变形不均匀原因及防止措施课件

模锻变形的不均匀性o主要内容oMain Contento变形不均匀的基本概念 o变形不均匀的原因o减小变形不均匀的措施o残余应力2023/5/251变形不均匀的原因o接触面上的外摩擦接触面上的外摩擦 o变形区的几何因素变形区的几何因素 o工具与工件的轮廓形状工具与工件的轮廓形状 o变形体内部温度分布不均变形体内部温度分布不均 o变形体的外端变形体的外端 o金属性质不均的影响金属性质不均的影响 2023/5/252接触面上的外摩擦o在在工工具具和和变变形形金金属属之之间间的的接接触触面面上上必必然然存存在在摩摩擦擦。由由于于摩摩擦擦力力的的作作用用，在在一一定定程程度度上上改改变变了了金属的流动特性并使应力分布受到影响。金属的流动特性并使应力分布受到影响。2023/5/253外摩擦的影响外摩擦的影响下面以下面以 H/d2的圆柱的圆柱体体镦粗为例来说明。镦粗为例来说明。镦粗后：镦粗后：工件由圆柱形工件由圆柱形单鼓形单鼓形 发生了不均匀变形发生了不均匀变形这就是外摩擦所致这就是外摩擦所致镦粗时的分区o圆圆柱柱体体镦镦粗粗时时，由由于于接接触触面面上上有有摩摩擦擦存存在在，在在接接触触表表面面附附近近金金属属流流动动困困难难，圆圆柱柱形形坯坯料料转转变变成成鼓鼓形形。在在此此情情况况下下，可可将将变变形形金金属属整整个个体体积积大致分为三个区：大致分为三个区：o区表示由外摩擦影响而产生的难变形区；区表示由外摩擦影响而产生的难变形区；o区区表表示示与与作作用用力力成成45角角的的最最有有利利方方位位的的易易变形区；变形区；o区表示变形程度居于中间的自由变形区。区表示变形程度居于中间的自由变形区。2023/5/255镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响 2023/5/256外摩擦对应力分布影响o外外摩摩擦擦不不仅仅影影响响变变形形，而而且且使使接接触触面面上上的的应应力力（或或单单位位压压力力）分分布布不不均均匀匀，沿沿试试样样边边缘缘的的应应力力等等于于金金属属的的屈屈服服极极限限，从从边边缘缘到到中中心部分，应力逐渐升高。心部分，应力逐渐升高。另外，沿物体高度方向由接触面至变形另外，沿物体高度方向由接触面至变形体的中部，应力的分布是逐渐减小的，体的中部，应力的分布是逐渐减小的，这是因外摩擦的影响逐渐减弱所致。即：这是因外摩擦的影响逐渐减弱所致。即：离接触面越远，径向流动阻力越小，要离接触面越远，径向流动阻力越小，要使它变形所需的单位压力越小，其应力使它变形所需的单位压力越小，其应力分布是逐渐减小的。分布是逐渐减小的。2023/5/257带孔的玻璃锤头镦粗塑料实验带孔的玻璃锤头镦粗塑料实验带孔的玻璃锤头镦粗塑料实验带孔的玻璃锤头镦粗塑料实验2023/5/2582f 对应变分布的影响对应变分布的影响 接触表面接触表面 边缘：径向流动阻力小，边缘：径向流动阻力小，大大 中部：径向流动阻力大，中部：径向流动阻力大，小小在接触表面的中部，在接触表面的中部，f 的影响最大，所受三向压的影响最大，所受三向压应力最强，有可能完全没有变形，应力最强，有可能完全没有变形，=0 中心面中心面 近接触表面：近接触表面：f 影响大，影响大，小小 变形区中部：变形区中部：f 影响小，影响小，大大3变形区的划分变形区的划分 根据以上分析，常将镦粗时的物体分为三个变形区根据以上分析，常将镦粗时的物体分为三个变形区区：难变形区，与上下压头相区：难变形区，与上下压头相 接触的区域，接触的区域，f 影响大，影响大，三向压应力强烈，金属三向压应力强烈，金属流动困难，流动困难，0由于由于 f 的影响的影响 随离接触表面的随离接触表面的距离而减弱，所以距离而减弱，所以区大体上是区大体上是一个圆锥体。