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矩形钢丝成形工艺及优化研究 摘要 异形钢丝在纺织、汽车、机械等方面有广泛的应用。矩形钢丝是异形钢丝 的一种，传统的成形方法是采用固定模拉拔成形矩形钢丝，但成形时存在如周 边圆角充不满，模具周边磨损不均匀导致模具寿命低等问题，很难实现大批量 生产。本文以具体钢丝产品为研究对象，主要研究内容如下： 首先；研究了现有矩形钢丝成形方法的特点，成形过程的变形特征，分析 了工艺参数对成形的影响，在此基础上提出了辊拉组合法成形的工艺方案。 其次，以材料为q 1 9 5 ，尺寸为2 3 衄4 8 衄的矩形钢丝为研究对象，根据 有限元理论，建立矩形钢丝拉拔成形三维有限元模型，并利用h g 公式验证了 模型的正确性。 再其次，利用模型对辊拉组合成形进行了模拟，分析了成形过程中金属的 流动特点和应力应变分布规律，验证了辊拉组合法成形工艺方案的可行性。 最后，采用正交试验设计方法分析了工艺参数对辊拉组合成形过程中影响， 并对试验结果进行极差分析，得到最优化的工艺参数组合。 结果表明，对于材料为q 1 9 5 ，尺寸为2 3 衄4 8 蚴的矩形钢丝通过辊拉组 合成形，可使钢丝的圆角半径最小达到0 17 衄，满足产品的使用要求，并且模 具的磨损量小，具有较高的模具寿命。辊拉组合法成形对其它异型钢丝成形具 有一定的借鉴作用。 关键字：矩形钢丝；工艺设计；组合法成形；有限元模拟；工艺优化 i n v e s t i g a t i o no fr e c t a n g u l a rw i r e o p t i m i z a t i o n a b s t r a c t s h a p i n gp r o c e s sa n d s p e c i a l - s h a p e dw i r ei sw i d e l ya p p l i e di nt h et e x t i l e ，a u t o m o b i l ea n dm a c h i n e r y r e c t a n g u l a rw i r ei s ak i n do fi t ，w h i c hi ss h a p e db yd i ed r a w i n gt r a d i t i o n a n y h o w e v e r ，t h e r ea r em a n yp r o b l e m sw h e nd r a w i n gi t ，s u c ha sf i l l e ti n c o m p l e t e f i l l i n ga n dn o n h o m o g e n e o u sw e a ro ft h ed i em a tr e d u c e s 也el i f eo fd i e ，t h u si t i s h a r dt or e a l i z et h em a s sp r o d u c t i o n i nt h i sp a p e r ，s p e c i f i e dw i r ei sr e g a r d e da st h e r e s e a r c ho b j e c t ，a n dm a i ns t u d i e sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t ly ，f o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x i s t i n gm e t h o d sa n dt h ed e f o r m a t i o n f b a t u r e so ff b r m i n gp r o c e s sa r es t u d i e d ，a n dt h ee f f 色c to fp r o c e s sp a r a m e t e r so n s h a p i n gi sa n a l y z e d t h ec o m b i n a t i o nm e t b o di s b r o u g h tf o r w a r d t o d r a w i n g r e c t a n g u l a rw i r eo nt h eb a s i s s e c o n d l y ，t a k i n gr e c t a n g u l a rw i r ew i t hr a wm a t e “a lf o rq l9 5a n dt h es i z ef o r 2 3咖4 8衄a st h er e s e a r c ho b j e c t ，a n dt