丝材拉拔基础知识(第3版)

丝材拉拔基础知识(第3版)丝材拉拔基础知识（第3版）徐效谦2012年6月目录1.丝材变形程度示方法及计算……………………………………………………………………………1.延伸系数…………………………………………………………………………………………………1.减面率……………………………………………………………………………………………………1.延伸系数自然对数………………………………………………………………………………………1.伸长率……………………………………………………………………………………………………2．延伸系数和减面率的计算………………………………………………………………………………32.拉拔时丝材受力状况及变形条件…………………………………………………………………………4．拉拔时丝材所受的外力…………………………………………………………………………………4．实现拉拔变形的条件……………………………………………………………………………………5．模具的压缩作用………………………………………………………………………………………63.拉拔时丝材应力分布及塑性变形…………………………………………………………………………6.应力状态…………………………………………………………………………………………………6.塑性变形理论……………………………………………………………………………………………7．拉拔时丝材应力分布…………………………………………………………………………………8．拉拔时丝材塑性变形…………………………………………………………………………………10.反张力对塑性变形的影响………………………………………………………………………………12.残余应力分布……………………………………………………………………………………………14.降低残余应力的一般方法………………………………………………………………………………164.拉拔力………………………………………………………………………………………………………16．测定拉拔力的方法……………………………………………………………………………………16．拉拔力计算公式………………………………………………………………………………………17．计算举例………………………………………………………………………………………………195.变形功和变形效率…………………………………………………………………………………………21．拉拔所需的功……………………………………………………………………………………………21．变形效率…………………………………………………………………………………………………21．影响变形效率的主要因素………………………………………………………………………………226.影响拉拔的工艺因数………………………………………………………………………………………22．模具………………………………………………………………………………………………………22．摩擦力和摩擦状态………………………………………………………………………………………24.润滑方式和润滑剂………………………………………………………………………………………25.拉拔时的温升和冷却……………………………………………………………………………………266.4.1拉拔时的温升…………………………………………………………………………………………266.4.2拉拔时的冷却…………………………………………………………………………………………27.拉拔速度…………………………………………………………………………………………………296.5.1.拉拔速度与变形速度…………………………………………………………………………………296.5.2.拉拔速度对丝材强韧性的影响………………………………………………………………………306.5.3.拉拔速度对拉拔力的影响……………………………………………………………………………326.5.4.高速拉拔用拉丝机……………………………………………………………………………………32.工艺流程和道次减面率的分配………………………………………………………………………336.6.1.低碳和低合金结构钢丝………………………………………………………………………………336.6.2.冷镦钢丝………………………………………………………………………………………………336.6.3.弹簧钢丝、制绳钢丝、帘线用钢丝、切割钢丝、胎圈钢丝、橡胶软管增强用钢丝等…………346.6.4.合金弹簧钢丝…………………………………………………………………………………………366.6.5.碳素工具钢丝、合金工具钢丝和轴承丝……………………………………………………………366.6.6.奥氏体不锈钢丝及高温合金、精密合金丝…………………………………………………………366.6.7.铁素体不锈钢丝、超低碳奥氏体不锈钢丝…………………………………………………………376.6.8.马氏体钢丝……………………………………………………………………………………………376.6.9.莱氏体钢丝……………………………………………………………………………………………387.拉拔常见缺陷……………………………………………………………………………………………38.内裂………………………………………………………………………………………………………38.应力裂纹…………………………………………………………………………………………………39.扭曲………………………………………………………………………………………………………39.拉拔断裂…………………………………………………………………………………………………408.