电缆工艺原理讲义

电缆工艺讲义哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电气绝缘与电缆教研室第一章 绪论一、本课程的任务名称：电缆工艺原理工艺：生产的技术和方法。他是研究生产过程中人与机器、机器与机器、材料、产品与机器之间相互关系的科学。工艺原理：本课程重点讲授电缆生产过程，也就是工艺过程中的原理，而不是具体的工艺。当然有具体的例子。我们是在实际工作中运用这些原理，分析、解决具体问题。（特别强调原理）任务：1、掌握电缆生产过程（工艺过程）的基本知识。如：工艺过程、技术原理、方法和参数。2、培养学生的能力。注重工程能力。二、本课程的内容1、导体制造熔炼：冶金学、金属物理学。轧制：金属塑性成形原理、轧制理论。酸洗、扒皮：拉线：金属塑性成形原理、拉制理论、拉线模、拉线机原理及配模。退火（韧炼）：金属物理学、退火原理。镀涂：金属化学、电解化学。绞线：几何学、绞合原理、绞合参数、绞线结构、绞线性能、单线变形。2、高聚物绝缘和护套制造橡料加工：塑炼、混炼。混炼理论。塑料加工：高聚物挤出：流变学、挤出机组、挤出机结构和参数、挤出理论。硫化：交联电缆绝缘的制造：交联方法、原理、工艺问题。涂漆：3、成缆4、保护层制造金属护层制造：挤压、焊接。绕包：绕包方式、参数间关系和确定。编织：编织参数及相互关系。装铠：5、模具设计三、工艺课的特点1、实践性：知识来源于实践，学习需要一定的实践知识。2、实用性：工作直接应用性强。3、综合性：多学科综合运用。四、电缆生产技术的发展特点1、单机日益完善，向高速、多头、高效发展。拉线：60m/s 挤出：3000m/min 绞线：400r/min2、生产日益连续化。提高劳动生产率，减少工序间堆放、占地面积和劳动强度。3、不断运用各领域新技术和新材料。光纤，超导。4、标准化、系列化、通用化。从材料、设备（配套设备）产品以及生产工艺几乎都标准化、系列化、通用化。这给研发、生产及应用提供很大方便，避免大量重复劳动。常用标准如下：GB（国标）、IEC（国际电工委员会）、ASTM（美国）、DIN（德国）、BS（英国）、JIS（日本）。第二章 金属塑性成型原理第一节 金属塑性变形的力学基础一、力的基本概念物体受力，若不平衡就产生加速运动。我们已学过质点或刚体的受力运动，但现在将研究的是物体塑性变形，为达到塑性变形，物体也必须受力，且必须达到一定条件。物体受力若不平衡，就要运动，产生不了塑性变形。一般外部物体、模具必须共同给物体作用力，物体受力平衡，使物体内部有力作用，并达到一定条件，物体才可能发生塑性变形。外力：外部施加给物体的力。如：拉线的拉力、模具的阻力。内力：由外力作用，物体内部产生的力。外力的种类：如果忽略物体的重力和惯性力，物体所受外力有三种。1、作用力：一般由运动机械主动施加给物体的力。如拉线机拉线轮的拉力。2、反作用力：物体受到作用力作用，就有运动趋势，加工模具就给物体施加一个力，以阻碍其运动趋势，这就是反作用力。反作用力一般总是垂直加工模具与加工物体接触表面，指向被加工物体中心。强调运动学的反作用力与现在的反作用力的区别。3、摩擦力：变形物体与模具之间产生的摩擦力。强调拉制与轧制的摩擦力方向、用途。物体受到内力，原子之间就会产生相互作用力。衡量其作用效果用应力。应力：物体单位面积所受的内力。应力的求法：下面物体受到n个外力作用处于平衡状态，物体内部任意一点Q的应力如下求得：过Q点做任意平面A，去掉任意部分，在A面加上一些力（实际是所受内力）与剩余部分外力平衡，这样就求得A面的内力及其分布，由此求出Q点的应力，此应力称为全应力。为研究方便，把全应力分解为垂直平面A和平行平面A的两个应力。正应力：垂直平面A的应力，用N表示。切应力：平行平面A的应力，用表示。从上面求法可知：平面A的取法不同，全应力也可能不同，可能存在某一平面A，其只存在正应力，而无切应力。二、主应力和主应力状态图应力状态：金属无论外力怎样作用，若其内部产生内力，就存在应力，就说金属处于应力状态。为表示金属某点Q的应力状态，以Q点为坐标原点，取适当三维直角坐标系，使三个坐标轴为法线的三个面只有或无正应力，而无切应力。三个轴叫主轴，三个面叫主平面。三个面上的正应力叫主应力，用1，2，3表示。已证实，任意应力状态都可用以找到适当坐标系，使主平面上存在主应力。主应力状态图：在塑成型原理中，为定性说明金属的应力状态，常用一个图注明三个主应力的方向（拉伸、压塑），而不注明其大小，没有不标注，这样的图称为主应力状态图。同时也可规定：拉应力为“+”，压应力为“”，没有为“0”。如下图：主应力状态图的种类：主应力状态对金属塑性的影响：金属处于应力状态不同，表现出的塑性也不同。在其他条件不变时，拉应力个数越多，数值越大，金属塑性越差；压应力个数越多，数值越大，金属塑性越好；为此，塑性最差为三向拉伸，塑性最好为三向压塑见上图。第二节 金属单晶体塑性变形一、金属的晶体结构所有的固体金属都是晶体，那什么是晶体呢？