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电线电缆工艺学,西安交通大学电气绝缘中心 刘文斌,电线电缆工艺学概述,电线电缆制造工艺的组成 导体、绝缘体的制造、外护套的制造。 导体工艺包括：铜、铝杆的生产加工、铜、铝线的拉制、导线的韧炼、导线的绞合等 绝缘工艺包括：绝缘纸的绕包，浸渍，橡胶的塑炼，混炼，挤橡，硫化。塑料的挤出，对于可交联的聚乙烯而言，还需要在高温下进行交联。 外护套工艺包括：铠装，挤铅，塑料挤出等。 工艺学是解决如何把电线电缆制造出来的学问，使产品具有较高的使用价值，较好的使用质量。,第一部分 导体及裸电线制造工艺,第一章 裸电线产品的分类 第一节 概 述 裸电线是电线电缆产品中没有绝缘层的产品。裸电线有一部分产品是作为带绝缘层的电线电缆的导体线芯用的，即其为半成品。 裸电线的用途很广，不论在电力输配、电信、电机、仪表工业以及其它工农业生产中，都使用着大量的裸电线。,电线电缆导体是电线电缆的基本组成部分，任何电线电缆都不能缺少。因此，电线电缆导体的生产，是电线电缆生产中的基本环节。在具体论述裸电线及导体的制造工艺以前，我们先把裸电线的产品、用途及型号作一些简单介绍，以便读者在学习工艺之前，对裸电线的产品、用途及型号有全面的了解，。,第二节 裸电线产品的分类、用途及型号 一、圆铜杆 用途：作为拉制圆铜线、扁线及铜电车线等的材料。 型号举例；t-8.0 表示直径为8.0mm的圆铜杆。 二、扁铜坯料 用途：作为拉制铜扁线的材料。 型号举例：tb4.014.5 表示厚度为4.0mm，宽度为14.5mm的扁铜坯料。 三、圆铝杆 用途：适用于拉制各种铝导线。 型号举例：l9.0 表示直径为9.0mm的圆铝杆。,四、扁铝坯料 用途：作为拉用铝扁线的材料。 型号举例：lb4.0 x 14.5 表示厚度为4.0mm，宽度为14.5mm的扁铝坯料。 五、铜、铝圆线 用途：圆铜线在传输电力或通讯的场合中使用，或由有关厂再加工后作为电机、电器的元件。圆铝线的用途与圆铜线一样。 型号举例ty-2.50 表示直径为2.50mm的硬圆铜线 ly-2.50 表示直径为2.50mm的硬圆铝线,六、异形线材 1扁铜线 用途:适用于电机、电器的绕组以及配电设备中的元件等。 型号举例: tbr-2.44x5.10 表示厚度为2.44mm、宽度为5.10mm的软扁铜线。 2铜电车线 用途:适用于电气运输系统中的架空输电线。 型号举例: tcg-100 表示标称截面为100mm2的双沟形铜电车线 3弓形及z形铜线 用途:适用于制造高压充油电缆线芯。,七，其他异形线材 1铝扇形线 用途:用于制造绝缘电缆的线芯。 2hh型线材 用途:用于高压输配电的扩径架空导线 3矩形空芯线材 用途:用于制造大容量电机或电器的绕组线。 4扁铝线 用途:用于制造电机、电器的绕组及配电设备中的元件等.,5铜铝母线 用途:适用于电机、电器及配电设备中的元件等。 6铜带 用途:适用于电机，电器及配电设备的绕组。 7多边形铜材 用途:适用于电器的触头等。,八、镀层及复合金属线材 1镀锡软圆铜线 用途:适用于电线电缆的导电线芯及电器制品的元件。 型号举例: trx-0.50 表示直径为0.50mm的镀锡软圆铜线。 2钢铝电车线 用途:适用于电力牵引车辆、架空输电接触导线及在其他运输起重设备等场合。 型号举例：glca00215型，glcb80173型。 表示意义见表11,表11 glca-1oo215型、型glcb80173型规格,3银包铜线 用途。适用于以氟塑料为绝缘的安装线导电线芯。 4镀镍铜线 用途。适用于耐高温电线电缆的导电线芯。 5其他双金属线材 (1)铝包钢线 用途：适用于架空通讯及输电线路。,(2)铜包钢线 用途；用于通讯、广播的架空线或天线，也可制成输电用的绞合线。 (3)镍包铜线 用途。适用于以石棉、玻璃及石英等无机绝缘豺料作绝缘的电线也缆的导电线芯。,(4)铝包铜线 用途：适用于耐温在100300的电磁线的导电线芯。 (5)铜包铝线(铜包铝排) 用途：用于射频同轴电缆、电话线、电视馈电线及电磁线等的导电线芯，它具有铜与铝的双重优点。 (6)金、铂，铑贵金属线材 用途：适用于宇宙航行等空间运载工具的导线线芯。,九、合金线材 1铜合金线材 用途：按性能的要求、选择合适的铜合金，制造铜合金的圆线，电车线，梯排。母线及其它异形线材制品等。 2铝合金线材 用途-按性能要求选择合适的铝合金，制造铝合金圆线，扁线以及其它异形线材或制品等,十、绞合线 1铝绞线及钢芯铝绞线 用途：适用于架空电力线路。 型号举例: lgj-50 表示标称截面为50mm2的钢芯铝绞线。 2铜电刷线 用途:适用于电机及电气线路上连接电刷的导线。 型号举例: tsr-2.5 表示截面为2.5mm2的软裸铜电刷线。,3裸铜天线 用途:适用于通信及广播事业方面的架空天线。 型号举例：tt-2.5 表示截面为2.5mm2的硬铜天线。 4硬铜绞线 用途：适用于架空电力线路。 型号举例：tyj-25 表示截面为25mm2的硬铜绞线。 5裸铜软绞线 用途，适用于电气装置和各种电器设备中传输电能。 