拉拔时钢丝性能变化的一般规律…………………………………………………………………………41.力学性能…………………………………………………………………………………………………41.工艺性能…………………………………………………………………………………………………428.2.1.成形性能………………………………………………………………………………………………428.2.2.疲劳极限………………………………………………………………………………………………438.2.3.焊接性…………………………………………………………………………………………………438.3.4.切削性能………………………………………………………………………………………………44.物理性能………………………………………………………………………………………………449.拉丝配模计算……………………………………………………………………………………………44.非滑动拉丝机配模计算…………………………………………………………………………………449.1.1.拉拔道次估算…………………………………………………………………………………………449.1.2.以减面率为依据的配模计算方法……………………………………………………………………45．滑动拉丝的原理及配模计算…………………………………………………………………………479.2.1.滑动拉丝的原理………………………………………………………………………………………479.2.2.滑动式拉丝机配模计算………………………………………………………………………………489.2.3.以延伸系数为依据的配模计算方法…………………………………………………………………50参考文献……………………………………………………………………………………………………50丝材拉拔基础知识东北特殊钢集团徐效谦摘要：论述拉拔基础知识的资料少而分散、表述的观点也不完全一致，作者收集了德、俄、加、日及国内多年来的相关资料，进行系统地分析和梳理，融合生产实践经验，重新编写了本文。文中的理论描述力求通俗、易懂，讲解基本知识和推荐计算公式注重简明、实用。本文可作为拉丝专业人员的参考资料和技工培训教材。关键词：拉拔、应力状态、残余应力、应变时效脆化、工艺流程。拉拔是金属压力加工方法之一，拉拔加工特点是：在拉力作用下，使截面积较大的金属材料通过拉丝模孔，获得需要的截面形状和尺寸。和其它压力加工方法相比，拉拔具有成品尺寸精度高，设备简单，操作方便，适应性强，可以随时变换品种和规格等特点。按成品截面形状不同，拉拔可分为拉丝、拉管和拉型材。就拉丝而言，金属丝材截面大多数是圆形，但也有非圆形的，如方形、矩形和六角形、椭圆形、工字形等。通常将所有非圆形截面的丝材称为异型丝，而将圆形截面的丝材称为圆丝，或统称丝材。拉丝通常在室温下进行，即被拉的丝材在室温下通过模孔产生塑性变形，称为冷拉。严格地说，冷拉是在常温条件下的拉拔。冷拉时由于丝材在模孔中变形及与模具的摩擦作用，会产生大量的热量，这些热量一部分被模具吸收和散发，绝大部分热量使丝材升温，并随后在拉丝卷筒上散发。故拉出来的丝材具有光亮的表面和足够精度的截面尺寸。拉拔难变形金属时，常因金属塑性较差而不能进行冷拔，往往需要对丝材进行预热。如预热后丝材温度在再结晶温度以上时，称为热拉。预热温度在再结晶温度以下，称为温拉。拉拔某些截面形状复杂的丝材，为减少真实变形抗力，往往采用温拉。1.丝材变形程度表示方法及计算拉拔时丝材通过模孔变形的结果是截面积减少而长度增长。变形程度愈大，上述变化愈大。为衡量拉拔变形程度的大小，经常采用下列：．延伸系数延伸系数（拉伸系数）代号为μ，表示拉拔后丝材长度与原长度之比，或表示为拉拔后截面积减小的倍数：（1）式中lo——拉拔前长度lK——拉拔后长度Ao——拉拔前截面积AK——拉拔后截面积do——拉拔前直径dK——拉拔后直径由于拉拔过程中截面积总是减小的，所以丝材拉拔的延伸系数μ＞1．减面率减面率（压缩率）代号为Q（q），表示丝材在拉拔后截面积减小的绝对量与拉拔前截面积之比。由于拉拔过程中丝材截面总是减小的，所以减面率的数值小于1（q＜1），通常用百分数表示。（2）减面率是制定拉拔工艺时经常用到的一个参数。他能准确地反应变形程度的大小，当减面率相同时，尽管粗丝和细丝直径变化绝对值相差很大，但变形程度是一样的。.延伸系数自然对数延伸对数代号为ε，等于延伸系数的自然对数lnμ，引入延伸系数自然对数概念的作用是将乘方、开方运算简化为加减运算，便于配模计算，也为拉拔力和拉拔功的计算提供方便。（3）ε总＝ε1＋ε2＋ε3＋……＋εk.伸长率在实际生产中，除用μ、q和ε表示变形程度外，有时还用伸长率来表示变形程度。伸长率代号为λ，表示拉拔过程中的绝对伸长与原来长度之比。当变形程度不大时，伸长率数值小于1，因此伸长率也常用百分比表示：（4）上述四个变形程度参数之间有一定的关系（），可以相互转换。这种关系是建立在被拉丝材体积不变定律基础上的。例如延伸系数与其它变形参数的关系式如下：（5）为便于计算，将各参数換算关系式列于表1。表1拉拔变形参数換算公式变形参数代号用下列各项表示关系式直径do及dK截面积Ao及AK长度lo及lK延伸系数μ减面率q伸长率λ延伸系数自然对数ε延伸系数μμ减面率qq伸长率λμ-1λ延伸系数自然对数εε表2列出延伸系数（μ）在、、…时，以及减面率（q）在10%、%、%…42%时与其他变形参数的换算关系。表2变形参数换算表延伸系数μ减面率q（%）伸长率λ（%）延伸系数自然对数ε减面率q（%）延伸系数μ伸长率λ（%）延伸系数自然对数ε．延伸系数和减面率的计算延伸系数（μ）和减面率（q）是拉拔中经常用到的两个参数。