金属挤压与拉拔工艺学复习题DOC

金属挤压与拉拔工艺学复习题

一、名词解释

1脱皮挤压：在挤压过程中，把锭坯表层金属被挤压垫片切离而滞留在挤压筒内的挤压方法，称为脱皮挤压。

2正向挤压：挤压时金属制品的流出方向与挤压杆的运动方向相同的挤压方法，也称直接挤压。

3反向挤压：挤压时金属制品的流出方向与挤压杆的运动方向相反的挤压方法，也称间接挤压。

4侧向挤压：挤压时金属制品的流出方向与挤压杆的运动方向成直角的挤压方法，又称横向挤压。

5层状组织：所谓层状组织，也称片状组织，其特征是制品在折断后，呈现出与木质相似的断口，分层的断口表面凹凸不平，并带有布状裂纹，分层的方向与挤压制品轴向平行，是挤压制品的一种组织缺陷。

6挤压效应：挤压制品与其他加工制品（如轧制、拉伸和锻造等）经相同的热处理后前者的强度比后者高，而塑性比后者低。这一效应是挤压制品所特有的特征，故称挤压效应。 7挤压比：挤压比等于挤压筒的横截面积与制品的横截面积之比。

8挤压力：挤压力就是挤压杆通过垫片作用在被挤压锭坯上使金属从模孔流出来的压力。 9挤压应力：挤压力除以垫片的断面积，又称单位挤压力。

10拉拔：对金属坯料施以拉力，使之通过模孔以获得与模孔截面尺寸，形状相同的制品的塑性加工方法称之为拉拔。

11拉拔力：为实现拉拔过程，作用在模出口加工材料上的外力称为拉拔力。

12死区：挤压筒内存在的前端难变形区，即挤压筒和模子端面交界的角落处。

13模角：模角是指模的轴线与其工作端面间所构成的夹角。

14空拉：拉拔时管坯内部不放芯头即无芯头拉拔。通过模孔后管材外径减小，管壁发生变化（变厚、变薄、不变）的管材拉拔工艺。

15比周长：是指把型材假想分成几部分后，每部分面积上的外周长与该面积的比值。 16残余应力：外力撤销后，材料内部存在的平衡应力。

17延伸系数：0

110L L F F ==λ10F F 、分别为坯料和制品的面积；10L L 、分别为坯料和制品的长度。

18加工率（断面收缩率）：0

10F F F -=ε10F F 、分别为坯料和制品的面积。延伸系数与加工率的关系：λε1

1-=。

二、简答题

1如何实现脱皮挤压？

当挤压垫片比挤压筒的内径小2～4mm ，在挤压过程中即可实现脱皮。

2挤压速度与挤压流出速度有什么区别和联系？

区别：挤压速度是指挤压机主柱塞运动速度，也就是挤压杆与垫片前进的速度，挤压流出速度是指金属流出模孔的速度。联系：挤压速度与挤压流出速度的关系是挤流V V λ=，由此可

知，当挤压速度一定时，变形程度越大，流出速度就越大。

3什么是粗晶环？产生的机理是什么？危害是什么？

粗晶环是挤压制品周边上形成的环状粗大晶粒区域。

根据粗晶环出现的时间，可将其分为两类：

第一类是在挤压过程中即已形成的粗晶环，这类粗晶环形成的原因是由于模子形状约束与外摩擦的作用造成金属流动不均匀，外层金属所承受的变形程度比内层大，晶粒受到剧烈的剪切变形，晶格发生严重的畸变，从而使外层金属再结晶温度低，发生再结晶并长大，形成粗晶组织。

第二类粗晶环是在挤压制品的热处理过程中形成的，这类粗晶环的形成原因除与不均匀变形有关外，还与合金中含Mn、Cr等可提高再结晶温度的元素有关，并形成化合物阻止晶粒长大，因此挤压后的铝合金制品外层呈现细晶组织。在淬火加热时由于温度高，析出的第二相质点又重新溶解，使阻碍晶粒长大的作用消失，此时，一次再结晶的一些晶粒开始吞并周围的晶粒迅速长大，析出粗晶环。

（减少或消除粗晶环的最根本方法包括两个方面：①尽可能减少挤压时的不均匀变形②控制再结晶的进行。）

危害：使制品的力学性能降低。

4正向挤压实心棒材产生裂纹的原因是什么？如何消除？P39、40

裂纹的产生于金属在挤压时的受力情况有直接关系。由于外摩擦力的作用使坯料表面的流动受到阻碍，则产生金属的不均匀变形，在棒材内层金属流速大于外层金属流速，从而使外层金属受到拉副应力作用，在内层则受到压副应力作用。这种拉副应力的产生就会在挤压过程中助长裂纹的形成。当有裂纹发生时，在最尖的裂纹角落里发生了应力集中现象，因而更增加了裂纹的深度。

