模角变化对铝包钢丝连续包覆过程的影响

孙印建，樊志新，孙海洋，董 磊

(大连交通大学 连续挤压教育部工程研究中心，辽宁 大连 116028)*

0 引言

铝包钢丝具有优良的物理性能，其耐腐蚀、高强度、钢-铝结合牢固、导电性好、热稳定性高、密度小、屏蔽性好等优点突出［1］，因此被广泛应用与架空地线、铁路电气化输电引线、高压电网输电导线等方面，其具有广阔的市场前景.连续挤压包覆技术可实现连续加工，缩短非生产时间，生产速度快、效率高，产品质量好.在试验和生产过程中，模腔角的变化与产品质量、工模具使用寿命等产生重要影响，本文通过利用DEFORM软件对包覆模腔角进行数值计算和分析，优化铝包钢丝连续包覆过程中的工艺参数，为实际生产提供参考.

1 有限元模型及模角

如图1所示，模型由挤压轮、压实轮、腔体、挡板、挡料块、导向模、包覆模、钢芯和铝杆等构成，导入DEFORM-3D软件中进行连续包覆［2］数值模拟［3-4］.腔体和模具的预热温度为450℃，铝杆预热温度为20℃，钢丝预热温度为400℃［5］.

模腔就是包覆模锥面中心处圆台通孔，如图2(a)所示区域，而模角则是模腔截面投影中心两条斜线之间的角度即2α，如图2(b).模角的大小会对金属的流动产生重大的影响，从而会直接影响到包覆质量、挤压轮及模具使用寿命.所以，本文对包覆模不同模角进行了研究.

图1 连续包覆截面

图2 包覆模的三维图及轴向截面图

2 包覆模芯线的径向力

从包覆模的轴向截面图(图2(b))可以看出，轴对称包覆时芯线中心与模具中心重合，因此可以认为通过模具中心任一截面内材料的变形为平面变形，由于上下对称，用主应力法对其中一部分进行分析，受力分析图如图3.

图3 包覆模腔内基元体上作用力分布

列基元的平衡方程式:

由静力平衡关系得:

σ1=σy，σu=σy+ τutanα

近似塑性和摩擦条件为:

其中:m为摩擦因子.

由以上各式可得:

在截面内，钢丝所受的作用力:

［(r-Ltanα)ln(r-Ltanα)-rlnr+Ltanαlnr］

当钢丝发生偏心时，即r1＞r2，钢丝上下方铝料的流动速度对钢丝的径向作用力不再保持平衡，则:

分析可得:

若要使钢丝中心与模具中心重合，则钢丝偏心将受到向心力F的作用，即F＞0，所以

则

在实际生产中铝具有很强的粘塑性，在模拟中设定摩擦因子为0.9，所以，可计算出钢丝受到向心力作用F半腔角取值范围为0°＜α＜20.5°.对包覆模腔角 10°、20°、30°和40°进行数值计算.

3 不同模腔角模拟研究

模拟中，钢丝的速度必须与包覆模定径带处铝料的挤出速度保持一致，才能良好的完成包覆，则要求在定径带处铝料所受的拉应力接近于0 MPa.本文对内径为6.8 mm外径为9 mm LB30型号的铝包钢丝进行模拟.挤压轮转速为6 r/min，钢丝速度为160 mm/s时，铝料挤出速度最为接近且定径带处拉应力接近于0 MPa.

3.1 不同模角下铝料流动分析

包覆模不同模角下，铝料流动速度大体一致.铝杆经挤压轮，在轮槽中流速均匀，速度为104 mm/s，铝料到达挡料块，由于受到其阻碍作用，速度逐渐减缓.进入腔体及汇合室并充满，由于受到模具的阻碍作用，导致铝料经过了两次90°大变向且塑性状态的铝料容易打滑现象，所以铝料流动速度缓慢大约为20 mm/s左右.在包覆模的挤出过程中，如图4可以看到在靠近钢丝的一侧质点较为密集，流速较快，主要是由于铝料随钢丝移动挤出的过程中，钢丝对铝料的摩擦作用是促进力，有利于铝料的流动.

图4 铝料流动速度示意图

为了更好的表示包覆模定径带处铝料的流动均匀性，对定径带处坯料速度均匀取点，通过流速均方差［6］公式

式中:N为所取定径带处节点数目;viz为所取节点轴向速度;vazve为所取节点速度平均值.

从图5可以看出，不同模角下铝料的流动速度在160 mm/s上下浮动，其中30°和40°上下波动较大，通过计算包覆模模角10°～40°的流速均方差分别为 1.37、1.53、1.77、1.97.导向模与包覆模间隙不变时，包覆模模角变大，铝料流动路径面积变大，不利于金属流动，很容易造成铝料流动不畅，不均匀.所以，角度越小时，流动越均匀.

图5 不同腔角下流动速度

3.2 铝料在定径带处的变形温度

在包覆中，铝料为塑性状态，钢丝处于弹性状态而不能有塑性变形发生.铝的变形温度高，抗力小，塑性流动好，有利于铝料均匀的包覆在钢丝表面上.提高铝的变形温度将明显增加钢铝结合强度，但铝的变形温度不宜超过500℃［7］，因为一方面温度过高，铝过于软化.另一方面，铝温度高，钢铝之间存在热传递，导致钢丝温度过高，容易使钢丝表面氧化，强度降低.包覆模模角在10°～40°时，定径带处铝的变形温度分别大约为475、480、490和502℃.可以看出，角度过大时，由于铝流动不畅，坯料堆积，导致铝的变形温度过高，超过500℃.所以，模角40°下不利于包覆.模角在10°～30°之间，铝的变形温度在480℃上下，大体接近，有利于铝均匀的包覆在钢丝上.