在实际生产中丝材需经多次拉拔，所以将丝材的总变形程度用总减面率（Q）和总延伸系数（μ总）表示，而将每个道次的减面率和延伸系数分别称为道次减面率（q）和道次延伸系数（μn）。实际生产中，各道次的减面率和延伸系数往往是不一样的，为了计算方便，特别是在制订拉拔工艺，确定拉拔道次时，常假定各道次变形程度是一样的，就需用道次平均减面率和道次平均延伸系数的概念。它们之间的关系式如下：（1）总延伸系数，道次延伸系数和道次平均延伸系数（6）式中：——总延伸系数——第一道、第二道……第n道次延伸系数。A0、A1……An-1——第一道次、第二道次……第n道次拉拔前截面积。An——第n道次拉拔后的截面积。n——拉拔道次。——道次平均延伸系数。（2）总减面率与道次平均减面率又因为：所以：（7）式中：——道次平均减面率。（3）计算举例：生产Φ2.5mm06Cr19Ni9不锈钢丝，原料尺寸为Φ5mm，经7道次拉拔。求总减面率、总延伸系数、道次平均减面率和道次平均延伸系数2.拉拔时丝材受力状况及变形条件．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，丝材拉拔应力和应变状态如图1所示。拉拔时丝材在模孔变形区所承受的外力有三种：图1丝材拉拔过程中受到的外力（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：（8）式中：——摩擦力——摩擦系数——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。．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（9）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：式中——丝材抗拉强度——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()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：软态丝材的屈强比()通常在～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。设，上式可变换为：则：（10）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()通常在～之间，拉拔过程，安全系数K一般应控制在～范围内，虽然经多道次拉拔后丝材屈强比()逐渐增大，但冷加工硬化会导致丝材塑性下降，如K＜，表示道次减面率太大，拉拔时可能经常断丝；K＞，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，K应取下限值。．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，如图2。图2拉拔力与压缩力的关系根据图2，按西伯（E·Siebel）的平衡式:（11）式中P——拉拔力。Q——压缩力（合力）。——模具工作区半角。——摩擦角。——摩擦系数。例：1Cr18NI9不锈钢丝从φ拉至φ6.0mm，其拉拔力（P）为1685N，摩擦系数为，模具工作区半角为8°，求压缩力是多少解：（1）（2）通过上式计算可以看出，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。3.拉拔时丝材应力分布及塑性变形.应力状态外力是金属材料塑性变形的源动力，作用在金属材料上的外力分两种：表面力和体积力（又称为质量力）。表面力指压力加工过程中施加的拉力或压力，以及在接触表面上的切向摩擦力，金属材料的塑性变形通常是由表面力引发的。体积力作用于金属材料内部所有质点上，如重力和惯性力等，体积力与材料质量成正比，压力加工过程中金属质点流动速度变化时就会产生惯性力，但质量力通常很小，可以忽略不计。当金属承受外力时，内部便要产生与之抗衡的内力，内力是材料内部一部分与另一部之间相互作用产生的力，内力不仅具有与外力抗衡的作用，而且还有维持材料各部分间平衡的作用。内力在截面上的分布一般是不均匀的，在截面上任一质点周围选取一单位面素ΔA（如1mm2），若该质点的主矢（与外力方向一致）内力为ΔP，则比值称为面素ΔA上的平均应力。应力是一种具有方向性的矢量，通常将拉应力定为“＋”应力，压应力定为“－”应力。处于应力状况下的材料，内部任一质点都承受周围的应力作用，而且四周应力的大小和方向彼此不同，因此质点的应力状态不能用简单的矢量来表示，必须引进一个新概念——张量来表示。张量指通过该质点的、方位不同的无数个面素ΔA的应力矢量的集合。张量主要用于应力分析的理论计算，工程很少使用。为简化工程计算和定性地评估应力引发的变形结果，通常按压力加工变形的方向，建立一个长、宽、高三维坐标，设定一个正六面体，将其对应的三组平面看成是主平面，与主平面垂直的正应力称为主应力。如果已知过一点的三个主平面的主应力，就可以求出过该点的任意倾斜截面上的应力。根据应力的存在状况和方向，主应力图示共有九种，如图3。主应力图示是应力状态分类工具，所有可能存在的应力状态都包含在九种图示中。金属材料塑性变形时的应力状态取决于加工方法、工件和工具的形状、接触面摩擦状况、材料不均匀变形引发的附加应力和变形前材料内部的残余应力，这些因素往往是共同起作用，所以变形材料内往往不是单一的一种应力状态图示。有时随变形的进行应力状态会发生变化，如金属棒材在拉伸试验的均匀变形阶图3主应力状态图示段承受单向拉应力，拉伸到出细颈阶段，缩颈处应力线弯曲，应力状态变为三向拉应力。