电塑性拔丝技术及设备研制_李大龙

机械设计与制造
第6期
112
Machinery Design ＆ Manufacture
2014 年 6 月
电塑性拔丝技术及设备研制
李大龙 1，2，于恩林 1，2
（1.燕山大学 国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北 秦皇岛 066004；2.燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004）
丝材滚动摩擦式接触。这种加电方式降低了打火现象的发生，但 需采用电刷、绝缘轴承等装置，结构复杂，需对现有拔丝机做较大 的改造才能实现电塑性拉拔。将电流引入丝材的位置大体可分为 三类；
（1）将电源的正负电极设置在靠近拔丝模的前后，如图 3（a） 所示。根据现有的报道[2]，这种脉冲电流输入方式所产生的电塑性 效应明显，且能耗低。但这种加电方式占用空间较大，需对现有拔 丝机做较大的改造。
电源电路、脉冲振荡电路、脉冲频率和脉冲宽度调节电路、驱动电 路、脉冲功率发生电路和脉冲功率控制电路。
电源电路
脉冲振荡 电路
驱动电路
脉冲功率 发生电路
频率脉宽 调节电路
脉冲功率 控制电路
负载
图 1 脉冲电源系统框图 Fig.1 Pulse Generator System Diagram 电源电路可分为三部份，分别为功率电源、驱动电源和低压 电源。功率电源为脉冲功率发生电路供电，驱动电源为驱动电路 提供 50V 直流电；低压电源为脉冲振荡电路、脉冲频率和脉冲宽 度调节电路、脉冲功率控制电路中的 NE555 集成电路提供 14V 和 5V 的直流电源。
摘 要：介绍了金属电塑性拔丝技术的装置及电参数的工艺设定原则。在脉冲电流发生器的设计上，采用了大功率的全 控型开关器件 GTR 模块，实现了较大的电流峰值，实测波形显示，其输出的脉冲矩形波较为规则，满足了电塑性加工过 程所需电流峰值大、脉宽窄、脉宽和频率可调的技术要求，电拔丝实验结果表明，该设计是可行的。文中列举了三种电极 与丝材的连接方法，并对其进行了比较分析。此外给出了电流工艺参数的选择方法，理论和实验结果分析表明，在电塑性 加工中采用大电流，低频率，窄脉宽的脉冲电流形式是合理的。 关键词：电塑性拔丝；脉冲电源；金属丝材；拔丝模 中图分类号：TH16；TM243 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2014）06-0112-03
脉冲电源发生装置，采用了性能好、功率大的 GTR 模块，利 用达林顿管提供的驱动电流触发大功率 GTR 模块的开启，利用 11 刀 11 位波段开关控制并联的 11 路电路的开启。超低频示波 器对脉冲电源输出电流的实测波形表明，该脉冲电流具有脉冲电 流大、波形好的特点，很好地满足了电塑性加工和理论研究对电 源装置的要求。实测脉冲波形，如图 2 所示。
4 电塑性拔丝技术的电参数设定
从理论上讲，电塑性拔丝过程是利用纯电塑性效应对丝材
No.6
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机械设计与制造
Ｊｕｎｅ．２０１４
进行加工，需要排除电热效应，这是因为在丝材的拉拔过程中拉 将电极设计安装在拔丝模具上是一种行之有效的加电方式。
拔热的积累会使钢丝产生时效，从而影响钢丝的性能，造成钢丝
（3）电塑性拔丝的电参数设置，在实现电塑性效应的同时，
2 脉冲电源发生装置
实验研究表明[3]，脉冲电流是最适合金属电塑性加工的电流 形式。在电塑性加工过程中，需要对处在变形状态下的金属（如丝 材、板材等）通入适当的脉冲电流，其脉冲电流要求为峰值电流 大、脉宽窄、脉宽和频率可调。为了满足电塑性加工对电流的上述 要求，我们研制了脉冲电流发生器，电路原理，如图 1 所示。包括
1 2 3 4 5 6 1 2 3 45 6 12 3 45 6
（a）
（b）
（c）
1.放线轮 2.电源正极 3.脉冲电源 4.拔丝模 5.电源负极 6.收线轮
图 3 电塑性拔丝的三种加电方式
Fig.3 Connection Types of Metal Wire and Electrode
（2）将电源的正极设置在拔丝模入口处附近，负极设置在拔
在驱动电路和脉冲功率发生电路中，由达林顿管提供的驱 动电流触发大功率 GTR 模块（300A，1000V）的开启，整个电路由 11 位波段开关控制，因此最多可提供 11 路并联电流，每路最大 可达 300A。
脉冲电源的具体工作过程为：在脉冲频率和脉冲宽度调节 电路中，利用位波段开关控制电容的导通或截止，实现对脉冲振 荡电路产生脉冲信号的频率控制；通过调节电位器实现对脉冲振 荡电路产生脉冲信号的宽度控制，脉冲振荡电路共输出 11 路脉 冲信号。这 11 路脉冲信号分别与脉冲功率控制电路中 11 路可控 单稳态触发器相连接，利用 11 刀 11 位波段开关控制 11 路可控 单稳态触发器的导通或截止，实现对整个回路中电流量大小的控 制。11 路可控单稳态触发器的输出信号分别与驱动电路中的 11 个达林顿管相连接，控制这 11 个达林顿管提供驱动电流触发 11 个大功率 GTR 模块（300A，1000V）的开启，最多可为负载（即电 塑性加工件）提供并联的 11 路电流，每路电流最大可达 300A。当 GTR 模块开启后，功率电源、负载（即电塑性加工件）、功率电阻和 GTR 模块构成回路，此时在功率电源中的大容量电容放电，产生 脉冲电流。
断丝现象的发生。
（3）将电源的正负极直接设置在拔丝模上，如图 3（c）所示。
这种加电方式需要对现有的拔丝模具进行改造，丝材电塑性加工
用拔丝模具，如图 4 所示。包括前模套、绝缘模芯、绝缘板和后模
套。
12