晶体：原子在空间按一定的几何规律作周期性排列的固体。晶格：为表示金属各原子在空间排列的几何规律，用直线将各原子连接起来，这样构成的空间格子。晶胞：反映晶体几何特征的最小单元。单晶体：位相相同的一群晶胞聚集在一起而构成的晶体。也就是说单晶体某一方向的排列规律都一样，故其特征为：各向异性（具有方向性）实际金属并不是单晶体，而是多晶体。多晶体：由位相随机排列的单晶体构成的晶体。特征：各向同性。常见金属的晶格型式：金属的晶格型式很多种，但常见金属的晶格型式有下面三种。1、面心立方晶格面心立方晶格是一个正立方体，8个角各有1个原子，6个面各有1个原子，共有14个原子。金、银、铜、铝就是这种晶格。2、体心立方晶格体心立方晶格也是一个正立方体，8个角各有1个原子，立方体中心有1个原子，共9个原子。钨、铬、钼就是这种晶格。3、密排六方晶格密排六方晶格的上下两个面是正六边形，12个角各1个原子，正六边形中间有一个原子，两个正六边形之间还夹3个原子（不在某个面上），共17个原子。镁、锌就是这种晶格。二、金属单晶体塑性变形机构金属晶体在外力作用到一定程度，能产生塑性变形，变形要通过一定方式实现，把这种方式叫做变形机构。单晶体金属变形机构是滑移和双晶。1、滑移滑移是晶体的一部分相对另一部分，沿着一定的结晶学平面的一定方向做平行移动。滑移面：产生相对移动的面。滑移方向：在某一滑移面上，产生相对移动的方向。滑移面和滑移方向不是任意产生的，是按着一定的原则产生的。滑移面和滑移方向产生的原则：原子密度最大的原则。原因：原子密度大，原子距离小，相互结合力大，相对位置被保留下来。其它原子相对位置破坏变形阻力小。滑移系：一个滑移面和一个滑移方向构成一个滑移系。也就是说，有多少个滑移系，就有多少种滑移的可能性。面心立方晶格有4个滑移面，每个面有3个滑移方向，共12个滑移系。体心立方晶格有6个滑移面，每个面有2个滑移方向，共12个滑移系。密排六方晶格有1个滑移面，3个滑移方向，共3个滑移系。滑移系对金属塑性的影响：滑移系越多，产生滑移的可能性越多，变形越均匀，一次变形程度大，塑性就好。金属单晶体具有滑移系，就具有滑移的可能性。但还必须具有外部条件。反映这一外部条件就是临界切应力定律。临界切应力定律：金属单晶体无论受外力的形式如何，只有金属内部某一滑移面上的某一滑移方向受到的切应力达到某一值时，才能产生塑性变形，这一值即为临界切应力，用s表示。影响临界切应力的因素：临界切应力的大小只与晶格本身的特征，变形温度，变形速度、晶格的历史状况有关，与外力型式无关。单晶体单向拉伸的塑性变形条件：设试样在拉力F作用下，横截面面积为S，任意滑移面与横截面夹角为，任意滑移方向与拉伸方向夹角为。如下图。横截面的拉应力（）： FS滑移面面积（A）： AScos滑移面上的应力(A)： AFAFS coscos滑移面上的切应力()： Acoscoscos用s表示临界切应力，s表示临界拉应力。则： scoscoss sscoscos从上式可以看出：coscos不同，s也不同，故称coscos为取向因子。讨论：s为定值，当coscos最大时，s最小。若角一定，最小时coscos最大，s最小。min/2， sminscos（）cos（/2）2ssin（2）当2/2时，/4， smin2s此时， /4 2、双晶（孪晶）双晶是单晶体金属塑性变形的另一种机构，他是晶体的一部分沿一定的晶面和晶向进行相对移动，且晶体原子移动的距离与原子离开这一晶面的距离成比例，即一个原子只移动几分之一个原子距离，许多个原子累集起来就移动比原子距离大许多倍的距离。移动的结果：发生移动的晶格以这一晶面与原来的晶格对称，故叫双晶（孪晶）双晶面：产生双晶的两个界面。双晶带：发生移动的部分。产生双晶的条件：1、晶体中滑移系少，易产生双晶。如密排六方晶格金属。2、变形温度低，易产生双晶。3、冲击应力作用，易产生双晶。双晶塑性变形的特点：1、双晶的临界切应力比滑移大得多。所以变形为：滑移、双晶、滑移。2、双晶变形是间断的突变。第三节 金属塑性变形实际金属是多晶体，它由形状、大小、位相不同的单晶体随机排列而成。这些小单晶体称为晶粒，其过渡区、即不规则部分称为晶界（晶间）。这样多晶体塑性变形就存在晶内变形和晶间变形。一、多晶体塑性变形机构1、晶粒内部变形机构晶粒内部变形机构是滑移和双晶。2、晶粒间的变形机构多晶体晶粒间的变形机构是移动和转动。在多晶体中，各晶粒位相不同，移动的方向也可能不同，而晶粒间由晶界相互联系，为此，晶间就可能出现转动的力矩。转动的结果可能原来不易变形的晶粒改变位相，从而有利于变形。随变形的深入，变形应力就可能产生集中，当切应力达到晶粒移动阻力时，晶粒间就产生移动。晶间变形的特点：a、晶间的移动和转动，常常造成晶粒间的联系破坏，出现微裂纹，导致金属的破坏。b、在低温下，晶间的移动和转动发生的可能性较小，对塑性变形的贡献不大。一旦发生，则是破坏的先兆。