丝材拉拔基础知识
加工强化的丝材，反张力一定要小于丝材的屈服极限，否则经常出现拉断现象。图14显示有反张力拉拔时和无反张力拉拔时变形区应力变化状况，无反张力拉拔时的轴向拉应力的变化见?lo线，有反张力(?q)拉拔时的轴向拉应力的变化见?lq线。?l??r?ST线反应轴向拉应力和径向压应力之和变化状 况，两种应力之和等于丝材的真实变形抗力(ST)。根据3.3节分析可知，该曲线的走向不受有无反张力的影响。塑性变形区纵坐标Y-Y上的ac线段代表无反张力时变形区内某点的径向压应力，ab线段代表有反张力时变形区内某点的径向压应力，显然ac＞ab，说明反张力导致丝材在变形区内的径向压应力显著降低。
径向压应力降低，即使润滑条件不变也会带来摩擦力下降，图15显示了反张力对几种内应力大小分布的影响：轴向拉力的增量几乎与反张力相等；径向压力的降低幅度与反张力大小成正比；在反张力作用下，丝材在定径区的摩擦力应力有可能降到零。由于压应力和摩擦力应力同时降低，变形区的圆周向应力必然下降，丝材横截面各环层塑性变形的不均匀度有显著改善。
综合分析，反张力给丝材生产带来以下收益：（1）减缓拉丝模的磨损，延长模具使用寿命。（2）改善润滑条件，选用拉丝润滑剂的标准可以放宽。（3）只要施加反张力适当，尽管拉拔力有所增加，但摩擦力降低使丝材拉拔发热量减少，拉拔能耗总体有所下降。（4）由于塑性变形均匀性改善，丝材塑性变形能力有所提高，拉拔断丝几率显著下降。（5）丝材横截面变形差距缩小，对抗拉强度无明显影响，但伸长率、断面收缩率和工艺性能（弯曲、扭转和缠绕）有所改善。当然反张力的大小和稳定是至关重要的，如控制不当将适得其反。
进一步研究表明：使用反张力时存在着一个临界值q临，即施加的反张力小于q临时，拉拔力无明显增加，模具压力却有显著的减小。丝材拉拔过程中与反张力对应存在着一个的临界应力?q临，?q临实际上是一个与材料弹性极限或规定总延伸强度（Rt0.1)相对应的物理量。也就是说，施加的反张应力不超过弹性极限（或Rt0.1）时，可以达到只降低压应力，而不增加拉应力的效果，由于丝材与模孔接触面压应力降低，有利于润滑剂进入接触面，减缓模孔变形区入口处的环状磨损。选配反张力时还应考虑到以下两点：（1)直线式拉丝机随着拉拔道次的增加，丝材不断强化，弹性极限（或Rt0.1）也随之升高，选配的反张力应相应加大。(2)施加任何反张力都会导致拉丝模压应力下降，当反张力q≤q临（?q≤?q临）时，拉丝模压载荷下降值正好等于q。当反张力q＞q临（?q＞?q临）时，拉丝模压载荷下降值总是小于q。拉丝模压力下降值大小可以用反张力利用系数(γq)表示：
?q?Mo?Mqq （17）
式中；Mo——无反张力时拉丝模载荷，N
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Mq——施加反张力后拉丝模载荷，N
现代化直线式连续拉丝机的反张力是依靠张力轮自动调节的，张力轮的反张力靠气缸压力控制，实际生产中可按上述原则，调节各气缸的压力，实现最佳恒张力拔丝。 3.6. 残余应力分布
即使丝材拉拔前组织结构均匀，并在均衡、对称的应力条件下变形，下列三项原因仍会在丝材内部造成残余应力的不均匀分布
（1）模具工作区的圆锥形形状，使丝材变形过程中承受了与轴向成（90-α)°角的正压力（N），致使丝材表层金属流动落后于中心层，由于流动出现转折或弯曲，流动历程也加长。
（2）丝材与模孔圆锥形接触面的摩擦力（T）加剧了丝材表层金属的流动滞后的局面，进一步加大金属流动历程。
