湘潭大学自然科学学报000125
NATURAL SCIENCE JOURNAL OF XIANGTAN UNIVERSITY
2000& Vol.22　No.1　P.87-89
金属冷变形过程中的温度及产品质量控制
朱起凡　洪振声　曾平化
【摘要】　 以拉拔变形为例在理论上分析了金属冷变形过程中产生的温度及其对模具和冷变形产品
质量的影响，提出了控制产品质量的方法与措施．
主　题　词：金属冷变形；温度；模具
中图分类号：TG356　　　　　文献标识码：A　
文章编号：00)01-0087-03
Temperature in
Process of Cold-shaping of
Metals and Control of Quality of Products
ZHU Qifan　HONG Zhensheng　ZENG Pinghua
（Department of Architectural Engineering, Xiangtan University, Xiangtan, 411105, China）
Abstract　Taking the
deformation by drawing as an example,this artic al analyses in theory the temperature
Produced in cold-shaping of metals and its effect on the dies and the quilities of
cold-shaping products and suggests the methods and measures to control the quelities of
the products.
Subject words　Cold-shaping of Metal,
temperature, die
　　在金属冷变形过程中，材料的塑性变形及材料与模具之间的摩擦均会产生热量，大约有90%
～95%的机械能转变为热能，特别是在连续变形过程中如拉拔、挤压以及高速成形，由于产
生了大量的热，可使变形材料温度升高至数百度．热量的一部分保留在变形材料中，一部分
传给模具，还有一部分流入材料的未变形部分．金属在变形过程中因所产生的热量而导致温
度的升高将会影响到材料与模具之间的润滑状态，模具寿命以及最终产品质量，其影响程度
将取决于最大变形速度，如果不采取一定的措施，这种在塑性变形过程中升高的温度将会大
大影响生产率，使得生产成本升高、产品质量下降．
1　冷变形过程中热量及温度
　　在金属冷变形过程中，所产生的热量及温度的分布主要取决于以下因素：
　　a. 坯料和模具的原始温度．
　　b. 塑性变形产生的热量．
　　c. 模具和变形材料间的摩擦产生的热量．
　　d. 变形材料和模具之间及材料与介质(空气或冷却液等)之间的热交换．
　　在拉拔过程中，因不存在大量的冷却介质，而通过辐射和传导散失在环境中的热量可以
忽略不计，这样在变形金属中的平均瞬时温度TA可由下式估计：
A=TS+TD+TF-TT　(1)
　　式中：TS--毛坯(或零件)的原始温度；TD--由于塑性变形所导致的温升；TF
--坯料与模具之间因摩擦所导致的温升；TT--由于热量传入模具而导致的温度降低
　　上式中由于塑性变形所导致的温升TD在一定的时间间隔Δt内可由下式给出：
　　式中σ是材料变形的流动应力，ε是有效变形率，A是机械能和热能之间的转换系数，C
是材料的比热，ρ是材料的密度，而β是变形能转换成热能的系数(0≤β≤1，通常为0.9
　　而由于摩擦增加的温度TF可由下式给出：
　　式中除了在(2)式中涉及的σ、A、C、ρ已作说明外，f是坯料与模具间的摩擦系数，V
是拉拔速度，F是坯料与模具内表面相接触的面积，Va是坯料受温度支配而增加的体积．
　　在实际变形过程中，在变形坯料中和在模具内均存在着一个温度分布梯度，如图1所示：
图1　模具-材料界面温度分布示意图
图2　拉拔时模具
内表面温度分布示意图
　　由图可以看出：在与模具接触的坯料表面和模具内表面温度通常较高，这是由于一方面与
模具接触部分的坯料变形量较大，同时坯料与模具表面产生强烈的摩擦，因而产生了热量，
这些热量朝模具和坯料内逐步减少．由于坯料与模具本身的热传导，故越向材料内部和模具
内部、温度越低．
　　在许多实际操作中，变形坯料的温度梯度可以忽略，只要估算出变形材料的平均温度就足
够了.在这种场合下，变形坯料可认为是一块平均温度不变的薄板，这样就可研究模具表面
温度分布，图2所示为拉丝时所测得的硬质合金模具内表面温度分布状况(坯料为低碳钢，
由直径3.0 mm拉至直径2.5　mm，拉拔速度为420　m/min)
　　从图中可以看出，在模具润滑带、温度变化不高且甚小，进入工作带以后随着直径的减少
，坯料变形逐渐增大，产生的热量逐步增多，同时坯料与模具摩擦越来越强烈，产生的摩擦
热也越来越多，因而温度变化较快，到达定径带，温度达到最高值．
2　温度升高对产品质量及模具寿命的影响
　　从以上分析及实例可知，模具各处温度是不一致的，目前在拉拔生产中绝大多数都是使用
硬质合金材料作为拉拔模［1～3］，这种在拉拔过程中因温度升高会给硬质合金模具
带来下列不利影响：
　　a. 模具孔径尺寸减小.
