1 前 言

    拉線模是電線電纜行業(yè)生產(chǎn)線材的重要工具,它是實(shí)現(xiàn)正常的連續(xù)拉伸,保證拉伸制品質(zhì)量的關(guān)鍵。要使拉線模達(dá)到使用壽命,獲得高質(zhì)量的拉伸制品,不僅取決于拉線模本身的材質(zhì),還決定于模子的孔型設(shè)計(jì)和使用時(shí)的其它配合條件。

    目前,隨著高速拉絲機(jī)的廣泛應(yīng)用,拉線模使用壽命的長短問題日益突出。本文結(jié)合銅線材廠家的生產(chǎn)實(shí)際以及國內(nèi)外拉線模具的一些新發(fā)展,對影響拉線模使用壽命的因素作一簡要分析。

    2 拉線模的質(zhì)量對其使用壽命的影響

    拉線模本身質(zhì)量是影響其使用壽命的一個(gè)重要因素。拉線模的質(zhì)量與模芯材料、孔型設(shè)計(jì)及加工工藝有關(guān),改善模芯材質(zhì),設(shè)計(jì)合理的孔型結(jié)構(gòu)及改進(jìn)加工技術(shù),均有利于提高模子的使用壽命和線材質(zhì)量。

    2.1 模芯材料

    目前,國內(nèi)生產(chǎn)銅線所使用的拉線模的模芯材料以硬質(zhì)合金、天然金剛石和人造聚晶金剛石為主。

    硬質(zhì)合金是硬度很高的碳化鎢和金屬鈷的粉末燒結(jié)體。它具有高的硬度、很好的耐磨性及較強(qiáng)的抗沖擊性,價(jià)格低廉,是一種拉線模制作材料,廣泛應(yīng)用于拉拔粗、中線材。目前,國外采用熱等靜壓(HIP)處理、超細(xì)晶工藝來降低孔隙度,提高合金的硬度,以及加入稀有金屬、發(fā)展表面涂層工藝,提高合金表面強(qiáng)度。研究表明,通過改善硬質(zhì)合金成分和組織結(jié)構(gòu),控制碳含量的波動(dòng)值,細(xì)化碳化物的顆粒,可以提高材質(zhì)的性能,延長其使用壽命。

    天然金剛石具有硬度高、耐磨性好的特點(diǎn),拉制的線材表面光潔度很高。由于天然金剛石在結(jié)構(gòu)上具有各向異性,導(dǎo)致其硬度也呈各向異性,使??椎哪p不均勻,制品不圓整。加之價(jià)格昂貴、稀少,一般用作表面質(zhì)量要求高的細(xì)線拉線?;虺善防€模。

    人造聚晶金剛石是無定向的多晶體。它具有硬度高,耐磨性好,抗沖擊能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在硬度上不存在各向異性,磨損均勻,模具使用壽命長,適用于高速拉拔。由于國產(chǎn)聚晶模坯存在晶粒粗大、拋光性能差等質(zhì)量問題,目前國內(nèi)廠家多使用聚晶模作過渡模,而不用作成品模。但隨著聚晶模內(nèi)在質(zhì)量和加工水平的提高,有取代昂貴的天然金剛石作成品模使用的趨勢。

    2.2 拉線模的孔型設(shè)計(jì)

    在相同材質(zhì)條件下采用不同的孔型設(shè)計(jì),模子使用壽命相差甚遠(yuǎn)。因此,改進(jìn)孔型設(shè)計(jì)是提高模具使用壽命的一條重要途徑。拉絲??仔鸵话惴譃榍€型(即R型系列)和直線型(即錐型系列)。

    從線材在拉線模內(nèi)變形均勻的角度分析,似乎曲線型較直線型好,因此,我國過去普遍采用前蘇聯(lián)上世紀(jì)50年代使用的R型系列來制訂拉絲模制作規(guī)范。這種孔型是在當(dāng)時(shí)“圓滑過渡”的理論指導(dǎo)下設(shè)計(jì)出來的,其孔型結(jié)構(gòu)按工作性質(zhì)可分為“入口區(qū)、潤滑區(qū)、工作區(qū)、定徑區(qū)、出口區(qū)”五個(gè)部分,各部交界處要求“倒棱”,圓滑過渡,把整個(gè)孔型研磨成一個(gè)很大的、具有不同曲率的弧面。這種孔型的模子在當(dāng)時(shí)的拉拔速度條件下,還是可以適用的。到上世紀(jì)70年代末至80年代初,隨著拉線速度的提高,拉線模的使用壽命就成了突出問題。為了適應(yīng)高速拉線的要求,美國的T.Maxwall和E.G.Kennth提出了“直線型”理論。該理論著重考慮了拉拔過程中的潤滑作用和磨損因素,指出經(jīng)改進(jìn)后的直線型拉線??仔蛻?yīng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn): 