消除裂纹的措施：1.在允许的条件下采用润滑剂、锥模等来减小不均匀变形。2.采取合理的速度—温度规程，使金属在变形区内具有较高的塑性。一般说来挤压温度高，则挤压速度要慢；挤压温度低，则挤压速度适当增大。

5何谓挤压缩尾？有几种？产生的机理是什么？消除的措施是什么？P40～42

挤压缩尾也称挤压缩孔，是在挤压过程中铸锭表面的氧化物、油污脏物及其他表面缺陷进入制品内部或出现在制品的表皮层，而形成漏斗状、环状、半环状的气孔或疏松状态的缺陷。根据缩尾在制品中的分布位置可分为中心缩尾、环形缩尾、皮下缩尾三类。

减少挤压缩尾的措施：1.留压余，压余的厚度一般为锭坯直径的10%～30%。2.脱皮挤压。

3.控制工艺条件。

6挤压力的影响因素有哪些？

1.坯料长度：正向挤压：L增大，挤压力增大。反向挤压L的大小对挤压力无影响。

2.摩擦：外摩擦对挤压金属流动具有极大的影响。一般来讲，随着外摩擦增加，金属流动不均匀程度增加，金属与挤压筒、挤压模表面之间的摩擦阻力增加，从而使挤压力增加。

3.挤压温度：变形温度通过影响金属变形抗力而影响挤压力，随着温度的升高，变形抗力降低，挤压力降低。

4.变形程度：随着变形程度增大挤压力增加。

5.挤压速度：是通过对金属的变形抗力的变化来影响挤压力的。冷挤压时，挤压速度对挤压力的影响较小。热挤压时，通常随挤压速度增加，挤压力增加。（热挤压时，金属在变形过程中产生的硬化可以通过再结晶软化，但这需要充分的时间，当挤压速度增加时，软化来不及进行，导致变形抗力增加，使挤压力增加。）（变形速率增加，挤压前期：单位时间变形量增加，挤压力增大。挤压后期：产生变形热，温降慢，挤压力降低。）

6.模角：模角α由0°改变到90°之间，在45°-65°范围内挤压力最小。

7.挤压方式

7什么是拉拔配模？分为哪几类？

拉拔配模就是根据成品的要求和坯料的尺寸来确定拉拔道次及各道次所需模孔形状、尺寸的工作。拉拔配模分为单模拉拔配模和多模拉拔配模。

8为什么在拉拔模入口处，往往过早出现环形沟槽？

模具入口断面处,模具呈环状磨损,且磨损较快,往往过早地出现环形沟槽。

9挤压的特点都有哪些？

挤压是在三向压应力作用下成型的。挤压的优点：①提高金属材料的变形能力②提高材料的接合性③金属材料与工具的密合性高；挤压的缺点：①工具与锭坯接触面的单位压力高②挤压时锭坯在工具内需要封闭③金属的废料损失大，制品的组织、性能沿轴向和断面上不均匀。 挤压时金属流动分为几个阶段？各阶段挤压力是如何变化的？

10什么是死区？它的作用是什么？

死区是指在挤压过程中位于挤压筒与挤压模交界处金属不发生塑性变形的区域，也称前端弹性变形区。作用：①杂质存留在死区②使挤压出的产品表面质量好。

11什么是模角？模角最佳的范围是多少，为什么？

模角是指模的轴线与其工作端面间所构成的夹角。锥模的最佳模角为45°～60°，在此范围内的挤压力较小。

12实现拉拔过程的基本条件是什么？

（ 拉拔应力应小于金属出模口的屈服强度。S L

L L F P σσ<= 式中L σ——作用在被拉金属出模口横断面上的拉拔应力；

L P ——拉拔力；

L F ——被拉金属出模口横断面积；

S σ——金属出模口后的变形抗力。）

被拉金属出模口的抗拉强度b σ与拉拔应力L σ之比称为安全系数K ，即L

b K σσ=，所以实现拉拔过程的基本条件是1>K ，一般K 在1.40～2.00之间。

13影响拉拔力的因素？

1材料性质 2拉拔的工艺参数（温度、速度、变形程度）3拉拔速度：在低速（5m/min 以下）拉拔时，拉拔应力随着拉拔速度的增加而有所增加。当速度增加到6～50m/min 时，拉拔应力下降，继续增加拉拔速度而拉拔应力变化不大。 4 模角 6°～9° 5摩擦力 一般情况下摩擦力越大，拉拔力越大。对于衬拉摩擦力越大，拉拔力越小 6反拉力：反拉力与以下两个因素有关（1）被拉金属的弹性极限；（2）与材料的预变形程度 7振动