由于模具内孔表面因温度升高表面膨胀，但因模具外侧温
度升高不多或根本没有升高(表面冷却)，因此模具内孔表面膨胀时只能向孔径中心方向胀大
，这样就使得内孔孔径减小．
　　b. 产品直径减小.由于模具孔径减小，同时坯料在变形过程中温度升高，拉拔后温
度降低，尺寸缩小，使得最终产品尺寸比设计时要小，根据实测，在拉制J6
mm标准直 径(由J6.5　mm坯料拉成)的低碳钢线材时，拉制后的实际直径为J5.97
　　c. 模具崩刃.在硬质合金拉丝模中，由于局部温度升高而硬质合金导热性又很
差，使得模具各处温度不一致，从而各处膨胀不一致，致使模具内应力增加，在内应力和拉
拔应力的共同作用下，模具将发生局部崩裂，严重时导致模具失效，这将显著降低模具的使
3　产品质量控制
　　要使拉制后的产品符合要求(包括尺寸精度和表面质量)及提高模具寿命，最根本性的问题
是降低在拉拔过程中产生的温升，这可从模具设计和拉制工艺两个方面考虑．
3.1　合理的模具设计
　　模具设计时要尽可能减少模具与坯料间的摩擦，首先入口处模具要设计成圆弧形，保证流
线连续，以使坯料在拉拔时不被刮伤或刮去表面涂层．其次，润滑带的长度要合适，以便储
存 适量的润滑剂，使坯料在拉拔过程中，使聚集在润滑带的润滑剂(如拉丝粉)产生某些流体压
力而随之前进，使坯料表面形成润滑膜．
　　工作带是模孔最重要的部分，工作带锥角的大小与坯料塑性变形的均匀度有很大关系，而
且还会影响拉拔力的大小和产品的性能，因此合理设计工作带的锥角是保证产品质量重要的
　　定径带的作用是使坯料通过模孔时具有稳定性，不致摇晃和产生竹节形，使制品得到稳定
的尺寸、较好的光泽和光滑的表面．定径带的长度要适当，过长就会产生过大的摩擦力，破
坏坯料表面的润滑膜，导致拉拔过程中温度急剧升高．
3.2　正确的拉拔工艺
　　首先拉拔起动时要缓慢，否则将产生过大的静摩擦力而出现断头现象．同时，若起动过快
，由于润滑剂尚未很好地吸附在坯料表面，会使坯料和模具间的摩擦系数增大．
　　二是选用合理的拉拔速度，拉拔速度过大会使变形加快，导致模具温度升高．过高的温度
会破坏润滑膜，并降低产品质量．
　　三是保证良好的润滑条件，通过润滑可降低摩擦系数，减少热量产生，润滑剂应能吸收部
分热量，从而起冷却作用使坯料和模具温度降低．这对保证了产品质量，提高模具的使用寿
命都是十分必要的．
作者简介：朱起凡（1945-），男，湖南湘潭人，副教授
朱起凡（湘潭机电专科学校，湖南 湘潭，411100）　
洪振声（湘潭机电专科学校，湖南 湘潭，411100）　
曾平化（湘潭机电专科学校，湖南 湘潭，411100）
参　考　文　献
［1］蒋克昌.钢丝拉拔技术［M］.北京：轻工业出版社,1982.7
［2］洪振声，尹付成.22SiMnNi2CrMoA钢制钎尾复合强韧化的研究［J］.湘潭大学自然科
学学报,1994(3)：27
［3］田村清.金型材料の表面硬化法［J］.プレス技术,1988(4)：68
收稿日期：线材拉拔断裂分析_百度文库
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