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金剛石涂層拉絲模

       通常指各種拉制金屬線的模具,還有拉光纖的拉絲模。所有拉絲模的中心都有個一定形狀的孔,圓、方、八角或其它特殊形狀。金屬被拉著穿過模孔時尺寸變小,甚至形狀都發生變化。拉軟金屬(如金銀)時鋼模就夠用,鋼模上可以有多個不同孔徑的孔。拉制鋼絲(鋼線)一般采用硬質合金模具(Tungsten carbide nib),這種模具的典型結構為一個圓柱形(或略帶錐度)的硬質合金模芯緊密地鑲嵌在一個圓形鋼套(case)中,模芯內孔中有喇叭口(Bell radius)、入口錐(Entrance angel)、變形(工作)錐(approach angle)、定徑帶(bearing)及出口角(back relief)。拉有色金屬線,如銅、鋁,也較多采用和鋼絲模類似的拉絲模,內孔形狀有些差異,拉細線可用到聚晶模(人造鉆石),還有用到天然鉆石的拉絲模。

秦始皇兵馬俑中的一些士兵的石鎧甲上就能見到有金屬線,因此估計那時候就有人掌握了拉絲技術。在天工開物那本明代的書籍中我們能見到針的制作工藝,其中就有拉絲模的采用。

一、拉絲模的定義

通常指各種拉制金屬線的模具,還有拉光纖的拉絲模。所有拉絲模的中心都有個一定形狀的孔,圓、方、八角或其它特殊形狀。金屬被拉著穿過模孔時尺寸變小,甚至形狀都發生變化。

二、拉絲模的種類

1、鋼模——拉軟金屬(如金銀)時鋼模就夠用,鋼模上可以有多個不同孔徑的孔。

2、硬質合金模——拉制鋼絲(鋼線)一般采用硬質合金模具(Tungsten carbide nib),這種模具的典型結構為一個圓柱形(或略帶錐度)的硬質合金模芯緊密地鑲嵌在一個圓形鋼套(case)中,模芯內孔中有喇叭口(Bell radius)、入口錐(Entrance angel)、變形(工作)錐(approach angle)、定徑帶(bearing)及出口角(back relief)。

3、鋼絲模——拉有色金屬線,如銅、鋁,也較多采用和鋼絲模類似的拉絲模,內孔形狀有些差異。

4、聚晶模——拉細線可用到聚晶模(人造鉆石),還有用到天然鉆石的拉絲模。

三、拉絲模的用途

拉絲模用途廣泛,如電子器件、雷達、電視、儀表及航天等所用的高精度絲材以及常用的鎢絲、鉬絲、不銹鋼絲、電線電纜絲和各種合金絲都是用金剛石拉絲模拉制出來的,金剛石拉絲模由于采用天然金剛石作原料,從而具有極強的耐磨性,使用壽命極高。

····最新的補充·····

拉絲模是各種金屬線材生產廠家(如電線電纜廠、鋼絲廠、焊條焊絲廠等)拉制線材的一種非常重要的易消耗性模具。拉絲模的適用范圍十分廣泛,主要用于拉拔棒材、線材、絲材、管材等直線型難加工物體,適用于鋼鐵、銅、鎢、鉬等金屬和合金材料的拉拔加工。由于拉絲模的成本約占拉絲費用的1/2以上,因此,如何降低拉絲模成本、提高其使用壽命是金屬線材生產單位迫切需要解決的問題。

國外金屬制品工業為提高生產競爭能力,越來越重視拉絲模的質量和制造工藝的改進,從提高拉絲模壽命入手,對拉絲模的材質、結構、制造工藝、制造設備以及檢測儀器等進行了系統的研究,開發出復合拉絲模、拉絲模新材料、表面涂層新技術、拉絲模新的孔型設計方法等,推動了世界拉絲生產的發展。

我國是線材生產大國,產量居世界前列。我國拉絲模制造工業從八十年代起發展較快,隨著拉絲模制造水平的不斷提高和生產工藝的不斷改善,我國的拉絲模制造技術有了進一步的發展,尤其是在拉絲模的材質、結構等方面有了長足進步。但總的來說與國外還有不小的差距。盡管國外生產的拉絲模種類與國內的差不多,但所用材料和工藝過程更加先進,拉絲模的加工精度、耐用性、耐磨性等指標均優于我國的產品。因此,加強制模管理,提高拉絲模質量水平,推動制模工藝技術的進步,是制模工業當前面臨的重要課題。?