c、在高温下，晶间的移动和转动发生的可能性较大，对塑性变形的贡献也大。这是由于晶间晶格产生歪扭，其原子位能比晶内大，晶间的熔点比晶内低。在高温下，易产生移动和转动。同时，由于温度高，原子位能大，能及时修补变形产生的微裂纹。故热加工比冷加工塑性大得多。二、多晶体塑性变形的特点1、 变形的不均匀性。故内部存在残余应力。由晶粒位相不同和弱点解释。2、 低温下晶界是塑性变形的困难区。3、 晶粒越细，塑性越好，变形抗力越大。由晶粒、晶界多少解释。三、多晶体变形后组织的改变1、 晶粒内部出现滑移带和双晶组织。2、 具有纤维组织。3、 具有变形织构。晶粒趋向一致的趋势。故在机械物理性能上表现出各向异性，对工艺性能和使用上有很大影响。4、 具有亚组织。在变形过程中，晶粒会破坏，内部出现位相差别较小的组织。第四节 塑性和影响塑性的因素一、 塑性的基本概念弹性变形：受力物体受外力引起变形，当外力消失后，物体的变形即消失，并恢复到原来的尺寸和形状。塑性变形：受力物体受外力引起变形，当外力消失后，物体的变形并不消失，而永久被保留下来的变形。也称永久变形。塑性：固体材料能够产生永久变形，而不被破坏的性质。塑性的好坏用什么来衡量呢？塑性指标：金属发生塑性变形，发生破坏前的最大变形程度。塑性指标指标是一个相对量，破坏是指发生断裂，而不是形状的改变。塑性变形不同，塑性指标也不同。材料塑性指标低到一定程度，就说其是脆性材料。塑性指标常用单向拉伸的伸长率表示。二、 影响塑性的因素1、影响金属塑性的内因A、化学成分：金属不同，塑性也不同。铜大于铝。同一金属，金属越纯，其塑性越好。由杂质解释。B、组织结构面心立方晶格塑性最好，体心立方晶格塑性次之，密排六方晶格塑性最差。晶粒越细，塑性越好。从晶粒、晶界多少解释。2、影响金属塑性的外部因素A、变形温度的影响当温度不很高时，温度上升，塑性增加。这是由于温度上升，金属原子位能增加，修复由于塑性变形产生微裂纹的能力增加，同时滑移系也可能增多，故塑性上升。当温度高到一定程度时，塑性也可能波动，当接近熔点时，塑性迅速下降。其随温度变化的曲线如下：B、变形速度的影响随变形速度的增加，金属塑性的变化如下图：当变形速度不很高时，塑性随变形速度的增加而下降。这是由于变形速度上升，产生微裂纹的可能性上升，而微裂纹又来不及修复所致。当变形速度很高时，塑性随变形速度的增加而增加。这是由于变形速度上升，产生的变形能来不及散失，而转变成物体的内能，是物体的温度升高，原子位能增大，修复微裂纹的能力上升所致。C、变形程度冷塑性加工中，塑性随变形程度的增加而下降；热塑性加工中，塑性随变形程度的增加变化不大或几乎不变。由微裂纹解释。D、应力状态拉应力个数越多，数值越大，金属塑性越差；压应力个数越多，数值越大，金属塑性越好。这是由于：（1）拉应力促进晶间变形，加速晶间破坏，而压应力阻碍晶间变形； （2）压应力能有利消除由塑性变形引起的各种破坏（微裂纹），而拉应力能促进各种破坏。第五节 变形抗力一、基本概念变形抗力：在塑性加工过程中，金属抵抗塑性变形的能力。应力状态不同，变形抗力也不同。同时还与变形温度、变形速度、变形程度有关。通常由材料在不同变形温度、变形速度、变形程度下的单向拉伸的屈服强度来表示。二、影响金属变形抗力的因素1、 影响金属变形抗力的内因A、 化学成分金属不同，变形抗力也不同。铜大于铝。同一金属，纯度越高，变形抗力越小。由杂质解释。B、 组织结构晶粒越小，变形抗力越大。晶粒越细，单位体积金属晶界区就越大，即晶界面积大，晶粒受晶界的影响也越大，晶粒表面晶格歪扭加剧，难变形区扩大，滑移困难。同时晶界变形也更加困难。2、 影响金属变形抗力的外因A、 变形温度一般来说随变形温度升高，金属的变形抗力下降。这是因为温度升高，金属原子的动能增加，使临界剪切应力降低，滑移变得容易。另外，温度升高，还能使一些晶格的畸变和歪扭减轻或消失，使变形抗力降低。但随温度升高，有些金属变形抗力也可能出现波动，这可能是金属发生了物理、化学或晶相变化。B、 变形速度变形速度的增加对变形抗力的影响很复杂。首先变形速度增加，变形时间减少，使变形机构不利于充分发展，晶格畸变又来不及修复，变形抗力增大。而变形速度增加，单位时间发热增加，物体温度升高，原子位能增大，这又使变形抗力减小。如果变形速度再高，变形机构也会改变。所以变形速度对变形抗力的影响很复杂。但一般规律是：变形速度增加，变形抗力增加，到一定程度就较缓慢或无影响。C、 变形程度变形程度增加，变形抗力增加，到一定程度增加就较缓慢。由晶格畸变和变形能解释。D、 应力状态三个主应力的差值越大，变形抗力越小。同号主应力引起的切应力相互抵消，而异号主应力引起的切应力相互叠加。第六节 塑性条件第一极限状态：由弹性变形转换成塑性变形的状态。塑性条件：产生第一极限状态的力学条件。应力状态不同，塑性条件也不同。单向拉伸的应力状态最简单，其塑性条件为：s复杂的应力状态的塑性条件现还没有十分严密的理论，有几种假说。