h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t m o d e l i n go fd r a w i n gi se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h en n i t ee l e m e n tt h e o r y t h e c o r r e c t n e s so ft h em o d e li sc o n f i r m e db yh gf o r m u l a t h i r d l y ，t h ef o r m i n gp r o c e s sw i t hc o m b i n a t i o nm e t h o di ss i m u l a t e db yt h e f i n i t ee l e m e n tm o d e la n dm e t a lf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h el a wo fs t r e s sa n ds t r a i n d i s t r i b u t i o na r es t u d i e d i ti sv e r i f i e dt h a ti ti sa v a i l a b l et os h a p er e c t a n g u l a rw i r e w i t hc o m b i n a t i o nm e t h o d l a s t ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g nm e t h o di su s e dt oa n a l y z et 1 1 ee f 琵c to f p r o c e s sp a r a m e t e r st of o r m i n gc o u r s e ，a n dt h eo p t i m i z e dc o m b i n a t i o no fp r o c e s s p a r a m e t e r sa r eo b t a i n e db ye m p l o y i n gr a n g ea n a l y s i st oa n a l y z et h es i m u l a t i o n r e s u l t s t h er e s u l t ss h o wt h a t ，r e c t a n g u l a rw i r ew i t hr a wm a t e r i a lf o rq19 5a n dt h e s i z ef o r2 3 衄4 8 衄， i ti sa b l et oa c q u i r et h em i n i m u mr a d i u so ff i l l e t0 】7 衄 w i t hc o m b i n a t i o nm e t h o d m e a n w h i l e ，i tc a na l s om e e tt h er e q u e s t sf o ru t i l i z a t i o n a n dt h el i f eo fd i ei sl o n g e rd u et ol i t t l ew e a r c 0 m b i n a t i o nm e t h o dh a ss o m ef o r h e l p f u lr e f 色r e n c e st os h a p i n go t h e rs p e c i a l - s h a p e dw i r e k e y w o r d s ：r e c t a n g u l a rw i r e ；p r o c e s sd e s i g n ；c o m b i n a t i o nm e t h o d ；f e ms i m u l a t i o n ； p r o c e s so p t i m i z a t i o n 插图清单 图1 1 常见异型钢丝截面形状l 图1 2 形变热处理工艺曲线示意图3 图2 1 笛卡尔坐标系下的物体描述：j 一6 图2 2 位移与变形7 图2 3 笛卡尔坐标系中四面体的面元8 图3 1 常见辊模形式j 1 2 图3 2 矩形钢丝截面1 3 图3 3 组合法成形工艺流程图1 4 图3 4 组合法成形示意图1 4 图3 5 辊模拉拔速度分析图1 5 图3 6 辊模拉拔受力图1 5 图3 7 矩形拉丝模简图1 7 图3 8 拉拔时受力与变形状态1 7 图3 9 固定式四辊模三维模型1 8 图3 1 0 二连式二辊模三维模型1 9 图3 1 1 钢丝受力分析图2 