钢丝拉拔杯锥状裂纹扩展条件的判别

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994.02.014 第16卷第2期 北京科技大学学报 Vol.16 No.2 1994年4月 Joumal of University of Science and Technology Beijing Ar.1994 钢丝拉拔杯锥状裂纹扩展条件的判别 余万华韩观昌 袁康 北京科技大学压力加工系，北京100083 摘要本文计算了防止杯锥状裂纹产生的安全区图，并提出了防止锥状裂纹产生的途径和方法， 关键词拉拔，钢丝，杯锥状裂纹 中图分类号TG351 Criterion for Central Bursting in Wire During Drawing Yu Wanhua Huan Guanchang Yuan Kang Department of Metal Forming,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT Central bursting,one of defects can occur in steel wire during drawing.This arti- cle analyses the cause of central bursting,and provides method for preventing occurrence of central bursting.Criterion for central bursting can guide practical production. KEY WORDS wire,drawing,central bursting 钢丝实际生产过程中，其中心有时会产生一种杯锥状裂纹，裂纹的一端呈杯状，另一端 呈锥状.这种缺陷一且产生，必然使钢丝的承载能力降低，造成拉拔断丝，形成杯锥状断 口，更多情况下，这种杯锥状裂纹缺陷存在于钢丝心部，造成钢丝使用过程中或以后的加工 工序如捻制时断丝，因此，防止拉拔过程中钢丝内杯锥状裂纹形成具有现实意义· 1杯锥状裂纹的形成机理 已有的研究成果表明2)：拉拔过程中，由于金属内部的变形不渗透，表层金属的变形 比心部大，使得钢丝在轴线方向，表层金属产生压应力，心部产生拉应力，逐步在中心线上 形成速度不连续点.同时，由于拉拔时金属秒流量相等，出口速度V,应大于进线速度V。, 从而引起内部金属的相互牵制，并在中心轴上产生很大的拉应力，最后以裂纹的产生来满足 速度、应力的变化· 由于表层金属既沿轴向运动，又向心部运动，以及模子的摩擦阻力，使表层金属沿轴向 流动始终滞后于心部金属，致使中心裂纹形成杯锥状，如图1所示· 一旦杯锥状裂纹形成后，心部金属的拉应力和表层金属的压应力均得到松驰，变形区内 1993-01-12收稿 第一作者男27岁硕士

第 卷 第 期 ， 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 声 钢丝拉拔杯锥状裂纹扩展条件 的判别 余 万 华 韩观 昌 袁 康 北京科技大学压 力加工系 ， 北京 呢 摘要 本文计算 了防止杯锥状裂纹产生 的安全 区 图 ， 并提 出了 防止 锥状裂纹产生 的途径 和方法 关键词 拉拔 ， 钢丝 ， 杯锥状裂纹 中图分类号 彻 众 】 刀 ， ， 吻 侧 粥 ， 月哈 “ 泊 明血 】万 巧忿 ， 兔允 以 枉℃ 月 七七 溉姗 ， 坦 ℃ 伽 月 ， 俪 ， 明 钢 丝 实 际生 产过程 中 ， 其 中心有 时会产生 一种杯锥状裂 纹 ， 裂 纹 的一端呈 杯状 ， 另 一 端 呈锥状 这种缺 陷一旦 产生 ， 必 然使钢 丝 的承 载 能 力 降低 ， 造 成 拉 拔 断丝 ， 形 成 杯锥 状 断 口 更多 情况 下 ， 这种 杯锥状裂纹缺 陷存在于 钢丝 心部 ， 造成 钢 丝使用过程 中或 以后 的加工 工序如捻制 时断丝 因此 ， 防止拉拔过程 中钢丝 内杯锥状裂 纹形 成具有现实意义 杯锥状裂纹的形成机理 已 有 的研究成果表 明 ’ ， ， ’ 拉拔过程 中 ， 由于金属 内部 的变形不渗透 ， 表层金 属 的变形 比心部大 ， 使得钢 丝在 轴线方 向 ， 表层 金 属 产生压应力 ， 心部产生拉应力 ， 逐步在 中心 线上 形 成 速 度 不 连 续 点 同 时 ， 由于 拉 拔 时金属 秒 流 量 相 等 ， 出 口 速 度 应 大 于 进 线 速 度 ， 从而引起内部金 属 的相 互 牵制 ， 并 在 中心 轴上 产生很大 的拉应力 ， 最后 以裂 纹 的产生来满足 速度 、 应力 的变化 由于 表层金 属 既沿 轴 向运 动 ， 又 向心部运 动 ， 以 及模子 的摩擦 阻力 ， 使表层 金属 沿 轴 向 流动始 终滞后 于 心部金 属 ， 致使 中心 裂 纹形 成杯锥 状 ， 如 图 所示 一旦杯锥状裂纹形 成后 ， 心部金 属 的拉应力 和表 层金 属 的压应力均 得 到 松驰 ， 变形 区 内 卯 一 一 收稿 第 一作者 男 岁 硕 士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．02．014