挤压是三向压应力状态；圆柱体镦粗和板材轧制也是三向压应力状态，但镦粗比＞2或厚板轧制时工件或板材中心部承受的是单向压应力；拉拔是一向拉应力两向压应力状态。金属材料在不同应力状态下塑性变形能力有很大差别，一般说来，压应力成分越多、拉应力成分越少，材料塑性变形能力强。原因是金属材料在压应力下，显微组织缺陷，如纤维裂纹、中心疏松、晶格空位等得到不同程度的修复，气泡自动焊合，同时，在冷状态下晶界强度高于晶内强度，更多的晶界变形转化为晶内变形，材料的变形能力有很大的提高。反之，拉应力促使显微组织缺陷扩展，使晶界参于变形的比例增大，材料的变形能力自然下降。同一种金属材料在不同应力状况下的变形能力，从大到小排列次序如表3。表3金属材料在不同应力状态下的变形能力排列次序123456789应力状态T1M1X1T2M2X2T3M3T4在不同应力状态下，金属材料的真实变形抗力也有明显差别，材料在同号应力下变形比异号应力下变形需要更大的力。铜棒从Φ10mm加工到Φ8mm，挤压成形时施加压力3530kg，拉拔成形施加拉力仅为1050kg，挤压成形所用力是拉拔成形用力的1倍多。但对于低塑性合金材料拉拔时经常脆断，挤压就能顺利成形。.塑性变形理论塑性变形有两种根本不同的研究方法：金属学塑性理论和力学塑性理论。金属学塑性理论以金属材料晶体结构为模型来解释变形机理：金属是按一定规律排列的多晶体，如体心立方晶格或面心立方晶格，在外力作用下将产生变形，根据主应力的大小，可能产生弹性变形或塑性变形，如果晶格原子从原始位置滑移到一个能量合适的新位置，金属就产生了塑性变形。塑性变形的要点是原子总是沿着特别有利的晶面（滑移面）滑移。对于滑移机理有平移理论和位错理论两种不同解释，这里不作更多的介绍。力学塑性理论假定金属在塑性变形过程中体积不变，根据应力—应变状态图，引进屈服极限的概念，能有效地解释塑性变形的特征，可进行变形参数计算，可定量地预测塑性变形的结果，是一种实用的基础理论，本节将重点介绍力学塑性理论。力学塑性变形理论中有两种常用塑性方程：H·特雷斯卡和B·圣维南的最大剪切应力塑性方程和V·米赛斯的变形能塑性方程，建立方程时假设金属材料是各向同性的均质体、有明显的屈服极限、无包辛格效应、变形前后体积不变。两种塑性方程都是用来预测塑性变形的初始值，因此又称为屈服条件或塑性条件。按照H·特雷斯卡（H·Trasca）的最大剪切应力假设，塑性变形的产生不取决于主应力的绝对值，而取决于主应力之差，即最大剪切应力。对于任何应力状态，只有产生最大剪切应力，并且剪切应力超过材料的剪切屈服极限（剪切变形抗力）时才能产生塑性变形。在三向应力状态下只考虑最大主应力和最小主应力，中间的主应力不管大小均无关紧要。后来B·圣维南(B·Saint-Veant)发展了特雷斯卡的研究成果，提出了最大剪切应力等于常值的假设，并据此建立了塑性方程为：或（12）因为，所以（13）按照V·米赛斯（V·Mises）的变形能假设，要使处于应力状态材料中的某一点进入塑性变形，必须使该点的单位弹性形状改变势能达到材料允许的极限数值St（真实变形抗力），该极限数值和应力状态的种类无关，为一常数。根据单向应力状态和三向应力状态的功相等的原理，最终导出塑性方程为:（14）为使用方便对上述进行简化，假设为最大值，为最小值，为中间值，取三个特殊情况对方程式简化，结果如下：=时时=时设则1～简化塑性方程式可表示为：－＝(1～（15）比较公式13和公式15，两者之间仅差一个系数K。两个方程的差别在公式13未考虑中间应力，实际上，中间主应力具有不同数值时，材料进入塑性状态所必须的最大剪切应力的数值是不一样的。实验证明，对于钢材公式15的精度更高点，据有关资料介绍，板带轧制时K值取，型材轧制时K值取～。．拉拔时丝材应力分布拉拔时丝材在模孔变形区的应力分布是很复杂的问题。为了便于分析，我们先假设模具角度很小，丝材与模具的摩擦力可以忽略不计，丝材在模具变形区内承受一向拉应力，两向压应力和。显然，切向和径向上的压应力是相等的，假设丝材在变形时真实变形抗力St为一常数，从V·米赛斯塑性方程可知：因为所以因拉拔应力为，压缩应力为则：（16）从公式16可以看出拉拔过程中单项拉拔应力和单项压缩应力均小于材料的真实变形抗力，所以拉拔可以连续进行。用塑性方程分析拉丝过程中丝材应力分布，是在假设模具角度很小、摩擦力忽略不计、以及材料真实变形抗力为一常数等特定条件下得出的结论，与实际生产有较大差距。如前所述，拉拔过程中，丝材进入模孔变形区后承受拉拔力P、正压力N和摩擦力T三种外力，在这三种外力的联合作用下，丝材内部形成三种与其平衡的内应力：轴向拉应力、径向压应力和圆周向切应力。不难理解拉拔力P作用于丝材通长的横截面上，而丝材直径在变形区的轴向上越来越小，所以拉应力的总趋势是沿轴向逐渐增大。径向压应力也作用于丝材整个的横截面上，根据塑性方程，拉应力逐渐增大必然导致压应力沿轴向逐渐减小。图4是综合各项检测结果，绘制的丝材各同心圆层的拉应力和压应力在变形区内变化情况。从图4可以看出，拉拔过程中，丝材在未进入变形区之前轴向拉应力和径向压应力已经开展上升，进入工作锥后开始塑性变形，轴向拉应力持续上升，径向压应力持续下降。仔细观察，在模孔中丝材截面不同环形层上的轴向拉应力和径向压应力变化规律大不相同：在变形区内丝材心部的轴向拉应力最大，中间层次之，表层最小；进入定径区后心部和中间层拉应力趋于一致，表层拉应力持续上升；到出口处，心部和中间层拉应力维持不变，表层仍受摩擦力的影响，拉应力达到最大值，轴向拉应力在变形区分布状况如图5。径向压应力是平衡压缩力Q的内应力，在整个变形区中始终是丝材表层最大,中间层次之,心部最小；进入定径区后三层压应力同时减小；到出口处，均降为零。