0 图3 1 2 不同辊径固定式辊模拉拔后毛坯断面形状2 2 图3 1 3 辊拉时坯料宽展2 2 图4 1 钢丝载荷边界条件加载2 4 图4 2 钢丝位移时间曲线2 5 图4 3 辊模拉拔有限元模型2 5 图4 4 辊拉前后金属流动时网格变化2 6 图4 5 矩形钢丝辊拉等效塑性应变分布云图2 7 图4 6 钢丝截面网格变化2 8 图4 7 提取节点2 8 图4 8 不同节点的等效塑性应变分布曲线2 8 图4 9 沿路径的等效塑性应变分布曲线2 9 图4 1 0 等效应力分布云图3 0 图4 11 等效应力分布曲线31 图4 1 2 接触摩擦力分布曲线3 l 图4 1 3 辊拉后矩形坯形状3 3 图4 1 4 固定模约束边界条件加载3 3 图4 1 5 固定模拉拔有限元模型3 4 图4 1 6 固定模拉拔前后矩形坯截面网格3 4 图4 1 7 等效塑性应变云图3 4 图4 1 8 等效塑性应变分布曲线3 4 图4 1 9 等效塑性应变速率分布曲线3 5 图4 2 0 节点位置3 6 图4 2 l 等效应力变化曲线j 3 6 图4 2 2 接触摩擦力变化曲线3 6 图5 1 矩形坯圆角3 8 图5 2 各因素对等效圆角半径的影响? 4 0 图5 3 各因素对拉拔应力的影响4 0 图5 4 不同圆角半径的矩形模充型状态4 3 图5 5 等效塑性应力场云图：4 4 图5 6 温度场云图4 4 图5 7 最大等效应力变化曲线4 4 图5 8 温度变化曲线4 4 图5 9 等效塑性应变速率4 5 图5 1 0 各因素对温度变化的影响4 6 图5 1 l 各因素对最大等效应力的影响4 6 表格清单 表3 1 矩形拉丝模主要尺寸2 3 表4 1 毛坯和模具材料参数2 4 表4 2 钢丝边界节点坐标j 3 2 表5 1 影响辊拉成形因素水平表3 8 表5 2 辊拉正交试验方案及结果3 8 表5 3 辊拉模拟结果的极差分析3 9 表5 4 固定模拉拔时因素水平表4 2 表5 5 试验设计表及模拟结果4 2 表5 6 正交试验设计及模拟结果4 5 表5 7 模拉模拟结果的极差分析4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 佥起王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字： 秒忑八胎 签字日期：州矿年驴月纠日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金g 墨王些盔堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 盒目墨王些盔堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 孤火鹏 签字日期：刀归年妒月纠日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 伽丰 签字日期桫c o 叫月哆日 电话： 邮编： 致谢 在本文完稿之际，首先向我的导师陈文琳教授的辛勤培养与无私关怀表示 衷心的感谢! 在近三年的硕士研究生学习期间，无论是从专业课程的学习、论 文选题、课题研究思路确定，还是到学术论文发表、硕士论文成稿以及曰常生 活中，始终受到导师的亲切关怀和悉心指导。导师渊博的学识、严谨的治学态 度、精益求精的工作作风以及非凡卓越的敬业精神，深深教育和激励着我，使 我受益匪浅，并将继续对我以后的学习、生活产生深刻的影响。在此，谨向我 的恩师致以由衷的谢意和诚挚的祝福! 特别感谢材料学院刘全坤教授、陈忠家、吴圣川、马勇老师，在我的研究 生学习生涯中，他们给予了我学习上的启迪和生活上的关怀。 感谢詹斌、曹俊、邹文超、王荐、朱小兵师兄，感谢张文超、夏正宝、程 颖、彭李静、路遥和刘桥求等同学在学习和生活上给予我的关心和帮助。 由衷感谢在百忙之中抽出时间审阅本论文的专家教授，感谢答辩委员会各 位老师和专家们对我的论文提出宝贵建议。 最后，深深地感谢我的父母，他们在精神上和经济上始终给予了我巨大的 支持和鼓励，使得我能够专心和顺利地完成学业。我取得的每一个进步，都离 不开他们对我的教育、培养和默默支持。 作者：武大鹏 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 钢丝是以热轧线材为原料，经过冷拉加工而成的线材制品。以钢丝为原料 再加工而制成的钢铁制品，如钢丝网、钢丝绳等称为二次线制品。钢丝生产与 其他钢铁生产相比，具有工艺和装备技术较为复杂，产品质量要求较高，生产 管理要求严格，生产周期较长等特点【1 1 。 异型钢丝为非圆断面钢丝，其断面形状多种多样( 常见异型钢丝如图1 1 所示) ，是钢丝的重要组成部分【2 1 。异型钢丝通常具有以下特性【3 】： ( 1 ) 形状功能性。