其常用的、较简单的是最大切应力不变条件。在一定的变形条件下，金属的塑性变形只有当内部所受到的最大切应力达到某一数值（s）时才能发生，这值与应力状态无关，只与金属内部结构及变形温度、速度及变形程度有关。最大切应力为两个主应力差值最大值的一半。即：maxmax(mn)/2 m,n1,2,3 mn单向拉伸时，max/2 则，/2s s/2s/2最大切应力不变条件可表示为：max(mn)/2ss/2即，max(mn)s m,n1,2,3 mn最大切应力不变条件只考虑了两个主应力，未考虑第三个主应力。为此，还有最大变形能不变条件等。第三章 铜铝杆的轧制第一节 轧制的基本概念与产品一、轧制的基本概念轧制：借助于旋转的轧辊与轧件的摩擦力，将轧件带入辊缝中，再在轧辊的压力作用下使轧件产生塑性变形的一种加工金属的方法。轧制加工的特点：1、 加工量大，尤其热轧；2、 破坏铸造组织，细化晶粒，提高组织均匀性；3、 改善金属强度和韧性。二、轧制产品1、电工用铜线坯 GB/T 39522008 替代 GB/T 39521998 GB/T 395289牌号、状态、规格、表示方法及主要性能指标牌号、状态T1、RT2、RT3、RTU1、RTU2、RTU1、YTU2、Y规格（直径/ mm）6.035.06.012.0表示方法牌号 状态 规格 标准T1 R 8.0 GB/T 39522008TU2 Y 10.0 GB/T 39522008含氧量/ppm，400（450、600）450（500、600）500（500、）10（10、10）20（10、20）10（10、10）20（10、20）其它杂质总含量/ppm，65无50065无65无含铜+银量/ppm，无99.9599.90无99.95无99.95拉伸强度/Mpa，无无无无无290370290370伸长率/，40（40）37（35）35（35）40（40）37（35）2.03.62.03.6扭转，正转/反转25/2525/2025/1725/2525/20无无质量电阻率（20）/.g/m2，0.151760.153280.153280.151760.153280.155750.15798（20）/.mm2/m，0.017070.017240.017240.017070.017240.017500.01777注：1）、现在老标准 电工用圆铜杆GB/T 395289 也在使用，分为：TGR1、TGR2、T、TWR1、TWR2、TWY1、TWY2 七种。2）、扭转试验只对直径为6.010.0 mm。熔炼的原材料为电解铜板，其标准为：GB/T 467 含铜量至少为：99.97、99.95。铜杆含铜量最低为：99.90。T熔1084.5，d8. 89，面心立方晶格，14个原子。2、电工圆铝杆 GB/T 39542008替代电工圆铝杆 GB/T 39542001材料牌号、型号、状态及主要性能指标材料牌号型 号状态抗拉强度/Mpa伸长率/，（20）/n m，1B97、1B951B93、1B90BO35,653527.15B2H1460,901527.251A60AO60,902527.55A2H1280,1101327.85A4H1395,1151128.01A6H14110,130828.01A8H16120,150628.011R50RE-A060,902527.55RE-A2H1280,1101327.85RE-A4H1395,1151128.01RE-A6H14110,130828.01RE-A8H16120,150628.016101CT4150,2001035.006201DT4160,2201036.00注：1、典型直径/ mm为：7.5，9.5，12.0，15.0，19.0，24.0； 2、表示方法为：型号 直径 材料牌号 标准，如：A2 9.5 1A60 GB/T 39542008；3、化学成分不要求，若用户要求，应符合GB/T 3910的规定，纯铝应不低于99.60。熔炼的原材料为铝块锭，其标准为：GB/T 11962008 重熔铝锭，含铝量应不低于为：99.70、99.65。还有YS/T 3091998 重熔稀土合金铝锭。T熔658，d2.7，面心立方晶格，14个原子。导电率：国际电工委员会规定，在20、d8.9、电阻率为0.017241.mm2/m的软铜的导电率为100IACS，其他材料的导电能力与其相比较，即为导电率。IACS表示国际退火软铜标准。第二节 轧制的基本理论一、轧制常用参数1、变形区轧制时塑性变形是在轧辊附近的不大的特殊区域内完成的。轧件中处于变形阶段的这一区域叫变形区。如图阴影部分。变形区分为几何变形区（轧件出入口断面与轧辊所限制的部分）和非接触变形区（变形区分去掉几何变形区剩余部分）。为研究方便，只考虑几何变形区，常说的变形区就是几何变形区。2、咬入角咬入弧所对应的轧辊的圆心角称为咬入角，用表示，如图中AOB。