工藝參數對高速拉絲應變速率影響研究

張躍宗

（江蘇中利集團股份有限公司，江蘇蘇州）

引言

現代電纜生產中運用最廣泛的應用是電纜高速拉絲機，如果直進式拉絲機上的粗拉速度在2～7 m/s以內，現代直流拉絲機可以實現高達45 m/s 的速度。然而，新型拉絲機的實踐經驗表明，實現規定的拉絲速度值往往難度較高。在高速操作期間，線模穩定性顯著降低。金屬與金屬絲模接觸處產生的摩擦力對產品質量的穩定性有很大影響。摩擦系數可能會因工藝潤滑劑的類型、潤滑劑下的涂層、拉伸速度、線模通道幾何形狀而發生顯著變化（最多10 倍）。反過來，摩擦系數的增加可能會導致線材和線材模具加熱，這不僅會降低現成線材的機械性能，而且可能是工藝潤滑劑氧化和破壞的原因，而工藝潤滑劑會更多地增加摩擦系數。盡管拉伸速度的增加對工藝溫度模式有負面影響，但正如前學者研究中所述，其影響遠未達到由不同類型的工藝潤滑劑以及潤滑劑下的涂層提供的線模半角或變形區域的摩擦系數的影響顯著[1-3]。

1 工藝參數對應變速率的影響

1.1 工藝參數對應變速率影響因素

工藝參數對電線電纜生產中高速拉絲應變速率具有重要影響。應變速率是指在拉伸過程中材料單位時間內的應變量。

拉伸速度是影響應變速率的關鍵參數之一。在電線電纜生產中高速拉絲過程中，增加拉伸速度會導致更劇烈的應變速率變化，因為單位時間內的應變變化量增加。這可能導致材料的力學性能發生變化，例如材料可能表現出更高的硬度和更脆弱的特性。此外，拉伸溫度也會對應變速率產生影響。提高拉伸溫度會導致材料的塑性增加，從而增加應變速率。高溫下的材料往往更容易發生流變行為，因此在這種情況下應變速率可能會增加。材料的形變方式也會影響應變速率。不同的形變方式會導致不同的應變速率。例如，在等速拉絲過程中，無論材料的形變速度如何，應變速率保持恒定。而在應變控制下的拉絲過程中，應變速率會隨著材料的形變而變化[4-5]。

1.2 數學模型分析

變形速度由變形程度 σ隨時間 τ的變化決定，即

并且在塑性變形過程中，它可能根據拉伸過程參數而顯著改變。拉絲時的應變速率受拉絲速度、下拉深度、線材直徑和拉絲模具操作角度的影響。線模中的平均應變速率可以根據上述參數計算，根據前研究工作中提出的相關性：

式中：μ 為單程下拉深度；α 是線模半角(度)；vv繪圖速度，m/s；d 是線模輸出時的線直徑(m)。

在推導公式（2）時，目前研究普遍認為金屬絲截面拉伸的應變差異是較小的，因此可以忽略。以生產3 mm 直徑的硬化金屬絲材為例，比較了工藝參數對冶金過程設計的直進式拉絲機拉拔時應變速率的影響。從直徑為6.5 mm 的母管中抽出直徑為3.00 mm的應變硬化絲，傳統上在冶煉過程進行七道工序。參數如表1 所示。

表1 6.50 mm 母管生產直徑3.00 mm 線材拉拔過程的數學模擬結果

借助于直進式拉絲機拉絲時線材溫度的溫度速度拉絲方式的數學模型，對拉絲過程進行了評價，如表2 所示。

表2 沿路線繪制時的導線溫度6.5→6→5.3→4.7→4.1→3.7→3.3→3.0

1.3 應變速率結果分析

對于表2 所示的工藝參數，有圖1 所示的平均應變速率。根據計算結果，拉拔速度達到第7 工序時的應變速率不超過700 mm/s。

圖1 直進式拉絲機拉拔應變硬化線材時平均應變率的分布

根據公式（2）在相同拉伸比和線模角度的情況下，拉伸速度的增加導致應變速率的成比例增加。因此，在高速拉拔時，從最后一個卷筒輸出的線材速度應變速率超過4 000 mm/s 的水平。

圖2 顯示了在實驗選用的直流拉絲機上拉伸時的應變速率分布。在圖2 中與圖1 相比，通過每個特定單元中的拉伸速度之間的差異來解釋從一次通過到另一次通過的應變速率變化的特性的差異。在直流拉絲機上，從一道工序到另一道工序的拉伸速度變化嚴格按照金屬應變值，而在直進式拉絲機上則沒有這種一致性。

