裴久楊　宋寶韞

大連交通大學(xué)連續(xù)擠壓教育部工程研究中心，大連，116028

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大直徑電纜鋁護套四通道連續(xù)包覆數(shù)值模擬和實驗研究

裴久楊宋寶韞

大連交通大學(xué)連續(xù)擠壓教育部工程研究中心，大連，116028

采用有限單元法，基于SSLB500型雙輪四槽立式連續(xù)包覆機，采用四根直徑15mm的鋁桿為坯料，運用四通道方式對 φ178mm×4mm電纜鋁護套的連續(xù)包覆成形過程進(jìn)行有限元分析，分別得到了成形過程中變形金屬速度場、溫度場、應(yīng)力場的分布規(guī)律；基于擠壓速度和分流結(jié)構(gòu)對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計；進(jìn)行了鋁護套的連續(xù)包覆實驗，鋁護套外徑尺寸波動小、壁厚均勻，圓度達(dá)到99%，同心度達(dá)到90%；對鋁護套焊合區(qū)域進(jìn)行了橫向力學(xué)性能測試，抗拉強度、延伸率與母材一致，焊縫結(jié)合強度達(dá)到使用要求，表明模具結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝參數(shù)選擇合理；數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果一致，證明有限元模型準(zhǔn)確，可用于指導(dǎo)大管徑電纜鋁護套連續(xù)包覆生產(chǎn)。

數(shù)值模擬；連續(xù)包覆；電纜鋁護套；電力電纜

1　電纜鋁護套連續(xù)包覆技術(shù)

國家電網(wǎng)公司在“十二五”規(guī)劃中提出，今后我國將建設(shè)連接大型能源基地與主要負(fù)荷中心的“三縱三橫”特高壓骨干網(wǎng)架和13項直流輸電工程，形成大規(guī)?！拔麟姈|送”、“北電南送”的能源配置格局。隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，輸變電系統(tǒng)的電壓等級不斷升高，高壓、超高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜逐漸成為輸電線路的主流。高壓、超高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的重要組成部分金屬護套(外導(dǎo)體)具有鎧裝、靜電屏蔽、阻水和導(dǎo)通故障電流等作用，是確保信號傳輸質(zhì)量和電纜使用壽命的關(guān)鍵，因此必須具有良好的機械性能、耐腐蝕以及良好的密封性能和導(dǎo)電性能，金屬護套的質(zhì)量對保證電纜安全運行發(fā)揮著重要的作用[1-2]。

連續(xù)包覆技術(shù)是在連續(xù)擠壓技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型塑性加工技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于雙金屬復(fù)合導(dǎo)線、電纜護套、光纜護套等的生產(chǎn)中[3-4]。將連續(xù)包覆技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)大管徑(50～160 mm)電纜鋁護套是近幾年發(fā)展起來的一種新的生產(chǎn)工藝[4]。與傳統(tǒng)臥式擠壓工藝相比，連續(xù)包覆工藝可一次成形，能耗低、效率高，大大降低了電纜的制造成本；與縱彎焊接包覆工藝相比，連續(xù)包覆工藝消除了焊縫，提高了護套的密封性；連續(xù)包覆工藝在成形過程中，金屬產(chǎn)生了強烈的塑性變形，晶粒細(xì)化，產(chǎn)品力學(xué)性能優(yōu)越[5-6]。

目前商用的電纜鋁護套連續(xù)包覆設(shè)備有單輪雙槽和雙輪四槽兩種結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)的最大鋁護套直徑為160 mm[5]，由于模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬變形劇烈，流動規(guī)律難以掌握，故存在成形壓力高、工裝壽命短、生產(chǎn)效率低、大直徑產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性差等不足；同時新產(chǎn)品開發(fā)完全依靠設(shè)計經(jīng)驗和實驗試模，開發(fā)周期長、成本高，已經(jīng)不符合現(xiàn)代設(shè)計理念的要求。

