拉拔时丝材受力状况及变形条件——丝材拉拔基础知识连载(二)

1.拉拔时丝材所受的外力

可塑性是金属材料的基本属性,当金属材料承受的外力超过一定限度就会产生塑性变形,塑性变形的起点和深度取决于外力状况和金属的组织结构。一般说来,金属材料在压应力下的变形能力要大于在拉应力下的变形能力。如果把丝材放在拉力试验机上拉伸,丝材承受单向拉应力,拉到一定程度就会被拉断。把丝材穿过拉丝模拉拔,丝材承受一向拉伸应力、两向压缩应力,其截面在压缩应力作用下均匀减少,长度方向在拉伸应力作用下不断伸长,实现冷加工塑性变形。拉拔时丝材在模孔变形区所承受的外力有三种:

(1)拉拔力(正作用力,用P表示)

拉拔力是拉丝机加在丝材出模孔端的轴向拉力,它在丝材内部产生拉应力,并使丝材沿轴线方向通过模孔,完成拉拔过程。

(2)正压力(模孔壁的反作用力,用N表示)

当丝材受拉拔力(P)作用向前运动时,模孔壁产生阻碍丝材运动的反作用力(N),因为它的方向是垂直于模孔壁的,故称为正压力。正压力在丝材内部产生主压应力,其数值大小取决于丝材的减面率大小和模孔几何形状、尺寸等。

(3)摩擦力(附加切应力,用T表示)

拉拔时模孔壁与丝材表面之间产生摩擦,由于正压力作用,就产生摩擦力。摩擦力方向总与丝材运动方向相反,与模孔壁成切线方向。摩擦力在丝材内部产生附加切应力,其数值大小与丝材及模孔的表面状况,润滑条件及拉拔速度等有关。

摩擦力的计算公式为:

T = ĥN

式中:T ——摩擦力

ƒ  ——摩擦系数

N ——正压力

应当指出,拉拔力和正压力都作用在丝材内部的每个质点上,而摩擦力作用在丝材与模孔壁接触的表面上,因此拉拔时丝材表面承受的摩擦力最大,愈接近丝材中心,所受摩擦力越小,甚至为零。

2.实现拉拔变形的条件

我们把丝材单位面积(A)所承受的拉拔力叫做拉拔应力(p),则

p =   P/A

显而易见,要使拉拔顺利进行,作用在丝材出口端的拉拔应力必须小于丝材的屈服强度:

p<Rp0.2<Rm

式中  Rm  ——丝材抗拉强度

Rp0.2  ——丝材屈服强度

因为丝材的抗拉强度容易测定,部分丝材、特别是合金丝的屈服强度很难测定,而且各钢种的屈强比(B =Rp0.2/Rm)通常相对稳定,所以用抗拉强度和屈强比来代替屈服强度,则上式可表示为:

p < B•Rm

软态丝材的屈强比通常在0.5~0.7之间,随着拉拔减面率加大,丝材屈强比逐渐加大,冷拉碳素弹簧钢丝的屈强比最大可高达0.95。

设K=1/B,上式可变换为: p < Rm/K 则:

K < Rm / 

K被称为安全系数,K值越大拉拔越顺利。实际生产中,因软态丝材的屈强比(B)通常在0.7~0.5之间,拉拔过程,安全系数K一般应控制在1.40~2.00范围内,虽然经多道次拉拔后丝材屈强比(B)逐渐增大,但冷加工硬化会导致丝材塑性下降,如K<1.4,表示道次减面率太大,拉拔时可能经常断丝;K>2.0,则表示道次减面率太小,丝材本身的塑性没有充分利用,势必使拉拔道次增多。碳素钢屈强比偏低,拉拔时安全系数可选上限;合金钢丝屈强比较高,安全系数可适当小点。安全系数除用于确定道次拉拔工艺外,还可以用来确定拉丝机的功率,如要顺利拉拔直径为dmm抗拉强度为RmMPa的钢丝,拉丝机的拉拔力p应不小于πd2Rm / 4K,K应取下限值1.4。

3.模具的压缩作用

前面讲过,要使拉拔顺利进行,必须保证拉拔应力小于丝材的屈服强度。拉拔应力既然小于丝材的屈服强度,丝材怎么能产生变形呢?

在拉拔过程中,模具的压缩力是使丝材产生塑性变形的主要因素。压缩力不仅是正压力(N),还包括摩擦力(T)所产生的部分压缩作用,压缩力(Q)实际上是正压力(N)与摩擦力(T)所产生的合力。压缩力的大小并不等于拉拔力(P),而是远远地大于它,这是由于模具工作区角度和摩擦角作用相互平衡的结果。

例:1Cr18NI9不锈钢丝从φ8.0拉至φ6.0mm,其拉拔力(P)为1685N,摩擦系数为0.05,模具工作区半角为8°,其压缩力计算值达8935N,压缩力比拉拔力增大到5倍左右。也就是说在模具变形区内1Cr18Ni9钢丝所受的压缩力已超过本身的屈服极限,正因为这样,才能使用较小的拉拔力,使丝材产生塑性变形。

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