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随着制造业的迅猛发展,金属拉拔已成为金属材料最普遍的加工工艺之一,在电线电缆行业,各类铝丝、铜丝、中高压电缆铜、铝线芯、大截面超高压电线电缆异型线缆等产品的生产在国民经济中占有重要地位。同样在金属制品行业,各类铝、铜、碳钢、合金钢、不锈钢线材和管材以及焊丝的生产也在传统工业领域占有很大比重。拉丝模、拉管模和其他各种拉拔模具是金属加工过程中常用的关键模具,应用范围广,市场容量大,已形成规模很大的模具行业。然而目前生产上广泛采用的传统硬质合金拉拔模具非常容易磨损,寿命短,模具损耗大,生产效率低,而且拉制产品的表面质量差,特别是截面尺寸精度难以保证,造成原材料浪费严重,严重制约了金属加工传统产业的技术进步和行业效益的进一步提高,尤其无法满足高速拉丝工艺对拉拔模具耐磨性提出的更高要求。一种创新技术就是化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,CVD）在模具内孔生长金刚石涂层,这对于大幅度延长拉拔模具的使用寿命,显著提高生产效率和改善相关产品的质量,将具有十分重要的意义,必将有力促进相关领域技术瓶颈的突破,取得显著的社会经济效益。本文针对CVD金刚石涂层拉拔模具的制备、抛光CVD金刚石涂层的摩擦学性能研究、CVD金刚石涂层拉拔模具的优化设计及金刚石涂层异型拉丝模具的设计,展开了研究工作。本文主要完成工作可以概括如下:1.抛光CVD金刚石涂层摩擦学性能研究。在硬质合金基体上沉积CVD金刚石涂层,对涂层进行机械抛光制备得到不同粗糙度的抛光CVD金刚石涂层试样,并对未抛光及抛光CVD金刚石涂层试样的表面形貌、结构成分以及附着强度进行了性能表征。未抛光的CVD金刚石涂层试样的Ra值为275nm,抛光CVD金刚石涂层试样的Ra值的范围为15nm150nm。拉曼光谱和XRD的结果表明CVD金刚石涂层的金刚石成分十分明显。研究了油润滑环境下不同粗糙度的抛光CVD金刚石涂层试样与金属材料（铜、铝、低碳钢及不锈钢）组成的摩擦副的摩擦学性能。研究结果表明,抛光CVD金刚石涂层与不锈钢对磨的摩擦系数为0.040.12之间,低碳钢为0.050.13之间,铜为0.060.16之间,铝为0.080.19之间。不锈钢球的磨损率为6×10-98×10-8mm3/Nm;低碳钢球的磨损率为2.6×10-81.8×10-6mm3/Nm;铜球的磨损率为3.5×10-85×10-6mm3/Nm;铝球的磨损率为3×10-73×10-5mm3/Nm。金刚石涂层与硬质合金基体之间的附着力随着抛光时间的增加而降低。综合考虑抛光CVD金刚石涂层的摩擦系数、附着力及不同金属材料对磨球的磨损率情况,为不同的拉拔模具应用场合制定了不同的CVD金刚石涂层拉拔模具的抛光时间,保证了涂层合适的粗糙度以及金刚石涂层与基体之间的附着力。2.CVD金刚石涂层拉丝模具设计、制备与应用。利用通用有限元软件ANSYS Workbench,对铜丝、铝丝、不锈钢丝及低碳钢丝的拉拔过程进行了仿真模拟,得到线材和金刚石涂层拉丝模具的应力分布及拉拔力的大小,然后根据Box-Behnken实验设计设置不同的模具几何参数,采用响应面法研究了金刚石涂层拉丝模具的各个几何参数对拉拔过程的影响,并应用满意度函数法进行多目标优化,得到了最优的金刚石涂层拉丝模具的几何参数。