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摘 要：拉拔方法是材料塑性成型的重要方法之一，近年来，很多学者研究了拉拔过程中模具设计，材料成型行为，拉拔方法及材料微观组织结构等方面。本文介绍了微通道管挤压中的模具设计，大应变单道次钢管拉拔时的模具设计优化，金属微管在旋转激光无模拉拔过程中的形状变化及常用的超细丝成型技术。
关键词：拉拔，模具，超细丝
1.前言
Z箍缩作为一种实现惯性约束聚变的可能方式及未来能源问题的解决方案之一，已进入人们的视线。其原理是：当大电流通过一定数目的金属微丝组成的丝阵结构时（单丝直径通常小于20？m，根据微丝原子序数不同而略有差异），微丝气化成等离子体壳层，并在洛伦兹力的作用下向轴心运动并被压缩，产生高温高密度等離子体，形成自箍缩效应。为了研究Z箍缩过程中的相关物理问题，需要微丝阵列（又称丝阵负载负载）在线质量（体现在单丝直径）和功能性（体现在材料品种）上满足物理实验设计要求。
金属类Z箍缩丝阵负载材料丝阵负载材料为直径在3-40μm之间（多为10？m）的钨、钼、铝、铜、钛丝及其合金丝，其有效长度为几个cm；其制备方法主要是传统的单向拉拔法或结合电化学/化学腐蚀。如何结合最新的拉拔相关技术提高超细丝的尺寸精度和相关性能，可以有助于进一步优化Z箍缩负载质量。
2.拉拔技术
2.1 微通道管挤压中的模具设计
微通道管（也称之为多口挤压管）是在横截面方向上形成亚微米直径微槽，其实是一种新发展出来的铝挤压技术，它的设计基于微观尺寸热转换理论。相较于通道直径大于2mm的传统热交换管，微通道管（微孔直径小于1mm）在热转换效率，轻重量和抗压能力上具有巨大的优势，可应用于汽车冷却系统，气体冷却器及商用空调等领域，样品实物图如图1所示。而这种材料制备的主要困难就在于挤压出口孔（porthole）模具设计，而模具设计的目的就是保持材料的焊接性能的同时减小微孔孔径，即采用孔挤压模具的设计充分考虑焊缝质量及孔芯形状的平衡并保持孔芯的完整性。
图1 微通道管实物图
针对此问题，已有学者开展了相关研究。2004年Donati等人评估焊接质量：压力、时间和材料。2009年Bozzi利用拉格朗日方法获取整体变量。2010年Liu进行了过程参数及模具尺寸焊接质量模拟。2009年Hiramoto研究了挤压模具的应力分布。
2.2 大应变单道次钢管拉拔时的模具设计优化
钢管拉拔过程是一个减小管尺寸的成型方法，比如内、外管径，并可以同时提高表面质量。模具孔口及内部的拉拔行为是获得管材精密几何尺寸和表面粗糙度的关键因素。前人已经开展了相关研究，Hayhurst（2005）提出了双因素摩擦系数校准模型；Rubio（2006）提出了一种预测管材拉拔载荷的分析方法；Kubokiet（2008）研究了插塞对于残余应力的影响；Ebrahim（2008）提出了一种模具设计的上边界方法。实验发现，两种方法均能优化结果，而模具进口和芯部的角度是最重要的影响因素。
2.3 金属微管在旋转激光无模拉拔过程中的形状变化
本文提出了一种新型的金属微管的旋转激光无模拉拔过程，此方法利用单方向的激光辐照实现局部加热。金属微管通过旋转平台实现绕拉伸轴向方向的旋转，旋转台上的夹具控制其温度分布。外径为0.5mm，厚度为0.13mm的SUS304不锈钢管被应用于实验。在激光无模拉拔中，提出了旋转对于外径变化和外径误差的影响。因此，利用激光无模拉拔的旋转效果稳定拉拔状态的极限可增强。另外，单方向上无旋转的激光加热实验说明拉拔过程中辐照边的变形量比无辐照边的变形量大。同时，改变环境统一的温度分布在旋转条件下研究了微管亚均匀的拉拔过程。利用旋转，径向形变偏差会被限制。
3.超细丝成型的技术及现状
超细丝成型技术主要包括传统拉拔法，夹芯丝拉拔法，电化学/化学腐蚀法，熔融纺丝法，玻璃包覆快速凝固及集束拉拔法等。
典型的夹芯丝拉拔法实验为：在铂杆上镀一均匀银层，起厚度远大于杆直径（如10倍），再用模具把夹芯丝拉细，当外层达到最小限度时利用硝酸去除银层即可获得直径仅为外径1/10的铂丝。此方法可以用于制备直径小于0.5μm的超细丝。
电化学腐蚀法一般可用于制备直径小于10μm的钨丝和钼丝。利用传统拉拔法获得的10μm以上的丝作为原料，再通过碱性电解液体系，通过控制电解参数可以实现更细直径的微丝制备。
熔融纺丝法一般应用于生产玻璃纤维及合成纤维，科用来生产铝、锌、锡和铅等低熔点金属，可以用于制备出直径25-250μm的圆形纤维。
