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电缆工艺原理讲义

电缆工艺讲义

哈尔滨理工大学电气与电子工程学院

电气绝缘与电缆教研室

第一章绪论

一、本课程的任务

名称：

电缆工艺原理

工艺：

生产的技术和方法。

他是研究生产过程中人与机器、机器与机器、材料、产品与机器之间相互关系的科学。

工艺原理：

本课程重点讲授电缆生产过程，也就是工艺过程中的原理，而不是具体的工艺。

当然有具体的例子。

我们是在实际工作中运用这些原理，分析、解决具体问题。

（特别强调原理）

任务：

1、掌握电缆生产过程（工艺过程）的基本知识。

如：

工艺过程、技术原理、方法和参数。

2、培养学生的能力。

注重工程能力。

二、本课程的内容

1、导体制造

熔炼：

冶金学、金属物理学。

轧制：

金属塑性成形原理、轧制理论。

酸洗、扒皮：

拉线：

金属塑性成形原理、拉制理论、拉线模、拉线机原理及配模。

退火（韧炼）：

金属物理学、退火原理。

镀涂：

金属化学、电解化学。

绞线：

几何学、绞合原理、绞合参数、绞线结构、绞线性能、单线变形。

2、高聚物绝缘和护套制造

橡料加工：

塑炼、混炼。

混炼理论。

塑料加工：

高聚物挤出：

流变学、挤出机组、挤出机结构和参数、挤出理论。

硫化：

交联电缆绝缘的制造：

交联方法、原理、工艺问题。

涂漆：

3、成缆

4、保护层制造

金属护层制造：

挤压、焊接。

绕包：

绕包方式、参数间关系和确定。

编织：

编织参数及相互关系。

装铠：

5、模具设计

三、工艺课的特点

1、实践性：

知识来源于实践，学习需要一定的实践知识。

2、实用性：

工作直接应用性强。

3、综合性：

多学科综合运用。

四、电缆生产技术的发展特点

1、单机日益完善，向高速、多头、高效发展。

拉线：

60m/s挤出：

3000m/min绞线：

400r/min

2、生产日益连续化。

提高劳动生产率，减少工序间堆放、占地面积和劳动强度。

3、不断运用各领域新技术和新材料。

光纤，超导。

4、标准化、系列化、通用化。

从材料、设备（配套设备）产品以及生产工艺几乎都标准化、系列化、通用化。

这给研发、生产及应用提供很大方便，避免大量重复劳动。

常用标准如下：

GB（国标）、IEC（国际电工委员会）、ASTM（美国）、DIN（德国）、BS（英国）、JIS（日本）。

第二章金属塑性成型原理

第一节金属塑性变形的力学基础

一、力的基本概念

物体受力，若不平衡就产生加速运动。

我们已学过质点或刚体的受力运动，但现在将研究的是物体塑性变形，为达到塑性变形，物体也必须受力，且必须达到一定条件。

物体受力若不平衡，就要运动，产生不了塑性变形。

一般外部物体、模具必须共同给物体作用力，物体受力平衡，使物体内部有力作用，并达到一定条件，物体才可能发生塑性变形。

外力：

外部施加给物体的力。

如：

拉线的拉力、模具的阻力。

内力：

由外力作用，物体内部产生的力。

外力的种类：

如果忽略物体的重力和惯性力，物体所受外力有三种。

1、作用力：

一般由运动机械主动施加给物体的力。

如拉线机拉线轮的拉力。

2、反作用力：

物体受到作用力作用，就有运动趋势，加工模具就给物体施加一个力，以阻碍其运动趋势，这就是反作用力。

反作用力一般总是垂直加工模具与加工物体接触表面，指向被加工物体中心。

强调运动学的反作用力与现在的反作用力的区别。

3、摩擦力：

变形物体与模具之间产生的摩擦力。

强调拉制与轧制的摩擦力方向、用途。

物体受到内力，原子之间就会产生相互作用力。

衡量其作用效果用应力。

应力：

物体单位面积所受的内力。

应力的求法：

下面物体受到n个外力作用处于平衡状态，物体内部任意一点Q的应力如下求得：

过Q点做任意平面A，去掉任意部分，在A面加上一些力（实际是所受内力）与剩余部分外力平衡，这样就求得A面的内力及其分布，由此求出Q点的应力，此应力称为全应力。

为研究方便，把全应力分解为垂直平面A和平行平面A的两个应力。

正应力：

垂直平面A的应力，用σN表示。

切应力：

平行平面A的应力，用τ表示。

从上面求法可知：

平面A的取法不同，全应力也可能不同，可能存在某一平面A，其只存在正应力，而无切应力。

二、主应力和主应力状态图

应力状态：

金属无论外力怎样作用，若其内部产生内力，就存在应力，就说金属处于应力状态。

为表示金属某点Q的应力状态，以Q点为坐标原点，取适当三维直角坐标系，使三个坐标轴为法线的三个面只有或无正应力，而无切应力。

三个轴叫主轴，三个面叫主平面。

三个面上的正应力叫主应力，用σ1，σ2，σ3表示。

