張躍宗

（江蘇中利集團(tuán)股份有限公司，江蘇蘇州）

引言

現(xiàn)代電纜生產(chǎn)中運(yùn)用最廣泛的應(yīng)用是電纜高速拉絲機(jī)，如果直進(jìn)式拉絲機(jī)上的粗拉速度在2～7 m/s以內(nèi)，現(xiàn)代直流拉絲機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)45 m/s 的速度。然而，新型拉絲機(jī)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，實(shí)現(xiàn)規(guī)定的拉絲速度值往往難度較高。在高速操作期間，線模穩(wěn)定性顯著降低。金屬與金屬絲模接觸處產(chǎn)生的摩擦力對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性有很大影響。摩擦系數(shù)可能會(huì)因工藝潤(rùn)滑劑的類型、潤(rùn)滑劑下的涂層、拉伸速度、線模通道幾何形狀而發(fā)生顯著變化（最多10 倍）。反過來，摩擦系數(shù)的增加可能會(huì)導(dǎo)致線材和線材模具加熱，這不僅會(huì)降低現(xiàn)成線材的機(jī)械性能，而且可能是工藝潤(rùn)滑劑氧化和破壞的原因，而工藝潤(rùn)滑劑會(huì)更多地增加摩擦系數(shù)。盡管拉伸速度的增加對(duì)工藝溫度模式有負(fù)面影響，但正如前學(xué)者研究中所述，其影響遠(yuǎn)未達(dá)到由不同類型的工藝潤(rùn)滑劑以及潤(rùn)滑劑下的涂層提供的線模半角或變形區(qū)域的摩擦系數(shù)的影響顯著[1-3]。

1 工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)變速率的影響

1.1 工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)變速率影響因素

工藝參數(shù)對(duì)電線電纜生產(chǎn)中高速拉絲應(yīng)變速率具有重要影響。應(yīng)變速率是指在拉伸過程中材料單位時(shí)間內(nèi)的應(yīng)變量。

拉伸速度是影響應(yīng)變速率的關(guān)鍵參數(shù)之一。在電線電纜生產(chǎn)中高速拉絲過程中，增加拉伸速度會(huì)導(dǎo)致更劇烈的應(yīng)變速率變化，因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)的應(yīng)變變化量增加。這可能導(dǎo)致材料的力學(xué)性能發(fā)生變化，例如材料可能表現(xiàn)出更高的硬度和更脆弱的特性。此外，拉伸溫度也會(huì)對(duì)應(yīng)變速率產(chǎn)生影響。提高拉伸溫度會(huì)導(dǎo)致材料的塑性增加，從而增加應(yīng)變速率。高溫下的材料往往更容易發(fā)生流變行為，因此在這種情況下應(yīng)變速率可能會(huì)增加。材料的形變方式也會(huì)影響應(yīng)變速率。不同的形變方式會(huì)導(dǎo)致不同的應(yīng)變速率。例如，在等速拉絲過程中，無論材料的形變速度如何，應(yīng)變速率保持恒定。而在應(yīng)變控制下的拉絲過程中，應(yīng)變速率會(huì)隨著材料的形變而變化[4-5]。

1.2 數(shù)學(xué)模型分析

變形速度由變形程度 σ隨時(shí)間 τ的變化決定，即

并且在塑性變形過程中，它可能根據(jù)拉伸過程參數(shù)而顯著改變。拉絲時(shí)的應(yīng)變速率受拉絲速度、下拉深度、線材直徑和拉絲模具操作角度的影響。線模中的平均應(yīng)變速率可以根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算，根據(jù)前研究工作中提出的相關(guān)性：

式中：μ 為單程下拉深度；α 是線模半角(度)；vv繪圖速度，m/s；d 是線模輸出時(shí)的線直徑(m)。

在推導(dǎo)公式（2）時(shí)，目前研究普遍認(rèn)為金屬絲截面拉伸的應(yīng)變差異是較小的，因此可以忽略。以生產(chǎn)3 mm 直徑的硬化金屬絲材為例，比較了工藝參數(shù)對(duì)冶金過程設(shè)計(jì)的直進(jìn)式拉絲機(jī)拉拔時(shí)應(yīng)變速率的影響。從直徑為6.5 mm 的母管中抽出直徑為3.00 mm的應(yīng)變硬化絲，傳統(tǒng)上在冶煉過程進(jìn)行七道工序。參數(shù)如表1 所示。