14分析圆棒材拉拔时应力与变形？

应力：两向压一向拉 应变：轴向拉伸，径向、周向压缩。

周边层的实际变形大于中心层

15空拉时管壁如何变化？空拉时壁厚变化的影响因素？

管壁厚度在变形区内的变化是由模子入口处壁厚开始增加，达到最大值后开始减薄，到模子出口处减薄最大。管子最终壁厚取决于增壁与减壁幅度的大小。

影响因素：1.管坯的相对壁厚S/D （S ——壁厚；D ——外径）。D 相同，S 增大，使金属流

向中心的阻力越大，增壁不易实现。S相同，D增大，使金属流向中心的阻力变小，增壁容易实现。D/S=3.6～7.6 管壁不变；D/S<3.6 管壁减薄；D/S>7.6 管壁增厚。2.材质与状态影响。3.道次加工率与加工道次的影响。4.润滑条件、模子几何参数及拉拔速度的影响。16为什么挤压可以充分发挥金属的塑性？

挤压是三向压应力。

17什么是挤压？挤压方法分几类？

挤压是采用挤压杆（或凸模）将放在挤压筒（或凹模）内的坯料压出模孔或流入特定的孔隙而成型的塑型加工方法。按金属流动及变形特征分类，有正向挤压、反向挤压、侧向挤压及连续挤压。挤压按坯料温度区分有热挤压、冷挤压和温挤压3种。

18什么是热挤压、温挤压与冷挤压？应用的范围是什么？

热挤压就是将金属材料加热到热锻成形温度进行挤压，即在挤压前将坯料加热到金属的再结晶温度以上的某个温度下进行的挤压。温挤压就是温度低于再结晶温度而高于回复温度时的挤压。冷挤压就是把金属毛坯放在冷挤压模腔中，在室温下，通过压力机上固定的凸模向毛坯施加压力，使金属毛坯产生塑性变形而制得零件的加工方法。

在冶金工业系统主要应用热挤压，通常称挤压，机械工业主要应用冷挤压与温挤压。

19挤压时金属流动分几个阶段？各阶段挤压力是如何变化的？

挤压时金属流动可分为三个阶段：

1填充（开始）挤压阶段：金属受挤压轴的压力后，首先充满挤压筒与模孔，挤压力直线上升。

2基本（平流）挤压阶段：从金属开始流出模孔到正常挤压过程即将结束时为止。(在此阶段，筒内的锭坯一般来说，其内部与外部金属之间基本上不发生交错流动，锭坯的外层金属流出模孔后仍在制品的外层而不会流到制品的中心。在挤压时，锭坯任一横断面上的金属质点皆以同一速度或一定的速度差进入变形区压缩锥。靠近垫片和模子角落处的金属不流动，形成难变形区。)正挤压的挤压力随着锭坯长度的减小而直线下降。

3紊流（终了）挤压阶段：在此阶段，锭坯的外层金属向其中心剧烈流动，同时两个难变形区中的金属也向模孔流动，形成挤压所特有的缺陷“挤压缩尾”。挤压力重新开始上升，此时应结束挤压操作。见图

20影响金属挤压流动的因素

1摩擦：润滑使摩擦下降、2金属强度、3温度：温度升高导热性降低、4工具形状：模角60°～65°、5变形程度与挤压速度

21挤压工具主要由几部分构成？

挤压工具主要有：挤压模、挤压杆、穿孔针、挤压垫片及挤压筒等。

22挤压筒为什么是多层结构？

挤压筒作成多层结构的原因是使筒壁中的应力分布均匀，降低应力峰值。

23如何确定挤压筒的尺寸？

挤压筒的尺寸根据挤压机的吨位和作用在挤压垫片上的单位压力确定。挤压筒的最大内径应保证垫片上的单位压力不低于金属的变形抗力。挤压筒的最小内径应保证工具的强度。挤压筒的外径一般是挤压筒内径的4～5倍。

24工作带有什么作用？确定工作带长短的原则是什么？工作带为什么不能过长，也不能过短？

工作带（定径带）是用以获得制品尺寸和保证制品表面质量的关键部分。工作带的长短直接影响制品的质量，若工作带过短，则模子易磨损，制品的现状不易保证；若工作带过长，在其上易粘结金属，使制品表面产生划伤、毛刺和麻面等缺陷。而且挤压力增大。