第 卷 第 期 ， 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 声 钢丝拉拔杯锥状裂纹扩展条件 的判别 余 万 华 韩观 昌 袁 康 北京科技大学压 力加工系 ， 北京 呢 摘要 本文计算 了防止杯锥状裂纹产生 的安全 区 图 ， 并提 出了 防止 锥状裂纹产生 的途径 和方法 关键词 拉拔 ， 钢丝 ， 杯锥状裂纹 中图分类号 彻 众 】 刀 ， ， 吻 侧 粥 ， 月哈 “ 泊 明血 】万 巧忿 ， 兔允 以 枉℃ 月 七七 溉姗 ， 坦 ℃ 伽 月 ， 俪 ， 明 钢 丝 实 际生 产过程 中 ， 其 中心有 时会产生 一种杯锥状裂 纹 ， 裂 纹 的一端呈 杯状 ， 另 一 端 呈锥状 这种缺 陷一旦 产生 ， 必 然使钢 丝 的承 载 能 力 降低 ， 造 成 拉 拔 断丝 ， 形 成 杯锥 状 断 口 更多 情况 下 ， 这种 杯锥状裂纹缺 陷存在于 钢丝 心部 ， 造成 钢 丝使用过程 中或 以后 的加工 工序如捻制 时断丝 因此 ， 防止拉拔过程 中钢丝 内杯锥状裂 纹形 成具有现实意义 杯锥状裂纹的形成机理 已 有 的研究成果表 明 ’ ， ， ’ 拉拔过程 中 ， 由于金属 内部 的变形不渗透 ， 表层金 属 的变形 比心部大 ， 使得钢 丝在 轴线方 向 ， 表层 金 属 产生压应力 ， 心部产生拉应力 ， 逐步在 中心 线上 形 成 速 度 不 连 续 点 同 时 ， 由于 拉 拔 时金属 秒 流 量 相 等 ， 出 口 速 度 应 大 于 进 线 速 度 ， 从而引起内部金 属 的相 互 牵制 ， 并 在 中心 轴上 产生很大 的拉应力 ， 最后 以裂 纹 的产生来满足 速度 、 应力 的变化 由于 表层金 属 既沿 轴 向运 动 ， 又 向心部运 动 ， 以 及模子 的摩擦 阻力 ， 使表层 金属 沿 轴 向 流动始 终滞后 于 心部金 属 ， 致使 中心 裂 纹形 成杯锥 状 ， 如 图 所示 一旦杯锥状裂纹形 成后 ， 心部金 属 的拉应力 和表 层金 属 的压应力均 得 到 松驰 ， 变形 区 内 卯 一 一 收稿 第 一作者 男 岁 硕 士

.164. 北京科技大学学报 第16卷 3拉拔安全区图及应用 由于(3)式计算结果冗长、复杂，不便于分析及应用，需要将(3)式编程，计算机求 解、计算.计算过程作如下说明· (l)程序采用Basica编程. (2)摩擦系数m的确定采用2种方式：a)采用直接给定的方式，摩擦系数的取值范围 0~1;b)采用文献[5]中给出关于计算拉拔过程的摩擦系数公式导出，由现场实验、计 算，得到在某厂水箱拉丝的具体情况下，m=0.09 (3)硬化系数B采用直接给定的方式· (4)计算安全区，采取在模角、压缩率取值范围内，反复循环计算，找出最逼近Y=0 的模角、压缩率。 计算结果表明：对应于一个确定的摩擦系数m、硬化系数B组合，就存在一条曲线.该 曲线的左边为安全区，如果模角和压缩率的组合落入该区域，则拉拔过程中钢丝内部不会形 成杯锥状裂纹；右边为杯锥状裂纹形成区，如果模角和压缩率的组合落人该区域，则拉拔过 程中钢丝内部可能形成杯锥状裂纹， 3.1硬化系数不同时的安全区图 (1)B=0时的安全区图 钢丝在拉拔的最后道次，加工硬化程度已很严重，这时钢丝的硬化系数趋近于零， 从图3可知，当硬化系数B=0时，钢丝内部形成锥状裂纹的可能性较大，如B=0的钢 丝通过假设摩擦系数m=0的模子时，当压缩率为12%，半模角为8°时会产生微裂纹；如把 压缩率提高到20%，半模角仍为8°，则不会产生微裂纹；若保持压缩率12%不变，半模角 需减小到4°，也可保证不产生微裂纹， (2)B=0.005时安全区图 60r 60B=0.005Zy B=0 0 安全区 安全区 50 50 40 40 杯锥状裂纹形成区 绿 30 出 杯维状裂纹形成区 20 10 10 0 0 102030 40 010 20304050 al() x/(°) 图3B=0时安全区图 图4B=0.005时安全区图 Fig.3 Criterion for central bursting,B=0 Fig.4 Criterion for central bursting,B=0.005