（3）压缩力（Q)是正压力与摩擦力的合力，作用方向与轴向成(90-α-β)°角，与拉拔力相反，是引发丝材变形的主要外力。压缩力在丝材径向上产生的压应力表层大于中心层，导致表层金属压缩变形位移大于中心层，表层的强度和硬度也高于中心层。拉拔时丝材表层比中心层产生更多的变形位移，由于弹性后效作用，拉拔后丝材表层在轴向上比中心层收缩的更多些，但丝材作为一个整体，必须保持内外层收缩均匀一致，就不可避免地要在表层中产生残余拉应力。中心层产生残余压应力，如图16a。冷拉棒材的表面有时可以观察到残留的弯曲细鳞片状小斑点，实际上就是残余拉应力的存在的迹象。
在径向上，拉拔后压缩力（Q)消失，由于弹性后效作用，圆截面各环形层的直径都有增大的趋势，但每个环形层都受相邻环形层的包围和阻挠，承受着均匀一致的压应力，压应力从中心到表面逐渐减小，到表面处降为零，如图16b。此时如将圆棒表面扒掉一层，由于弹性后效作用，剩下的圆棒直径将有所增大。如果在圆棒中心钻一通长孔道，孔道直径在弹性后效作用下，将有一些缩小。
丝材拉拔过程中，摩擦力的影响，圆截面各环形层所承受的切应力??从表层到中心逐层递减，表层切应力最大，中心层切应力降到零。因为表面剪切变形程度大，拉拔后由于弹性后效作用，切向收缩趋势也越大，所以圆周残余应力的分布与轴向残余应力的分布状况完全相同,如图16c。
残余应力的存在状况和大小对丝材的力学性能和工艺性能有很大影响，表层残余拉应力太大会造成高碳钢丝和难变合金钢丝表面应力裂纹；径向压应力会造成丝材矫直时尺寸超差；圆周残余拉应力太大会造成碳素弹簧钢丝扭转性能下降。在实际生产中，减面率过大或道次减面率分配不当，润滑不良，模具角度过大等都会增加丝材不均匀变形程度，导致残余应力增大，生产中应采取相应措施，减缓丝材不均匀变形程度，降低表面残余应力。
通过适当的机械加工和轻微的拉拔变形（又称表拔）可以改变丝材的残余应力分布状态，图17和图18显示了冷拉圆棒经双曲线辊矫直精整后，表面残余应力状况发生了很大变化：因为矫直使棒材表 面产生一定的伸长，表面弹性后效回缩变形潜能转化为塑性变形（伸长），残余拉应力得到释放。如果矫直引发的表面伸长深度不够，未完全转化，残余拉应力未完全释放，则次表层的弹性回缩变形潜能会在表层形成压应力，次表层在表层和心部的压应力作用下形成拉应力,如图18a。
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在径向上,表层伸长造成直径涨大使弹性后效潜能得以发挥，棒材直径有所增大。此时表层伸长遗留的弹性后效回缩变形潜能受到内层金属的牵制，表层残余应力转化为拉应力，如图18b。冷拉丝材矫直时直径增大是无法改变的规律，直径越大，冷加工不均匀变形程度越大，直径涨幅越大，生产中应充分考虑此种因素，防止丝材矫直后尺寸超出公差规定。
冷拉减面率对丝材的残余应力分布有很大影响，据俄国《拉拔理论》介绍，最后一道减面率控制在0.8～1.5%范围内，可以得到与矫直同样的效果，轻微拉拔（表拔）仅在丝材表层造成塑性变形，使表层轴向和圆周向弹性后效潜能达到释放，表层残余应力由拉应力转为压应力。德国的H·比勒和 E·H·舒尔茨也证实了表拔可以改善表面残余应力，见图19，当道次