型号举例：trj-10 表示截面为10mm2锞铜软绞线。,6特种绞线 用途：多为电力工程的特殊需要而设计的产品，如 (1)330kv电站用扩径空心导线; (2)500kv电站用扩径导线; (3)220kv大跨越架空输电线; (4)铝包铜绞线； (5)钢铝混绞线; (6)铝合金绞线及钢芯铝合金绞线; (7)自消振导线；,第二章 导体及裸电线用金属材料 第一节 导体用金属材料 电线电缆导电线芯主要是采用金属材料制成的。在全部化学元素中，约有四分之三是金属元素。用于电线电缆产品的有十几种。目前世界上把金属材料分为二大类，第一类是黑色金属(又称铁金属);第二类是有色金属(又称非铁金属)。第一类金属就是最普遍的钢铁，其中包括了以铁为基体的各种合金钢。第二类金属就是除了钢铁以外的其他各种金属材料，如金、银、铜、铝、铅、锡、锌、镍、铬等等。金属在物理性能方面最主要的特点是具有良好的导电性和导热性，这两种特性使金属成为电线电缆产品最为适用的宝贵材料。,一、导体用金属材料的要求 用作电线电缆的导体对金属材料提出了如下要求: 1具有较高的电导; 2有良好的机械强度; 3有一定的防止大气腐蚀的能力; 4在冷热状态下能压力加工成型; 5在资源上有保证供应的可能性。,目前常用的导体材料有铜、铝、铜合金，铝合金、钢铁等金属。其中以铜的导电性能最好。铝的导电性能和机械、物理性能虽然不如铜好，但因其具有资源丰富，重量轻等特点，也已成为应用较为广泛的导体材料。铜合金和铝合金的种类很多，性能也很优越各具特色正在不断发展之中。,二、铜及其铜合金 铜有良好的导电性、导热性，并有一定的机械强度以及抗大气腐蚀的性能在冷态和热态下有良好的压力加工的工艺性，所以铜被广泛地应用于电线电缆工业中。,(1)铜的主要特点 1)导电性好，仅次于银而居第二位，如以铜的电导率为100，银的电导率则为108.5。 2)导热性好，仅次于银和金而居第三位，导热系数为银的73。 3)塑性好，热加工时，首次压力加工量可达3040。 4)耐腐蚀性较好，它与盐酸或稀硫酸作用甚微，铜在干燥的空气中具有较好的耐腐蚀性，但在潮湿空气中表面易生成有毒的铜绿。 5)机械性能较好，有较高的抗拉强度和伸长率。 6)易焊接。,电线电缆用铜线锭必须符合国家标准要求。其化学成份必须符合gb468 83中关于二号铜的规定(表2-2)。 表2-2 cu-2的化学成份,表23铜的一般性能和工艺参数,(2)电线电缆用铜线锭的性能 1)铜的主要技术性能和工艺参数,表24铜线材的主耍物理机械性能,2各种因素对铜导线的性能影响 (1)杂质的影响 1)杂质对铜导电性能的影响 在电线电缆制造工艺中，铜是作为导体，起着传输电力的作用。因此导电性能是铜的主要性能。但是由于在某些外来因素的干扰下，铜的导电性能将受到影响尤其是杂质对铜的导电性能影响更大。外来元素进入铜中。均会降低铜的导电性能。从图2-1可见，铋、铁、砷、磷等是对铜导电性能影响最大的杂质元素。例如：当砷含量达到0.35时，铜的电导率便降低了50。铁和磷的含量即使甚微，也将影响铜的电导率。,杂质含量() 图2.1杂质对铜的导电性能影响,2)杂质对铜机械性能及工艺性能的影响 一般情况下，外来元素进入铜中，会增加铜的抗拉强度。但是某些元素在增加铜的抗拉强度的同时也增加了铜的硬度，甚至使铜产生了脆性而恶化了铜的工艺性能，并导致导电性能的下降。现将一些较有害的杂质元素对铜性能的影响叙述如下： （1）氧(o2) 氧进入铜是来自熔炼过程中，氧在固态铜中熔解得很少，并以氧化亚铜与铜的共晶体的形式分布于铜的晶界上。氧是极有害的杂质，在含氧量较高的情况下，铜的塑性显著降低，即恶化了铜的压力加工性能，亦增加了铜焊接的困难。在拉伸线材时，使铜线材表面发毛，易断裂，同时也降低了铜的耐腐蚀性。,（2）氢(h2) 氢在铜中与氧并存时，若在还原性气体中退火时氢与铜中的氧形成高压力的水蒸汽，而使铜产生孔隙及裂缝等疵病 （3）铋(bi)、硫(s) 这两种元素存在于铜中，无论在热态压力加工或冷态压力加工时，均使铜产生脆性、使铜遭受到破坏，所以是极有害的杂质。 （4）铁(fe) 铁使铜的强度升高，但降低了铜的塑性，恶化铜的加工性能，降低铜的导电性及耐腐蚀性，并推迟铜的再结晶温度。 （5）砷(as) 砷元素的存在严重地影响铜的电导率，并使铜的再结晶温度升高。 （6）锑(sb) 锑元素杂质的存在，使铜的塑性和电导率显著恶化。,(2)冷变形对铜性能的影响 铜经过冷变形后，会使抗拉强度提高到3545kgfmm2，冷变形程度过大时，会使铜的电导率下降约2。同时伸长率剧降。弯曲性能变坏。冷变形程度对铜的电导率、抗拉强度和伸长率的影响见图2-2。 (3)温度对铜性能的影响 铜在加热时，随着温度升高，电阻逐渐增大，在溶点以下，铜的电阻是线性增加；从固态过渡到液态时，电阻系数出现突增。,图2-2冷变形程度对铜电导率、抗拉强度 及伸长率的影响 b-抗拉强度(kgf/mm2) -延伸率() iacs-电导率,从图23可见，铜的抗拉强度随温度升高而降低，当温度高于200时，抗拉强度急剧下降，铜的塑性在500600时陡然降低。 “出现低塑性区”，铜在热加工时必须避开这个温度范围。 