金属室温挤压成形中的流动规律—南理工

金属室温挤压成形中的流动规律
南京理工大学
材料科学与工程学院
2016．5. 30
1.实验目的 （1） 掌握挤
压变形过程中金
属流动规律的一
般测量方法。

（2） 学会分析考察轴对称挤压时金属流动区域的特性和产生原因。

（3） 学会计算金属沿挤压轴向的应力、应变值，并绘制其分布图。

（4） 学会分析考察变形过程挤压力的变化情况，掌握测量挤压时挤压力
的一般测量方法。

（5） 了解挤压模具模孔设计不当，可能引起金属出模孔时发生弯曲等的
原因。

2.实验原理
研究金属在挤压时的挤压力变化规律是非常重要的，因为挤压制品的组织性能、表面质量、形状尺寸和工模具的设计原则都与其密切相关。

影响挤压力的因素有：金属材料的变形抗力、摩擦与润滑、温度、工模具的形状和结构、变形程度与变形速度等。

挤压力的变化规律如图1所示。

班 级： 学 号： 姓 名： 安 志 恒
图1 挤压力随着挤压轴行程变化 研究挤压时金属流动规律的实验方法有很多种：如坐标网格法、观察塑性法、金相法、光塑性法、莫尔条纹法、硬度法等，其中最常用的是坐标网格法。

多数情况下，金属的塑性变形是不均匀的。

若将变形体分割成无穷多的单元体，如果单元体足够小，则可近似认为是此单元体发生的是均匀变形。

因此可借均匀变形理论来解释不均匀变形过程，此即为坐标网格法的理论基础。

此法中，网格应尽可能小，但考虑到单晶体的各向异性的影响，一般取边长为5mm ，深度为1～2mm 。

坐标网格法是研究金属塑性变形分布应用最广泛的一种方法，其实质是把模型毛坯制成对分试样，变形前在试样的一个剖分面上刻上坐标网如图2所示。

变形后根据网格变化计算相应的应变，也可由此得到应变分布。

坐标网可划成正方形或圆形，其尺寸根据坯料尺寸及变形程度确定，一般在2~10mm 之间。

图3为挤压成形后纵剖面的网格变化情况。

图2 挤压之前剖分面上的坐标网格
图3 挤压后剖分面上的坐标网格，坐标原点可以设在左下角，以使最终应变分布曲线分布在第一象限
图4为金属挤压变形后单元坐标网格的变化。

如图4a 所示，在正方形坐标网格内刻有内切圆。

若变形时坐标面上无剪应力，则正方形变成了矩形，内切圆变成了内切椭圆（图4b ），椭圆轴的尺寸和方向反映了主变形的大小和方向（即主轴的方向）。

若坐标面上作用有剪应力，则正方形变成了平行四边形，内切圆变成了内切椭圆，切点不在椭圆的顶点（图4c ），椭圆的轴与新的主应力方向重合，只要测出变形后椭圆的尺寸r 1、r 2，便可按照下式计算应变ε1和ε2，即
22011ln ;ln r r r r ==εε （1） 如果r 1、r 2难以测准，则可测量平行四边形的边长a 1，b 1和剪切角γ，然后
由下面关系式换算出r 1和r 2，即
212122*********])sin ([21])sin ([21b a b a b a r -+++=γ
γ （2） 212122*********])sin ([21])sin ([21b a b a b a r -+-+=
γγ （3） 依次测量挤压成形后试样纵剖面不同结点位置平行四边形的边长a 1，b 1和剪切角γ，代入上述表达式（1）,（2）和（3）即可获得该结点对应的应变，然后依次对结点进行计算，最后画出金属挤压成形的应变分布图。

(a) (b)
(c)
图4 单元坐标网格变形情况（a）变0形前（b）无剪应力变形后（c）有剪应力变形后，其中实线框为剪应力较小的情况，虚线框为剪应力较大的情况
3.实验设备、材料
实验设备
此实验主体设备为YJQ-500B金属卧式正向挤压机，最大主缸压力500吨，能够进行室温及加热条件下的棒材和管材挤压等操作。

图5 YJQ-500B卧式挤压机外观
模具：金属正挤成形专用模具，挤压筒入口直径80mm，出口直径30mm 实验材料
工业纯铅，Φ78×70 mm·mm; 润滑剂选用石墨与二硫化钼的机械混合物。

