绞合型导体结构提升产品性价比设计思路_张金成.pdf

铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 179No.1 2023总第179期2023年第1期引文格式引文格式：张金成.绞合型导体结构提升产品性价比设计思路J.铜业工程,2023(1):82-85.绞合型导体结构提升产品性价比设计思路张金成（苏州宝兴电线电缆有限公司，江苏 苏州 215100）摘要：铜材以其资源丰富、化学性质稳定、易于加工和综合性价比较优等特点，常被应用于电线电缆导体。最近两年，受新冠疫情和国际贸易整体下行影响，铜价居高不下。为了减少项目投资成本和提升市场竞争力，终端用户和线缆制造企业都在持续进行节支降耗等相关工作，倒逼铜导体制造方持续加大对导体结构的优化设计。电线电缆导体可分为实心和绞合两种类型：前者因铜材经过拉丝加工后即为导体成品，其结构相对简单；后者因涉及原材料性能变化、绞合方向确定、实际节径比、单线延伸率、紧压系数的实现等多项参数影响，可能出现材料耗用与技术特性并不呈现规律性变化的情况，因此通过结构设计进行性能优化的空间更大。关键词：绞合型导体；可滑移；拉拔；抗氧化；性价比doi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.01.009中图分类号：TG245；TG339 文献标识码：A 文章编号：1009-3842（2023）01-0082-041 引言为了从技术层面降低原材料耗用，需要从设计和工艺两方面着手考虑，按导体类型的不同，研究涉及的课题如下：一是第5种非紧压绞合导体设计研究，包括：合理取整单线直径的设计方法、阶梯式节径比1的设定方法、束绞和复绞同向2的设计方法、耐磨损和耐高温型拉拔模3的设计和工艺实现；二是圆形单线绞合导体设计研究，包括：合理升级单线根数的设计方法、渐进式节径比的设定方法、“正规”4可滑移式绞合方向设计方法、平衡单线延伸和硬化5的工艺方法、导体抗氧化6的工艺方法；三是异形单线绞合导体设计研究，包括：合理修约单线根数的设计方法、合理分配模具尺寸的设计方法、通过调整工艺参数改变紧压系数7的工艺方法、通过降温的手段优化铝（合金）导体绞制的工艺方法。涉及的不同类型导体代表结构见图1。2 结构设计2.1第5种非紧压绞合导体本类型导体的标准规定了绞合用单线的最大直径，对使用更小规格的单线未作强制要求。单线的规格直接关系到电缆的性价比，线径大导体柔软性不佳，线径小则电缆成本过高，因此须对单线直径合理取整（若标准要求某规格导体绞合用单线的直径不大于0.21 mm，则设计时取值为0.20 mm）；节径比的确定对导体的性能有较大影响，节径比小则导体结构紧凑，但材料耗用升高，反之则会造成导收稿日期：2022-05-14；修订日期：2022-08-02作者简介：张金成（1977），男，江苏扬州人，本科，高级工程师，研究方向：电工电气工艺设计，E-mail：图1不同类型的绞合导体端面图（a）第5种导体；（b）圆形绞合导体；（c）异形绞合导体Fig.1Diagram of different types of stranded conductor end face（a）NO.5 conductor；（b）Round stranded conductor；（c）Special-shaped stranded conductor体松散8，甚至需要增加绕包层材料和工时成本，故应将节径比设计为由外至内阶梯式增加。绞合方向对导体的性能也会产生较大影响，常规方案易因部分绞合层方向与股线绞向不一致致使导体松散，当电缆使用于扭转或高速场合时还很可能出现“断芯”情况，如将复绞方向与股线束线方向保持一致，由于存在股线间的“渗入”，导体的实际外径减小，即使电缆使用后弯曲或运动很长时间后也不会出现“死结”。2.2圆形单线绞合导体本类型导体的标准规定了绞合用单线的最少根数，对单线的具体根数未作强制要求。