线材拉拔有限元分析结果优化

1）线材应力分析

如图5-7所示为拉拔过程中的线材的轴向应力分布云图。测量线材上距离轴心不同位置上的点，即得到轴向应力随时间变化的曲线，如图5-8所示（R为线材的外径，r为观测点所在位置距轴心的距离，r/R从0到1表示从轴心到外表不同的点）。在线材与模具压缩区接触之后，由于受到压缩区的挤压，线材的外表面处于轴向压应力的状态，内部产生轴向的拉应力。进入定径区之后，线材在拉拔力的作用下，轴向应力沿着直径方向出现不均匀的分布，最大的拉应力出现在线材的外表面，向内逐渐减小，达到线材中心处产生较大的轴向压应力。当定径区线材外表面的轴向应力过大时，线材表面容易产生横向的裂纹，影响产品的质量，严重时甚至会出现“断丝”的现象，不仅会造成材料的浪费，而且会极大地降低金属线材生产的效率。

图5-7　线材上的轴向应力分布

（a）铜；（b）铝；（c）不锈钢；（d）低碳钢

图5-8　线材上不同位置的轴向应力随时间变化的比较

（a）铜；（b）铝；（c）不锈钢；（d）低碳钢

如图5-9所示为线材拉拔过程中的径向应力分布，测量线材上距离轴心不同位置上的点，即得到径向应力随时间变化的曲线，如图5-10所示。由于受到模具压缩区的挤压，线材处于压应力的状态。进入定径区之后，线材的外表面的应力值比较小，内部为压应力的状态，径向应力在线材截面上的分布是不均匀的。

如图5-11所示为拉拔过程中的线材的环向应力分布。测量线材上距离轴心不同位置上的点即得到环向应力随时间变化的曲线，如图5-12所示。在线材与模具压缩区接触之后，由于受到压缩区的挤压，线材处于压应力的状态，外表面的压应力的值最大。进入定径区之后，线材在金属弹性回复的作用下，环向应力沿着直径方向出现不均匀的分布，最大的拉应力出现在线材的外表面，向内逐渐减小，达到线材中心处产生环向压应力。当定径区线材外表面的环向应力过大时，线材表面容易产生纵向的裂纹，影响产品的质量。

图5-9　线材上的径向应力分布

（a）铜；（b）铝；（c）不锈钢；（d）低碳钢

图5-10　线材不同位置的径向应力随时间变化的比较

（a）铜；（b）铝；（c）不锈钢；（d）低碳钢

如图5-13所示为拉拔过程中的线材及金刚石薄膜涂层拉丝模具的von-Mises等效应力分布。测量线材上距离轴心不同位置上的点即得到von-Mises等效应力随时间变化的曲线，如图5-14所示。当线材进入压缩区之后，线材上的von-Mises等效应力逐渐增大，在达到压缩区末端，即进入定径区之前，应力值达到最大。进入定径区之后，线材中心处的von-Mises应力值开始减小，而外表面的von-Mises应力值减小的幅度则相对比较小，在径向方向上，von-Mises应力的分布呈现出不均匀的状态。

图5-11　线材上的环向应力分布(www.xing528.com)

（a）铜；（b）铝；（c）不锈钢；（d）低碳钢

图5-12　线材不同位置的环向应力随时间变化的比较

（a）铜；（b）铝；（c）不锈钢；（d）低碳钢

图5-13　线材上的von-Mises等效应力分布

（a）铜；（b）铝；（c）不锈钢；（d）低碳钢

图5-14　线材不同位置的von-Mises等效应力随时间变化的比较

（a）铜；（b）铝；（c）不锈钢；（d）低碳钢

2）模具应力分析

如图5-15所示为金刚石薄膜涂层拉丝模具在线材拉拔过程中所受的von-Mises等效应力分布云图。从图上可以观察到，在模具的压缩区末端，即压缩区与定径区过渡圆弧的位置上出现应力集中的现象。如果此处的应力值过大，会引起金刚石薄膜涂层过早剥落，导致金刚石薄膜涂层拉丝模具失效，缩短工作寿命。

图5-15　线材拉拔过程中模具上的von-Mises等效应力分布

（a）铜；（b）铝；（c）不锈钢；（d）低碳钢

3）拉拔力分析

将拉拔力提取出来得到拉拔力与时间的关系如图5-16所示。从图中可以看出在拉拔过程中，拉拔力是不断变化的。拉拔过程可以大致分为初始接触阶段、稳定拉拔阶段、脱模阶段。在初始接触阶段，当金属线材刚与压缩区接触时，开始发生变形，随着接触面积的增加，变形量也开始增加，拉拔力就随之增加。进入稳定拉拔阶段，金属的流动趋于稳定，变形量也逐渐稳定，拉拔力的变化也趋于减弱，可以把这个阶段的拉拔力的平均值作为此次拉拔过程的拉拔力。在脱模阶段，拉拔力逐渐减小。

图5-16　拉拔力随时间变化