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)
鋁導(dǎo)線一般用于長距離架空傳輸電能,所以對于鋁導(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)線另外兩個重要性能是強度和延伸率,鋁導(dǎo)線在空中懸掛時要承受自身重量和風(fēng)力,如果強度和延伸率足夠大,不僅能夠延長使用壽命,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)過連鑄連軋、冷軋和拉拔成形過程[2]。拉拔作為導(dǎo)線加工的最后一個道次的變形方式,對導(dǎo)線的導(dǎo)電率、強度和延伸率的影響非常大[3]。鋁導(dǎo)線在拉拔過程中會產(chǎn)生塑性變形,在微觀組織上看,晶粒內(nèi)部會產(chǎn)生位錯,晶粒也會發(fā)生轉(zhuǎn)動形成沿著長度方向的絲織構(gòu)。位錯的產(chǎn)生和織構(gòu)的形成會增加鋁導(dǎo)線的強度,但位錯的產(chǎn)生會降低鋁導(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)計時也會調(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)純鋁桿為研究對象,采用數(shù)值模擬拉拔過程的方式,分析對比截面比、模具入口角度和摩擦條件對拉拔后線材變形情況的影響。
線材過程模擬采用DeForm 軟件。由于線材和模具在幾何和變形上都屬于軸對稱布置,為了提高模擬速度,線材拉拔過程模型簡化為軸對稱方式建模,線材材拉拔過程簡化模型如圖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的線材為研究對象,設(shè)計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程如表2。
表1 模擬方案
表2 不同截面比的直徑變化
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比(截面比1.30入口角度15°,摩擦系數(shù)0.1)
在摩擦系數(shù)為0.1,入口角度15°時,對比不同截面比對拉拔后變形的影響。圖4(a)為經(jīng)過不同截面比方案拉拔后的線材應(yīng)變沿長度方向變化,圖4(b)為經(jīng)過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
在截面比為1.30,入口角度15°時,對比不同截面比對拉拔后變形的影響。圖5(a)為經(jīng)過不同摩擦系數(shù)拉拔后的線材應(yīng)變沿長度方向變化,圖5(b)為經(jīng)過不同摩擦系數(shù)拉拔后的線材應(yīng)變沿徑向變化。由圖可知,摩擦系數(shù)對尾部應(yīng)變幾乎不產(chǎn)生影響,對頭部應(yīng)變產(chǎn)生較小的影響。摩擦系數(shù)越大,頭部等效應(yīng)變越低,分別經(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。
在截面比為1.30、摩擦系數(shù)為0.1 時,對比不同入口角度對拉拔后變形的影響。圖6(a)為經(jīng)過不同入口角度拉拔后的線材應(yīng)變沿長度方向變化,圖6(b)為經(jīng)過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。
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程,分析不同參數(shù)對拉拔后線材變形的影響,得出以下結(jié)論:
(1)拉拔過程中線材中心主要發(fā)生拉伸變形,表層同時發(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。