导体规格确定后，单线的根数直接影响电缆的柔软性，但增加单线根数将降低设计的性价比，一般设计可为绞合层由内至外逐渐增加单线根数。另外，由于此类导体绞合时需紧压，实际执行的绞合节径比对导体的性能影响不大，故以标准规定值为基准，以20%的倍数渐进式放大。并且，为了优化各绞合层之间的可滑移性能，有效提升导体的圆整度，应将绞合结构尽量设计为正规形式。2.3异形单线绞合导体本类型导体的结构与 2.2 节所述原理基本相同。不同之处在于，虽然导体的紧压系数更高，因其并不是在绞合过程中形成的（实为模具设计和拉丝工序所确定），故其单线根数可以更少、节径比可以更大、绞合方向可以更灵活。本类型导体的标准虽然仅规定了最少绞合根数，但如果不考虑制造成本而增加单线根数，虽然导体更为柔软，但是因端面成型度9不好，和异形面接触率不高，最终导致材料的性能利用率下降，特别是铝材。解决方法是将设计范围调整为“标准根数下限值至增加1根”，这里增加的1根单线完全可以保证设计裕度。3 工艺实施3.1第5种非紧压绞合导体常规工艺中，第5种非紧压绞合导体单线延伸变形的程度极小，绞合时易出现断线和跳浜现象，易忽视紧压的环节（这里的紧压也可理解为压缩）。因在结构设计环节已提高第一复绞层的填充系数10，因此在统筹确定最外绞合层填充系数限值的前提下，可从外至内逐渐倒逼增大各层模具尺寸。另外，为解决常用的“哈夫”式模具易在接缝处形成夹线而破坏导体滑移性能的难题，可采用氟塑料材质的“一体化”拉拔式模具，该类材质能够做到刚柔并济且耐温等级较高，加之模具变形区较光滑而无“卡点”，能够确保绞合导体外观质量的良好。除已确定的单线直径外，其余均可作为该类导体性能余量调整控制的工艺参数，如：原材料电阻率、单线公差、绞合节径比、填充系数等。两种拉拔模的差异见图2。3.2圆形单线绞合导体为了导体结构更为紧凑，需要通过合适的工艺方法使每一根单线绞合时均能产生延伸变形，然而在一定的屈服强度下，单线的变形程度越大材质硬化的程度也越大，工艺上需要通过模具尺寸的合理调配，使单线延伸和材质硬化获得平衡，因此生产过程中模具尺寸的即时调整非常重要，间隙过大应调小外层模具尺寸或增大内层模具尺寸，执行截面过小则应在增大内层模具尺寸的同时调大外层模具尺寸，不然将会出现跳浜11现象。另一方面，由于单线因绞合硬件化而发热，并且用于中、高压电缆导体的变形生热更加严重，特别是在炎热的夏季，过高气温严重影响导体的表面质量，如不作处理导体很快出现氧化变色甚至性能恶化现象，可施以合适的降温抗氧化处理（俗称“打点滴”），如在导体表面涂覆一层致密的酮类抗氧化层，具体工艺装置见图3。图2两种拉拔模的结构比较（a）哈夫型；（b）拉拨型Fig.2Comparison of two drawing dies structure（a）Harffe；（b）Draft82张金成绞合型导体结构提升产品性价比设计思路2023年第1期体松散8，甚至需要增加绕包层材料和工时成本，故应将节径比设计为由外至内阶梯式增加。绞合方向对导体的性能也会产生较大影响，常规方案易因部分绞合层方向与股线绞向不一致致使导体松散，当电缆使用于扭转或高速场合时还很可能出现“断芯”情况，如将复绞方向与股线束线方向保持一致，由于存在股线间的“渗入”，导体的实际外径减小，即使电缆使用后弯曲或运动很长时间后也不会出现“死结”。2.2圆形单线绞合导体本类型导体的标准规定了绞合用单线的最少根数，对单线的具体根数未作强制要求。导体规格确定后，单线的根数直接影响电缆的柔软性，但增加单线根数将降低设计的性价比，一般设计可为绞合层由内至外逐渐增加单线根数。另外，由于此类导体绞合时需紧压，实际执行的绞合节径比对导体的性能影响不大，故以标准规定值为基准，以20%的倍数渐进式放大。并且，为了优化各绞合层之间的可滑移性能，有效提升导体的圆整度，应将绞合结构尽量设计为正规形式。2.3异形单线绞合导体本类型导体的结构与 2.2 节所述原理基本相同。不同之处在于，虽然导体的紧压系数更高，因其并不是在绞合过程中形成的（实为模具设计和拉丝工序所确定），故其单线根数可以更少、节径比可以更大、绞合方向可以更灵活。