已证实，任意应力状态都可用以找到适当坐标系，使主平面上存在主应力。

主应力状态图：

在塑成型原理中，为定性说明金属的应力状态，常用一个图注明三个主应力的方向（拉伸、压塑），而不注明其大小，没有不标注，这样的图称为主应力状态图。

同时也可规定：

拉应力为“+”，压应力为“—”，没有为“0”。

如下图：

主应力状态图的种类：

主应力状态对金属塑性的影响：

金属处于应力状态不同，表现出的塑性也不同。

在其他条件不变时，拉应力个数越多，数值越大，金属塑性越差；压应力个数越多，数值越大，金属塑性越好；为此，塑性最差为三向拉伸，，塑性最好为三向压塑见上图。

第二节金属单晶体塑性变形

一、金属的晶体结构

所有的固体金属都是晶体，那什么是晶体呢？

晶体：

原子在空间按一定的几何规律作周期性排列的固体。

晶格：

为表示金属各原子在空间排列的几何规律，用直线将各原子连接起来，这样构成的空间格子。

晶胞：

反映晶体几何特征的最小单元。

单晶体：

位相相同的一群晶胞聚集在一起而构成的晶体。

也就是说单晶体某一方向的排列规律都一样，故其特征为：

各向异性（具有方向性）

实际金属并不是单晶体，而是多晶体。

多晶体：

由位相随机排列的单晶体构成的晶体。

特征：

各向同性。

常见金属的晶格型式：

金属的晶格型式很多种，但常见金属的晶格型式有下面三种。

1、面心立方晶格

面心立方晶格是一个正立方体，8个角各有1个原子，6个面各有1个原子，共有14个原子。

金、银、铜、铝就是这种晶格。

2、体心立方晶格

体心立方晶格也是一个正立方体，8个角各有1个原子，立方体中心有1个原子，共9个原子。

钨、铬、钼就是这种晶格。

3、密排六方晶格

密排六方晶格的上下两个面是正六边形，12个角各1个原子，正六边形中间有一个原子，两个正六边形之间还夹3个原子（不在某个面上），共17个原子。

镁、锌就是这种晶格。

二、金属单晶体塑性变形机构

金属晶体在外力作用到一定程度，能产生塑性变形，变形要通过一定方式实现，把这种方式叫做变形机构。

单晶体金属变形机构是滑移和双晶。

1、滑移

滑移是晶体的一部分相对另一部分，沿着一定的结晶学平面的一定方向做平行移动。

滑移面：

产生相对移动的面。

滑移方向：

在某一滑移面上，产生相对移动的方向。

滑移面和滑移方向不是任意产生的，是按着一定的原则产生的。

滑移面和滑移方向产生的原则：

原子密度最大的原则。

原因：

原子密度大，原子距离小，相互结合力大，相对位置被保留下来。

其它原子相对位置破坏变形阻力小。

滑移系：

一个滑移面和一个滑移方向构成一个滑移系。

也就是说，有多少个滑移系，就有多少种滑移的可能性。

面心立方晶格有4个滑移面，每个面有3个滑移方向，共12个滑移系。

体心立方晶格有6个滑移面，每个面有2个滑移方向，共12个滑移系。

密排六方晶格有1个滑移面，3个滑移方向，共3个滑移系。

滑移系对金属塑性的影响：

滑移系越多，产生滑移的可能性越多，变形越均匀，一次变形程度大，塑性就好。

金属单晶体具有滑移系，就具有滑移的可能性。

但还必须具有外部条件。

反映这一外部条件就是临界切应力定律。

临界切应力定律：

金属单晶体无论受外力的形式如何，只有金属内部某一滑移面上的某一滑移方向受到的切应力达到某一值时，才能产生塑性变形，这一值即为临界切应力，用τs表示。

影响临界切应力的因素：

临界切应力的大小只与晶格本身的特征，变形温度，变形速度、晶格的历史状况有关，与外力型式无关。

单晶体单向拉伸的塑性变形条件：

设试样在拉力F作用下，横截面面积为S，任意滑移面与横截面夹角为φ，任意滑移方向与拉伸方向夹角为λ。

如下图。

横截面的拉应力（σ）：

σ＝F／S

滑移面面积（A）：

A＝S／cosφ

滑移面上的应力（σA）：

σA＝F／A＝F／S×cosφ＝σcosφ

滑移面上的切应力（τ）：

τ＝σAcosλ＝σcosφcosλ

用τs表示临界切应力，σs表示临界拉应力。

则：

σscosφcosλ＝τs

σs＝τs／cosφcosλ

从上式可以看出：

cosφcosλ不同，σs也不同，故称cosφcosλ为取向因子。

讨论：

τs为定值，当cosφcosλ最大时，σs最小。

若φ角一定，λ最小时cosφcosλ最大，σs最小。

λmin．＝π/2－φ，σsmin＝τs／cos（φ）cos（π/2－φ）＝2τs／sin（2φ）

当2φ＝π/2时，φ＝π/4，σsmin＝2τs

此时，λ＝φ＝π/4

2、双晶（孪晶）

双晶是单晶体金属塑性变形的另一种机构，他是晶体的一部分沿一定的晶面和晶向进行相对移动，且晶体原子移动的距离与原子离开这一晶面的距离成比例，即一个原子只移动几分之一个原子距离，许多个原子累集起来就移动比原子距离大许多倍的距离。

