铝导线拉丝工艺的计算机优化模拟

张文明+张新良+栾惊天

摘 要：为了探究高速拉丝工艺对材料性能的影响，本文在Deform-3D有限元分析软件的基础上，通过计算机模拟分析了拉丝模具的模角大小、拉丝速度大小和摩擦系数大小对拉丝材料性能的影响，通过观察并对比不同模角、不同拉丝速度和不同摩擦系数下的温度场、等效应力应变场分布，并总结出变化规律，可以根据此规律来选取拉丝过程中的模角、拉丝速度和摩擦系数，以便确定最佳的模具参数及使用条件。

关键词：Deform-3D；拉丝模角；拉丝速度；摩擦系数

拉丝工艺是铝架空导线生产过程中的重要工序，它可以提高线材的尺寸精度、表面光洁度和线材的强度。由于冷拉成型过程中不可避免地形成加工硬化、晶粒畸变，形成加工缺陷，导致线材导电性能下降并埋下了安全隐患，为了提高冷拉导线的成品质量，各国专家对拉伸设备与工艺进行了不断的改进，在此基础上，本文通过计算机模拟元件对拉丝模在高速下的拉丝过程进行了模拟，以此来确定最佳的模具参数及使用条件，为将来研究拉丝工艺奠定了基础。

1 有限元模型

1.1 建立有限元模型

如图1所示为一有限元仿真模型，该模型一共分为三个部分：拉丝模，坯料，夹具。材料一端为一个带有斜度的细端，通过夹具带动工件运动，保持拉丝模不动，使工件通过拉丝模，以此来改变工件大小，完成拉丝。

图1 有限元仿真模型

根据模孔纵断面的形状，可将普通拉丝模分为弧线形模和锥型模，弧线形模一般只用于细线的拉拔，锥型模适用于管、棒、及粗线的拉拔。图2为锥型拉丝模的结构，该模具由4个部分组成：入口区，工作区，定径区和出口区。其中，工作区的模角是拉丝模的主要参数之一，模角a过小，坯料与模壁的接触面积增大，坯料与磨具的接触时间长，导致拉拔力增加；模角a过大，金属在变形区中变形严重，导致附加剪切变形增大，从而使拉拔力和非接触变形增大。因此，模角存在一最佳区间，在此区间拉拔时拉拔力最小。

图2 拉丝模具的尺寸结构

1.2 制定参数及求解

建立有限元分析模型：先用UG7.0建立三维图型，将图型转化成STL格式，然后再导入Deform-3D模拟元件中。根据拉丝的对称性特点，也为了节省计算时间，可以将模型简化为1/4进行模拟，设定对称面为边界面，设定单元数目为8000，自动生成网格。定义工件材料为纯铝，模拟温度为室温，拉拔速度分别为4m/s，5m/s，6m/s，根据纯铝的塑性特点，将模具角度分别设置为11°，13°，15°。拉丝模和夹具为刚性，其摩擦系数分别为0.08，0.12，0.16，整个模拟过程分为100 步，每2步保存一次，每次夹具移动2mm长，然后点击运行，开始自动求解。

2 模拟结果及分析

2.1 模角对拉丝工艺的影响

2.1.1 应力及应变分析

图3所示为材料在拉丝速度v=4m/s，摩擦系数u=0.08条件下模角为11°，13°，15°的网格变化。拉丝后会使工件的网格拉长，但在11°，13°，15°模角下，通过观察得知，其网格的变化基本相同。

（a）11°模角下的网格 （b）13°模角下的网格

（c）15°模角下的网格

图3 材料在不同角度下网格的变化

图4（a）为材料的四分之一模型，P1，P2，P3为材料中不同位置的点，其中P1为工件表面上的点，P3为工件轴心上的点，P2为在表面和轴心之间任取的一个点。

（a）1/4模型上的三 个点

（b） 三点的等效应力变化

图4 材料上三点P1，P2，P3的位置及等效应力变化

图4（b）为拉丝材料与磨具接触处的应力峰值图。在拉丝速度v=4m/s，摩擦系数u=0.08，模角为13°，从图中可以观察出三个点处的应力随时间的变化，在P1点处的应力最大，此处最容易产生断裂和损坏。因此可以通过研究表面的应力变化来确定材料的拉丝后的质量。