异型钢丝按形状和用途不同，有定位、导向、稳定、实 用、密封等功能。 ( 2 ) 免切削和节省材料。目前生产的异型钢丝通常可直接用于生产，不需 再进行机加工，从而节省材料降低成本。 ( 3 ) 高精度。利用现代化手段生产的异型钢丝，其尺寸精度可到达士0 0 2 衄左右，精度高者甚至可达到微米级，如椭圆针布钢丝、汽车刮片等。 ( 4 ) 优异的力学性能。异型钢丝除具有明显的形状特点外，还具有优异的 力学性能，如高强度、高韧性、低松弛、耐腐蚀、耐疲劳和耐磨损等。 口o 么 么幻凸巴口d 口 qo 凸罚 p 甸聚 q 图l - l 常见异型钢丝截面形状 由于异型钢丝的这些特性，使其具有其他线材产品无法替代的地位，因而 具有广泛的用途。如垫圈和弹簧用方形钢丝或梯形钢丝、汽车用活塞环钢丝、 玻璃升降器用扁钢丝、纺织行业用针布钢丝、钟表用发条钢丝、航天和军工用 其他特殊合金钢丝等【4 】。随着机械工业、汽车工业的技术进步，对高质量异型 钢丝的要求日益迫切，高质量的异型钢丝有着广阔的市场空间。因此，对异型 钢丝的成形工艺进行研究，生产出高质量的异型钢丝，对于抢占异型钢丝市场 有重要意义。 1 2 异型钢丝生产现状及发展趋势 1 2 1 异型钢丝生产现状 国外对异型钢丝的研究较早，到上世纪六十年代，就能生产各种复杂断面 的异型钢丝，并形成了系列。国外生产的异型钢丝具有形状规则、尺寸波动小、 通条性好、钢丝综合性能优和表面质量高等特点。 我国异型钢丝的生产起步相对较晚，上世纪七十年代末，仅有陕西钢厂、 首钢特殊钢厂等几个大厂依靠自身力量组织生产一些断面形状简单、规则的异 型钢丝，并且还存在尺寸波动大、通条性差、钢丝综合性能差等问题。年产量 多者达上千吨，少则仅有几十吨，由于其产量小、生产难度大、质量差、效益 不好等原因，没有引起厂家的重视。到八十年代后期，随着国民经济的发展和 市场经济的逐步形成，异型钢丝生产在我国得到迅猛发展，设备引进步伐也在 加快【5 】。目前，国内出现了一些钢丝绳生产企业，已经能够生产规格多、品种 全的异型钢丝，生产的异型钢丝基本能满足国内市场需求，如江阴的法尔胜公 司、贵州钢丝绳厂和天津钢丝绳厂等。 随着科技的不断发展，异型钢丝的生产方式发生重大转变。传统生产异型 钢丝主要采用机加工方式进行，如方形丝采用四面锻或铣的方法来生产，对扁 钢丝则采用带钢先纵剪分条，然后再刨边的方法生产。这种生产方式浪费了大 量的人力物力，增加了生产成本。目前，通常是利用钢丝拉拔方式来生产异型 钢丝，这种生产方式不仅生产效率高、成材率高，而且为异型钢丝的使用和后 序加工创造了条件。根据异型钢丝的断面形状不同，其生产方法可分为固定模 拔法、轧制法、辊模拉拔法及组合法【6 j 。 1 2 2 异型钢丝生产发展趋势 随着社会科学技术的不断进步，市场对异型钢丝的要求也逐渐发生变化， 主要体现在以下几个方面：一是市场对冷拉异型钢丝提出了更高的要求：二是 异型钢丝断面形状越来越不规则，向多种规则形状组合的方向发展；三是尺寸 规格向两个极端发展；四是油淬火回火异型钢丝逐渐替代冷拉钢丝或软态钢丝。 为了保证异型钢丝具有优良的力学性能，除了对异型钢丝的生产过程进行 控制外，还要对其原材料进行控制。为了保证异型钢丝的形状，就要提高模具 的精度。力学性能和形状是异型钢丝使用的主要技术指标，两者缺一不可，异 型钢丝生产新技术发展主要体现在以下几个方面【3 ，7 j ： 1 ) 材料合金化和超洁净技术。即在炼钢时加入一些合金元素如s i 、m n 、 n i 、v 、c r 等，以利于细化晶粒提高钢的淬透性。另外，严格控制钢中夹杂物 和有害元素，保证钢丝的疲劳性能。 2 ) 钢丝扒皮技术。即在钢丝表面用扒皮模扒掉一层，以去除表面裂纹和脱 碳等缺陷，保证钢丝的强度、韧性和疲劳性能。 3 ) 钢丝软化技术。一般碳素钢采取退火处理，奥氏体钢采用固溶处理。 2 4 ) 钢丝的铅淬火或油淬火加热新技术。常用的新型加热方法有两种：一是 点接触快速加热技术；二是高频感应加热技术。 5 ) 钢丝的形变热处理技术。形变热处理是将钢丝加热到奥氏体化温度区， 然后冷却至变形温度，将钢丝变形，然后淬火、回火，该工艺过程有高温形变 热处理和低温形变热处理两种，如图1 2 所示。 毒 - _ 型 壤 时闾 图1 - 2 形变热处理工艺曲线示意图 6 ) 模具加工及检验技术。随着科技的进步，线切割、电火花和高速流射技 术等被应用于固定模成形上。孔型测量仪和微电脑万能曲线磨床等，应用在孔 型加工处理和检验。 1 3 异型钢丝国内外研究现状 在国外，各国学者对异型钢丝在理论和实验方面进行了研究，取得了一些 研究成果。j u n e j a 与p r a k a s h 等人利用上限法，对拉拔规则多边形丝的成形过 程进行研究，发现当模具与多边形丝的接触摩擦力作用在整个多边形丝表面时， 随着边数的增加拉拔应力逐渐减小【8 ，引。