医用镁合金微管的拉拔工艺研究及拉拔模具的设计料成型及控制工程毕业论文.doc 30页

'单位代码02学　　号1101180016分类号TH6密级毕业论文医用镁合金微管的拉拔工艺研究及拉拔模具的设计院（系）名称工学院机械系专业名称材料成型及控制工程学生姓名指导教师2015年5月15日 黄河科技学院毕业设计说明书第25页医用镁合金微管的拉拔工艺研究及拉拔模具的设计摘要根据成形工艺的不同，可以将镁合金材料大致分为变形及铸造镁合金两大类。铸造主要通过铸造加工满足镁合金产品。镁合金微管在合金结构中的地位很重要，因为它的作用很广泛，比如可替代铝合金和其他金属薄壁件，从而达到节省资源和降低重量的目的。目前己涉及的领域有摩托车工业、家用电器、纺织印刷、通讯、电子、航空、航天、汽车、包装、军工以及医学介入治疗等行业。目前，针对医用镁合金微管的应用研究基本上集中于心血管支架。本文以生物可降解镁合金血管支架用薄壁微管加工为背景，根据镁合金优良的材料力学性能和加工性能，对其进行了拉拔成形工艺研究和拉拔模具设计。关键词：镁合金，微管，生物可降解，生物相容性，拉拔 黄河科技学院毕业设计说明书第25页ResearchonDrawingProcessandDrawingDieDesignofMedicalMagnesiumAlloyCapillary(Tube)eAbstractAccordingtodifferentformingprocess,themagnesiumalloymaterialismainlydividedintotwocategories:castingmagnesiumalloyandmagnesiumalloy.Theformermainlythroughthecastingformagnesiumalloyproducts.Includesandcasting,permanentmoldcasting,investmentcasting,lostfoamcasting,diecasting,etc.Thediecastingisthemostmatureandmostwidelyusedtechnology.Magnesiumalloymicrotubuleisakindofimportantmagnesiumalloystructuralparts.Itcanbeusedasanalternativetoaluminumalloyandothermetalthinpieces,andtoachieveweightloss,energysavingeffect.Atpresent,Ithasbeenwidelyusedincommunications,electronics,aviation,aerospace,automotive,motorcycleindustry,householdelectricalappliances,textileprinting,packaging,militaryandmedicalinterventiontreatmentindustry.Todate,Medicalmagnesiumalloycapillary’sresearchfocusedoncardiovascularstents.Itwasbasedontheminitubemanufacturingprocessforbiodegradablemagnesiumcoronarystents.Themagnesiumalloymaterialwithexcellentmechanicalpropertiesandprocessingperformance,hascarriedonthestudyontheformingprocessanddrawingdiedesign.Keywords:MagnesiumAlloy,Microtubule,Biodegradable,Biocompatibility,Drawing目录 黄河科技学院毕业设计说明书第25页1绪论11.1引言11.2生物支架用微管材料11.3生物支架用镁合金微管21.4本课题研究的目的和意义31.5论文主要工作32镁及镁合金42.1纯镁及镁合金的特性42.2镁合金的分类43镁合金成形工艺63.1铸造镁合金的成形工艺63.2镁合金的塑性变形机制63.2.1镁合金塑性变化的滑移原理63.2.2镁合金塑性变化的孪生原理73.3变形镁合金的塑性加工技术73.3.1挤压73.3.2锻造73.3.3超塑性成形83.3.4轧制83.3.5拉拔变形84拉拔工艺的研究现状94.1拉拔工艺的特点94.2拉拔工艺分类94.3拉拔基础94.3.1拉拔时的变形指数94.3.2实现拉拔过程的基本条件10 