表1 6.50 mm 母管生產(chǎn)直徑3.00 mm 線材拉拔過程的數(shù)學(xué)模擬結(jié)果

借助于直進(jìn)式拉絲機(jī)拉絲時(shí)線材溫度的溫度速度拉絲方式的數(shù)學(xué)模型，對(duì)拉絲過程進(jìn)行了評(píng)價(jià)，如表2 所示。

表2 沿路線繪制時(shí)的導(dǎo)線溫度6.5→6→5.3→4.7→4.1→3.7→3.3→3.0

1.3 應(yīng)變速率結(jié)果分析

對(duì)于表2 所示的工藝參數(shù)，有圖1 所示的平均應(yīng)變速率。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，拉拔速度達(dá)到第7 工序時(shí)的應(yīng)變速率不超過700 mm/s。

圖1 直進(jìn)式拉絲機(jī)拉拔應(yīng)變硬化線材時(shí)平均應(yīng)變率的分布

根據(jù)公式（2）在相同拉伸比和線模角度的情況下，拉伸速度的增加導(dǎo)致應(yīng)變速率的成比例增加。因此，在高速拉拔時(shí)，從最后一個(gè)卷筒輸出的線材速度應(yīng)變速率超過4 000 mm/s 的水平。

圖2 顯示了在實(shí)驗(yàn)選用的直流拉絲機(jī)上拉伸時(shí)的應(yīng)變速率分布。在圖2 中與圖1 相比，通過每個(gè)特定單元中的拉伸速度之間的差異來解釋從一次通過到另一次通過的應(yīng)變速率變化的特性的差異。在直流拉絲機(jī)上，從一道工序到另一道工序的拉伸速度變化嚴(yán)格按照金屬應(yīng)變值，而在直進(jìn)式拉絲機(jī)上則沒有這種一致性。

圖2 直流拉絲機(jī)拉拔應(yīng)變硬化絲時(shí)平均應(yīng)變率的分布

為了評(píng)估不同工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)變速率變化的影響程度，進(jìn)行了以下分析研究。圖3 顯示了穩(wěn)定絲徑3 mm、拉速40 m/s 和工作絲模半角4°時(shí)應(yīng)變值對(duì)平均應(yīng)變率的影響。圖3（a）顯示了在穩(wěn)定絲徑為3 mm、單應(yīng)變?yōu)?.32、工作絲模半角為4°時(shí)還原率的影響。圖3（b）顯示了在穩(wěn)定絲徑為3 mm、單應(yīng)變?yōu)?.12、拉拔速度為40 m/s 時(shí)工作絲模拉伸度的影響。圖3（c）顯示了單應(yīng)變?yōu)?.25、拉拔速度為40 m/s、工作絲模半角為4°時(shí)工作絲模半角的影響。圖3（d）顯示了絲直徑對(duì)平均應(yīng)變率的影響。

圖3 （a） 單次拉拔值；（b） 拉拔速度；（c） 線模半角；（d） 線徑對(duì)平均應(yīng)變率的影響

從給定的曲線圖可以看出，隨著金屬絲直徑的減小，單一應(yīng)變的減小導(dǎo)致平均應(yīng)變速率的增加。拉伸速度的提高和線模工作半角度的增加降低了平均應(yīng)變率。在拉絲速度為40 m/s，拉絲直徑為3 mm 時(shí)，單應(yīng)變?yōu)?.17，拉絲模半角為6°時(shí)，平均應(yīng)變率提高到7 500 mm/s。例如，拉伸直徑為1.5～1.9 mm 的電線絲，其平均應(yīng)變速率為12 000～15 000 mm/s。在上面給出的計(jì)算中，對(duì)通過變形區(qū)域均勻化的應(yīng)變速率進(jìn)行了研究。然而，應(yīng)該指出的是，在推導(dǎo)公式（2）時(shí)，在相對(duì)較小的線模角度α=8°～16°下獲得的較微小的不均勻變形裕量顯著扭曲了應(yīng)變速率的實(shí)際值。

