作為導(dǎo)彈、飛機(jī)和高級車輛等軍用設(shè)備的進(jìn)氣管；還有日常用的進(jìn)出水管等。由于鎂合金微管處于初期的發(fā)展階段，還有好多沒有發(fā)掘出來的用途，后期還會有更好更多的產(chǎn)品

16、材料被鎂合金管材取代。同時世界的工業(yè)技能和科學(xué)技術(shù)水平都會有較大的進(jìn)步，還有人們自身和社會持續(xù)發(fā)展的需要，對高性能鎂合金材質(zhì)的需求將快速增長，對其品種、規(guī)格的需求也會越來越多。干涉鎂合金耐腐蝕性的誘因主要是其里面的雜質(zhì)含量，尤其是里面所包含的不利的元素，打比方有Fe、Ni、Cu和Co的容量。這些合金里的有害元素的包含量必須控制在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)才可以(Fe，Cu和Ni 3種元素在Mg中的最高溶限量分別為170 xl0-6 ，1 000 xl0-6 和5xl0-6 )。如果能減少重金屬雜質(zhì)的含量的話，將會大大地提高了其中的耐腐蝕性。 在鎂合金中放進(jìn)去少許的稀土元素可以很好地增加合金的綜合性能，

17、與此同時在最開始的研究中體現(xiàn)了輕稀土元素的放入還有利于加大生物植入體的抗凝血作用。這一原理充分利用了稀土的低微合金化特性。這一特性進(jìn)一步符合耐蝕性鎂合金的要求。課題研究的目的和意義本課題采用多道次拉拔技術(shù)得到晶粒細(xì)小而且組織均勻的管材，課題增加多樣化的鎂合金變形方式，加大了鎂合金的市場應(yīng)用范圍，其意義不可思議。論文的主要任務(wù)就是研究并設(shè)計一個基于鎂合金的微管材，通過對鎂合金材料的研究以及成形方法的討論，設(shè)計制造一個符合要求的薄壁微管拉拔模具。論文主要工作有以下幾點：(1)搜集與鎂合金相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)及性能資料，并與其他材料做出比較，了解鎂合金作為支架管的優(yōu)勢。(2)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，熟悉鎂合金毛

18、細(xì)管的成形技術(shù)和相關(guān)拉拔模具設(shè)計方案，掌握模具設(shè)計的思路。(3)使用cad等相關(guān)軟件做出拉拔模具的二維圖形。(4)對研究、設(shè)計工作進(jìn)行總結(jié)整理，完成畢業(yè)論文。 2鎂及鎂合金2.1純鎂及鎂合金的特性在工業(yè)的應(yīng)用中，鎂是目前最輕最常用的金屬，鎂的熔點為650，在20時的密度為，這一優(yōu)勢在結(jié)構(gòu)材料中是利用鎂合金的基本基礎(chǔ)。在20時的體積熱容為1781J/(dm3.K)，與其他金屬相比較，在相同條件下鎂金屬是最低的。不管加熱還是散熱方式在同條件下鎂合金是效率最高的，這也是它本身所具有的特征。鎂合金是一種非常綠色、健康、環(huán)保的工程材料。普通鎂合金的密度為1.3 1.9g/cm3，常規(guī)鎂合金比鋁合金輕30

19、% 50%，比鋼鐵輕70%以上，應(yīng)用在工程中可大大減輕結(jié)構(gòu)件質(zhì)量，具有鋁和鋼不可代替的性能，具有很多優(yōu)異的特性使它能被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、計算機(jī)、醫(yī)療和家電等行業(yè)。另一方面，鎂合金對環(huán)境無污染，而且它的廢料回收利用率很高，甚至達(dá)到85%以上。不僅色澤鮮艷美觀，并且能長時間保持完好，跟新的一樣；鎂合金還具有易壓鑄特性，尺寸收縮較小，同時具有良好的脫模性能。對我們來講，其工藝成形的研究意義重大在更廣泛的應(yīng)用鎂合金產(chǎn)品。根據(jù)合金的不同化學(xué)成分，鎂合金大致可分為二元合金、三元合金以及多元合金。除了這種劃分方式以外，還可以依據(jù)鎂與其中的一個重要合金元素將鎂合金劃分為Mg-A1, Mg-Mn , Mg-