黄河科技学院毕业设计说明书第25页4.3.3管材衬拉时的应力与变形104.3.4残余应力的消除114.4拉拔工艺的发展历程和现状114.5镁合金拉拔工艺的研究现状125拉拔模具计算与设计135.1拉拔工艺方案确定135.1.1选择管材坯料135.1.2确定拉拔道次和各道次延伸系数135.1.3确定各道次截面尺寸145.1.4计算拉拔力155.1.5选择拉拔机175.1.6确定中间工序185.2拉拔模具设计185.2.1拉模材料选择185.2.2模子结构与尺寸195.2.3长芯杆的结构与尺寸225.3润滑23结论24致谢25参考文献26 黄河科技学院毕业设计说明书第25页1绪论很长时间以来，冠心病都是我国病人的头号杀手，生命保住了，很有可能留下残疾。社会还需要投入大量的精力来维系这部分患者的生命，同时给家人带来了较沉重的压力。药物控制种类较多，但始终对治疗动脉粥样硬化和冠心病的作用有限，治疗效果不甚理想，对患者的精神状态和经济压力造成了一系列问题。1.1引言从1988年以来，随着医疗科技的不断发展和创新，很多人不用简单的经皮血管成形技术而采取其支架技术，它的含义是在做经皮手术过程中，将镁合金微管支架(或称血管搭桥)植入人体内用来克服单一的经皮血管成形术所产生的难题。血管支架刚开始仅仅用在经皮手术中，由于其效果不是太理想，有时候会造成损害血管的问题，在后期的实践中，血管支架也用来治愈在旁路搭桥中的多次损伤，现已成为血管介入治疗的常见疗法。与经皮血管技术相比，血管内支架植入术明显降低了血管急性闭塞和再狭窄的发病率。但对于人体这种比较复杂的生理环境而言，支架作为“外来物”必然会激发人体内的自我排异反应。实验证明，裸支架植入血管内后会导致内皮细胞的增殖或迁移，从而带来手术的失败。对大部分患者来讲，使用支架半年以后，容易引发其他的并发症，因此，亚急性血栓形成和血管再狭窄仍就是手术后的两大主要并发症。本文采用AZ91D镁合金管坯，利用其优良的生物特性和力学性能，通过拉拔成形工艺制备薄壁支架管。1.2生物支架用微管材料目前临床应用的血管支架以不锈钢和Ni-Ti合金为主要的制备材料。这些血管支架在治疗的过程中存在如下问题：(1)Ni离子溶出，可能引起毒副作用；(2)血管内膜增生，约有20%以上的发生血管再狭窄和血栓；(3)慢性炎症、抗血小板治疗时间长，需要长期服药治疗； 黄河科技学院毕业设计说明书第25页(4)(植入支架的血管)无法适应血管的自然生长，特别不利于年轻患者；(5)出现意外时无法进行外科血管再造术(二次手术)；(6)长期的内皮机能紊乱；(7)后续的监测困难，无法使用MRI。如今可降解高分子材料已经被证实可以在人体环境下降解，但是其力学性能太低，特别是刚度只有3~4GPa，用作支架时，会发生显著的回弹，造成血管截面积狭小，无法达到预想的效果。因此，开发新型的高强度可降解支架材料就显得异常迫切。1.3生物支架用镁合金微管镁合金微管作为航空领域的导油管，是一种节能的材料，因为它的低密度性，可以说是工业中最轻的金属；在医用原料方面，镁合金血管支架具有生物降解的特性，可以说是医学领域中最开发潜力的新型优质金属材料；在国防工业方面，作为导弹、飞机和高级车辆等军用设备的进气管；还有日常用的进出水管等。由于镁合金微管处于初期的发展阶段，还有好多没有发掘出来的用途，后期还会有更好更多的产品材料被镁合金管材取代。同时世界的工业技能和科学技术水平都会有较大的进步，还有人们自身和社会持续发展的需要，对高性能镁合金材质的需求将快速增长，对其品种、规格的需求也会越来越多。干涉镁合金耐腐蚀性的诱因主要是其里面的杂质含量，尤其是里面所包含的不利的元素，打比方有Fe、Ni、Cu和Co的容量。这些合金里的有害元素的包含量必须控制在规定的标准范围以内才可以(Fe，Cu和Ni3种元素在Mg中的最高溶限量分别为170xl0-6，1000xl0-6和5xl0-6)。如果能减少重金属杂质的含量的话，将会大大地提高了其中的耐腐蚀性。在镁合金中放进去少许的稀土元素可以很好地增加合金的综合性能，与此同时在最开始的研究中体现了轻稀土元素的放入还有利于加大生物植入体的抗凝血作用。这一原理充分利用了稀土的低微合金化特性。这一特性进一步符合耐蚀性镁合金的要求。