《材料成形工艺学》大作业.docx

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1、材料成形工艺学大作业题目：解析无缝钢管二根斜轧穿孔过程中轧件运动特点以及孔腔形成机理作业内容无缝钢管轧制过程中二辑斜轧穿孔，斜轧轧制方式、轧辑形式为桶形根，轧辑在水平面左右布置，固定不动导板在上下布置，中间为随动顶头、轧相轴线与轧制线在过轧制线主垂直平面上倾斜成送进角为B,轧辑旋转速度为u,如图1所示。图2为各类斜轧运动方式示意图。图1：二短斜轧穿孔过程示意图图2：斜轧运动方式示意图利用平面解析方法或其他方法解析斜轧穿孔过程中轧件运动方式（旋转和前进方向）、穿孔过程中孔腔形成机理和影响因素。一、孔腔形成机理1、切应力理论分析：将二辑斜轧穿孔简化为平锤锻压方坯模型。图1：在“锻造十字”区金属的流

2、动方向（八）锤头在A区压缩；(b)锤头在B区压缩当平锤头锻压方坯时(图1（八）),由于锤头接触表面上外摩擦的作用，使坯料A区处于三向压应力状态，成为难变形区，在压缩时该区沿垂直方向移动，且带动与它相邻的a区金属沿箭头方向移动。B区处于变形体的外侧受摩擦影响很小，又没有其他部分的阻碍，因此在压缩时B区金属向横向移动，带动它邻接的b区沿与a区相反方向移动。于是在坯料对角线方向产生了金属的激烈错动。当翻转90。压缩时(图1(b),a、b区金属产生沿相反方向的错动，于是在激烈地反复错动下，便沿坯料对角线方向产生疲劳开裂，最终形成孔腔。2、正应力理论分析：将二辑斜轧穿孔简化为平锤锻压圆坯模型。如图2所示

3、，用平锤头锻压圆坯时，假如没有外端(指接触变形区abed以外的两个弓形区aAb、CCd),则可不受限制地产生双鼓变形(图2（八）中虚线所示)。实际上由于外端的作用，而使心部受到大的水平拉应力的作用，当此应力超过材料的断裂应力时，就会在心部产生与拉应力方向垂直的裂口，(如图3（八）所示1口裂口)。当翻转90锻压时，便会产生如图3(b)所示的2-2裂口。如果继续旋转锻造便会形成如图3(C)所示的孔腔。图3：用平锤头锻压圆坯时裂口的形成3、综合应力理论斜轧实心圆坯时的变形如图4。轧制开始时，在外力作用下沿外力方向上各单元体受到压应力的作用。在横（切）向上管坯没有受到其他外力的作用，但如果考虑到金属横

4、向、纵向流动时，轧辐和金属之间将产生阻止金属横向、纵向流动的摩擦力，此外在横向上处于轧辑直接作用区内（图4（八）的单元体还图4：轧制实心圆管坯时的塑性区分布（八）表面变形；（b）中心变形；（C）孔腔形成图5：实心坯不均匀变形示意图相反，在中心区则受到外层给予的拉应力。假设在一个圆管坯横断面上画上若干个同心圆环，外层的圆环由于塑性变形将增大圆周长度（横向扩展），而内层圆环由于塑性变形较小，圆周周长增加得较少。中心部分塑性变形更小，横向扩展也更小。这样如果各圆环之间不相联系，则变形后将成如图5所示的情况。实际上金属是一整体，外层变形金属必然要强制中心部分金属向横向扩展，从而产生较大的拉应力。同理，

5、外层的变形金属也会对中心部分金属产生一个纵向（轴向）拉应力。斜轧刚开始，也就是圆管坯旋转角还很小时，管坯表层金属的应力状态是三向压应力，而在管料中心区的应力状态是一向压、两向拉，即外力方向上为压缩应力，轴向为拉伸应力，横向也是拉伸应力。随着旋转角的增加，金属塑性区由表面向中心渗透（图3（b）。管坯中心塑性区不仅经受拉应力作用，而且还经受切应力作用。与此同时切应力和横向拉应力还在不断改变方向（反复应力）和积累，在这些应力综合作用下有可能产生中心破裂（图3（c）。另外，切应力可使金属的一部分和另一部分之间产生相对滑移，当切应力还未超过材料的断裂强度,即还没有把整块金属切断之前，金属各个部分之间还存

6、在一定的联系，而垂直于微裂缝的拉应力使裂缝两侧的金属迅速离开，加大裂缝的面积，最后使金属两部分之间完全失掉联系而破裂。切应力和正应力反复不断变换方向，在一定程度上削弱金属的强度，因而也促进中心破裂的发生和发展。二、影响孔腔形成的主要因素1、变形的不均匀性（顶头前压缩量）不均匀变形程度主要取决于坯料每半转的压缩量（称为单位压缩量），生产中指顶头前压缩量。顶头前压缩量愈大，则变形不均匀程度也愈大，导致管坯中心区的切应力和拉应力增加，从而容易促进孔腔的形成。一般用临界压缩量来表示最大压缩量值的限制，压缩量小于临界压缩量则不容易或不形成孔腔。2、椭圆度的影响穿孔过程中在管坯横断面上存在着很大的不均匀变形，椭圆度愈大，则不均匀变形也愈大。按照体积不变定律可知，横向变形愈大则纵向变形愈小，将导致管坯中心的横向拉应力、切应力以及反复应力增加，加剧了孔腔的形成趋势。3、单位压缩次数的影响在生产中主要指管坯从一次咬入到二次咬入过程中管坯的旋转次数，次数越多，越容易形成孔腔。4、钢的自然塑性钢的自然塑性由钢的化学成分、金属冶炼质量以及金属组织状态所决定，而组织状态又被管坯加热温度和时间所影响。一般来说塑性低的金属，穿孔性能差，容易产生孔腔。三、斜轧穿孔过程中轧件运动方式的判定(C)(d)