挤压常见缺陷

挤压过程中常见的缺陷和对策 2005年 8 月 15 日 10:3.挤压过程常见的缺陷有：挤压缩孔、死区”剪烈和折叠、纵向裂纹、横向裂纹、挤压件弯曲、由拉缩引起的截面尺寸不符、残余应力大、以及粗晶环等。挤压缩孔（图4-49 ）是挤压矮坯料时常易产生的缺陷，这时由于E区金属的轴向压应力小， 故当A区金属往凹模孔流动时便拉着B区金属一道流动，使其上端面离开冲头并呈凹形，再加上径向压应力的作用便形成这样的缩孔。防止的对策是正确控制压余的高度，必要时可增加反向推 力。图4-49挤压缩孔挤压时，如果摩擦系数大和模具温度较低时，常在凹模底部形成一个难变形区，通常称为死区”。由于该区金属不变形，而与其相邻的上部金属有变形和流动，于是便在交界处发生强烈的剪 切变形，严重时将引起金属剪裂，即死区”裂纹（图4-50和实例94、图片8-428、429 ），有时可能由于上部金属的大量流动带着死区”金属流动而形成折叠，如图4-51所示。图牛50 “死区”附近的金属流动和受力情况图4-51折叠的形成情况应当指出，在与 死区”交界处产生的强烈剪切变形对挤压件的组织和性能有重要影响，有关这 方面的内容我们在锻件组织和性能控制一书中作了介绍，这里不再重复。防止死区”剪裂和折叠的对策是改善润滑条件和正确控制模具和坯料的温度，还可以采用带锥角的凹模，锥角的作 用在于使作用力在平行于锥面的方向有一个分力，该分力与摩擦力的方向相反（图 4-52 ），从而有利于金属的变形和流动。根据不同的条件可以通过计算确定一个合适的锥角，以抵消摩擦的影 响。图4-52凹模锥角改善金属流动的影响图在挤压筒内尽管可能产生挤压缩孔和死区”剪裂等缺陷，但变形金属处于三向受压的应力状态，能使金属内部的微小裂纹得以焊合，使杂质的危害程度大大减小，尤其当挤压比较大时，这 样的应力状态对提高金属的塑性是极为有利的。但是在挤压制品中常常产生各种裂纹（图4-53）以及挤压件的弯曲、拉缩和残余应力等。这些缺陷的产生与筒内的不均匀变形（主要是死区”引起的）有很大关系，但更重要的是凹模孔口部分的影响。挤压时，变形金属在经过孔口部分时，由于摩擦的影响，表层金属流动慢，轴心部分流动快， 使筒内已经形成的不均匀变形进一步加剧，内外层金属流动速度有差异，但两者又是一个整体， 因此必然要有相互平衡的内力（即附加应力），外层受拉应力，内层受压应力，图4-53a所示的裂纹就是附加拉应力作用的结果。当坯料被挤出一段长度而成为外端金属后，则更增大了附加拉 应力的数值。如果凹模孔口形状复杂，例如挤压叶片时，由于厚度不均，各处的阻力也不一样，较薄处摩擦 阻力大，冷却也较快，故流动较慢，受附加拉应力作用，常易在此处产生裂纹（图4-53b ），尤其挤压低塑性材料更是如此。挤压空心件时，如果孔口部分冲头和四模间的间隙不均匀，间隙小处，由于摩擦阻力相对较大，金属温度降低也较大，金属流动较慢，受附加拉应力作用，可能产生如图4-53所示的横向裂纹。流动快的部分由于受流动慢的部分的限制，受附加压应力。但是其端部却是受切向拉应力的作用，因此常常产生纵向裂纹，如图4-53d所示。图4-53 挤压时的裂纹挤压过程中，当附加拉应力足够大时将引起挤压件截面尺寸减小，当挤出部分受力不对称时， 将引起挤压件弯曲。挤压过程结束后，附加应力遗留在挤压件内，便成为残余应力。