金属塑性加工课程设计

目录

摘要 (3)

目的 (3)

要求........................................................................... ..3

工艺设计 (4)

1 H62黄铜的性能 (4)

1.1H62黄铜的化学成分 (4)

1.2 H62黄铜的物理性能 (4)

1.3 H62黄铜的机械性能 (4)

1.4 H62黄铜的工艺性能 (4)

1.5H62黄铜的化学性能 (5)

1.6H62黄铜的杂质影响 (6)

2 产品的技术要求及质量要求 (7)

2.1产品的技术要求 (7)

2.2产品的质量要求 (7)

2.3挤压制品的层状组织 (8)

3生产流程的确定及各工序的说明 (8)

3.1生产流程的确

定 (8)

3.2生产流程图设计 (9)

3.3各工序说明 (10)

4 锭胚尺寸形状、表面质量要求及技术要

求 (10)

4.1挤压比的选择 (10)

4.2锭坯直径的选择 (10)

4.3锭坯长度的选择 (11)

4.4制品表面质量及技术要求 (11)

5挤压工艺参数的选择及计算 (12)

6 计算挤压力，挤压机和拉拔机形式及吨位，选择设备主要技术参数 (12)

6.1挤压力的确定 (12)

6.2挤压机机形式及吨位，选择设备主要技术参数 (13)

6.3拉拔力的确定 (14)

6.4拉拔机形式及吨位，选择设备主要技术参数 (15)

7 拉拔配模设计，计算拉拔力及校核各道次安全系

数 (15)

7.1 拉拔配模设计 (15)

7.2 计算拉拔力及校核各道次安全系数 (17)

8 各道次拉模尺寸计算、绘制拉模示意图 (20)

8.1各道次拉模尺寸计算 (20)

8.2拉模示意图 (21)

设计体会.. (22)

参考文献 (23)

摘要

目的

《金属塑性加工》是材料科学与工程专业金属压力加工专业方向的主要专业课之一，其在材料行业中有重要的地位和作用。为进一步掌握课程内容并为毕业设计打下良好基础，对有色金属材料的挤压工艺和拉拔工艺规程制定方法，工作步骤的掌握，各项工艺参数的确定，力能参数的确定等若干方面进行训练。通过该课程设计的训练，培养学生独立思考的能力，提高分析问题、解决问题的能力，使学生的工程设计能力得到锻炼和提高。要求

以铝及铝合金或铜及铜合金坯料经挤压—拉拔后成型为管、棒、线的整个生产工艺进行设计和计算最终达到产品设计的要求。

工艺设计

1 H62黄铜的性能

1.1 H62黄铜的化学成分

H62黄铜的化学成分如下表1-1

1.2 H62黄铜的物理性能

H62黄铜的物理性能如下表1-2

表1-2 H62黄铜的物理性能

1.3 H62黄铜的机械性能

H62黄铜的机械性能如下表1-3

1.4 H62黄铜的工艺性能

黄铜的凝固温度范围小，偏析小，流动性好，易形成集中缩孔。高锌黄铜（30%～33%）的凝固温度较宽，若冷却速度快，铸锭中心部含锌量可能高一些，会出现少量β相。

单相α黄铜有良好的加工性能，其塑性随着锌含量的增加而增加，出现β‘相之前达到最大值热轧前的加热一方面能提高铸锭的塑性，另方面能消除其大部分偏析，达到接近平衡结晶的状态。

双相黄铜组织中存在硬而脆的β‘相，强度高、塑性低，但在高温下β相的软化速度比α相的快。

β黄铜于室温下即硬又脆，但在高温有良好的塑性，比α更易加工。

黄铜在200～700℃区间内存在脆性区，因此应避免在脆性区加热。脆性区大小与高低决定合金的锌含量。脆性的出现十分复杂，主要决定于微量杂质铅、锑、铋等的含量。

双相黄铜挤压材前后组织和性能往往会有较大差别。（α+β）黄铜的加工硬化比α黄铜的快，且其塑性随着β‘相的增加而急剧下降，应严格规定冷加工率。加工率的双相黄铜在退火时α相在300℃左右开始再结晶，而β相的再结晶则高一些。生产中的退火温℃为600～700℃，最好采用快速加热法，以获得细晶粒组织。