    (1)孔型各部分的縱剖面線都必須是平直的。平直的工作錐面拉拔力小。

    (2)模具各部位的交接部分必須明顯,這樣各部位可以充分發(fā)揮各自的作用,避免了過渡角對定徑區(qū)實(shí)際長度的減小。

    (3)延長入口區(qū)和工作區(qū)高度,使線材進(jìn)入??坠ぷ麇F的中間段,利用入口錐角和工作錐角上半部分形成的楔形區(qū),建立“楔形效應(yīng)”,在線材表面形成更致密牢固的潤滑膜,減少磨損,適合于高速拉拔。

    (4)定徑區(qū)必須平直且長度合理。定徑區(qū)過長,拉線摩擦力增大,線材拉出??缀笠滓鹂s徑或斷線;定徑區(qū)過短,難以獲得形狀穩(wěn)定、尺寸精確和表面質(zhì)量良好的線材,同時(shí)??走€會(huì)很快磨損超差。

    采用直線型理論設(shè)計(jì)出的拉線模,經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用,其使用壽命比R型拉線模提高3~5倍以上。

    2.3 模具加工制作水平

    模具加工制作水平對模具質(zhì)量的影響,主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是拉線模的孔型尺寸,二是??變?nèi)表面光潔度。

    國外拉線模具的研磨工藝普遍采用高速機(jī)械研磨機(jī),以及表面鍍以金剛石的金屬磨針,該設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn),磨針的規(guī)格及使用規(guī)范化,產(chǎn)品精度高。模子的孔型尺寸利用輪廓記錄儀及孔徑測量儀來檢測,并用檢查拉線模專用的顯微鏡來檢查表面光潔度。

    而國內(nèi)許多廠家還在采用落后的設(shè)備,使用手工操作來研磨孔型,因此,存在著以下問題:孔型參數(shù)波動(dòng)較大,難以加工出平直的工作錐;定徑區(qū)與工作區(qū)交接處易研磨出過渡角,使線材在定徑區(qū)中產(chǎn)生二次壓縮,增加外摩擦力,減短了定徑區(qū)長度,縮短模具的使用壽命;磨損的磨針修復(fù)頻度因人而異,使用不規(guī)范,造成孔型的一致性差。檢測手段也落后,只能依*目測或者放大鏡、顯微鏡等簡單工具檢測,而且注重的是模內(nèi)表面光潔度,對孔型尺寸不能有效檢測,更談不上控制了。

    3 拉伸條件對模具使用壽命的影響

    在線材的拉伸過程中,影響模具使用壽命的工藝條件主要有:反拉力P`的作用、道次壓縮率δ、潤滑劑及線材的表面質(zhì)量。

    3.1 反拉力P`

    拉伸時(shí)線材在??變?nèi)受到的作用力有:模壁的正壓力N、摩擦力T、拉拔力P以及反拉力P'。

    根據(jù)拉線時(shí)力的平衡條件和金屬材料的屈服準(zhǔn)則,O.Hoffman,G.Sachs用微元分析法推導(dǎo)出拉線時(shí)軸向拉應(yīng)力σPX為

    σPX=σS1+ 1- 2B+σλ 2B (1)

    B=μ/tgα

    模壁的正壓應(yīng)力σNX為

    σNX=σS-σPX (2)

    式中,σs為屈服強(qiáng)度;Rx為距線材入口x處??装霃?;σλ為線材人口處反拉應(yīng)力;RO為線材入口處??装霃?;Rf為線材出口處??装霃?;μ為摩擦系數(shù);α為工作錐半角。

    模壁所受壓應(yīng)力是從線模入口向出口處逐漸減小的,以剛進(jìn)口時(shí)為大。這就是線模入口處經(jīng)常出現(xiàn)環(huán)形磨損溝的力學(xué)原因。

    由于反拉力的作用,可明顯降低線模入口處的壓應(yīng)力,并有利于潤滑劑進(jìn)入工作區(qū),減小線材與模壁間的摩擦,減緩環(huán)形磨損及模子破裂情況,延長線模的使用壽命。但過大的反拉力,會(huì)加大拉線時(shí)的拉拔應(yīng)力,易使線材產(chǎn)生縮徑或斷線。

    3.2道次壓縮率

    在其它拉伸條件不變時(shí),模壁上的壓應(yīng)力越大,受到的摩擦應(yīng)力也越大,模子磨損越嚴(yán)重。研究表明,模壁上的壓應(yīng)力σN可表示為

    σN=σb/1+(3)

    σb=(σb1十σb2)/2

    Q=F/sinα≈F/αα很小時(shí))

    F=f1-f2,α=

    σN==(4)

    式中,σb1、σb2為本道次拉伸前后線材的抗拉強(qiáng)度;f1、f2為本道次拉伸前后線材的截面積;Q為線材與模子工作區(qū)的接觸面積;σb為本道次線材的平均抗拉強(qiáng)度。

    設(shè)A==1+-1  (5)

    為討論方便,設(shè)本道次線材拉伸時(shí)的σb=1,μ=0.1。由式(5)可繪制出圖4所示模壁上的壓應(yīng)力σN與本道次線材平均抗拉強(qiáng)度σb的比值A與參數(shù)δ和α的關(guān)系曲線。