在整个变形区内，拉应力与压应力一直保持着的关系，见图6，图中和分别表示丝材拉拔前和拉拔后的真实变形抗力。圆周向切应力是作用在丝材圆周表面的剪切力，通常为压应力，只有在丝材进入变形区前的环形周边层中（如图7）可能形成拉应力。因为压应力和圆周表面积沿轴向减小，切应力也沿轴逐渐减小。在整个拉拔过程中，切应力与压应力以固定的比率同步增减。在径向上拉应力和压应力变化不大，但切应力从圆周到圆心均匀减小，心部降到零，但在同一层圆周上切应力是相等的。切应力的方向总趋势是与拉应力相反。切应力的反向作用在一定程度上也改变了拉应力和压应力的方向：在切应力的作用下，拉应力方向通常与拉拔方向不一致，通过冷拉丝材的纤维织构方向可间接地看出拉应力方向，如图8，从图示中可以看出，纤维织构方向从圆周表面向芯部倾斜一定角度，越靠近芯部倾斜角度越小，心部方向与拉拔方向完全一致。压应力的方向变化见图4中的两条压应力轨迹线（虚线），轨迹线上任一点的切线方向表示该点的压应力方向。显而易见，在模孔工作区入口处，轨迹线的向后凸起度明显大于出口处轨迹线的向后凸起度，这就表明：入口处压应力的方向从表面层到心部变化比较激烈，出口处压应力的方向变化比较平缓。拉应力线的倾斜度和压应力轨迹线的凸起度是反映丝材受力均匀性的重要标志，实际上倾斜度和凸起度都随模孔工作锥的角度和摩擦系数的增大而增大，所以说，模孔工作锥的角度和摩擦系数是拉拔工艺的两项不容忽视的工艺参数。综上所述，拉拔过程中丝材承受的应力是不均匀，应力不均匀必然带来塑性变形不均匀、成品丝材的残余应力分布不均匀、力学性能和工艺性能不均匀，工艺控制的目标是充分利用不均匀带来的好处，最大限度地克服或抑制不均匀带来的坏处。．拉拔时丝材塑性变形通常采用坐标网格法，准确、直观地展示丝材拉拔过程中的塑性变形状况。首先选用合适的棒材，从中间纵向剖开，将剖面磨光，刻上坐标网格，再将两半整合（铆合或焊合），整圆（车圆或磨圆），如图9，拉拔后再卸开观察网格变形状况，用上述方法试验了不同材质的棒材，都得到了相同的结果。根据试验结果绘制出拉拔过程中坐标网格变化示意图，如图10。从图中坐标网格的变化状况可以看出棒材在模孔中的塑性变形的基本特性：（1）拉拔前棒材剖面上刻画的是正方形网格，内接圆形图案，进入模孔后，中心层网格受径向压应力和轴向拉应力作用，方格变成近似长方形，圆形逐渐变成鸭蛋形、椭圆形。说明材料中心层甚本无附加扭曲变形。在周边层中，正方形网格变成平行四边形网格，四边形径向被压缩，轴向被拉长，四个直角转变成相对应的钝角和锐角，其畸变程度从中心向周边逐渐增大，由此可见，丝材表面除沿轴向拉长、径向压缩外，还产生了附加切变形。据观察，正方形网格的畸变程度与拉丝模工作区角度和摩擦系数直接对应，工作区角度越大、摩擦系数越大，网格畸变也越大。圆形图案在正压力()和摩擦力()的合力的作用下,沿方向被挤压成卵形和扭曲的椭圆形，处于同一纵列的卵形（5—5、6—6、7—7）和扭曲的椭圆形的长轴（8—8、9—9），与原正方形网格中心连接线（2—3和3—4）成一定角度，离中心越远的环形层中，扭曲角度越大（＞），由此可见，丝材内部的附加切变形是不均匀的。图10圆棒拉拔过程中坐标网格变化示意图（2）原垂直于轴线的网格线，在接近变形区（非接触变形前区）时已经开始前凸，进入变形区后这些线的凸起曲率逐渐增大，拉拔后变成中间凸起的弧线，并且凸起指向拉拔方向。网格线凸变表明：丝材中心层金属流动速度明显大于周边层。实际上在丝材尚未进入变形区时，表层金属受切应力的影响，已产生一定弹性变形滞后现象，进入变形区后，拉应力逐渐加大，压应力和切应力逐渐减小，表层和中心层应力差也逐渐加大，所以凸起曲率也逐渐增大。因为金属是一个整体，截面圆周层之间具有一定的抗剪切强度，致使网格线轴向的凸起曲率不会太大。但到丝材的尾部，因为抗剪切强度下降，端面就产生不同深度的凹陷，凹陷深度与模孔变形区角度和冷拉减面率直接对应，如图11和图12。（3）原平行于轴线的网格线，进入变形区时，周边层网格线产生不同程度的折转（见图10中2），以不同角度向轴线倾斜，越靠近表面倾斜角度越大；到出口处再次反向折转（见图10中3），拉拔后网格线仍然平行于轴线，但从入口到出口线间距离逐渐缩小，尽管各层面所承受的应力状态不同，但变形后线间距离仍然相同，说明丝材径向各层都得到几乎相同的压缩变形（末端面除外）。（4）如以变形区进口平面和变形区出口平面作为模孔变形区界限，实际上，丝材尚未进入变形区时已经开始变形，在非接触变形前区，垂直轴线的网格线开始弯曲点和平行轴线的网格线开始转折点2，距进口平面都有一段距离，变形前区呈现为一个接近球形（虚线）的表面。中心A层的网格，轴向被拉伸,径向被压缩；周边B层的网格，轴向缩短（只有准确测量才能发现），径向增大。如果A层的网格径向缩小值小于B层的网格径向增大值，丝材在非接触变形前区的直径增大（如图7），反之，丝材在非接触变形前区的直径减小。在出口处，网格线开始弯曲点和开始转折点3出现在出口平面之前，出口区（非接触变形后区）接近球形，并向模孔内隆起。金属变形包含弹性变形和塑性变形两部分，拉拔过程中弹性变形起源于非接触变形前区，开始消退于非接触变形后区，由于弹性后效作用，丝材离开变形区后直径还有所增大。（5）尽管拉拔过程中丝材各层面上的拉伸变形和压缩变形的程度几乎是相同的，但由于各层面承受的应力状态大不相同，各层面的金属流动历程也有很大差别。如图13所示，如果没有附加变形，方形网格A应转变为矩形B，由于附加应力的影响，丝材不同层面的网格产生不同程度的弯折或扭曲，网格实际转变为C形。这种弯折或扭曲在模具工作区入口和出口处表现得尤为激烈，从图10中可以看出：在H和K处,丝材垂直于轴向的两条网格线产生方向相反的位移(见箭头所指方向),导致丝材表层金属流动历程加长,拉拔功耗增加。