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于實(shí)踐中使用的拉拔工藝參數(shù)（在低的單次拉拔15%～20%時(shí)，在10°～14°的線模操作角度下，以及使用少量技術(shù)潤(rùn)滑劑），線截面存在顯著的應(yīng)變差異——其位于表面金屬層中。與圖3 中給出的變形局部化相比，表面層中的變形局部化導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)變速率的更大增加。反過來，它會(huì)增加對(duì)塑性強(qiáng)度的抵抗力，從而增加金屬絲模具的磨損。因此，向高速拉伸過渡增加了選擇具有線截面變形不規(guī)則性的拉伸工藝參數(shù)的重要性。

2 工藝參數(shù)對(duì)拉拔質(zhì)量穩(wěn)定性的影響

2.1 工藝參數(shù)對(duì)拉拔影響因素

工藝參數(shù)對(duì)電線電纜生產(chǎn)中高速拉絲拉拔模具穩(wěn)定性有很大的影響。以下是幾個(gè)常見的工藝參數(shù)及其影響：

（1） 拉拔速度：拉拔速度是指拉拔模具在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)工件進(jìn)行的位移。拉拔速度的增加會(huì)導(dǎo)致拉拔模具受力增大，容易引起振動(dòng)，降低模具的穩(wěn)定性。（2） 潤(rùn)滑劑選擇和使用：合適的潤(rùn)滑劑可以減少摩擦、熱量和壓力，降低模具磨損和溫度升高。不當(dāng)?shù)臐?rùn)滑劑選擇和使用可能會(huì)導(dǎo)致拉拔模具過熱，甚至損壞。（3） 錐度角度：錐度角度是指拉拔模具錐形部分與工件夾持部分的夾角。不當(dāng)?shù)腻F度角度會(huì)導(dǎo)致工件與模具之間的卡緊或滑動(dòng)問題，影響模具的穩(wěn)定性。（4） 模具設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量：模具的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量直接影響拉拔質(zhì)量的穩(wěn)定性。模具的剛度、平面度、尺寸精度等對(duì)工具的穩(wěn)定性有重要影響。（5） 材料選擇：拉拔模具的材料選擇也會(huì)影響其穩(wěn)定性。材料的硬度、強(qiáng)度、耐磨性等性能對(duì)模具的使用壽命和穩(wěn)定性有重要影響。

2.2 數(shù)學(xué)模型分析

在之前研究中，借助滑移線法，顯示了不同拉伸條件（線材直徑、牽伸、線材模具角度和摩擦）下變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的質(zhì)量變化。接下來的工作提出了一個(gè)比例值，允許選擇拉伸工藝參數(shù)，以確保線截面的均勻變形。

因此，根據(jù)線模工作半角和摩擦系數(shù)選擇單一變形程度，可以借助圖4 中給出的對(duì)準(zhǔn)圖來確保線截面的均勻變形。上式比例偏差為

圖4 根據(jù)摩擦系數(shù)f 和銅絲半角α 確定銅絲截面均勻變形的單變形度值

2.3 穩(wěn)定性結(jié)果分析

側(cè)面導(dǎo)致導(dǎo)線表面層中應(yīng)力類型的變化如圖5所示。

接觸面上的法向壓力值受單次變形程度和線模半角的影響。法向接觸應(yīng)力隨單次變形程度如圖6（a）所示和線模半角如圖6（b）所示的變化表明，隨著線模半角從6°減小到4°，單個(gè)變形程度從15%增加到25%，導(dǎo)致法向接觸應(yīng)從1.73 減小到1.27，即減小25%以上，因此對(duì)模具生產(chǎn)的穩(wěn)定性有積極影響。

圖6 法向接觸應(yīng)力與(a)單次變形度和(b)絲模半角的關(guān)系

通過對(duì)工藝參數(shù)與高速拉絲應(yīng)變速率關(guān)系的研究，可知拉絲速度是決定高速拉絲應(yīng)變速率的主要因素之一。

3 結(jié)論

工藝參數(shù)包括拉絲速度拉伸力和溫度對(duì)高速拉絲應(yīng)變速率均有影響，通過調(diào)節(jié)和優(yōu)化這些參數(shù)，可以改變高速拉絲應(yīng)變速率的大小。工藝參數(shù)的調(diào)整可以提高產(chǎn)品精度和一致性，增強(qiáng)產(chǎn)品的強(qiáng)度和耐久性，優(yōu)化產(chǎn)品表觀質(zhì)量，提升產(chǎn)品工藝性能，減低生產(chǎn)成本及資源損耗。