拉拔工艺

1 拉拔工艺流程

在钛材的塑性加工中，为发挥拉拔的优点，即拉拔出的产品质量好，并能加工薄壁管和很细的线材，常用拉拔加工钛管棒线材。为了避开拉拔的缺点，即加工率低，直接使用其他工艺加工好的坯料，可以减少拉拔的工作量，提高钛材塑性加工效率。

尽管制备这些钛坯料的方法各异，但从钛坯料开始进行的拉拔的基本工艺过程大致是相同的，或者大同小异。本章将制取钛管棒线材的拉拔工艺综合在一起加以阐述。

棒材和线材间无明确界限。只能粗略地区分。常将直径粗而长度不太长的称为棒材；直径细而长度长，成卷的称为线材。以钛管为例，它的加工工艺路线甚多。图1-2为加工钛管可能的工艺路线图。由图可见，不同的管材生产方法是不同的管坯制备方法和不同的成品管生产方法的组合。但是，钛成品管的制备方法中，拉拔工艺占据重要的地位。

管坯的制备方法有挤压、斜轧穿孔、粉末冶金、板片旋压和板（带）材焊接。这几种方法的优缺点见表1-7.常用的工艺为挤压、轧制和带材焊接。

同理，钛棒也常用轧制和挤压制备棒坯，然后用拉拔等工艺制取成品钛棒。钛丝只能用轧制制取的钛棒再轧制加工成钛盘条，将它用作坯料再通过拉拔工艺拉拔获得细钛丝，即钛线材。钛及钛合金线材拉伸的工艺流程如图5-21所示。管材和棒材的工艺流程与线材大体上相仿，大同小异，但它们的拉伸配模需要独立设计。

对于钛合金拉拔，如冷拉拔有困难，也可采用温拉拔。

总之，拉拔钛管棒线材简明的原则流程为：拉拔配模→坯料准备→碾头→拉拔→热处理→精整→成品。

拉拔配模金属材料拉拔时，根据坯料尺寸及成品材料尺寸确定拉拔道次、拉拔模孔尺寸及形状的工作，也叫做拉拔程序或拉拔路线的制定。它分为单道次拉拔配模和多道次拉拔配模。

单道次拉拔配模指在一台拉拔设备上，每次拉拔时金属材料只通过一个模子的拉拔配模。多道次拉拔配模主要是拉线配模，指在一台拉拔机上金属线同时连续通过几个或十几个模子的拉拔配模。

A 配模的要求和步骤

配模的要求包括以下3点：
（1)在保证拉拔过程稳定的条件下，充分利用金属的塑性和最少的拉拔道次，达到提高拉拔生产率的目的；
（2)合理分配道次延伸系数，以获得精确的尺寸、正确的断面形状及良好的表面质量；
（3)配模参数与拉拔机的主要参数相适应。

拉拔配模的步骤主要包括以下4点：
（1)选择坯料；
（2)确定中间退火次数；
（3)确定拉拔道次和分配道次延伸系数；
（4)配模校核。

B 道次数的确定
可根据总延伸系数λ∑和道次平均延伸系数入确定拉拔次数n,即有：

也可以按道次最大延伸系数计算拉拔次数n',即有：

钛材，特别是钛合金材，属于塑性加工困难的材料。图5-22所示为工业纯钛的加工率对抗拉性能及硬度的影响。道次加工率主要取决于何种钛合金或纯钛，也取决于材质表面的氧化层或涂层质量和润滑剂的好坏。

对道次延伸系数的分配时，考虑因素除上述情况外，还应考虑坯料表面状态和对拉拔制品的尺寸公差和精度。因此，对于钛及钛合金材，应在退火后第一道次尽可能采用较大的延伸系数，随后延伸系数逐渐缩小。如钛丝道次加工率的分配规范见表5-8.并且退火后第一道次ε值应取下限或接近下限。

