拔长工艺与进料比的优化策略

使毛坯横断面积减小而长度增加的工序叫拔长。

有矩形断面毛坯的拔长和圆断面毛坯的拔长，拔长的主要问题是生产率和质量，主要的工艺参数是送进量（l）和压下量（Δh）（见图2-1-8）。

图2-1-8 拔长

1.矩形断面毛坯的拔长

矩形断面毛坯在平砧间拔长，当相对送进量（送进长度l与坯料宽度a之比，即l/a，也叫进料比）较小时，金属多沿轴向流动，轴向的变形程度ε_l较大，横向的变形程度ε_a较小，随着l/a的不断增大，ε_l逐渐减小，ε_a逐渐增大；ε_l和ε_a随l/a变化的情况如图2-1-9所示。可见，为提高拔长时的生产率，应当采用较小的进料比。但送进量l也不宜过小，因为l过小时总的送进次数要增多。因此，通常取l=（0.4～0.8）b，b为平砧的宽度。

图2-1-9 轴向和横向变形程度随相对送进量的变化情况

ε_l—轴向变形程度 ε_a—横向变形程度

在平砧上拔长低塑性的坯料时，在毛坯的外部常常引起表面横向裂纹（见图2-1-10）及角裂（见图2-1-11），在内部常引起组织和性能不均匀，内部的纵向裂纹（见图2-1-12）和横向裂纹（见图2-1-13）等。这些问题都是由于拔长过程中的变形不均匀引起的。

图2-1-10 表面横向裂纹

图2-1-11 角裂

图2-1-12 对角线裂纹

图2-1-13 内部横向裂纹

矩形断面毛坯拔长时，送进量和压下量对质量的影响是很大的。

拔长时，坯料内部的变形情况与镦粗很近似，当送进量较大时（l＞0.5h）（图2-1-14），轴心部分变形大，处于三向压应力状态，有利于焊合坯料内部的孔隙、疏松，而侧表面（确切地说应是切向）受拉应力。当送进量过大（l＞h）和压下量也很大时，此处可能因展宽过多产生大的拉应力而开裂（犹如镦粗时那样）。但是，拔长时由于受两端未变形部分（或称外端）的牵制，变形区内的变形分布与镦粗时也有一些差异，表现在每次压缩时沿接触面A—A（见图2-1-15a）也有较大的变形（见图2-1-14），由于工具摩擦的影响，该接触面中间变形小，两端变形大，其总的变形程度与沿O—O是一样的。图2-1-15b是一次压缩后A—A及O—O面沿轴向的变形分布。但是，沿接触面A—A及其附近的金属主要是由于轴心区金属的变形而被拉伸长的。因此，在压缩过程中一直受到拉应力，与外端相接近的部分受拉应力最大，变形也最大，因而常易在此处产生表面横向裂纹（见图2-1-10）。尤其在边角部分，由于冷却较快，塑性降低，更易开裂（见图2-1-11）。高合金工具钢和某些耐热合金拔长时，常易产生角裂，操作时需注意经常倒角。

图2-1-14 拔长时坯料纵向剖面的网格变化

图2-1-15 拔长时的变形分布

拔长高合金工具钢时，当送进量较大，并且在毛坯同一部位反复重击时，常易沿对角线产生裂纹（见图2-1-12），其产生的原因一般认为是这样的：毛坯被压缩时，沿横断面上金属流动的情况如图2-1-16a所示。A区（困难变形区）的金属带着靠着它的a区金属向轴心方向移动，B区的金属带着靠着它的b区金属向增宽方向流动，因此，a、b两区的金属向着两个相反的方向流动，当毛坯翻转90°再锻打时，a、b两区金属流动的情况相互调换了一下（见图2-1-16b），但仍沿着两个相反的方向流动，因而DD₁和EE₁便成为两部分金属最大的相对移动线，在DD₁和EE₁线附近金属的变形最大，当多次反复地锻打时，a、b两区金属流动的方向不断改变，a、b两区金属的剧烈变形产生了很大的热量，使得此两区的温度剧升，此处的金属很快过热，甚至发生局部熔化现象，因此，在切应力作用下，很快地沿对角线产生破坏。有时当毛坯质量不好，锻件加热时间较短，内部温度较低，或打击过重，由于沿对角线上金属流动过于剧烈，产生严重的加工硬化现象，这也促使金属很快地沿对角线开裂。拔长时，若送进量过大，沿长度方向流动的金属减少，沿横断面上金属的变形就更为剧烈，沿对角线产生纵向裂纹的可能性也就更大。

由以上可见，送进量过大是不好的。l/h过大时易产生外部横向裂纹、角裂纹和对角线裂纹。但是，送进量过小了也不好。例如当l/h=0.25时（见图2-1-17），变形情况如图2-1-14所示，上部和下部变形大，中部变形小，变形主要集中在上、下部分，中间部分锻不透，而且轴心部分沿轴向受附加拉应力，在拔长锭料和大截面的低塑性坯料时，易产生内部横向裂纹（见图2-1-13）。

