铝合金导线拉拔成形有限元分析及其工艺研究
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论…………………………………………………………………1
§1.1 拉拔技术发展的历史..................................................................................1
§1.2 拉拔成形技术的发展..................................................................................2
§1.2.1 拉拔成形技术的发展现状…………………………………………...2
§1.2.2 数值计算在拉拔成形中的应用……………………………………...4
§1.2.3 拉拔技术的发展趋势………………………………………………...6
§1.3 拉拔成型的研究方法..................................................................................7
§1.4 拉拔的影响因素…………………………………………………………10
§1.5 本课题的主要研究内容及方法................................................................11
§1.5.1 主要内容……………………………………………………………11
§1.5.2 研究方法…………………………………………………………….11
第二章 导线拉拔塑性成形的有限元基本理论……………………………13
§2.1 有限元计算方法........................................................................................13
§2.2 有限元模型的建立....................................................................................14
§2.3 刚塑性有限元法的基本假设....................................................................15
§2.4 塑性成形中的力学基本方程....................................................................15
§2.5 刚塑性有限元法的变分原理....................................................................18
§2.6 刚塑性有限元法的求解列式....................................................................20
§2.7 塑性成形有限元软件的介绍....................................................................21
§2.7.1 Deform 的发展介绍……….…………………………………………21
§2.7.2 Deform 有限元分析软件的功能…………………………………23
§2.7.3 Deform 系统结构…………………………………………………23
第三章 铝合金导线拉拔成形的基础………………………………………25
§3.1 铝合金导线拉拔的变形参数....................................................................25
§3.2 铝合金导线拉拔的基本要求....................................................................25
§3.3 拉拔应力与拉拔变形................................................................................26
§3.3.1 拉拔时的应力………………………………………………………26
§3.3.2 拉拔时的导线内部变形……………………………………………27
§3.4 拉拔成形的模具........................................................................................28
§3.4.1 拉拔成形的配模…………………………………………………….28
§3.4.2 模具的几何形状…………………………………………………29
§3.4.3 模具的材料及铝合金导线的材料………………………………30
§3.4.4 拉拔配模设计准则………………………………………………….33
§3.4.5 拉拔模具的特点…………………………………………………33
§3.5 拉成形工艺的基本流程............................................................................35
第四章 铝合金导线拉拔成形的有限元数值计算……………………………37
§4.1 铝合金导线材料的本构关系....................................................................37
§4.2 稳态条件下的控制方程............................................................................38
§4.3 稳态铝合金导线拉拔的力学方程............................................................38
§4.4 拉拔成形的物理数学方程的建立............................................................39
§4.4.1 初始条件及边界条件……………………………………….………44
§4.5 有限元数值计算的收敛判据....................................................................48
§4.6 拉拔成形的有限元仿真............................................................................49
§4.6.1 拉拔模具几何角度的优化及其数学模型的建立………………….50
§4.6.2 拉拔模具几何形状的优化计算……………………………………51
第五章 铝合金导线拉拔成形的试验………………………………………58
§5.1 试验目的....................................................................................................58
§5.2 试验方案....................................................................................................58
§5.3 试验过程....................................................................................................63
§5.4 实验结果....................................................................................................64
第六章 结论与展望……………………………………………………………65
§6.1 结论............................................................................................................65
§6.2 展望............................................................................................................65
参考文献............................................................................................................ 68
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果……………………....71
致谢…………………………………………………………………………..72
摘 要
铝合金导线是电力传输系统中不可缺少的组成部分，也是电材工业的重要产
品之一，每年都有各种规格的铝合金导线大量生产，但是受理论基础和研究方法
的限制，目前铝合金导线的拉拔工艺大部分仍然采用以经验为主的试验法制定，
产品质量难以保证。而随着有限元法和计算机技术的发展，利用计算机模拟铝合
金导线拉拔成形的过程，从而可以发现拉拔中所存在的问题，实现对拉拔工艺以
及拉拔模具的有效改进。
由于铝合金导线拉拔成形过程是一个极其复杂的物理过程，它包含着几何非
线性、材料非线性和边界非线性，是一个大变形塑性成形过程，传统的解析法由
于数学上求解过程的困难难以得出有效的解，难以分析实际生产中复杂的成形过
程。但是计算机技术的发展和数值计算方法的完善，有限元数值模拟技术成为金
属塑性成形问题中广泛应用的数值分析方法。
本文首先调查了铝合金导线拉拔成形的国内外研究状况，分析了铝合金导线
拉拔过程中金属的变形流动特征，系统阐述了刚塑性有限元基本理论，从变分原
理出发，建立刚塑性数值分析方法的理论框架，并推导拉拔成形过程中的物理数
学方程。在拉拔过程中，影响拉拔成形的因素有很多，本文将以模具的几何形状
为优化变量，以实现拉应力最小化为优化目标，并进行几何形状优化的仿真实验，
从而得出几何模具的最优化形状。最后根据仿真优化的结果，来进行模具的加工，
并进行拉拔成形的实验，通过实验的结果来验证几何模具优化仿真的可靠性。
关键词：刚塑性 有限元 拉拔成形 数值仿真
7
ABSTRACT
Aluminum alloy conductor is an indispensable part of industrial production, a great
variety of aluminum alloy conductors therefore are produced every year. However, as
being constrained by the theory and research methods, the current drawing process of
aluminum alloy conductors adopts still mostly the method of experience-based test, so
the product quality is difficult to guarantee. With the development of the finite element
method and computer technology, making use of computer to model the process of
aluminum alloy wire forming can help us find out the problems in drawing process, and
then help to improve the drawing process and drawing model.