本类型导体的标准虽然仅规定了最少绞合根数，但如果不考虑制造成本而增加单线根数，虽然导体更为柔软，但是因端面成型度9不好，和异形面接触率不高，最终导致材料的性能利用率下降，特别是铝材。解决方法是将设计范围调整为“标准根数下限值至增加1根”，这里增加的1根单线完全可以保证设计裕度。3 工艺实施3.1第5种非紧压绞合导体常规工艺中，第5种非紧压绞合导体单线延伸变形的程度极小，绞合时易出现断线和跳浜现象，易忽视紧压的环节（这里的紧压也可理解为压缩）。因在结构设计环节已提高第一复绞层的填充系数10，因此在统筹确定最外绞合层填充系数限值的前提下，可从外至内逐渐倒逼增大各层模具尺寸。另外，为解决常用的“哈夫”式模具易在接缝处形成夹线而破坏导体滑移性能的难题，可采用氟塑料材质的“一体化”拉拔式模具，该类材质能够做到刚柔并济且耐温等级较高，加之模具变形区较光滑而无“卡点”，能够确保绞合导体外观质量的良好。除已确定的单线直径外，其余均可作为该类导体性能余量调整控制的工艺参数，如：原材料电阻率、单线公差、绞合节径比、填充系数等。两种拉拔模的差异见图2。3.2圆形单线绞合导体为了导体结构更为紧凑，需要通过合适的工艺方法使每一根单线绞合时均能产生延伸变形，然而在一定的屈服强度下，单线的变形程度越大材质硬化的程度也越大，工艺上需要通过模具尺寸的合理调配，使单线延伸和材质硬化获得平衡，因此生产过程中模具尺寸的即时调整非常重要，间隙过大应调小外层模具尺寸或增大内层模具尺寸，执行截面过小则应在增大内层模具尺寸的同时调大外层模具尺寸，不然将会出现跳浜11现象。另一方面，由于单线因绞合硬件化而发热，并且用于中、高压电缆导体的变形生热更加严重，特别是在炎热的夏季，过高气温严重影响导体的表面质量，如不作处理导体很快出现氧化变色甚至性能恶化现象，可施以合适的降温抗氧化处理（俗称“打点滴”），如在导体表面涂覆一层致密的酮类抗氧化层，具体工艺装置见图3。图2两种拉拔模的结构比较（a）哈夫型；（b）拉拨型Fig.2Comparison of two drawing dies structure（a）Harffe；（b）Draft83总第179期铜业工程Total 179该类型导体性能余量调整控制的工艺参数包括：原材料电阻率、单线公差、模具尺寸等。该类型导体即使存在单线延伸硬化现象，但只要原材料性能优良，则导体性能也较优良。如果存在绞合紧压变形，只要单线执行的是正公差，也会获得较大的执行截面，通过调整模具特别是精准地调配各绞合层模具的尺寸，在原材料消耗不高的情况下，可以保证导体性能的良好。3.3异形单线绞合导体该类型导体工艺实施时需关注以下三点：一是由于单线尺寸设计时已确定，绞合时的调整空间较窄（为避免加工硬化，不推荐过量紧压），因此给定的模具尺寸很关键，可按正负0.05 mm的限值配备模具；二是由于导体的电气性能是由材料、结构和工艺综合决定，当单线变形较大时接触也更为密切，反而造成电气性能更优的情况，因此为避免异形单线过度受压的情况发生，绞合时并不适宜选用过小模具和设定过小的节径比；三是对于铝合金异形导体12，其绞合时易在模口处形成粉屑积聚导致生产波动甚至异常，实际生产时须对模具进行降温和清洁处理，如对模具通过“打点滴”的方式持续供给易挥发降温的有机溶剂。该类型导体可调整的工艺参数包括：原材料电阻率、单线的尺寸公差、绞合节径比等。与3.2节所述原理相同，虽然存在较少程度的变形硬化，只要原材料性能较优也将会获得性能较优的成品导体。控制拉丝过程得到的异形单线，和在生产中途替换的单线，特别是中心圆单线，将会对成品导体的性能产生一定的影响，因此通过调整绞合节径也可以获得较高的性能收益。4 结论绞合导体特别是紧压型绞合导体，成品性能除了受到原材料性能影响外，结构设计和生产工艺的调控作用十分明显，主要表现为：调整模具尺寸和配置“一体化”模具，可提升第5种非紧压绞合导体设计的性能收益；调整内、外层模具尺寸分配并对其进行降温抗氧处理，可提升圆