冷加工黄铜材应在270～350℃进行应力消除退火，以消除应力腐蚀开裂。

1.5 H62黄铜的化学性能

1.6 H62黄铜的杂质影响

H62黄铜中不可避免的杂质有铁、铅、铋、锑、砷等

1.6.1 铁

铁在固态铜中的溶解极少，呈富铁相质点分布于α基体中，有细化晶粒的作用。杂质铁对黄铜的力学性能无明显影响。

1.6.2 铅和铋

铅和铋在简单黄铜中是有害杂质，铋的危害比铅的达4～9倍。铅呈颗粒状存在于晶界上的易熔共晶体中。

铋在黄铜中呈连续的脆性薄膜分布于晶界上，使黄铜在冷、热加工时发脆。

向含铅、铋的简单黄铜中添加少量的锆之类的元素，使它们形成Zr

X Pb

y

(2000℃)、

Zr

X Bi

y

(2200℃)高熔点化合物，可消除它们的危害。

1.6.3 锑

锑在铜中的溶解度随着温度的下降而急剧减小，在其含量还不到0.1%时，就会形成脆性的Cu2Sb,呈网状分布于晶界，使黄铜的冷加工性能大幅度下降。锑还使铜合金产生热脆性。向黄铜添加微量锂可形成高熔点（1145℃）化合物Li3Sb,呈细小颗粒分布于晶粒内，从而消除了锑的不利影响。由于锑在高温下在铜中的溶解度较大，因而固溶处理可提高含锑黄铜的冷加工性能。

1.6.4 磷

黄铜中磷含量大于0.05%时，就会形成脆性的Cu

3

P，降低黄铜的加工性能。磷显着提高黄铜的再结晶温度，使再结晶晶粒粗细不均。

1.6.5 砷

砷在室温黄铜中溶解度小于0.01%，量大时则形成脆性的化合物Cu

3

As,分布于晶界，降低黄铜的加工性能。含0.02%～0.05%的黄铜抗腐蚀性能得到提高，不会产生脱锌现象。

1.7 H62黄铜的特性及主要用途

1.7.1 H62黄铜的特性

H62黄铜有很高的强度，热加工性好，冷加工性中等，可切削性好，易焊接，抗腐蚀性能强。

1.7.2 H62黄铜的主要用途

H62黄铜主要用于制造导管、夹线板、环形件、热交换器的零件、制糖机械、船舶、造纸机械等零部件，乐器等的原材料。

2产品的技术要求及质量要求

金属材料显微组织参量包括：晶粒平均尺寸、亚晶平均尺寸、晶粒形状，亚晶尺寸与取向差，材料不均匀粒度的特征与程度，织构的存在与形式等。

2.1 挤压制品组织的不均匀性

与其他热加工方法相比较，挤压制品组织的特点是，在其断面上与长度分布都很不均匀。一般来说，总是沿长度上前端晶粒粗大后端细小，沿断面径向上中心晶粒粗大外层细小。挤压制品的组织在断面上和长度上的不均匀性主要是由于变形不均匀引起的。导致挤压制品的组织在断面上和长度上的不均匀的另一个因素是挤压温度和速度的变化。

2.2 挤压制品的粗大晶粒组织

许多具有实用价值，通常成分复杂的合金在热变形后的热处理中，经常会形成异常大的晶粒，其尺寸超过原始晶粒尺寸的（10～100）倍，比临界变形后热处理所形成的再结

晶晶粒大的多，晶粒这种异常长大过程称为粗化，这种组织称为粗晶粒。晶粒粗化一般只在局部出现，这样的制品组织具有明显的不均匀晶粒尺寸而被称为晶粒不均匀或组织不均匀。

某些铝合金挤压的棒材和低碳钢镦压块，在淬火加热过程中出现制品周边的粗晶区（称为粗晶环），便是粗晶不均匀的典型例子。

（1）粗晶环的分布规律

单孔模挤压的铝合金帮在淬火后形成的周边粗晶环。由于模孔距挤压筒壁的距离相等，故粗晶环均匀的分布在周边上。

多孔模挤压圆棒经淬火后，粗晶环出现在局部周边上，呈月牙形。局部周边上的月牙形粗晶环依模孔数不同略有差别。模孔数少，月牙形粗晶环较长，模孔数多则月牙粗晶环短。

型材或异性棒材断面上的粗晶环分布不均匀。在型材角部或转角区，粗晶环的厚度较大、晶粒较粗。

（2）粗晶环的形成机理粗晶环产生的部位会形成粗晶环的金属材料及其出现时间。

（3）形成粗晶环的影响因素：①合金元素②铸锭均匀化③挤压温度④应力状态

2.3 挤压制品的层状组织

层状组织也叫片状组织，其特征是折断后的制品断口呈现出与木质相似的形貌。分层的断口凹凸不平并带有裂纹，各层分界面近似平行于轴线。继续压力加工或热处理均无法消除这种层状组织。它对制品纵向力学性能影响不大而使横向机械性能有所降低。层状组织的产生，主要归因于铸造组织不均匀，其次，由于挤压时，在强烈的两压一拉的主变形状态下，铸造组织内所存在的这些缺陷在周向上压薄、轴向上延伸，而呈层状。