移动的结果：

发生移动的晶格以这一晶面与原来的晶格对称，故叫双晶（孪晶）

双晶面：

产生双晶的两个界面。

双晶带：

发生移动的部分。

产生双晶的条件：

1、晶体中滑移系少，易产生双晶。

如密排六方晶格金属。

2、变形温度低，易产生双晶。

3、冲击应力作用，易产生双晶。

双晶塑性变形的特点：

1、双晶的临界切应力比滑移大得多。

所以变形为：

滑移、双晶、滑移。

2、双晶变形是间断的突变。

第三节金属塑性变形

实际金属是多晶体，它由形状、大小、位相不同的单晶体随机排列而成。

这些小单晶体称为晶粒，其过渡区、即不规则部分称为晶界（晶间）。

这样多晶体塑性变形就存在晶内变形和晶间变形。

一、多晶体塑性变形机构

1、晶粒内部变形机构

晶粒内部变形机构是滑移和双晶。

2、晶粒间的变形机构

多晶体晶粒间的变形机构是移动和转动。

在多晶体中，各晶粒位相不同，移动的方向也可能不同，而晶粒间由晶界相互联系，为此，晶间就可能出现转动的力矩。

转动的结果可能原来不易变形的晶粒改变位相，从而有利于变形。

随变形的深入，变形应力就可能产生集中，当切应力达到晶粒移动阻力时，晶粒间就产生移动。

晶间变形的特点：

a、晶间的移动和转动，常常造成晶粒间的联系破坏，出现微裂纹，导致金属的破坏。

b、在低温下，晶间的移动和转动发生的可能性较小，对塑性变形的贡献不大。

一旦发生，则是破坏的先兆。

c、在高温下，晶间的移动和转动发生的可能性较大，对塑性变形的贡献也大。

这是由于晶间晶格产生歪扭，其原子位能比晶内大，晶间的熔点比晶内低。

在高温下，易产生移动和转动。

同时，由于温度高，原子位能大，能及时修补变形产生的微裂纹。

故热加工比冷加工塑性大得多。

二、多晶体塑性变形的特点

1、变形的不均匀性。

故内部存在残余应力。

由晶粒位相不同和弱点解释。

2、低温下晶界是塑性变形的困难区。

3、晶粒越细，塑性越好，变形抗力越大。

由晶粒、晶界多少解释。

三、多晶体变形后组织的改变

1、晶粒内部出现滑移带和双晶组织。

2、具有纤维组织。

3、具有变形织构。

晶粒趋向一致的趋势。

故在机械物理性能上表现出各向异性，对工艺性能和使用上有很大影响。

4、具有亚组织。

在变形过程中，晶粒会破坏，内部出现位相差别较小的组织。

第四节塑性和影响塑性的因素

一、塑性的基本概念

弹性变形：

受力物体受外力引起变形，当外力消失后，物体的变形即消失，并恢复到原来的尺寸和形状。

塑性变形：

受力物体受外力引起变形，当外力消失后，物体的变形并不消失，而永久被保留下来的变形。

也称永久变形。

塑性：

固体材料能够产生永久变形，而不被破坏的性质。

塑性的好坏用什么来衡量呢？

塑性指标：

金属发生塑性变形，发生破坏前的最大变形程度。

塑性指标指标是一个相对量，破坏是指发生断裂，而不是形状的改变。

塑性变形不同，塑性指标也不同。

材料塑性指标低到一定程度，就说其是脆性材料。

塑性指标常用单向拉伸的伸长率表示。

二、影响塑性的因素

1、影响金属塑性的内因

A、化学成分：

金属不同，塑性也不同。

铜大于铝。

同一金属，金属越纯，其塑性越好。

由杂质解释。

B、组织结构

面心立方晶格塑性最好，体心立方晶格塑性次之，密排六方晶格塑性最差。

晶粒越细，塑性越好。

从晶粒、晶界多少解释。

2、影响金属塑性的外部因素

A、变形温度的影响

当温度不很高时，温度上升，塑性增加。

