第四章--拉拔配模

第四章 拉拔配模

1 拉拔配模

为了获得一定尺寸、形状、力学性能和表面质量的优良制品，一般要将坯料经过几次拉拔来完成。拉拔配模设计或称为拉拔道次计算，就是根据成品的要求（有时还包括坯料尺寸）来确定拉拔道次及各道次所需模孔形状、尺寸的工作。

正确的配模设计，除能满足上述要求外，还应尽量保证在减少断头、拉拔次数和裂纹、裂口等缺陷的情况下，减少拉拔道次以提高生产率和设备利用率。 1.1 拉拔配模分类

拉拔配模分为单模拉拔配模和多模连续拉拔配模。 1.1.1 单模拉拔配模

在拉拔机上，坯料每次只通过一个模子的拉拔，而确定每道次拉拔所需拉模尺寸、形状的工作称为单模拉拔配模。对单模拉拔配模较容易，主要考虑保证产品质量和拉拔安全系数的要求，在满足此要求的前提下，应尽量采用大的加工率，提高生产效率，单模拉拔主要用于管棒型材生产。 1.1.2 多模连续拉拔配模（略） 1.2 拉拔配模设计的原则

①最少的拉拔道次，要求充分利用金属的塑性，提高生产率，降低能耗，减少不均匀变形程度，为此在保证拉拔稳定的条件下，尽可能增大每道次之延伸系数。

②要求拉拔变形尽量均匀，最佳的表面质量，精确的尺寸，保证产品的性能。 ③要与现有设备参数（模数、速度）、设备能力（拉制范围、生产率）等相适应。总之，拉拔配模设计在材料强度、塑性允许、保证产品产量与质量的情况下，尽可能增大每道次的延伸系数。 1.3 坯料尺寸的确定

（1）圆形制品坯料尺寸的确定

在拉拔圆形制品—实心棒、线材以及空心管材时，如果能确定出总加工率，那么根据成品所要求的尺寸就可确定出坯料的尺寸。在确定总加工率时要考虑如下几个方面。

①保证产品的性能 拉拔时，加工率对制品的力学性能和物理性能有很大的影响，拉拔的总加工率（指退火后）直接决定制品性能。对软制品来说，关于总加工率一般没有严格的要求，在实际生产中软制品的力学性能通过成品退火来控制。但是为了使制品不产生粗晶组织，应避免采用临界变形程度进行加工。对半硬制品（用拉拔控制性能时）和硬制品来说，应根据加工硬化曲线查出保证规定力学性能所需要的总加工率，并以此为依据，推算出坯料的尺寸。

②操作上的要求 这个问题主要是管材拉拔时应考虑的问题，因为在管材拉拔时不仅有坯料直径的变化，而且还要壁厚的变化。在衬拉时，每道次必须既有减壁量又有减径量，单有减壁量无法装入芯头，拉拔不能进行。另一方面，总减壁量过大，以及总减径量过小的现象也不允许发生。这主要是因为经过几道次拉拔后管径可能已达到成品尺寸，而管壁仍大于成品尺寸，致使拉拔无法进行。因此，在拉拔圆管时，坯料的尺寸应保证：减壁所需的道次小于或等于减径所需要的道次。减径所需的道次数大于减壁所需的道次数，不但允许而且在生产小直径管材时也是必需的。这是由于管壁厚度已达要求时，可改用空拉减径，而壁厚可基本保持不变。因而，一般在确定管坯尺寸时，总是先定出管壁厚的尺寸，根据坯料及成品壁厚计算出减壁所需的道次，然后由此推算出与此相应的管坯最小外径。由管坯及成品壁厚计算减壁所需的道次数有两种方法。

