張文明+張新良+欒驚天

摘 要：為了探究高速拉絲工藝對(duì)材料性能的影響，本文在Deform-3D有限元分析軟件的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析了拉絲模具的模角大小、拉絲速度大小和摩擦系數(shù)大小對(duì)拉絲材料性能的影響，通過(guò)觀察并對(duì)比不同模角、不同拉絲速度和不同摩擦系數(shù)下的溫度場(chǎng)、等效應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布，并總結(jié)出變化規(guī)律，可以根據(jù)此規(guī)律來(lái)選取拉絲過(guò)程中的模角、拉絲速度和摩擦系數(shù)，以便確定最佳的模具參數(shù)及使用條件。

關(guān)鍵詞：Deform-3D；拉絲模角；拉絲速度；摩擦系數(shù)

拉絲工藝是鋁架空導(dǎo)線生產(chǎn)過(guò)程中的重要工序，它可以提高線材的尺寸精度、表面光潔度和線材的強(qiáng)度。由于冷拉成型過(guò)程中不可避免地形成加工硬化、晶?；儯纬杉庸と毕?，導(dǎo)致線材導(dǎo)電性能下降并埋下了安全隱患，為了提高冷拉導(dǎo)線的成品質(zhì)量，各國(guó)專(zhuān)家對(duì)拉伸設(shè)備與工藝進(jìn)行了不斷的改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上，本文通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬元件對(duì)拉絲模在高速下的拉絲過(guò)程進(jìn)行了模擬，以此來(lái)確定最佳的模具參數(shù)及使用條件，為將來(lái)研究拉絲工藝奠定了基礎(chǔ)。

1 有限元模型

1.1 建立有限元模型

如圖1所示為一有限元仿真模型，該模型一共分為三個(gè)部分：拉絲模，坯料，夾具。材料一端為一個(gè)帶有斜度的細(xì)端，通過(guò)夾具帶動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)，保持拉絲模不動(dòng)，使工件通過(guò)拉絲模，以此來(lái)改變工件大小，完成拉絲。

圖1 有限元仿真模型

根據(jù)?？卓v斷面的形狀，可將普通拉絲模分為弧線形模和錐型模，弧線形模一般只用于細(xì)線的拉拔，錐型模適用于管、棒、及粗線的拉拔。圖2為錐型拉絲模的結(jié)構(gòu)，該模具由4個(gè)部分組成：入口區(qū)，工作區(qū)，定徑區(qū)和出口區(qū)。其中，工作區(qū)的模角是拉絲模的主要參數(shù)之一，模角a過(guò)小，坯料與模壁的接觸面積增大，坯料與磨具的接觸時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致拉拔力增加；模角a過(guò)大，金屬在變形區(qū)中變形嚴(yán)重，導(dǎo)致附加剪切變形增大，從而使拉拔力和非接觸變形增大。因此，模角存在一最佳區(qū)間，在此區(qū)間拉拔時(shí)拉拔力最小。

圖2 拉絲模具的尺寸結(jié)構(gòu)

1.2 制定參數(shù)及求解

建立有限元分析模型：先用UG7.0建立三維圖型，將圖型轉(zhuǎn)化成STL格式，然后再導(dǎo)入Deform-3D模擬元件中。根據(jù)拉絲的對(duì)稱(chēng)性特點(diǎn)，也為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，可以將模型簡(jiǎn)化為1/4進(jìn)行模擬，設(shè)定對(duì)稱(chēng)面為邊界面，設(shè)定單元數(shù)目為8000，自動(dòng)生成網(wǎng)格。定義工件材料為純鋁，模擬溫度為室溫，拉拔速度分別為4m/s，5m/s，6m/s，根據(jù)純鋁的塑性特點(diǎn)，將模具角度分別設(shè)置為11°，13°，15°。拉絲模和夾具為剛性，其摩擦系數(shù)分別為0.08，0.12，0.16，整個(gè)模擬過(guò)程分為100 步，每2步保存一次，每次夾具移動(dòng)2mm長(zhǎng)，然后點(diǎn)擊運(yùn)行，開(kāi)始自動(dòng)求解。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 模角對(duì)拉絲工藝的影響