在图中，BCBOCORRCOSR（1COS） BC（h0h1）/2h/2h0:轧件轧制前的高度； h1：轧件轧制后的高度；h：压下量； R：轧辊半径。 h/2RRCOS COS1h/（2R） 1COS2（Sin/2）2 而一般很小（1015） 1COS2（Sin/2）22/2 h/2R2/2 (h/R)1/2讨论： 在R一定时，h越大，咬入角也越大； 在h一定时，R越大，咬入角也越小。3、变形区长度轧件与轧辊接触弧的水平长度称为变形区长度，用L表示，即AC。在AOC中， AC2AO2CO2R2（Rh/2）2 L（Rhh2/4）1/2另，LR SinR（Rh）1/2比较上两式，就是把h2/4忽略，这是由于h相对R很小。二、平辊轧矩形件的咬入条件要实现轧制，轧辊必须咬入轧件，此时的条件即为咬入条件。如图：在轧件刚与轧辊接触时，接触点为A、B（实际为两条直线），在这两点轧件与轧辊产生摩擦，轧件力图阻止轧辊运动，轧辊对轧件产生正压力（F），在F作用下，产生摩擦力（T）。上两力在垂直方向分力用Fy、Ty表示，与B点产生的力共同作用，产生压塑变形。在水平方向产生的分力用Fx、Tx表示。Tx力图把轧件带入辊缝，Fx力图阻止轧件进入辊缝。当FxTx ， 不能实现自然咬入。当FxTx ， 能实现自然咬入。 TxT COS FxF Sin要想实现自然咬入，F SinT COS Sin/ COST/F T/Ff f：摩擦系数 tgf 令tgf ：摩擦角 自然咬入条件为： 三、平辊轧矩形件的稳定轧制条件在咬入过程中，轧件与轧辊接触表面一直连续地增加，这样，轧辊对轧件的正压力和摩擦力沿弧面分布。假设力沿弧面均匀分布，轧件进入某一过程中其合力作用点与轧辊圆心连线与中心线所成的角度用来表示，轧辊对轧件产生正压力用F表示，在F作用下，产生摩擦力用T 表示。上两力在垂直方向分力用Fy、Ty表示，与下面点产生的力共同作用，产生压塑变形。在水平方向产生的分力用Fx、Tx表示。Tx力图把轧件带入辊缝，Fx力图阻止轧件进入辊缝。如下图。同理，当FxTx ， 不能继续轧制。当FxTx ， 能继续轧制。 TxT COS FxF Sin要能继续轧制，F SinT COS Sin/ COST/F T/Ff f：摩擦系数 tgf 令tgf ：摩擦角 继续轧制条件为： 1、开始咬入， 则继续轧制条件为：2、任一时刻，继续轧制条件为： 若，一定小于等于。也就是开始能咬入，就能继续轧制。也可以说开始咬入最难，以后就容易了，轧件咬入后，轧件高度可逐渐放大。或用外力把轧件推入辊缝到一定程度后，就可继续轧制。3、完全充满时，进入稳定轧制阶段，此时/2 则 2。 这就是平辊轧矩形件的稳定轧制条件。也就是稳定轧制后，轧件高度可放大到咬入角是刚开始时的两倍。但实际上， 2是不精确的，一般为 （1.51.7）。这可由实验证明。第四章 拉线第一节 拉制产品轧制出的铜铝杆一般是不能直接在电线电缆行业应用的，因其表面质量和机械性能都满足不了要求。拉制后的产品大都有标准，所涉及的产品如下：1、电工圆铜线 GB/T 39532009替代GB/T 395383型号TR（软）TY（硬）TYT（特硬）规格，直径/mm0.02014.000.02014.001.505.00表示方法TR-0.40 GB/T 39532009伸长率/，10350.5（0.940）3.60.61.4抗拉强度/Mpa，无421271446408（20）/n.m，17.2412.002.002.002.0017.9617.7717.9617.772、电工圆铝线 GB/T 39552009替代GB/T 395583型号LRLY4LY6LY8LY9状态代号OH4H6H8H9规格，直径/mm0.30-10.000.30-6.000.30-10.000.30-5.001.25-5.00表示方法LY4-2.00 GB/T 39552009伸长率/，150.30,1.00201.01,10.00无31.01,10.00无无抗拉强度/Mpa9895,125125,165, 160,205(200-160) 根据规格（20）/n.m，27.5928.2643、架空绞线用硬铝线 GB/ T1704820094、架空绞线用铝镁硅系合金圆线 JB/ T813419975、电工用铝包钢线 GB/T 1793720096、电缆编织用铝合金圆线 JB/ T899819997、电工铜编织线 JB/T 6313.13928、电工用铜铝及其合金扁线GB/T 5584.1420099、电工用铜铝及其合金母线GB/T 5585.13200510、镀锡圆铜线 GB/T 4910200911、电力牵引用接触线 GB/T 12971.152008第二节 拉线的基本原理一、基本概念拉线：对金属杆（线）材施以拉力，使之通过模孔，并产生塑性变形，以获得与模孔尺寸形状相同的制品的塑性加工方法。也叫拉制、拉丝。1、拉制的特点1） 制品尺寸精确均一，表面光洁；2） 制品断面形状可复杂，尺寸可很小；3） 能提高制品的机械性能；4） 每道次加工率低，拉制道次多，能耗大。