鋁導線拉絲工藝的計算機優化模擬

張文明+張新良+欒驚天

摘 要：為了探究高速拉絲工藝對材料性能的影響，本文在Deform-3D有限元分析軟件的基礎上，通過計算機模擬分析了拉絲模具的模角大小、拉絲速度大小和摩擦系數大小對拉絲材料性能的影響，通過觀察并對比不同模角、不同拉絲速度和不同摩擦系數下的溫度場、等效應力應變場分布，并總結出變化規律，可以根據此規律來選取拉絲過程中的模角、拉絲速度和摩擦系數，以便確定最佳的模具參數及使用條件。

關鍵詞：Deform-3D；拉絲模角；拉絲速度；摩擦系數

拉絲工藝是鋁架空導線生產過程中的重要工序，它可以提高線材的尺寸精度、表面光潔度和線材的強度。由于冷拉成型過程中不可避免地形成加工硬化、晶粒畸變，形成加工缺陷，導致線材導電性能下降并埋下了安全隱患，為了提高冷拉導線的成品質量，各國專家對拉伸設備與工藝進行了不斷的改進，在此基礎上，本文通過計算機模擬元件對拉絲模在高速下的拉絲過程進行了模擬，以此來確定最佳的模具參數及使用條件，為將來研究拉絲工藝奠定了基礎。

1 有限元模型

1.1 建立有限元模型

如圖1所示為一有限元仿真模型，該模型一共分為三個部分：拉絲模，坯料，夾具。材料一端為一個帶有斜度的細端，通過夾具帶動工件運動，保持拉絲模不動，使工件通過拉絲模，以此來改變工件大小，完成拉絲。

圖1 有限元仿真模型

根據模孔縱斷面的形狀，可將普通拉絲模分為弧線形模和錐型模，弧線形模一般只用于細線的拉拔，錐型模適用于管、棒、及粗線的拉拔。圖2為錐型拉絲模的結構，該模具由4個部分組成：入口區，工作區，定徑區和出口區。其中，工作區的模角是拉絲模的主要參數之一，模角a過小，坯料與模壁的接觸面積增大，坯料與磨具的接觸時間長，導致拉拔力增加；模角a過大，金屬在變形區中變形嚴重，導致附加剪切變形增大，從而使拉拔力和非接觸變形增大。因此，模角存在一最佳區間，在此區間拉拔時拉拔力最小。

圖2 拉絲模具的尺寸結構

1.2 制定參數及求解

建立有限元分析模型：先用UG7.0建立三維圖型，將圖型轉化成STL格式，然后再導入Deform-3D模擬元件中。根據拉絲的對稱性特點，也為了節省計算時間，可以將模型簡化為1/4進行模擬，設定對稱面為邊界面，設定單元數目為8000，自動生成網格。定義工件材料為純鋁，模擬溫度為室溫，拉拔速度分別為4m/s，5m/s，6m/s，根據純鋁的塑性特點，將模具角度分別設置為11°，13°，15°。拉絲模和夾具為剛性，其摩擦系數分別為0.08，0.12，0.16，整個模擬過程分為100 步，每2步保存一次，每次夾具移動2mm長，然后點擊運行，開始自動求解。

2 模擬結果及分析

2.1 模角對拉絲工藝的影響

2.1.1 應力及應變分析

圖3所示為材料在拉絲速度v=4m/s，摩擦系數u=0.08條件下模角為11°，13°，15°的網格變化。拉絲后會使工件的網格拉長，但在11°，13°，15°模角下，通過觀察得知，其網格的變化基本相同。

（a）11°模角下的網格 （b）13°模角下的網格

（c）15°模角下的網格

圖3 材料在不同角度下網格的變化

圖4（a）為材料的四分之一模型，P1，P2，P3為材料中不同位置的點，其中P1為工件表面上的點，P3為工件軸心上的點，P2為在表面和軸心之間任取的一個點。

（a）1/4模型上的三 個點

（b） 三點的等效應力變化

圖4 材料上三點P1，P2，P3的位置及等效應力變化

圖4（b）為拉絲材料與磨具接觸處的應力峰值圖。在拉絲速度v=4m/s，摩擦系數u=0.08，模角為13°，從圖中可以觀察出三個點處的應力隨時間的變化，在P1點處的應力最大，此處最容易產生斷裂和損壞。因此可以通過研究表面的應力變化來確定材料的拉絲后的質量。

