拉伸模结构设计

2011 年 2 月 Feb.2011
Structure design of drawing die
Feng Xiangbin
(1. State key laboratory of powder metallurgy, central south university, Changsha Hunan 410083,China; 2. Zigong cemented carbide Co., Ltd., Zigong Sichuan 643011,China)
Min/Max displacement in y
σxdD+Ddσx+ p(1+μcotα)dD=0 在上式中代入平面应变条件下的 Mise 屈服准则
σ1-σ3= 2σs (σs 为拉伸模材料的屈服极限) 姨3
得线材拉拔微分方程：
dσx
= dD
σx μcotα- 2σs （1+ μcotα） D
姨3
直接积分可计算出拉拔应力：
σx = 2σs 姨3
1+μcotα [1+( D2 )2μcotα]
最大主应力的影响，图 3~图 8 为应力变化图。
1.2 拉伸模最佳压缩角结构参数确定
1.2.1 最小拉拔应力时的压缩角结构参数的选择
压拉伸变形时，随着材料的不同，变形速度和变
形量的不同， 总伴随着三种变形过程， 即弹塑性变
形、刚塑性变形和完全塑性变形，在多数情况下，弹
塑性变形占主导地位[4]，以圆模为例：圆 模拉丝是一
摘 要 在相同材质条件下采用不同的孔型设计， 拉伸模产品使用寿命相差甚远。 因 此，改进孔型设计是提高拉伸模具使用寿命的一条重要途径。 采用 ANSYS 力学结构理 论 ，以 11-2.3、11-2.8、13-6.7、13-7.7 型 四 种 拉 伸 模 结 构 为 设 计 参 考 基 准 ，计 算 拉 伸 模 主要结构参数变化时,拉伸模各部位的应力、应变及位移变化，根据拉伸模结构有限元 数值分析中关于各种参数对拉伸模结构变形和应力状态的影响规律， 优选结构参数， 以减小单重为目标，获得最优的拉伸模结构设计。 关键词 应力； 应变； 孔型结构； 拉伸模
1 试验研究情况及分析
1.1 拉伸模拉拔应力计算
在拉拔区截取锥体微元分析， 锥体微元受力如
图 1 所 示 ，设 锥 体 微 元 入 、出 口 直 径 为 D1，D2，锥 角 为 α，线材与模面间的压力为 p，库仑摩擦系数为 μ。
根据 x 方向受力平衡（忽略高阶微量）有：
σxdD+Ddσx+2ptanα+2μpdx=0 又 dD=2dxtanα，得
μcotα
D1
由此可见， 拉拔应力主要取决于三个几何参数：
入、出口锥角直径 D1，D2 和锥角 α。在进行拉伸模结构
优化设计时，尽可能地保证 D1、D2、α 不变，分析在相
同拉拔应力作用下不同拉伸模结构的位移和应力。
11 型、13 型拉伸模结构如图 2 a）、b） 所 示，以
11-2.3、11-2.8、13-6.7、13-7.7 型四种拉伸模结构为
1） 孔型各部分的纵剖面线都必须是平直的。 平 直的工作锥面拉拔力最小；
2） 模具各部位的交接部分必须明显，这样各部 位可以充分发挥各自的作用，避免了过渡角对定径 区实际长度的减小；
3） 延长入口区和工作区高度，使线材进入模孔 工作锥的中间段，利用入口锥角和工作锥角上半部 分形成的楔形区，建立“楔形效应”，在线材表面形成 更致密牢固的润滑膜，减少磨损，适合于高速拉拔；
如考虑应变硬化， 则可用材料进线和出线时的屈服 （4） 强度的算术平 均值代入,因 此，在磨擦 系数很小时 ， （5） 可适当减少压缩角来提高拉丝线材的质量[5]，但上述
Type
D
11-2.3
13.0
11-2.3A 10.0
11-2.3B 10.0
11-2.3C 10.0
11-2.3D 10.0
11-2.8
拉伸模是有色金属行业和黑色金属行业生产线 材、棒材、型材、管材制品的重要工具，它是实现正常 的连续拉伸、 保证拉伸制品质量的关键。 在相同材 质条件下采用不同的孔型设计， 拉伸模产品使用寿 命相差甚远[1]。 因此，改进孔型设计是提高模具使用 寿命的一条重要途径。 国内过去普遍采用前苏联上 世纪 50 年代使用的 R 型系列来制订拉丝模制作规
第 28 卷
冯祥斌：拉伸模结构设计
· 51 ·
Type
11-2.3 11-2.3A 11-2.3B 11-2.3C 11-2.3D 11-2.8 11-2.8A 11-2.8B 11-2.8C
表 3 11 型拉伸模结构有限元计算结果 Table 3 Finite element calculation result of 11-type drawing die structure
范。 这种孔型是在当时“圆滑过渡”的理论指导下设 计出来的，其孔型结构按工作性质可分为“入口区、 润滑区、工作区、定径区、出口区”五个部分，各部交 界处要求“倒棱”，圆滑过渡，把整个孔型研磨成一个 很大的、具有不同曲率的弧面。这种孔型的模子在当 时的拉拔速度条件下， 还是可以适用的。 到上世纪 70 年代末至 80 年代初，随着拉线速度的提高，拉线
设计参考基准，其基本尺寸见表 1、表 2。拉伸模材料
取为烧结硬质合金，其抗拉强度 σt=1 200 MPa，弹性 模量 E=600 MP，泊松比 μ=0.3。
根据拉伸模结构有限元数值分析中关于各种参
数对拉伸模结构变形和应力状态的影响规律， 优选
结构参数，作进一步数值分析，计算结果见表 3、表
4。 表 5 列出了主要尺寸结构参数变化对总位移和
种轴对称变形过程， 金属在圆锥型模孔中向园锥顶
点作稳定的径向流动，通过列平衡方程、塑性条件、
边界条件，可列出无摩擦时的主要应力表达式：
在出口区的拉拔应力：
σrd1=σ0ln(d0/d1)
（1）
在出口区的主压应力：
σ0d1=σ0[ln(d0/d1)2-1]
（2）
其 中 ：d0—入 口 线 材 直 径 ；d1—出 口 线 材 直 径 ； σ0—材料的变形应力。
4.0
2.0
10°
40°
8.0
2.3
1.4
1.2
4.0
2.0
10°
40°
8.0
2.3
1.4
1.2
4.0
2.0
10°
60°
8.0
2.3
1.4
1.2
4.0
2.0
10°
60°
10.0