As the process of the simulation of aluminum alloy conductor forming involves
non-linearity of geometry, material and boundary condition, the complicated forming
process can not be analyzed easily by the traditional analytical methods. With the reason
of mathematic difficulties, the traditional analytical methods can’t give effective
solutions during the solving process, and can’t analyze the practical complicated
forming process. As computer technology is developing day by day and numerical
methods tend to reach perfection, the application of the finite element simulation
method has been the most popular and widely used method in the field of metal
forming.
This thesis firstly investigates aluminum conductor drawing process’ situation at
home and abroad, analyzes metal deformation’s flow characteristics during the process
drawing of aluminum wire, and systematically elaborates the basic rigid-plastic finite
element theory. And then, the thesis, from the variational principle, establishes the
numerical analysis system of rigid plastic theory. After these, it derives the physical
mathematical equations of the drawing forming process. In the drawing process, the
drawing forming was impacted by many factors. The thesis will be taking the mold’s
geometry shape as the optimal variables, achieving the minimization of tensile stress as
optimization goal, do the simulation experiments of the optimized geometry, and finally
arrive at geometric mold’s optimized shape. Finally, based on the results of optimization
and simulation, the thesis arrives at the process of the mold’s processing, the
experiments of drawing process, and these experiments’ results are used to verify the
reliability of geometric mold’s optimization simulation.
Key words: Rigid-plastic, FEM, Drawing Deforming, Numerical Simulation
第一章 绪论
1
第1章 第一章 绪 论
近年来，我国经济的发展更注重区域平衡性和全面性发展，特别是国家大力
支持中西部的发展与崛起，这必然带动西部发展对能源需求的大幅提升。特别是
电力方面，由于西部地区能源基地相对于东部地区电力负荷中心距离遥远，因而
输送电力需要大量的电线电缆。
高压输电导线主要材料为铝。铝是世界上最丰富的金属，它占整个地壳总质
量的 7.45％，铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，而在金属元素中
位居第一位，是居第二位的铁含量的 1.5 倍，是铜的近 4 倍。铝是具有银白色有