為解決上述問題，本文提出一種大直徑電纜鋁護套四通道錐流式連續(xù)包覆工藝,其原理如圖1所示：一對擠壓輪同步旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動四根鋁桿通過模腔內(nèi)對應(yīng)的通道進(jìn)入焊合室，在溫度和壓力的作用下焊合在一起，在擠壓輪摩擦力的驅(qū)動下由凸模與凹模之間的環(huán)縫擠出，形成鋁護套包覆在電纜的外側(cè)。其創(chuàng)新點在于將四通道均布匯合與錐流式模具結(jié)構(gòu)相結(jié)合，有效地提高了金屬流動的均勻性，大幅降低了工模具載荷,擠壓鋁護套的最大外徑達(dá)到178 mm。四通道錐流式連續(xù)包覆的難點在于大直徑電纜鋁護套高速擠壓時金屬流動規(guī)律的掌握和定徑帶處金屬流速均勻性的控制。

圖1　四通道錐流式連續(xù)包覆原理

本文采用四根直徑15 mm 的1100鋁合金桿為坯料，以SSLB500型連續(xù)包覆機為原型機，對φ178 mm×4 mm的電纜鋁護套連續(xù)包覆成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬與實驗研究，以定徑帶處的流速差為判定標(biāo)準(zhǔn)，對模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對鋁護套力學(xué)性能進(jìn)行檢測，對有限元模型進(jìn)行驗證。

2　研究方法

2.1幾何模型的建立

采用三維CAD軟件Inventor 建立了擠壓工模具的三維模型，按照實測長度，將輪槽內(nèi)的弧形鐓粗區(qū)簡化為直線型，應(yīng)用HyperXtrude 軟件建立鋁護套的擠壓通道和坯料模型，如圖2所示。

圖2　簡化的變形金屬幾何

將擠壓輪的轉(zhuǎn)速換算成線速度，并將其定義為坯料的速度；由于驅(qū)動方式的改變，將鐓粗區(qū)中坯料與輪槽接觸面定義為無摩擦，并根據(jù)實測溫度將鐓粗區(qū)的初始溫度定義為350 ℃，與連續(xù)擠壓輪槽內(nèi)的變形條件接近。

2.2材料模型和邊界條件

模擬中的材料選用HyperXtrude軟件材料庫中的1100鋁合金，其模型參數(shù)見表1。選用帶有Z參數(shù)的雙曲正弦函數(shù)修正的Arrhenius 關(guān)系作為本構(gòu)方程來描述1100鋁合金變形時的流動應(yīng)力，即

(1)

表1　1100鋁合金材料模型參數(shù)

工藝參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2　工藝參數(shù)

坯料與腔體、模具之間的摩擦類型定義為黏著摩擦；坯料與模具定徑帶之間的摩擦類型定義為庫侖摩擦，摩擦因數(shù)為0.3;工模具與坯料間的對流傳熱系數(shù)為3000 W/(m2·K)[7]，將剖切面定義為對稱面。

3　模擬結(jié)果與分析

3.1溫度分布

成形過程中變形金屬的溫度分布如圖3所示，在擠壓過程中，鋁坯料的溫度由20 ℃升高到571.3 ℃。在鐓粗區(qū)域內(nèi)坯料的溫度從室溫升高到400 ℃左右；坯料進(jìn)入進(jìn)料通道后，由于流動方向發(fā)生改變，變形劇烈，溫度也急劇上升到425～525 ℃；坯料經(jīng)過進(jìn)料通道進(jìn)入分流孔時，再次發(fā)生流動方向的改變，溫度上升到525～550 ℃；進(jìn)入焊合室后，由于空間變大，坯料流速降低，溫度也有所降低，焊合室內(nèi)溫度分布在500～550 ℃之間，并且在圓周方向上呈現(xiàn)交替分布；分流孔對應(yīng)的區(qū)域溫度在525～550 ℃之間；金屬匯合的區(qū)域溫度在500～525 ℃之間；在定徑帶處，由于截面尺寸變小，坯料發(fā)生劇烈變形，溫度迅速升高，最高溫度達(dá)到571.3 ℃。