2、拉制过程的变形指数1）延伸系数 Lk/L0 大于1Lk：拉制后的长度；L0：拉制前的长度。2）延伸率 （LkL0）/L01003）断面收缩系数 Sk/S0 小于1Sk：拉制后的面积；S0：拉制前的面积。4）断面收缩率 （S0Sk）/S0100在拉制过程中认为： V0Vk L0S0Lk Sk 1Lk/L0S0/ Sk(d0/dk)2dk：拉制后的直径；d0：拉制前的直径。二、实现正常拉制的力学条件在拉制加工中，杆（线）在拉制力作用下通过拉线模，产生塑性变形，作用力只有拉力，即拉应力。此应力一定满足一定条件才能实现正常拉制，此条件就是正常拉制的力学条件，即：kLskk：变形金属在此状态下的变形抗力；L：拉伸应力；sk：拉制后模具出口处金属的屈服极限。解释：1） 此条件是必须的。因为，L大于sk线就会被拉细或被拉断；L小于k就不能产生塑性变形。2） 变形金属在模具中还受到模具压应力作用，所以ksk。3） 出口处金属已经过一次变形，变形程度增加，所以ksk。通常把sk与L的比值叫安全系数，用Ks表示，即：Kssk/L一般安全系数在1.42.0之间。Ks取值应适当，过小易造成线被拉细或拉断；过大可能无法变形或每次加工量过小。Ks的取值还与拉制条件（包括操作、润滑、线速和设备等）和制品线径有关。原则是线径越细，Ks值越大。三、变形区应力状态与金属流动1、金属在变形区的应力状态拉制变形与轧制变形一样，塑性变形在一定区域内进行的，这一区域称为变形区。拉制变形区如图所示，由两个球面和模具壁所组成。金属线材在拉力F（一般由拉线轮提供）作用下，要强行通过拉线模，由于拉线模的出口处的直径小于入口处，为此模具的模壁就施加给线材一个作用力F1，以阻止线材的运动，其方向垂直模壁指向线材内部，且分布在整个模壁与线材接触面上。同时线材在模具内运动，线材表面一定受到金属与模壁表面的摩擦力F2，其方向沿模壁指向后端，与金属运动方向相反，值为：F2F1f， f：摩擦系数。除此而外，变形金属还受到反拉力S的作用，其值很小，方向与F相反。这样，金属在变形区内首先受到F产生的拉应力作用，它是主动产生的。F1由F作用而产生，在整个接触面上产生两向压缩作用，使金属变形抗力降低，拉应力减小，拉制得以实现。线材表面的摩擦力F2阻碍金属流动，在表面产生剪切应力，引起剪切变形，由此造成变形不均匀和表面质量问题。为此，在拉线时应使用润滑剂，使之尽可能小，消除其影响。通过上面分析，变形区大部分的应力状态是一向拉伸，两向压缩。极个别地方应力状态较复杂一些。2、金属在变形区的流动拉制中金属在变形区的流动是很复杂的，研究其最简单的方法是实验测定，即坐标网格法。把圆柱形的金属试样沿轴向切成两半，在其中一个剖面上精确刻出正交网格，并在方格内画内切圆。然后将两半试样合拢拉入模孔，当拉制稳定时退出试样并打开，刻有网格及内切圆的试样的图形将变成如下图所示：从图中可看出，试样中心层的正方格子变成长方形格子，内切圆变成正椭圆，而试样边缘层网格产生歪扭，正方格子变成平行四边形，内切圆变成斜椭圆，而且越靠近边缘歪扭越严重。这主要是摩擦力引起，提高润滑，结果发现歪扭程度降低。从图中可知，变形区金属主要是延伸变形和压缩变形。通过计算可知：主延伸变形外层大于内层，主压缩变形也是外层大于内层。由于变形不均匀，性能也不均匀。第三节 拉线模和影响拉应力的因素一、拉线模关于拉线模，有三个相关标准：硬质合金拉制模具 型式尺寸 GB/T 61102008硬质合金拉线模具 技术条件 JB/T 3943.11999金刚石拉丝模 JB/T 3943.21999普通拉线模一般由硬质材料（硬质合金（碳化钨和钴），金刚石（钻石）、工具钢、陶瓷）制成的模芯，外镶钢套所组成。模芯是其主要工作部分。从模芯的作用来分，可把模芯分为润滑区、变形区、定径区和出口区4个区，如图。1、润滑区润滑区又称润滑锥或入口区。作用：1） 便于润滑剂进入模口，保证制品得到充分润滑，以减少摩擦；2） 可带走摩擦热；3） 避免坯料轴线与模孔轴线不重合时刮伤金属、损坏模具。要求：1） 长度不小于变形区；2） 润滑锥角要适当。原因：A、 过大润滑剂不易储存，润滑效果不好。B、 过小拉制时的杂质粉末和金属屑不易被润滑剂冲走，而带入变形区，使制品刮伤或损坏模具。标准中，硬质合金模润滑角为260或90；金刚石模为23040，多呈圆弧形，与变形区难分。2、变形区变形区又称变形锥或工作区。作用：使金属产生塑性变形，是模具的最主要区域。形状：可分为锥形和圆弧形。锥形一般适合较大的线经，且一次变形量也较大，不同的线径有不同的模角。圆弧形一般适合较小的线径（1.0mm以下），适用线径范围较宽。要求：1） 模具变形区的长度一定大于变形区长度，否则，若线材与模具不同心，会发生变形区外变形；2） 模角应合理，以保证拉制力最小。标准中，硬质合金模模角为214 24，最小线径0.1mm；金刚石模为21216，多呈圆弧形，最大线径1.2mm，最小到最细线径。