2.拉絲模的材質

經歷了幾十年的發展,已出現了很多新型拉絲模材質。按照材料種類,可將拉絲模分為合金鋼模、硬質合金模、天然金剛石模、聚晶金剛石模、CVD金剛石模和陶瓷模等多種。近年來新型材料的開發極大的豐富了拉絲模的應用范圍并提高了拉絲模的使用壽命。

(1)合金鋼模是早期的拉絲模制造材料。用來制造合金鋼模的材料主要是碳素工具鋼和合金工具鋼。但是由于合金鋼模的硬度和耐磨性差、壽命短,不能適應現代生產的需要,所以合金鋼模很快被淘汰,在目前的生產加工中已幾乎看不到合金鋼模。

(2)硬質合金模由硬質合金制成。硬質合金屬于鎢鈷類合金,其主要成分是碳化鎢和鈷。碳化鎢是合金的“骨架”,主要起堅硬耐磨作用;鈷是粘結金屬,是合金韌性的來源。因此,硬質合金模與合金鋼模相比具有以下特性:耐磨性高、拋光性好、粘附性小、摩擦系數小、能量消耗低、抗蝕性能高,這些特性使得硬質合金拉絲模具有廣泛的加工適應性,成為當今應用最多的拉絲模模具。

(3)天然金剛石是碳的同素異性體,用它制作的模具具有硬度高、耐磨性好等特點。但天然金剛石的脆性較大,較難加工,一般用于制造直徑1.2mm以下的拉絲模。此外,天然金剛石價格昂貴,貨源緊缺,因此天然金剛石模并不是人們最終所尋求的即經濟又實用的拉絲工具。

(4)聚晶金剛石是用經過認真挑選的質量優良的人造金剛石單晶體加上少量硅、鈦等結合劑,在高溫高壓的條件下聚合而成。聚晶金剛石的硬度很高,并有很好的耐磨性,與其它材料相比它具有自己獨特的優點:由于天然金剛石的各向異性,在拉絲過程中,當整個孔的周圍都處在工作狀態下時,天然金剛石在孔的某一位置將發生擇優磨損;而聚晶金剛石屬于多晶體、具有各向同性的特點,從而避免了模孔磨損不均勻和模孔不圓的現象發生。與硬質合金相比,聚晶金剛石的抗拉強度僅為常用硬質合金的70%,但比硬質合金硬250%,這樣,使得聚晶金剛石模比硬質合金模有更多的優點。用聚晶金剛石制成的拉絲模耐磨性能好,內孔磨損均勻,抗沖擊能力強,拉絲效率高,而且價格比天然金剛石便宜許多。因此目前聚晶金剛石模在拉絲行業中應用廣泛。

(5)CVD(化學氣相沉積法)涂層拉絲模是新近發展起來的一項新技術,其主要方法就是在硬質合金拉絲模上涂層金剛石薄膜。金剛石薄膜是純金剛石多晶體,它既具有單晶金剛石的光潔度、耐溫性,又具有聚晶金剛石的耐磨性和價格低廉等優點,在代替稀有的天然金剛石制備拉絲模工具方面取得很好的效果,它的廣泛使用將為拉絲模行業帶來新的活力。

(6)高性能的陶瓷材料具有硬度高、耐磨性好、化學穩定性強、高溫力學性能優良和不易與金屬發生粘結等特點,可廣泛應用于難加工材料的加工。

近三十年來,由于在陶瓷材料制造工藝中實現了對原料純度和晶粒尺寸的有效控制,開發了各種碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、晶須或少量金屬的添加技術。以及采用多種增韌補強機制等,使陶瓷材料的強度、韌性、抗沖擊性能都有了較大提高。