经冷变形的铜材在退火时，抗拉强度剧烈降低。伸长率显著提高，电导率得到恢复：不同温度退火时，对硬铜线的电导率的影响见图24。 4)环境因素对铜性能的影响。在常温干燥空气中，铜几乎不氧化，当温度达100时，铜表面生成黑色氧化铜膜。在300以下，氧化很缓慢，氧化膜几乎完全由氧化铜组成,温度再高，铜氧化速度增加，表面生成红色的氧化亚铜膜；在温度很高(600700)下，铜才会急剧氧化。,图2-3 温度对铜物理性能的影响 图2-4不同温度退火对铜电导率的影响,3铜合金性能 目前由于高温技术的发展，因而一些电机、电器中的导电材料，也要求在高温下具有良好的强度和耐磨性。同时还要延长铜制品的使用期，而达到节约用铜的目的。不论在高温或常温下，要求导电材料均有良好的导电性能。所以，铜合金在提高强度和耐磨性的同时，应保持良好的导电性能。目前铜合金在电线电缆生产中用于裸电线产品。铜合金品种较多，且在不断发展，现简介如下：,(1)在常温下具有较高强度及耐磨性的铜合金有: 1)铜镉合金(cucd) 当含镉量为0.1左右时，制成的电车线与铜电车线作耐磨耗性能比较，试验结果表明，其耐磨性为铜的3.5倍左右，电导率为铜的90左右 2)铜硅(cu-si) 电导率45左右。抗拉强度5468kgfmm2 3)铜-锡-磷合金(cusnp) 电导率1320。抗拉强度80100kgfmm2 (2)在高温下使用的耐磨铜合金有: 1)铜银 (cuag),表25应用较广的耐热铜合金的性能指标,三、铝及铝合金 由于铜在工业生产中用途极为广泛，而铜的资源在世界上并不丰富，因而造成单靠铜作为导电材料已不能满足日益发展的生产需要。因此，在二十世纪初，开始用铝作为电气材料。这是因为铝的电导率仅次于金、银、铜，而铝矿资源极为丰富，所以在第二次世界大战以后，铝作为电气材料更加广泛了。铝、铝合金在电线电缆工业中主要应用于：架空线用的钢芯铝绞线；绝缘电线电缆的铝导电线芯；铝型线以及电缆的铝屏蔽层、铝保护 层，铝-塑综合护层等，,1工业用纯铝的物理性能 工业用纯铝的物理性能见表27。 表27工业用纯铝的物理性能,(1)纯铝的主要特性 1)导电性好。仅次于银、铜、金。而居第四位，铝导电性能按体积计算，约为铜的6065；而按重量计算，约为铜的200。 2)导热性良好。 3)比重小，约为铜的13。 4)耐腐蚀性良好。铝在空气中与氧反应，很快生成一层致密的氧化铝膜，它能防止内层铝进一步氧化。 5)塑性好。可用压力加工方法制成各种形状的产品。 6)来源可靠，价格便宜。 但铝的缺点是机械性能较差。,(2)电线电缆用铝的性能。 表2-9铝线材的主要物理性能,2各种因素对铝导线性能的影响 (1)杂质的影响 1)杂质对铝导电性能的影响 杂质进入铝中，使电导率下降，具体情况见图2-5。 2)杂质对铝机械性能及工艺性能的影响。 铝中所存在的杂质含量较多的有铁、硅，铜，含量较少的有铬、锰、钒、钛等。这些杂质都影响铝的机械性能及工艺性能。,一般杂质进入铝中，使铝的抗拉强度增加。具体情况见图26。 铁与铝形成化合物a13 fe，又硬、又脆，因而降低了铝的塑性、导电性能以及耐腐蚀性。 硅在常温下不溶于铝中，以游离状态存在铝中，降低了铝的塑性和导电性能。 铜：少量溶于铝中，它增加了铝的强度，但显著降低了铝的导电性能，危害较大。,铁与硅：在铝中铁与硅应有一定的比例，一般铁与硅之比应大于1，否则，会影响铝的加工性能。 铬、锰、钛、钒这些杂质在导电用铝中，易影响铝的电导率及工艺性能，因此，必须采取适当的添加剂来消除它的影响。 (2)冷变形的影响 铝经过冷变形后，它的抗拉强度增加，塑性降低，同时引起电阻系数增大。控制冷变形程度，可获得不同软、硬状态的铝的半制品：,图25 杂质对铝电导率的影响,图2-6 杂质对铝机械性能、 工艺性能的影响,3)温度的影响 铝在加热时，随着温度的升高、其抗拉强度下降，电阻增加。铝加热后，抗拉强度变化见图2-7所示 经强烈变形后的硬态铝，它的正常退火温度为300350，温度过高,会引起晶粒粗大,机械性能变坏，半硬铝线的退火温度一般在240260,图2-8所示是铝经不同温度退火后的机械性能，此外，硬态铝经退火后，其电阻得到恢复，但过高的退火温度又可使电阻系数略为升高。,退火温度 图2-7铝加热后抗拉强度的变化 图2-8 退火温度与抗拉强度的关系,(4)环境因素对铝性能的影响 铝的腐蚀程度，主要取决于周围的空气中的腐蚀性气体、尘埃的性质与含量的多少，还与铝的纯度有关，铝在无腐蚀性气体的大气中，具有足够的抗大气腐蚀能力。在常温下，铝与空气中的氧结合，在铝的表面生成致密而坚固稳定的氧化铝薄层,氧化铝薄层具有极好的保护作用，故铝的退火和熔炼可在空气中直接进行。,3.铝合金的性能 铝合金主要用作电线电缆的导体，与纯铝相比，一般具有较高的机械性能，耐热性也有一定的提高，但电导率略有下降，目前正在研究发展高电导率的铝合金,因此，导体用铝合金在电线电缆生产中的应用已日益广泛，今后并将继续向高强度、高电导率和耐热方面发展。,(1)高强度的铝合金 1)铝镁硅（almg-si)合金 这是一种热处理型的铝合金，各国均已广泛使用，但其化学成份都不完全相同，下面介绍国际电工会议统一的标准； 化学成份 硅(0.5)，镁(0.5)。 