b a s i l vb b ，g u n a s e k e r aj s 和b o e rc r 等人通过上限法、下限法和有限元对圆钢丝拉拔到多边形钢丝进行研究，分析 工作锥角、摩擦系数和压缩率对拉拔力和模具表面的压力的影响，并对模具几 何参数和拉拔力进行了优化【1 0 。13 1 。b r i c k e r 等开发了一套c a d 系统，用于对圆 形丝或矩形丝通过多道次拉拔生产断面形状不规则异形丝的过程进行控制，还 开发了一个专家系统根据产品的形状自动计算拉拔道次【1 4 】。y o s h i d a 与y a m a d a 利用有限元模拟拉拔生产六边形钢丝过程，分析了六边形钢丝边角成形情况， 并通过物理试验对模拟结果进行了验证【l5 1 。k i m 等人通过三维刚塑性有限元模 型模拟从圆钢丝拉拔到方形丝的过程，分析了工艺参数对成形过程的影响 【1 6 ，1 。7 1 。y c k i m 和b m k i m 通过物理试验和有限元模拟，分析了从圆钢丝拉 拔到矩形钢丝时，拉丝模工作锥角、压缩率及矩形丝形状对圆角填充的影响， 发现当拉拔方形丝时工作锥角对圆角充型影响较大【1 8 】。l b a y o u m i 利用辊模将 圆棒料辊拉成方型棒料，发现辊模与棒料问的摩擦对拉拔应力的影响显著，压 缩率和辊径对拉拔应力的影响很小；拉拔应力与平均辊压力的比值与摩擦无关， 且随着压缩率的增加而线性增大【1 9 】。k a r e nl w a n g 与v a s i l i sa r g y r o p o u l o s 利 用有限元法对多边形成形过程进行研究，并对传统拉丝模型腔进行了分析和改 进，设计出梅花形型拉丝模，利用这种拉丝模，实现将圆钢丝通过一道次固定 模拉拔成方形丝，显著提高了生产效率和产品质量，降低了制造成本【2 0 ，2 1 1 。 在国内，北京科技大学的郑宝龙与李连诗对二连式辊模拉拔异型丝进行了 实验研究，分析了二连式辊模拉拔异型钢丝时变形金属在不同辊模孔型下的变 形特点和力学特征【22 ，乃j 。张静对利用辊拔生产异型钢丝时，压下量、辊拔道次、 摩擦系数和后张力对变形金属的宽展率的影响进行了研究【2 引。汪洪明和吴武楠 等人利用滚拉法生产卡环异型丝，研究得出滚拉法生产卡环异型丝工艺效果更 优异，能够减少卡环异型丝中间软化退火过程，降低成本【25 1 。周林和雷霆等利 用辊拉法对异型钛材进行辊拉，得到采用辊模拉拔工艺加工精密异型钛材，克 服了钛材变形抗力大，难加工的缺点，能够显著减少拉拔力，增加道次加工率， 提高拉拔速度，降低了生产成本【2 制。西安建筑科技大学的王伯健、宋清华和师 晓莉等人对平辊压扁轧制圆钢丝工艺进行研究，探讨了圆钢丝在压扁轧制的变 形特点，分析了钢丝在压扁轧制中的变形规律和压力分布情况【2 7 2 引。首钢总公 司冶金研究院的李窘与方威等对不锈钢异型丝冷拉拔工艺进行研究，证明改善 线材表面状态对异型丝生产有较大影响【2 9 1 。张玉新和李勇等利用有限元模拟y 型辊模拉拔异型材的变形过程，分析变形程度和摩擦系数对拉拔力的影响，得 到拉拔力与变形程度几乎成正比增长，摩擦系数增大对拉拔力的影响很大1 30 1 。 1 4 本课题研究意义及主要研究内容 1 4 1 研究意义 异型钢丝因具有形状特性和优良的力学性能，在机械和汽车某些领域有着 其他金属制品无法替代的用途。尽管我国对异型钢丝的研究起步较晚，但经过 几十年地不懈努力发展，我国钢丝生产企业已经能够生产出几乎各种规格的异 型钢丝。然而，还应看到我国生产的异型钢丝与国外同类产品相比，在质量上 还有比较明显的差距。有些高质量的异型钢丝国内还无法生产，如轿车车门用 卵形钢丝，或是国内虽能生产但质量无法满足客户需求，又或是产品质量达到 了客户需求，生产成本却比国外生产的异型钢丝成本高出几倍，导致我国每年 都需从国外进口大量的高质量的异型钢丝。因此，如何生产出质优价廉的异型 钢丝，提高我国异型钢丝的市场竞争力，减少对国外高质量异型钢丝的依赖， 是摆在我国钢丝生产企业面前的一个重大课题。而工艺设计和研究方法的落后 是提高异型钢丝质量的制约因素。由于目前缺乏有效的研究手段，异型钢丝拉 4 拔工艺一直采用以试验为主的试验法制定，对于复杂的成形工艺，产品质量难 以控制。因此，采用先进的技术和现代化的研究手段，改变传统的经验式设计 方法，是提高异型钢丝质量的有效途径。 矩形钢丝是异型钢丝的一种，其广泛应用于机械、汽车和纺织等行业，如 矩形弹簧、汽车用各种拉丝、皮带连接卡扣和矩形钢丝圈等。目前，矩形钢丝 的常用成形方式有两种：一是用钢板直接裁剪成形，另一种是与圆形钢丝一样 通过固定模拉拔成形。前者的力学性能基本保持钢板原有的力学性能，而后者 是将原材料经过多次拉拔成形，其力学性能明显提高。但是矩形钢丝在固定模 拉拔成形时还存在很多问题：如圆角充型困难，模具磨损严重等，很难实现大 批量生产。