25多孔模设计时，模孔的布置原则是什么？为什么不能过分靠近模子的边缘或中心部位？ 为了使每个模孔中的金属流速相等，应将模孔布置在一个同心圆上，并使互相间的孔距相等；不宜将模孔安置的过分靠近模子边缘。因为这样会降低挤压模强度，导致死区金属流出，恶化制品表面质量，出现起皮、分层等。但也不能将模孔安置的过分靠近模子中心。这样都会由于内、外侧供应的金属量不同而引起制品弯曲甚至出现裂纹。

26模角对产品质量的影响如何？模角大而死区大还是小？

模角大死区大，制品的表面质量较好；模角小死区小，锭坯表面的氧化皮、脏物、杂质易挤入制品。

27确定锭坯尺寸的原则是什么？挤压比如何确定？

原则：1.产品工艺、技术要求；2.尺寸直径、变形程度（挤压比）；3.工具强度、设备能力；

4.间隙d ? 锭坯尺寸p D （（1）棒材λ产品d D o

=d D D o p ?-= （2）管材21212)(d d d D o +-=λd D D o p ?-=

式中：d ——挤制品的直径，mm ；d1——穿孔针的直径，mm 。）

选择挤压比λ时应考虑合金塑性、产品性能以及设备能力等因素。但在实际生产中主要考虑挤压工具的强度和挤压机允许的最大压力。

（为了获得均匀和较高的力学性能，应尽量选用大的挤压比进行挤压，一般要求： 一次挤压的棒、型材 λ>10；锻造用毛坯 λ>5；二次挤压用毛坯 λ可不限。） 28拉拔的特点是什么？

1.表面质量好；

2.工具和设备简单；

3.可连续高速生产小规格长制品；

4.受安全系数K 的限制，道次变形量小，简单断面型材也难一次成形。

29说明紊流挤压阶段挤压力上升的原因？

挤压后期金属径向流动增加，另外金属温度较低，变形抗力升高，塑性降低，若挤压继续进行，挤压力就得升高。（一般挤压结束阶段应留有压余。）

30拉拔的类型有几种？

①普通模拉拔 ②辊模拉拔 ③空拉（减径拉拔） ④衬拉（1.长芯杆拉拔2.固定短芯头拉拔3.游动芯头拉拔4.顶管法拉拔5扩径拉拔）

31分析空拉时能明显纠正管子偏心的原因；为什么衬拉纠正管子偏心不明显？

偏心管坯空拉时，假定在同一圆周上径向压应力r σ均匀分布，则在不同的壁厚处产生的周向压应力θσ将会不同，厚壁处的θσ小于薄壁处的θσ。因此，在薄壁处要先发生塑性变形，即周向压缩，径向延伸，使壁增厚，轴向延伸；而厚壁处还处于弹性变形状态，那么在薄壁处，将有轴向附加压应力的作用，厚壁处受附加拉应力作用，促使厚壁处进入塑性变形状态，

σ值增大轴向延伸，显然在薄壁处减少了轴向延伸，增加了径向延伸，即增加了壁厚。因此

θ

σ作用下逐渐增厚，使整个断面上的管壁趋于一致。越大，壁厚增加的也越大，薄壁处在

θ

σ值变大，妨碍了壁厚的调整。

衬拉时径向压力N使

r

32分析固定短芯头拉拔，有时管子表面上出现“竹节”的原因。

（长的芯杆在自重作用下易产生弯曲，芯杆在模孔中难以固定在正确位置上。同时，）长的芯杆在拉拔时弹性伸长量较大易引起“跳车”而在管子上出现“竹节”的缺陷。

33画出普通锥形拉拔模的示意图，并说明拉拔模各部分的作用？

润滑带（入口锥、润滑锥）的作用是在拉拔时使润滑剂容易进入模孔，减少拉拔过程中的摩擦，带走金属由于变形和摩擦产生的热量，还可以防止划伤坯料。

压缩带（压缩锥）的作用是金属在此段进行塑性变形，并获得所需的形状与尺寸。

工作带（定径带）的作用是使制品获得稳定而精确的形状与尺寸。

出口带的作用是防止金属出模孔时被划伤和模子定径带出口端因受力而引起的剥落。

Ⅰ——润滑带；Ⅱ——压缩带；Ⅲ——工作带；Ⅳ——出口带。

34什么是正向挤压、反向挤压与侧向挤压？各有什么特点？

正向挤压（直接挤压）：挤压时金属制品的流出方向与挤压杆的运动方向相同的挤压方法。反向挤压（间接挤压）：挤压时金属制品的流出方向与挤压杆的运动方向相反的挤压方法。侧向挤压（横向挤压）：挤压时金属制品的流出方向与挤压杆的运动方向成直角的挤压方法。正向挤压特点：①挤压过程中挤压筒与金属坯料间的摩擦力大，消耗能量多，金属变形不均匀。②压余多。③模具更换简单方便，制品表面质量好。