挤压制品的质量控制

当挤压工艺、模具与挤压机的各参数控制不当时，这些行为的综合作用致使制品出现种种缺陷，降低质量，增加工艺废品量，降低成品率。挤压制品的质量包括：横断面上和长度上的形状与尺寸，表面质量，以及其组织和性能等。

3 生产流程的确定及各工序的说明

3.1生产流程的确定

（1) 根据成品拉拔坯料直径确定挤压坯料的尺寸规格；

（2）确定挤压温度、挤压比及挤压筒直径；

（3）挤制获得拉拔坯料；

（4）根据成品直径确定拉拔规格；

（5）计算总延伸系数，确定拉拔道次和中间退火次数；

（6）确定各道次拉拔后线材直径；

（7）计算各道次延伸系数。校核它们是否符合要求，并进行必要的调整。

3.2 生产工艺流程图（图3-1）

图3-1生产工艺流程图

3.3 各工序说明

中间退火

中间退火的目的是为了消除坯料在冷加工时产生的加工硬化现象。降低变形抗力，恢

复塑性。使坯料能继续顺利的进行拉伸，而不发生断裂现象。因此，中间退货的温度要高于合金再结晶温度。在退火过程中一方面要使金属能充分发生再结晶。另一方面要注意控制再结晶后的晶粒度，防止晶粒粗大，确保坯料在退火后的组织与性能。

成品退火

制品的交货状态有硬状态、软状态或半硬状态之分。不同交货状态的制品，其内部组织与性能要求不同。故成品退火的目的，是使产品达到所需要求的性能指标。在条件允许时，最好采用无氧化退火，这样可以免除酸洗，保持金属光泽。

酸洗

热加工及每次退火后，铜及其合金的表面上形成氧化铜和氧化亚铜。酸洗的目的就是利用一种酸或几种酸的水溶液附在金属表面上的氧化物起化学反应，去除氧化物后使金属显出本色。

H62黄铜的酸洗规程

4 锭胚尺寸形状、表面质量要求及技术要求

4.1挤压比的选择

挤压比是指在挤压时挤压筒断面积与制品断面积的比值,一般根据金属或合金的塑性、产品性能以及设备能力等因素综合确定，挤压比的数值大致控制在6～100范围内。为了获得表面质量较好的挤压制品，挤压比一般不得小于20；在挤压时，锭坯与挤压机能力的关系为：挤压力与挤压比的对数（λ

i=）成正比。因此应综合考虑挤压比和金属材

ln

料的塑性。黄铜的塑性较好,因此挤压比可取得大一些，本设计拟定取挤压比λ＝40

4.2 锭坯直径的选择

挤压管材、棒材时，锭坯的直径，一般按照挤压筒与锭坯之间的间隙进行选择： p D ——锭坯外径； 0D ——挤压筒直径；

D ?——使锭坯和针顺利进入又不产生纵向裂纹的间隙值，根据经验，取D ?＝3。

设计产品黄铜棒的直径为1D ＝10.5mm ，则锭坯直径 挤压筒直径

4.3 锭坯长度的选择

一般来说，在一定的锭坯的体积情况下，锭坯的长度越长，在挤压后期压余金属的损失就越少，金属的收得率增加。但是，过分增加锭坯的长度，可能会使挤压后期金属显着冷却，从而导致制品组织和性能不均匀；此外还会出现挤不动的情况。

一般挤压棒材时，锭坯长度为其直径的2～4倍。

因此，本设计中取m 199.0mm 23.19941.6633l p ==?=?=P D 。 4.4 制品表面质量

挤压制品表面要清洁、光滑，不容许有起皮、气泡、裂纹、粗划道、夹杂以及腐蚀斑点，容许表面有深度不超过直径与壁厚容许偏差的轻微擦伤、划伤、压坑、氧化色和矫直痕迹等。对需继续加工的毛料，可在挤压后进行表面修理，以除去轻微气泡、起皮、划伤与裂纹等缺陷以保证产品质量。 (1）裂纹