1.4本课题研究的目的和意义本课题采用多道次拉拔技术得到晶粒细小而且组织均匀的管材，课题增加多样化的镁合金变形方式，加大了镁合金的市场应用范围，其意义不可思议。 黄河科技学院毕业设计说明书第25页1.5论文主要工作论文的主要任务就是研究并设计一个基于镁合金的微管材，通过对镁合金材料的研究以及成形方法的讨论，设计制造一个符合要求的薄壁微管拉拔模具。论文主要工作有以下几点：(1)搜集与镁合金相关的数据参数及性能资料，并与其他材料做出比较，了解镁合金作为支架管的优势。(2)查阅相关文献资料，熟悉镁合金毛细管的成形技术和相关拉拔模具设计方案，掌握模具设计的思路。(3)使用cad等相关软件做出拉拔模具的二维图形。(4)对研究、设计工作进行总结整理，完成毕业论文。 黄河科技学院毕业设计说明书第25页2镁及镁合金2.1纯镁及镁合金的特性在工业的应用中，镁是目前最轻最常用的金属，镁的熔点为650℃，在20℃时的密度为1.738g/cm3，这一优势在结构材料中是利用镁合金的基本基础。在20℃时的体积热容为1781J/(dm3.K)，与其他金属相比较，在相同条件下镁金属是最低的。不管加热还是散热方式在同条件下镁合金是效率最高的，这也是它本身所具有的特征。镁合金是一种非常绿色、健康、环保的工程材料。普通镁合金的密度为1.3~1.9g/cm3，常规镁合金比铝合金轻30%~50%，比钢铁轻70%以上，应用在工程中可大大减轻结构件质量，具有铝和钢不可代替的性能，具有很多优异的特性使它能被广泛应用于航空、汽车、计算机、医疗和家电等行业。另一方面，镁合金对环境无污染，而且它的废料回收利用率很高，甚至达到85%以上。不仅色泽鲜艳美观，并且能长时间保持完好，跟新的一样；镁合金还具有易压铸特性，尺寸收缩较小，同时具有良好的脱模性能。对我们来讲，其工艺成形的研究意义重大在更广泛的应用镁合金产品。2.2镁合金的分类根据合金的不同化学成分，镁合金大致可分为二元合金、三元合金以及多元合金。除了这种划分方式以外，还可以依据镁与其中的一个重要合金元素将镁合金划分为Mg-A1,Mg-Mn,Mg-Zn,Mg-RE，Mg-Ag,Mg-Li系等。还可以利用镁合金的合成工艺技术，镁合金可分为铸造和变形镁合金两大种类。常用的压铸镁合金主要有三个系列AZ系、AM系和AS系。其中在1750℃时的AS41A合金具有较高的蠕变强度，比AZ91和AM60合金高得多，也具有优良的耐盐雾腐蚀性能，这是好的一面，但它也有坏的一面，就是AS41A合金的纯度较低，比AS41XB低得多。当然，对于AS21合金来讲，它具有更高的高温蠕变强度，但它在市场应用领域的地位很低，最重要的原因是它的含铝量太低了和铸造性太差了。 黄河科技学院毕业设计说明书第25页3镁合金成形工艺为了更加充分合理开发和发展变形类的镁合金，国内外给予了高度的重视和支持，合金会逐步向系列化方向发展，各个工业发达国家都成立了自己的特色合金系列。尤其是AZ31合金的性能不断提高。但与目前较成熟的镁合金铸造技术相比，镁合金的锻造、挤压、轧制、拉拔、冲压等塑性加工技术与超塑性成形技术的发展则相对缓慢。3.1铸造镁合金的成形工艺镁合金具有优良的压铸性能，主要表现为:充型能力好，充型后凝固速度较快，对铸型的热冲击较小，不侵蚀钢增祸和铸型。因此镁合金压铸件尺寸大小准确，易清洁。半固态铸造的优点有很多，如充型方式稳定平缓、金属液的氧化反应损失较少、铸件的尺寸精度较准确、孔洞类的缺陷较少、还可以进行热处理和铸型的使用时间长久等。根据铸造成形工艺技术的步骤不一样，半固态铸造分为流变铸造以及触变铸造两大种类。触变铸造具有节省能源、环境污染小、生产过程安全性高等优点，是目前半固态铸造的主要工艺方法；但是，制备坯料需要巨大的投资和被垄断的关键技术。流变铸造工艺非常简单，铸件和能耗的成本也比较低，但因为非枝晶半固态合金浆料在保持和输送等方面有着很大的困难，在一定程度上制约了其在工业应用上的发展，由此导致其发展速度慢于触变铸造的速度。3.2镁合金的塑形变形机制3.2.1镁合金塑性变化的滑移原理受外界力作用的多晶镁合金发生塑性变形时，会沿滑移面发生滑移，位错的运动是其滑移的本质。晶体开始滑移的基本条件是具有适量的临界切应力，镁在不同滑移面上的临界切应力与温度有着不可分割的关联。对于具有密排六方晶体结构的镁发生的位错运动和增殖会使位错在变形过程中很快互相缠结、钉扎以及受晶界的阻碍而终止运动。3.2.2镁合金塑形变化的孪生原理 黄河科技学院毕业设计说明书第25页镁合金塑性变形的另一种方式就是孪生。