北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 拉拔安全区 图及应用 由于 式计算结果冗长 、 复杂 ， 不便于分析及应用 ， 需要将 式编 程 ， 计算 机 求 解 、 计算 计算过程作 如下说 明 程 序采用 泊 编程 摩擦系数 的确定 采 用 种方式 采 用 直接 给定 的方式 ， 摩擦系 数 的取值范 围 一 采 用 文 献 【 中给 出关 于 计算 拉 拔 过 程 的 摩 擦 系 数公 式 导出 由现 场 实 验 、 计 算 ， 得到 在某 厂水箱拉 丝 的具体情况 下 ， ， 硬化系数 口采 用直接给定 的方式 计算安全 区 ， 采取在模 角 、 压缩 率 取 值 范 围 内 ， 反复循环计算 ， 找 出最逼近 的模角 、 压缩率 计算结果表 明 对应于 一个确定 的摩擦 系数 、 硬化系数 刀组合 ， 就存在一条 曲线 该 曲线 的左边 为安全 区 ， 如果模角 和 压缩率 的组合落人该 区域 ， 则 拉 拔过程 中钢 丝 内部不 会形 成杯锥状裂纹 右边 为杯锥状裂 纹形 成 区 ， 如 果模 角 和 压缩 率的组合落人该 区域 ， 则拉拔过 程 中钢丝 内部可 能形 成杯锥状裂 纹 硬化 系数不 同时的安全区 图 刀 时 的安全 区 图 钢 丝在 拉拔 的最后 道 次 ， 加 工硬化程 度 已 很 严重 ， 这 时钢 丝 的硬 化系数趋 近于零 从 图 可知 ， 当硬化系数 刀二 时 ， 钢丝 内部形成锥状裂 纹 的可能性较 大 如 刀 的 钢 丝通过假设摩 擦 系数 的模 子 时 ， 当压缩率 为 ， 半模 角 为 ” 时会产生微 裂 纹 如 把 压缩率提 高到 ， 半模 角仍 为 。 ， 则 不 会产生微 裂 纹 若 保 持 压 缩 率 不 变 ， 半 模角 需减小 到 “ ， 也 可保证不产生 微裂 纹 刀 时安 全 区 图 卜裂纹歹移成区 哥织田罗 芦 ，。 。 振 成 区 】 」 哥雾媲田 “ 图 吞二 时安全区 图 乓 均比山扣 伽 。 习七目 施浏吨 ， 刀 图 刀 仪巧 时安 全 区 图 瑰 祝污刃 阮 伙川功】 恤喇吨 ， 刀 川巧