4.实验内容与步骤
（1）选取一套剖分好的纯铅试样，测量并记录实际试样尺寸。

（2）将试样分开并进行拍照，对原始坐标网格进行计算。

（3）用粉笔灰对坐标网格进行填充，以便清晰反映变形流线。

（4）将样品放入卧式挤压机挤压筒内。

（5）安装好挤压模具。

（6）开机，接通挤压机主电源，5秒内打开电机开关。

合模、挤压杠进，对剖分试样进行室温挤压变形。

当挤压杠前进位置接近限位开关时完成挤压变形。

挤压杆退，开模、停电机、断开电源，分步操作。

最后对变形后试样进行剪切。

（7）对纯铅棒中心剖面的网格进行拍照、计算并分析前后的变化。

5.实验注意事项
（1）自备相机、直尺等。

（2）准备彩色粉笔末
（3）遵守实验室规章制度，安全规范操作。

（4）不能穿拖鞋进实验室。

6.实验报告
挤压前后剖分试样及流动规律
图6 挤压前剖分试样
图7 挤压后剖分试样
金属流动规律：正挤压时材料的流动方向与施力方向相同，金属坯料与挤压筒壁之间的滑动存在摩擦力。

正挤压时的材料流动一般可分为如下三个阶段：（1）开始挤压阶段坯料受轴向比力后，首先使坯料填满挤压筒和模孔，挤压力直线上升．
（2）基本挤压阶段在轴向力继续作用下，坯料的任一断面上的各质点，均以相同速度或以—定的速度差进入变形压缩锥。

坯料的外层流出模口后,仍处于制件的外层，而不会流入制件的中心。

靠近垫片和模子角落处的坯料不流动，
形成死区。

挤压时，变形区内的坯料呈三向应力状态，即轴向压应力、径向压应力和周向压应力。

（3）终了阶段是指挤压筒内坯料长度小到接近变形区压缩锥的高度时。

此时压力重新升高，外层坯料向中心急潮流动，“死区”的积料也开始流向模孔，形成“挤压缩层”的。

定量计算
问题、意见与建议
实验中，可以考虑通过蘸取荧光液对样品网格进行标记，同时人工取样品耗时耗力，建议可以反向取样来达到目的。

7．思考题
1、金属在室温进行挤压变形时，哪些因素会影响金属的流动？请分别进
行描述。

（1）摩擦与润滑的影响：用表面粗糙磨损的挤压筒内衬挤压时，金属流动不均匀；无润滑挤压时，产生很大的摩擦阻力，变形扩展很深，金属流动不均匀；润滑挤压时，摩擦阻力小，变形区在模子附近，金属流动较均匀；挤压管材时，锭坯中心部分受穿孔针摩擦力和冷却作用，降低了其流动速度，挤压管材时比挤压棒材金属流动要均匀。

（2）锭坯温度与挤压筒温度的影响：对多数金属，如黄铜等，随着锭坯温度升高，摩擦系数增大，金属流动不均匀。

由不同合金的导热性不同，纯铜的导热系数较高,锭坯内外层金属的温差较小，使变形抗力接近一致。

而导热性低的合金,锭坯断面上温度若分布不均匀，金属的变形抗力也不同。

温度的改变，使合金可能发生相变，影响金属流动的均匀性。

挤压筒温度升高，金
属流动趋于均匀。

因为挤压筒温度升高，使锭坯内外层温度差减小，挤压时金属内外层变形抗力趋于一致,使得挤压过程中的金属流动均匀。

对传热系数低的金属，锭坯径向上的温度分布和硬度分布都很不均匀，其金属流动不均匀程度严重。

（3）挤压工具形状和结构的影响：挤压生产时,最常用的挤压模具有两种类型:平模和锥模。

模角增大挤压时死区高度增大，金属流动间的摩擦作用增大,当模角增大到90°时，金属流动最不均匀，所以,锥模挤压时要比乎模挤压时金属流动均匀。

（4）变形程度与挤压速度的影响：变形程度增加时，锭坯中心层与表层金属的流动速度差增加，金属流动的均匀性下降。

金属流出速度与延伸系数成正比例增加，一般是挤压速度大，金属不均匀流动加剧，由于挤压速度大来不及软化，从而加快了加工硬化，使金属塑性降低。

此外，挤压速度的提高，增加了变形热效应，使锭坯温度升高,有可能进入高温脆性区，降低了金属加工塑性。

（5）金属强度特性的影响：强度高的金属比强度低的金属流动均匀，对同一种金属，低温时强度高，其金属流动要比高温时的均匀。

2、对本实验中可能造成误差的各个因素进行分析与讨论，提出改善误差的方法与手段等。

造成误差的因素可能有：在使用网格法时，用粉笔涂抹网格造成的模糊，以及网格的本身有一定的宽度，使得在标定变形流线时出现误差。