与滑移的原理类似，沿着特定的晶面和特定的晶体方向发生就是孪生的切变机制，孪生方向为<1011>，镁的孪生面为{1012}。变形时晶体的对称性与孪生是否出现之间有着某种联系。尽管处于室温状态下的属于六方晶体结构的镁基面滑移的孪生所需要的切应力略高于临界切应力，但由于其较低的对称性和较少的滑移系统，容易出现不利于滑移的晶体取向的情况，孪生成为另一种塑性变形方式。由于它会稍微影响孪生所引起的变形量，因此它对镁晶体形变的发生与滑移相比可以忽略不计，况且它在通常情况下对总变形量的贡献不会大于10％。考虑到多晶体镁合金中晶体取向的不可确定性，在变形前期时晶粒通常需要采取调整以便有益于变形时滑移的顺利发生，所以由铸态组织转变为变形组织的过程中，镁的基体中容易出现很多的孪生特性，随着变形的不断进行在严重变形时孪生会产生的更多，孪晶的尺寸会减小同时孪晶也会彼此碰撞。孪生变形是一种对镁合金材料有利的变形方式。镁合金在室温状态中仅1个滑移面即0001，又叫做底面、基面或密排面，滑移面上有3个密排方向分别为[20]、[110]和[20]，即密排六方晶体在室温下只有3个滑移系(如图2.1所示)，孪生与滑移的协调动作是这种系列的合金塑性变形的一个重要标志。看过有些文献报道，温度对镁合金的塑性干涉极大，温度变高，塑性变好，变形抗力变小。3.3变形镁合金的塑形加工技术镁的结构中对它的性能影响最大的是温度。控制好温度是其制作过程中的关键。3.3.1挤压挤压速度和温度要注意。3.3.2锻造镁合金一般在200-400℃进行锻造，常温下锻造很易脆裂，超过400℃高温时则由于氧化及晶粒粗大而会产生不利影响。这样子的话铸造组织中所含的晶粒度一般不符合其锻造要求，接下来需要两步，第一步将铸锭加以挤压，得到锻造所需晶粒尺寸，第二步高变速率锻造成形即可。3.3.3超塑性成形目前，超塑性的低应变速率是实现超塑性成形工业化应用的最大难题，如果能够提高到10-2S-1以上的应变速率，超塑性成形的工业应用前景将会是不可估量的。根据相关的研究了解到镁合金在高应变速率下也可获得良好的超塑性。 黄河科技学院毕业设计说明书第25页图3.1密排六方晶体材料中滑移系3.3.4轧制镁合金板材通常使用轧制工艺制备而成。需要特别注意的是，轧制过程中的温度是其最重要的工艺参数，低温时，高应力集中容易产生孪晶的形核和切变的断裂；温度要是过高时，易导致氧化反应，而且晶粒长大速率比较快以及增加了板材热脆趋势。3.3.5拉拔成形镁合金在拉拔加工过程中会出现不同程度的应力指数，而这些数据会对其塑性的发挥产生坏的影响，由此可见对其进行拉拔加工成形的方法依旧存在着相当大的难度。而且就拉拔成形工艺方面做了大量的研究，这一难题有待进一步解决。 黄河科技学院毕业设计说明书第25页4拉拔工艺的研究现状4.1拉拔工艺的特点在外加拉力作用下，金属坯料可以获得相应形状与尺寸制品的塑性加工方法称之为拉拔。拉拔技术是管材、棒材、线材以及型材的主要加工方法之一。拉拔技术主要有以下一些优缺点：(l)拉拔制品的表面光滑洁净和尺寸精度高；(2)最适合生产连续高速生产断面非常小的长制品；(3)和冷轧相对比，因为金属遭到比较大的阻力，其中的总变形量就会遭到拉拔应力的限制。4.2拉拔工艺的分类拉拔按制品截面形状分为:实心材拉拔与空心材拉拔。(1)长芯杆拉拔：长芯杆拉拔的特点是道次加工率较大，适合于拉拔薄壁管以及塑性差的钨，铝管材的生产。但由于在每道次拉拔时必须增加脱管工序，操作起来不是很方便。因此在目前的市场中所占的比例比较低；(2)扩径拉拔：在拉拔过程中，管坯通过把直径扩大或者把壁厚和长度缩小，但这种技术不够成熟，特别是扩径拉拔这种方法受其设备能力的限制而不能加工大直径的管材。4.3拉拔基础4.3.1拉拔时的变形指数拉拔过程中坯料会产生变形，初始的形状以及尺寸将会发生变化。但是，金属在加工塑性过程中产生的变形体体积基本上不会变。用FQ、LQ表示拉拔前金属坯料的断面积及长度，FH、LH表示拉拔后金属制品的断面积及长度。依照体积永恒不变的定律，从而获得重要的变形指数与其之间的关系式。①延伸系数λ其计算公式：λ=LH/LQ=FQ/FH②相对加工率（断面缩减率）ε表示拉拔一道次后金属材料横断面积缩小值与其原始值之比：ε=（FQ-FH）/FQ 黄河科技学院毕业设计说明书第25页③相对伸长率μ表示为：μ=（LH-LQ）/LQ④积分延伸系数i其计算公式为：i=ln(FQ/FH)=lnλ4.3.2实现拉拔过程的基本条件与轧制、锻造、挤压等加工方式有差别，拉拔过程能够顺利实现主要是借助于被加工的金属前端施以拉力，该力就是拉拔力。