圖5（a）為材料的等效應力場分布，從中可以看出，材料與模具接觸區域的應力分布規律為：工件表面接觸處的應力最高，并逐漸向內部和兩邊擴散、減小。

圖5（b）為在速度v=4m/s，u=0.08時不同模角下的工件等效應變隨時間的變化圖，可以得到，在進行拉拔時，模角11度時其應力值從0迅速增加，在0.2s時達到到一個峰值0.43并在隨后的時間保持不變。磨具角為13°和15°時，應力值也在0.2s時升到最高，分別為0.57和0.63，隨后一直保持不變。模具角為11°時等效應值最小，這是由于磨具角度小，材料在工作帶經過的時間長，從而造成單位時間內的變形量加大。

（a）α=13°時的等效應力場分布

（b）不同模角下的等效應變曲線

圖5 等效應力分布及在不同模角下的變化

2.1.2 不同模角下的溫度場分布分析

根據材料的屬性，溫度升高會使材料塑性變強，但溫度過高又會使晶粒變得粗大，降低了材料的性能，所以除了角度時還要考慮溫度的影響.

設定參數v=4m/s，u=0.08。如圖6（a）為材料的溫度場分布圖，其變化規律為：與拉絲模接觸處的溫度最高，并逐漸向其周圍區域擴散、減小，這一部分熱量主要由摩擦產生。圖6（b）中為不同角度下模角對拉絲溫度的影響。從中可以看出，模具角度分別11°，13度和15°時，在0.2s時溫度從0迅速上升到最大值，分別為33度，37度和39.5度，然后開始稍微下降并在隨后的時間里保持不變。

（a）α=13°時的溫度場分布

（b）不同模角下的溫度變化圖

圖6 溫度場分布及在不同模角下溫度的變化

2.2 速度對拉絲工藝的影響

選取13度角度的模具進行分析，速度分別為4m/s，5m/s，6m/s來進行模擬，發現當速度在4m/s到6m/s的范圍變化時拉絲速度對溫度及等效應變的影響不大，因此可以適當提高速度來提高生產率。圖7（a）為模角為13°，u=0.08時，不同速度對拉絲溫度的影響。可以看出，與拉絲模具接觸處的溫度相差不大并在很短的時間里保持一致。圖7（b）為模角為13°時，不同速度對工件應變的影響，當拉絲速度為4m/s和5m/s的應力是一樣的，在6m/s時應力減少了0.05，對應力影響不大。

（a）不同速度下的溫度變化曲線

（b）不同速度下的等效應變曲線

圖7 不同速度下的溫度變化和等效應變變化

2.3 摩擦系數對拉絲工藝的影響

設定參數α=13°，V=4m/s，以此來分析不同摩擦系數對拉絲工藝的影響。圖8（a）為模角13°時不同摩擦系數下的溫度變化。摩擦系數為0.08，0.12，0.16時，摩擦系數對材料的溫度幾乎沒有影響。如圖8（b）為不同角度下等效應變變化曲線。摩擦系數為0.08時拉絲后材料的等效應變值值最大，為0.57，從0.08到0.12等效應變值開始下降到0.5，一直到摩擦系數為0.16時等效應變值都保持不變。

（a）不同摩擦系數下的溫度變化

（b）不同摩擦系數下的等效應變曲線

圖8 不同摩擦系數下等效應變及溫度的變化

3 結論

通過以上的實驗模擬可以發現，高速拉絲機拉絲過程中具有以下特點：

（1）拉絲模具角度對拉絲工藝有重要影響，11°至15°之間，材料溫度及等效應變值隨著模角的增大而增大。（2）在拉絲速度為4m/s，5m/s和6m/s時其對材料溫度及等效應變的影響不大。（3）摩擦系數對材料溫度影響很小，但對等效應變有一定的影響，摩擦系數為0.08時的等效應變值大于摩擦系數為0.12及0.16時的等效應變值，摩擦系數在0.12到0.16區間其等效應變值保持不變。

參考文獻

[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）.