凹模孔口部分的表面状态（如粗糙度）是否一致，润滑是否均匀，圆角是否相等，凹模工作带 长度是否一致等，对金属的变形流动也都有很大影响。总之，孔口部分的变形流动情况对挤压件的质量有着直接影响。因此，要解决挤压件的质量问题，一方面使简内变形尽可能均匀，另一方面还应重视孔口部分 的变形均匀问题，可以从下列几方面采取相应对策：1 ）减小摩擦阻力。如改善模具表面粗糙度，采用良好的润滑剂和采用包套挤压等。例如，冷挤压材时，需将坯料进行磷化和皂化。磷化的目的是在坯料表面形成多孔性组织，以便较好地储 存润滑剂。皂化的作用是润滑。又如热挤压合金钢和钛合金时，除了在坯料表面涂润滑剂外，在 坯料和凹模孔口间加玻璃润滑垫（图4-54 ）。热挤铝合金型材时，为防止产生粗晶环等，常在坯料外面包一层纯铝。2 ）在锻件图允许的范围内，在孔口处作出适当的锥角或圆角。3）用加反向力的方法进行挤压，见图4-55。这有助于减小内、 外层变形金属的流速差和附加应力，挤压低塑性材料时宜采用。图4-54 带润滑垫的挤压图4-55带反向推力的挤压1 冲头2 坯料3 润滑垫4 凹模4 ）采用高速挤压，因为高速变形时摩擦系数小一些。对形状复杂的挤压件可以综合采取一些措施，在难流动的部分设法减小阻力，而在易流动的部分设法增加阻力，以使变形尽可能均匀，常用的措施是：1 ）在凹模孔口处采用不同的锥角。2 ）凹模孔口部分的定径带采用不同的长度（图 4-56 ）。3 ）设置一个过渡区，使金属通过凹模孔口时变形尽可能均匀些（图4-57 ）。图牛56具有不同定径带长度的挤压凹模图4-57具有过渡区挤压凹模近年来我国开始采用冷静液挤压和热静液挤压技术。静液挤压是压杆压于液体介质中，使介 质产生超高压（可达20003500MPa 或更高些），由于液体的传力特点使毛坯顶端的单位压力 与周围的侧压力相等。由于毛坯与挤压筒之间无摩擦力，变形较均匀，另外由于挤压过程中液体不断地从凹模和毛坯之间被挤出，即液体以薄层状态存在于凹模和毛坯之间，形成了强制润滑，因而凹模与毛坯间摩 擦很小，变形便较均匀，产品质量较好。由于变形均匀，附加拉应力小，因而可以挤压一些低塑 性材料。铝合金和一些镁合金的挤压件常常有粗晶环缺陷。加热工艺不当常产生的缺陷 2005年 8 月 16 日 9:57.加热不当所产生的缺陷可分为：由于介质影响使坯料外层组织化学状态变化而引起的缺陷， 如氧化、脱碳、增碳和渗硫、渗铜等。由内部组织结构的异常变化引起的缺陷，如过热、过烧 和未热透等。由于温度在坯料内部分布不均，弓I起内应力（如温度应力、组织应力）过大而产 生的坯料开裂等。下面介绍其中几种常见的缺陷，其余的可见有关的实例。1.脱碳脱碳是指金属在高温下表层的碳被氧化，使得表层的含碳量较内部有明显降低的现象。脱碳层的深度与钢的成分、炉气的成分、温度和在此温度下的保温时间有关。采用氧化性气氛 加热易发生脱碳，高碳钢易脱碳，含硅量多的钢也易脱碳。脱碳使零件的强度和疲劳性能下降，磨损抗力减弱，见实例14、刀。关于脱碳的详细介绍见第三章第一节。2增碳经油炉加热的锻件，常常在表面或部分表面发生增碳现象。有时增碳层厚度达1.51.6mm :增碳层的含碳量达1 % （质量分数）左右，局部点含碳量甚至超过2 % （质量分数），出现莱氏体组织。