玻璃包覆法金属原料装入玻璃管中，玻璃管在升降装置的控制下以一定的速度进入高频感应加热区，金属被加热熔化，熔融金属对玻璃管末端加热使其软化；在合适的拉丝速度下，软化的玻璃管末端被拉成极细的毛细管，熔融金属进入毛细管内，形成玻璃包覆金属超细金属丝。该技术可以一次成形制备金、银、钛、铜、铝等纤维、金属间化合物及脆性材料。
集束拉拔法生产金属纤维是采用将金属丝材复合组装，多次多股拉拔、热处理等一整套特殊工艺制成。每股成千上万根，纤维直径可达l～2μm，强度高达1200～1800MPa，延伸率大于1%。
4.结论
以上针对模具设计和拉拔方法等最新研究成果进行了较详细的阐述。这些对提高制品质量等问题有较高的理论和实用价值。
参考文献
[1] Ding Tang， Wenli Fang and Xiaohui Fan， et al. Effect of die design in microchannel tube extrusion.
[2] Alexey Korchunov， Gennadiy Gun， Marina Polyakova. Recovery effect in drawing of steel bar for sizing.
[3] Jinn-Jong Sheu， Su-Yi Lin， Cheng-Hsien Yu. Optimum die design for single pass steel tube drawing with large strain deformation.
[4] Gregory Gerstein， Florian Nürnberger， Wlodzimierz Dudzinski， et al. Structural evolution of thin lamellar cementite during cold drawing of eutectoid steels.
[5] Tsuyoshi Furushima， Yusuke Imagawa， Shusaku Furusawa， et al. Deformation profile in rotary laser dieless drawing process for metal microtubes.
[6] Kazunari Yoshida， Kota Doi. Improvement of ductility of aluminum wire for automotive wiring harness by alternate drawing.
关键词：拉拔，模具，超细丝
1.前言
Z箍缩作为一种实现惯性约束聚变的可能方式及未来能源问题的解决方案之一，已进入人们的视线。其原理是：当大电流通过一定数目的金属微丝组成的丝阵结构时（单丝直径通常小于20？m，根据微丝原子序数不同而略有差异），微丝气化成等离子体壳层，并在洛伦兹力的作用下向轴心运动并被压缩，产生高温高密度等離子体，形成自箍缩效应。为了研究Z箍缩过程中的相关物理问题，需要微丝阵列（又称丝阵负载负载）在线质量（体现在单丝直径）和功能性（体现在材料品种）上满足物理实验设计要求。
金属类Z箍缩丝阵负载材料丝阵负载材料为直径在3-40μm之间（多为10？m）的钨、钼、铝、铜、钛丝及其合金丝，其有效长度为几个cm；其制备方法主要是传统的单向拉拔法或结合电化学/化学腐蚀。如何结合最新的拉拔相关技术提高超细丝的尺寸精度和相关性能，可以有助于进一步优化Z箍缩负载质量。
2.拉拔技术
2.1 微通道管挤压中的模具设计
微通道管（也称之为多口挤压管）是在横截面方向上形成亚微米直径微槽，其实是一种新发展出来的铝挤压技术，它的设计基于微观尺寸热转换理论。相较于通道直径大于2mm的传统热交换管，微通道管（微孔直径小于1mm）在热转换效率，轻重量和抗压能力上具有巨大的优势，可应用于汽车冷却系统，气体冷却器及商用空调等领域，样品实物图如图1所示。而这种材料制备的主要困难就在于挤压出口孔（porthole）模具设计，而模具设计的目的就是保持材料的焊接性能的同时减小微孔孔径，即采用孔挤压模具的设计充分考虑焊缝质量及孔芯形状的平衡并保持孔芯的完整性。
图1 微通道管实物图
针对此问题，已有学者开展了相关研究。2004年Donati等人评估焊接质量：压力、时间和材料。2009年Bozzi利用拉格朗日方法获取整体变量。2010年Liu进行了过程参数及模具尺寸焊接质量模拟。2009年Hiramoto研究了挤压模具的应力分布。
2.2 大应变单道次钢管拉拔时的模具设计优化