因此，对矩形钢丝成形工艺进行研究，制定出可实现大批量生产且 产品品质高的成形工艺，对提高矩形钢丝生产水平具有重要意义。 本文以某具体型号的矩形钢丝为研究对象，利用数值模拟技术对其成形过 程进行有限元模拟，研究金属在成形过程的变形规律，为优化成形过程提供依 据。根据金属变形规律，制定可行的生产工艺，并利用优化设计方法，对生产 工艺参数进行优化组合，得到优化的生产工艺组合。 1 4 2 课题来源及研究主要内容 本课题来源于与国内某钢丝绳厂合作的横向课题。 本课题的主要任务是以q 1 9 5 的圆钢丝为初始坯料，分析矩形钢丝成形过 程的金属流动规律，制定合理的生产工艺，成形出截面尺寸为2 3 咖4 8 衄、 形状规则的小圆角矩形钢丝。 本文的主要内容包括： ( 1 ) 介绍异型钢丝的国内外发展现状和发展趋势，以及异型钢丝的国内外研究 现状。 ( 2 ) 针对数值模拟的技术，介绍弹塑性有限元法的基本理论。 ( 3 ) 选择合适的矩形钢丝成形方法，制定成形工艺方案，并对成形工艺进行分 析。 ( 4 ) 对矩形钢丝成形过程进行有限元模拟，分析成形过程金属的变形特征，研 究变形金属的流动规律。 ( 5 ) 采用正交实验设计方法，对成形过程有较大影响的工艺参数与模具几何尺 寸参数进行优化。 第二章弹塑性数值模拟的基本理论 钢丝冷拔成形问题是一个复杂的弹塑性大变形问题，既有几何非线性问题， 又有物理非线性问题，加上复杂的边界条件，使得变形机理十分复杂。其成形 过程是一个受多种因素影响的复杂过程，材料性能、模具形状、坯料形状、工 艺参数及温度等对成形过程都有影响。因此，采用有限变形理论比较适宜。 2 1 弹塑性有限变形基本理论 2 1 1 物体的运动描述方法 物体由质点组成，可以用质点在参考坐标系中位置坐标来表示物体中质点 的位置，如图2 1 所示。 图2 1 笛卡尔坐标系下的物体描述 在连续介质力学中，物体的构形为连续介质的物质点在空间位置的集合。 变形前介质的构形称作初始构形，变形后的介质构形称为当1 j 构形。只要知道 了介质的初始构形和介质的当前构形，就能确定出物体的运动规律【3 l ，3 2 】。设 x ( 五，墨，墨) 是一个质点在某一时刻的初始构形，经过f 时刻后质点的新坐标 为五瓴，岛，五) ，它是坐标x 与时间f 的函数，可以表示如下 t = 薯佤，五，也，) = t 伍，f ) ( 2 1 ) 对于物体中质点运动的描述一般有两种，l a g r a n g e 描述和e u l e r 描述。 l a g r a n g e 描述是以质点作为观察对象，研究在给定的质点上各物理量随时间的 变化以及这些物理量从一个质点到另一个质点的变化。e u l e r 描述是在介质所占 据的固定的空间点上来研究问题，研究在所给定的空间点上各物理量随时间的 变化以及这些物理量从一个空间点到另外一个空间点的变化1 33 1 。 在研究金属塑性成形时，l a g r a n g e 法和e u l e r 法并不是完全不同。两者本 质的区别在于，前者以变形前的构形作为基准，后者以变形后的构形作为基准。 在本课题中，更关心的是变形体上质点在空间的运动过程，而不是不同时刻质 点的流动特性，因此l a g r a n g e 法更合适一些。 2 1 2 应变张量 初始构形时刻两相邻的质点q o 和p o ，经时间f 后移动到q 和p ，在三维 笛卡儿坐标系中来描述和分析它们的位置与运动，如图2 2 所示【3 4 3 7 】。 图2 - 2位移与夏彤 设初始构形中q o 、尸。之间的微元长度的平方为 皿) 2 = 扰= 峨戤= 磊越研， ( 2 2 ) 式中 岛一一为克氏符号，f ，产l ，2 ，3 。当f 可时，岛2 1 ：否则，岛2 0 。 则变形后的构形中q 和p 间的微元长度的平方是 伍) 2 = 出出= 出，如= 毛如出， ( 2 - 3 ) 由于薯= 薯佤，五，托) 和五= 鼍g 。，吃，而) ，假设这些函数连续可导，则有 也2 每蚂， o h 二 。 峨= 誓嘶o 。 ( 2 4 ) 把式( 2 4 ) 代入式( 2 3 ) 中，当l a g r a n g e 描述时，质点q o 、尸。变形前后 微元长度的平方差为： ) 2 - ( 2 _ ( 蠹惫一磊) 峨码 ( 2 - 5 ) 或 似) 2 _ ( 因2 - ( 磊去惫) 如吼 ( 2 - 6 ) 分别令 7 岛2 丢c 象每吲 勺2 等拳 式中 一一l a g r a n g e 有限应变张量； 气一一e u l e r 有限应变张量。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 2 1 3 应力张量 从以上分析可知，g r e e n 应变和阿尔曼斯应变分别定义在初始构形和当前 构形里。