20、Zn , Mg-RE，Mg-Ag, Mg-Li系等。還可以利用鎂合金的合成工藝技術(shù)，鎂合金可分為鑄造和變形鎂合金兩大種類。常用的壓鑄鎂合金主要有三個系列AZ系、AM系和AS系。其中在1750時的AS41A合金具有較高的蠕變強(qiáng)度，比AZ91和AM60合金高得多，也具有優(yōu)良的耐鹽霧腐蝕性能，這是好的一面，但它也有壞的一面，就是AS41A合金的純度較低，比AS41XB低得多。當(dāng)然，對于AS21合金來講，它具有更高的高溫蠕變強(qiáng)度，但它在市場應(yīng)用領(lǐng)域的地位很低，最重要的原因是它的含鋁量太低了和鑄造性太差了。 3鎂合金成形工藝為了更加充分合理開發(fā)和發(fā)展變形類的鎂合金，國內(nèi)外給予了高度的重視和支持，合金會逐

21、步向系列化方向發(fā)展，各個工業(yè)發(fā)達(dá)國家都成立了自己的特色合金系列。尤其是AZ31合金的性能不斷提高。但與目前較成熟的鎂合金鑄造技術(shù)相比，鎂合金的鍛造、擠壓、軋制、拉拔、沖壓等塑性加工技術(shù)與超塑性成形技術(shù)的發(fā)展則相對緩慢。 鑄造鎂合金的成形工藝鎂合金具有優(yōu)良的壓鑄性能，主要表現(xiàn)為:充型能力好，充型后凝固速度較快，對鑄型的熱沖擊較小，不侵蝕鋼增禍和鑄型。因此鎂合金壓鑄件尺寸大小準(zhǔn)確，易清潔。半固態(tài)鑄造的優(yōu)點有很多，如充型方式穩(wěn)定平緩、金屬液的氧化反應(yīng)損失較少、鑄件的尺寸精度較準(zhǔn)確、孔洞類的缺陷較少、還可以進(jìn)行熱處理和鑄型的使用時間長久等。根據(jù)鑄造成形工藝技術(shù)的步驟不一樣，半固態(tài)鑄造分為流變鑄造以及觸

22、變鑄造兩大種類。觸變鑄造具有節(jié)省能源、環(huán)境污染小、生產(chǎn)過程安全性高等優(yōu)點，是目前半固態(tài)鑄造的主要工藝方法；但是，制備坯料需要巨大的投資和被壟斷的關(guān)鍵技術(shù)。流變鑄造工藝非常簡單，鑄件和能耗的成本也比較低，但因為非枝晶半固態(tài)合金漿料在保持和輸送等方面有著很大的困難，在一定程度上制約了其在工業(yè)應(yīng)用上的發(fā)展，由此導(dǎo)致其發(fā)展速度慢于觸變鑄造的速度。3.2 鎂合金的塑形變形機(jī)制3 鎂合金塑性變化的滑移原理受外界力作用的多晶鎂合金發(fā)生塑性變形時，會沿滑移面發(fā)生滑移，位錯的運(yùn)動是其滑移的本質(zhì)。晶體開始滑移的基本條件是具有適量的臨界切應(yīng)力，鎂在不同滑移面上的臨界切應(yīng)力與溫度有著不可分割的關(guān)聯(lián)。對于具有密排六方晶

23、體結(jié)構(gòu)的鎂發(fā)生的位錯運(yùn)動和增殖會使位錯在變形過程中很快互相纏結(jié)、釘扎以及受晶界的阻礙而終止運(yùn)動。3 鎂合金塑形變化的孿生原理鎂合金塑性變形的另一種方式就是孿生。與滑移的原理類似，沿著特定的晶面和特定的晶體方向發(fā)生就是孿生的切變機(jī)制，孿生方向為，鎂的孿生面為1012。變形時晶體的對稱性與孿生是否出現(xiàn)之間有著某種聯(lián)系。盡管處于室溫狀態(tài)下的屬于六方晶體結(jié)構(gòu)的鎂基面滑移的孿生所需要的切應(yīng)力略高于臨界切應(yīng)力，但由于其較低的對稱性和較少的滑移系統(tǒng)，容易出現(xiàn)不利于滑移的晶體取向的情況，孿生成為另一種塑性變形方式。由于它會稍微影響孿生所引起的變形量，因此它對鎂晶體形變的發(fā)生與滑移相比可以忽略不計，況且它在通常