3 45
1000
电流，A
800
400
0
100 200 300 400 500 600 时间（μs）
图 2 脉冲电流波形图 Fig.2 Wave Graph of Pulse Current
3 丝材的加电装置
电塑性加工技术在电极的设置上要考虑到电塑性效应的极 性效应[3]，即电流方向（从正极到负极）与金属塑性变形方向一致 时电塑性效应最为明显。在电塑性拔丝的过程中要将电流引入到 金属的塑性变形区，而且理论上要求不能有断电或电极与丝材接 触不良的现象发生。电源的正负极与丝材有两种接触方式：（1）滑 动摩擦式接触，即将压块作为电极，直接与丝材滑动摩擦接触。这 种加电方式结构简单，但压块与丝材接触部分易产生打火现象， 打火现象可导致断丝。（2）滚动摩擦式接触，即将滚轮做为电极与
Research on Electroplastic Drawing Technology and Equipment
LI Da-long1，2，YU En-lin1，2
（1.National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling Yanshan University，Hebei Qinhuangdao 066004，China；2.The College of Mechanical Engineering，Yanshan University，Hebei Qinhuangdao 066004， China）
1 引言
电塑性拔丝技术是将电塑性效应应用到金属丝材拉拔过程的 一种加工工艺。具体的工艺过程是将电流引入到金属的塑性变形 区，其主要目的是提高金属的延展性，降低拉拔抗力。电塑性拔丝实 验结果表明[1-3]，工艺不仅简化了钢丝的生产过程，而且还改善了钢 丝的质量、提高了其综合机械性能。电塑性拔丝技术与普通拔丝技 术相比，其特别之处主要涉及到以下三个方面：（1）如何产生适合丝 材电塑性加工用的电流，即电源发生装置；（2）如何将电流引入到丝 材的塑性变形区，即丝材的加电装置；（3）电参数的工艺设定依据。
通条性能不均匀，严重影响丝材的质量[4-5]。电热效应的存在无疑 应考虑排除电热效应，需尽量提高电流强度，降低脉冲电流的脉
会加重拔丝温度对丝材的影响，因此在电塑性拔丝过程中，保证 宽和频率。脉宽可设置在（60~100）μs 之间，最低频率由拔丝速度
来稿日期：2013-12-10 基金项目：河北省教育厅科学研究重点项目（ZH2007111）；秦皇岛市科技局科学技术研究与发展计划项目（201302A219） 作者简介：李大龙，（1976-），男，辽宁桓仁人，博士，讲师，主要研究方向：机械设计及理论

第6期
李大龙等：电塑性拔丝技术及设备研制
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由 NE555 集成电路组成多谐振荡器构成的脉冲振荡电路、 脉冲频率和脉冲宽度调节电路。利用位波段开关调节电容量，可 实现对脉冲频率的分段调节。利用调节电位器对脉冲占空比进行 调节。在脉冲功率控制电路中，由 NE555 集成电路组成可控单稳 态触发器，由波段开关控制，可以实现对脉冲电流强度的调节。
丝模的出口处，直接与拔丝模相连，如图 3（b）所示。脉冲电流通
过电源正极、被加工丝材和拔丝模构成了电流回路。这种加电方
式改善了上述的丝材与电极之间的连接方式，如图 3（a）所示。将
拔丝模直接作为一个电极。这不仅缩短了电极间距，减小了电路
中的电阻，而且在我们的实验中发现，该结构连接稳定，克服了丝
材减径后由于接触不良而产生打火的情况，在很大程度上避免了
Abstract：The process principle of metal electroplastic drawing technology equipment and the electrical parameter are introduced. Powerful GTR module is adopted based on the design of the pulse generator; larger summit current has been realized. The wave shape of actual measurement indicates that the converter output regular square pulse current; technology features of larger summit current，narrow pulse width，adjustable pulse width and frequency，result from drawing experiment shows that the design is feasible. Three types of conductive device between metal and electrode are proposed，comparative analysis has been made. Selection method of current process parameter is provided，theoretical and experimental results show that the pulse current form of large current low frequency and narrow pulse width is reasonable. Key Words：Electroplastic Drawing；Pulse Current Generator；Metal Wire；Wire-Drawing Die