裂纹的产生与流动不均匀所导致的局部金属内附加啦应力大小有关。裂纹产生的过程，是一种能量聚集与释放的过程，裂纹的产生与扩展是能量的消耗或释放的过程。由上述可知，裂纹的产生原因主要是由于金属流动不均匀导致出现拉应力的结果。但是如果合金在此条件下具有足够的强度，则不一定会产生裂纹。 (2）气泡与起皮

铸造过程中，析出的或未能溢出的气体分散于铸锭内部。挤压前加热时，气体通过扩散与聚集形成明显的气泡。在较高的加热温度下，气泡界面上的金属可能被氧化而未能在挤压焊接时焊合。如H62和H68黄铜的气泡内表面上监测出氧化锌膜。若冷却水与润滑油进入筒壁上，锭坯与筒壁间间隙较大，挤压时有可能生成金属皮下气泡。

若挤压过程中，特别是在模孔内，浅表皮下气泡被拉破。则形成起皮缺陷。挤压末期产生的皮下缩尾，在出模孔前表面金属不连续，也会以起皮缺陷呈现出来。

(3）异物压入异物压入是指，非基本金属压入制品表面成为表面的一部分或剥落留下凹凸的疤痕等缺陷。异物来源可能是，工具表面上粘结的冷硬金属；不完整的脱皮；锭坯带入筒内的灰尘与异物等。

(4）划伤与擦伤

挤压过程中，残留工具与导路、承料台上的冷硬金属，摩擦后的凹凸不平的工具表面，都会在制品表面上留下纵向沟槽或细小擦痕，使制品表面存在肉眼可见的缺陷

(5）挤压制品焊接质量

在无穿孔系统挤压机上用实心锭坯挤压焊接性能良好的良好的铝合金空心型材与管材时，一般使用组合模。镦粗后的锭坯在挤压力作用下被迫分为2～5股通过分流孔，然后在环状焊合腔内高温高压条件下焊合并流出模孔成材。因此，实际上存在着纵向直焊缝，焊接数即为分流空数。焊缝强度不合要求的制品横向机械性能差。

5 挤压工艺与拉拔工艺参数的选择及计算

5.1 挤压工艺参数的确定

(1) 查表7-2，H62的挤压时锭坯的加热温度

挤压筒温度

(2）查表7-3，H62的挤压时金属流出速度

挤压速度

(3）查表3-1，平模正挤压时，?=60α (4）挤压比 (5）挤压时间

6 计算挤压力，挤压机形式及吨位，选择设备主要技术参数 6.1 挤压力的确定

(1）查表3-2，H62在650℃热加工时的抗拉强度 (2）查表3-4， (3) 0zh S 的确定 (4）Szh1 的确定 (5）zh S 的确定

(6）无润滑挤压但金属粘结工具不严重时 (7）摩擦系数的确定

无润滑挤压，但金属粘结工具不严重时 带润滑挤压时

(8）根据体积不变定律 (9）设计H62润滑带长度 (10）坯料断面面积 (11）S R 的确定 (12）t T 的确定 (13）zh T 的确定 (14）g T 的确定 (15）挤压力P 的确定

6.2 挤压机的选取及主要技术参数

根据挤压工艺参数及挤压力选取挤压机为四柱卧式，其主要技术参数如下： 挤压能力：3.5MN

最大挤压速度：33mm/s 挤压行程：750mm 挤压筒长度：340mm 挤压筒内径：70mm 传动方式：泵站 工作液体：乳液 额定比压：2.5MPa 6.3 拉拔力的计算