如果用来表示丝材心部的金属流动量，显而易见，丝材表层的金属的实际流动量要大于VI(V—拉伸金属体积)。图10右边金属单层中轴向伸长变形线显示：丝材表层的伸长量明显大于中心层，图11和图12丝材末端凹陷深度的变化也可以直观也反映出丝材表层的伸长量明显大于中心层。图13附加变形对坐标网格变化的影响综合上面的分析可以看出：a.拉拔中的主要变形是拉伸变形，同时除丝材中心层外，各层面均产生不同程度的附加变形，越接近表层产生的附加变形越大。b.摩擦力使丝材拉拔时产生附加切变形（除中心部位），切变形程度是不均匀的，越靠近丝材表层，运动速度越慢，变形程度越大。c.由于模孔工作区角度的影响，丝材通过模孔时会产生弯曲变形。离丝材中心距离越远，弯曲程度越大。d.丝材在进入变形区前，靠近中心部位变形已开始，并在离开出口前终止变形。而靠近表面部位，变形开始得晚，结束得也迟。这种情况随模孔工作区角度、摩擦力和道次减面率加大而更加明显。总之，拉拔时拉拔应力的不均匀分布，导致了丝材的不均匀变形,离中心部位越远，附加切变形和弯曲变形程度越大。从而造成丝材横截面各处变形量不等，越靠近表层变形量越大，致使冷拉丝材表层的硬度和强度明显高于中心层。.反张力对塑性变形的影响反张力(q)指在丝材拉拔的同时，对进入拉丝模前的丝材施加一定的与拉拔方向相反的张力。早在1933年英国的F·C·汤普森(F·C·Thompson)首先发表了关于反张力的三项实验结果,，到1938年美国的L·西蒙(L·Simoms)报道了用反张力拉伸法拉出丝材的性能，K·B·刘易斯(Lewis)对变形过程进行了研究。目前，带有反张力的直线式连续拉丝机，在钢、铜、铝等各类丝材的生产中得到广泛的应用。常规拉拔过程中，丝材的拉应力在非接触变形前区才形成，施加反张力后丝材未进入拉丝模前已带有一定的拉应力了，势必导致塑性变形区拉应力的增加，一般情况下反张力不宜太大，特别是已经加工强化的丝材，反张力一定要小于丝材的屈服极限，否则经常出现拉断现象。图14显示有反张力拉拔时和无反张力拉拔时变形区应力变化状况，无反张力拉拔时的轴向拉应力的变化见线，有反张力()拉拔时的轴向拉应力的变化见线。线反应轴向拉应力和径向压应力之和变化状况，两种应力之和等于丝材的真实变形抗力(ST)。根据节分析可知，该曲线的走向不受有无反张力的影响。塑性变形区纵坐标Y-Y上的ac线段代表无反张力时变形区内某点的径向压应力，ab线段代表有反张力时变形区内某点的径向压应力，显然ac＞ab，说明反张力导致丝材在变形区内的径向压应力显著降低。径向压应力降低，即使润滑条件不变也会带来摩擦力下降，图15显示了反张力对几种内应力大小分布的影响：轴向拉力的增量几乎与反张力相等；径向压力的降低幅度与反张力大小成正比；在反张力作用下，丝材在定径区的摩擦力应力有可能降到零。由于压应力和摩擦力应力同时降低，变形区的圆周向应力必然下降，丝材横截面各环层塑性变形的不均匀度有显著改善。综合分析，反张力给丝材生产带来以下收益：（1）减缓拉丝模的磨损，延长模具使用寿命。（2）改善润滑条件，选用拉丝润滑剂的可以放宽。（3）只要施加反张力适当，尽管拉拔力有所增加，但摩擦力降低使丝材拉拔发热量减少，拉拔能耗总体有所下降。（4）由于塑性变形均匀性改善，丝材塑性变形能力有所提高，拉拔断丝几率显著下降。（5）丝材横截面变形差距缩小，对抗拉强度无明显影响，但伸长率、断面收缩率和工艺性能（弯曲、扭转和缠绕）有所改善。当然反张力的大小和稳定是至关重要的，如控制不当将适得其反。进一步研究表明：使用反张力时存在着一个临界值q临，即施加的反张力小于q临时，拉拔力无明显增加，模具压力却有显著的减小。丝材拉拔过程中与反张力对应存在着一个的临界应力临，临实际上是一个与材料弹性极限或规定总延伸强度（相对应的物理量。也就是说，施加的反张应力不超过弹性极限（或）时，可以达到只降低压应力，而不增加拉应力的效果，由于丝材与模孔接触面压应力降低，有利于润滑剂进入接触面，减缓模孔变形区入口处的环状磨损。选配反张力时还应考虑到以下两点：（1)直线式拉丝机随着拉拔道次的增加，丝材不断强化，弹性极限（或）也随之升高，选配的反张力应相应加大。(2)施加任何反张力都会导致拉丝模压应力下降，当反张力q≤q临（≤临）时，拉丝模压载荷下降值正好等于q。当反张力q＞q临（＞临）时，拉丝模压载荷下降值总是小于q。拉丝模压力下降值大小可以用反张力利用系数(γq)表示：（17）式中；Mo——无反张力时拉丝模载荷，NMq——施加反张力后拉丝模载荷，N现代化直线式连续拉丝机的反张力是依靠张力轮自动调节的，张力轮的反张力靠气缸压力控制，实际生产中可按上述原则，调节各气缸的压力，实现最佳恒张力拔丝。.残余应力分布即使丝材拉拔前组织结构均匀，并在均衡、对称的应力条件下变形，下列三项原因仍会在丝材内部造成残余应力的不均匀分布（1）模具工作区的圆锥形形状，使丝材变形过程中承受了与轴向成（90-α)°角的正压力（N），致使丝材表层金属流动落后于中心层，由于流动出现转折或弯曲，流动历程也加长。（2）丝材与模孔圆锥形接触面的摩擦力（T）加剧了丝材表层金属的流动滞后的局面，进一步加大金属流动历程。（3）压缩力（Q)是正压力与摩擦力的合力，作用方向与轴向成(90-α-β)°角，与拉拔力相反，是引发丝材变形的主要外力。压缩力在丝材径向上产生的压应力表层大于中心层，导致表层金属压缩变形位移大于中心层，表层的强度和硬度也高于中心层。拉拔时丝材表层比中心层产生更多的变形位移，由于弹性后效作用，拉拔后丝材表层在轴向上比中心层收缩的更多些，但丝材作为一个整体，必须保持内外层收缩均匀一致，就不可避免地要在表层中产生残余拉应力。中心层产生残余压应力，如图16a。