一个圆锥体。区：易变形区（大变形区）区：易变形区（大变形区）区受区受 f 的影响小，金属流动的影响小，金属流动 阻力阻力，径向扩展，径向扩展 由于由于区的楔入作用，促使周区的楔入作用，促使周 围质点流动阻力围质点流动阻力，向四周移动。，向四周移动。区处于区处于45的有利方位的有利方位(最短法线最短法线）区：小变形区区：小变形区 变形量介于变形量介于区与区与区之间区之间 远离接触表面，受远离接触表面，受 f 影响小，变形较为影响小，变形较为自由，故称为自由变形区自由，故称为自由变形区如图，可见：中间变形最如图，可见：中间变形最大，加工硬化显著，硬度大，加工硬化显著，硬度此时，此时，区几乎耗尽了自身区几乎耗尽了自身的塑性，处于脆性状态，若的塑性，处于脆性状态，若继续变形便会破裂。所以要继续变形便会破裂。所以要重新加热以消除加工硬化。重新加热以消除加工硬化。冷镦粗过程是：加热冷镦粗过程是：加热镦粗镦粗加热加热镦粗镦粗.区区f 影响小，可自由变形，影响小，可自由变形，同时同时 又受到又受到区的扩展作用。区的扩展作用。区不处于区不处于45有利方位，有利方位，其变形主要取决于其变形主要取决于区对它区对它 的推挤。的推挤。网格变形不大。网格变形不大。从图可明显看出三个变形区从图可明显看出三个变形区的变形情况，与理论分析相符的变形情况，与理论分析相符合。合。CA侧面翻平o变变形形物物体体在在压压缩缩时时，由由于于接接触触摩摩擦擦的的作作用用，在在出出现现鼓鼓形形的的同同时时，还还会会出出现现侧侧表表面面的的金金属属局局部部地转移到接触表面上来的侧面翻平现象。地转移到接触表面上来的侧面翻平现象。2023/5/2514圆柱体垂直剖面上坐标网格在镦圆柱体垂直剖面上坐标网格在镦粗过程中的变化粗过程中的变化随着压下率的增加，随着压下率的增加，ab部分由侧表面逐步部分由侧表面逐步地转移到端面上来。地转移到端面上来。镦粗时毛坯高度不断镦粗时毛坯高度不断降低，侧表面面积不降低，侧表面面积不断减少，断减少，2端面面积随端面面积随着半径增大而增加端着半径增大而增加端面半径增大使得侧面面半径增大使得侧面积变大。侧面翻平现积变大。侧面翻平现象发生在侧表面面积象发生在侧表面面积的减小量大于接触面的减小量大于接触面面积的增加量的时候。面积的增加量的时候。如果接触面面积增加如果接触面面积增加量大于侧面的减小量量大于侧面的减小量时，则因新的接触面时，则因新的接触面的形成将不再吸收侧的形成将不再吸收侧面的多余面积。面的多余面积。2023/5/2515o由此可见，物体在压缩时接触面积的增加，可由此可见，物体在压缩时接触面积的增加，可由接触表面上金属质点滑动和侧面质点翻平两由接触表面上金属质点滑动和侧面质点翻平两部分组成。侧面金属翻平量的大小取决于接触部分组成。侧面金属翻平量的大小取决于接触摩擦条件和变形物体的几何尺寸。接触面上的摩擦条件和变形物体的几何尺寸。接触面上的摩擦越大，接触面上的金属质点越不易滑动，摩擦越大，接触面上的金属质点越不易滑动，因而侧面金属转移上来的数量就越多。试样的因而侧面金属转移上来的数量就越多。试样的高度越大，侧面金属越易于转移到接触表面上高度越大，侧面金属越易于转移到接触表面上来。当试样的高度大于直径时，接触面积的增来。当试样的高度大于直径时，接触面积的增加将主要是由侧面金属的转移所造成。加将主要是由侧面金属的转移所造成。2023/5/2516翻平宽展翻平宽展鼓形宽展鼓形宽展2023/5/2517粘着现象o实实验验结结果果表表明明，圆圆柱柱体体金金属属在在镦镦粗粗过过程程中中，若若接接触触摩摩擦擦较较大大和和高高径径比比HD较较大大时时，则则在在端端面面的的中中心心部部位位有有一一区区域域，在在此此区区域域上上金金属属质质点点对对工工具具完完全全不不产产生生相相对对滑滑动动而而粘粘着着在在一一起起。