这是由于温度上升，金属原子位能增加，修复由于塑性变形产生微裂纹的能力增加，同时滑移系也可能增多，故塑性上升。

当温度高到一定程度时，塑性也可能波动，当接近熔点时，塑性迅速下降。

其随温度变化的曲线如下：

B、变形速度的影响

随变形速度的增加，金属塑性的变化如下图：

当变形速度不很高时，塑性随变形速度的增加而下降。

这是由于变形速度上升，产生微裂纹的可能性上升，而微裂纹又来不及修复所致。

当变形速度很高时，塑性随变形速度的增加而增加。

这是由于变形速度上升，产生的变形能来不及散失，而转变成物体的内能，是物体的温度升高，原子位能增大，修复微裂纹的能力上升所致。

C、变形程度

冷塑性加工中，塑性随变形程度的增加而下降；

热塑性加工中，塑性随变形程度的增加变化不大或几乎不变。

由微裂纹解释。

D、应力状态

拉应力个数越多，数值越大，金属塑性越差；

压应力个数越多，数值越大，金属塑性越好。

这是由于：

（1）拉应力促进晶间变形，加速晶间破坏，而压应力阻碍晶间变形；

（2）压应力能有利消除由塑性变形引起的各种破坏（微裂纹），而拉应力能促进各种破坏。

第五节变形抗力

一、基本概念

变形抗力：

在塑性加工过程中，金属抵抗塑性变形的能力。

应力状态不同，变形抗力也不同。

同时还与变形温度、变形速度、变形程度有关。

通常由材料在不同变形温度、变形速度、变形程度下的单向拉伸的屈服强度来表示。

二、影响金属变形抗力的因素

1、影响金属变形抗力的内因

A、化学成分

金属不同，变形抗力也不同。

铜大于铝。

同一金属，纯度越高，变形抗力越小。

由杂质解释。

B、组织结构

晶粒越小，变形抗力越大。

晶粒越细，单位体积金属晶界区就越大，即晶界面积大，晶粒受晶界的影响也越大，晶粒表面晶格歪扭加剧，难变形区扩大，滑移困难。

同时晶界变形也更加困难。

2、影响金属变形抗力的外因

A、变形温度

一般来说随变形温度升高，金属的变形抗力下降。

这是因为温度升高，金属原子的动能增加，使临界剪切应力降低，滑移变得容易。

另外，温度升高，还能使一些晶格的畸变和歪扭减轻或消失，使变形抗力降低。

但随温度升高，有些金属变形抗力也可能出现波动，这可能是金属发生了物理、化学或晶相变化。

B、变形速度

变形速度的增加对变形抗力的影响很复杂。

首先变形速度增加，变形时间减少，使变形机构不利于充分发展，晶格畸变又来不及修复，变形抗力增大。

而变形速度增加，单位时间发热增加，物体温度升高，原子位能增大，这又使变形抗力减小。

如果变形速度再高，变形机构也会改变。

所以变形速度对变形抗力的影响很复杂。

但一般规律是：

变形速度增加，变形抗力增加，到一定程度就较缓慢或无影响。

C、变形程度

变形程度增加，变形抗力增加，到一定程度增加就较缓慢。

由晶格畸变和变形能解释。

D、应力状态

三个主应力的差值越大，变形抗力越小。

同号主应力引起的切应力相互抵消，而异号主应力引起的切应力相互叠加。

第六节塑性条件

第一极限状态：

由弹性变形转换成塑性变形的状态。

塑性条件：

产生第一极限状态的力学条件。

应力状态不同，塑性条件也不同。

单向拉伸的应力状态最简单，其塑性条件为：

σ＝σs

复杂的应力状态的塑性条件现还没有十分严密的理论，有几种假说。

其常用的、较简单的是最大切应力不变条件。

在一定的变形条件下，金属的塑性变形只有当内部所受到的最大切应力达到某一数值（τs）时才能发生，这值与应力状态无关，只与金属内部结构及变形温度、速度及变形程度有关。