圖3　變形金屬的溫度分布

圖4所示為坯料在定徑帶處圓周方向上的溫度分布，分流孔對應(yīng)的溫度最高，為570.9 ℃，金屬匯合區(qū)溫度最低，為563.8 ℃，定徑帶處溫度差僅為7.1 ℃，分布均勻。

圖4　定徑帶處的溫度分布

3.2應(yīng)力分布

圖5所示為坯料與工模具之間接觸面上的壓力分布，從圖中可以看出，從進(jìn)料通道到定徑帶，接觸應(yīng)力呈現(xiàn)由高到低的分布趨勢，從進(jìn)料通道處的500 MPa，降低到定徑帶處的0 MPa，這是因為隨著金屬向出口方向流動，溫度不斷上升，金屬的流動應(yīng)力減小，同時越靠近出口，摩擦阻力越小，導(dǎo)致壓力呈現(xiàn)進(jìn)口大、出口小的分布規(guī)律。其中在分流孔處的平均接觸應(yīng)力在350 MPa左右，焊合室內(nèi)的平均接觸應(yīng)力在200 MPa左右。

圖5　接觸應(yīng)力分布

圖6所示為焊合面接觸應(yīng)力分布，可以看出，焊合面上的接觸應(yīng)力在匯合區(qū)最大，沿擠出方向逐漸減小，在Ⅰ區(qū)接觸應(yīng)力在200～220 MPa之間,在Ⅱ區(qū)接觸應(yīng)力在15～200 MPa之間，在Ⅲ區(qū)內(nèi)接觸應(yīng)力在100～150 MPa之間。

圖6　焊合面上接觸應(yīng)力分布

圖7所示為焊合面上等效應(yīng)力分布，從圖中可以看出，等效應(yīng)力在模具出口的位置最大，在20～25 MPa之間，在其他大部分區(qū)域的等效應(yīng)力分布在10～15 MPa之間。

圖7　焊合面上等效應(yīng)力分布

4　模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

在電纜鋁護套連續(xù)擠壓成形過程中，模具出口處變形金屬流動速度的均勻性決定了產(chǎn)品的形狀和尺寸精度，然而擠壓速度和分流結(jié)構(gòu)是影響金屬流動均勻性的兩大關(guān)鍵因素，本文分別從這兩個方面對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

4.1擠壓速度的影響

(a)na=4 r/min

(b)na=5 r/min

(c)na=6 r/min

(d)na=7 r/min圖8　不同擠壓輪轉(zhuǎn)速下模具定徑帶處的金屬流速差分布

圖9　金屬流速差隨擠壓輪轉(zhuǎn)速變化

基于同一模具結(jié)構(gòu)，分別在主軸轉(zhuǎn)速na為4 r/min、5 r/min、6 r/min、7 r/min下，對定徑帶處金屬流動速度分布進(jìn)行研究，得到金屬實際擠出速度與理論擠出速度的差值分布如圖8所示。從圖8中可以看出，定徑帶處的金屬流速分布規(guī)律相同，在分流孔對應(yīng)的位置上實際速度高于理論速度，速度差為正值；在金屬焊合區(qū)域，金屬的流速低于理論速度，速度差為負(fù)值。但是每個速度下的速度差波動范圍不同，分別將不同速度下的最大正向差值與最大負(fù)向差值繪成圖9所示曲線。從圖9中可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，定徑帶處速度差逐漸增大，主軸轉(zhuǎn)速由4 r/min升高到7 r/min時，正向最大差值由9.7 mm/s增大到14.7 mm/s，負(fù)向最大差值由12.3 mm/s增大到17.5 mm/s，速度差由22 mm/s增大到32.2 mm/s，成形效果變差。