24、情況下對總變形量的貢獻(xiàn)不會大于10?？紤]到多晶體鎂合金中晶體取向的不可確定性，在變形前期時晶粒通常需要采取調(diào)整以便有益于變形時滑移的順利發(fā)生，所以由鑄態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃谓M織的過程中，鎂的基體中容易出現(xiàn)很多的孿生特性，隨著變形的不斷進(jìn)行在嚴(yán)重變形時孿生會產(chǎn)生的更多，孿晶的尺寸會減小同時孿晶也會彼此碰撞。孿生變形是一種對鎂合金材料有利的變形方式。鎂合金在室溫狀態(tài)中僅1個滑移面即0001，又叫做底面、基面或密排面，滑移面上有3個密排方向分別為20、110和20，即密排六方晶體在室溫下只有3個滑移系(如圖2.1所示)，孿生與滑移的協(xié)調(diào)動作是這種系列的合金塑性變形的一個重要標(biāo)志?？催^有些文獻(xiàn)報道，溫度對鎂

25、合金的塑性干涉極大，溫度變高，塑性變好，變形抗力變小。 變形鎂合金的塑形加工技術(shù)鎂的結(jié)構(gòu)中對它的性能影響最大的是溫度?？刂坪脺囟仁瞧渲谱鬟^程中的關(guān)鍵。3.3.1擠壓 擠壓速度和溫度要注意。3.3.2鍛造鎂合金一般在200-400進(jìn)行鍛造，常溫下鍛造很易脆裂，超過400高溫時則由于氧化及晶粒粗大而會產(chǎn)生不利影響。這樣子的話鑄造組織中所含的晶粒度一般不符合其鍛造要求，接下來需要兩步，第一步將鑄錠加以擠壓，得到鍛造所需晶粒尺寸，第二步高變速率鍛造成形即可。3.3.3超塑性成形目前，超塑性的低應(yīng)變速率是實現(xiàn)超塑性成形工業(yè)化應(yīng)用的最大難題，如果能夠提高到10-2S-1以上的應(yīng)變速率，超塑性成形的工業(yè)應(yīng)用

26、前景將會是不可估量的。根據(jù)相關(guān)的研究了解到鎂合金在高應(yīng)變速率下也可獲得良好的超塑性。 圖3.1 密排六方晶體材料中滑移系3 軋制 鎂合金板材通常使用軋制工藝制備而成。需要特別注意的是，軋制過程中的溫度是其最重要的工藝參數(shù)，低溫時，高應(yīng)力集中容易產(chǎn)生孿晶的形核和切變的斷裂；溫度要是過高時，易導(dǎo)致氧化反應(yīng)，而且晶粒長大速率比較快以及增加了板材熱脆趨勢。3.拉拔成形 鎂合金在拉拔加工過程中會出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力指數(shù)，而這些數(shù)據(jù)會對其塑性的發(fā)揮產(chǎn)生壞的影響，由此可見對其進(jìn)行拉拔加工成形的方法依舊存在著相當(dāng)大的難度。而且就拉拔成形工藝方面做了大量的研究，這一難題有待進(jìn)一步解決。 4拉拔工藝的研究現(xiàn)狀4.1

27、 拉拔工藝的特點 在外加拉力作用下，金屬坯料可以獲得相應(yīng)形狀與尺寸制品的塑性加工方法稱之為拉拔。拉拔技術(shù)是管材、棒材、線材以及型材的主要加工方法之一。拉拔技術(shù)主要有以下一些優(yōu)缺點： (l)拉拔制品的表面光滑潔凈和尺寸精度高； (2)最適合生產(chǎn)連續(xù)高速生產(chǎn)斷面非常小的長制品； (3)和冷軋相對比，因為金屬遭到比較大的阻力，其中的總變形量就會遭到拉拔應(yīng)力的限制。 拉拔工藝的分類拉拔按制品截面形狀分為:實心材拉拔與空心材拉拔。(1)長芯桿拉拔：長芯桿拉拔的特點是道次加工率較大，適合于拉拔薄壁管以及塑性差的鎢，鋁管材的生產(chǎn)。但由于在每道次拉拔時必須增加脫管工序，操作起來不是很方便。因此在目前的市場中所