冷拉棒材的表面有时可以观察到残留的弯曲细鳞片状小斑点，实际上就是残余拉应力的存在的迹象。在径向上，拉拔后压缩力（Q)消失，由于弹性后效作用，圆截面各环形层的直径都有增大的趋势，但每个环形层都受相邻环形层的包围和阻挠，承受着均匀一致的压应力，压应力从中心到表面逐渐减小，到表面处降为零，如图16b。此时如将圆棒表面扒掉一层，由于弹性后效作用，剩下的圆棒直径将有所增大。如果在圆棒中心钻一通长孔道，孔道直径在弹性后效作用下，将有一些缩小。丝材拉拔过程中，摩擦力的影响，圆截面各环形层所承受的切应力从表层到中心逐层递减，表层切应力最大，中心层切应力降到零。因为表面剪切变形程度大，拉拔后由于弹性后效作用，切向收缩趋势也越大，所以圆周残余应力的分布与轴向残余应力的分布状况完全相同,如图16c。残余应力的存在状况和大小对丝材的力学性能和工艺性能有很大影响，表层残余拉应力太大会造成高碳钢丝和难变合金钢丝表面应力裂纹；径向压应力会造成丝材矫直时尺寸超差；圆周残余拉应力太大会造成碳素弹簧钢丝扭转性能下降。在实际生产中，减面率过大或道次减面率分配不当，润滑不良，模具角度过大等都会增加丝材不均匀变形程度，导致残余应力增大，生产中应采取相应措施，减缓丝材不均匀变形程度，降低表面残余应力。通过适当的机械加工和轻微的拉拔变形（又称表拔）可以改变丝材的残余应力分布状态，图17和图18显示了冷拉圆棒经双曲线辊矫直精整后，表面残余应力状况发生了很大变化：因为矫直使棒材表面产生一定的伸长，表面弹性后效回缩变形潜能转化为塑性变形（伸长），残余拉应力得到释放。如果矫直引发的表面伸长深度不够，未完全转化，残余拉应力未完全释放，则次表层的弹性回缩变形潜能会在表层形成压应力，次表层在表层和心部的压应力作用下形成拉应力,如图18a。在径向上,表层伸长造成直径涨大使弹性后效潜能得以发挥，棒材直径有所增大。此时表层伸长遗留的弹性后效回缩变形潜能受到内层金属的牵制，表层残余应力转化为拉应力，如图18b。冷拉丝材矫直时直径增大是无法改变的规律，直径越大，冷加工不均匀变形程度越大，直径涨幅越大，生产中应充分考虑此种因素，防止丝材矫直后尺寸超出公差规定。冷拉减面率对丝材的残余应力分布有很大影响，据俄国《拉拔理论》介绍3，最后一道减面率控制在～%范围内，可以得到与矫直同样的效果，轻微拉拔（表拔）仅在丝材表层造成塑性变形，使表层轴向和圆周向弹性后效潜能达到释放，表层残余应力由拉应力转为压应力。德国的H·比勒和E·H·舒尔茨4也证实了表拔可以改善表面残余应力，见图19，当道次减面率为%时表面残余应力接近于零，减面率进一步增大，表面残余应力又转化为拉应力。实际生产中，我们常用减面率小于%的表拔来改善碳素弹簧钢丝的扭转性能，其原理应该是表拔使丝材表层的拉应力减小，或转化为压应力。而扭转试验的本质是检验丝材圆周向残余应力均匀性的，在扭转过程中，丝材表层承受的剪切应力要大于心部，随着扭转次数增加，内外层承受的应力差越来越大，直至超过金属的扭转极限时产生断裂。显然，如将丝材表面残余应力转化为压应力，就能显著提高扭转性能。扎克斯(Закс)用试验进一步证明，在20～30%范围内残余应力随减面增大而增大；减面率继续增大，残余应力反而开始下降，下式列表达式可以解释此种现象：如L0—拉拔前丝材长度，Lb—拉拔后丝材表层长度，Lz—拉拔后丝材中心长度，则表面伸长与中心层伸长之差占丝材总长的比例B可表示为：（18）当减面率较小时，(Lb-Lz)值增长比丝材总长(Lb+Lz)增长得快，B值增大，轴向和圆周残余应力和弹性后效潜能增大，丝材内外层残余应力差值增大。当减面率大幅提高时，(Lb-Lz)值增长比丝材总长(Lb+Lz)增得慢，B值减小，轴向和圆周残余应力和弹性后效潜能降低，丝材内外层残余应力差值也随之降低，所以用多道次拉拔达到较大总减面率时，残余应力的不均度有所降低。由于反张力能改善丝材塑性变形的均匀性，自然就缩小了丝材表层与中心层的应力差值，降低残余应力。前面已经提到丝材表层残余拉应力是由于表层金属塑性变形滞后、流动历程加长、变形率大于心部金属造成的，因此很容易联想到：如果不断改变丝材拉拔方向，即正向—反向—正向—反向轮換拉拔，能否改变丝材残余应力的分布状况呢答案是不能。俄国的伏勒斯捷尔（Форстер）和希塔姆布克（щтамбк）曾做过双向轮換拉拔试验：选用同一炉号、同一热处理生产的镍丝，按同一套拉拔流程，一批采用单向拉拔，另一批采用双向轮换拉拔，拉拔到同一尺寸。测定同一尺寸两批料的残余应力分布状况，结果表明：双向轮換拉拔镍丝的轴向残佘应力绝大多数大于单向拉拔镍丝；单向拉拔镍丝的轴向残佘应力随着拉拔道次的增加平稳、缓慢上升。双向轮換拉拔镍丝的轴向残佘应力随着拉拔道次的增加大起大落地变化，第2道次急剧上升，第3道次又急剧下降，其中第3道次和第4道次的残佘应力还略低于单向拉拔的镍丝，其余道次均远大于单向拉拔的镍丝。由此可见双向轮換拉拔不但不能改善丝材残余应力分布状况，反而加大了残余应力的不均匀分布。仔细分析原因在于不管朝什么方向拉拔，丝材表层的伸长量总要大于心部，换向拉拔无法改变表面伸长量要大于心部的现状，反而促使表层金属流动历程进一步加长，残余应力也进一步增大。.降低残余应力的一般方法以冷拉状态交货的丝材，由于变形的不均匀性，其内部残存着拉应力和压应力，两种残余应力在一定条件下实现平衡，丝材尺寸和形状暂时稳定。但由于弹性后效作用，丝材不同部位都在不断地改变自己的尺寸，甚至改变自己的形状，释放残余应力。一根直棒，大约1～2年会出现纵向侧弯；在腐蚀性环境中，丝材表面拉应力会在表面形成应力腐蚀开裂。