基于有限元仿真的铜材拉拔道次比较

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拉拔模具是线材、管材加工中一种高效率、高效益的加工模具。广泛应用于钢、铜、钨等金属及合金材料的拉拔加工。拉拔后的线材常具有尺寸精度高、表面质量好、机械性能易保证等特点。但由于材料塑性、变形性能及拉拔机能力的限制，线材拉拔常分多道次进行。在实际生产中，为提高生产率，在保证线材质量及模具寿命的前提下，对线材拉拔的道次优化是非常必要的。 多道次拉拔中，材料的冷塑性变形常被认为是单道次拉拔变形的简单叠加。但实际中，若考虑到线材拉拔后残余应力的影响，即使道次变形量相同，多道次拉拔与单道次拉拔也有很大差异。目前，国内外学者对线材、管材的多道次拉拔进行研究，并取得了一些研究成果。 利用二维弹塑性有限元法对铜材的多道次拉拔过程进行仿真，并将实际生产中的多道次拉拔工艺与优化后的工艺进行模拟比较，通过对最后道次拉拔铜材的等效应力、等效应变、最后道次模具等效应力及拉拔后铜材的各向残余应力分析，得到一定拉拔条件下，减少铜材拉拔道次的可能性。对实际多头拉丝机生产效率的提高及拉拔后线材质量改善有重要作用。 1.多道次拉拔配模工艺 双递减法确定的铜材多道次拉拔工艺 在线材拉拔中，考虑到材质塑性随加工道次的增加而逐渐降低，因此希望各道次的延伸系数是呈递减关系变化的。双递减法确定多道次配模的设计过程为：首先，根据线材总延伸系数及由材料和加工方式决定的平均道次延伸系数确定拉拔道次；然后，由拉拔道次及延伸系数增量计算出各拉拔道次的直径减缩系数；最后，利用成品线材直径及各道次的直径减缩系数得到各道次的线材拉拔直径，进而设计各个道次的模具尺寸。 2.模拟结果分析 多道次铜材拉拔中，拉拔后铜材质量主要取决于最后道次的拉拔。铜材拉拔过程中，由于接触面间的摩擦、模具工作锥的挤压及金属加工塑性等因素影响，导致铜材内部的变形及应力分布不均，最终将影响拉拔后铜材的组织性能和机械性能。四道次拉拔时铜材局部的最大等效应变为1.674，而五道次拉拔时铜材的局部最大等效应变为1.768，且五道次拉拔时铜材的等效应变梯度较大。这种大的等效应变梯度将使铜材拉拔中出现变形集中，从而使铜材提前达到塑性变形的极限，影响铜材的拉拔质量。由铜材的网格单元变形也可知，与四道次拉拔相比，五道次拉拔时铜材的网格单元变形较大。较大的网格单元变形将引起铜材内部的各种应力集中，从而大大影响铜材的加工塑性及拉拔后的质量。因此，多道次铜材的拉拔中，要充分考虑道次间的叠加效应。由于道次间叠加效应的存在，五道次拉拔虽有小的道次延伸系数，但与四道次拉拔相比，它更容易造成铜材拉拔后的质量缺陷。 两种工艺模具的最大等效应力都发生在工作锥与定径带的过渡位置。四道次拉拔时，模具的最大等效为895.61MPa，而五道次拉拔的最大等效应力为1092MPa，拉拔中，模具上较小的等效应力分布将会减少模具的磨损，延长模具寿命。 在总延伸系数相同的条件下，双递减法所得的四道次铜材拉拔中，金属流动较五道次拉拔要均匀，且变形较平缓，这将有利于拉拔中铜材的塑性变形及拉拔后铜材的强度、韧性等机械性能。 3.铜材残余应力分析 铜材拉拔中的不均匀塑性变形是产生残余应力的主要原因。铜材拉拔后，表面有少许残余压应力将有利于铜材后续的加工。但若表面残余压应力过大，为获得平衡铜材内部将会产生较大的残余拉应力，这将使铜材内部晶格畸变，甚至产生微裂纹。同时具有较大残余应力的铜材在承受载荷时，内部起作用的应力将是所有应力的代数叠加。因此导致铜材内应力分布极不均匀，甚至使铜材发生塑性变形或断裂。在铜材中心线处，四道次拉拔铜材的径向、轴向残余应力较小。由铜材中心线到外表面方向。四道次拉拔铜材的各向残余应力变化平缓，梯度较小。即由递减法所得铜材四道拉拔将更有利于保证铜材拉拔质量及其后续拉拔加工。 (图/文www.wxlgjx.cn)

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