28、占的比例比較低；(2)擴(kuò)徑拉拔：在拉拔過程中，管坯通過把直徑擴(kuò)大或者把壁厚和長度縮小，但這種技術(shù)不夠成熟，特別是擴(kuò)徑拉拔這種方法受其設(shè)備能力的限制而不能加工大直徑的管材。 拉拔基礎(chǔ) 拉拔時的變形指數(shù) 拉拔過程中坯料會產(chǎn)生變形，初始的形狀以及尺寸將會發(fā)生變化。但是，金屬在加工塑性過程中產(chǎn)生的變形體體積基本上不會變。 用FQ、LQ表示拉拔前金屬坯料的斷面積及長度，F(xiàn)H、LH表示拉拔后金屬制品的斷面積及長度。依照體積永恒不變的定律，從而獲得重要的變形指數(shù)與其之間的關(guān)系式。 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 延伸系數(shù) 其計算公式： =LH/LQ=FQ/FH = 2 * GB3 * MER

29、GEFORMAT 相對加工率 （斷面縮減率） 表示拉拔一道次后金屬材料橫斷面積縮小值與其原始值之比： =（FQ-FH）/ FQ = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 相對伸長率 表示為： =（LH-LQ）/LQ = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 積分延伸系數(shù) i 其計算公式為： i=ln(FQ/FH)=ln4.3.2 實現(xiàn)拉拔過程的基本條件與軋制、鍛造、擠壓等加工方式有差別，拉拔過程能夠順利實現(xiàn)主要是借助于被加工的金屬前端施以拉力，該力就是拉拔力。在拉拔過程中必須要注意的是，拉拔應(yīng)力須小于金屬出模口的屈服強(qiáng)度。否則容易引起材料出現(xiàn)細(xì)徑，甚至拉斷等狀況，因此要注意，拉拔時

30、要保證 1=S式中 1:出?？谔帣M斷面上的拉拔應(yīng)力； P1:拉拔力； F1:出模口的橫斷面積； S:金屬的屈服度。 管材襯拉時的應(yīng)力與變形 本設(shè)計采用長芯桿拉拔，現(xiàn)就長芯桿拉拔時的受力情況做簡要分析。如圖4.1所示，長芯桿拉拔管子時，會出現(xiàn)三個變形區(qū)分，分別為空拉段，減壁段和定徑段。在拉拔的過程中摩擦力不但不阻礙拉拔過程，反而有助于減小拉拔應(yīng)力，繼而在其他條件相同的情況下，拉拔力下降。與固定短芯頭拉拔相比，變形區(qū)內(nèi)的拉應(yīng)力減少30%35%，拉拔力相應(yīng)的減少15%20%。所以長芯桿拉拔時允許采用較大的延伸系數(shù)，并且隨著管內(nèi)壁和芯桿間摩擦系數(shù)增加而增大。通常道次延伸系數(shù)為2.2,最大可達(dá)2.95。

31、4.3.4 殘余應(yīng)力的消除 消除殘余應(yīng)力對產(chǎn)品的力學(xué)性能和最終質(zhì)量尤為關(guān)鍵，如果處理得好的話，產(chǎn)品的各個性能都會提高。因此，人們想方設(shè)法地去改變甚至消除殘余應(yīng)力，當(dāng)今比較常用的方法有以下幾種： = 1 * GB2 * MERGEFORMAT 減少不均勻變形 圖 長芯桿拉拔時的應(yīng)力與變形 = 2 * GB2 * MERGEFORMAT 矯直加工 = 3 * GB2 * MERGEFORMAT 退火 4.4 拉拔工藝的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀 拉拔工藝有著長久的革命歷史和深遠(yuǎn)的意義。公元8 9世紀(jì)，可以生產(chǎn)出來很多種金屬線。20世紀(jì)20年代出現(xiàn)了反張力的拉法，由于存在反張力，會大大地減少了拉絲模的損傷和提高