第2期 余万华等：钢丝拔杯锥状裂纹扩展条件的判别 ,165. 从图4可以看出，当半模角小于或等于10°，可以保证在任何压缩率情况下，钢丝内部 都不会形成杯锥状裂纹；当半模角大于10°，则钢丝内部存在形成杯锥状裂纹的可能，由此 可以看出，模角对杯锥状裂纹形成影响较大. 3.2m=0.09时安全区图 0 测量、计算得到某厂水箱拉拔条件下，钢丝 50 与模子之间的摩擦系数m=0.09,因此，分析这类 安全区图，具有现实意义· 40 从图5可得以下结论： (1)在压缩率为20%、30%、40%下，实测 00 测的最佳模角为7°8°、9°.在这种情况下即使拉 20 拔硬化系数B=0的钢丝，也可保证不产生内裂纹. 10 从而证明，采用最佳模角的模子拉拔钢丝，其内 部不会形成裂纹， 0 10 2030 4050 a/() (2)随着硬化系数减小，钢丝内实际形成杯 锥状裂纹的可能性加大，即拉拔的最后道次易形 图5m=0.09时安全区图 成杯锥状裂纹， Fig.5 Criterion for central bursting,m=0.09 3.3钢丝中夹杂对杯锥状裂纹形成的影响 由于冶炼技术的限制，钢丝内不可避免地存在夹杂，夹杂与金属基体之间的结合力较 弱，进人变形区后，在变形参数不合理而产生的中心拉应力和由于夹杂存在而产生的应力集 中的联合作用下，金属与夹杂之间很快产生间隙，促进中心裂纹的形成和发展， 钢丝内部形成杯锥状裂纹大致要经历两个阶段：)钢丝内部微裂纹的形成，夹杂缺陷 会促进裂纹形成；2)裂纹的起动和发展，裂纹起动和发展都必须遵循临界条件式，即(2) 式. 因此，由(2)式所推导的安全区图，也同样适合防止钢丝内有夹杂物时杯锥状裂纹的 形成和发展. 4结论 (1)杯锥状裂纹的产生和发展有4个影响因素，即材料的硬化系数、材料与拉拔模之 间的摩擦系数、拉拔模的模角、压缩率，由于这些因素配合不合理，导致钢丝内部变形不渗 透和中心轴上较大的内应力从而使裂纹形成与扩展， (2)利用上界定理推导，计算了杯锥状裂纹扩展的条件，计算结果和由此制定的安全 区图可以用于指导拉拔工艺设计，防止钢丝内杯锥状裂纹的产生· (3)钢丝内夹杂物对杯锥状裂纹形成和发展起促进作用· (下转第170页)

第 期 余万华等 钢丝拔杯锥状 裂 纹扩展条件 的判别 从图 可 以看 出 ， 当半模角小于 或等于 “ ， 可 以 保证在任何压缩率情 况 下 ， 钢 丝 内部 都不 会形 成杯锥状裂 纹 当半模 角大 于 。 ， 则钢 丝 内部存在形 成杯锥 状裂 纹 的 可 能 ， 由此 可 以看 出 ， 模角对杯锥状裂纹形 成影 响较大 二 伪 时安全区 图 哥咨岁出 测 量 、 计算得 到某 厂水箱拉拔条件下 ， 钢 丝 与模子 之 间的摩 擦系 数 ， 因此 ， 分析这类 安全 区 图 ， 具有 现实意 义 从图 可得 以 下结论 在压缩率为 、 、 下 ， 实测 测 的最佳模角为 气 气 在这种情况 下 即使拉 拔硬化 系数 刀 的钢 丝 ， 也 可 保证不产生内裂纹 从而证 明 ， 采 用最佳模 角 的模子 拉拔钢丝 ， 其 内 部不 会形 成裂 纹 随着 硬 化系数减 小 ， 钢 丝 内实 际形成杯 锥状裂 纹 的可 能性加大 ， 即拉 拔 的最后 道 次易形 成杯锥状裂 纹 钢丝 中夹杂对杯锥状裂纹形成的影响 。 买 图 二 朋 时安全区 图 沈污刃 伙 功】 恤浏吨 ， 爪 伪 由于 冶 炼技 术 的限制 ， 钢 丝 内不 可 避 免 地存 在 夹 杂 夹 杂 与 金 属 基 体 之 间 的 结 合 力 较 弱 进人 变形 区 后 ， 在 变形 参数不合理 而 产生 的 中心 拉应力和 由于夹杂存在而 产生 的应力集 中的联合作 用下 ， 金 属 与夹杂 之 间很快 产 生 间隙 ， 促进 中心裂纹 的形 成和发展 钢 丝 内部形 成杯锥 状裂 纹大致要 经历两 个 阶段 钢丝 内部 微 裂 纹 的形 成 夹杂缺 陷 会促 进裂 纹形 成 裂 纹 的起 动和 发展 裂纹起 动和 发展 都必 须 遵 循 临 界 条 件 式 ， 即 式 因此 ， 由 式所 推 导 的安全 区 图 ， 也 同样适合 防止 钢 丝 内有 夹 杂 物 时 杯 锥 状 裂 纹 的 形成和 发展 结 论 杯锥 状裂 纹 的产 生和 发展有 个 影 响 因 素 ， 即 材 料 的硬 化 系 数 、 材 料 与 拉 拔模 之 间的摩擦系数 、 拉拔模 的模 角 、 压缩率 由于 这些 因 素配合不 合理 ， 导致钢 丝 内部变形 不渗 透和 中心轴上较大 的 内应力从而 使裂 纹形 成 与 扩展 利用上界 定理 推导 ， 计算 了杯锥状裂 纹扩 展 的 条 件 ， 计算 结果 和 由此 制 定 的 安 全 区 图可 以 用于指 导拉拔工 艺设计 ， 防止钢 丝 内杯锥 状裂 纹 的产 生 钢丝 内夹杂物对杯锥状裂 纹形 成 和发展 起促进作用 下转第 页