最大切应力为两个主应力差值最大值的一半。

即：

τmax＝max（∣σm－σn∣）/2m,n＝1,2,3m≠n

单向拉伸时，τmax＝σ/2则，σ/2＝τs

τs＝σ/2＝σs/2

最大切应力不变条件可表示为：

max（∣σm－σn∣）/2＝τs＝σs/2

即，max（∣σm－σn∣）＝σsm,n＝1,2,3m≠n

最大切应力不变条件只考虑了两个主应力，未考虑第三个主应力。

为此，还有最大变形能不变条件等。

第三章铜铝杆的轧制

第一节轧制的基本概念与产品

一、轧制的基本概念

轧制：

借助于旋转的轧辊与轧件的摩擦力，将轧件带入辊缝中，再在轧辊的压力作用下使轧件产生塑性变形的一种加工金属的方法。

轧制加工的特点：

1、加工量大，尤其热轧；

2、破坏铸造组织，细化晶粒，提高组织均匀性；

3、改善金属强度和韧性。

二、轧制产品

1、电工用铜线坯GB/T3952—2008

替代GB/T3952—1998GB/T3952—89

牌号、状态、规格、表示方法及主要性能指标

牌号、状态

T1、R

T2、R

T3、R

TU1、R

TU2、R

TU1、Y

TU2、Y

规格

（直径/mm）

6.0—35.0

6.0—12.0

表示方法

牌号状态规格标准

T1RФ8.0GB/T3952—2008

TU2YФ10.0GB/T3952—2008

含氧量/ppm，≤

400（450、600）

450（500、600）

500（500、）

10（10、10）

20（10、20）

10（10、10）

20（10、20）

其它杂质总含量/ppm，≤

无

500

无

含铜+银量/ppm，≥

无

99.95

99.90

无

99.95

无

99.95

拉伸强度/Mpa，≥

无

290—370

伸长率/％，≥

40（40）

37（35）

35（35）

40（40）

37（35）

2.0—3.6

扭转，正转/反转≥

25/25

25/20

25/17

25/25

25/20

无

质量电阻率（20℃）/Ω.g/m2，≤

0.15176

0.15328

0.15176

0.15328

0.15575

0.15798

ρ（20℃）/Ω.mm2/m，≤

0.01707

0.01724

0.01707

0.01724

0.01750

0.01777

注：

1）、现在老标准电工用圆铜杆GB/T3952—89也在使用，分为：

TGR1、TGR2、T、TWR1、TWR2、TWY1、TWY2七种。

2）、扭转试验只对直径为6.0—10.0mm。

熔炼的原材料为电解铜板，其标准为：

GB/T467含铜量至少为：

99.97％、99.95％。

铜杆含铜量最低为：

99.90％。

T熔＝1084.5℃，d＝8.89，面心立方晶格，14个原子。

2、电工圆铝杆GB/T3954—2008

替代电工圆铝杆GB/T3954—2001

材料牌号、型号、状态及主要性能指标

材料牌号

型号

状态

抗拉强度/Mpa

伸长率/％，≥

ρ（20℃）/nΩ·m，≤

1B97、1B95

1B93、1B90

[35,65]

27.15

H14

[60,90]

27.25

1A60

[60,90]