2.1.1 應(yīng)力及應(yīng)變分析

圖3所示為材料在拉絲速度v=4m/s，摩擦系數(shù)u=0.08條件下模角為11°，13°，15°的網(wǎng)格變化。拉絲后會(huì)使工件的網(wǎng)格拉長(zhǎng)，但在11°，13°，15°模角下，通過(guò)觀察得知，其網(wǎng)格的變化基本相同。

（a）11°模角下的網(wǎng)格 （b）13°模角下的網(wǎng)格

（c）15°模角下的網(wǎng)格

圖3 材料在不同角度下網(wǎng)格的變化

圖4（a）為材料的四分之一模型，P1，P2，P3為材料中不同位置的點(diǎn)，其中P1為工件表面上的點(diǎn)，P3為工件軸心上的點(diǎn)，P2為在表面和軸心之間任取的一個(gè)點(diǎn)。

（a）1/4模型上的三 個(gè)點(diǎn)

（b） 三點(diǎn)的等效應(yīng)力變化

圖4 材料上三點(diǎn)P1，P2，P3的位置及等效應(yīng)力變化

圖4（b）為拉絲材料與磨具接觸處的應(yīng)力峰值圖。在拉絲速度v=4m/s，摩擦系數(shù)u=0.08，模角為13°，從圖中可以觀察出三個(gè)點(diǎn)處的應(yīng)力隨時(shí)間的變化，在P1點(diǎn)處的應(yīng)力最大，此處最容易產(chǎn)生斷裂和損壞。因此可以通過(guò)研究表面的應(yīng)力變化來(lái)確定材料的拉絲后的質(zhì)量。

圖5（a）為材料的等效應(yīng)力場(chǎng)分布，從中可以看出，材料與模具接觸區(qū)域的應(yīng)力分布規(guī)律為：工件表面接觸處的應(yīng)力最高，并逐漸向內(nèi)部和兩邊擴(kuò)散、減小。

圖5（b）為在速度v=4m/s，u=0.08時(shí)不同模角下的工件等效應(yīng)變隨時(shí)間的變化圖，可以得到，在進(jìn)行拉拔時(shí)，模角11度時(shí)其應(yīng)力值從0迅速增加，在0.2s時(shí)達(dá)到到一個(gè)峰值0.43并在隨后的時(shí)間保持不變。磨具角為13°和15°時(shí)，應(yīng)力值也在0.2s時(shí)升到最高，分別為0.57和0.63，隨后一直保持不變。模具角為11°時(shí)等效應(yīng)值最小，這是由于磨具角度小，材料在工作帶經(jīng)過(guò)的時(shí)間長(zhǎng)，從而造成單位時(shí)間內(nèi)的變形量加大。

（a）α=13°時(shí)的等效應(yīng)力場(chǎng)分布

（b）不同模角下的等效應(yīng)變曲線

圖5 等效應(yīng)力分布及在不同模角下的變化

2.1.2 不同模角下的溫度場(chǎng)分布分析

根據(jù)材料的屬性，溫度升高會(huì)使材料塑性變強(qiáng)，但溫度過(guò)高又會(huì)使晶粒變得粗大，降低了材料的性能，所以除了角度時(shí)還要考慮溫度的影響.

設(shè)定參數(shù)v=4m/s，u=0.08。如圖6（a）為材料的溫度場(chǎng)分布圖，其變化規(guī)律為：與拉絲模接觸處的溫度最高，并逐漸向其周?chē)鷧^(qū)域擴(kuò)散、減小，這一部分熱量主要由摩擦產(chǎn)生。圖6（b）中為不同角度下模角對(duì)拉絲溫度的影響。從中可以看出，模具角度分別11°，13度和15°時(shí)，在0.2s時(shí)溫度從0迅速上升到最大值，分別為33度，37度和39.5度，然后開(kāi)始稍微下降并在隨后的時(shí)間里保持不變。