图2-1-16 拔长时坯料横截面上金属流动的情况

图2-1-17 小送进量拔长时的变形和应力情况

综上所述，可以看出送进量过大和过小都是不好的，因此，正确地选择送进量极为必要。根据试验和生产实践，一般认为l/h=0.5～0.8虽较为合适，但由于工具摩擦和两端不变形部分的影响，一次压缩后沿轴向和横向的变形分布仍旧是不均匀的。为获得较为均匀的变形，使锻件锻后的组织和性能均匀些，在拔长操作时，应使前后各遍压缩时的进料位置相互交错开。

2.圆断面毛坯的拔长

用平砧拔长圆断面毛坯时，若压下量较小，则接触面积较窄较长（见图2-1-18），金属多作横向流动，不仅生产效率低，而且常易在锻件内部产生纵向裂纹（见图2-1-19），其原因是：①此时困难变形区ABC好像刚性的楔子（见图2-1-20），能通过AB及BC两个面将力传给毛坯的其他部分，形成横向应力σ_R。②由于作用力在坯料中沿高度方向分散地分布，上、下端的压应力大，于是变形主要集中在上、下部分，轴心部分金属变形很小（见图2-1-21），因而变形金属便主要沿横向流动，并对轴心部分作用以附加拉应力。

图2-1-18 平砧、小压下量拔长圆形断面坯料

图2-1-19 平砧拔长圆断面坯料时产生的纵向裂纹

图2-1-20 平砧拔长圆形断面坯料时横向拉应力σ_R的形成

图2-1-21 由变形不均引起的附加拉应力

附加拉应力和横向应力σ_R的方向是一致的。愈靠近轴心部分受到的拉应力愈大。在此拉应力的作用下，使坯料轴心部分原有的孔隙、微裂纹继续发展和扩大。当拉应力的数值大于金属当时的抗拉强度时，金属就开始破坏，产生纵向裂纹。(www.xing528.com)

拉应力的数值与相对压下量Δh/h有关，当变形量较大时（Δh/h＞30%），困难变形区的形状也改变了（见图2-1-22），这时与矩形断面坯料在平砧下拔长相同。轴心部分处于三向压应力状态。

因此，拔长圆断面毛坯通常采用下述两种方法：

1）在平砧上拔长时先将圆断面毛坯压成矩形断面，再将矩形断面毛坯拔长到一定尺寸，然后再压成八角形，最后锻成圆形（见图2-1-23），其主要变形阶段是矩形断面毛坯在平砧下拔长。

图2-1-22 平砧大压下量拔长时坯料的变形情况

图2-1-23 圆断面毛坯拔长时截面的变化过程

2）在型砧（或摔子）内进行拔长，利用工具的侧面压力限制金属的横向流动，迫使金属沿轴向伸长。与平砧比可提高拔长生产率20%～40%。在型砧内（或摔子内）拔长时的应力状态，也能防止内部纵向裂纹的产生。拔长用型砧有圆形砧和V形砧两类（见图2-1-24）。以V形砧为例，当α角较小时，拔长效率较高。

拔长时的注意事项：

1）每次锤击的压下量应小于材料塑性所允许的数值，此外为保证不产生局部夹层，还应使：

图2-1-24 型砧拔长圆断面毛坯

①每次压缩后的锻件宽度与高度之比应小于2～2.5，即b/h＜2～2.5（见图2-1-25），否则翻转90°再锻打时容易产生弯曲和折叠。

图2-1-25 拔长后的尺寸

图2-1-26 拔长时形成折叠的过程

图2-1-27 对角线锻压

②每次送进量与单边压缩量之比大于1～1.5，即Δl/h＞1～1.5，否则容易产生折叠（见图2-1-26）。

拔长低塑性材料或锭料时，送进量l在（0.5～1）h之间较为适宜，生产中常用的是（0.6～0.8）h，而且前后各遍压缩时的进料位置应当相互交错开。

2）为得到平滑的锻件表面每次送进量应小于（0.75～0.8）B（B为砧宽）。

3）沿方形毛坯的对角线锻压时（见图2-1-27），应当锻得轻些，以免中心部分产生裂纹。

4）拔长锻件端部时，为防止产生端部内凹和夹层现象（见图2-1-28），端部压料长度的最小值应满足下列规定：

图2-1-28 拔长时产生端部凹陷

①对圆形断面毛坯应使端部压料长度A＞0.3D（见图2-1-29a）。

图2-1-29 拔长端部时的压料长度

a）圆断面 b）矩形断面

②对矩形断面毛坯（见图2-1-29b）

当B/H＞1.5时，A＞0.4B；

当B/H＜1.5时，A＞0.5B。

5）钢锭倒棱制坯时，单边压缩量应不大于20～60mm，当锻造高合金钢时，倒棱不能重打。

6）为防止锻件表面裂纹，上、下砧的边缘应作出圆角，这可减少产生夹层的危险。

在拔长操作时，对长毛坯应由中间向两端，这有助于使金属平衡。此外，在锻造锭料时，用这种方法可以将疏松和分布在冒口附近的偏析区挤到顶部去。短的毛坯可以从一端开始拔长。

对高合金钢、合金工具钢及再结晶速度较低的金属，应该沿螺旋线进行翻转，最好在V形砧上锻造。

低碳钢和低合金钢锻件拔长时可按表2-1-2确定锻锤吨位。

表2-1-2 拔长所需锻锤吨位