物理性能 抗拉强度:不小于30kgfmm2； 延伸率: 不小于4， 电阻率(+20)：不大于0.0328mm2m。,2)铝镁(a1一mg)合金： 这是一种非热处理的铝合金，其工艺与一般铝线相同。 化学成份 镁(05)。 物理性能 抗拉强度：2125kgfmm2； 伸长率: 1.52.0； 电阻率: (20)0.033mm2m,3)其它高强度导电铝合金： 在国外作为提高机械强度的导电铝合金品种很多，例如 铝-铁-钴(alfeco)，铝铁(aife)，铝镁铜铁(almg-cufe)，铝-铜-镁-硅铬(al一cumgsicr)等,使用于布电线,电磁线,通信线等的导体以及母线等。 (2)耐热铝合金 这类铝合金近年来发展较多、例如: 1)铝-锆(al-zr)合金:电导率为58,耐热180。 2)特高耐热合金(国外型号为utal):电导率为58，耐热239.,第三章 铜、铝单线生产工艺,第一节 、拉线基本原理 一、拉线变形参数 把铜铝杆用一定的力拉过模孔，使其截面积减小长度增加，制成长而细的线的方法叫拉线，也叫线材拉制。目前生产导电线芯及裸电线几乎都使用拉线方法，这种方法中金属每经过一个模子受到一次变形。习惯上常叫做过一个模或经过一次变形。每过一个模金属受到的变形程度或变形数量常常用延伸系数和断面减缩率这两个参数表示,延伸系数：是拉线后的长度与拉线前长度之比。常用代表。它表示线在拉线后长度是拉线前长度的多少倍。例如某道延伸系数是1.3，这就表示拉线后长度是拉线前长度的1.3倍，如果原来1米长的线，拉过线模后变为1.3米。由于线长度测量不方便，我们实际上是利用拉线前直径与拉线后直径的平方比计算延伸系数的。即这个关系是由拉线过程中金属体积不变，而导出的。,面积减缩率：是金属在拉伸前、后截面积的差值与拉伸前截面积的比值，用符号表示， 即,拉伸制造金属线材的优点,利用拉伸方法制造金属线材有以下一些优点。 (1)一般是在常温下加工的，工作较为方便，加工材料不需要预热，工艺方法简单。(也有热加工的)。 (2)能生产大长度的金属线，目前可将金属线拉细到直径为0.020.03mm，这是用其它方法不易实现的。,(3)生产出来的产品具有较精确的尺寸，线径偏差较小，而且金属表面光滑平整， (4)金属线在冷拉时有硬化现象，因此可以得到抗张强度较大与硬度较大的金属线，以适合某些产品的要求。 (5)拉伸用设备与工件都比较简单，产量较高。,二拉伸基本原理,二拉伸基本原理 (1)拉伸过程 拉伸是以一定的拉伸力把金属工件通过圆形或异形拉伸模孔、并使工件横断面积发生变化的过程。当拉伸工件通过模孔时，其横断面获得相当于模孔最小横断面的形状与尺寸，而其长度随横断面积的减小成比例地增加。 拉伸为无屑加工；在拉伸前、后金属的体积是相等的，其关系为。 solo=s1l1 ，,式中 so拉伸前线材截面积， s1-拉伸后线材截面积， l0-拉伸前线材长度， l1-拉伸后线材长度， do拉伸前线材直径， d1拉伸后线材直径。,从式中可知，拉伸前、后截面积之比等于其拉伸前、后直径平方之比，也等于其拉伸前、 后长度的反比。 在拉伸过程中，由此产生的几个几何参数分述如下：,拉线参数,面积减缩率：是金属在拉伸前、后截面积的差值与拉伸前截面积的比值，用符号表示， 即 此数为小于1的数字，通常用它的表示，在压力加工学中即为加工率或变形程度。,拉线参数,2)减缩系数：它是拉伸后、前截面积的比数，用符号表示，即。 与减缩率的关系为。 =1- =1-,拉线参数,3)延伸率，它是拉伸后、前金属线材长度增长与原有长度lo之比，用符号表示，即 它与减缩率及减缩系数的关系为。,拉线参数,4)延伸系数。它是金属在拉伸后、前长度之比，用符号表示，即 。 =l1/l0 它与、及入的关系为。 =1/1- =+1 =1/ ， 在以上这四个因素中，减缩系数与延伸率在计算中一般不常用，主要用减缩率和延伸系数，,延伸系数,配模中有时要计算总延伸系数。它是经过k道模孔后线的长度(lk)与拉线前长度(l0)之比。显然总延伸系数是各道延伸系数之连乘积。 实际算总延伸系数时不按长度比而是按直径平方比计算即：,三、拉线模 拉线模是拉线过程中最重要的工具。线模的主要部分是模孔，一般由互相圆滑地连接的润滑区、工作区、定经区、出口区四个区域组成。,图1一3 模孔形状 一润滑区 一工作区 一定经区 一出口区,拉线模,拉线模的功能,金属的拉伸加工，是在模孔中进行塑性变形。所以，对模孔尺寸的精确程度和表面光洁度都提出了很高的要求。拉伸模各部分名称及作用如下。 (1)入口区和润滑区 入口区一般带有圆弧，便于拉制线材进入工作区，不被模孔边缘所损伤，润滑区形成储蓄池，使润滑剂储蓄、并起到润滑拉制线材的作用，在拉伸模孔中靠这部分来加大工作区，润滑区的高一般为模坯总高h的25，角度为600。,拉线模的功能,（2）工作区 工作区是整个模孔的重要部分，金属拉伸塑性变形是在该区进行的。即金属材料通过此区由大尺寸的截面积缩成小尺寸的截面积。此区的选择主要是高度和锥角，高度的选择原则是：a.拉制软金属线材应较拉制硬金属线材为短。b拉制小直径线材应较拉制较大直径线材为短。c.