这主要是在油炉加热的情况下，当坯料的位置靠近油炉喷嘴或者就在两个喷嘴交叉喷射燃油的区域内时，由于油和空气混合得不太好，因而燃烧不完全，结果在坯料的表面形成还原性的渗碳 气氛，从而产生表面增碳的效果，见实例12、13。增碳使锻件的机械加工性能变坏，切削时易打刀。3. 过热过热是指金属坯料的加热温度过高，或在规定的锻造与热处理温度范围内停留时间太长，或由于热效应使温升过咼而引起的晶粒粗大现象。碳钢（亚共析或过共析钢）过热之后往往出现魏氏组织。马氏体钢过热之后，往往出现晶内织 构，工模具钢往往以一次碳化物角状化为特征判定过热组织。钛合金过热后，出现明显的B相晶界和平直细长的魏氏组织。合金钢过热后的断口会出现石状断口或条状断口。过热组织，由于晶 粒粗大，将引起力学性能降低，尤其是冲击韧度。一般过热的结构钢经过正常热处理（正火、淬火）之后，组织可以改善，性能也随之恢复，这 种过热常被称之为不稳定过热；而合金结构钢的严重过热经一般的正火（包括高温正火）、退火 或淬火处理后，过热组织不能完全消除，这种过热常被称之为稳定过热。关于过热的详细介绍见第三章第三节和实例8、9、10、15、16、55、88、90、92。4. 过烧过烧是指金属坯料的加热温度过高或在高温加热区停留时间过长，炉中的氧及其它氧化性气体渗透到金属晶粒间的空隙，并与铁、硫、碳等氧化，形成了易熔的氧化物的共晶体，破坏了晶粒 间的联系，使材料的塑性急剧降低。过烧严重的金属，撤粗时轻轻一击就裂，拔长时将在过烧处 出现横向裂纹。过烧与过热没有严格的温度界线。一般以晶粒出现氧化及熔化为特征来判断过烧。对碳钢来说，过烧时晶界熔化、严重氧化工模具钢（高速钢、Cr12型钢等）过烧时，晶界因熔化而出现鱼骨状莱氏体。铝合金过烧时出现晶界熔化三角区和复熔球等。锻件过烧后，往往无法挽救，只好报废， 见实例 17、18、50、65、66。5. 加热裂纹在加热截面尺寸大的大钢锭和导热性差的高合金钢和高温合金坯料时，如果低温阶段加热速度过快，则坯料因内外温差较大而产生很大的热应力。加之此时坯料由于温度低而塑性较差，若热 应力的数值超过坯料的强度极限，就会产生由中心向四周呈辐射状的加热裂纹，使整个断面裂开,见实例49。6.铜脆铜脆在锻件表面上呈龟裂状。高倍观察时，有淡黄色的铜（或铜的固溶体）沿晶界分布。坯料加热时，如炉内残存氧化铜屑，在高温下氧化钢还原为自由铜，熔融的钢原子沿奥氏体晶界扩展，削弱了晶粒间的联系。另外，钢中含铜量较高 2 % （质量分数）时，如在氧化性气氛中加热，在氧化铁皮下形成富铜层，也引起钢脆。拉深模的结构形式与设计 2005年 8 月 17 日 10:16.拉深模是把坯料拉压成空心体，或者把空心体拉压成外形更小而板厚没有明显变化的空心体的冲模。拉深模结构形式1. 第一次拉深工序的模具（表 1 ）2. 后续拉深工序的模具（表 2）表1第一次拉深工序的模具分类简单拉深模落料拉深复合模双动压力机用拉深模主?1-凸模2-压料圈3-推件板牛凹模1-顶棒2-拉延筋3、牛导板1-拉深凸模2-凸凹模5-凸模固定座 6-凸模7-出气管3-推件板4-落料凹模8-压料圈9-凹模10-凹模座特点凸模装于下模，坯料由压料圈定位, 推料板推下拉深件首先落料出拉深坯料，再由拉深凸 模和凸凹模将坯料拉深根据拉深工艺使用双动压力机。