32、了制品的綜合性能。經(jīng)過拉拔技術(shù)的漸漸改進(jìn)和創(chuàng)新，薩克斯(1929)和西貝爾(1927)兩人提出了不同的理念從而第一次真正的確立了拉拔成形理論，從這往后拉拔理論逐漸得到不斷的推廣，再加上新研究方式的利用和電子計算機(jī)的發(fā)展。再次促使拉拔理論的研究達(dá)到一個新的高峰。 了解到當(dāng)今的拉拔技術(shù)，有以下問題需要注意和改進(jìn)： (1)新的潤滑技術(shù)的研究； (2)創(chuàng)造嶄新的理念和開發(fā)優(yōu)良的關(guān)鍵技術(shù)； (3)高拉拔模具的壽命； (4)拉拔設(shè)備的自動化、連續(xù)化與高速化； (5)擴(kuò)大產(chǎn)品的品種、規(guī)格，減少制品缺陷和提高產(chǎn)品的精度；4.5 鎂合金拉拔工藝的研究現(xiàn)狀 鎂合金具有密排六方結(jié)構(gòu)，室溫時塑性變形能力差，所以鎂合金

33、體積成形時的溫度一般應(yīng)高于473K。這一條件只適應(yīng)三向壓應(yīng)力狀態(tài)下的變形過程，當(dāng)今與鎂合金拉拔變化相聯(lián)系的參考文章非常少。 鎂合金的拉拔成形技術(shù)會明顯提升了生產(chǎn)效率和降低投入的成本。另外，該會社對AZ31, AZ61, AZ80拉拔后的線材進(jìn)行了充足的研究，使其制備出的線材更優(yōu)質(zhì)和強(qiáng)韌性更好，同時可用于汽車、輪椅等，還可可制作帶有彈性的制品。鎂合金拉拔合成制備方法的研究逐漸受到世界的關(guān)注。 5 拉拔模具計算與設(shè)計零件名稱：鎂合金毛細(xì)管材料：AZ91D鎂合金 圖5.1 (a) 鎂合金微管示意圖 (b) 微管的橫截面尺寸5.1 拉拔方案確定 該零件由管坯拉拔出。制品為一細(xì)徑薄壁管。表面光亮，無拉拔

34、缺陷。為了獲得一定尺寸、形狀、力學(xué)性能和表面質(zhì)量的優(yōu)良制品，一般要將坯料經(jīng)過幾次拉拔來完成。根據(jù)成品的要求(有時還包括坯料尺寸)來確定拉拔道次及各道次所需模孔形狀、尺寸的工作。通過對制品外輪廓分析，考慮到材料強(qiáng)度、塑性允許、保證產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量的情況下，本設(shè)計采用多模長芯桿拉拔。5.1.1 選擇管材坯料 拉拔細(xì)徑薄壁管材時，既有直徑變化，又有壁厚變化。 在襯拉時，每道次必須既有減徑量又有減壁量，坯料尺寸應(yīng)保證：減壁所需的道次應(yīng)小于或等于減徑所需的道次。一般來說，管坯直徑應(yīng)比成品大23mm，本設(shè)計管坯壁厚選擇0.25mm，外徑為5mm，材料為AZ91D鎂合金。 AZ91D鎂合金特點是比HYPERL

35、INK :/baike.baidu /view/91950.htm強(qiáng)度高且耐HYPERLINK :/baike.baidu /subview/31398/8787429.htm腐蝕較純鎂大幅提高，密度1.82g/cm3，熔點596，抗拉強(qiáng)度280MPa，屈服強(qiáng)度160MPa，延伸率為8%。主要用于HYPERLINK :/baike.baidu /subview/174975/5089322.htm電器HYPERLINK :/baike.baidu /view/1214.htm產(chǎn)品的殼體、小尺寸薄型或異型支架等。 5.1.2 確定拉拔道次和各道次延伸系數(shù)表 AZ91D 鎂合金成分名稱MgAlZn