减面率为0.8%时表面残余应力接近于零，减面率进一步增大，表面残余应力又转化为拉应力。实际生产中，我们常用减面率小于1.0%的表拔来改善碳素弹簧钢丝的扭转性能，其原理应该是表拔使丝材表层的拉应力减小，或转化为压应力。而扭转试验的本质是检验丝材圆周向残余应力均匀性的，在扭转过程中，丝材表层承受的剪切应力要大于心部，随着扭转次数增加，内外层承受的应力差越来越大，直至超过金属的扭转极限时产生断裂。显然，如将丝材表面残余应力转化为压应力，就能显著提高扭转性能。扎克斯(Закс)用试验进一步证明，在20～30%范围内残余应力随减面增大而增大；减面率继续增大，残余应力反而开始下降，下式列表达式可以解释此种现象：如L0—拉拔前丝材长度，Lb—拉拔后丝材表层长度，Lz—拉拔后丝材中心长度，则表面伸长与中心层伸长之差占丝材总长的比例B可表示为：
4
3
B??lb?L0???Lz?L0?Lb?Lz （18） ??Lb?Lz?/2?Lb?Lz?/2当减面率较小时，(Lb-Lz)值增长比丝材总长(Lb+Lz)增长得快，B值增大，轴向和圆周残余应力和弹性后效潜能增大，丝材内外层残余应力差值增大。当减面率大幅提高时，(Lb-Lz)值增长比丝材总长(Lb+Lz)增得慢，B值减小，轴向和圆周残余应力和弹性后效潜能降低，丝材内外层残余应力差值也随之降低，所以用多道次拉拔达到较大总减面率时，残余应力的不均度有所降低。
由于反张力能改善丝材塑性变形的均匀性，自然就缩小了丝材表层与中心层的应力差值，降低残余应力。
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前面已经提到丝材表层残余拉应力是由于表层金属塑性变形滞后、流动历程加长、变形率大于心部金属造成的，因此很容易联想到：如果不断改变丝材拉拔方向，即正向—反向—正向—反向轮換拉拔，能否改变丝材残余应力的分布状况呢？答案是不能。俄国的伏勒斯捷尔（Форстер ） 和希塔姆布克（щтамбк）曾做过双向轮換拉拔试验：选用同一炉号、同一热处理生产的镍丝，按同一套拉拔流程，一批采用单向拉拔，另一批采用双向轮换拉拔，拉拔到同一尺寸。测定同一尺寸两批料的残余应力分布状况，结果表明：双向轮換拉拔镍丝的轴向残佘应力绝大多数大于单向拉拔镍丝；单向拉拔镍丝的轴向残佘应力随着拉拔道次的增加平稳、缓慢上升。双向轮換拉拔镍丝的轴向残佘应力随着拉拔道次的增加大起大落地变化，第2道次急剧上升，第3道次又急剧下降，其中第3道次和第4道次的残佘应力还略低于单向拉拔的镍丝，其余道次均远大于单向拉拔的镍丝。由此可见双向轮換拉拔不但不能改善丝材残余应力分布状况，反而加大了残余应力的不均匀分布。仔细分析原因在于不管朝什么方向拉拔，丝材表层的伸长量总要大于心部，换向拉拔无法改变表面伸长量要大于心部的现状，反而促使表层金属流动历程进一步加长，残余应力也进一步增大。 3.7. 降低残余应力的一般方法
以冷拉状态交货的丝材，由于变形的不均匀性，其内部残存着拉应力和压应力，两种残余应力在一定条件下实现平衡，丝材尺寸和形状暂时稳定。但由于弹性后效作用，丝材不同部位都在不断地改变自己的尺寸，甚至改变自己的形状，释放残余应力。一根直棒，大约1～2年会出现纵向侧弯；在腐蚀性环境中，丝材表面拉应力会在表面形成应力腐蚀开裂。而且残余应力越大，出现变形时间越早，危害越大，如何降低丝材残余应力是生产工艺控制一项重要任务，一般说来可从以下几方面着手：
（1）尽可能降低变形的不均匀性，具体措施有：降低总减面率，适当降低最后一道次的减面率（12%～15%），降低异形丝材横截面各部分变形的不均匀性；保证丝材入模和出模方向与模孔轴线方向一致；使模孔变形区角度接近最佳角度；选用合适涂层和润滑剂，降低摩擦力。