3、定经区作用：1） 使制品具有精确稳定的尺寸（把弹性变形转变成塑性变形）；2） 减少模孔磨损，延长模具寿命；3） 增大了拉制力。要求：尺寸形状与制品相同，长度合适。（大线经有一个很小的反锥角）4、出口区作用：保护制品表面。二、影响拉制力的因素1、材料机械性能的影响材料的变形抗力（即屈服强度）越大，拉制应力也越大。铁、铜、铝。2、变形量变形量上升，拉制力也上升。经推导：Lln。解释：1） 当出口断面、模角不变时，上升，进线断面和变形区长度就会增大，接触面积增大，摩擦力就会增大，拉制力也会增大。2） 变形量增大，变形程度增大，变形抗力增大，产生塑性变形的拉制力也会增大。所以，在加工过程中要有一个适当的变形量。变形量过大，拉应力就会大于出口处金属的屈服强度，使线被拉细或拉断。3、模口几何形状的影响润滑区、变形区和定径区都会影响拉应力。润滑区和定径区已讲过，这里只讲变形区。变形区的模角应合理，存在最佳模角。实验证明有如上曲线。解释：1） 当变形量一定时，模角减小，变形区长度增大，摩擦阻力增大，拉制力可能上升；2） 当模角增大时，由反作用力（模具压力）引起的剪切阻力增大，压缩应力减小，拉制力上升。4、反拉力反拉力上升，拉制力一定会上升。所以为减少拉制力，应减少反拉力。反拉力也有减少金属对模壁作用力、使拉制时流动的不均匀形减小、并使模角的影响减小、模具的选择范围变宽等作用。5、摩擦与润滑6、拉线速度在拉线速度不高时，速度增加，拉制力上升，当达到一定程度时，再提高拉线速度，拉制力几乎不变。解释：1） 变形速度增加，变形抗力增加，拉制力上升；2） 变形速度增加很大时，摩擦热、变形能不能散失，使金属变形温度上升，变形抗力下降，拉制力下降；3） 速度大润滑剂带入多，润滑效果好，使拉制力下降。第四节 多模拉线机的工作原理一、拉线机的分类拉线机分类方法很多，多用混合分类法如下：单模拉线机：现多用于拉型线。 由于拉制力大，制品不能缠绕。 拉线机 非滑动式：多模连续非滑动式拉线机 连续式 多模拉线机 滑动式：多模连续滑动式拉线机 非连续式：多模非连续储线式拉线机按拉线机拉制产品的规格也可分为五级：大拉机（4.01.2mm），中拉机（1.20.4 mm），小拉机（0.40.1 mm），细拉机（0.120.05 mm），微拉机（0.040.02 mm）。二、多模连续非滑动式拉线机的工作原理1、特点：连续、无滑动，产品质量高。连续：各道次秒体积相等，即任一点秒体积相等。滑动：拉线轮转动速度与线速不相等，即拉线轮转动速度大于线速。2、原理如下图：n: 表示任意一道； K：表示最后一道；v: 表示轮速； B：表示线速；S：表示线的面积； d: 表示线的直径；：表示延伸系数。由于拉线时是连续的，所以，Sn1B n1SnB nSn1 /SnB n /B n1 Sn1 /Snn B n /B n1n 无滑动 vnB n vn1 B n1 nvn / vn1n nn：速比，n vn / vn1 。上式就是多模连续非滑动式拉线机实现正常拉制所满足的力学条件。要满足上式条件，若速比不变，只能调整n，即调整模具。但要实现这一点，几乎是不可能的。因模具尺寸有误差，同时有磨损。为此，实际中在调整n使其基本等于n的基础上，关键通过张力控制轮速，来调整n的值，使其自动跟踪n的变化，以保证：nn 。为此，设备必须有一个高精度的自动调速系统，造价昂贵，一般不用。三、多模连续滑动式拉线机的工作原理1、特点：连续、滑动。2、拉制原理和拉制条件相对前滑系数：nn/n相对滑动系数：Tnvn / B n拉制条件：Tn1 （nK，Tk1）滑动式拉线机为保证连续，设计时除最后一道外，即TK1，每一道次都有滑动。用Tn表示n：nn/nn/（vn / vn1）n/（TnB n/ T n1B n1 ）n/（B n/ B n1）（T n1 / Tn） 连续 Sn1B n1SnB n Sn1 /SnB n /B n1n nT n1 / Tn从上式可以看出：n的物理意义就是从n道看前一道，看它相对滑动系数多少，故叫相对前滑系数。由于1不存在，K1，拉线时为保证滑动（Tn1），所以n 可以大于、小于及等于1。用n表示Tn： 由于 Tnvn / B n1）求B n由于连续，所以，SKB KSnB n B nB KSK/SnB nB K/( Sn/SK) B K/( Sn/Sn1SK1/SK)B K/(n1K) vK/(n1K)2）求v n因为，vk/ vnvk/ vk1v n1/ vnkn1所以，vnvk/（kn1）Tnvn / B n（vk/（kn1）/（vK/(n1K)）(n1K)/（kn1）n1K Tnn1K从上式也可以看出：由于K1，为保证滑动（Tn1），n 也可以大于、小于及等于1。但实际上一般不采用n1，即大滑动量配模。这是由于穿线和安全性考虑。在穿线时若穿完第n道模，此时n道相当最后一道。