模角變化對鋁包鋼絲連續包覆過程的影響

孫印建，樊志新，孫海洋，董 磊

(大連交通大學 連續擠壓教育部工程研究中心，遼寧 大連 116028)*

0 引言

鋁包鋼絲具有優良的物理性能，其耐腐蝕、高強度、鋼-鋁結合牢固、導電性好、熱穩定性高、密度小、屏蔽性好等優點突出［1］，因此被廣泛應用與架空地線、鐵路電氣化輸電引線、高壓電網輸電導線等方面，其具有廣闊的市場前景.連續擠壓包覆技術可實現連續加工，縮短非生產時間，生產速度快、效率高，產品質量好.在試驗和生產過程中，模腔角的變化與產品質量、工模具使用壽命等產生重要影響，本文通過利用DEFORM軟件對包覆模腔角進行數值計算和分析，優化鋁包鋼絲連續包覆過程中的工藝參數，為實際生產提供參考.

1 有限元模型及模角

如圖1所示，模型由擠壓輪、壓實輪、腔體、擋板、擋料塊、導向模、包覆模、鋼芯和鋁桿等構成，導入DEFORM-3D軟件中進行連續包覆［2］數值模擬［3-4］.腔體和模具的預熱溫度為450℃，鋁桿預熱溫度為20℃，鋼絲預熱溫度為400℃［5］.

模腔就是包覆模錐面中心處圓臺通孔，如圖2(a)所示區域，而模角則是模腔截面投影中心兩條斜線之間的角度即2α，如圖2(b).模角的大小會對金屬的流動產生重大的影響，從而會直接影響到包覆質量、擠壓輪及模具使用壽命.所以，本文對包覆模不同模角進行了研究.

圖1 連續包覆截面

圖2 包覆模的三維圖及軸向截面圖

2 包覆模芯線的徑向力

從包覆模的軸向截面圖(圖2(b))可以看出，軸對稱包覆時芯線中心與模具中心重合，因此可以認為通過模具中心任一截面內材料的變形為平面變形，由于上下對稱，用主應力法對其中一部分進行分析，受力分析圖如圖3.

圖3 包覆模腔內基元體上作用力分布

列基元的平衡方程式:

由靜力平衡關系得:

σ1=σy，σu=σy+ τutanα

近似塑性和摩擦條件為:

其中:m為摩擦因子.

由以上各式可得:

在截面內，鋼絲所受的作用力:

［(r-Ltanα)ln(r-Ltanα)-rlnr+Ltanαlnr］

當鋼絲發生偏心時，即r1＞r2，鋼絲上下方鋁料的流動速度對鋼絲的徑向作用力不再保持平衡，則:

分析可得:

若要使鋼絲中心與模具中心重合，則鋼絲偏心將受到向心力F的作用，即F＞0，所以

則

在實際生產中鋁具有很強的粘塑性，在模擬中設定摩擦因子為0.9，所以，可計算出鋼絲受到向心力作用F半腔角取值范圍為0°＜α＜20.5°.對包覆模腔角 10°、20°、30°和40°進行數值計算.

3 不同模腔角模擬研究

模擬中，鋼絲的速度必須與包覆模定徑帶處鋁料的擠出速度保持一致，才能良好的完成包覆，則要求在定徑帶處鋁料所受的拉應力接近于0 MPa.本文對內徑為6.8 mm外徑為9 mm LB30型號的鋁包鋼絲進行模擬.擠壓輪轉速為6 r/min，鋼絲速度為160 mm/s時，鋁料擠出速度最為接近且定徑帶處拉應力接近于0 MPa.