凸 模通过固定座安装在双动压力机的 内滑块上，压料圈安装在双动压力机 的外滑块上，凹模安装在双动压力机 的下台面上，凸模与压料圈之间有导 板导向在单动压力机上的拉深模在双动压力机上的拉深模表2后续拉深工序的模具1-定位圈定位圈使工序件定位。而该定位圈又 是压料圈1-压料圈2-凹模3-凸模压料圈将坯料压紧，凸模下降进行拉 深3. 反拉深模 将工序件按前工序相反方向进行拉深，称为反拉深。反拉深把工序件内壁外翻，工序件与凹模接触面大，材料流动阻力也大，因而可不用压料圈。图1是反拉深示例。图 2示反拉深模，凹模的外径小于工序件的内径，因此反拉深的拉深系数不能太大，太大则凹模壁厚过薄，强度不足。4. 变薄拉深模变薄拉深与一般拉深不同，变薄拉深时工件直径变化很小，工件底部厚度基本上没有变化，但是工件侧面壁厚在拉深中加以变薄，工件高度相应增加。变薄拉深凹模的形式见 表3。变薄拉深凸模的形式见表4。图3示变薄拉深模，凸模下冲时，经过凹模（两件），对坯件进行二次变薄拉深，凸模上升时,卸料圈拼块把拉深件从凸模上卸下。表3变薄拉深凹模的形式参数凹模的锥角工作带高度D=10 20mm 时a =7 10 h=1mmal =2 aD=20 30mm 时h=1.52mm表4变薄拉深凸模的形式图3变薄拉深模1-凸模2-定位圈3、4-凹模5-卸料圈拼块加工常识一、铝合金成型加工通常出现之缺陷：缺陷原因改善对策 胚料有瑕疵1.空心壳壁或凸缘之龟裂1.滚动缺陷（摺叠）1.改善品质管制2.起耳状物2.机械性质太过平均2.退火（如不致生晶粒生长）工具有瑕疵1.引伸一开始，空心壳之 底部即被撕裂。1.冲头或模之圆角太小。1.加大冲头或模之圆角。2.引伸末了，空心壳之底 部方被撕裂。2.引伸比太大，冲头未对准 模孔中心。2.增加中间引伸，选用品质 较佳之材料；若为方形空心 壳则增加转角之冲模间隙。3.引伸刮痕。3.润滑不佳，工具表面之情 况不佳（已磨耗）。3.使用特殊引伸用黄油（材 料必须经磷酸盐处理或镀 铜），再光制工具表面（镀铬）， 选用不易产生刮痕之材料。4.成品边缘有锯齿形，壳 表面有皱纹。4.模圆角太大，冲模间隙太 大。4.再轮模或更换引伸模具 工具或机器之调整不常瑕疵1.凸缘上有皱纹。1.胚料架压力太小。1.增加胚料架之压力。2.成品之一边有抓伤或其他 痕 迹，而工具表明面显之痕 迹。2.冲头未对准模孔中心，或 倾斜一角度， 而造成磨损。2.再轮磨或重新校准模具3.壳壁太粗，尤其是矩形深 引伸成型成品为然。3.胚料架压力太小，或模之 圆角太大。3.增加胚料架之压力，或於 模与胚料架间制一加强之隆 起。4.壳线有压平之皱纹或龟 裂。4.胚料架压力太小，或冲模 间隙太大。4.更换模具。二、硫酸阳极处理通常出现之缺陷：工作物件局部位置电击烧伤 或穿孔1.工作物和阴极接触发生 短路。1.放置工作物於处理槽内 时，注意与阴极之距离 ，避免发生接触。2.工作物彼此之间接触发 生短路。2.加大工作物间距离 。3.工作物件和夹具接触不良。353.夹具使用前须加以清洗 ，与工作物间须夹紧。氧化膜极疏松，用手就可擦掉1.电解液温度太高。1.设法降低温度，例如进 行搅拌或开动冷却设备 ，并控制温度差在士 2C 内。2.氧化处理时间太久。2.缩短氧化时间。3.工作电流密度太高。3.降低电流密度。