图5（a）为材料的等效应力场分布，从中可以看出，材料与模具接触区域的应力分布规律为：工件表面接触处的应力最高，并逐渐向内部和两边扩散、减小。

图5（b）为在速度v=4m/s，u=0.08时不同模角下的工件等效应变随时间的变化图，可以得到，在进行拉拔时，模角11度时其应力值从0迅速增加，在0.2s时达到到一个峰值0.43并在随后的时间保持不变。磨具角为13°和15°时，应力值也在0.2s时升到最高，分别为0.57和0.63，随后一直保持不变。模具角为11°时等效应值最小，这是由于磨具角度小，材料在工作带经过的时间长，从而造成单位时间内的变形量加大。

（a）α=13°时的等效应力场分布

（b）不同模角下的等效应变曲线

图5 等效应力分布及在不同模角下的变化

2.1.2 不同模角下的温度场分布分析

根据材料的属性，温度升高会使材料塑性变强，但温度过高又会使晶粒变得粗大，降低了材料的性能，所以除了角度时还要考虑温度的影响.

设定参数v=4m/s，u=0.08。如图6（a）为材料的温度场分布图，其变化规律为：与拉丝模接触处的温度最高，并逐渐向其周围区域扩散、减小，这一部分热量主要由摩擦产生。图6（b）中为不同角度下模角对拉丝温度的影响。从中可以看出，模具角度分别11°，13度和15°时，在0.2s时温度从0迅速上升到最大值，分别为33度，37度和39.5度，然后开始稍微下降并在随后的时间里保持不变。

（a）α=13°时的温度场分布

（b）不同模角下的温度变化图

图6 温度场分布及在不同模角下温度的变化

2.2 速度对拉丝工艺的影响

选取13度角度的模具进行分析，速度分别为4m/s，5m/s，6m/s来进行模拟，发现当速度在4m/s到6m/s的范围变化时拉丝速度对温度及等效应变的影响不大，因此可以适当提高速度来提高生产率。图7（a）为模角为13°，u=0.08时，不同速度对拉丝温度的影响。可以看出，与拉丝模具接触处的温度相差不大并在很短的时间里保持一致。图7（b）为模角为13°时，不同速度对工件应变的影响，当拉丝速度为4m/s和5m/s的应力是一样的，在6m/s时应力减少了0.05，对应力影响不大。

（a）不同速度下的温度变化曲线

（b）不同速度下的等效应变曲线

图7 不同速度下的温度变化和等效应变变化

2.3 摩擦系数对拉丝工艺的影响

设定参数α=13°，V=4m/s，以此来分析不同摩擦系数对拉丝工艺的影响。图8（a）为模角13°时不同摩擦系数下的温度变化。摩擦系数为0.08，0.12，0.16时，摩擦系数对材料的温度几乎没有影响。如图8（b）为不同角度下等效应变变化曲线。摩擦系数为0.08时拉丝后材料的等效应变值值最大，为0.57，从0.08到0.12等效应变值开始下降到0.5，一直到摩擦系数为0.16时等效应变值都保持不变。

（a）不同摩擦系数下的温度变化

（b）不同摩擦系数下的等效应变曲线

图8 不同摩擦系数下等效应变及温度的变化

3 结论

通过以上的实验模拟可以发现，高速拉丝机拉丝过程中具有以下特点：

（1）拉丝模具角度对拉丝工艺有重要影响，11°至15°之间，材料温度及等效应变值随着模角的增大而增大。（2）在拉丝速度为4m/s，5m/s和6m/s时其对材料温度及等效应变的影响不大。（3）摩擦系数对材料温度影响很小，但对等效应变有一定的影响，摩擦系数为0.08时的等效应变值大于摩擦系数为0.12及0.16时的等效应变值，摩擦系数在0.12到0.16区间其等效应变值保持不变。

参考文献

[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）.

