基于數(shù)值模擬的鋁導(dǎo)線拉拔及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

周保成，黃東男，肖 翔，董學(xué)光

（中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京 102209）

0 前言

鋁導(dǎo)線一般用于長(zhǎng)距離架空傳輸電能，所以對(duì)于鋁導(dǎo)線最重要的性能是導(dǎo)電率，鋁導(dǎo)線的導(dǎo)電率直接影響電能傳輸過(guò)程中的損耗，是選用鋁導(dǎo)線的重要指標(biāo)。鋁導(dǎo)線另外兩個(gè)重要性能是強(qiáng)度和延伸率，鋁導(dǎo)線在空中懸掛時(shí)要承受自身重量和風(fēng)力，如果強(qiáng)度和延伸率足夠大，不僅能夠延長(zhǎng)使用壽命，也能大幅降低材料用量而降低成本[1]。

鋁導(dǎo)線的加工一般經(jīng)過(guò)連鑄連軋、冷軋和拉拔成形過(guò)程[2]。拉拔作為導(dǎo)線加工的最后一個(gè)道次的變形方式，對(duì)導(dǎo)線的導(dǎo)電率、強(qiáng)度和延伸率的影響非常大[3]。鋁導(dǎo)線在拉拔過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生塑性變形，在微觀組織上看，晶粒內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)，晶粒也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)形成沿著長(zhǎng)度方向的絲織構(gòu)。位錯(cuò)的產(chǎn)生和織構(gòu)的形成會(huì)增加鋁導(dǎo)線的強(qiáng)度，但位錯(cuò)的產(chǎn)生會(huì)降低鋁導(dǎo)線的電導(dǎo)率和延伸率[4]。

拉拔的主要工藝參數(shù)是截面比[5]，截面比是指拉拔前后線材橫截面面積的比值。在保證導(dǎo)線成形性的條件下，合理的截面比可以減少拉拔道次，提高生產(chǎn)效率[6]。另外拉拔模具設(shè)計(jì)時(shí)也會(huì)調(diào)整入口角度和表面光潔度。本文以A6（Al≥99.6%，雜質(zhì)≤0.03%）工業(yè)純鋁桿為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬拉拔過(guò)程的方式，分析對(duì)比截面比、模具入口角度和摩擦條件對(duì)拉拔后線材變形情況的影響。

1 研究方法

線材過(guò)程模擬采用DeForm 軟件。由于線材和模具在幾何和變形上都屬于軸對(duì)稱布置，為了提高模擬速度，線材拉拔過(guò)程模型簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱方式建模，線材材拉拔過(guò)程簡(jiǎn)化模型如圖1中右側(cè)。

圖1 拉拔模具結(jié)構(gòu)

以初始直徑9.5 mm、最終拉拔后直徑3.93 mm的線材為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)三種截面比拉拔方案：1.18、1.30 和1.39。兩種模具入口角度：15°和10°，兩種摩擦系數(shù)：0.1和0.05，模擬方案如表1，不同截面比的拉拔過(guò)程如表2。

表1 模擬方案

表2 不同截面比的直徑變化

2 模擬結(jié)果

圖2為經(jīng)不同拉拔方案拉拔后線材的頭部和尾部縱剖面應(yīng)變結(jié)果云圖。由圖可知，所有方案的應(yīng)變范圍為0.7~2.2，對(duì)于同一種拉拔方案，中心應(yīng)變低于表層應(yīng)變，頭部應(yīng)變低于尾部應(yīng)變。圖3為拉拔前后金屬流線對(duì)比示意圖，由圖可知，拉拔后中心區(qū)域只發(fā)生拉伸變形，表層區(qū)域既發(fā)生拉伸變形也發(fā)生剪切變形，而且尾部的拉伸變形大于頭部的拉伸變形。對(duì)于不同拉拔方案，經(jīng)方案1拉拔后的應(yīng)變水平最高，經(jīng)方案5拉拔后的應(yīng)變水平最低。