彼得洛夫公式:）（αλσfcot 1ln +??=K K L F P

式中 L P ——拉拔力； K σ——变形抗力； K F ——拉伸后断面面积； λln ——延伸系数的自然对数； f ——摩擦系数； α——拉伸模角；

αfcot 1+——彼得洛夫公式中的系数（表5—5—16）； 0d ——拉伸前线材直径，mm ；

K d ——拉伸后线材直径，mm ；

ε——道次加工率，%

相关参数 ?=9α mm 110=d m m 48.6=K d 2m m 96.32=K F 20mm 985.94=F

06.196

.32985.94ln ln

ln 0===K F F λ %65985

.9496.32985.9400=-=-=

F F F K ε 查表得a 750MP K =σ 6.4 拉拔机的机型选取及主要技术参数

此次拉拔设计中选择滑动式多次拉线机，相关参数见表6-1。《有色金属及合金加工手册》

表6-1滑动式多次拉线机参数

7 拉拔配模设计，计算拉拔力及校核各道次安全系数

7.1 拉拔配模设计 (1）计算原始值 (2）总延伸系数

(3）由表13—4，H62的平均道次延伸系数17.1=λ

n 取7道次

(4) 表13-3，得H62两次退火间平均总延伸系数3.1=λ N 取4道次

安排退火道次为1、3、5、7道次拉后 (5）08.117.17===λλ （6）721λλλλΛ=∑

（7）按经验分配i λ ，1λ、7λ 取小，退火后第1道次取大，2λ、4λ、6λ 取大

（8）各道次的断面面积及直径大小

（9）模子选用硬质合金，拉拔时的平均摩擦系数f=0.07，模角α为9°。参数

44.09tan 07

.0tan f =?

==

αB 。 （10）线材拉拔应力的计算公式为

}tan 3

34

])(1)[1{

201s l ασσ+-+=B D D B B （ 式中 l σ——拉拔应力

s σ——金属材料的平均变形抗力 B ——参数

0D ——拉拔坯料的原始直径 1D ——拉拔线材的出口直径 7.2 拉拔应力计算及安全系数K 的校核

(1）%7%100985

.9441

.81985.94211=-?=

ε 查重有色金属加工手册（图4-5-27），b σ=380MPa ，s σ=280MPa 30.28

.164380

1l b11===

σσK （安全） (2）%5.11%7%100)41

.8184.6741.81(212=+?-?=

ε 查重有色金属加工手册（图4-5-27），b σ=400MPa ，s σ=3OOMPa

08.27

.192400

2l b22===

σσK (安全)

(3）%7%100)84

.6749.5784.67(213=?-?=

ε 查重有色金属加工手册（图4-5-27），b σ=380MPa ，s σ=280MPa

18.23

.174380

3l 33===

σσb K (安全) (4）%0.12%7%100)49

.5739.4849.57(214=+?-?=

ε 查重有色金属加工手册（图4-5-27），b σ=420MPa ，s σ=32OMPa

1.28

.199420

4l b44===

σσK (安全) 5）%7%100)31

.4865.4131.48(215=?-?=

ε 查重有色金属加工手册（图4-5-27），b σ=380MPa ，s σ=280MPa

30.28

.1643805l 55===σσb K (安全)

6）%0.11%7%100)65

.4160.3565.41(216=+?-?=

ε 查重有色金属加工手册（图4-5-27），b σ=400MPa ，s σ=30OMPa

2.20

.180400

6l b66===

σσK (安全) 7）%15%11%100)60

.3596.3260.35(217=+?-?=

ε 查重有色金属加工手册（图4-5-27），b σ=450MPa ，s σ=325MPa

15.10

.3900.4507l 77===σσb K (安全)

8 各道次拉磨模尺寸，绘制拉模示意图

本设计选用锥形模，原料为直径10.5mm ，M 态黄铜线，拟拉为直径6.5mm 的铜线。因锥形模孔的四个带即为润滑带、压缩带、定径带、出口带的尺寸如下：在设计选用的润滑

带锥角β值为50°,润滑带长度取r L =1.51D ；压缩带的长度αcot )5.0a l 1max 0y D D -?=（

，模角α为9°,a=1.3；定径带长度取d L =0.51D ；出口带的长度取αL =0.31D ，出口锥γ为45°。

七组拉拔模具的具体数据如下表8-1

图8-1 拉拔模孔的几何形状

Ⅰ-润滑带；Ⅱ-压缩带；Ⅲ-定径带；Ⅳ-出口带

心得体会

课程设计在今天算是正式结束了，通过这次课程设计我又一次认识到了课程设计的重要性。它不仅仅是让我们把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，更重要的是同学间的团结，虽然我们这次花去的时间比别人多，但我相信我们得到的东西也比其他组多。通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。

参考文献

[1] 王祝堂，田荣璋，铜合金及其加工手册［M］，中南大学出版社，2006；

[2] 重有色金属材料加工手册编写组，重有色金属材料加工手册（第1、4、5分册）[M]，冶金工业出版社，1980；

[3] 马怀宪，金属塑性加工学[M]，冶金工业出版社，2006；

[4] 温景林等，有色金属挤压与拉拔技术[M]，化学工业出版社，2007；

[5] 李巧云，重有色金属及其合金管棒型线材生产[M]，冶金工业出版社，2009；

[6] 子群等译着，有色金属及其合金加工手册[M]，中国工业出版社，1965；