反向挤压特点：①挤压制品与模具存在摩擦，但摩擦很小，变形较均匀。②压余小。③挤压力比较小，制品尺寸受挤压杆限制。

侧向挤压特点：①挤压模与锭坯轴线成90°，使制品纵向力学性能差异最小。②变形程度大，挤压比可达100，制品强度高。③要求模具和工具具有高的强度及刚度。

35网格说明金属流动的特点？

以圆棒正向挤压为例P22 图2—9

①大部分坐标线网在挤压后都有较大的弯曲，变形极不均匀且网格存在畸变。

②横向坐标线的变化：1.挤压部分的横向坐标线弯曲较大。原因：挤压筒、模与金属表面之间存在摩擦力。2.外层金属变形滞后于中心部分变形。3.弯曲程度由棒材的前端往后端逐渐增加，当到一定位置时趋于稳定不变。

③纵向坐标线的变化：在进模孔入口处平面Ⅰ—Ⅰ前和到达模孔出口处平面Ⅱ—Ⅱ前发生方向相反的两次弯曲，最后又重新平行于模孔轴线，其弯曲角度由中心层向外层逐渐增加。 ④在挤压筒内的金属存在着两个难变形区。一是位于挤压筒和模子端面交界的角落处，叫前端难变形区（死区），二是位于垫片处的后端难变形区。

⑤死区与塑性流动区交界处存在着强烈滑移区。

36为什么要有填充挤压阶段？如何确定填充系数？填充挤压时金属能否流入模孔？

挤压时为了便于把锭坯放入挤压筒中，一般锭坯的直径总要比挤压筒的内径小，故挤压时有填充阶段。坯料横断面积

挤压筒横断面积填充系数=t K ，t K 为1.05～1.10 填充挤压时金属能流入模孔。

37说明后端难变形区的形成机理？

垫片和金属间的摩擦力的作用和冷却的结果。

38实心和空心型材正向挤压金属流动各有什么特点？型材出模孔产生弯曲的原因为何？ 实心型材正向挤压金属流动的特点：①金属的流动失去了像在挤压圆棒材时的完全对称性，型材与坯料之间缺乏相似性。②型材各部分的金属流动受比周长影响。

空心型材挤压金属流动的主要特点是型材各部分的流出速度非常不均匀。

原因：在挤压后期由于金属产生径向流动，（F1部分需要秒供应量比F2部分的秒供应量多得多）在挤压后期对F1部分的金属供应不足要比对F2部分严重得多。

39挤压制品组织不均匀产生的原因为何？P31

1.摩擦：在制品横断面上，由于外层金属在挤压筒内受摩擦阻力作用而产生剪应力使外层金属的晶粒破碎较大，内层金属破碎程度较小、

2.挤压温度与挤压速度、3合金相

40挤压力与拉拔力计算方法

挤压力计算：实测法主柱塞力P

主柱塞主柱塞面积垫片垫片面积σησ??=?A A

①应变片、应力仪

②机械法

挤压力计算简式：垫片面积A P

j ?=σ s s j n σσ?= 其中s n 是挤压应力状态系数；s σ为坯料实际变形抗力。

So T s n n n σσ???=变形速率变形程度

拉拔力计算：1.实测法：①拉力试验机上测定拉拔力的装置；②液压测力计；③电阻应变片和示波器。2.理论计算法：①平均主应力法②滑移线法③上界法④有限元法。 41反向挤压同正向挤压比较有什么特点？什么情况下采用反向挤压？

优点：①除位于死区处的金属与挤压筒有相对滑动外，其他部位的金属与挤压筒壁并不发生相对滑动。因此摩擦力对反向挤压的影响小。②反向挤压时，由于变形区小，流动均匀，

因此使挤压缩孔和压余少，制品的力学性能较均匀，此外，反向挤压所需的挤压力低。

缺点：力学性能低，表面质量差。

生产大直径（约300mm以上）管材时，采用反向挤压法或联合挤压法，而生产带底的薄壁管时用冲击挤压法。