而且残余应力越大，出现变形时间越早，危害越大，如何降低丝材残余应力是生产工艺控制一项重要任务，一般说来可从以下几方面着手：（1）尽可能降低变形的不均匀性，具体措施有：降低总减面率，适当降低最后一道次的减面率（12%～15%），降低异形丝材横截面各部分变形的不均匀性；保证丝材入模和出模方向与模孔轴线方向一致；使模孔变形区角度接近最佳角度；选用合适涂层和润滑剂，降低摩擦力。（2）采用矫直、表拔、喷丸等工艺措施，将弹性变形的潜能转变为表面塑性变形，消除或降低丝材表面拉应力。由于表面拉应力消除或降低，丝材抗拉强度略有下降，弯曲、扭转性能有所改善。回旋式矫直、平立辊式矫直，因矫直过程中丝材产生深度的弯曲和扭转变形，导致弯曲、扭转性能下降；同时因变形强烈，丝材温升较高，会产生一定的时效脆化效应。弹簧经喷丸处理后疲劳寿命显著提高。（3）采用低温回火处理（200～300℃），使晶格重新排列、内部的残余应力得到释放，丝材或弹簧的尺寸和形状长期稳定下来。各类丝材经低温回火处理，在内部残余应力得以消除的同时，会产生时效硬化效应，实际抗拉强度往往有一定幅度（5～10%）的上升。4.拉拔力拉拔力是作用在丝材上，使丝材通过模具产生变形的外力（P）。在拉丝机时，拉拔力是确定拉丝机传动功率和零件强度的主要依据。在使用拉丝机时也要根据拉拔力确定拉丝机能生产什么规格的丝材。拉拔力是丝材生产和拉丝机设计时的一项重要参数。．测定拉拔力的方法测定拉拔力大小的方法很多，常用方法有以下四种。（1）用测力计测定拉拔力可以用任何一个有足够功率和量程的测力计，或带有夹具的拉力试验机，进行实际测量。这种方法缺点是试验过程复杂，需要一套灵敏度高的测力仪器和专用夹具。因此，一般在实验室范围内使用。（2）根据拉拔时耗用功率测定拉拔力拉拔耗用功率等于拉拔力（P）与拉拔速度（V）的乘积。即（19）式中：——拉拔时耗用功率（W=Nm/sec）——拉拔力（N）——拉拔速度（m/sec）式中：——电机总耗功率——空载功率（20）实际生产中功率单位多用千瓦（KW），拉拔速度多用米/分（m/min），则计算公式变换为：（21）用这种方法确定拉拔力较为简单，有一定的精度。但实际生产中需要先测定电机功率和空载功率。（3）用理论公式计算拉拔力计算拉拔力的理论公式很多，但这些计算公式很难得出准确的结果。原因在于影响拉拔力的因素很多，研究者通常为简化计算，提出一些假设，影响计算的准确性。有的研究者提出的公式考虑虽全面，但计算涉及的多种未知数很难准确确定。所以按不同公式计算出来的拉拔力往往差异很大。（4）用经验公式计算拉拔力根据特定生产条件，把一些因素（如丝材表面处理、润滑、模具等）看成固定不变的，得出一些经验公式。这类公式对特定生产条件往往是比较准确的，但通用性稍差。．拉拔力计算公式各种理论计算公式，按其理论推导依据不外乎有三类。第一类：根据变形区静力平衡原则，推导出的公式，如加夫里林科公式。第二类：根据主变形所需要的功，推导出的公式。如塞齐斯公式和考尔布尔公式。第三类：由塑性变形的基本原理，推导出的公式。如古布金公式。常见的计算公式如下：（1）加夫里林科（А·П·ГАвриленко）公式：（22）（2）塞齐斯（Sachs）公式：（23）（3）兹别尔公式（4）考尔布尔（）公式：（24）（5）古布金（С·И·Губкин）（25）（6）勒威士（B·Lewis）经验公式：（26）（7）克拉希里什柯夫经验公式：（27）（8）在施加反张力条件下，萨克斯提出计算公式:（Po——无反张力时的拉拔力）（28）(9)伦特(R·W·Lunt)和莫克勒兰(G·D·S·Moclellan)引入反张力系数概念，推导出更简捷的计算公式:反张力系数（29）在上述公式中：P——拉拔力（kg）Pq——反张力（kg）Kf——平均真实变形抗力（kgf/mm2），在实际中常用、——拉拔前、后丝材屈服极限、——拉拔前、后丝材抗拉强度Ao、Ak——拉拔前、后丝材截面积（mm2）f——摩擦系数α——模具变形区半角（考尔布尔公式中为弧度，其他为°）μ——延伸系数M——模具定径区周长（mm）L——模具定径区长度（mm）表4勒威士（B·Lewis）经验公式中Kq与减面率的关系减面率%Kq减面率%Kq减面率%Kq减面率%Kq10111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455．计算举例现有do=3.27mm丝材，用硬质合金模，肥皂粉润滑，拉拔成dk=2.74mm。已知模孔半角为α=6°，定径区长度L=1.37mm，拉拔前抗拉强度=920N/mm2，拉拔后的抗拉强度=1090N/mm2，拉拔时摩擦系数f=，求拉拔力解：（1）按加夫里林科公式计算（2）按塞齐斯公式计算（3）按兹别尔公式计算（4）按考尔布尔公式计算（5）按古布金公式计算其中：（6）按勒威士经验公式计算其中：查表4得出：（7）按克拉希里什柯夫经验公式计算：将用各种方法测定的拉拔力数值列出见表5。表5拉拔力测算结果比较测定拉拔力的方法所得拉拔力（MPa）拉力试验机测定在拉丝机上拉拔时（V=27m/min）测力计值据实测功率计算No=，V=160m/minNo=，V=27m/min按加夫里林科公式计算按塞齐斯公式计算按兹别尔公式计算按考尔布尔公式计算按古布金公式计算按勒威士公式计算按克拉希里什柯夫公式计算33603580435042653950329033503765417037303530从表5可以看出，各种方法计算出来的拉拔力和实测值相比都有误差。理论计算公式以考尔布尔、兹别尔和塞齐斯公式误差较小。特别是克拉希里什柯夫和勒威士的经验公式，计算最简便，并具有一定的精度。值得指出：上面介绍的拉拔力测算公式都是从碳素弹簧钢丝，或钢绳用钢丝生产工艺研究中得出的结论，这些公式仅适用于显微组织结构为索氏体+片状珠光体+少量铁素体的碳素钢丝。实际上，钢丝的拉拔力与材料的变形抗力密切相关，材料的变形抗力主要