在拉拔过程中必须要注意的是，拉拔应力须小于金属出模口的屈服强度。否则容易引起材料出现细径，甚至拉断等状况，因此要注意，拉拔时要保证σ1=<σS式中σ1:出模口处横断面上的拉拔应力；P1:拉拔力；F1:出模口的横断面积；σS:金属的屈服度。4.3.3管材衬拉时的应力与变形本设计采用长芯杆拉拔，现就长芯杆拉拔时的受力情况做简要分析。如图4.1所示，长芯杆拉拔管子时，会出现三个变形区分，分别为空拉段，减壁段和定径段。在拉拔的过程中摩擦力不但不阻碍拉拔过程，反而有助于减小拉拔应力，继而在其他条件相同的情况下，拉拔力下降。与固定短芯头拉拔相比，变形区内的拉应力减少30%~35%，拉拔力相应的减少15%~20%。所以长芯杆拉拔时允许采用较大的延伸系数，并且随着管内壁和芯杆间摩擦系数增加而增大。通常道次延伸系数为2.2,最大可达2.95。4.3.4残余应力的消除消除残余应力对产品的力学性能和最终质量尤为关键，如果处理得好的话，产品的各个性能都会提高。因此，人们想方设法地去改变甚至消除残余应力，当今比较常用的方法有以下几种：⑴减少不均匀变形 黄河科技学院毕业设计说明书第25页图4.1长芯杆拉拔时的应力与变形⑵矫直加工⑶退火4.4拉拔工艺的发展历程和现状拉拔工艺有着长久的革命历史和深远的意义。公元8~9世纪，可以生产出来很多种金属线。20世纪20年代出现了反张力的拉法，由于存在反张力，会大大地减少了拉丝模的损伤和提高了制品的综合性能。经过拉拔技术的渐渐改进和创新，萨克斯(1929)和西贝尔(1927)两人提出了不同的理念从而第一次真正的确立了拉拔成形理论，从这往后拉拔理论逐渐得到不断的推广，再加上新研究方式的利用和电子计算机的发展。再次促使拉拔理论的研究达到一个新的高峰。了解到当今的拉拔技术，有以下问题需要注意和改进：(1)新的润滑技术的研究；(2)创造崭新的理念和开发优良的关键技术；(3)高拉拔模具的寿命；(4)拉拔设备的自动化、连续化与高速化；(5)扩大产品的品种、规格，减少制品缺陷和提高产品的精度； 黄河科技学院毕业设计说明书第25页4.5镁合金拉拔工艺的研究现状镁合金具有密排六方结构，室温时塑性变形能力差，所以镁合金体积成形时的温度一般应高于473K。这一条件只适应三向压应力状态下的变形过程，当今与镁合金拉拔变化相联系的参考文章非常少。镁合金的拉拔成形技术会明显提升了生产效率和降低投入的成本。另外，该会社对AZ31,AZ61,AZ80拉拔后的线材进行了充足的研究，使其制备出的线材更优质和强韧性更好，同时可用于汽车、轮椅等，还可可制作带有弹性的制品。镁合金拉拔合成制备方法的研究逐渐受到世界的关注。 黄河科技学院毕业设计说明书第25页5拉拔模具计算与设计零件名称：镁合金毛细管零件简图：如下图5.1所示材料：AZ91D镁合金成品尺寸：壁厚0.15mm，外径0.3mm图5.1(a)镁合金微管示意图(b)微管的横截面尺寸5.1拉拔方案确定该零件由管坯拉拔出。制品为一细径薄壁管。表面光亮，无拉拔缺陷。为了获得一定尺寸、形状、力学性能和表面质量的优良制品，一般要将坯料经过几次拉拔来完成。根据成品的要求(有时还包括坯料尺寸)来确定拉拔道次及各道次所需模孔形状、尺寸的工作。通过对制品外轮廓分析，考虑到材料强度、塑性允许、保证产品产量与质量的情况下，本设计采用多模长芯杆拉拔。5.1.1选择管材坯料拉拔细径薄壁管材时，既有直径变化，又有壁厚变化。在衬拉时，每道次必须既有减径量又有减壁量，坯料尺寸应保证：减壁所需的道次应小于或等于减径所需的道次。一般来说，管坯直径应比成品大2~3mm，本设计管坯壁厚选择0.25mm，外径为5mm，材料为AZ91D镁合金。AZ91D镁合金特点是比强度高且耐腐蚀较纯镁大幅提高，密度1.82g/cm3，熔点596℃ 黄河科技学院毕业设计说明书第25页，抗拉强度280MPa，屈服强度160MPa，延伸率为8%。主要用于电器产品的壳体、小尺寸薄型或异型支架等。5.1.2确定拉拔道次和各道次延伸系数表5.1AZ91D镁合金成分名称MgAlZnMnSiCuNiFeAZ91D余量8.5~9.50.45~0.90.17~0.4≦0.05≦0.025≦0.001≦0.004====2.8式中λ∑-总延伸系数F0-管坯横截面积FK-制品横截面积平均道次延伸系数取=1.9，则道次数为n=lnλ∑/ln=ln2.8/ln1.29≈4分配各道次延伸系数，根据公式λ∑=λ1×λ2×λ3…λn则λ∑=1.26×1.3×1.28×1.32≈2.85.1.3确定各道次截面尺寸第一道次拉拔后管材的截面积为F1===2.96，根据有关数据，设第一次减壁量为0.03mm，管坯的外径可进行计算。