钢丝湿式拉拔配模工艺对能耗的影响研究

陈学春，周 洁，汤建忠，王 威

（1.江苏兴达钢帘线股份有限公司，江苏 泰州 225721；2.江苏省结构与功能金属复合材料重点实验室，江苏 泰州225721）

钢丝冷拔是在外力作用下，迫使钢丝通过模孔获得相应形状、尺寸产品的塑性加工方法。湿式拉拔是钢丝在润滑液中通过多个模具减径到所需要的单丝产品，这一过程会产生电能的消耗。塑性变形所消耗的总功率通常可以分解为3个部分，即均匀变形功率、摩擦损失功率和多余变形功率[1]。而这些功率的大小均与钢丝塑性变形时的道次压缩率[2]、模具结构、润滑条件等工艺条件有关。通过采用Deform-3D有限元仿真分析，我们发现对钢丝湿式拉拔进行配模工艺设计时，在模具结构和润滑条件不变的情况下，改变道次压缩率会使整体拉拔力产生变化，进而对能耗产生较大影响。

本工作在采用Deform-3D有限元仿真分析的同时，开展实际配模试验，研究湿式拉拔配模工艺对拉拔力和能耗的影响规律，既可为湿式拉拔工艺拓宽节能降耗的工艺设计思路，还可有效获取有限元仿真分析试验难以掌握的信息[3-6]。

1 试验材料

在生产现场选取Φ1.80 mm镀铜钢丝，现有工艺经过21道次拉拔，总压缩率为97.22%，材料的主要化学成分如表1所示。

表1 材料的主要化学成分

2 有限元仿真分析

常规设计模链时的分配原则[7]一般是第1道次的压缩率较小，第2道次的压缩率较大，以后各道次的压缩率逐次递减，成品道次的压缩率最小。现场选取的模链就是如此配模，为原模链A-21P。

有资料[8-11]显示钢丝整个拉拔过程共经过3个阶段的变形：第1阶段为变形初期，真应变较小，拉拔过程中珠光体团的变形以协调为主，片层间距减小比较缓慢；第2阶段为变形中期，珠光体组织的方向性开始明显，部分珠光体片层发生了扭折、弯曲情况，与此同时渗碳体片层进一步细化；第3阶段为变形后期，珠光体片层以较快速度减小，界面强化作用增强，同时位错密度急剧增大，有利于钢丝强度的提高。因此，当真应变较小时，增大道次压缩率是可行的方案。为了与原模链A-21P进行对比，设计了4套模链。保证总压缩率不变，在原模链基础上，固定后10道次的压缩率不变，设计了20道次和19道次对应的模链，分别为设计模链B-20P和设计模链C-19P，如图1（a）所示。按照全模链缩减，也设计了20道次和19道次对应的模链，分别为设计模链D-20P和设计模链E-19P，如图1（b）所示。为研究不同配模工艺对钢丝拉拔力的影响规律，借助有限元软件进行分析。

图1 不同模链的道次压缩率-真应变关系曲线

从图1可以看出，在总压缩率不变的情况下，减少模链数量，真应变相同，单个道次压缩率增大。由图1（a）可见，总压缩率不变，并固定后10个道次压缩率不变，改变前面的模链数量，真应变相同，前几个道次的压缩率上升，且较明显。由图1（b）可见，总压缩率不变，全模链数量改变，真应变相同，总体各道次的压缩率均有上升，但不如图1（a）明显。