作者简介：张文明（1959.07- ），男，汉族，本科，教授，研究方向：焊接自动化及其装备；张新良（1986.05- ），男，汉族，研究生。

（a）不同速度下的温度变化曲线

（b）不同速度下的等效应变曲线

图7 不同速度下的温度变化和等效应变变化

2.3 摩擦系数对拉丝工艺的影响

设定参数α=13°，V=4m/s，以此来分析不同摩擦系数对拉丝工艺的影响。图8（a）为模角13°时不同摩擦系数下的温度变化。摩擦系数为0.08，0.12，0.16时，摩擦系数对材料的温度几乎没有影响。如图8（b）为不同角度下等效应变变化曲线。摩擦系数为0.08时拉丝后材料的等效应变值值最大，为0.57，从0.08到0.12等效应变值开始下降到0.5，一直到摩擦系数为0.16时等效应变值都保持不变。

（a）不同摩擦系数下的温度变化

（b）不同摩擦系数下的等效应变曲线

图8 不同摩擦系数下等效应变及温度的变化

3 结论

通过以上的实验模拟可以发现，高速拉丝机拉丝过程中具有以下特点：

（1）拉丝模具角度对拉丝工艺有重要影响，11°至15°之间，材料温度及等效应变值随着模角的增大而增大。（2）在拉丝速度为4m/s，5m/s和6m/s时其对材料温度及等效应变的影响不大。（3）摩擦系数对材料温度影响很小，但对等效应变有一定的影响，摩擦系数为0.08时的等效应变值大于摩擦系数为0.12及0.16时的等效应变值，摩擦系数在0.12到0.16区间其等效应变值保持不变。

参考文献

[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）.

作者简介：张文明（1959.07- ），男，汉族，本科，教授，研究方向：焊接自动化及其装备；张新良（1986.05- ），男，汉族，研究生。

（a）不同速度下的温度变化曲线

（b）不同速度下的等效应变曲线

图7 不同速度下的温度变化和等效应变变化

2.3 摩擦系数对拉丝工艺的影响

设定参数α=13°，V=4m/s，以此来分析不同摩擦系数对拉丝工艺的影响。图8（a）为模角13°时不同摩擦系数下的温度变化。摩擦系数为0.08，0.12，0.16时，摩擦系数对材料的温度几乎没有影响。如图8（b）为不同角度下等效应变变化曲线。摩擦系数为0.08时拉丝后材料的等效应变值值最大，为0.57，从0.08到0.12等效应变值开始下降到0.5，一直到摩擦系数为0.16时等效应变值都保持不变。

（a）不同摩擦系数下的温度变化

（b）不同摩擦系数下的等效应变曲线

图8 不同摩擦系数下等效应变及温度的变化

3 结论

通过以上的实验模拟可以发现，高速拉丝机拉丝过程中具有以下特点：

（1）拉丝模具角度对拉丝工艺有重要影响，11°至15°之间，材料温度及等效应变值随着模角的增大而增大。（2）在拉丝速度为4m/s，5m/s和6m/s时其对材料温度及等效应变的影响不大。（3）摩擦系数对材料温度影响很小，但对等效应变有一定的影响，摩擦系数为0.08时的等效应变值大于摩擦系数为0.12及0.16时的等效应变值，摩擦系数在0.12到0.16区间其等效应变值保持不变。

参考文献

[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）.

作者简介：张文明（1959.07- ），男，汉族，本科，教授，研究方向：焊接自动化及其装备；张新良（1986.05- ），男，汉族，研究生。