作者簡介：張文明（1959.07- ），男，漢族，本科，教授，研究方向：焊接自動化及其裝備；張新良（1986.05- ），男，漢族，研究生。

（a）不同速度下的溫度變化曲線

（b）不同速度下的等效應變曲線

圖7 不同速度下的溫度變化和等效應變變化

2.3 摩擦系數對拉絲工藝的影響

設定參數α=13°，V=4m/s，以此來分析不同摩擦系數對拉絲工藝的影響。圖8（a）為模角13°時不同摩擦系數下的溫度變化。摩擦系數為0.08，0.12，0.16時，摩擦系數對材料的溫度幾乎沒有影響。如圖8（b）為不同角度下等效應變變化曲線。摩擦系數為0.08時拉絲后材料的等效應變值值最大，為0.57，從0.08到0.12等效應變值開始下降到0.5，一直到摩擦系數為0.16時等效應變值都保持不變。

（a）不同摩擦系數下的溫度變化

（b）不同摩擦系數下的等效應變曲線

圖8 不同摩擦系數下等效應變及溫度的變化

3 結論

通過以上的實驗模擬可以發現，高速拉絲機拉絲過程中具有以下特點：

（1）拉絲模具角度對拉絲工藝有重要影響，11°至15°之間，材料溫度及等效應變值隨著模角的增大而增大。（2）在拉絲速度為4m/s，5m/s和6m/s時其對材料溫度及等效應變的影響不大。（3）摩擦系數對材料溫度影響很小，但對等效應變有一定的影響，摩擦系數為0.08時的等效應變值大于摩擦系數為0.12及0.16時的等效應變值，摩擦系數在0.12到0.16區間其等效應變值保持不變。

參考文獻

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[3] XIONG Xia.copper wire drawing technology and development [J]nonferrousmetal devise and research.2012，33（4）.

作者簡介：張文明（1959.07- ），男，漢族，本科，教授，研究方向：焊接自動化及其裝備；張新良（1986.05- ），男，漢族，研究生。

（a）不同速度下的溫度變化曲線

（b）不同速度下的等效應變曲線

圖7 不同速度下的溫度變化和等效應變變化

2.3 摩擦系數對拉絲工藝的影響

設定參數α=13°，V=4m/s，以此來分析不同摩擦系數對拉絲工藝的影響。圖8（a）為模角13°時不同摩擦系數下的溫度變化。摩擦系數為0.08，0.12，0.16時，摩擦系數對材料的溫度幾乎沒有影響。如圖8（b）為不同角度下等效應變變化曲線。摩擦系數為0.08時拉絲后材料的等效應變值值最大，為0.57，從0.08到0.12等效應變值開始下降到0.5，一直到摩擦系數為0.16時等效應變值都保持不變。

（a）不同摩擦系數下的溫度變化

（b）不同摩擦系數下的等效應變曲線

圖8 不同摩擦系數下等效應變及溫度的變化

3 結論

通過以上的實驗模擬可以發現，高速拉絲機拉絲過程中具有以下特點：

（1）拉絲模具角度對拉絲工藝有重要影響，11°至15°之間，材料溫度及等效應變值隨著模角的增大而增大。（2）在拉絲速度為4m/s，5m/s和6m/s時其對材料溫度及等效應變的影響不大。（3）摩擦系數對材料溫度影響很小，但對等效應變有一定的影響，摩擦系數為0.08時的等效應變值大于摩擦系數為0.12及0.16時的等效應變值，摩擦系數在0.12到0.16區間其等效應變值保持不變。

參考文獻

[1] LIN Xinbo.apply of DEFORM-2D and DEFORM-3D CAE in imitate the process of metal plastic deformation [J].die technology，2000（3）.

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[3] XIONG Xia.copper wire drawing technology and development [J]nonferrousmetal devise and research.2012，33（4）.

作者簡介：張文明（1959.07- ），男，漢族，本科，教授，研究方向：焊接自動化及其裝備；張新良（1986.05- ），男，漢族，研究生。