湿法拉伸应较干式润滑拉伸为短。d一般为定径区直径d的114倍。工作锥角根据下列原则选择：a.压缩率越小，工作锥角越小，b拉制材料越硬，工作锥角越小，c拉制小直径的材料较拉制大直径的材料为小，一般有色金属及其合金拉伸时，=1626，拉制黑色金属及其合金时。=618。,拉线模的功能,(3)定径区(校准区) 定径区也称校准区，它的作用是使制品得到最终尺寸其高度的选择原是：a拉制软金属材料较拉制硬金属材料要短，b拉制大直径材料应较拉制小直径的为短，c.湿式拉伸较之干式润滑拉伸的为短，一般选择h=（0.51.0)d (4)出口区 出口区是被拉制材料离并模孔的最后部分，它能保护定径区不致崩裂，出口锥角可避免金属线材被定径区的出口处损伤和停机时线倒退被刮伤。,拉线模,拉线模的种类、性能及应用,2线模的种类、性能及应用 线模按模孔形状可分为圆模和型模，按构造可分为整体模和组合模，常用的线模材料有钻石模、硬质合金模、钢模，聚晶模等。,(1)钻石模。钻石也称金刚石，具有最高的硬度，耐磨，但价格较贵。在拉伸有色金属及合金时，由于硬质合金模的模孔会很快受到磨损。因而不可能拉出获得正确公差的细线，所以，直径小于0.40mm的模孔一般用钻石模，钻石模用的钻石颗粒的质量一般不超过0.12 g，同时也受到钻石大小的限制，故制成的模孔很少有大于15mm的，有的工厂使用范围是0.0210mm,也有的是01120mm,拉线模的种类、性能及应用,钻石制作的拉丝模使用寿命长，拉丝质量好，一个钻石拉丝模相当于250个硬质合金拉丝模的使用寿命，它拉制的产品其精度和表面光洁度较高，是其它拉丝模所无法比拟和代替的。,(2)硬质合金模。在金属拉伸工业生产中，过去使用的钢模已几乎全为硬质合金模所代替，因为硬质合金拉伸模与钢模相比具有。耐磨性较高，抛光性好，对被加工金属的粘附性小，摩擦系数小，导热系数高和具有很高的耐腐蚀性。 钢模一般用于拉制大规格型材用。,第二节 拉伸变形与拉伸应力 (1)拉线时金属受到的力 拉线(这里指单模拉线)时金属(线)受到三个外力：出线端的拉制力，线模模孔变形段对金属的正压力和模孔(变形段与定经区)与线表面之间的摩擦力。,拉伸变形与拉伸应力,(2)拉伸变形与拉伸应力 1)拉伸力，加于被拉伸金属前端的正作用力称拉伸力，常用f表示。拉伸力的大小决定于实现金属塑性变形所需能量的大小。 拉伸应力，作用在被拉伸金属前端单位面积上的力称拉伸应力，常用p表示，即 p=f/s (3)拉伸变形 ，金属在受到外力作用时，其形状也将改变，随之产生金属在受拉情况 下应力与变形的关系。它们的关系如图3-14所示。,拉伸变形与拉伸应力曲线,金属在受力变形的过程中，开始时，受力在一定的范围内，如不断加大外力，并在到达e点前除去外力，金属仍能恢复原状，或拉伸不大于原长的0.005时，此时所产生的应力称为弹性极限；如继续加大外力，在到达p点之前一段，应力与变形成比例关系，外力加到此时，所产生的应力称为比例极限。,再加大外力，到达s点时，应力不增加，但金属却发生显著的变形，除去外力后不能恢复到原有的长度，即存在一定的塑性变形，s点称为屈服点，该处应力称为屈服极限，外力加到超过屈服点以上才能得到一定的塑性变形，即得到金属的永久变形。,拉伸变形与拉伸应力曲线,外力加到z点，金属尺寸明显变形，到达z点时，金属被拉断，z点的应力为最大，称为拉断应力，亦即强度极限。对于各点应力极限，我们一般都用表示，e表示弹性极限，p表示比例极限，s表示屈服极限，z表示强度极限。,金属在受外力引起变形时，起初是可以恢复原状的，是弹性变形，外力超过屈服点后，产生塑性变形，也就是说塑性变形是产生于弹性变形之后，变形部分包括弹性与塑性变形。如图中。y分别表示弹性和塑性变形，其中为总的变形。,拉伸变形与拉伸应力的关系,图3-1拉伸变形与拉伸应力的关系,(4)金属线经过模孔拉成细线并使细线符合要求必须满足的两个条件,在通过线模拉伸金属时，金属的分子受拉应力，由于线模限制了金属线的体积，在线与模壁上产生压力，由于压力与拉力的作用，线的表面与模壁间相互发生摩擦阻力，压力与摩擦阻力合成力使金属变形。为了使金属线经过模孔拉成细线并使细线符合要求，必须满足下列两个条件。,金属线在线模中受到由拉伸而产生的线模压力必须大于金属线的变形抗力。这一条是金属得到变形的基本条件。,金属线经过模孔拉成细线并使细线符合要求必须满足的两个条件,金属线从线模拉出时，要求金属线不能被拉断，而且符合尺寸要求，因此，要求金属线在线模出口处所受的张力必须小于金属线的弹性极限，这是一条完成拉伸工作的基本条件。 金属的强度极限与拉伸应力之比称为拉伸的安全系数，用k表示，即 k=z/p,安全系数,对于不同线径应考虑不同的安全系数，安全系数太小，即拉伸应力接近子金属的抗拉强度，则易把金属线拉细或拉断,安全系数过大，则没有充分利用金属的塑性，因而会增加拉伸道次。从实践经验中得出，最合适的安全系数在1.42.0之间。 拉伸时，金属线内晶体，由于受到拉力，线模压力与线模的摩擦阻力产生如图2-2所示的一些变化。,拉线时受力分析,图3-2拉线时受力状态,金属线内晶体的受力分析,金属线内晶体在圆周上受有压力，顺拉伸方向受有拉力，由此使金属线变成细长。