（a）α=13°時(shí)的溫度場(chǎng)分布

（b）不同模角下的溫度變化圖

圖6 溫度場(chǎng)分布及在不同模角下溫度的變化

2.2 速度對(duì)拉絲工藝的影響

選取13度角度的模具進(jìn)行分析，速度分別為4m/s，5m/s，6m/s來(lái)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)速度在4m/s到6m/s的范圍變化時(shí)拉絲速度對(duì)溫度及等效應(yīng)變的影響不大，因此可以適當(dāng)提高速度來(lái)提高生產(chǎn)率。圖7（a）為模角為13°，u=0.08時(shí)，不同速度對(duì)拉絲溫度的影響。可以看出，與拉絲模具接觸處的溫度相差不大并在很短的時(shí)間里保持一致。圖7（b）為模角為13°時(shí)，不同速度對(duì)工件應(yīng)變的影響，當(dāng)拉絲速度為4m/s和5m/s的應(yīng)力是一樣的，在6m/s時(shí)應(yīng)力減少了0.05，對(duì)應(yīng)力影響不大。

（a）不同速度下的溫度變化曲線

（b）不同速度下的等效應(yīng)變曲線

圖7 不同速度下的溫度變化和等效應(yīng)變變化

2.3 摩擦系數(shù)對(duì)拉絲工藝的影響

設(shè)定參數(shù)α=13°，V=4m/s，以此來(lái)分析不同摩擦系數(shù)對(duì)拉絲工藝的影響。圖8（a）為模角13°時(shí)不同摩擦系數(shù)下的溫度變化。摩擦系數(shù)為0.08，0.12，0.16時(shí)，摩擦系數(shù)對(duì)材料的溫度幾乎沒(méi)有影響。如圖8（b）為不同角度下等效應(yīng)變變化曲線。摩擦系數(shù)為0.08時(shí)拉絲后材料的等效應(yīng)變值值最大，為0.57，從0.08到0.12等效應(yīng)變值開(kāi)始下降到0.5，一直到摩擦系數(shù)為0.16時(shí)等效應(yīng)變值都保持不變。

（a）不同摩擦系數(shù)下的溫度變化

（b）不同摩擦系數(shù)下的等效應(yīng)變曲線

圖8 不同摩擦系數(shù)下等效應(yīng)變及溫度的變化

3 結(jié)論

通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)?zāi)M可以發(fā)現(xiàn)，高速拉絲機(jī)拉絲過(guò)程中具有以下特點(diǎn)：

（1）拉絲模具角度對(duì)拉絲工藝有重要影響，11°至15°之間，材料溫度及等效應(yīng)變值隨著模角的增大而增大。（2）在拉絲速度為4m/s，5m/s和6m/s時(shí)其對(duì)材料溫度及等效應(yīng)變的影響不大。（3）摩擦系數(shù)對(duì)材料溫度影響很小，但對(duì)等效應(yīng)變有一定的影響，摩擦系數(shù)為0.08時(shí)的等效應(yīng)變值大于摩擦系數(shù)為0.12及0.16時(shí)的等效應(yīng)變值，摩擦系數(shù)在0.12到0.16區(qū)間其等效應(yīng)變值保持不變。

參考文獻(xiàn)

[1] LIN Xinbo.apply of DEFORM-2D and DEFORM-3D CAE in imitate the process of metal plastic deformation [J].die technology，2000（3）.

[2] QIN Xuesheng，XING Guoliang，LOU Shumei，REN Lixin，MIAO Shuangshuang.finite element analysis of hollow aluminium profile extrusion processybase on DEFORM_3D [J].hot working technology，2013（5）.

[3] XIONG Xia.copper wire drawing technology and development [J]nonferrousmetal devise and research.2012，33（4）.

作者簡(jiǎn)介：張文明（1959.07- ），男，漢族，本科，教授，研究方向：焊接自動(dòng)化及其裝備；張新良（1986.05- ），男，漢族，研究生。

（a）不同速度下的溫度變化曲線

（b）不同速度下的等效應(yīng)變曲線

圖7 不同速度下的溫度變化和等效應(yīng)變變化

2.3 摩擦系數(shù)對(duì)拉絲工藝的影響

設(shè)定參數(shù)α=13°，V=4m/s，以此來(lái)分析不同摩擦系數(shù)對(duì)拉絲工藝的影響。圖8（a）為模角13°時(shí)不同摩擦系數(shù)下的溫度變化。摩擦系數(shù)為0.08，0.12，0.16時(shí)，摩擦系數(shù)對(duì)材料的溫度幾乎沒(méi)有影響。如圖8（b）為不同角度下等效應(yīng)變變化曲線。摩擦系數(shù)為0.08時(shí)拉絲后材料的等效應(yīng)變值值最大，為0.57，從0.08到0.12等效應(yīng)變值開(kāi)始下降到0.5，一直到摩擦系數(shù)為0.16時(shí)等效應(yīng)變值都保持不變。