钛丝在拉拔成细丝时应留酸洗余量0.1mm左右。

C 中间退火次数的确定
在拉拔过程中，钛及钛合金会产生加工硬化，因而塑性会降低，会出现断头及拉断现象。此时，需要中间退火以使材料的塑性得以恢复，中间退火次数N为：

式中 λ'-两次退火间的平均延伸系数。
N-的合理选取取决于入＇的选取。入＇值过小，未能充分利用金属的塑性，需增加中间退火次数；入＇值过大，虽然中间退火次数减少了，但可能造成拉断或产品出现裂纹。这两种情况都不可取。拉伸后制品的抗拉强度σb与拉伸应力σc的比值称为安全系数，其值应大于1,即K.=σb/σ.>1.生产中所采用的安全系数如下：
TA1、TA2、TA3的棒线材，Kc为1.3~2.0;
空拉TA1、TA2、TA3管材，Kc为1.5~2.0.
常采用的道次延伸系数和两次退火间总延伸系数见表5-9,俄罗斯的几种钛合金管拉拔的变形率见表5-10.

D 拉拔配模的设计

a 圆棒拉拔配模

圆棒拉拔配模可能有两种情况：
一种是给定坯料和制品的尺寸，要求确定道次数和计算各道次的模孔尺寸。此时可按上述已给出的计算式，按理论简单地计算出n值和N值，并按此确定各道次的模孔尺寸。另一种情况是给定制品尺寸。此时，可选购接近制品尺寸的坯料，以便减少拉拔道次。当有确定的坯料尺寸后，便和前面的情况做相同的处置。

b 空拉圆管配模

对于直径小于6~10mm的管子，由于放芯头较困难，为了操作方便，提高生产率，常采用空拉方式拉拔。如果内表面质量要求高毛细管，也可采用衬拉。

在空拉管材时，由于管子在变形过程中没有芯头支撑，因而可能失去纵向稳定性，出现塌陷折叠现象。管材空拉时，不引起塌陷的最大加工率（％）Εn为2.8x104（δ0/d0）2.一般来说，模角为°范围内时，减径值不超过壁厚的6倍时是稳定的，即D0-D<6δ.研究表明，最大道次变形量还和模角及管坯的δ/D0值有关。当δ/D0值一定时，模角α=12°时最有利，此时可选用较大的道次变形量。

c 长芯杆圆管配模

管坯的内孔应满足：
do-d≥nΔn       （5-35)
式中
d0一管坯内孔直径；d-成品管内孔直径；n-拉拔道次；∆n－每道次拉拔前管材内孔直径与长芯杆直径的差值一般Δn为0.5~1.0mm.
配模时要按下列关系进行：

式中
入一一道次平均延伸系数；

d 固定芯头拉管配模

固定芯头拉拔管时，由于金属和芯头接触摩擦面积比空拉时大，因此，应选取较小的延伸系数。对于钛管，在拉拔几道次后即需中间退火。

e 游动芯头拉拔管配模

游动芯头拉拔管配模除了满足普通原则外，还应注意减壁量必须与减径量相匹配，否则将导致管内壁在拉拔时与芯头大圆柱段接触，破坏力的平衡，使拉拔过程不能正常进行。当模角α=12°，芯头锥角α1=9°时，减径量和减壁量应满足下列关系：D1-d≥6Δδ      （5-37)

式中
D1－芯头大圆柱直径；d-芯头小圆柱直径；Δδ-减壁量。但有时，当润滑条件较好时，也可取：D1-d≥(3~4)Δδ        （5-38)