36、MnSiCuNiFeAZ91D余量 = =式中 -總延伸系數(shù) F0-管坯橫截面積 FK-制品橫截面積平均道次延伸系數(shù)取=1.9，則道次數(shù)為 n=ln/ln4分配各道次延伸系數(shù)，根據(jù)公式=123n則 確定各道次截面尺寸第一道次拉拔后管材的截面積為F1=2.96，根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)第一次減壁量為0.03mm，管坯的外徑可進(jìn)行計算。即S1(D1-S1)，0.22(D1-0.22)這樣第一道次拉拔后管材的橫截面尺寸為0.22mm?，F(xiàn)設(shè)第二道次減壁量為0.03mm，三四道次減壁量均為0.02mm，然后按上述方法依次求得后幾道次的尺寸。第二道次拉拔后管材的橫截面尺寸為4mm0.19mm；第三道次拉拔后管材的

37、橫截面尺寸為0.17mm；第四道次拉拔后管材的橫截面尺寸為3mm0.15mm；5.1.4 計算拉拔力 設(shè)計參數(shù)的確定：本設(shè)計中采用AZ91D鎂合金作為拉拔管坯，其拉拔前外徑為5mm?？估瓘?qiáng)度為280MPa，屈服強(qiáng)度為160MPa。模具工作區(qū)的錐角=12，定徑帶長度為2mm，管坯與模具間的摩擦系數(shù)取f=0.2。圖5.2 管材拉拔示意圖 與擠壓、軋制、鍛造等加工過程不同，拉拔過程是采用被生產(chǎn)的金屬前端加上拉力達(dá)到的，該力稱為拉拔力。拉拔力與被拉拔金屬出模處的橫斷面積之比稱為拉拔應(yīng)力，實際上拉拔應(yīng)力就是變性區(qū)末端的縱向應(yīng)力。在拉拔過程中要注意，拉拔應(yīng)力應(yīng)小于金屬出模口的屈服強(qiáng)度。如果拉拔應(yīng)力過大，超

38、過金屬在出?？诘那?qiáng)度，就可能引起材料出現(xiàn)細(xì)徑，甚至拉斷，因此要注意，拉拔時要保證 1=S式中 1:出?？谔帣M斷面上的拉拔應(yīng)力； P1:拉拔力； F1:出?？诘臋M斷面積； S:金屬屈服強(qiáng)度。 P1=S(D1-S1)S1計算過程涉及到的參數(shù)分別為B= A=(1+)B，=C2=ab= bc= 管坯經(jīng)過第一次拉拔后，（1） 各斷面尺寸為D0= 5mm D1= 4.5mm D2=d2+2S2=4.06+2S0= 0.25mm S1= 0.22 S2=S0= 0.25mm （2） 求各個指數(shù)B= A=(1+)B=(1+)C2= ab= bc=求， = 求拉拔力P1=S(D1-S1)160（4.5-0.

39、22）1=S同理可算得管坯經(jīng)過第二、三、四道次拉拔后，拉拔應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度，能夠保證管材正常拉拔。5.1.5 選擇拉拔機(jī) 拉拔設(shè)備的正確選擇及合理使用將決定拉拔生產(chǎn)能否順利進(jìn)行，并與產(chǎn)品、模具壽命、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品成本等密切相關(guān)。拉拔機(jī)就是用來給金屬材料進(jìn)行拉拔工藝技術(shù)的機(jī)器。經(jīng)過拉拔技術(shù)之后的金屬材料的直徑會產(chǎn)生有益的變化，從而實現(xiàn)了符合要求的金屬直徑。如果經(jīng)過空拉的話，游頭拉等各種拉拔模式及改變模具可以拉制各種不同規(guī)格直徑的管材。考慮到拉拔力的因素，選用FR-16型拉拔機(jī)。主要技術(shù)參數(shù)如表5.2所示；表5.2 FR-16拉拔機(jī)主要參數(shù)型號額定拉拔力最大鉗料直徑mm拉拔速度m/min最大減面