即F1=3.14×S1(D1-S1)，2.96=3.14×0.22(D1-0.22)D1=4.5这样第一道次拉拔后管材的横截面尺寸为Φ4.5mm×0.22mm。 黄河科技学院毕业设计说明书第25页现设第二道次减壁量为0.03mm，三四道次减壁量均为0.02mm，然后按上述方法依次求得后几道次的尺寸。第二道次拉拔后管材的横截面尺寸为Φ4mm×0.19mm；第三道次拉拔后管材的横截面尺寸为Φ3.5mm×0.17mm；第四道次拉拔后管材的横截面尺寸为Φ3mm×0.15mm；5.1.4计算拉拔力设计参数的确定：本设计中采用AZ91D镁合金作为拉拔管坯，其拉拔前外径为5mm。抗拉强度为280MPa，屈服强度为160MPa。模具工作区的锥角α=12°，定径带长度为2mm，管坯与模具间的摩擦系数取f=0.2。图5.2管材拉拔示意图与挤压、轧制、锻造等加工过程不同，拉拔过程是采用被生产的金属前端加上拉力达到的，该力称为拉拔力。拉拔力与被拉拔金属出模处的横断面积之比称为拉拔应力，实际上拉拔应力就是变性区末端的纵向应力。在拉拔过程中要注意，拉拔应力应小于金属出模口的屈服强度。如果拉拔应力过大，超过金属在出模口的屈服强度，就可能引起材料出现细径，甚至拉断，因此要注意，拉拔时要保证σ1=<σS式中σ1:出模口处横断面上的拉拔应力；P1:拉拔力； 黄河科技学院毕业设计说明书第25页F1:出模口的横断面积；σS:金属屈服强度。其次，由上可知拉拔力最大时出现在模具的定径区，参照《有色金属挤压与拉拔技术》第10章有关拉拔力的计算，结合图5.2可知定径区的拉拔力计算公式为P1=σS×π(D1-S1)×S1计算过程涉及到的参数分别为B=A=(1+)×B，=C2=λab=λbc=管坯经过第一次拉拔后，（1）各断面尺寸为D0=5mmD1=4.5mmD2=d2+2S2=4.06+2×0.25=4.56d0=4.5mmd1=4.06mmd2=d1=4.06mmS0=0.25mmS1=0.22S2=S0=0.25mm 黄河科技学院毕业设计说明书第25页（2）求各个指数B===0.95A=(1+)×B=(1+)×0.95=1.8C2===3.6λab===1.1λbc===1.19求，，=0.160.19=0.98求拉拔力P1=σS×π(D1-S1)×S1=0.98×160×3.14×（4.5-0.22）×0.22=462.81σ1==<σS同理可算得管坯经过第二、三、四道次拉拔后，拉拔应力均小于屈服强度，能够保证管材正常拉拔。5.1.5选择拉拔机 黄河科技学院毕业设计说明书第25页拉拔设备的正确选择及合理使用将决定拉拔生产能否顺利进行，并与产品、模具寿命、生产效率、产品成本等密切相关。 拉拔机就是用来给金属材料进行拉拔工艺技术的机器。经过拉拔技术之后的金属材料的直径会产生有益的变化，从而实现了符合要求的金属直径。如果经过空拉的话，游头拉等各种拉拔模式及改变模具可以拉制各种不同规格直径的管材。考虑到拉拔力的因素，选用FR-16型拉拔机。主要技术参数如表5.2所示；表5.2FR-16拉拔机主要参数型号额定拉拔力最大钳料直径mm拉拔速度m/min最大减面积%最大拉拔根数最大拉拔长度m小车返回速度m/min配用电机功率kw配用减速机型号FR-167KNΦ20282048604ZQ2505.1.6确定中间工序选择镁合金AZ91D管坯Φ5×0.25mm，其材料外表面先在浓度15％的柠檬酸浸泡30秒钟进行预处理，然后经无水乙醇清洗并风干，接着将石墨乳状润滑剂均匀涂附于镁合金管坯外表面，然后在温度110℃烘箱中烘干即可。进行带芯整体温拔前，炉膛加热区恒定温度设定为230℃，拉伸模预热温度250℃。先从已捻头的Φ5×0.25管坯尾部插入Φ4.06mm的弹簧钢制长芯杆，管坯两端用石膏浆料封堵，随后将其快速穿过加热区和已预热的孔径为Φ4.5mm的YG8硬质合金拉拔模孔并送入夹料钳处夹牢，启动拉拔机。待完成第一模温拔后，退出原长芯杆而依次分别改穿Φ3.62mm、Φ3.16mm和Φ2.7mm长芯杆，拉伸模分别更换Φ4mm、Φ3.5mm和Φ3mm，经过3个模次连续温拔即可得到所需细径薄壁管材Φ3×0.15mm。然后进行脱芯杆、矫直和定尺工序。