光泽的金属，它的密度 2.702 克/立方厘米，熔点为 660.37℃，沸点为 2467℃。
具有良好的导热性、导电性和延展性。铝是一种活泼金属元素，但在空气中其表
面会形成一层致密的氧化膜，使之不易与氧、水继续氧化作用。
改革开放以来，我国铝合金导线生产行业得到飞速发展，在品种和质量方面
也有很大的提高，基本能够按照国际先进标准组织生产。从产量上看，我国已经
是世界线材生产大国，但从质量上看还远不是铝合金线材生产的强国，在品种结
构、产品质量上与世界工业发达国家还有一定差距，高、精、尖优质线材还需要
依靠进口，消耗大量的外汇[1][2]。
§1.1 拉拔技术发展的历史
拉拔成形属于冷塑性加工，是金属管材、棒材、型材和线材加工的主要工艺
方式之一，即在外力作用下，使金属坯料通过模孔，以获得与模孔截面尺寸、形
状相同的制品的塑性加工方法称之为拉拔，如图 1-1 所示。
图1-1 拉拔原理图
拉拔的分类，根据截面的不同可分为实心拉拔和空心拉拔。与其他的金属塑
性加工方法相比，拉拔具有以下的特点：
铝合金导线拉拔成形有限分析及工艺研究
2
拉拔制品的尺寸精度高，表面光滑且质量高。
冷塑性加工有利于金属的晶粒细化，在塑性加工后进行相应的热处理工艺，
更有利于产品的综合性能提高。冷塑性加工适合于连续高速生产截面比较小且长
的金属制品，且所用的生产工具与设备简单，维护方便。
按有无模具的应用，拉拔成形可分无模拉拔和有模拉拔。而通常所指的拉拔
成形为有模具拉拔。
拉拔制品按截面形状，可以分为实心拉拔与空心拉拔。实心材拉拔主要包括
棒材、型材及线材的拉拔；空心拉拔主要包括圆管及异型管材的拉拔。
空心拉拔主要有以下几种方法：
(1) 空拔。拉拔时，管坯内部不放芯头，以减小外径为目的，壁厚一般会略有
变化。
(2) 长芯棒拉拔。将管坯自由地套在表面抛光的芯杆上，使芯杆与管坯一起拉
过模孔，以实现减径和减壁。芯杆的长度应略大于管子的长度，在拉拔一道次之
后，需要用脱管法或滚轧使之扩径的方法取出芯杆。
(3) 固定短芯棒拉拔。拉拔时将带有芯头的芯杆固定，管坯通过模孔实现减径
和减壁。
(4) 游动芯头拉拔。在拉拔过程中，芯头不固定在芯杆上，靠本身所特有的外
形建立起来的力平衡被稳定在模孔中。与固定短芯棒拉拔相比，游动芯头拉拔难
度大，工艺条件和技术要求较高，配模有一定限制，故不可能完全取代固定短芯
棒拉拨。
(5) 扩径拉拔。管坯通过扩径后，直径增大，壁厚和长度减小。这种方法主要
是在设备能力受到限制而不能生产大直径的管材时采用。
§1.2 拉拔成形技术的发展
§1.2.1 拉拔成形技术的发展现状
金属拉拔技术是传统的压力加工方式之一，并且经历了上千年的发展[3-8]，而
在20 世纪初得到了大规模应用。近代拉拔理论主要是在 20 世纪 20 年代发展起来
的，20 年代韦西森贝尔(Weissenberg siebel)发明了反张力拉拔法[9]，由于反张力的
作用，拉丝模的磨损大幅度减少，同时还改善了制品的综合力学性能。
近年来，许多学者对传统拉拔工艺进行了改进，开发出来许多新的拉拔方法，
如强化润滑拉拔法、附加振动拉拔法、应用旋转整体模的应用、在液体摩擦状态
下各种方式的拉拔、电塑拉拔、滚动模拉拔、无模拉拔、压力模拉拔以及各种各
第一章 绪论
3
样以上各种拉拔方式的组合，同时还展开了高速拉拔的研究。哈尔滨工业大学孟
晓峰等人对内螺纹管拉拔过程中内凸筋成形机理和形状畸变机理进行了研究，提
出了倒锥形芯棒拉拔内螺纹管工艺，并且实验研究了芯棒倒锥角和芯棒长度对凸
筋高度、畸变程度以及拉拔力的影响规律[10-11]。吉林工业大学杨慎华，寇淑清等以
汽车交截面板簧片为例，对辊拔新工艺原理、辊拔变形特点以及辊拔工艺参数对
变形过程的影响等进行了系统的研究[12]。中国科学院李章刚和李冰等人开发出“铜
合金管材铸轧工艺专家系统”，实现了铸轧工艺中水平连铸、三辊行星轧制和游动
芯头拉拔三个工序智能化工艺设计，解决了铜管加工过程中的实际问题[13]。安徽
工业大学王广德[14]等对芯棒位置不同对管材内径尺寸精度影响的规律进行了研
究。锦州焊管厂樊立奎[15]研究了在空拉、固定芯头拉拔和游动芯头拉拔三种状况
下拉拔模具定径区摩擦力对拉拔力的影响，并推导出合理的拉拔力计算公式。日
本住友金属公司开发了带台阶顶头的超平滑拉拔技术，采用该技术生产的不锈钢
管其内表面粗糙度、发生尘埃指标均与电解研磨管相当，且制作成本大大降低[2]。
Gulyayev, Germady. I 等研究了在断面延伸系数达到 1.5-2 时的薄壁管的游动芯棒拉
拔成形工艺，分析了各种工艺参数对拉拔力的影响，以及薄壁管成形后纵向校直
时各种工艺参数的作用[16]。Wang KL 与Argyropoulos V 对传统多边形截面棒材冷
拔工艺进行了分析和改进，设计出用于六边形和方形棒材的梅花形冷拔模，显著
提高了生产效率和产品质量，降低了制造成本[17]。Akiyarna 和M.Kuboki 采用轴对
称弹塑性有限元法计算和实验测量相结合的方法对张力进行优化，从而达到降低