3.1 不同模角下鋁料流動分析

包覆模不同模角下，鋁料流動速度大體一致.鋁桿經擠壓輪，在輪槽中流速均勻，速度為104 mm/s，鋁料到達擋料塊，由于受到其阻礙作用，速度逐漸減緩.進入腔體及匯合室并充滿，由于受到模具的阻礙作用，導致鋁料經過了兩次90°大變向且塑性狀態的鋁料容易打滑現象，所以鋁料流動速度緩慢大約為20 mm/s左右.在包覆模的擠出過程中，如圖4可以看到在靠近鋼絲的一側質點較為密集，流速較快，主要是由于鋁料隨鋼絲移動擠出的過程中，鋼絲對鋁料的摩擦作用是促進力，有利于鋁料的流動.

圖4 鋁料流動速度示意圖

為了更好的表示包覆模定徑帶處鋁料的流動均勻性，對定徑帶處坯料速度均勻取點，通過流速均方差［6］公式

式中:N為所取定徑帶處節點數目;viz為所取節點軸向速度;vazve為所取節點速度平均值.

從圖5可以看出，不同模角下鋁料的流動速度在160 mm/s上下浮動，其中30°和40°上下波動較大，通過計算包覆模模角10°～40°的流速均方差分別為 1.37、1.53、1.77、1.97.導向模與包覆模間隙不變時，包覆模模角變大，鋁料流動路徑面積變大，不利于金屬流動，很容易造成鋁料流動不暢，不均勻.所以，角度越小時，流動越均勻.

圖5 不同腔角下流動速度

3.2 鋁料在定徑帶處的變形溫度

在包覆中，鋁料為塑性狀態，鋼絲處于彈性狀態而不能有塑性變形發生.鋁的變形溫度高，抗力小，塑性流動好，有利于鋁料均勻的包覆在鋼絲表面上.提高鋁的變形溫度將明顯增加鋼鋁結合強度，但鋁的變形溫度不宜超過500℃［7］，因為一方面溫度過高，鋁過于軟化.另一方面，鋁溫度高，鋼鋁之間存在熱傳遞，導致鋼絲溫度過高，容易使鋼絲表面氧化，強度降低.包覆模模角在10°～40°時，定徑帶處鋁的變形溫度分別大約為475、480、490和502℃.可以看出，角度過大時，由于鋁流動不暢，坯料堆積，導致鋁的變形溫度過高，超過500℃.所以，模角40°下不利于包覆.模角在10°～30°之間，鋁的變形溫度在480℃上下，大體接近，有利于鋁均勻的包覆在鋼絲上.

3.3 不同模角對擠壓輪的影響

在連續擠壓包覆生產中，對擠壓輪壽命的影響是一個必須考慮的問題.影響擠壓輪壽命有其中兩個因素:擠壓輪所受的扭矩和擠壓輪在擋料快處的溫度.擠壓輪扭矩越大，其負載越大，擠壓輪則越容易斷裂.如圖6所示，包覆模角在10°～40°時，其擠壓輪所受扭矩大約分別為6.49×106、6.42×106、6.61 ×106和6.59 ×106N·mm.可以看出，腔角過大時，鋁料在包覆模內流動阻力變大，容易產生滯留或流動不暢，使擠壓輪在擠壓過程中負荷增大.溫度也對擠壓輪有重要的影響.若溫度過高，一方面，容易使擠壓輪內部組織發生變化而無法保證產品的機械性能.另一方面，容易氧化擠壓輪表面，使擠壓輪強度降低.擠壓輪一般采用材料為H13鋼，在擠壓過程中，包覆模模角在10°～40°時，溫度大約分別為195、165、186 和190℃.可以看出，模角為20°時，溫度最低，對擠壓輪最好.

圖6 不同腔角下擠壓輪扭矩及溫度

3.4 不同模角對包覆模具的影響

鋁料經擠壓進入腔體，充滿匯合室，在隨鋼絲擠出包覆的過程中，金屬的流動會對包覆模產生比較大的載荷，主要集中在包覆模具的圓形錐面上.隨著金屬的流動，主要受力方向為x軸和z軸.載荷越大，模具承受的壓力越大，在模具邊緣處越容易產生應力集中，對模具損害越大.x軸和y軸模具所受載荷見表1.