再将镁合金毛细管管材在温度为200~420℃条件下退火处理2~8h，然后放入丙酮-无水乙醇溶液中进行超声处理0.2~1.5h，而后再用质量浓度为10%~20%的冰醋酸水溶液进行酸洗10~60s，最后再进行。5.2拉拔模具的设计5.2.1拉模材料选择 黄河科技学院毕业设计说明书第25页管材拉拔模具主要分为模子和芯头，是管材拉拔的主要工具。拉拔模有较多的规格，在生产此类管材的大、中型企业中，较多规格通常都会将其直径间隔0.5mm都备有一个模子，本设计的拉拔模的材料选用硬质合金（YG8），模孔表面镀铬层厚度一般为0.03-0.04mm。硬质合金的硬度程度比较高，同时具备足够的韧性、耐磨性和耐蚀性。以硬质合金为基础材料制作而成的模具寿命比钢模高上百倍，除了这个优势以外，还有价格较便宜，在经济方面省了很多心。拉模所用的硬质合金以碳化钨为基，用钴为黏结剂在高温下压制和烧结而成。硬质合金的牌号、成分、性能列于表5.3。表5.3硬质合金的牌号、成分、性能本设计选用YG8硬质合金作为拉模材料。尽管硬质合金具有极高的耐磨性能和抗压强度的特性，可是它的抗张和抗冲击性能不是太高。在拉拔状态下，拉模要经受超大的张力，所以还要在硬质合金模的外侧镶上一个钢制外套，给它带来适量的预应力，降低或消除拉拔模在拔制时所遭受的工作应力，加强它的强度。硬质合金拉模镶套装配如图5.3所示。图5.3硬质合金模1-硬质合金模芯2-模套5.2.2模子的结构与尺寸 黄河科技学院毕业设计说明书第25页根据锥形模的模孔结构可以分为四个区：入口区（润滑区），压缩区，定径区，出口区，如图5.4所示：（1）入口区或润滑区入口区的主要任务是在拉拔时让润滑剂能够轻松地流入模孔，将阻力最大化地降低了，有利于后续程序的顺利进行，还有一个好处就是避免划伤坯料。图5.4模孔的几何尺寸Ⅰ入口区；Ⅱ压缩区；Ⅲ定径区；Ⅳ出口区润滑锥角β的大小应适当。角度要是太大的话，不利于润滑剂的放置，润滑效果太差；角度要是太小的话，会造成制品表面划伤、夹灰、拉断等问题。管材拉拔的入口区常用一半径R1=(4~8)mm的圆弧代替，也可取β=(2~3)α的锥角(α为模角，即压缩区锥角)。入口区长度h1一般为制品直径的1.1~1.5倍。本设计取h1=1.3D制品。则模子1，h1=1.3×5=6.5mm；同理计算可得模子2，3，4的入口区长度分别为5.85mm,5.2mm,4.55mm。 黄河科技学院毕业设计说明书第25页（2）压缩区金属在压缩区发生塑性变形，从而得到符合条件的制品形状和尺寸。压缩区的模角α表示了一种拉拔模具的主要参数。Α角要是过小的话，加大了坯料与模壁的接受面积；α角要是过大的话，容易增加拉拔力和非接触变形程度。因此α角存在着最佳区间，在此区间拉拔力最小。模角可α=8°~12°，本设计取α=12°。为防止制品与模孔不同心产生压缩带以外的变形，压缩区长度应大于拉拔时变形区的长度，如图5.5所示：压缩区的长度可按下式计算h2=a×h2"=a×0.5(D0max-D1)cotα式中h2—压缩区长度，mm；a—不同心系数，a=1.05~1.3，本设计取a=1.2；D0max—坯料可能的最大直径；D1—制品直径。则模子1，h2=a×h2"=a×0.5(D0max-D1)cotα=1.2×0.5×（5-4.5）0.5×cot12°=1.41mm；同理计算可得模子2,3,4的h2均为1.41mm； 黄河科技学院毕业设计说明书第25页（3）定径区定径区的主要作用在于获得制品形状和尺寸的稳定性。采用特别材质的耐磨材料制成的定径带部分作用很大，它可以达到拉拔模不会因为模孔磨损进而超差的目的，加大了它的使用期限。衬拉时，定径带长度可按下式计算h3=(0.1—0.2)d式中h3—定径区长度，mm；d—定径区直径，mm。定径带长度可按下表选取（4）出口区出口区的锥角一般取30°，其长度可根据模子规格和材料取定径带直径的0.2~0.5倍。管材拉拔模上述四个部分特别是定径带与出口区的交接处要加工良好，都应研磨光滑，否则制品在拉拔后因弹性恢复或拉拔方向不正而将制品表面划伤。管材拉拔模的常用结构尺寸见下表。5.2.3长芯杆的结构与尺寸 黄河科技学院毕业设计说明书第25页如上图所示，长芯杆左端固定，右端与管坯一同送入模孔内，配合模孔对管坯进行减壁减径工序，材料选用T8A，表面镀铬，以增强耐磨性。根据管坯的拉拔配模，芯杆的工作直径分别取4.06mm，3.62mm，3.16mm，2.7mm，配合四个模子的模孔尺寸。工作带长度稍大于模子总长度，取12mm。同心度要求为0.025。其他尺寸可根据拉拔件图5.6长芯杆结构示意图机工作参数做自由调整。