此此现现象象称称为为粘粘着着现现象象。此此粘粘着着在在一一起起的的区区域域称称为为粘粘着着区区。此此粘粘着着现现象象也也影影响响到到金金属属的的一一定定深深度度，这这样样就就构构成成了了以以粘粘着着区区为为基基底底的的圆圆锥锥形形或或近近似似圆锥形的体积，此体积称为圆锥形的体积，此体积称为“难变形区难变形区”。2023/5/2518影响因素：a)f，粘着区,金属移动阻力，不易滑动，侧面翻平 b)H/d，粘着区两个极端：f，H/d 可能发生完全粘着，没有滑 动，接触表面的增加完全靠 侧面翻平。f，H/d 无粘着区 侧面开裂难变形区难变形区难变形区难变形区2023/5/2520变形区的几何因素 o在金属塑性加工中存在着外摩擦，变形的不均在金属塑性加工中存在着外摩擦，变形的不均匀分布情况与变形区几何因素匀分布情况与变形区几何因素(如如H/d等等)有密有密切关系。实验表明：镦粗圆柱体时，当试样原切关系。实验表明：镦粗圆柱体时，当试样原始高度与直径比始高度与直径比H/d2.0时才发生上述的单时才发生上述的单鼓形不均匀变形。当坯料高度较大且变形程度鼓形不均匀变形。当坯料高度较大且变形程度甚小时甚小时(当当H/d2.0时时)，由于墩粗力的增加，由于墩粗力的增加使得摩擦力变大。则往往只产生表面变形，而使得摩擦力变大。则往往只产生表面变形，而中间层的金属不产生塑性变形或塑性变形甚小，中间层的金属不产生塑性变形或塑性变形甚小，结果导致形成双鼓形。结果导致形成双鼓形。2023/5/2521变形区分为四个部分：变形区分为四个部分：、区与前相同区与前相同区：不变形区区：不变形区 H太大，两个易变形区太大，两个易变形区相距很远，不能相交。相距很远，不能相交。双鼓形双鼓形双鼓形双鼓形2023/5/2522工具与工件的轮廓形状o工工具具（或或坯坯料料）形形状状是是影影响响金金属属塑塑性性流流动动方方向向的的重重要要因因素素。工工具具与与金金属属形形状状的的差差异异，是是造造成成金金属属沿沿各各个个方方向向流流动动的的阻阻力力有有差差异异，因因而而金金属属向向各各个个方方向向的的流流动动（即即变变形形量量）也也有有相应差别。相应差别。2023/5/2523o如如图图所所示示，在在圆圆形形砧砧或或V型型砧砧中中拔拔长长圆圆断断面面坯坯料料时时，工工具具的的侧侧面面压压力力使使金金属属沿沿横横向向流流动动受受到到很很大大的的阻阻碍碍，被被压压下下的的金金属属大大量量沿沿轴轴向向流流动动，这这就就使使拔拔长长效效率率大大大大提提高高。当当采采用用图图c所所示示的的工工具具时时，则则产产生生相相反反的的结结果果，金属易于横向流动。金属易于横向流动。a b c2023/5/2524o在在许许多多情情况况下下，当当工工具具的的形形状状已已得得到到了了严严格格的的控控制制时时，为为获获得得变变形形均均匀匀的的产产品品，还还必必须须要要考考虑虑原原始始坯坯料料形形状状的的影影响响。如如果果坯坯料料的的尺尺寸寸和和形形状状的的选选择择不当也会使物体产生不均匀变形。不当也会使物体产生不均匀变形。2023/5/2525变形体内部温度分布不均o变变形形物物体体的的温温度度不不均均匀匀，会会造造成成金金属属各各部部分分变变形形和和流流动动的的差差异异。变变形形首首先先发发生生在在那那些些变变形形抗抗力力最最小小的的部部分分。一一般般，在在同同一一变变形形物物体体中中高高温温部部分分的的变变形形抗抗力力低低，低低温温部部分分的的变变形形抗抗力力高高。这这样样，在在同同一一外外力力的的作作用用下下，高高温温部部分分变变形形量量大大，低低温温部部分分变变形形量量小小。