4.2模具結(jié)構(gòu)的影響

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3

(d)方案4圖10　不同分流結(jié)構(gòu)時模具定徑帶處的金屬流速差分布

從上述擠壓轉(zhuǎn)速對定徑帶處金屬流動均勻性影響的分析可知，主軸的轉(zhuǎn)速越高，定徑帶處金屬流動的速度差越大，電纜鋁護套成形效果越差;同時過高的轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致產(chǎn)品擠出溫度過高，影響產(chǎn)品質(zhì)量。綜合考慮對生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的要求，本文選擇主軸轉(zhuǎn)速7 r/min為基準(zhǔn)，對模具分流結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計了四種結(jié)構(gòu)，分別定義為方案1、方案2、方案3和方案4。圖10所示為四種方案中定徑帶處的金屬流速差Δv分布，不同方案的最大正向差值與最大負(fù)向差值變化趨勢如圖11所示，四種方案對應(yīng)的正向速度差依次為14.7 mm/s、9.5 mm/s、4.2 mm/s、1.4 mm/s，負(fù)向速度差分別為17.5 mm/s、11.8 mm/s、6.4 mm/s、2.5 mm/s，方案1的速度波動最大，為32.2 mm/s，方案4的速度波動最小，僅為3.9 mm/s，為四種結(jié)構(gòu)中的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。從前文中擠壓速度對定徑帶處金屬流速分布的影響規(guī)律可知，采用方案4中的模具結(jié)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于7 r/min時，定徑帶處的金屬流速差均低于3.9 mm/s，鋁護套成形效果會更好。

圖11　四種方案的流速差變化

5　實驗

5.1電纜鋁護套連續(xù)包覆實驗

在SSLB500型雙輪四槽立式連續(xù)包覆機上，采用四根直徑15 mm的鋁桿，分別以不同主軸轉(zhuǎn)速和不同模具結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了φ178 mm×4 mm電纜鋁護套的連續(xù)包覆實驗。

圖12所示為采用方案1的模具結(jié)構(gòu)，主軸轉(zhuǎn)速分別為4 r/min和7 r/min時擠出的鋁護套，從圖中可以看出，4 r/min時鋁護套成形效果較好，當(dāng)擠壓速度增加到7 r/min時，在金屬匯合處產(chǎn)生裂口，原因是隨著擠壓速度的提高，模具出口處的金屬流速差增大，金屬匯合處產(chǎn)生的局部拉應(yīng)力超過了材料的剪切強度，最終出現(xiàn)拉裂，通過有限元分析結(jié)果可以看出，此時模具出口處的金屬流速差為32.2 mm/s。

(a)na=4 r/min　　　　　(b)na=7 r/min圖12　方案1模具在不同主軸轉(zhuǎn)速下擠出的鋁護套

采用方案4中的模具結(jié)構(gòu)，主軸轉(zhuǎn)速為7 r/min時，得到的鋁護套如圖13所示。

鋁護套外徑尺寸如表3所示，鋁護套四個方向上的壁厚如表4所示, 分別按照下面的公式計算出鋁護套的圓度r和同心度c：

(2)

(3)

式中，Dmax、Dmin分別為同一截面上鋁護套最大、最小外徑；Tmax、Tmin分別為同一截面上鋁護套最大、最小厚度。

表3　鋁護套的外徑　mm

表4　鋁護套的壁厚　mm

由測量結(jié)果可以看出，采用優(yōu)化的模具結(jié)構(gòu)，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到7 r/min時，擠出的鋁護套成形效果很好，外徑尺寸波動小，壁厚均勻，通過計算得到鋁護套的圓度為99%，同心度為90%。

5.2力學(xué)性能測試

為檢測焊合區(qū)域的結(jié)合強度，進(jìn)行了鋁護套橫向和縱向力學(xué)性能的測試，其中焊合區(qū)域在橫向試樣的標(biāo)距范圍內(nèi)，試樣如圖14所示，得到的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖15。