在拉伸的过程中，金属线内晶体受力也不相同，各晶体的流向是在不同角度下以不同速度向前进行，在距离中心轴线远的晶体，其弯转的角度较大，这样就产生晶体间弯转变形所需的附加应力。,由于模壁与金属线相互摩擦，在外层的晶体向前运动进行较慢，在中心轴附近的晶体受的影响较小，因此各晶体向前运动速度亦不相同，因而也产生晶体内部摩擦，这是变形所产生的另一种附加应力。,减小各种附加应力采取的措施,为了使金属线的出线尺寸固定，并且减少和缓慢线模因磨损影响孔径尺寸，以增加线模的使用寿命，在线模中有承线的一段，即所谓定径区，这个承线段也产生一定的摩擦阻力。,以上这些在拉伸时所产生的应力都决定着拉伸力的消耗。为了减少主变形所需要的拉伸力，就要对线模的进线角度和线模的光洁度加以进一步的研究，一般在减小各种附加应力方面。可采取下列措施。,减小各种附加应力采取的措施,a减低线与模间的摩擦阻力，使金属线各层间前进的速度差减小， b. 减小进线角度，使金属内部分子弯曲变形减小， c在各道拉伸过程中改变拉伸方向，相互抵消与减小其内部附加应力。,d在金属线表面进行补充的压力加工，以消除与减低金属内部的附加应力，如用滚压方法等， e在拉伸后用热处理法进行处理消除与减少线材的内部应力，实践中，此法被普遍地采用。,影响拉伸力的因素,(5)影响拉伸力的因素 1)线的材料在其它条件相同时，拉铜线比拉铝线的拉伸力要大。 2)材料的抗拉强度. 影响材料抗拉强度因素很多，如材料的化学成份，压延工艺等，材料的抗拉强度高，则拉伸力大。,3)变形程度. 变形程度越大，因而增加了模孔对线的正压力，同时也使摩擦力增加，从而使拉伸力增加。 4)线与模孔间的摩擦系数. 摩擦系数越大，拉制力越大，摩擦系数由线的材料、模孔材料、这两者的光洁度、润滑剂的成份及数量等决定。,影响拉伸力的因素,5)线模模孔工作区和定径区的尺寸和形状； 这是指工作区圆锥角和定径区的长度。如工作区圆锥角的增加，有两个相反的因素影响着拉伸力，一方面摩擦表面减少，使摩擦力减少；另一方面金属的变形程度随圆锥角的增大而增大，从而也使拉伸力增加。一般拉铜线工作区圆锥角用1618。拉铝线时用2024。而定径区越长，拉伸力也越大，从这个角度看，定径区长度应尽量短，但要考虑到模孔的寿命，一般定径区取出线直径的0.51倍。,6)线模安放位置 .如果线模的位置安放得不正或模座本身歪斜也会增加拉力。 7)其它外界因素. 如铜、铝杆不够直，放线时打结，拉线过程中线的抖动，都会使拉伸力增大，严重时会引起断线。,拉线时金属受到的力,图2-3 单模拉线时金属受到的外力,拉线时金属的受力,金属在模孔中变细变长的原因是有径向压缩应力，它是由模孔对金属的正压力引起的。由于有拉制力的存在才产生这个正压力，同时使线材的金属在变形段内，出口区和离开出口区后存在轴线方向的拉应力，这个拉应力一方面减少了变形所需要的正压力的数值，但同时。也减少了金属的塑性，摩擦力平行于摩擦表面并使外拉力增大,正常拉线时应遵从的力学条件,四、正常拉线时应遵守的力学条件，安全系数 拉线时要经过一系列模子才能拉到规定的尺寸。那么每道究竟应取多大变形程度呢?。这些道的变形程度受到哪些因素限制呢?,如果变形程度过小，那么拉线时变形只存在于表面层，并且产生很严重的不均匀变形。这样不但增加了道次数。而且线的质量也受影响，所以一般都尽力取大的变形程度以减少道次数，那么每一道变形程度的最大值受什么限制呢?主要有两个方面限制：一方面是塑性的限制即一次变形程度过大要破坏其完整性，另一方面是力的限制。,安全系数,正常拉线时，应使线出模后不变细。要不会把线在线模出口处拉断即出口拉制应力小于线的屈服极限(s)，更应小于抗拉强度(z)，即 =拉制应力= f/s s z 或 1 s / z / 这就是正常拉线过程应遵守的力学条件，违反这个条件，线就会变细或拉断。,安全系数,习惯把 (z / ) 叫拉线的安全系数，用k代表，k应大于1，如果k过小，即使稍大于1，线也会变细或拉断，反之k过大，就没有充分利用金属塑性，增加道次，因为此线模消耗增加，降低了拉线的生产率，增加电能消耗。合理的安全系数应该在即保证拉线时不变细，不拉断，又使道次数尽量小的条件下，通过生产实践来确定，下面列出圆单线的安全系数,安全系数,表2-1,五、一些因素对拉制力的影响 (1) 杆、线的材料(铜，铝)：在其他条件相同时拉铜线比拉铝线拉制力要大。拉铝线容易断，这是大家熟知的事实，所以拉铝线时应该取更大的安全系数。,(2)所有影响线的抗拉强度的各因素：例如线锭的化学成分，锭中的含气量，压延前锭的予热温度过程，时间过长，压延结束时温度过低，压延杆材有各种缺陷等等都会增加拉线时的断线次数。拉线直径越小，这些因索的影响越大，这就是细线不容易拉的原因。所以，拉细线需要高质量的线锭和材料,(3)变形程度：变形程度越大在模孔中变形段长度越大因而增加了模孔对线的正压力的轴向分力，也使摩擦力增加，所以拉制力增加。,(4)线与模孔的摩擦系数：显然，摩擦系数越大，拉制力越大，摩擦系数由线的材料与模孔材料两者的光洁度，润滑剂的成分和数量等决定。生产中模孔光洁度不够或使用时间过长。 (5)线模模孔工作区和定径区的尺寸和形状，这是主要指工作区园锥角和定径区的长度。实际测量结果表明，工作区锥角与拉制力之间呈现一个凹形曲线，,拉线机种类及分类,第三节 拉线机的原理及拉线工艺,多模滑动式等径轮拉线机,多模拉线机的原理,多模拉线的原理 在电线电缆厂中常见的多模拉线机有两种：滑动式多模线机和非滑动式多模拉线机。习惯上由于前者常用于拉铜线后者常用于拉铝线，所以也把前者叫做几模铜线拉线机，后者叫做几模拉铝机。,图2-11 多模拉线机 (a)-滑动式多模拉线机 (b)-非滑动式(非连续)多模拉线机 1-放线装置 2-拉线模 3-拉线轮 4-收线轮(机头) 5-导轮,先说什么叫滑动。这里说的滑动是指除最后一道外其余中间拉线轮上的线的速度总小于拉线轮的表面圆周速度，结果存在一定的相对滑动，设v 代表第n道拉线轮的圆周速度，bn代表第n道后(线模出口处)的线的速度，那么在nk(最后一道)时，有： vnbn 由于拉线过程中每经过一道模孔后线是靠拉线轮牵引的，所以正常拉线中只能是这样(vnbn)而不能是相反,我们分析三种情况：k=rk，krk和krk。如果我们在配模时使最后一道的延伸系数(k)恰好等于这一道的拉线轮速比(rk)，那么线经拉线模后的长度为原来长度的倍数恰好等于拉线轮的速比。这时k-1道拉线轮表面没有滑动，所以不能经受任何风吹抖动等意外因素的影响，并且由于两道(k，k-1)模孔磨损不会均匀的按一定规律发展：所以这样情况(k=rk)不能维持很久，第二种情况在配模时,形成krk，使线经过线模后长度成为原来长度的k倍以后仍不够最后收线轮的需要，例如k=1.2，rk=1.3，则即使k-1道拉线轮上没有滑动，每秒从k-l轮放出1米线经线模后变为1.2米,而k道拉线轮每秒需要1.3米线，这时，拉线机一开车就会马上断线不能生产。,第三种情况，配模时使形成krk，例如：k=1.35，rk=1.3，那么线经过线模后是1.3米秒时，模子前，拉线轮速度是1米秒的速度，而线速bk-1=bk/k =uk/k =1.3/1.35=0.965米秒，即在k-1道拉线轮上线与拉线轮同出现了“滑动”，我们归纳一下k与rk间三种不同关系及其结果,nrn,那么n比rn应该大多少才合适?有没有限度呢? n叫做相对前滑系数，它应大于1，n过大就表示n大， n过大就表示n比rn过大结果滑动过大，线表面，拉线轮表面都受到严重的磨损，拉线轮表面容易出沟，阻碍线轴向移动容易由于线压住线而断线，如果n大于1，但n过小表示n很接近rn就会很快出现n= rn的情形。按极端情况即前面用新模(负公差)后面二道模孔磨损到线允许的正公差，(直径最大)情况下仍正常拉线，经计算n值应至少取1.04，,相对前滑系数,但考虑到上述极端情况很难同时出现，还考虑到高速拉细线时减少滑动的必要性，根据经验一般取n=1.0161.08(有时达1.10)，一般线径越细，n取得越小，成品模处n也取得小些在极特殊情况下：例如在用直径完全相同的圆筒拉线轮式多模拉线机时，前边各道滑动就相当大，n值远远越过1.10。这里正是这种拉线机的缺点，机构极简单，容易制造是这种圆筒拉线轮式多模拉线机的突出优点。,滑动式拉线机原理图,非滑动式多模拉线机工作原理,下面简单介绍非滑动(贮存式)多模拉线机的原理，非滑动式多模拉线机的主要特点是线在拉线轮上没有滑动，但允许贮存相当圈数的线材，而且根据需要，这个储存圈数可以增加，也可以减少这种拉线机的各个拉线轮既起拉线轮的作用，又起积累线材的“中心仓库”的作用，同时又是下一道的放线轮既然是这样：n与rn(rn=_)之间在配模时还要不要保持一个确定的严格的关系呢?结论是和滑动式多模拉线机不完全相同。我们希望保持nrn这一关系但又可以不必十分严格,为什么希望保持unrn这一关系呢?主要是因为只有这样各道拉线轮上线材逐渐积累增多，当第n道线模模孔磨损变大时(此时n减少)仍能维持继续拉线，并且当前一道断线时(此时必然前一道拉线轮停止转动)由于本道储存有一定数量的线材而能够供应后面各道继续拉线直到前一道焊接好开动拉线轮继续拉线为止。,如果配模时保持n=rn，那么正常生产过程中拉线轮上线圈数维持不变(一般穿模时每拉线轮上存1215圈以上，以保证没有滑动)。这样，在n道模孔磨损变大时，n就会减少或者前一道断线进行焊接时，前一拉线轮上的圈数就会减少，圈数取完引起断线。,为什么说这种拉线机上nrn关系不必像滑动式多模拉线机那样严格呢?主要是 因为穿模时每个拉线轮上都存有一定数量的线。如果配模时nrn后面模孔稍有磨损时仍能继续拉线，只是圈数逐渐减少，维持不了多少时间 具体的说这种拉线机上在配模时n在1.021.05之间即可。n大，线在拉线轮上积累的快，n小积累的慢。,lhd-450/13(一列式)铜线大拉连续退火机组,lht-450/9水箱式铜线大拉机,lfd-450/10一级十模铝大拉机,第四节 拉线配模方式 确定拉线时各道模孔直径的工作叫配模工作。 生产中各台拉线机都制订有适用的配模表，拉线对按照配模表选择模子就可以进行生产。那么这些配模表是怎样确定的呢?如果模子恰好不能配齐或按配模表上规定的模子尺寸不好用时能不能稍做更动呢?相同线的材料(铜、铝)不同拉线机为什么往往配模并不完全相同呢?