3.3 不同模角对挤压轮的影响

在连续挤压包覆生产中，对挤压轮寿命的影响是一个必须考虑的问题.影响挤压轮寿命有其中两个因素:挤压轮所受的扭矩和挤压轮在挡料快处的温度.挤压轮扭矩越大，其负载越大，挤压轮则越容易断裂.如图6所示，包覆模角在10°～40°时，其挤压轮所受扭矩大约分别为6.49×106、6.42×106、6.61 ×106和6.59 ×106N·mm.可以看出，腔角过大时，铝料在包覆模内流动阻力变大，容易产生滞留或流动不畅，使挤压轮在挤压过程中负荷增大.温度也对挤压轮有重要的影响.若温度过高，一方面，容易使挤压轮内部组织发生变化而无法保证产品的机械性能.另一方面，容易氧化挤压轮表面，使挤压轮强度降低.挤压轮一般采用材料为H13钢，在挤压过程中，包覆模模角在10°～40°时，温度大约分别为195、165、186 和190℃.可以看出，模角为20°时，温度最低，对挤压轮最好.

图6 不同腔角下挤压轮扭矩及温度

3.4 不同模角对包覆模具的影响

铝料经挤压进入腔体，充满汇合室，在随钢丝挤出包覆的过程中，金属的流动会对包覆模产生比较大的载荷，主要集中在包覆模具的圆形锥面上.随着金属的流动，主要受力方向为x轴和z轴.载荷越大，模具承受的压力越大，在模具边缘处越容易产生应力集中，对模具损害越大.x轴和y轴模具所受载荷见表1.

表1 x轴和y轴模具所受载荷

通过上表可以看出，包覆模角为20°和30°时x轴方向所受载荷和y轴方向所受载荷比较小，对模具损害较小，可以延长模具的使用寿命.

3.5 不同模角下铝包钢丝的包覆质量

要获得合格的包覆产品，在定径带处即出模口处必须有足够的钢丝径向载荷和静水压力，这样才能保证钢和铝之间良好的界面结合质量［8］.静水压力也就是平均应力，随着静水压力的增大，一方面可使铝料与钢丝壁之间的摩擦增大，可抑制铝料与钢丝之间的相对滑动.另一方面，可抑制或消除塑性变形引起的微观破坏和变形引起的附加拉应力.所以，静水压力越大时，越容易包覆，包覆质量越好.

图7为不同腔角下静水压力和钢丝径向载荷的变化曲线图，从图中可以看出包覆模角从10°～40°，静水压力大约分别为 10.10、9.85、5.83、4.83，即随着角度的减小，定径带处铝料的静水压力增大，包覆质量上越好.钢丝径向载荷最能反映钢和铝之间的界面结合质量.钢丝径向载荷越大，钢和铝层之间的结合力越大，界面结合越牢固.包覆模角从10°～40°，钢丝径向载荷分别为4 850、4 720、4 610、4 600 N.所以，随着角度的减小，钢丝径向载荷增大，界面结合质量越好.综上所述，包覆质量的好坏取决于静水压力和钢丝径向载荷，随着包覆模角的减小，静水压力和钢丝径向载荷增大，更加有利于提高包覆质量.

图7 不同腔角下静水压力和钢丝径向载荷

4 工程试验及结果

根据DEFORM模拟结果，在实际生产中对不同角度的包覆模进行生产验证.在不同包覆模角度铝包钢丝连续生产试验中，发现包覆模角20°时，产品包覆质量较好，表面光滑，条纹较细.长时间生产，40°的包覆模圆锥面由于受到载荷过大，发生断裂，且产品存在漏包和包覆表面差等现象，30°时也存在不同程度的漏包现象.在试验验证中，包覆模角20°时，包覆效最好.

5 结论

通过不同模角对连续包覆铝包钢丝影响的研究，发现:

(1)包覆模角10°和20°时，金属流动均方差较小，流动比较均匀且钢丝的径向载荷和定径带处坯料的静水压力较大，包覆质量较好;

(2)包覆模角20°和30°时，铝的变形温度较高，最有利于包覆且包覆模具所受载荷最小，对模具损害最少;

(3)从对挤压轮影响上分析，包覆模角20°时，挤压轮所受扭矩最小，温度最低，可最大化的提高挤压轮使用寿命.综上所述，从所有方面考虑，包覆模角20°为最优角度，和工程试验验证相符合.

［1］张书九，莫璋.铝包钢丝制品的工艺特点及市场展望［J］.轧钢，2001，18(6):30-33.

［2］钟毅.连续挤压技术及应用［M］.北京:冶金工艺出版社，2004.

［3］运新兵，宋宝韫，赵颖.异型铜带连续挤压过程的数值模拟研究［J］.塑性工程学报，2008，15(4):142-145.

［4］刘彬彬.连续挤压包覆(CONLCAD)过程的数值模拟［D］.昆明:昆明理工大学，2003.

［5］赵颖，宋宝韫，运新兵，等.平行流铝管连续挤压金属流动的数值模拟研究［J］.塑性工程学报，2007，14(2):58-63.

［6］万萌萌，王延辉.镁合金及纯铝连续挤压流动均匀性对比研究［J］.锻压技术，2013(4):135-139.

［7］宋宝韫，高飞，戴焕海，等.铝包钢丝制造新技术的研究［J］.中国机械工程，2001(3):303-305.

［8］彭孜，张强.不同模型腔角下铜铝复合连续包覆过程的数值模拟［J］.特种铸造及有色合金，2012(8):714-718.