钢管拉拔过程是一个减小管尺寸的成型方法，比如内、外管径，并可以同时提高表面质量。模具孔口及内部的拉拔行为是获得管材精密几何尺寸和表面粗糙度的关键因素。前人已经开展了相关研究，Hayhurst（2005）提出了双因素摩擦系数校准模型；Rubio（2006）提出了一种预测管材拉拔载荷的分析方法；Kubokiet（2008）研究了插塞对于残余应力的影响；Ebrahim（2008）提出了一种模具设计的上边界方法。实验发现，两种方法均能优化结果，而模具进口和芯部的角度是最重要的影响因素。
2.3 金属微管在旋转激光无模拉拔过程中的形状变化
本文提出了一种新型的金属微管的旋转激光无模拉拔过程，此方法利用单方向的激光辐照实现局部加热。金属微管通过旋转平台实现绕拉伸轴向方向的旋转，旋转台上的夹具控制其温度分布。外径为0.5mm，厚度为0.13mm的SUS304不锈钢管被应用于实验。在激光无模拉拔中，提出了旋转对于外径变化和外径误差的影响。因此，利用激光无模拉拔的旋转效果稳定拉拔状态的极限可增强。另外，单方向上无旋转的激光加热实验说明拉拔过程中辐照边的变形量比无辐照边的变形量大。同时，改变环境统一的温度分布在旋转条件下研究了微管亚均匀的拉拔过程。利用旋转，径向形变偏差会被限制。
3.超细丝成型的技术及现状
超细丝成型技术主要包括传统拉拔法，夹芯丝拉拔法，电化学/化学腐蚀法，熔融纺丝法，玻璃包覆快速凝固及集束拉拔法等。
典型的夹芯丝拉拔法实验为：在铂杆上镀一均匀银层，起厚度远大于杆直径（如10倍），再用模具把夹芯丝拉细，当外层达到最小限度时利用硝酸去除银层即可获得直径仅为外径1/10的铂丝。此方法可以用于制备直径小于0.5μm的超细丝。
电化学腐蚀法一般可用于制备直径小于10μm的钨丝和钼丝。利用传统拉拔法获得的10μm以上的丝作为原料，再通过碱性电解液体系，通过控制电解参数可以实现更细直径的微丝制备。
熔融纺丝法一般应用于生产玻璃纤维及合成纤维，科用来生产铝、锌、锡和铅等低熔点金属，可以用于制备出直径25-250μm的圆形纤维。
玻璃包覆法金属原料装入玻璃管中，玻璃管在升降装置的控制下以一定的速度进入高频感应加热区，金属被加热熔化，熔融金属对玻璃管末端加热使其软化；在合适的拉丝速度下，软化的玻璃管末端被拉成极细的毛细管，熔融金属进入毛细管内，形成玻璃包覆金属超细金属丝。该技术可以一次成形制备金、银、钛、铜、铝等纤维、金属间化合物及脆性材料。
集束拉拔法生产金属纤维是采用将金属丝材复合组装，多次多股拉拔、热处理等一整套特殊工艺制成。每股成千上万根，纤维直径可达l～2μm，强度高达1200～1800MPa，延伸率大于1%。
4.结论
以上针对模具设计和拉拔方法等最新研究成果进行了较详细的阐述。这些对提高制品质量等问题有较高的理论和实用价值。
参考文献
[1] Ding Tang， Wenli Fang and Xiaohui Fan， et al. Effect of die design in microchannel tube extrusion.
[2] Alexey Korchunov， Gennadiy Gun， Marina Polyakova. Recovery effect in drawing of steel bar for sizing.
[3] Jinn-Jong Sheu， Su-Yi Lin， Cheng-Hsien Yu. Optimum die design for single pass steel tube drawing with large strain deformation.
[4] Gregory Gerstein， Florian Nürnberger， Wlodzimierz Dudzinski， et al. Structural evolution of thin lamellar cementite during cold drawing of eutectoid steels.
[5] Tsuyoshi Furushima， Yusuke Imagawa， Shusaku Furusawa， et al. Deformation profile in rotary laser dieless drawing process for metal microtubes.
[6] Kazunari Yoshida， Kota Doi. Improvement of ductility of aluminum wire for automotive wiring harness by alternate drawing.