40、積%最大拉拔根數(shù)最大拉拔長度m小車返回速度m/min配用電機(jī)功率kw配用減速機(jī)型號FR-167KN20282048604ZQ250 確定中間工序選擇鎂合金AZ91D管坯，其材料外表面先在濃度15的檸檬酸浸泡30秒鐘進(jìn)行預(yù)處理，然后經(jīng)無水乙醇清洗并風(fēng)干，接著將石墨乳狀潤滑劑均勻涂附于鎂合金管坯外表面，然后在溫度110烘箱中烘干即可。進(jìn)行帶芯整體溫拔前，爐膛加熱區(qū)恒定溫度設(shè)定為230，拉伸模預(yù)熱溫度250。先從已捻頭的5管坯尾部插入的彈簧鋼制長芯桿，管坯兩端用石膏漿料封堵，隨后將其快速穿過加熱區(qū)和已預(yù)熱的孔徑為的YG8硬質(zhì)合金拉拔?？撞⑺腿電A料鉗處夾牢，啟動拉拔機(jī)。待完成第一模溫拔后，退出原長芯桿

41、而依次分別改穿、和長芯桿，拉伸模分別更換4mm、和3mm，經(jīng)過3個模次連續(xù)溫拔即可得到所需細(xì)徑薄壁管材。然后進(jìn)行脫芯桿、矯直和定尺工序。再將鎂合金毛細(xì)管管材在溫度為200420條件下退火處理28h，然后放入丙酮-無水乙醇溶液中進(jìn)行超聲處理0. 21. 5h，而后再用質(zhì)量濃度為10%20%的冰醋酸水溶液進(jìn)行酸洗1060s，最后再進(jìn)行。5.2 拉拔模具的設(shè)計5.2.1 拉模材料選擇管材拉拔模具主要分為模子和芯頭，是管材拉拔的主要工具。拉拔模有較多的規(guī)格，在生產(chǎn)此類管材的大、中型企業(yè)中，較多規(guī)格通常都會將其直徑間隔0.5mm都備有一個模子，本設(shè)計的拉拔模的材料選用硬質(zhì)合金（YG8），模孔表面鍍鉻層厚

42、度一般為0.03-0.04mm。硬質(zhì)合金的硬度程度比較高，同時具備足夠的韌性、耐磨性和耐蝕性。以硬質(zhì)合金為基礎(chǔ)材料制作而成的模具壽命比鋼模高上百倍，除了這個優(yōu)勢以外，還有價格較便宜，在經(jīng)濟(jì)方面省了很多心。拉模所用的硬質(zhì)合金以碳化鎢為基，用鈷為黏結(jié)劑在高溫下壓制和燒結(jié)而成。硬質(zhì)合金的牌號、成分、性能列于表5.3。表5.3硬質(zhì)合金的牌號、成分、性能 本設(shè)計選用YG8硬質(zhì)合金作為拉模材料。盡管硬質(zhì)合金具有極高的耐磨性能和抗壓強(qiáng)度的特性，可是它的抗張和抗沖擊性能不是太高。在拉拔狀態(tài)下，拉模要經(jīng)受超大的張力，所以還要在硬質(zhì)合金模的外側(cè)鑲上一個鋼制外套，給它帶來適量的預(yù)應(yīng)力，降低或消除拉拔模在拔制時所遭受

43、的工作應(yīng)力，加強(qiáng)它的強(qiáng)度。硬質(zhì)合金拉模鑲套裝配如圖5.3所示。 圖5.3 硬質(zhì)合金模1-硬質(zhì)合金模芯 2-模套5.2.2 模子的結(jié)構(gòu)與尺寸根據(jù)錐形模的?？捉Y(jié)構(gòu)可以分為四個區(qū)：入口區(qū)（潤滑區(qū)），壓縮區(qū)，定徑區(qū)，出口區(qū)，如圖5.4所示：（1）入口區(qū)或潤滑區(qū)入口區(qū)的主要任務(wù)是在拉拔時讓潤滑劑能夠輕松地流入?？祝瑢⒆枇ψ畲蠡亟档土?，有利于后續(xù)程序的順利進(jìn)行，還有一個好處就是避免劃傷坯料。圖5.4 ?？椎膸缀纬叽?入口區(qū)；壓縮區(qū)；定徑區(qū)；出口區(qū) 潤滑錐角的大小應(yīng)適當(dāng)。角度要是太大的話，不利于潤滑劑的放置，潤滑效果太差；角度要是太小的話，會造成制品表面劃傷、夾灰、拉斷等問題。管材拉拔的入口區(qū)常用一半徑R