ns=㏑

s0/㏑s sk或者 ns=（s0-sk）/s 式中 ns—减壁所需道次数；

s0，sk—管坯及成品壁厚；

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s—平均道次壁厚延伸系数；

s—平均道次减壁量。

由管坯及成品外径计算减径所需之道次数nD经常用以下方法：

nD=

D0Dk D式中 D—平均道次减径量；

D0,Dk—管坯及成品外径。

③保证产品表面质量 由挤压或轧制供给的坯料，一般总会有些缺陷，如划伤、夹灰等。拉拔的特点是在轴向上，主应力与主变形方向一致，因此坯料中的一些缺陷会随着拉拔道次和总变形量的增加而逐渐暴露于制品的表面，并可即时予以去除。故适当增大总变形量对保证制品质量有好处。但对空拉而言，过多道次空拉会降低管子内表面质量，使表面变暗、粗糙，甚至出现皱纹。所以在制定拉拔工艺时应控制空拉道次及其总变形量。在生产对壁厚和内表面要求严格的小直径管材时，尽管操作困难、麻烦，也不得不采用各种衬拉。根据生产实践经验，各种金属管材所用管坯的壁厚皆应有一定的最小加工余量，如表所示。 合金 紫铜 黄铜 ④ 根据坯料制造的条件及坯料具体情况选定 用挤压和轧制供给的坯料，由于受设备条件所限，其规格总有一定的公差范围，而且为了便于技术管理，其规格数量也不能很多。所以确定坯料尺寸，应考虑具体的生产条件，恰当地选取坯料的尺寸。

另外，若管坯的偏心比较严重，那么管坯直径的尺寸应选大些。可适当增加空拉道次，以便更好地纠正偏心。综上所述，在保证产品质量的前提下，应努力提高生产率，坯料断面尺寸尽可能地取小些为好。

关于坯料的长度选择，为了提高生产效率和成品率，根据设备条件和定尺要求应尽量选得长些，并可通过计算加以确定。坯料的长度由成品长度、∑、夹头长度、切尾余量和设备允许的长度综合确定。一般情况下，理论计算拉拔长度L1=nL2+800～1500mm(L2为成品长度，可结合道次表举例说明)。

（2）异型管材拉拔坯料尺寸的确定（略） 1.3.2 中间退火次数的确定

坯料在拉拔过程中会产生加工硬化，塑性降低，使道次加工率减小，甚至频繁出现断头、拉断现象。因此需要进行中间退火以恢复金属的塑性。中间退火的次数用下式确定

N=

管坯壁厚余量（s0-sk）/mm 1～3.5 1～2 合金 青铜 管坯壁厚余量（s0-sk）/mm 1～2 lnln'-1

式中 N—中间退火次数；

—由坯料至成品总延伸系数；

'—两次退火间的平均总延伸系数。

对固定短芯头拉管，中间退火次数还可用下式计算

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N=

s0sk-1 s'或者 N=

n-1 n式中

s0，sk—坯料与成品壁厚，mm；

s'—两次退火间的总平均减壁量，mm；

n—总拉拔道次数；

n—两次退火间的平均拉拔道次数。

中间退火次数的关键是'（s'，n）值，'太大或太小都会影响生产效率和成品率。如果'太小，则金属塑性不能充分利用，会增加中间退火次数。若'太大，则中间退火次数虽然减少了，但是易造成拉拔材出现裂纹、断头、拉断等。因此，'值要根据实践经验确定，下表为'、n的经验值。

1.3.3 拉拔道次及道次延伸系数分配 （1）拉拔道次的确定

根据总延伸系数和道次的平均延伸系数确定拉拔道次n

n=

lnln

或者由道次最大延伸系数max计算拉拔道次n’,即

n’=

ln

lnmax然后选择实际拉拔道次n。 （2）道次延伸系数的分配

① 经验法 在分配道次延伸系数时，应考虑金属的冷硬速率、原始组织、坯料的表面状态和尺寸公差、成品精度及表面质量等。对于道次延伸系数分配，一般有两种情况：第一种是像铜、铝、

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镍和白铜那样塑性好、冷硬速率慢的材料，可充分利用其塑性给予中间拉拔道次较大的延伸系数，由于坯料的尺寸偏差以及退火后表面的残酸、氧化皮等原因，第一道采用较小的延伸系数；最后一道延伸系数较小有助于精确地控制制品的尺寸公差；第二种是像黄铜一类的合金，它的冷硬速率很快，稍予以冷变形后，强度急剧上升使继续加工发生困难。因此，必须在退火后的第一道尽可能采用较大的变形程度，随后逐渐减小，并且在拉2～3道次后便需退火。