圖2 直流拉絲機拉拔應變硬化絲時平均應變率的分布

為了評估不同工藝參數對應變速率變化的影響程度，進行了以下分析研究。圖3 顯示了穩定絲徑3 mm、拉速40 m/s 和工作絲模半角4°時應變值對平均應變率的影響。圖3（a）顯示了在穩定絲徑為3 mm、單應變為1.32、工作絲模半角為4°時還原率的影響。圖3（b）顯示了在穩定絲徑為3 mm、單應變為1.12、拉拔速度為40 m/s 時工作絲模拉伸度的影響。圖3（c）顯示了單應變為1.25、拉拔速度為40 m/s、工作絲模半角為4°時工作絲模半角的影響。圖3（d）顯示了絲直徑對平均應變率的影響。

圖3 （a） 單次拉拔值；（b） 拉拔速度；（c） 線模半角；（d） 線徑對平均應變率的影響

從給定的曲線圖可以看出，隨著金屬絲直徑的減小，單一應變的減小導致平均應變速率的增加。拉伸速度的提高和線模工作半角度的增加降低了平均應變率。在拉絲速度為40 m/s，拉絲直徑為3 mm 時，單應變為1.17，拉絲模半角為6°時，平均應變率提高到7 500 mm/s。例如，拉伸直徑為1.5～1.9 mm 的電線絲，其平均應變速率為12 000～15 000 mm/s。在上面給出的計算中，對通過變形區域均勻化的應變速率進行了研究。然而，應該指出的是，在推導公式（2）時，在相對較小的線模角度α=8°～16°下獲得的較微小的不均勻變形裕量顯著扭曲了應變速率的實際值。

研究發現，對于實踐中使用的拉拔工藝參數（在低的單次拉拔15%～20%時，在10°～14°的線模操作角度下，以及使用少量技術潤滑劑），線截面存在顯著的應變差異——其位于表面金屬層中。與圖3 中給出的變形局部化相比，表面層中的變形局部化導致實際應變速率的更大增加。反過來，它會增加對塑性強度的抵抗力，從而增加金屬絲模具的磨損。因此，向高速拉伸過渡增加了選擇具有線截面變形不規則性的拉伸工藝參數的重要性。

2 工藝參數對拉拔質量穩定性的影響

2.1 工藝參數對拉拔影響因素

工藝參數對電線電纜生產中高速拉絲拉拔模具穩定性有很大的影響。以下是幾個常見的工藝參數及其影響：

（1） 拉拔速度：拉拔速度是指拉拔模具在單位時間內對工件進行的位移。拉拔速度的增加會導致拉拔模具受力增大，容易引起振動，降低模具的穩定性。（2） 潤滑劑選擇和使用：合適的潤滑劑可以減少摩擦、熱量和壓力，降低模具磨損和溫度升高。不當的潤滑劑選擇和使用可能會導致拉拔模具過熱，甚至損壞。（3） 錐度角度：錐度角度是指拉拔模具錐形部分與工件夾持部分的夾角。不當的錐度角度會導致工件與模具之間的卡緊或滑動問題，影響模具的穩定性。（4） 模具設計和制造質量：模具的設計和制造質量直接影響拉拔質量的穩定性。模具的剛度、平面度、尺寸精度等對工具的穩定性有重要影響。（5） 材料選擇：拉拔模具的材料選擇也會影響其穩定性。材料的硬度、強度、耐磨性等性能對模具的使用壽命和穩定性有重要影響。

2.2 數學模型分析

在之前研究中，借助滑移線法，顯示了不同拉伸條件（線材直徑、牽伸、線材模具角度和摩擦）下變形區應力狀態的質量變化。接下來的工作提出了一個比例值，允許選擇拉伸工藝參數，以確保線截面的均勻變形。

因此，根據線模工作半角和摩擦系數選擇單一變形程度，可以借助圖4 中給出的對準圖來確保線截面的均勻變形。上式比例偏差為

圖4 根據摩擦系數f 和銅絲半角α 確定銅絲截面均勻變形的單變形度值

2.3 穩定性結果分析

側面導致導線表面層中應力類型的變化如圖5所示。

接觸面上的法向壓力值受單次變形程度和線模半角的影響。法向接觸應力隨單次變形程度如圖6（a）所示和線模半角如圖6（b）所示的變化表明，隨著線模半角從6°減小到4°，單個變形程度從15%增加到25%，導致法向接觸應從1.73 減小到1.27，即減小25%以上，因此對模具生產的穩定性有積極影響。

圖6 法向接觸應力與(a)單次變形度和(b)絲模半角的關系

通過對工藝參數與高速拉絲應變速率關系的研究，可知拉絲速度是決定高速拉絲應變速率的主要因素之一。

3 結論

工藝參數包括拉絲速度拉伸力和溫度對高速拉絲應變速率均有影響，通過調節和優化這些參數，可以改變高速拉絲應變速率的大小。工藝參數的調整可以提高產品精度和一致性，增強產品的強度和耐久性，優化產品表觀質量，提升產品工藝性能，減低生產成本及資源損耗。