表1 x軸和y軸模具所受載荷

通過上表可以看出，包覆模角為20°和30°時x軸方向所受載荷和y軸方向所受載荷比較小，對模具損害較小，可以延長模具的使用壽命.

3.5 不同模角下鋁包鋼絲的包覆質量

要獲得合格的包覆產品，在定徑帶處即出模口處必須有足夠的鋼絲徑向載荷和靜水壓力，這樣才能保證鋼和鋁之間良好的界面結合質量［8］.靜水壓力也就是平均應力，隨著靜水壓力的增大，一方面可使鋁料與鋼絲壁之間的摩擦增大，可抑制鋁料與鋼絲之間的相對滑動.另一方面，可抑制或消除塑性變形引起的微觀破壞和變形引起的附加拉應力.所以，靜水壓力越大時，越容易包覆，包覆質量越好.

圖7為不同腔角下靜水壓力和鋼絲徑向載荷的變化曲線圖，從圖中可以看出包覆模角從10°～40°，靜水壓力大約分別為 10.10、9.85、5.83、4.83，即隨著角度的減小，定徑帶處鋁料的靜水壓力增大，包覆質量上越好.鋼絲徑向載荷最能反映鋼和鋁之間的界面結合質量.鋼絲徑向載荷越大，鋼和鋁層之間的結合力越大，界面結合越牢固.包覆模角從10°～40°，鋼絲徑向載荷分別為4 850、4 720、4 610、4 600 N.所以，隨著角度的減小，鋼絲徑向載荷增大，界面結合質量越好.綜上所述，包覆質量的好壞取決于靜水壓力和鋼絲徑向載荷，隨著包覆模角的減小，靜水壓力和鋼絲徑向載荷增大，更加有利于提高包覆質量.

圖7 不同腔角下靜水壓力和鋼絲徑向載荷

4 工程試驗及結果

根據DEFORM模擬結果，在實際生產中對不同角度的包覆模進行生產驗證.在不同包覆模角度鋁包鋼絲連續生產試驗中，發現包覆模角20°時，產品包覆質量較好，表面光滑，條紋較細.長時間生產，40°的包覆模圓錐面由于受到載荷過大，發生斷裂，且產品存在漏包和包覆表面差等現象，30°時也存在不同程度的漏包現象.在試驗驗證中，包覆模角20°時，包覆效最好.

5 結論

通過不同模角對連續包覆鋁包鋼絲影響的研究，發現:

(1)包覆模角10°和20°時，金屬流動均方差較小，流動比較均勻且鋼絲的徑向載荷和定徑帶處坯料的靜水壓力較大，包覆質量較好;

(2)包覆模角20°和30°時，鋁的變形溫度較高，最有利于包覆且包覆模具所受載荷最小，對模具損害最少;

(3)從對擠壓輪影響上分析，包覆模角20°時，擠壓輪所受扭矩最小，溫度最低，可最大化的提高擠壓輪使用壽命.綜上所述，從所有方面考慮，包覆模角20°為最優角度，和工程試驗驗證相符合.

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［2］鐘毅.連續擠壓技術及應用［M］.北京:冶金工藝出版社，2004.

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［4］劉彬彬.連續擠壓包覆(CONLCAD)過程的數值模擬［D］.昆明:昆明理工大學，2003.

［5］趙穎，宋寶韞，運新兵，等.平行流鋁管連續擠壓金屬流動的數值模擬研究［J］.塑性工程學報，2007，14(2):58-63.

［6］萬萌萌，王延輝.鎂合金及純鋁連續擠壓流動均勻性對比研究［J］.鍛壓技術，2013(4):135-139.

［7］宋寶韞，高飛，戴煥海，等.鋁包鋼絲制造新技術的研究［J］.中國機械工程，2001(3):303-305.

［8］彭孜，張強.不同模型腔角下銅鋁復合連續包覆過程的數值模擬［J］.特種鑄造及有色合金，2012(8):714-718.