同一配模在这台拉线机上好用，为什么有时在另一台拉线机上就不好用呢?这些问题下面都要给以回答。,配模应满足下面几个要求： (1)拉出的线尺寸合格，表面质量符合标准要求，硬线要有足够的机械性能。这就要求线离开最后一个线模后不应变细，最后出线模尺寸要标准，硬线要经过一定的总变形程度。 (2)断线次数最少，即保证正常情况下有足够的安全系数。因此每一道延伸系数不能过大。 (3) 经过拉线机的数目尽量少。这要求每道变量尽量大，以充分利用塑性，减少线模数量。,这几项要求中第一项是质量要求必须满足，第二项第三项要求相互矛盾，一般断线次数是主要的要首先满足。 配模方法和步骤往往决定于已知条件，并不是一成不变的，下面根据最常见的几种情况加以简要的介绍：,一、单模拉线机上的配模 单模拉线机目前在各厂应用已较少了，但其配模方法步骤是各种拉线机上配模的基础，同时又是新拉线机设计时配模所需要掌握的， 在铜铝杆直径(d0)出线尺寸(dk)已经确定，拉线机功率足够的条件下，配模主要是确定道次数(k)，确定每道的线模之孔出线直径(dn)。如果各道延伸系数都相同(是)，那么配模较简单。拉线道数k按下式计算： 各道延伸系数： 1=2=3=k=,表2-1延伸系数分布,延伸系数的分布,各道延伸系数逐道如何分布要看具体条件。一般分布规律是第一道低些，第二或第三道延伸系数最高，以后各道逐渐递减。那么为什么各道不宜采用相同的延伸系数呢?这是因为 存在冷变形硬化现象,随着总变形程度(总延伸系数)的增加，金属塑性逐渐下降， 线直径越细越容易断线，安全系数应该较大些， 最后一道变形小，可以减少线离开模孔后的弹性变形使尺寸更准确。,拉线配模,同时模孔寿命也更长，当然延伸系数也不能太小(大约： 1.096以上)，否则出线模处没有塑性变形。第一道延伸系数较低是由于铜铝杆不十分直，表面又较粗糙，焊接处强度不高，杆直径不完全相同等原因所致，由于这些原因延伸系数不能相同，这使配模复杂了一些。根据已知杆的直径(do )出线直径(dk )，,根据已知杆的直径(d0)出线直径(dk)，多模拉线机上配模步骤如下： (1)按下式计算拉线道次：其中平均在前后表列出的范围内根据经验选取，一般dk越小，道数越多，平均越小 按上式计算出的k值如带小数应取相接近的较大的整数。,(2)确定各道延伸系数：各道延伸系数应满足三个条件：一是塑性允许范围之内，二是逐道分布符合予定的规律，三是各道延伸系数连乘积等于总延伸系数 各道延伸系数：1=2=3=k=,(3)按下式计算各道后的线径(即模孔定经区直 径) (dk已知),如果计算精确，那么按 计算出的d0等于已给定杆的直径：,单模拉线机,下面举例说明计算过程。 任务：使用单模拉线机，铝杆直径10毫米，拉制直径2.0毫米的铝线，确定各道模孔直径。 计算： 取平均=1.4 道次数k= ，取10。,分配各道 此时应满足 1.31.45 分配结果列表如下：,计算各道d d10=2.0 (已知),调整后模孔直径是：,二、非滑动式(非连续或贮存式)多模拉线机上配模,根据前面已经介绍的这种拉线机的原理，在配模时与单模拉线机考虑的那些因素外，还要尽量满足下列关系： 但是如条件不允许又可以稍有变动，这是这种拉线机与滑动式多模拉线机配模上最大的不同点。 下面列出这种拉线机上配模步骤 计算道次数(k),非滑动式(非连续或贮存式)多模拉线机上配模,确定各道延伸系数： 各道延伸系数满足的条件除了单模拉线机配模中列出的三项外还要尽量满足 nrn (n=2k) 其比值 n / rn =n 在l.021.05之间,非滑动式(非连续或贮存式)多模拉线机上配模,计算各道模孔直径 所有公式和单模拉线机相同。如果用计算尺计算可以直接按各道延伸系数定出各道模孔尺寸 调整模孔尺寸 试拉 举例：在某非滑动式10模拉铝机上由直径10毫米铝杆拉制直径2.0毫米铝线，已知各电机在使用同一级转速时各锥形拉线轮间速比是：,配模计算过程如下： 取平均=1.4,各道r值已知，根据与r可计算出各道值， 1=1.3 (选定) 2=2r2=1.11.084=1.20 3=3r3=1.11.34=1.47 4=4r4=1.091.33=1.45 5=5r5=1.091.36=1.48 6=6r6=1.081.335=l.44 7=7r7=1.071.33=l.42 8=8r8=1.061.32=1.40 9=9r9=1.061.315=1.39 10=10r10=1.04l.25=1.3,三、滑动式多模拉线机上的配模,下面是这种拉线机上配模步骤： (1)计算道次数 其平均按表14范围内根据经验选定 (2) 确定n时除要满足单模拉线机配模时介绍过的三个条件外还要严格满足nrn(n=2k)这一条件。具体确定n办法是 (a)选定1 (b)计算平均,滑动式多模拉线机上的配模,计算平均,滑动式多模拉线机上的配模,(c)确定各道值(n)，此时各道n间应满足下列条件:,要使n递减(即rn若相同n应递减，如rn递减n可相同)， (d)按n=nn计算n值(1除外) (3)计算各道模孔直径，(公式同前) (4)调整dn，并重新计算n值，检查是否满足nrn (5)试拉,滑动式多模拉线机拉