f 异形管材拉拔

钛的异形管品种不多，有正方形、正六边形和矩形等。拉拔这些管材时，一般用圆管作坯料，当管材拉拔到一定程度后，进行1～2道次过渡拉拔，使形状逐渐向成品形状过渡，最后进行1道次成形拉拔，获得成品。过渡拉拔一般采用空拉，成形拉拔可用空拉也可用衬拉。衬拉时多用固定短芯头拉拔。它拉拔的主要目的是成形，所以一般加工率都很小，主要考虑的是成形正确与否。
在确定异形管坯尺寸时，为了使其在模内能充满，应使管坯的外形尺寸等于或稍大于异形管材的外形尺寸。
在拉拔异形管时，拉拔模口形状应保证管坯由圆形到异形是逐渐过渡的。圆管坯进入异形模口时，圆周上各点并非同时与模壁接触，图5-23所示为方管的变形过程。圆管坯外部轮廓的a、b、c、d四点首先与模口壁接触。当管坯逐渐进入变形区时，圆管经过以下的变形阶段过渡到方管。

压扁阶段。圆管在模壁压力作用下首先失稳，管壁产生塑性弯曲变形，圆管被压扁。此阶段的变形特点是管坯仅改变断面形状，而无周边压缩变形和轴向延伸，壁厚基本不变。
（2)延伸阶段。随着管坯压扁变形增加，管壁与模壁的接触面积增大，模壁对管壁的支撑作用增加，压扁变形随之变得困难，切向压缩应力相应增加。伴随着压扁变形，管坯周边出现压缩变形，产生轴向延伸。
（3)定形阶段。此阶段的主要作用是稳定异形断面，即图5-23中的II-II断面至出口部分，相当于圆管拉拔时的定径带。

在异形管拉拔配模时应注意以下几点：

（1)防止在过渡拉拔时出现管壁内凹。因为过渡拉拔一般为空拉，周向压应力较大时易使管壁出现内凹，在异形管的长边，这个问题尤为突出。在生产矩形波导管时，过渡拉拔时的形状不应设计成规整的矩形，而应设计成带凸度的近似矩形，如图5-24所示。此时长边所受的周向应力σ.可分解成水平分力与垂直分力，垂直分力可抵消一部分径向应力σ,的作用，同时使水平分力比不带凸度的小，所以可减轻管壁的失稳现象，从而防止管壁向内凹陷。

保证成形拉拔时的良好成形。异形管有时形状带有尖角，要保证在尖角处能很好地充满，需使这些地方有足够大的延伸系数。一般对带有锐角的异形管材，所选用的过渡圆周长应比成品的管周长增加3%~12%,必要时可增加15%.
（3)对于内表面粗糙度及内部尺寸精度要求很高的异形管材，如矩形波导管，过渡圆管坯的外圆周长及壁厚必须大于成品的外周长及壁厚，以便在成形拉拔时使金属获得足够量的变形。同时，最后一道次拉拔时一定要采用芯头，以保证内表面的质量。
（4)要保证成形拉拔能顺利将芯头放入管内，并应留适当的间隙。
（5)为了获得精确的成品，拉拔异形管时加工率不宜过大，般为15%~20%.

异形断面金属坯料的选择应遵守下列原则：

（1)拉拔的成品型丝的外形必须包括在坯料外形中，因为拉拔变形是断面缩小的变形；
（2)要求坯料的各部分尽可能受到相等的延伸变形；

要求坯料与模孔各部分同时接触，使坯料的各部分金属均得到尽可能均匀的压缩，避免有未接触部分金属产生强迫变形，影响拉拔制品形状的精确性；
（4)坯料的尺寸应保证成品的力学性能和表面质量的要求。

g 多模连续拉拔钛线配模

与一般单模拉拔配模不同，多模连续拉拔配模时延伸系数与拉拔机原始设计的绞盘速度比有关。对于滑动式拉拔机，应据xn>yn的条件，按一定的滑动系数确定各拉模的模孔的尺寸。加工钛材的延伸系数常采用递减的方式分配，具体的配模步骤为：
（1)按拉拔的线材和线坯选择拉拔机。
（2)计算由线坯制成品的总的延伸系数，计算拉拔道次及延伸系数的分配。
（3)按拉拔机说明书上各道次的绞盘速度比，计算出总速度比
γΣ=Vk/V1=γ2γ3γ4.....γk

根据λΣ和YΣ值，计算出总的相对滑动系数TΣ.