采用热丝CVD法制备了金刚石涂层拉丝模具,并在在实际生产中考察了涂层拉丝模具的工作寿命和加工性能。涂层模具的应用大幅提高了模具的工作寿命和效率,延长寿命达到10倍以上,拉制出来的金属线材截面稳定,表面光洁度高,产品质量得到大幅提升,同时极大地节约了原材料。3.CVD金刚石涂层异型拉丝模具设计、制备与应用。本文提出了一种“直纹面分割法”的设计思路解决了异型拉丝模具的设计,然后利用有限元模拟仿真的方法及实际的拉拔试验,研究了六道次的异型线拉拔过程,仿真所得的拉拔力与实验结果比较十分接近。同时利用有限元仿真研究了不同道次的异型线拉拔过程,仿真结果表明,随着道次数的增加,拉拔力是随之减小的。这说明了增加异型拉丝模具的道次可以减少断丝的风险。制备了CVD金刚石涂层异型拉丝模具,并在现场进行拉拔。实际生产试验的结果表明五道次拉拔过程出现断丝现象,无法顺利进行,六道次及七道次拉拔过程十分顺利。为了节约成本,最终采用了六道次拉拔的方案进行实际生产。应用试验结果显示,涂层模具的寿命提高了11倍,且生产过程中异型线的尺寸精度始终保持不变,表面光洁度良好,无明显的划痕。模具工作寿命的延长保证了异型线长时间的稳定生产,减少了模具检测和更换的次数。采用CVD金刚石涂层异型拉拔模具能够提高异型线生产的效率、减少硬质合金和金属材料的浪费、减少能源消耗。4.CVD金刚石涂层拉管模具设计、制备与应用。利用有限元模型对金刚石涂层拉拔模具的无芯头拉拔、游动芯头拉拔及固定芯头拉拔过程进行了仿真模拟,获得了管材和金刚石涂层拉拔模具的应力分布及拉拔力的大小。阐述了管材无芯头拉拔过程中的缩径缺陷,并对传统的模具孔型进行改进设计,采用改进型的无芯头拉管模具可以降低金属管材进入定径区时收缩的速度,达到减少管材缩径的目的。使用传统设计的无芯头拉拔模具生产的管材的尺寸偏差可达100200μm,改进型的无芯头拉管模具可减少到20μm。采用响应面法研究了金刚石涂层拉管模具的几何参数对管材拉拔过程的影响,进行多目标优化,得到了最优的金刚石涂层拉管模具的几何参数,优化参数的有限元仿真结果与响应面模型计算结果表明优化算法所得的模具几何参数能够有效地综合降低管材拉拔过程中的管材轴向应力、模具应力及拉拔力。制备了CVD涂层拉管模具并进行应用试验。在应用过程中,金刚石涂层拉管模具表现出了良好的耐磨损性能和较低的摩擦系数,大幅度提高了传统硬质合金模具的使用寿命。5.基于人工智能的多道次优化设计。针对多道次拉拔过程中的延伸率分配问题,采用了人工神经网络与遗传优化算法相结合的优化方法。首先应用有限元仿真优化计算特定进线和延伸率拉拔模具的最优几何参数及各个目标值,优化结果用于训练人工神经网络。并在此基础上利用遗传算法对每一道次的延伸率进行优化求解设计。人工神经网络可用作实时准确的反映母材尺寸、延伸率与最优模具设计参数之间的映射系统。利用遗传算法建立多道次拉拔中的延伸率分配的优化模型,使用训练好的神经网络计算适应度,结合遗传算法强大的全局寻优能力,快速高效地对多道次拉拔中延伸率分配问题进行求解。6.基于Web的金刚石涂层拉拔模具数据库和有限元仿真平台的实现。通过对金刚石涂层拉拔模具的需求分析和基于Web的金属线、管材拉拔过程的有限元仿真平台的分析,建立了金刚石涂层拉拔模具数据库和有限元仿真平台。利用Web浏览器可以直接访问平台,实现对拉拔模具的设计数据的查询。