陳學(xué)春，周 潔，湯建忠，王 威

（1.江蘇興達(dá)鋼簾線股份有限公司，江蘇 泰州 225721；2.江蘇省結(jié)構(gòu)與功能金屬復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 泰州225721）

鋼絲冷拔是在外力作用下，迫使鋼絲通過?？撰@得相應(yīng)形狀、尺寸產(chǎn)品的塑性加工方法。濕式拉拔是鋼絲在潤滑液中通過多個(gè)模具減徑到所需要的單絲產(chǎn)品，這一過程會(huì)產(chǎn)生電能的消耗。塑性變形所消耗的總功率通?？梢苑纸鉃?個(gè)部分，即均勻變形功率、摩擦損失功率和多余變形功率[1]。而這些功率的大小均與鋼絲塑性變形時(shí)的道次壓縮率[2]、模具結(jié)構(gòu)、潤滑條件等工藝條件有關(guān)。通過采用Deform-3D有限元仿真分析，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)鋼絲濕式拉拔進(jìn)行配模工藝設(shè)計(jì)時(shí)，在模具結(jié)構(gòu)和潤滑條件不變的情況下，改變道次壓縮率會(huì)使整體拉拔力產(chǎn)生變化，進(jìn)而對(duì)能耗產(chǎn)生較大影響。

本工作在采用Deform-3D有限元仿真分析的同時(shí)，開展實(shí)際配模試驗(yàn)，研究濕式拉拔配模工藝對(duì)拉拔力和能耗的影響規(guī)律，既可為濕式拉拔工藝拓寬節(jié)能降耗的工藝設(shè)計(jì)思路，還可有效獲取有限元仿真分析試驗(yàn)難以掌握的信息[3-6]。

1 試驗(yàn)材料

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)選取Φ1.80 mm鍍銅鋼絲，現(xiàn)有工藝經(jīng)過21道次拉拔，總壓縮率為97.22%，材料的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 材料的主要化學(xué)成分

2 有限元仿真分析

常規(guī)設(shè)計(jì)模鏈時(shí)的分配原則[7]一般是第1道次的壓縮率較小，第2道次的壓縮率較大，以后各道次的壓縮率逐次遞減，成品道次的壓縮率最小。現(xiàn)場(chǎng)選取的模鏈就是如此配模，為原模鏈A-21P。

有資料[8-11]顯示鋼絲整個(gè)拉拔過程共經(jīng)過3個(gè)階段的變形：第1階段為變形初期，真應(yīng)變較小，拉拔過程中珠光體團(tuán)的變形以協(xié)調(diào)為主，片層間距減小比較緩慢；第2階段為變形中期，珠光體組織的方向性開始明顯，部分珠光體片層發(fā)生了扭折、彎曲情況，與此同時(shí)滲碳體片層進(jìn)一步細(xì)化；第3階段為變形后期，珠光體片層以較快速度減小，界面強(qiáng)化作用增強(qiáng)，同時(shí)位錯(cuò)密度急劇增大，有利于鋼絲強(qiáng)度的提高。因此，當(dāng)真應(yīng)變較小時(shí)，增大道次壓縮率是可行的方案。為了與原模鏈A-21P進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)了4套模鏈。保證總壓縮率不變，在原模鏈基礎(chǔ)上，固定后10道次的壓縮率不變，設(shè)計(jì)了20道次和19道次對(duì)應(yīng)的模鏈，分別為設(shè)計(jì)模鏈B-20P和設(shè)計(jì)模鏈C-19P，如圖1（a）所示。按照全模鏈縮減，也設(shè)計(jì)了20道次和19道次對(duì)應(yīng)的模鏈，分別為設(shè)計(jì)模鏈D-20P和設(shè)計(jì)模鏈E-19P，如圖1（b）所示。為研究不同配模工藝對(duì)鋼絲拉拔力的影響規(guī)律，借助有限元軟件進(jìn)行分析。

圖1 不同模鏈的道次壓縮率-真應(yīng)變關(guān)系曲線

從圖1可以看出，在總壓縮率不變的情況下，減少模鏈數(shù)量，真應(yīng)變相同，單個(gè)道次壓縮率增大。由圖1（a）可見，總壓縮率不變，并固定后10個(gè)道次壓縮率不變，改變前面的模鏈數(shù)量，真應(yīng)變相同，前幾個(gè)道次的壓縮率上升，且較明顯。由圖1（b）可見，總壓縮率不變，全模鏈數(shù)量改變，真應(yīng)變相同，總體各道次的壓縮率均有上升，但不如圖1（a）明顯。

2.1 模型參數(shù)

鋼絲多道次拉拔的工藝參數(shù)如表2所示，常規(guī)模鏈為21道次，設(shè)計(jì)模鏈為20道次和19道次。

表2 鋼絲多道次拉拔的工藝參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果及分析

不同模鏈的各道次鋼絲的拉拔力-真應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 不同模鏈各道次鋼絲的拉拔力-真應(yīng)變關(guān)系曲線