27.55

H12

[80,110]

27.85

H13

[95,115]

28.01

H14

[110,130]

28.01

H16

[120,150]

28.01

1R50

RE-A

[60,90]

27.55

RE-A2

H12

[80,110]

27.85

RE-A4

H13

[95,115]

28.01

RE-A6

H14

[110,130]

28.01

RE-A8

H16

[120,150]

28.01

6101

[150,200]

35.00

6201

[160,220]

36.00

注：

1、典型直径/mm为：

7.5，9.5，12.0，15.0，19.0，24.0；

2、表示方法为：

型号直径材料牌号标准，如：

A2Ф9.51A60GB/T3954—2008；

3、化学成分不要求，若用户要求，应符合GB/T3910的规定，纯铝应不低于99.60％。

熔炼的原材料为铝块锭，其标准为：

GB/T1196—2008重熔铝锭，含铝量应不低于为：

99.70％、99.65％。

还有YS/T309—1998重熔稀土合金铝锭。

T熔＝658℃，d＝2.7，面心立方晶格，14个原子。

导电率：

国际电工委员会规定，在20℃、d＝8.9、电阻率为0.017241Ω.mm2/m的软铜的导电率为100％IACS，其他材料的导电能力与其相比较，即为导电率。

IACS表示国际退火软铜标准。

第二节轧制的基本理论

一、轧制常用参数

1、变形区

轧制时塑性变形是在轧辊附近的不大的特殊区域内完成的。

轧件中处于变形阶段的这一区域叫变形区。

如图阴影部分。

变形区分为几何变形区（轧件出入口断面与轧辊所限制的部分）和非接触变形区（变形区分去掉几何变形区剩余部分）。

为研究方便，只考虑几何变形区，常说的变形区就是几何变形区。

2、咬入角

咬入弧所对应的轧辊的圆心角称为咬入角，用α表示，如图中∠AOB。

在图中，BC＝BO－CO＝R－RCOSα＝R（1－COSα）

∵BC＝（h0－h1）/2＝△h/2

h0:

轧件轧制前的高度；h1：

轧件轧制后的高度；

△h：

压下量；R：

轧辊半径。

∴△h/2＝R－RCOSαCOSα＝1－△h/（2R）

∵1－COSα＝2（Sinα/2）2而α一般很小（10°—15°）

∴1－COSα＝2（Sinα/2）2≈α2/2

∴△h/2≈Rα2/2α≈（△h/R）1/2

讨论：

在R一定时，△h越大，咬入角也越大；

在△h一定时，R越大，咬入角也越小。

3、变形区长度

轧件与轧辊接触弧的水平长度称为变形区长度，用L表示，即AC。

在△AOC中，AC2＝AO2－CO2＝R2－（R－△h/2）2

∴L＝（R△h－△h2/4）1/2

另，L＝RSinα≈Rα＝（R△h）1/2

比较上两式，就是把△h2/4忽略，这是由于△h相对R很小。

二、平辊轧矩形件的咬入条件

要实现轧制，轧辊必须咬入轧件，此时的条件即为咬入条件。

如图：

在轧件刚与轧辊接触时，接触点为A、B（实际为两条直线），在这两点轧件与轧辊产生摩擦，轧件力图阻止轧辊运动，轧辊对轧件

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