在实际生产中，最后成品道次的延伸系数K，往往近似按下式选取

K=

 而中间道次的延伸系数的分配要根据上述的道次延伸系数的分配原则确定。中间道次的延伸系数大约为1.25～1.5，而成品道次的延伸系数大约为1.10～1.20。下表为铝合金道次延伸系数的实际经验数据。

② 计算法（略，留作自己钻研）。

1.4 配模设计

1.4.1 单模拉拔配模设计

(1)圆棒拉拔配模（略） （2）型材拉拔配模（略） （3）圆管拉拔配模

①空拉管材配模设计 对于直径小于￠16～20mm的管子，由于放芯头困难，为了操作方便，提高生产率，常采用空拉。只有对于内表面质量要求高的毛细管、散热管，尽管在其直径小于￠6～10mm时也仍采用衬拉。在确定空拉道次变形量时，除了要考虑金属出模口的强度以防拉断外，还应考虑管子在变形时的稳定性的问题，特别是对薄壁管来说，决定道次加工率的因素已不是强度，而是它的稳定性。也就是说，当压缩量增加到一定程度时，管子将产生纵向凹陷。为了防止凹陷，一般认为在=10°～15°时，空拉道次减径量的值不超过壁厚6倍是稳定的，即D0-D1＜6s0。

② 固定短芯头拉管配模设计 固定短芯头拉拔所使用的坯料可以由挤压、冷轧管或热轧管法供给，在拉拔时，由于金属与芯头接触摩擦面较空拉时的大，所以道次延伸系数较小。对塑性良好的金属，如紫铜、铝和白铜等管材，道次延伸系数最大可达1.7左右，两次退火间总延伸系数可达10，一般来说，可以一直拉到成品而无需中间退火。大直径的管材（￠300～160mm）的道次延伸系数和两次退火间的延伸系数主要是受拉拔设备能力的限制，通常拉拔2～5道次后要退一次火，道次延伸系数为1.10～1.30。

对于钢及冷硬速率快的有色金属，如H62、H68、HSn70-1、硬铝等管材，一般在拉拔1～3道次后即需进行中间退火，道次延伸系数最大也可达到1.7左右，一般道次平均延伸系数为1.30～1.50。

下表是国内采用固定短芯头拉拔各种金属管材时常用的延伸系数。

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固定短芯头拉拔时，管子外径减缩量（减径）一般为2～8mm，其中小管用下限，大管用上限。只有对￠200mm以上的退火紫铜管，其减径量达10～12mm。道次减径量不宜过大，以免形成过长的“空拉头”，即管子前端未与芯头接触的厚壁部分；此外，还会使金属的塑性不能有效地用于减壁上，因为衬拉的目的主要使管坯的壁厚便薄，也就是说，在衬拉配模时应该遵循“少缩多薄”的原则。“少缩多模”也有利于减小不均匀变形，减少空拉阶段时的壁厚增量和使芯头很好地对中，减少管子偏心。对铝合金管，减径量过大还会降低其内表面质量。固定短芯头拉拔时不同金属的减壁量如下表所示。

在拟订拉拔配模时，为了便于向管子里放入芯头，任一道次拉拔前管子内径dn必须大于芯头的直径dn′，一般为

dn- dn′≥a

式中，a=2～3mm。

因此，管坯的内径d0与成品管材内径dk之差，必须要满足下列条件

d0-dk≥na

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式中，n---拉拔道次。

管材每道次的平均延伸系数要遵守下列关系

式中，数；

——与总延伸系数

相对应的管子平均直径总延伸系数和壁厚总延伸系

——管子道次的平均直径延伸系数与壁厚平均延伸系数。

上式说明，管子每道次的平均延伸系数等于相应的平均直径延伸系数D与壁厚平均延伸系数s的乘积。下表为管材固定短芯头拉拔时的直径与壁厚道次延伸系数。

另外，在保证管子力学性能条件下，为了获得光洁的表面，管坯壁厚s0必须大于成品管壁厚sk。当sk≤4.00mm时，s0≥sk+1～2mm；当sk＞4.00mm时，s0≥1.5sk。