.170 北京科技大学学报 第16卷 线性拟合，就可得到R-S-N线簇及其方程（参看图2）· 以上过程可以全部在电子计算机上完成，并已编制了相应的软件. 4结论 齿轮疲劳试验这类小样本试验数据，采用本文的处理方法可以获得在一定置信度（通常 为90%或95%)下，任何可靠度时的疲劳极限应力值，从而为齿轮的可靠度疲劳强度设计 和寿命预测提供了依据.本文所述方法已成功地用于离子渗碳齿轮、钒钛球铁齿轮、40Cr 和35CMo等调质齿轮以及航空用渗碳淬火齿轮的试验研究中，获得了上述各种齿轮在95% 置信度下、各种可靠度时的疲劳极限应力值，补充了国家标准GB3480一83和国际标准ISO/ DP6336/2-80的内容. 参考文献 1国家标准GB3480一83.渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法，北京：中国标准出版杜，1984 2高镇同.疲劳应用统计学.北京：国防工业出版社，1986.82 号号丹号号4号号号号号号0号4号号 (上接第165页) 参考文献 1余万华，钢帘线双捻时杯锥状断口的防止与拉拔工艺优化：[硕士论文】.北京科技大学，190 2 Avitzur B.Analysis of Central Bursting Defects in Extrusion and Wire Drawing.Joumal of Engineering for Industry,1968,(2):79 3 Zimerman Z.Robert J Henry.Drawing Fine Wire on Wet Wiredrawing Machines.Wire J Int, 1984,(9):139 4 Zimerman Z,Avitzur B.Analysis of Effect of Strain Hardening on Central Bursting Defect in Drawing and Extrusion.Journal of Engineering for Industry,1970,(2):135 5 Evans W.Avitzur B.Measurement of Friction in Drawing,Extrusion and Rolling.Joumal of Lubrication Technology,1968,(1):72

北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 线性 拟合 ， 就可得到 一 一 线簇及 其方程 参看 图 以 上过程 可 以全部在 电子计算机上完成 ， 并 已 编制 了相 应 的软件 结 论 齿 轮疲 劳试验这类小样本试验数据 ， 采 用本文 的处理方法 可 以 获得 在 一定 置信度 通 常 为 或 下 ， 任何可 靠度 时 的疲 劳极 限应力值 ， 从而 为齿 轮 的 可 靠 度 疲 劳 强 度 设计 和 寿命预测 提供 了依据 本文所述 方 法 已 成 功 地 用 于 离 子 渗碳 齿 轮 、 钒 钦 球 铁 齿 轮 、 和 等调 质齿轮 以及航空 用 渗碳淬火齿轮的试验研究 中 ， 获得 了上述各种齿 轮在 置 信度 下 、 各种可 靠 度 时 的 疲 劳 极 限 应 力 值 ， 补充了国家标 准 一 和国 际标准 一 的 内容 参 考 文 献 国家标准 别 一 渐 开线 圆柱 齿轮承载能力计算方法 北 京 中国标准 出版社 ， 【 高镇 同 疲 劳应用 统计学 北京 国 防工 业 出 版社 ， 上接 第 页 参 考 文 献 余万华 钢 帘线双捻时杯锥状断 口 的防止 与拉拔工 艺优化 硕士论文 北京科技大学 ， 男〕 切匹 八刀川邪 翔 岛血 把触龙 次切旧沁 比 飞 “ 迢 理灿旧血 出 ， 魏沼 ， 访 曰 ， 比 卿 节 认铂司 恤瑙 儿 ， ， 乙 ‘ 刀以 ， 切盯 且司” 蛋双 饥 刀 笼 招 犯 田司 万沁 切 园 找山堪 璐 ， 】 ， 璐 ， 劝切 。 沼 民幻蓝泊 沁 ， 石沁 口 工沈 ，