圖2 拉拔后線材縱剖面的應(yīng)變結(jié)果云圖

圖3 拉拔前后縱剖面金屬流線對(duì)比（截面比1.30入口角度15°，摩擦系數(shù)0.1）

2.1 截面比對(duì)拉拔后線材變形的影響

在摩擦系數(shù)為0.1，入口角度15°時(shí)，對(duì)比不同截面比對(duì)拉拔后變形的影響。圖4（a）為經(jīng)過(guò)不同截面比方案拉拔后的線材應(yīng)變沿長(zhǎng)度方向變化，圖4（b）為經(jīng)過(guò)不同截面比方案拉拔后的線材應(yīng)變沿徑向變化。由圖可知，在頭部的中心區(qū)域，經(jīng)截面比1.18、1.30和1.39拉拔后的等效應(yīng)變分別為0.68、0.83 和0.93，等效應(yīng)變隨著截面比的增大而增大；在頭部的表層區(qū)域，經(jīng)三種截面比拉拔后的等效應(yīng)變均為1.44，等效應(yīng)變不隨截面比變化；在尾部的中心區(qū)域，經(jīng)三種截面比拉拔后的等效應(yīng)變均為1.30，等效應(yīng)變不隨截面比變化；在尾部的表層區(qū)域，經(jīng)截面比1.18、1.30和1.39拉拔后的等效應(yīng)變分別為2.21、1.95 和1.75，等效應(yīng)變隨著截面比的增大而減小。

圖4 不同截面比拉拔后等效應(yīng)變變化圖

2.2 摩擦系數(shù)對(duì)拉拔后線材變形的影響

在截面比為1.30，入口角度15°時(shí)，對(duì)比不同截面比對(duì)拉拔后變形的影響。圖5（a）為經(jīng)過(guò)不同摩擦系數(shù)拉拔后的線材應(yīng)變沿長(zhǎng)度方向變化，圖5（b）為經(jīng)過(guò)不同摩擦系數(shù)拉拔后的線材應(yīng)變沿徑向變化。由圖可知，摩擦系數(shù)對(duì)尾部應(yīng)變幾乎不產(chǎn)生影響，對(duì)頭部應(yīng)變產(chǎn)生較小的影響。摩擦系數(shù)越大，頭部等效應(yīng)變?cè)降停謩e經(jīng)摩擦系數(shù)0.1 和0.05拉拔后，頭部的中心區(qū)域等效應(yīng)變分別為0.83和0.89，頭部的表層區(qū)域等效應(yīng)變分別為1.44和1.48。

2.3 入口角度對(duì)拉拔后線材變形的影響

在截面比為1.30、摩擦系數(shù)為0.1 時(shí)，對(duì)比不同入口角度對(duì)拉拔后變形的影響。圖6（a）為經(jīng)過(guò)不同入口角度拉拔后的線材應(yīng)變沿長(zhǎng)度方向變化，圖6（b）為經(jīng)過(guò)不同入口角度拉拔后的線材應(yīng)變沿徑向變化。由圖可知，入口角度顯著改變了等效應(yīng)變沿拉拔后線材的長(zhǎng)度和徑向的分布。

圖6 不同入口角度拉拔后等效應(yīng)變變化圖

在頭部的中心區(qū)域，經(jīng)入口角度15°和10°拉拔后的等效應(yīng)變分別為0.83和1.00，等效應(yīng)變隨著入口角度的增大而增大；在頭部的表層區(qū)域，經(jīng)兩種入口角度拉拔后的等效應(yīng)變均為1.44，等效應(yīng)變不隨入口角度變化；在尾部的中心區(qū)域，經(jīng)兩種入口角度拉拔后的等效應(yīng)變均為1.30，等效應(yīng)變不隨入口角度變化；在尾部的表層區(qū)域，經(jīng)入口角度15°和10°拉拔后的等效應(yīng)變分別為1.95 和1.68，等效應(yīng)變隨著截面比的增大而減小。

3 結(jié)論

采用不同截面比、摩擦系數(shù)和入口角度的方案模擬了拉拔過(guò)程，分析不同參數(shù)對(duì)拉拔后線材變形的影響，得出以下結(jié)論:

（1）拉拔過(guò)程中線材中心主要發(fā)生拉伸變形，表層同時(shí)發(fā)生拉伸變形和剪切變形。

（2）隨著截面比的增大和入口角度的減小，拉拔后線材的頭部和尾部應(yīng)變差異減小，中心和表層應(yīng)變差異減小。

（3）摩擦系數(shù)由0.1降低到0.05未能明顯改變拉拔后線材的應(yīng)變分布。