塑性加工中的金属流动控制

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1、摘要由于金属塑性加工过程是在工件整体性不破坏的前提下，依靠塑性变形实现物质转移的过程，因而，加工过程中金属质点的流动规律是最基本的宏观规律。本文主要讨论了塑性加工过程中金属流动的一些宏观规律，以及分析、控制金属流动对于塑性加工的意义。关键字金属流动规律塑性加工一、金属变形流动规律金属塑性加工时，质点的流动规律可以应用最小阻力定律分析。最小阻力定律可表述为：变形过程中，物体各质点将向着阻力最小的方向移动。［1］即做最少的功，走最短的路。它与塑性变形应力应变增量理论中的应变增量与应力偏量成正比的关系是一致的。最小阻力定律实际上

2、是力学质点流动的普遍原理，它可以定性地用来分析金属质点的流动方向。它把外界条件和金属流动直接联系起来。很直观，使用方便。图1最小周边法则当接触表面存在摩擦时，矩形断面的棱柱体镦粗时的流动模型如图1所示。因为接触面上质点向周边流动的阻力与质点离周边的距离成正比，因此，离周边的距离愈近，阻力愈小，金属质点必然沿这个方向流动。这个方向恰好是周边的最短法线方向，用点划线将矩形分成两个三角形和两个梯形，形成了四个不同流动区域。点划线是四区域的流动分界线，线上各点至边界的距离相等，各个区域内的质点到各自边界的法线距离最短。这样流动的结

3、果，矩形断面将变成双点划线所示的多边形。继续镦粗，断面的周边将逐渐变成椭圆形。此后，各质点将沿着半径方向流动，相同面积的任何形状，圆形的周边最小。因而，最小阻力定律在镦粗中也称最小周边法则，最终变成圆形。⑻图2拔长坯料的变形模式(b)矩形截而坯料在平贴拔长时，当送进量/大于坯料宽度（/〉〃）时（图2-a）,金属多沿横向流动，坯料宽度增加的多。当/<€Z时，金属多沿轴向流动（图2-b）,坯料轴向伸长的多。因此，生产操作时，为提高拔长的效率，应适当减少送给量/（但也不宜太小）；若要使坯料展宽时，送进量应大时。需要说明的是，图2

4、是假定不考虑外端（不变形部分）影响而得出，若考虑外端影响，质点位移方向将有改变。金属塑性变形过程应满足体积不变条件，根据体积不变条件和最小阻力定律，便可以大体确定出塑性成形时的金属流动规律。有时还可用来选择坯料的断而和尺寸、加工工具的形状和尺寸等。如压下量、辊经相同的条件下，坯料宽度不同的轧制情况是不同的。从图3中看出，在a、b两种情况下，三角形区是完全相同的，即这两种情况下向宽度方向上流动的质点数目是一样的。但与整个接触而上所有质点相比，第一种情况向宽向流动质点所占比例比第二种大，故窄板宽展比宽板的宽展率大。又如在压下量

5、相同而轧辊直径不同的条件下，当轧制宽度相同的轧件时，则可预计大辊乳制时的宽展大（如图4）。精乳时，为了控制宽展一般多采用工作辊较小的多辊轧机轧制。图3不同宽度坯料轧制时宽展情况图4轨辊直径不同时轧件变形区纵横方向阻力图（D'>D,Bz2>B2）二、金属变形流动的控制影响金属塑性流动的因素是多方面的：例如接触面上的摩擦、变形区的儿何因素、工具与工件的轮廓形状、变形体内部温度分布不均、变形体的外端影响等[31。在实际加工中，如果我们能够通过改变这些因素来实现控制金属塑性流动，我们就获得理想的成型效果。下面以具体实例来说明对金属

6、流动的分析和控制在塑性加工中的重要作用。1直齿轮在锻造过程中的金属流动齿轮锻造成型过程中，在常规的齿腔填充阶段，坯料慢慢挤入齿腔，由于受到模具型腔侧壁的阻力影响，中间金属流动快于两侧的金属，金属流动如图5-a所示，在这种流动模式下，坯料所受到的摩擦阻力大，流动比较困难［4］。图5-b为改进后的流动模式［5］，此时增加了预成型工序，预锻齿形的轮廓线严格按照终锻齿形的轮廓线来设计，这样在齿腔填充时金属呈刚性平移流动模式，与常规流动模式相比，金属受到的阻力更小，填充更容易。(a)径向常规流动模式性平移流动模式阁5齿轮径向金属流动

7、示意图l5j2某齿轮坯精锻过程中的金属流动当齿轮径向筋条高且窄时，齿轮在锻造精密成形时出现一些问题，如径向筋条底部充填不饱满、筋条同侧位置度精度低、材料利用率不高等。充填不饱满及低的位置度精度严重影响了产品的性能并导致高废品率。有人161提出了如图6所示的模具改进措施：将预锻下模筋部两侧设置拔模斜度，终锻下模筋部提高。这样即使预锻件没有充满终锻也可将凹坑消除。原始方案新方案图6改进的模具结构参考文献［1］张海渠。模锻工艺与模具设计［M］。北京：化学工艺出版社，2009(10)。［2］吕炎。锻造工艺学［M］。北京：机械工业出

8、版社，1988。［3］刘全坤。材料成型原理［M］。北京：机械工业出版社，2004。［4］万胜狄。金属塑性成型原理［M］。北京：机械工业出版社，1994。［5］胡成亮，刘全坤，刘永熙，王强。齿轮锻造金属流动规律分析及工艺改进。机械工程学报，44(5)，2008。［6］曾德涛，周杰，张辉，刘太钟，陈世江。齿