而而变变形形物物体体是是一一整整体体，限限制制了了物物体体各各部部分分不不均均匀匀变变形形的的自自由由发发展展，从从而产生相互平衡的附加应力。而产生相互平衡的附加应力。2023/5/2526o在变形体内因温度不同所产生热膨胀的不同而引起的热应力，与由不均匀变形所引起的附加应力相叠加后，有时会加强应力的不均匀分布，甚至会引起变形物体的断裂。o在热轧中常见到轧件轧出后会出现上翘或下翘现象，产生此现象原因之一就是轧件在加热炉中加热时由于下面加热不足，轧件上面温度高于下面温度，这样，在轧制时钢坯的上层压下率大，产生的延伸就大，下层压下率小，延伸也就小。结果轧出轧件向下弯曲。2023/5/2527金属轧制时由不均匀变形产生金属轧制时由不均匀变形产生的弯曲现象的弯曲现象 2023/5/2528变形体的外端o外外端端（未未变变形形的的金金属属）对对变变形形区区金金属属的的影影响响主主要要是是阻阻碍碍变变形形区区金金属属流流动动，进进而而产产生生或或加加剧剧附附加加的的应应力力和和应应变变。在在自自由由锻锻造造中中，除除镦镦粗粗外外的的其其他他变变形形工工序序，工工具具只只与与坯坯料料的的一一部部分分接接触触，变变形形是是分分段段逐逐步步进进行行的的，因因此此，变变形形区区金金属属的的流动是受到外端的制约的。流动是受到外端的制约的。o拉深拉深2023/5/25292.外端对应力、应变不均匀分布的影响外端对应力、应变不均匀分布的影响 外端使纵向不均匀减小，横向不均匀增加外端使纵向不均匀减小，横向不均匀增加 以局部锻造为例讨论以局部锻造为例讨论a)沿高度方向的变沿高度方向的变形形无外端时无外端时纵向：单鼓形纵向：单鼓形横向：单鼓形横向：单鼓形 有外端时有外端时 纵向：由于外端的作用，使变形强迫拉齐，不均纵向：由于外端的作用，使变形强迫拉齐，不均 匀变形匀变形 表层：表层：小，产生纵向的小，产生纵向的附附(+)中部：中部：大，产生纵向的大，产生纵向的附附(-)横向横向：表层：由于受纵向：表层：由于受纵向附附(+)作用，使宽展作用，使宽展b 中部：由于受纵向中部：由于受纵向附附(-)作用，作用，使宽展使宽展bb)沿水平方向的变形沿水平方向的变形无外端时无外端时ABCD AB C D 有外端时有外端时近因为外端的拉齐作用近因为外端的拉齐作用 ABCD A B C D 金属性质不均的影响o变变形形金金属属中中的的化化学学成成分分、组组织织结结构构、夹夹杂杂物物、相相的的形形态态等等分分布布不不均均会会造造成成金金属属各各部部分分的的变变形形和和流流动动的的差差异异。例例如如，在在受受拉拉伸伸的的金金属属内内存存在在一一团团杂杂质质，由由于于杂杂质质和和其其周周围围晶晶粒粒的的性性质质不不同同，出出现现应应力力集集中中现现象象，结结果果这这种种缺缺陷陷周周围围的的晶晶粒粒必必须须发发生生不不均均匀匀变变形形，并并会会产产生生晶晶间间及及晶晶内内附附加应力。加应力。2023/5/2533变形不均的防止措施o变形不均产生的后果变形不均产生的后果 o减轻变形不均的措施减轻变形不均的措施 2023/5/2534变形不均产生的后果o使单位变形力增大使单位变形力增大 o当当变变形形不不均均匀匀分分布布时时，将将使使物物体体内内部部产产生生相相互互平平衡衡的的附附加加应应力力，使使变变形形能能量量消消耗耗增增加加，也也使使单单位位变变形形力力增增大大。此此外外，当当应应力力不不均均匀匀分分布布时时，将将使使变变形形体体内内实实际际的的应应力力分分布布情情况况与与基基本本应应力力有有很很大大不不同同，有有时时虽虽然然作作用用着着单单向向的的基基本本应应力力，但但工工作作应应力力却却可可能能变变成成三三向向应应力力状状态态，此此时时也也会使单位变形力增大。会使单位变形力增大。