2.1 模型参数

钢丝多道次拉拔的工艺参数如表2所示，常规模链为21道次，设计模链为20道次和19道次。

表2 钢丝多道次拉拔的工艺参数

2.2 模拟结果及分析

不同模链的各道次钢丝的拉拔力-真应变关系曲线如图2所示。

图2 不同模链各道次钢丝的拉拔力-真应变关系曲线

从图2可以看出，随着道次的增加，钢丝的拉拔力整体呈降低趋势，说明钢丝直径越小，所需的拉拔力越小。从图2（a）可以看出：固定后10道次的道次压缩率不变，模拟得到的3种模链对应的拉拔力几乎不变，说明钢丝直径和道次压缩率固定时，所需的拉拔力也是固定的；整体来看设计模链B-20P和设计模链C-19P的拉拔力-真应变曲线均高于原模链A-21P，说明在总压缩率不变的情况下，减少道次数量，使得道次压缩率增大，所需的拉拔力也增大。从图2（b）可以看出：整体来看还是道次压缩率越大，对应的拉拔力-真应变曲线越高（设计模链E-19P）；3种模链的拉拔力-真应变曲线值相差较小，说明在总压缩率不变的情况下，减少道次数量，按照全模链缩减后的配模设计方案可以使得拉拔力增大的幅度减小。

3 试验验证

3.1 试验目的

根据有限元仿真分析结果，在其他生产条件不变的情况下，实际配模工艺设计试验需要研究两个问题：一是通过增减配模数量，在各道次压缩率均匀分布的情况下，不同配模数量的工艺设计对能耗的变化趋势；二是固定配模数量，以每5个模具为一组进行递增，压缩率推移情况下能耗的变化趋势（在21模的基础上进行更改）。

3.2 试验设计

（1）硬件条件。生产设备：TB4型湿拉机床；能耗测量设备：FLUCK435B型电能质量分析仪；原材料：Φ1.80 mm表面镀铜钢丝；产品：Φ0.30 mm表面镀铜钢丝。

（2）全模链分配压缩率的配模设计方案。模具数分别为：17，18，19，20，21（常规），22和23只。

（3）同一模链下每5个模具一组递增压缩率推移的配模设计方案如表3所示。

表3 递增压缩率试验配模设计方案

3.3 试验结果及分析

3.3.1 全模链分配压缩率条件下能源消耗的分布规律

根据前述设计方案进行试验，实际测试了拉拔1 t钢丝所消耗的电能，如图3所示。

从图3可以看出，随着模具数的增加（从17只增加到23只），能耗逐渐减小。当模具数相同时，拉拔速度越大，所消耗的电能越小；但当模具数超过一定值后，拉拔速度对能耗的影响越来越小。因此，合理匹配模具数和拉拔速度对降低能耗具有重要意义。

图3 全模链分配压缩率条件下的能耗变化趋势

3.3.2 模具数不变时递增压缩率推移条件下能源消耗的分布规律

根据表3的设计方案进行试验，测试了19模和20模对应的能耗数据，如图4所示。

图4 递增压缩率推移条件下的能耗变化趋势

从图4可以看出：在相同模链下，拉拔速度越大，能耗越小；在相同拉拔速度下，方案19-1和20-1对应的能耗最小，说明在总压缩率和模具数不变的情况下，配模设计中前几道次的压缩率增大，会使能耗降低。

综上所述，在湿式拉拔钢丝进线直径和出线直径保持不变的情况下，对模链进行调整会使生产能耗发生明显的变化。模具数由少增多时，单位能耗会由大变小；模具数不变的情况下，压缩率从前向后推移时，单位能耗会由小变大。

4 结论

在节能降耗途径中，工艺节能比进行设备更新改造所需投入更少，见效更快且成效更高。利用有限元模拟分析研究湿式拉拔配模工艺对能耗的影响具备一定的可行性，试验结果与理论模拟分析结果比较吻合，可以为湿式拉拔工艺或相近的金属拉拔工艺节能降耗提供参考。

（1）模拟分析结果显示，在钢丝多道次拉拔过程中，随着道次的增加，拉拔力整体呈下降的趋势。而试验结果表明，当模具道次增加时，单位产品能耗随之下降，能源利用效率提高。

（2）受限于设备本身构造，不可能无限增加拉拔道次和增大拉拔速度，从试验结果来看，在现有设备基础上要减小拉拔能耗，最有效的方法是将道次压缩率尽量前移，在满足产品品质的同时尽可能降低单位产品能耗。