（a）不同摩擦系數(shù)下的溫度變化

（b）不同摩擦系數(shù)下的等效應(yīng)變曲線

圖8 不同摩擦系數(shù)下等效應(yīng)變及溫度的變化

3 結(jié)論

通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)?zāi)M可以發(fā)現(xiàn)，高速拉絲機(jī)拉絲過(guò)程中具有以下特點(diǎn)：

（1）拉絲模具角度對(duì)拉絲工藝有重要影響，11°至15°之間，材料溫度及等效應(yīng)變值隨著模角的增大而增大。（2）在拉絲速度為4m/s，5m/s和6m/s時(shí)其對(duì)材料溫度及等效應(yīng)變的影響不大。（3）摩擦系數(shù)對(duì)材料溫度影響很小，但對(duì)等效應(yīng)變有一定的影響，摩擦系數(shù)為0.08時(shí)的等效應(yīng)變值大于摩擦系數(shù)為0.12及0.16時(shí)的等效應(yīng)變值，摩擦系數(shù)在0.12到0.16區(qū)間其等效應(yīng)變值保持不變。

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[3] XIONG Xia.copper wire drawing technology and development [J]nonferrousmetal devise and research.2012，33（4）.

作者簡(jiǎn)介：張文明（1959.07- ），男，漢族，本科，教授，研究方向：焊接自動(dòng)化及其裝備；張新良（1986.05- ），男，漢族，研究生。

（a）不同速度下的溫度變化曲線

（b）不同速度下的等效應(yīng)變曲線

圖7 不同速度下的溫度變化和等效應(yīng)變變化

2.3 摩擦系數(shù)對(duì)拉絲工藝的影響

設(shè)定參數(shù)α=13°，V=4m/s，以此來(lái)分析不同摩擦系數(shù)對(duì)拉絲工藝的影響。圖8（a）為模角13°時(shí)不同摩擦系數(shù)下的溫度變化。摩擦系數(shù)為0.08，0.12，0.16時(shí)，摩擦系數(shù)對(duì)材料的溫度幾乎沒(méi)有影響。如圖8（b）為不同角度下等效應(yīng)變變化曲線。摩擦系數(shù)為0.08時(shí)拉絲后材料的等效應(yīng)變值值最大，為0.57，從0.08到0.12等效應(yīng)變值開(kāi)始下降到0.5，一直到摩擦系數(shù)為0.16時(shí)等效應(yīng)變值都保持不變。

（a）不同摩擦系數(shù)下的溫度變化

（b）不同摩擦系數(shù)下的等效應(yīng)變曲線

圖8 不同摩擦系數(shù)下等效應(yīng)變及溫度的變化

3 結(jié)論

通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)?zāi)M可以發(fā)現(xiàn)，高速拉絲機(jī)拉絲過(guò)程中具有以下特點(diǎn)：

（1）拉絲模具角度對(duì)拉絲工藝有重要影響，11°至15°之間，材料溫度及等效應(yīng)變值隨著模角的增大而增大。（2）在拉絲速度為4m/s，5m/s和6m/s時(shí)其對(duì)材料溫度及等效應(yīng)變的影響不大。（3）摩擦系數(shù)對(duì)材料溫度影響很小，但對(duì)等效應(yīng)變有一定的影響，摩擦系數(shù)為0.08時(shí)的等效應(yīng)變值大于摩擦系數(shù)為0.12及0.16時(shí)的等效應(yīng)變值，摩擦系數(shù)在0.12到0.16區(qū)間其等效應(yīng)變值保持不變。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：張文明（1959.07- ），男，漢族，本科，教授，研究方向：焊接自動(dòng)化及其裝備；張新良（1986.05- ），男，漢族，研究生。