2023/5/2535o使塑性降低使塑性降低o在在具具有有应应力力不不均均匀匀分分布布的的变变形形物物体体内内，当当某某处处的的工工作作应应力力达达到到金金属属的的断断裂裂强强度度时时，则则在在该该处处将首先产生断裂，从而导致金属的塑性下降。将首先产生断裂，从而导致金属的塑性下降。2023/5/2536o使产品质量降低使产品质量降低o由由于于变变形形的的不不均均匀匀分分布布使使物物体体内内产产生生附附加加应应力力，若若变变形形后后物物体体的的温温度度较较低低不不足足以以消消除除此此附附加加应应力力时时，则则在在物物体体内内将将存存有有残残余余应应力力，从从而而使使物物体体的的力力学学性性能能下下降降。同同时时，由由于于变变形形体体内内各各处处的的变变形形不不同同，其其再再结结晶晶后后各各处处的的晶晶粒粒大大小小也也不不同，造成组织与性能分布不均。同，造成组织与性能分布不均。2023/5/2537摩擦系数摩擦系数f不同时塑压件退火不同时塑压件退火后中心轴上晶粒大小分布后中心轴上晶粒大小分布2023/5/2538o使技术操作复杂使技术操作复杂o由由于于变变形形体体内内应应力力的的分分布布不不均均，使使加加工工工工具具的的各各部部分分受受力力不不均均，以以致致使使工工具具各各部部分分的的弹弹性性变变形形和和磨磨损损不不均均。这这样样就就使使工工具具设设计计、制制造造和和维维护护复复杂杂。同同时时也也使使对对材材料料进进行行的的热热处处理理制制度度复复杂化。杂化。2023/5/25395使变形后形成使变形后形成残残 残残 外力取消后在变形体内所遗留下来外力取消后在变形体内所遗留下来 的附加应力的附加应力 残残 的后果：的后果：使工件在变形时应力、应变分布更不均匀使工件在变形时应力、应变分布更不均匀 无无残残：工工=基基+附附 有有残残：工工=基基+附附+残残 使工具的使用寿命使工具的使用寿命 =外加外加+残残 当当 s时，时，工具发生变形，缩短零件的使用寿命工具发生变形，缩短零件的使用寿命 使工件的形状、尺寸发生变化使工件的形状、尺寸发生变化 物体内存在物体内存在残残 时，表明在各部分存在时，表明在各部分存在符符 号不同的弹性变形号不同的弹性变形 使工件的耐腐蚀性使工件的耐腐蚀性减轻变形不均的措施o正确选定变形的温度速度制度正确选定变形的温度速度制度o变变形形温温度度应应保保证证物物体体在在单单相相区区完完成成塑塑性性变变形形，并并在在整整个个物物体体内内分分布布均均匀匀。变变形形速速度度制制度度的的选选择择也也应应使使变变形形在在物物体体内内分分布布均均匀匀，如如Hd比比较较大的厚件，在速度较低的压力机上锻压较合适。大的厚件，在速度较低的压力机上锻压较合适。2023/5/2542o减小金属表面上的外摩擦减小金属表面上的外摩擦o为为减减小小接接触触表表面面上上的的摩摩擦擦系系数数，应应提提高高和和保保持持工工具具表表面面的的光光洁洁度度和和采采用用适适宜宜的的润润滑滑剂剂。也也可可采采用用超超声声振振动动加加工工等等方方法法来来减减少少外外摩摩擦擦的的不不利利影响。影响。2023/5/2543o合理设计加工工具形状合理设计加工工具形状o要要正正确确选选择择与与设设计计锻锻模模、轧轧辊辊孔孔型型及及其其它它工工具具，使使其其形形状状与与坯坯料料断断面面能能很很好好的的配配合合，以以保保证证变变形与应力分布较为均匀。形与应力分布较为均匀。2023/5/2544o尽可能保证变形金属的成分及组织均匀尽可能保证变形金属的成分及组织均匀o这这首首先先要要从从提提高高冶冶炼炼及及浇浇铸铸质质量量方方面面入入手手；其其次次，对对已已浇浇铸铸的的钢钢锭锭必必要要时时采采用用高高温温均均匀匀化化退退火火的的办办法法，也也可可进进一一步步改改善善其其化化学学成成分分的的均均匀匀性。性。2023/5/2545