残余应力[18]。
我国自六十年代中期起开始大规模系统研究铝合金导线，涉及研究工艺配方、
流程、专用设备、测试技术、架设运行等，至今已经历了 40 余年，积累了大量经
验，并形成了独具特色的若干技术，其中铝合金导线的某些性能指标已达国际先
进水平，对铝合金导线拉拔的几个影响因素，如拉丝机的研发，润滑油的研制及
模具的研发都有长足的进步。目前我国铝合金导线的年生产能力已达上万吨，导
线的拉拔生产朝高速化生产发展，已有厂家的生产速度可达到十几米每秒。进入
2l 世纪后，中国已经成为线材制品的生产大国，但是与线材生产和制品的强国相
比，我们还存在着一定的差距，主要从以下几个方面表现出来：
1) 线材的生产和金属制品的企业虽然多，但是经济规模小，经济效益不理想；
2) 产品数量多，但是产品的质量低，绝大多数企业以高能耗、低产出的方式
经营，消耗大量的能源和动力只换取微小的利润，不具备可持续发展的长远战略
规划；
3) 生产工序复杂，连续化和自动化生产线少。许多国有企业都是国家“三
铝合金导线拉拔成形有限分析及工艺研究
4
线”建设时引进的欧洲、日本上个世纪五、六十年代的生产设备，和现在国外自
动化程度高的生产线相比，技术力量相对比较落后；
4) 企业职工队伍技术素质偏低，劳动生产率不高。
特别是经济全球化，金融一体化后，国内众多企业面临国际国内的双重竞争。
引进国际先进技术和装备，加快和提高我国制品行业的发展是非常必要的[19]。
§1.2.2 数值计算在拉拔成形中的应用
国内外不少学者都对拉拔成形进行了有限元应用的研究，尤其是在进入 20 世
纪 90 年代后，传统的塑性加工理论与计算机技术越来越密切的结合，有限元数值
模拟技术已经被广泛地应用到拉拔工艺中。同时无模拉拔的技术也同样得到了较
快的发展，且其应用的范围也在逐步扩大。
随着计算机的发展，金属材料在拉拔变形过程中的应力应变量、场变量、温
度分布等，都可以利用计算机进行仿真得出不同的变量在不同时刻的分布情况。
在应力应变场变量计算方面，燕山大学的杜风山[20]采用力学相似理论和有限元法
相结合，建立了钢管拉拔成形的模型与原型的对应关系，取得了钢管原型各点的
场变量分布，为提高钢拉拔成形技术提供了指导作用。北京钢铁研究总院韩宝云[21]
等针对钢管中式模和苏式模的空拔过程进行了大量模拟，得到了各种主要参数的
数学模型，研究了应力变形分布特点，分析了各种参数的影响规律。Kuboki[22]等
采用数值模拟方法研究屈服应力、杨氏模量和加工硬化率等参数对冷拔后，尤其
是光整拉拔工序后轴向残余应力分布的影响，并使用萨氏残余应力测定法测定高
碳钢、中碳钢、铜和铝等棒材冷拔后的残余应力，发现与模拟结果相吻合，最终
发现加工硬化率对残余应力的影响最为显著，得到光整拉拔的最优条件。权国政
[23-24]针对铝合金管由圆形截面变形至矩形截面的两道次拉拔过程，相应建立了空
拉拔和带芯头拉拔工艺的运动模型及弹塑性有限元模型,并进行了相关拉拔不同
角度拉拔应力模拟分析。
在拉拔过程中，拉拔速度、接触摩擦系数以及摩擦产生的温度传导分布情况
对拉拔成形质量有重要的影响[25-26]。周亚军[27]根据刚塑性有限元理论，基于有限
元分析软件 Deform-3D，模拟铜扁线的拉拔成形过程，建立铜扁线拉拔的刚塑性有
限元模型，并对拉拔过程进行模拟仿真，得出温度场和等效应力等完整信息，以
及摩擦系数和模角对拉拔力的影响曲线，为改进拉拔工艺与模具形状提供了理论
指导。周杰[28]对铝合金圆管空拉拔过程中进行了温度场仿真研究，根据塑性成形
中的热力耦合效应，建立了铝合金圆管空拉拔过程中热耦合计算的有限元模型，
通过模拟仿真获得了拉拔过程中模具和管子温度场的分布与模具最高温度分布和
摘要：
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目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论…………………………………………………………………1§1.1拉拔技术发展的历史..................................................................................1§1.2拉拔成形技术的发展..................................................................................2§1.2.1拉拔成形技术的发展现状…………………………………………...2§1.2.2数值计算在拉拔成形中的应用…………………...
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作者：高德中
分类：高等教育资料
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时间：2024-11-19