從圖2可以看出，隨著道次的增加，鋼絲的拉拔力整體呈降低趨勢(shì)，說明鋼絲直徑越小，所需的拉拔力越小。從圖2（a）可以看出：固定后10道次的道次壓縮率不變，模擬得到的3種模鏈對(duì)應(yīng)的拉拔力幾乎不變，說明鋼絲直徑和道次壓縮率固定時(shí)，所需的拉拔力也是固定的；整體來看設(shè)計(jì)模鏈B-20P和設(shè)計(jì)模鏈C-19P的拉拔力-真應(yīng)變曲線均高于原模鏈A-21P，說明在總壓縮率不變的情況下，減少道次數(shù)量，使得道次壓縮率增大，所需的拉拔力也增大。從圖2（b）可以看出：整體來看還是道次壓縮率越大，對(duì)應(yīng)的拉拔力-真應(yīng)變曲線越高（設(shè)計(jì)模鏈E-19P）；3種模鏈的拉拔力-真應(yīng)變曲線值相差較小，說明在總壓縮率不變的情況下，減少道次數(shù)量，按照全模鏈縮減后的配模設(shè)計(jì)方案可以使得拉拔力增大的幅度減小。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

根據(jù)有限元仿真分析結(jié)果，在其他生產(chǎn)條件不變的情況下，實(shí)際配模工藝設(shè)計(jì)試驗(yàn)需要研究兩個(gè)問題：一是通過增減配模數(shù)量，在各道次壓縮率均勻分布的情況下，不同配模數(shù)量的工藝設(shè)計(jì)對(duì)能耗的變化趨勢(shì)；二是固定配模數(shù)量，以每5個(gè)模具為一組進(jìn)行遞增，壓縮率推移情況下能耗的變化趨勢(shì)（在21模的基礎(chǔ)上進(jìn)行更改）。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）硬件條件。生產(chǎn)設(shè)備：TB4型濕拉機(jī)床；能耗測(cè)量設(shè)備：FLUCK435B型電能質(zhì)量分析儀；原材料：Φ1.80 mm表面鍍銅鋼絲；產(chǎn)品：Φ0.30 mm表面鍍銅鋼絲。

（2）全模鏈分配壓縮率的配模設(shè)計(jì)方案。模具數(shù)分別為：17，18，19，20，21（常規(guī)），22和23只。

（3）同一模鏈下每5個(gè)模具一組遞增壓縮率推移的配模設(shè)計(jì)方案如表3所示。

表3 遞增壓縮率試驗(yàn)配模設(shè)計(jì)方案

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 全模鏈分配壓縮率條件下能源消耗的分布規(guī)律

根據(jù)前述設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)際測(cè)試了拉拔1 t鋼絲所消耗的電能，如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著模具數(shù)的增加（從17只增加到23只），能耗逐漸減小。當(dāng)模具數(shù)相同時(shí)，拉拔速度越大，所消耗的電能越?。坏?dāng)模具數(shù)超過一定值后，拉拔速度對(duì)能耗的影響越來越小。因此，合理匹配模具數(shù)和拉拔速度對(duì)降低能耗具有重要意義。

圖3 全模鏈分配壓縮率條件下的能耗變化趨勢(shì)

3.3.2 模具數(shù)不變時(shí)遞增壓縮率推移條件下能源消耗的分布規(guī)律

根據(jù)表3的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試了19模和20模對(duì)應(yīng)的能耗數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 遞增壓縮率推移條件下的能耗變化趨勢(shì)

從圖4可以看出：在相同模鏈下，拉拔速度越大，能耗越?。辉谙嗤嗡俣认?，方案19-1和20-1對(duì)應(yīng)的能耗最小，說明在總壓縮率和模具數(shù)不變的情況下，配模設(shè)計(jì)中前幾道次的壓縮率增大，會(huì)使能耗降低。

綜上所述，在濕式拉拔鋼絲進(jìn)線直徑和出線直徑保持不變的情況下，對(duì)模鏈進(jìn)行調(diào)整會(huì)使生產(chǎn)能耗發(fā)生明顯的變化。模具數(shù)由少增多時(shí)，單位能耗會(huì)由大變??；模具數(shù)不變的情況下，壓縮率從前向后推移時(shí)，單位能耗會(huì)由小變大。

4 結(jié)論

在節(jié)能降耗途徑中，工藝節(jié)能比進(jìn)行設(shè)備更新改造所需投入更少，見效更快且成效更高。利用有限元模擬分析研究濕式拉拔配模工藝對(duì)能耗的影響具備一定的可行性，試驗(yàn)結(jié)果與理論模擬分析結(jié)果比較吻合，可以為濕式拉拔工藝或相近的金屬拉拔工藝節(jié)能降耗提供參考。

（1）模擬分析結(jié)果顯示，在鋼絲多道次拉拔過程中，隨著道次的增加，拉拔力整體呈下降的趨勢(shì)。而試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)模具道次增加時(shí)，單位產(chǎn)品能耗隨之下降，能源利用效率提高。

（2）受限于設(shè)備本身構(gòu)造，不可能無限增加拉拔道次和增大拉拔速度，從試驗(yàn)結(jié)果來看，在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上要減小拉拔能耗，最有效的方法是將道次壓縮率盡量前移，在滿足產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)盡可能降低單位產(chǎn)品能耗。