    由于σN與A值成正比關(guān)系,從圖中可以看到:(1)當(dāng)α一定時(shí),A值隨δ增加而降低,即σN隨δ增加而降低;(2)當(dāng)δ一定時(shí),A值隨α增加而增加,即σN隨α增加而增加。因此,在拉伸條件允許的情況下,增加道次壓縮率和適當(dāng)減小工作錐角度,可以降低模壁上的壓應(yīng)力,有利于提高拉線模的使用壽命。

    3.3 潤滑劑

    在拉伸過程中,潤滑劑的質(zhì)量及潤滑劑的供給是否充足都影響著拉線模的使用壽命。因此要求潤滑劑油基穩(wěn)定,乳化性好,具有優(yōu)良的潤滑性、冷卻性和清洗性,易于把銅粉末過濾與沉淀,在整個(gè)生產(chǎn)過程中始終保持的潤滑狀態(tài),以便形成一層能承受高壓力而不被破壞的薄膜,降低工作區(qū)的摩擦力,提高模子使用壽命。

    潤滑劑pH值的穩(wěn)定對潤滑效果有很大的影響。因?yàn)楫?dāng)潤滑乳液中的銅粉沉淀時(shí),會(huì)降低潤滑劑中的脂肪量,增加游離堿含量,使線材表面的潤滑組分易被清洗掉,強(qiáng)烈地降低乳液的潤滑性能。而當(dāng)乳液不穩(wěn)定,脂肪量過高時(shí),乳液將會(huì)分層,夾帶著細(xì)小銅粉的脂肪成分漂浮在乳液上,使銅粉不易沉淀過濾,造成??锥氯?,使?jié)櫥饔米儔摹?/p>

    3.4線材的表面質(zhì)量

    線材表面如果有氧化層、砂土或其他雜質(zhì)的粘附,這將會(huì)給拉線模的使用壽命帶來不利影響。因?yàn)楫?dāng)線材通過模孔時(shí),硬、脆的氧化層會(huì)象磨料一樣地造成拉線模模孔很快磨損及擦傷線材表面。所以,已嚴(yán)重氧化的線材需要酸洗后再進(jìn)行拉伸。在坯料堆放時(shí),也要注意堆放場地的整潔,避免與砂土及其它雜質(zhì)接觸。

    4 使用方法對拉線模使用壽命的影響

    拉線模在長期的使用過程中,模壁受到金屬線材強(qiáng)烈的摩擦與沖刷作用,會(huì)產(chǎn)生磨損現(xiàn)象,常見的是在工作區(qū)線材人口處出現(xiàn)環(huán)形溝槽(凹痕)。拉線模環(huán)溝的出現(xiàn),加劇了??椎哪p。因?yàn)榄h(huán)溝上因松動(dòng)而剝落的模芯材料小顆粒被金屬線帶入模孔工作區(qū)和定徑區(qū),起著磨料的作用,而進(jìn)入??椎木€材則象磨針一樣加劇模孔的磨損。如不及時(shí)調(diào)換進(jìn)行修復(fù),那么環(huán)溝將繼續(xù)加速擴(kuò)大,使修復(fù)增加困難,甚至有可能在環(huán)形溝槽較深處出現(xiàn)裂紋,使模具完全崩碎報(bào)廢。

    從經(jīng)驗(yàn)中得知,制定出一套規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),加強(qiáng)日常保養(yǎng),經(jīng)常對模子進(jìn)行檢修是非常經(jīng)濟(jì)合算的事情。一旦模子出現(xiàn)了任何輕微的磨損,及時(shí)進(jìn)行拋光,則使模子恢復(fù)到原始拋光狀態(tài)所花費(fèi)時(shí)間要短,而且模子的孔型尺寸無明顯變化。

    在拉伸工藝一定的情況下,拉伸設(shè)備的使用方法對模子的壽命也有較大的影響。線材的拉伸軸線與模孔中心線不對稱,將對線材和拉線模產(chǎn)生應(yīng)力作用不均勻,而機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的沖擊也會(huì)對線材和拉線模造成很高的應(yīng)力峰值,兩者都將加速模子的磨損。

    尤其是對于手工鑲模的模子,如果模具中心線存在顯著的偏差,則會(huì)加劇??椎臄U(kuò)大,導(dǎo)致不均勻磨損,使模孔變成橢圓形。另外,在拉線過程中頻繁地停車也將增大模子的磨損,這是因?yàn)槔纹鸩綍r(shí)的拉應(yīng)力造成的摩擦比正常拉拔時(shí)的摩擦要大得多的緣故。

    5 結(jié)束語

    為延長拉線模的使用壽命,除選擇合適的模具材質(zhì),設(shè)計(jì)合理的孔型尺寸,提高拉線模的制造水平,使模孔表面光潔度達(dá)到工藝要求外,還必須確定合理的道次壓縮率,改善拉線模的使用條件,在使用過程中注意模子的日常保養(yǎng),應(yīng)勤洗勤換,并保證拉伸過程中具有良好的潤滑效果。