5.3润滑本设计在拉拔前，用石墨乳状润滑剂对管坯表面进行预处理。石墨在常压中，温度为540℃时可短期使用，在426℃时可长期使用。氧化产物为CO、CO2，摩擦系数在0.05~0.19范围内变化。石墨具有很高的耐磨、耐压性能以及良好的化学稳定性，是一种较好的润滑剂。在拉拔过程中，采用目前有色金属拉拔所使用的乳液。该乳液由80%~85%机油、10%~15%油酸、5%的三乙醇胺配制成乳剂，再加90%~97%的水搅拌成乳化液形成。要是采用拉拔工艺技术，需要配合单模的流体运动，还要兼顾光滑作用，进而帮助管材和模子表面之间的润滑模加厚，达到润滑和流体的目的。方法如图5.5所示。单模流体动力润滑又称柯利斯托佛松管润滑。管子和坯料之间有狭窄的间隙，采用运动的坯料和润滑剂的黏性，加大了模子入口处的润滑剂压力，进一步增加了润滑模的厚度。图5.7单模流体动力润滑 黄河科技学院毕业设计说明书第25页结论一眨眼之间，四年的大学生活马上就要结束了，我的校园生活将要划上一个完整的句号，心中满是不舍与留恋，我的下一站就是踏入社会，心中满是期待与激动。回首四年，我取得了些许成绩，比如英语四六级证书，计算机二级证书等等，这些证书的背后是我辛勤的付出，感谢黄河科技学院给我创造了良好的学习范围。生活中充满了快乐和艰辛。感谢工学院的老师们四年来对我孜孜不倦的教诲以及对我成长的关怀。感谢辅导员陈小伟在我无助的时候给予我力量，在我任性的时候给予我指引，在我情绪低落的时候给予我开导，使我在成长的道路上更加成熟，更加具有责任感和使命感。在我的十几年求学生涯里，非常感谢我的父母，我之所以有今天的成就，永远离不开父母的鼓励和支持，他们每天早出晚归，都是为了我的学费，有了资金的保证，我才能安心地学习，才能顺利地毕业，所以我很感激他们从始至终对我的抚养与教育。最后，我要特别感谢的人是我的指导老师即朱世杰老师，他是一位及其负责的好老师。是他在我毕业的最后关头给了我巨大的帮助与鼓励,朱老师每天都有自己的事情要做，但他每天都不会忘记提醒和指导我们毕业设计上的事情。正是因为他的无私奉献的精神和认真负责的态度使我能够顺利完成毕业设计，在此表示衷心的感激。 黄河科技学院毕业设计说明书第25页致谢大学四年，人生经历与知识都受益良多，我满怀感激。通过近4年的学习，我的专业知识水平无论在理论上，还是在实际研究能力上，都进了一大步。我将永远记住我的母校。感谢导师朱世杰老师给予我们的悉心指导和照顾，他严谨的科学研究态度与治学精神仍将是我今后学习的方向。在本毕业设计过程中蔡老师从生活上、资料收集上给予了我们大力支持，给我们提供了一个优越的实验环境；更是从选题、到修改、直至设计上都不断的给予我关键性的点拨，使我在论文写作的迷茫中豁然开朗。感谢朱老师在开题与论文修改过程中提出的中肯建议，拓展了本文的思路，加强了论文的逻辑性，亦令我受益匪浅。这些都是本论文得以完成的基础。十分感谢和我同组的同学，在整个设计的过程中，我们一起探讨设计中遇到的各种问题，想出解决方案。在毕业设计结束之际，我在此对黄河科技学院工学院，对朱老师以及所有为我们的毕业设计提供帮助的老师们致以崇高的敬意和真心的感谢！ 黄河科技学院毕业设计说明书第25页参考文献[1]陈进化.位错与强化[M].沈阳：辽宁教育出版社,1991.[2]BurkeJ,WeissW.超细晶粒金属[M].北京：国防工业出版社,1982.[3]温景林,丁桦,曹富荣等.有色金属挤压与拉拔技术[M].北京：化学工业出版社,2007.7.[4]温景林主编.金属挤压与拉拔工艺学[M].沈阳：东北大学出版社,1996.12.[5]黄毅宏,李明辉主编.模具制造工艺[M].北京：机械工业出版社,2003.[6]张国志等编著.材料成型模具设计[M].北京：东北大学出版社,2006.6.[7]花果樑.互换性与技术测量[M].北京：北京理工大学出版社,1986.[8]颜永年，李茂盛，林峰，吴任东，张人估.变形镁合金的研究热点概述[J].清华大学学报(自然科学版),2007.[9]曾小勤，王渠东，吕宜振，等.镁合金应用进展[J].铸造，1998.[10]陈家民.塑性加工力学.沈阳：东北大学出版社，2006.[11]陈振华主编.变形镁合金.北京：化学工业出版社，2004.[12]赵志业等.金属塑性变形与轧制理论.北京：冶金工业出版社，1994.[13]叶茂.金属塑性加工时的摩擦与润滑.沈阳：东北大学出版社，1990.[14]王渠东，丁文江.镁合金及其成形技术的国内外动态与发展[J].世界科技研究与发展，2004.'