基于数值模拟的铝导线拉拔及模具结构优化

2023-05-09周保成黄东男董学光

铝加工 2023年2期

周保成，黄东男，肖翔，董学光

（中铝材料应用研究院有限公司，北京 102209）

0 前言

铝导线一般用于长距离架空传输电能，所以对于铝导线最重要的性能是导电率，铝导线的导电率直接影响电能传输过程中的损耗，是选用铝导线的重要指标。铝导线另外两个重要性能是强度和延伸率，铝导线在空中悬挂时要承受自身重量和风力，如果强度和延伸率足够大，不仅能够延长使用寿命，也能大幅降低材料用量而降低成本[1]。

铝导线的加工一般经过连铸连轧、冷轧和拉拔成形过程[2]。拉拔作为导线加工的最后一个道次的变形方式，对导线的导电率、强度和延伸率的影响非常大[3]。铝导线在拉拔过程中会产生塑性变形，在微观组织上看，晶粒内部会产生位错，晶粒也会发生转动形成沿着长度方向的丝织构。位错的产生和织构的形成会增加铝导线的强度，但位错的产生会降低铝导线的电导率和延伸率[4]。

拉拔的主要工艺参数是截面比[5]，截面比是指拉拔前后线材横截面面积的比值。在保证导线成形性的条件下，合理的截面比可以减少拉拔道次，提高生产效率[6]。另外拉拔模具设计时也会调整入口角度和表面光洁度。本文以A6（Al≥99.6%，杂质≤0.03%）工业纯铝杆为研究对象，采用数值模拟拉拔过程的方式，分析对比截面比、模具入口角度和摩擦条件对拉拔后线材变形情况的影响。

1 研究方法

线材过程模拟采用DeForm 软件。由于线材和模具在几何和变形上都属于轴对称布置，为了提高模拟速度，线材拉拔过程模型简化为轴对称方式建模，线材材拉拔过程简化模型如图1中右侧。

图1 拉拔模具结构

以初始直径9.5 mm、最终拉拔后直径3.93 mm的线材为研究对象，设计三种截面比拉拔方案：1.18、1.30 和1.39。两种模具入口角度：15°和10°，两种摩擦系数：0.1和0.05，模拟方案如表1，不同截面比的拉拔过程如表2。

表1 模拟方案

表2 不同截面比的直径变化

2 模拟结果

图2为经不同拉拔方案拉拔后线材的头部和尾部纵剖面应变结果云图。由图可知，所有方案的应变范围为0.7~2.2，对于同一种拉拔方案，中心应变低于表层应变，头部应变低于尾部应变。图3为拉拔前后金属流线对比示意图，由图可知，拉拔后中心区域只发生拉伸变形，表层区域既发生拉伸变形也发生剪切变形，而且尾部的拉伸变形大于头部的拉伸变形。对于不同拉拔方案，经方案1拉拔后的应变水平最高，经方案5拉拔后的应变水平最低。

图2 拉拔后线材纵剖面的应变结果云图

图3 拉拔前后纵剖面金属流线对比（截面比1.30入口角度15°，摩擦系数0.1）

2.1 截面比对拉拔后线材变形的影响

在摩擦系数为0.1，入口角度15°时，对比不同截面比对拉拔后变形的影响。图4（a）为经过不同截面比方案拉拔后的线材应变沿长度方向变化，图4（b）为经过不同截面比方案拉拔后的线材应变沿径向变化。由图可知，在头部的中心区域，经截面比1.18、1.30和1.39拉拔后的等效应变分别为0.68、0.83 和0.93，等效应变随着截面比的增大而增大；在头部的表层区域，经三种截面比拉拔后的等效应变均为1.44，等效应变不随截面比变化；在尾部的中心区域，经三种截面比拉拔后的等效应变均为1.30，等效应变不随截面比变化；在尾部的表层区域，经截面比1.18、1.30和1.39拉拔后的等效应变分别为2.21、1.95 和1.75，等效应变随着截面比的增大而减小。

图4 不同截面比拉拔后等效应变变化图

2.2 摩擦系数对拉拔后线材变形的影响

在截面比为1.30，入口角度15°时，对比不同截面比对拉拔后变形的影响。图5（a）为经过不同摩擦系数拉拔后的线材应变沿长度方向变化，图5（b）为经过不同摩擦系数拉拔后的线材应变沿径向变化。由图可知，摩擦系数对尾部应变几乎不产生影响，对头部应变产生较小的影响。摩擦系数越大，头部等效应变越低，分别经摩擦系数0.1 和0.05拉拔后，头部的中心区域等效应变分别为0.83和0.89，头部的表层区域等效应变分别为1.44和1.48。

2.3 入口角度对拉拔后线材变形的影响

在截面比为1.30、摩擦系数为0.1 时，对比不同入口角度对拉拔后变形的影响。图6（a）为经过不同入口角度拉拔后的线材应变沿长度方向变化，图6（b）为经过不同入口角度拉拔后的线材应变沿径向变化。由图可知，入口角度显著改变了等效应变沿拉拔后线材的长度和径向的分布。

图6 不同入口角度拉拔后等效应变变化图

在头部的中心区域，经入口角度15°和10°拉拔后的等效应变分别为0.83和1.00，等效应变随着入口角度的增大而增大；在头部的表层区域，经两种入口角度拉拔后的等效应变均为1.44，等效应变不随入口角度变化；在尾部的中心区域，经两种入口角度拉拔后的等效应变均为1.30，等效应变不随入口角度变化；在尾部的表层区域，经入口角度15°和10°拉拔后的等效应变分别为1.95 和1.68，等效应变随着截面比的增大而减小。