2.3
1.4
1.2
6.0
2.0
10°
60°
14.0
2.8
1.4
1.5
5.0
3.0
12°
40°
12.0
2.8
1.4
1.5
5.0
4） 定径区必须平直且长度合理。 定径区过长， 拉线摩擦力增大， 线材拉出模孔后易引起缩径或断 线；定径区过短，难以获得形状稳定、尺寸精确和表 面质量良好的线材，同时模孔还会很 快磨损超 差[2]。 采用直线型理论设计出的拉线模，经实践应用，其使 用寿命比 R 型拉线模提高 3～5 倍以上[3]。
本课题采用 ANSYS 力学结构理论，计算拉伸模 主要结构参数变化时，拉伸模各部位的应力、应变及 位移变化，从而设计出最佳的孔型结构参数，以减轻 整重为目标，获得最优的拉伸模结构设计。
ABSTRACT Using the same material and different pass design, there is a great deal of difference between the service lives of the drawing die. Therefore, improving the pass design is an important way to increase the lives of the dies. Based on the structures of the 11-2.3, 11-2.8, 13-6.7 and 13-7.7 type drawing dies, the variations of stress, strain and displacement in each part of the die when changing the main structural parameters were calculated by using ANSYS. The effects of the parameters on the structure deformation and stress state of the drawing die were analyzed. The optimum structure of the drawing die was obtained by optimizing the structural parameters to reduce the unit weight. KEY WORDS stress; strain; pass structure; drawing die
作者简介：冯祥斌(1972-)，男，1995 年毕业于中南大学粉末冶金专业，从事硬质合金技术管理及研发工作。
第 28 卷
冯祥斌：拉伸模结构设计
· 49 ·
模的使用寿命就成了突出问题。 为了适应高速拉线 的要求，美国的 T.Maxwall 和 E.G.Kennth 提出了“直 线型” 理论。 该理论着重考虑了拉拔过程中的润滑 作用和磨损因素， 经改进后的直线型拉线模孔型应 具有以下几个特点：
表 2 13 型拉伸模结构优化参数 Table 2 Optimal structural parameters of 13 type drawing die structure
D
H
d
h
h1
R
α
30.0
21.0
6.7
2.5
3.0
5.0
14°
26.0
18.0
6.7
2.5
3.0
5.0
14°
26.0
Hale Waihona Puke Baidu
18.0
3.0
12°
40°
12.0
2.8
1.4
1.5
5.0
3.0
12°
60°
14.0
2.8
1.4
1.5
7.0
3.0
12°
60°
mm
β2 60° 60° 60° 80° 80° 60° 60° 80° 80°
Type 13-6.7 13-6.7A 13-6.7B 13-6.7C 13-7.7 13-7.7A 13-7.7B 13-7.7C
6.7
2.5
3.0
5.0
14°
26.0
19.0
6.7
2.0
1.5
5.0
14°
30.0
21.0
7.7
3.5
3.0
5.0
14°
26.0
18.0
7.7
3.5
3.0
5.0
14°
26.0
18.0
7.7
3.5
3.0
5.0
14°
26.0
18.0
7.7
2.0
1.5
5.0
14°
mm
β 60° 60° 80° 80° 60° 60° 80° 80°
Min/Max displacement in x
direction/mm -0.763×10-7 /0.242×10-5 -0.139×10-7 /0.227×10-5 -0.302×10-7 /0.238×10-5 -0.173×10-7 /0.227×10-5 -0.246×10-7 /0.242×10-5 -0.541×10-7 /0.303×10-5 -0.743×10-7 /0.294×10-5 -0.414×10-7 /0.294×10-5 -0.378×10-7 /0.316×10-5
16.0
11-2.8A 14.0
11-2.8B 14.0
11-2.8C 14.0
表 1 11 型拉伸模结构优化参数 Table 1 Optimal structural parameters of 11 type drawing die structure
H
d
h
h1
h2
R
α
β1
10.0
2.3
1.4
1.2
!!!!"
!"
!"
第 28 卷第 1 期 Vol.28 No.1
!!!!" 应用研究
doi：10.3969/j.issn.1003-7292.2011.01.010
硬质合金 CEMENTED CARBIDE
拉伸模结构设计
冯祥斌 (1.中南大学粉末冶金国家重点试验室，湖南长沙 410083；
2.自贡硬质合金有限责任公司，四川自贡 643011)
· 50 ·
断面减小率由下式定义： r = 1-(d1/d0)2
又可得应力比表达方式： σrd1 = σ0ln[1/(1-r)] σ0d1 = σ0{ln[1/(1-r)]-1}
硬质合金
第 28 卷
当磨擦系数 μ=0 时，拉拔应力与压缩角无关，仅 （3） 与 σ0 和 r 有关，σ0 一 般采用材料 的屈服强度 代入 ，