44、1=(48)mm的圓弧代替，也可取=(23)的錐角(為模角，即壓縮區(qū)錐角)。入口區(qū)長度h1一般為制品直徑的倍。本設(shè)計取h1制品。則模子1，；同理計算可得模子2，3，4的入口區(qū)長度分別為,。（2）壓縮區(qū)金屬在壓縮區(qū)發(fā)生塑性變形，從而得到符合條件的制品形狀和尺寸。壓縮區(qū)的模角表示了一種拉拔模具的主要參數(shù)。角要是過小的話，加大了坯料與模壁的接受面積；角要是過大的話，容易增加拉拔力和非接觸變形程度。因此角存在著最佳區(qū)間，在此區(qū)間拉拔力最小。模角可=812，本設(shè)計取=12。為防止制品與?？撞煌漠a(chǎn)生壓縮帶以外的變形，壓縮區(qū)長度應(yīng)大于拉拔時變形區(qū)的長度，如圖5.5所示： 壓縮區(qū)的長度可按下式計算 h2 =

45、ah2=a0.5(D0max-D1)cot式中h2壓縮區(qū)長度，mm； a 不同心系數(shù)，a=1.051.3，本設(shè)計取a=1.2； D0max 坯料可能的最大直徑； D1制品直徑。 則模子1，h2 =ah2=a0.5(D0max-D1)cotcot12=1.41mm； 同理計算可得模子2,3,4的h2 均為1.41mm；（3）定徑區(qū)定徑區(qū)的主要作用在于獲得制品形狀和尺寸的穩(wěn)定性。采用特別材質(zhì)的耐磨材料制成的定徑帶部分作用很大，它可以達(dá)到拉拔模不會因為?？啄p進(jìn)而超差的目的，加大了它的使用期限。襯拉時，定徑帶長度可按下式計算0.2)d式中 h3定徑區(qū)長度，mm； d 定徑區(qū)直徑，mm。定徑帶長度可按

46、下表選?。?）出口區(qū) 出口區(qū)的錐角一般取30，其長度可根據(jù)模子規(guī)格和材料取定徑帶直徑的0.20.5倍。 管材拉拔模上述四個部分特別是定徑帶與出口區(qū)的交接處要加工良好，都應(yīng)研磨光滑，否則制品在拉拔后因彈性恢復(fù)或拉拔方向不正而將制品表面劃傷。管材拉拔模的常用結(jié)構(gòu)尺寸見下表。5.2.3 長芯桿的結(jié)構(gòu)與尺寸 如上圖所示，長芯桿左端固定，右端與管坯一同送入?？變?nèi)，配合模孔對管坯進(jìn)行減壁減徑工序，材料選用T8A，表面鍍鉻，以增強(qiáng)耐磨性。根據(jù)管坯的拉拔配模，芯桿的工作直徑分別取4.06mm，3.62mm，3.16mm，2.7mm，配合四個模子的模孔尺寸。工作帶長度稍大于模子總長度，取12mm。同心度要求為0.025。其他尺寸可根據(jù)拉拔件圖5.6長芯桿結(jié)構(gòu)示意圖 機(jī)工作參數(shù)做自由調(diào)整。5.3 潤滑 本設(shè)計在拉拔前，用石墨乳狀潤滑劑對管坯表面進(jìn)行預(yù)處理。石墨在常壓中，溫度為540時可短期使用，在426時可長期使用。氧化產(chǎn)物為CO、CO2，摩擦系數(shù)在0.050.19范圍內(nèi)變化。石墨具有很高的耐磨、耐壓性能以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，是一種較好的潤滑劑。 在拉拔過程中，采用目前有色金屬拉拔所使用的乳液。該乳液由80%85%機(jī)油、10%15%油酸、5%的三乙醇胺配制成乳劑，再加90%97%的水?dāng)嚢璩扇榛盒纬?。要是采用拉拔工藝技術(shù)，需要配合單模的流體運(yùn)動，還要兼顧光滑作用，進(jìn)而幫助管材和