CVD金刚石涂层异型拉拔模具的参数优化仿真与制备应用

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智能电网作为“十二五”规划七大战略新兴产业之一,将促使我国的电线电缆行业飞速地发展。异型线材广泛应用于同心绞架空导线与电磁线,与圆线同心绞架空导线相比,型线绞架空导线具有增大导体截面利用率、降低导线弧垂率、防腐性能好、断线损害小、自阻尼性能强、减小风载等优点。异型电磁线是用以制造电工产品中的线圈或绕组的绝缘电线,广泛应用于发电机、电动机、变压器、电工电子仪表、电磁铁或其它类似电器设备产品绕组。它必须满足许多使用和制造工艺的要求。异型模具的质量是高质量异型线生产的保证,其材质及孔型结构直接影响着拉拔线材质量、模具寿命及企业的经济效益。目前,拉拔模具的模芯材料以硬质合金为主,拉拔过程中模具磨损严重、消耗量大,拉拔质量差且拉拔精度难以保证,铜等原材料浪费严重,造成生产效率低,工人劳动强度大,严重制约了产品质量的提高和拉拔行业生产效益。此外,生产硬质合金拉拔模具的原材料钨以及粘结剂钴,均为重要的战略资源,大量硬质合金材料模具的消耗,直接导致国家战略资源的浪费。化学气相沉积(Chemical vapor deposition,简称CVD)金刚石薄膜具有许多接近天然金刚石的优异性能,如极高的硬度和耐磨性、高的弹性模量、良好的热导率、较低的摩擦系数和良好的化学稳定性等,因此研究开发具有优异性能的新型CVD金刚石涂层的拉拔模具,不仅可以大幅度提高模具寿命,降低生产成本,提高生产效率和产品质量,而且对减少对战略资源钨、钴的消耗,建设资源节约型社会,实现经济可持续发展战略均具有重要意义。本文根据塑性金属材料的流动性变形规律,采用CAD/CAE技术对异型拉拔模具进行结构设计,并基于弹塑性有限元法,利用非线性有限元分析软件模拟研究了CVD金刚石涂层异型拉拔模具的拉拔过程,得到了拉拔过程中异型线材与模具的应力、应变分布规律以及在一定拉拔条件下CVD金刚石涂层异型拉拔模具的最佳孔型参数。依据最佳孔型参数,在慢走丝电火花线切割机床上加工异型拉拔模具,并设计正交试验提高异型拉拔模具内孔的加工质量及加工效率。然后在异型拉拔模具内孔表面沉积CVD金刚石涂层,并分别对抛光前后的CVD金刚石涂层进行粗糙度测量、拉曼(Raman)分析以及扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,简称SEM)分析。最后通过实际的拉拔试验验证了仿真结果,具体的研究内容如下:(1)利用CAD/CAE软件对矩形及瓦形拉拔模具进行单道次拉拔的结构设计,使模具孔型由圆形逐渐过渡到型线所要求的截面形状,使其既符合金属流动规律,又满足拉丝机的速比参数要求。采用非线性有限元分析软件对矩形铜线、瓦形铝线的单道次拉拔过程进行有限元仿真,得到拉拔过程中铜铝线材及模具的轴向、径向应力分布规律。然后通过正交实验法研究了矩形铜电磁线及瓦形铝导线在压缩率一定的情况下,金刚石涂层异型拉拔模具各参数(工作锥半角、定径带长度L、拉拔速度v)对拉拔过程的影响,得到了异型拉拔模具最佳孔型参数以及各因素对铜铝材表面轴向残余应力和涂层模具最大等效应力的影响规律。(2)按照设定的速比要求,利用CAD/CAE软件对多道次异型拉拔模具进行结构设计,使其符合金属的线性流动变形规律。利用有限元软件仿真分析多道次拉拔对轴向、径向应力分布规律与拉拔力的影响,以及最后道次压缩区半角与拉拔道次对拉拔过程的影响。(3)采用正交试验法,研究了加工硬质合金异型拉拔模具时,慢走丝电火花线切割的加工参数(电流峰值、放电脉宽时间、脉间时间、主电源电压、伺服电压和电解质水压力)对加工效率和表面粗糙度的影响,分别用极差分析法和方差分析法对以上两种性能指标的主要影响因素进行了分析,并得到了最佳的切割加工参数配置。最后在慢走丝电火花线切割机床上验证了所得到的优化参数。(4)在异型拉拔模具内孔沉积CVD金刚石涂层,并采用表面轮廓仪、扫描电子显微镜和拉曼光谱仪对抛光前后的CVD金刚石涂层表征。最后,进行实际的拉拔试验,试验结果表明:与硬质合金模具相比,孔型参数优化后的CVD金刚石涂层异型拉拔模具的工作寿命可至少提高10倍。
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