③ 游动芯头拉管配模设计 游动芯头拉拔与固定短芯头拉拔相比较，具有许多的优点。例如：

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它可以改善产品的质量，扩大产品品种；可以大大提高拉拔速度；道次加工率大，对紫铜固定短芯头拉拔，延伸系数不超过1.5，用游动芯头可达1.9；工具的使用寿命高，特别是对拉拔铝合金类易黏结工具的材料效果更为显著；有利于实现生产过程的机械化合自动化。

2 拉拔润滑（了解） 2.1 拉拔润滑剂的要求

拉拔润滑剂应满足拉拔工艺、经济与环保等方面的要求。由于拉拔的方式、条件与产品品种的不同，对润滑剂的要求也有所不同。但是，对拉拔润滑剂的一般要求，可概括如下几点。

① 对工具与变形金属表面有较强的黏附能力和耐压性能，在高压下能形成稳定的润滑膜。 ② 要有适当的黏度，保证润滑层有一定的厚度，并且有较小的流动剪切应力。 ③ 对工具及变形金属要有一定的化学稳定性。

④ 温度对润滑剂的性能影响小，且能有效地冷却模具与金属。 ⑤ 对人体无害，环境污染最小。 ⑥ 应保证使用与清理方便。 ⑦ 有适当地闪点及着火点。 ⑧ 成本低，资源丰富。 2.2 拉拔润滑剂的种类

拉拔润滑剂包括在拉拔时使用的润滑剂和为了形成润滑膜在拉拔前对金属表面进行预处理时所用的预处理剂。某些金属构成润滑膜的吸附层很慢或者要求采取大量的措施（如钢），或者根本不形成吸附层（如铝及铝合金、银、白金等）。在此种情况下，可对金属表面进行预先处理（打底），其中包括有镀铜、阳极氧化，以及用磷酸盐、硼砂、草酸盐处理和树脂涂层等。在不允许或不可能形成吸附层时，所采用的润滑剂必须具有附着性能和足够的粘度。

3 拉拔制品的主要缺陷

3.1 实心材的主要缺陷（略） 3.2 管材制品的主要缺陷

拉拔管材常见的缺陷有表面划伤、皱折、弯曲、偏心、裂纹、金属压入、断头等，其中以偏心、皱折最为常见。

（1） 偏心

在实际生产中，拉拔管坯的壁厚是不均匀的，尤其是在卧式挤压机上进行脱皮挤压所生产的铜合金管坯偏心度非常严重。利用不均匀壁厚管坯进行拉拔时，空拉能起到自动纠正管坯偏心的作用，使管材偏心度减小，但有的管坯偏心过于严重而空拉纠正不过来，造成管材偏心缺陷。

（2）皱折

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若D0/s0值较大，而管壁薄厚又不均匀，道次加工率又大，加之退火不均匀时，则管壁易失稳而产生凹陷或皱折。

3.3 生产中拉拔制品的缺陷

在拉拔过程中制品的主要缺陷及产生原因见下表。

另外还有内壁划伤等缺陷。

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第五章 生产相关

1 拉拔管生产工艺

（1）Y态：挤压坯管→拉拔→矫直锯切→清洗→包装

（2）O态：挤压坯管→拉拔→矫直锯切→清洗、吹干→退火（550℃ 2HZ）→包装

（3）Y4态：挤压坯管→拉拔至倒数第二道→矫直→清洗→退火（550℃ 2HZ）→拉拔最后一道（加

工率10%左右）→矫直锯切→清洗→包装

2 各种拉拔管的性能 牌号 1060 3003,3A21 3003 3A21 3003,3A21 6063

状态 O Y O O Y4 O 抗拉强度（MPa） 60～95 ≥185 95～130 ≤135 110～135 ≤130 延伸率A50(%) / / ≥35 ≥35 ≥18(短标A) /

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