则Tn1，若n1，因nT n1 / Tn，则T n11，即n1轮轮速大于线速，不满足拉制条件，无法拉线。由于n1，Tnn1K，使Tn较大，尤其T1，T2过大。这样会影响拉线效率，减少拉线轮寿命。为此，应尽可能减少n或改进穿模工艺。3、拉线过程多模连续滑动式拉线机是通过调节滑动来实现连续拉线。滑动的调节是通过张力大小来实现的。如下图：第n道拉力是由n轮提供，由柔性物体摩擦定律知：FnFn1exp(2mnf)Fn：拉制力； Fn1：n1轮的反拉力；mn：绕线圈数； f：摩擦系数。对第n道来说，若K道由于某种原因拉制量变大（模具尺寸变大、轮速变快），Fn1就必须增大，由于Fn1增大，滑动量就减小，拉线速度就增加，拉线量也就增加，保证拉制量相等，实现连续拉线。但滑动量为零是极限，超过此极限，n1模入口处就会断线。，若K道由于某种原因拉制量变小，（模具尺寸变小、轮速变慢），Fn1就必须减小，由于Fn1减小，滑动量就增加，拉线速度就下降，拉制量也就下降，保证拉制量相等，实现连续拉线。也就是说每道拉线量都是根据其后面道次要求自动变大或变小。其后面道次拉线量不会自己变化。从上式可知：绕线圈数越多，反拉力越小，使下一道拉应力减小。但绕线圈数越多越易压线，滑动困难，失去调速作用，导致断线。一般来说，线径不同，拉线轮的绕线圈数也不同：粗线34圈，中等线23圈，细线12圈，特细线1圈。四、多模非连续储线式拉线机的工作原理1、特点如图：Bn：第n道轮放线的速度。多模非连续储线式拉线机的拉线轮有拉线的牵引、储线和放线的功能。各拉线轮单独控制，无速比调节系统。拉线过程不遵循秒体积流量相等的原则，即不连续。这样，可能存在如下三种情况：（1）当B nBn 拉线轮的储线圈数不变，拨线杆相对地面不动，放出的线不受扭转。（2）当B nBn 拉线轮的储线圈数增加，拨线杆与拉线轮转动方向相同，放出的线受到扭转。（3）当B nBn 拉线轮的储线圈数减少，拨线杆与拉线轮转动方向相反，放出的线受到扭转。在拉线过程中，若一直是第一种情况，那就是第一种拉线机。故拉线时B nBn，拉线轮的圈数不仅变化，且放出的线受到扭转，同时线的行程复杂，阻力大，故此拉线机不能拉细线和型线。若B n0（停止拉线），Bn0（后道次继续拉线），则放出的一圈线上就受到360扭转；若Bn0，B n0（后道次停止拉线，本道次继续拉线），则每拉制一圈线，顶部的固定的一段线上就受到360扭转，且不能放出，所以很快就会被扭断。为此，当n道停止拉线时，其前面必须提前停止拉线，后面各道次可继续拉线。这样，多模非连续储线式拉线机就具有如下特点：（1）不连续，无滑动，绕线圈数不少于1215圈，且不断增加；（2）线的行程复杂，阻力大，且放出的线受到扭转，故此拉线机不能拉细线和型线。（3）某道拉线轮已满或因故停车，前道次必须先停车，后各道次可继续拉线。也就是开车顺序是从后到前，停车顺序是从前到后。2、拉线原理及拉制条件拉线机设计及配模时都保证每一道次拉线轮都有一定的储线量，即必须：B nBn。对第n1道来说，B n1Bn1 则S n1B n1S n1Bn1因为，S n1Bn1S nBn 所以，S n1B n1S nBn所以，S n1 /S nBn/ B n1由于线与轮无滑动，所以，B nvn B n1vn1nn 正常拉制条件仍令，nn/n 则，n1n的大小反映储线的快慢，越大储线越快，越小储线越慢。实际生产中，n不能过大也不能过小。过大，很快达到储线轮容量，需频繁停车，生产效率下降；过小，安全性差，且储线量过小，一旦因故停车，后面各道也需停车。为此，n一般为：1.021.05。第五节 配模计算各拉线机都有一定的拉制条件，每一条件都与n有关，决定n的是模具尺寸的大小，为此，选择合适尺寸的模具，即配模是十分重要的。一、单模拉线机圆单线配模单模拉线机配模主要考虑拉制理论，与机械原理无关。即过去讲的力学条件，安全系数等。1、拉制道次因为，总S0/S KS0/S1S K1/S K 若各道都相等则，总1KK实际上各道不可能相等，故用平均，则，所以，Klg总/lg平均2、各道延伸系数在实际中各道的具体取法如下图：即一、二道较小，第二、三道最大，以后逐渐减小。其原因如下：1）拉制前坯料，尤其轧制的金属杆表面粗糙，尺寸偏差大，且不直，为此，第一、二道（一般为第一道）的不易取得过高。2）随变形量的增加，材料的变形抗力上升，塑性下降，故延伸系数应减小。3）随变形量的增加，单线的尺寸截面减小，安全系数应增大，故延伸系数应减小。4）为提高产品尺寸精度，最后一道的延伸系数应最小。按上述原则，各道延伸系数可如下求得：1）试算法参考平均延伸系数，根据上述延伸系数分布规律，设定1（K1）道的，由K总/(1K1),求出K，反复几次，直到满足规律为止。2）等比数列法除第一道外，取各道延伸系数为递减的等比数列，设最后一道延伸系数为a，公比为q，则各道的延伸系数为：1，aqK2，aqK3，aqKn，aq2， aq1，a1， 2 ， 3 ， n ， ，K2，