氧化膜带红色斑点或整个表面或局部表面发红1.导电棒和夹具之间的接 触不好令铜沉积在铝表 面。1.改善导电棒与夹具的接 触，材质改用铝材。2.接触中断，如导电中断2.加强氧化过程的检验。氧化膜暗淡不够光亮或烧焦 现象1.工作物件在槽中长时间 无给电，或断电后又给 电。1.经常检查纠正与电器维 修严格管制处理时程。2.硫酸溶液内溶存的铝业 增加导致氧化膜的透明 性变差，最后发生烧焦 现象。2.检验处理液中的铝量。2.1硫酸液中含铝量以1gm/l左右为宜。2.2 新液则添加 1213 gm/l 的硫酸铝。氧化膜有黑斑或黑条纹1.电解液中有悬浮的杂质1.清理表面悬浮杂质。2.工作物件表面有油渍 或其它污染物。2.彻底纠正除油液成份； 确实执行前处理。3.电解液中含铜和铁杂质 太多。3.分析后除去并定期更新部份电解液。4.电解后工作物未洗乾净 就进行封孔。4.电解后工作物要立即清 洗乾净，避免处理液或 杂质残留於氧化膜表面氧化膜局部表面被腐蚀1.氧化后氧化膜上的电解 液未洗乾净。1.加强氧化后的洗涤。2.深凹处藏有电解无洗乾 净。2.均加强氧化后的洗涤。3.电解液无洗乾净就进行 封孔处理。3.均加强氧化后的洗涤。经重铬酸钾填充后氧化膜色 淡而发白1.溶液温度低，填充时间 短。1.改正不适宜条件。c OC -2含量太咼。2. SO 42.检查和校正SO-2成份。3.氧化膜太薄。3.增加氧化处理时间。氧化膜厚薄不均1.工作物表面附有污染物 未清理乾净。1.前处理须彻底将表面洗 净。2.处理槽内溶液搅拌不够2.加强搅拌作用。3.电流密度过高。3. 一般硫酸液阳极处理的电流密度以12A/dm2为 宜。无色的工作物件经热水填充 处理易沾上手印，水印，膜层发白1.封孔的温度和时间不够1.按适宜条件进行。2. PH值不当2.调整PH值。3.溶液氢氧化铝太多。3.更换用水。三、铬酸阳极处理通常出现之缺陷：缺陷原因改善对策工作物件被烧伤1.零件和夹具间的接触不1.夹紧改进接触。良。2.零件和阴极接触，零件之2.设法消除避免接触。间彼此接触。3.电压太高。3.降低电压。零件被腐蚀成深坑1.电解液中CrOa含量低。1.调整增加之。2.铝本身有缺陷，合金成份2.更换材料。不均匀。氧化膜薄，具发白现象1.夹具和导电棒之接触不1.改善接触条件。良。2.氧化时间短。2.加强氧化时间。3.电流密度小。3.调整电流密度。氧化膜上有粉末1.电解液温度高。1.调整之。2.电流密度大。2.调整之。膜层发黑1.工作物件上的抛光膏无洗1.加强氧化前的洗涤。乾净。2.原铝材料本身有问题。2.更换原材料。氧化膜发红1.表面准备不好。1.改善准备工作。|2.导电棒和零件夹具间接处2.改善接触条件。不良。四、硬质阳极处理通常出现之缺陷：缺陷原因改善对策氧化膜的厚度不够1.氧化的时间太短。1.增加氧化时间。2.电流密度太低。2.加大电流密度。3.氧化的面积计算不正确3.正确计算零件面积。氧化膜层硬度不够高1.溶液温度高。1.降低电解液温度。2.电流密度太大。2.降低电流密度。3.膜层厚度太厚。3.缩小氧化时间。氧化膜被击穿并烧坏工作物 件1.铝合金中含铜量高。1.更换原材料。2.工作物件散热不好。2.加强电解液搅动和冷却3.工作物件和挂具接触不 良。3.设法使接触良好。4.氧化时给电太急。4.注意改善作业过程。（完）