圖14　拉伸試樣尺寸

(a)縱向

(b)橫向圖15　應(yīng)力-應(yīng)變曲線

鋁護套橫向縱向抗拉強度和斷后延伸率如表5所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出，所擠出鋁護套焊合區(qū)域的橫向平均抗拉強度為63.4 MPa、平均延伸率為37.5%，母材的縱向平均抗拉強度為60.8 MPa、平均延伸率為41.6%，兩者力學(xué)性能相差不大。由于制備橫向拉伸試樣時需要將圓弧試樣壓平，產(chǎn)生一定的加工硬化，導(dǎo)致橫向抗拉強度略高于縱向抗拉強度，而橫向延伸率略低于縱向延伸率。

表5鋁護套力學(xué)性能數(shù)據(jù)

試樣1試樣2試樣3平均值縱向試樣(母材)強度(MPa)61.559.661.260.8延伸率(%)40.846.437.541.6橫向試樣(焊縫)強度(MPa)65.755.668.963.4延伸率(%)33.941.137.537.5

5.3斷口形貌觀察

圖16所示為母材(縱向試樣)與焊合區(qū)(焊縫橫向)的斷口形貌，從圖中可以看出兩者在斷口處都存在大量韌窩，為韌性斷裂，母材的韌窩密度稍高于焊合區(qū)域，表明延伸率略高于焊合區(qū)域，與拉伸試驗結(jié)果一致；焊合區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)缺陷和夾雜。

(a)母材　　 　 　　　　(b)焊合區(qū)圖16　試樣斷口形貌

6　結(jié)論

(1)大管徑電纜鋁護套四通道錐流式連續(xù)包覆成形工藝的溫度場與速度場對稱，流動通道短，保證了壁厚的均勻性與工藝過程的穩(wěn)定性。

(2)所建立的有限元模型很好地描述了電纜鋁護套穩(wěn)態(tài)成形階段金屬在模腔內(nèi)的流動規(guī)律, 定徑帶處溫度分布均勻，進(jìn)料通道處的壓力最高達(dá)到500MPa，焊合室內(nèi)平均壓力為200MPa。

(3)隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，模具出口處的金屬流動速度差逐漸增大；采用優(yōu)化設(shè)計的模具，主軸轉(zhuǎn)速為7r/min時，定徑帶處的速度差僅為3.9mm/s，鋁護套成形效果很好，圓度達(dá)到99%，同心度達(dá)到90%。

(4)鋁護套焊合區(qū)域的橫向抗拉強度、延伸率與母材力學(xué)性能接近，平均抗拉強度達(dá)到63.4MPa，平均延伸率為37.5%；焊合區(qū)域斷裂形式均為韌性斷裂，且斷口處沒有夾雜和缺陷，表明鋁護套焊合區(qū)域結(jié)合良好。

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(編輯蘇衛(wèi)國)

Numerical Simulation and Experiments of Continuous Sheathing Process with Four Channels for Large Diameter Aluminum Sheathed Cables

Pei JiuyangSong Baoyun

Engineering Research Center of Continuous Extrusion,Ministry of Education,Dalian Jiaotong University,Dalian，Liaoning,116028

Using the finite element(FE) method, based on SSLB500 konform machine with double wheels and four grooves, the continuous extrusion process ofφ178 mm×4 mm cable aluminum sheath was numerically simulated. The velocity, temperature, stress and strain fields were observed respectively. The optimized die was tested, the aluminum sheath forms well, diameter uniform reaches 99%，concentricity reaches 90%,the transverse mechanical properties of the welding zone consistents with longitudinal, which indicates that the die design and parameter selections are all reasonable. The simulation and experimental results fit well. It proves that the FE model and results are correct, so they may be used as a theoretical guidance for big size cable aluminum sheath continuous sheathing.

numerical simulation； continuous sheathing； cable aluminum sheath； power cable

2015-12-21

TG375.4

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.20.020

裴久楊,男,1981年生。大連交通大學(xué)連續(xù)擠壓教育部工程研究中心講師。研究方向為連續(xù)擠壓與連續(xù)包覆技術(shù)。宋寶韞，男，1941年生。大連交通大學(xué)連續(xù)擠壓教育部工程研究中心教授、博士研究生導(dǎo)師。