而物体变形时，应力和应变是相互对应的，因此也就出现了与之对应 的l a g r a n g e 应力张量和c a u c h y 应力张量。 ( 1 ) c a u c h y 应力张量 设在三维笛卡尔直角坐标系中，物体在f 时刻的一个有向面元a b c ( 以拧 记其法向) ，如图2 3 所示。如果该面元与另外三个垂直于坐标轴的面元构成一 个四面体，则由静力平衡条件可得c a u c h y 应力张量呒，的定义方程 。唧谢 ( 2 9 ) 式中识作用在该面元上的应力分量； 哆广方向余弦； 幽有限面元的面积。 图2 3 笛卡尔坐标系中四面体的面元 ( 2 ) l a g r a n g e 应力张量己 在分析当前构形微元出对应的初始构形微元_ 嬲。时，也必须分析初始构 形对应面上作用的力元够o 。在有限变形理论中，对妇。和妇的对应关系常采 用l a g r a n g e 规定。 媚。= 够= 乃虬钌o ( 2 1 0 ) 可求出l a g r a n g e 应力张量 = 器 ( 2 1 1 ) 2 1 4 弹塑性有限元的本构关系 在弹性阶段，应力与应变的关系符合h o o k e 定律，进入塑性状态后符合普 朗特劳斯假设和密赛斯屈服准则【38 1 。 1 、弹性阶段 在弹性变形阶段，应力与应变是线性关系，应变仅取决与最后的应力状态， 与变形过程无关，并且互相对应，其全量形式如下 仃 _ d 】。 s ( 2 - 1 2 ) 式中 d 】。一一为弹性矩阵( 下角e 表示弹性) 。对于各向同性材料，由广义胡 克定律可得 肾高 1 一l ， 1 2 y l ， 1 2 y v 1 2 y l ， 1 2 y 1 一y 1 2 y y 1 2 y j ，_ oo0 l 一2 y j lo 00 l 一2 y 上旦ooo l 一2 l ， 三 oo 2 三 o 2 1 2 ( 2 - 1 3 ) 式中e 为弹性模量； y 为泊松比。 2 、弹塑性阶段 当材料所受外力达到一定的值时，等效应力达到屈服极限。应力与应变之 间的关系由弹塑性矩阵 d 】印( 下角印表示弹塑性) 决定，它们之间的增量关系 为 d 盯) = d 印d s ) ( 2 1 4 ) 通过推导可得 9 【d 】印= 击 兴j 一 口j l 一2 l ， 1 式中缈= 9 g f 万叫吒q 高一埘t z l 2 y 7 对称 函石一q 吒 l ， i i 一啪尹z l y 两了叫吒 g 材料的剪切弹性模量； 日。材料的硬化系数； 吒应力偏量分量。 一曲0 0 尊一o 乒 一曲6 0 # 一锄o 球一俑o 氍一a d 4 一氆o 碍一曲o 一曲o t “ 三一弓一勺一吃 三一哆一国乞 一一c c ，l 一一c c ，i 一 2 月卢4 2 2 弹塑性有限变形的有限元方程 变形体在变形过程中，每一个瞬时都要满足虚功原理。 到以l a g r a n g e 参数描述的虚功率方程为【3 9 - 4 1 】 l 毛万岛d = l ，只。以砜+ l e 。万m d ( 2 1 5 ) 通过公式推导，得 ( 2 1 6 ) 式中s ，k i r c h o f f 应力分量5 万房，g r e e n 应变率增量； k 变形体初始态时的体积； p 作用在变形体初始态表面上应力矢量的分量； & 仃只。作用表面的面积； f o 初始态图形的单位体积体力的分量。 根据上式建立起来的有限变形条件下的l a g r a n g e 描述的有限元方程可表 示为 z 8 = 岛7 1 d + 或7 岛d ( 2 - 2 0 ) 或= 批喁) = 数毒m 告h 沼2 ， 或= 壶m 缈麦以 2 2 ， 式中 或有限变形条件下的几何矩阵中对应于g r e e n 应变速率的行向量； l o 召：在有限变形条件下由于几何非线性产生的附加项； 形函数矩阵； 缈单元节点位移的列向量。 第三章矩形钢丝成形工艺 矩形钢丝通常以圆钢丝为初始坯料，在外力作用下使圆钢丝通过面积递减 的模孔拉拔成形，变形过程中金属在径向、周向和轴向上流动，变形过程比较 复杂。因此，需对矩形钢丝拉拔成形工艺进行全面了解，掌握各种工艺参数对 变形过程的影响，为工艺制定和优化做好准备。 3 1 异型钢丝常用成形方法 根据异型钢丝的截面形状不同，有如下常用成形方法p j ： 1 ) 固定模拉拔用事先加工成一定形状的硬质合金模或聚晶模从圆丝开 始逐道次拉拔，直至拉拔成所需尺寸、形状的成形方法。该方法的优点是设备 一次性投入小，产品形状精确、尺寸公差小、通条性好；缺点是制模难度大， 尖角欠充满、表面易划伤、道次变形率和总变形率小、生产周期长，有些断面 形状的钢丝甚至无法生产。 2 ) 轧制法即通过两辊或四辊主动轧机生产扁钢丝或者其他形状钢丝的 一种方式。轧制法一般分为冷轧及热轧两种，采用冷轧法可以很方便地生产一 些断面积小、形状简单的异型钢丝，而对于断面积比较大，特别是对于宽厚比 较大的异型丝，采用冷轧法一般要经过多道轧制。