（2）采用矫直、表拔、喷丸等工艺措施，将弹性变形的潜能转变为表面塑性变形，消除或降低丝材表面拉应力。由于表面拉应力消除或降低，丝材抗拉强度略有下降，弯曲、扭转性能有所改善。回旋式矫直、平立辊式矫直，因矫直过程中丝材产生深度的弯曲和扭转变形，导致弯曲、扭转性能下降；同时因变形强烈，丝材温升较高，会产生一定的时效脆化效应。弹簧经喷丸处理后疲劳寿命显著提高。
（3）采用低温回火处理（200～300℃），使晶格重新排列、内部的残余应力得到释放，丝材或弹簧的尺寸和形状长期稳定下来。各类丝材经低温回火处理，在内部残余应力得以消除的同时，会产生时效硬化效应，实际抗拉强度往往有一定幅度（5～10%）的上升。 4.拉拔力
拉拔力是作用在丝材上，使丝材通过模具产生变形的外力（P）。在设计拉丝机时，拉拔力是确定拉丝机传动功率和零件强度的主要依据。在使用拉丝机时也要根据拉拔力确定拉丝机能生产什么规格的丝材。拉拔力是丝材生产和拉丝机设计时的一项重要参数。 4.1．测定拉拔力的方法
测定拉拔力大小的方法很多，常用方法有以下四种。 （1）用测力计测定拉拔力
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可以用任何一个有足够功率和量程的测力计，或带有夹具的拉力试验机，进行实际测量。 这种方法缺点是试验过程复杂，需要一套灵敏度高的测力仪器和专用夹具。因此，一般在实验室范围内使用。
（2）根据拉拔时耗用功率测定拉拔力
拉拔耗用功率等于拉拔力（P）与拉拔速度（V）的乘积。即
NO?PV （19） 式中：NO——拉拔时耗用功率（W=N?m/sec） P——拉拔力（N） V——拉拔速度（m/sec） NO?N?NK
式中：N——电机总耗功率 NK——空载功率
N?NK （20） V实际生产中功率单位多用千瓦（KW），拉拔速度多用米/分（m/min），则计算公式变换为：
NN?NKP?60?1000??60000O （21）
VV用这种方法确定拉拔力较为简单，有一定的精度。但实际生产中需要先测定电机功率和空载功率。 （3）用理论公式计算拉拔力
计算拉拔力的理论公式很多，但这些计算公式很难得出准确的结果。原因在于影响拉拔力的因素很多，研究者通常为简化计算，提出一些假设，影响计算的准确性。有的研究者提出的公式考虑虽全面，但计算涉及的多种未知数很难准确确定。所以按不同公式计算出来的拉拔力往往差异很大。
（4）用经验公式计算拉拔力
根据特定生产条件，把一些因素（如丝材表面处理、润滑、模具等）看成固定不变的，得出一些经验公式。这类公式对特定生产条件往往是比较准确的，但通用性稍差。 4.2．拉拔力计算公式
各种理论计算公式，按其理论推导依据不外乎有三类。
第一类：根据变形区静力平衡原则，推导出的公式，如加夫里林科公式。
第二类：根据主变形所需要的功，推导出的公式。如塞齐斯公式和考尔布尔公式。 第三类：由塑性变形的基本原理，推导出的公式。如古布金公式。 常见的计算公式如下： （1）加夫里林科（А·П·ГАвриленко）公式：
P? P?Kf?(A （22） (1?f?c?o t)O?Ak)?（2）塞齐斯（Sachs）公式：
P?Kf?Ak?ln??(1 （23） ?f?cot? )（3）兹别尔公式
P?Kf?Ak?ln??(1?f?t?an?f?cot?
??（4）考尔布尔（Korber）公式：
f??P?Kf?Ak?ln??(1?)?0.77?? （24）
???（5）古布金（С·И·Губкин）
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