（5)确定平均相对滑动系数T.

（6)根据t值，按各道次延伸系数分配原则分配T1、T2、T3、....Tk,并计算λ1、λ2、λ3、···、λk.

E 校核

拉拔配模确定后应进行校核。对单道次拉拔配模，只需要校核道次安全系数是否合理及拉拔功率是否符合拉拔机的能力。对多道次拉拔配模，除校核道次安全系数外，需要校核道次延伸系数入n大于该道次相邻两卷筒的速比yn.对滑动式连续多道次拉拔，入n>yn是金属线与卷筒间产生滑动、保证一定滑动率的必要条件。

2 坯料的准备

坯料的尺寸和断面形状应按拉拔配模设计确定，它是根据成品的要求选择的。圆断面成品选用圆形坯料。对于异形件，必须考虑断面形状的相似性，以利于由坯料的断面形状逐步过渡到成品型材断面形状的要求。
为了保证产品的质量，拉拔坯料不仅要求表面光洁，而且需要保证一定的尺寸公差和长度要求，具体见表5-11.

3 碾头

为了实现线材的拉伸变形，需将线毛料的一端制成小于模孔直径的夹头，以便顺利穿模，进行拉伸。通常，ф25mm以上的管材、φ20mm以上的棒材一般在热状态下制作夹头，加热温度为500~600℃.
制作夹头的方法有压力加工法，如碾压；有机械加工法，如车削、铣制；还有化学腐蚀法等。旋锻机碾头适用于小直径的管棒材；碾头机碾头一般适用于棒材和粗丝；空气锤碾头适用于较大直径的管棒材；化学腐蚀法碾头适用于毛细管及细丝。
碾头时，按照碾头机轧槽大小逐渐碾压。每碾一次，线坯要旋转60°~90°.制成的夹头为圆滑的锥形，不应有飞边、折叠、压扁等缺陷。碾头长度为100~150mm,当直径较大时，适当加长到200mm.夹头部分与本体部分要圆滑过渡。

4 拉拔润滑

A 润滑的目的

润滑的目的为：
（1)减少制品与模具之间的摩擦力；
（2)降低拉伸力和能量消耗；

带走金属变形热和模具摩擦产生的热量，改善制品表面质量，提高模子的使用寿命。

B 对润滑剂的要求

对润滑剂的要求为：
（1)润滑剂在拉拔过程中，应迅速而全面地形成牢固的薄膜，并能承受很高的压力而不被破坏；
（2)能防止金属屑黏附在模孔或芯头表面及制品表面；
（3)性能稳定，与钛合金不发生化学反应，无腐蚀作用，本身不分解，不含有毒、有害物质；
（4)退火时易于挥发，不在制品内外表面留下残迹；
（5)来源充裕，价格便宜。

C 钛及钛合金常用的润滑剂

钛及钛合金不容易附着普通的润滑剂，在施用普通润滑剂之前，要进行表面处理，使金属表面覆盖一层特殊的物质。覆盖层、润滑剂及施用方法见表5-12,涂层工艺制度见表5-13.

5 热处理

管棒线材热处理包括消除应力退火、再结晶退火（完全退火）、淬火和时效。按退火在工序中的作用分为坯料退火、中间退火和成品退火。

钛管棒线材的各种热处理原理及详细的热处理工艺制度参见《钛的金属学和热处理》一书。

6 精整

精整包括钛材拉拔过程中后处理各种工艺。

精整包括热处理、矫直、钛材表面净化处理及钛丝复绕等。其中，唯有钛丝复绕是个特例，它仅是钛丝才有的工序。它需要用复绕机来操作完成。复绕机型号及主要性能参见表5-4,丝材复绕后不允许拧成“α”字形，表面应清洁、光亮。