热轧法常用来生产大规格、 难变形的高碳钢、合金钢、不锈钢异型丝。 3 ) 辊模拉拔法即用辊子组合成孔型，通过辊子从动的方式成形异型钢 丝。辊拉的变形过程是介于模拉与轧制之间的一种塑性变形，但与二者又有区 别。辊拉具有显著的优越性，可实现复杂异型断面钢丝生产、可提高钢丝变形 的部分压缩率和总压缩率、减少变形能耗与热处理能耗、降低对润滑的要求， 模具寿命长、拉拔速度高等。但是尺寸精度比固定模拉拔低，异型钢丝产品尺 寸公差波动大。 a ) 二辊模 巢 书雌 ! 一! _ 卜 c ) 可调整式四辊模d ) 固定式四辊模 图3 1 常见辊模形式 1 2 常见辊模从辊数上分有两辊、三辊和四辊辊模等几种；根据辊模孔型尺寸 能否调整，辊模又可分为可调整辊模和固定式辊模，如图3 1 所示。 4 ) 组合法利用两种或两种以上的成形方式生产异型钢丝的方法。组合法 生产异型钢丝，充分利用了设备各自的特点，可大大提高生产效率。 3 2 矩形钢丝成形工艺分析 3 2 1 矩形钢丝成形特点 矩形钢丝截面形状如图3 2 所示。矩形钢丝虽然截面规则简单，但在成形 过程中由于圆角与直边处变形不均匀，圆角成形较困难。尤其在成形圆角较小 的矩形钢丝时，圆角经常充型不满，严重影响产品形状精度。 图3 2 矩形钢丝截面 3 2 2 矩形钢丝成形方法 本文以a = 2 3 衄，b = 4 8 衄的q 1 9 5 矩形钢丝为研究对象，对矩形钢丝的成 形过程进行研究，成形出圆角尽可能小的矩形钢丝。鉴于该型号矩形钢丝产品 宽厚比( b a = 2 0 8 ) 较大、圆角较小，利用传统的固定模拉拔成形时，虽然钢丝的 形状精度和通条性较好，但模具磨损严重，尤其是在圆角处，模具寿命很低， 很难实现大批量生产。利用辊模拉拔生产，虽然模具寿命较高，但成形出的矩 形钢丝产品尺寸精度和通条性较差，较难满足产品质量要求。 因此，为了保证矩形丝产品尺寸精度和提高模具使用寿命，选择辊模拉拔 和固定模拉拔相结合的组合法成形矩形钢丝。 3 2 3 矩形钢丝成形工艺方案 通过以上的分析，确定成形该型号矩形钢丝的工艺方案为：以5 5 锄的 q 1 9 5 圆钢丝为初始坯料，经二连式二辊模、固定式四辊模和固定模拉拔，其工 艺流程图如图3 3 所示。 二连式二辊模由两对普通平辊组成，一对水平辊和一对立辊，二连式二辊 模对圆钢丝进行粗拉，得到扁钢丝；固定式四辊模对扁钢丝进行辊拉，获得高 度和宽度与成品丝高度和宽度相同带自由过渡曲线的矩形坯；固定模拉拔是对 矩形坏进行精整获得尺寸精度和形状精度高的矩形钢丝其成形示意图如图 3 4 所示。 区圉一巨因叵困 l i 矩形钢丝】+ 一j 固定模 图3 3 组合法成形工艺流程创 = i = g 圉3 4 组合法成形示意图 324 辊模拉拔工艺 辊模拉拔即用辊子组合成孔型，由金属与辊面间的摩擦力的合力带动辊子 转动，压缩金属实现变形，其变形过程是介子模拉与轧制之间的一种塑性变形。 324 1 辊模与金属的速度 在辊拉过程中，变形区中金属接触表面上各质点所处的位置不同，根据金 属在接触面的质点速度与辊子水平速度的不同可以将变形区分为三个区域。金 属质点速度落后于辊子水平速度的区域为后滑区，质点速度大于辊子水平速度 的区域为前滑区，两者速度相等的部分为中性面( 后滑区和前滑区的交界面) ， 如图3 5 所示。 在不同区域摩擦力的作用也不相同。在后滑区i 上，金属在辊子上产生的 摩擦力，阻碍辊子转动，而在前滑区i i 产生促使辊子运动的摩擦力乃。要使 辊子作匀速运动，须n 等于n 与滚动轴承摩擦力之和，摩擦力的损失只表现 在金属与辊子接触面相互运动所做的功，该功最后转变为热量【4 ”。 从以上分析可知，辊模拉拔时的外摩擦力在某种程度上被滚动轴承中的滚 动摩擦力所取代。外摩擦力小，这是辊模拉拔中可降低拉拔力的主要原因。 r f 1 图3 5 辊模拉拔速度分析图 3 2 4 2 辊模与金属间的受力分析 辊模拉拔与带前张力的线材轧制相似，区别在于辊模拉拔是线材主动，带 动辊子转动；而轧制是轧辊主动，带动金属进入孔型变形。辊模拉拔时在接触 弧面上一般存在着后滑区、中性面和前滑区，如图3 5 中i 区为后滑区，i i 区为 前滑区，i 区与i i 区之间为中性点。变形区中金属所受的外力为拉拔力尸，模 壁给予的正压力尸和摩擦力丁。拉拔力f 作用在被拉线材的前端，正压力p 和摩擦 力丁作用在线材的表面上，它们是由线材在拉拔力的作用下，通过辊模模孔时 模壁阻碍金属运动形成的。正压力方向垂直于模壁，摩擦力功向平行于模壁， 并且与金属的运动方向相反，如图3 6 所示。 图3 6 辊模拉拔受力图 变形区中摩擦力的分布和作用也不同。后滑区的摩擦力是拽入线材的动力； 中性区轧件与轧辊表面刚性转动，没有相对滑动；前滑区的摩擦力与轧件运动 方向相反。若不考虑克服辊子内轴承中的摩擦力所需的力矩，则辊子运动的均 匀性表明沿接触面作用到辊面上的总摩擦力矩等于零；如