從國外研究結果看,陶瓷材料已廣泛應用于模具領域,在日本、美國、法國等國家已有多項專利。雖然現在陶瓷拉絲模在我國還沒有得到廣泛的應用,但是隨著制造技術的不斷提高,陶瓷將會是適合拉絲工業的良好的拉絲模材料。

陶瓷拉絲模在拉絲過程中不容易與金屬線材發生粘附,有利于提高金屬絲材表面性能,尤其是在高溫下拉制有色的硬質材料(如W、Mo絲等)。用陶瓷拉絲模拉拔有色金屬材質可以避免硬質合金拉絲模的缺陷,并且可以延長拉絲模壽命、提高材質的表面質量。

各種拉絲模的材質各有特點。其中,天然金剛石拉絲模的價格最為昂貴,加工也極其困難,同時因為天然金剛石的各向異性,在徑向范圍內硬度差別很大,容易在某一方向上產生劇烈磨損,所以天然金剛石模只適用于加工直徑很小的絲材。硬質合金模硬度較低,用硬質合金模拉拔的線材質量較高,表面粗糙度低,但硬質合金模的耐磨性較差,模具的使用壽命短。聚晶金剛石模的硬度僅次于天然金剛石,因其具有各向同性的特點,不會產生單一徑向磨損加劇的現象,但其價格十分昂貴,加工困難,制造成本很高。CVD涂層拉絲模因具有金剛石的性能而具有良好的耐磨性,拉拔線材的表面粗糙度較低,但是CVD涂層拉絲模的制作工藝復雜,加工困難,成本較高;當涂層磨耗后模具將迅速磨損,不僅難以保證加工質量,而且不能重復使用,只能報廢。陶瓷材料具有比硬質合金高的硬度和耐磨性,制作成本低廉,是介于金剛石與硬質合金之間的制作拉絲模的優良材料。但由于陶瓷材料的韌性差、熱沖擊差且加工困難,至今尚未獲得大范圍應用。各種拉絲模材質的優缺點對比見表2。

表2 幾種拉絲模材料的優缺點對比

拉拔模材質-優點-缺點-應用范圍

合金鋼模-制作簡便-耐磨性差、壽命短-基本淘汰

天然金剛石-硬度高、耐磨性能好-脆性大,加工難-直徑1.2mm以下的線模

硬質合金-拋光性好、能量消耗低-耐磨性差、加工困難-各種直徑線材

聚晶人造金剛石-硬度高、耐磨性好-加工困難、成本高-小型線材、絲材

CVD涂層材料-光潔度高、耐溫性好-工藝復雜、加工困難-小型線材、絲材

陶瓷材料-耐磨、耐高溫、耐腐蝕性好-熱沖擊、韌性差、加工難-沒有大范圍應用

在小型線材、絲材的拉拔加工中,天然金剛石、聚晶金剛石和CVD涂層模是常用的拉絲模材料。在拉拔小直徑絲材時,CVD涂層金剛石模克服了天然金剛石模的各向異性,同時具有優良的強度和硬度,拉拔產量最高,表面質量也達到要求。試驗證明,CVD涂層金剛石拉絲模的壽命等同于天然金剛石模具,產品合格率高,表面質量優于國產聚晶金剛石。因此,對于小直徑絲材拉拔加工,CVD涂層金剛石拉絲模是較為理想的選擇。

盡管拉絲模可用于加工各種鋼鐵、銅、鎢、鉬等金屬和合金材料,但不同材質的拉絲模各有其適用的加工范圍,不同材質的拉絲模加工相同的線材時其磨損形態和使用壽命存在很大差別,因此合理選用拉絲模材質是保證成功應用的關鍵。不同材質的拉絲模都有其相對合理的加工對象。拉拔加工的合理性主要指拉絲模與線材兩者的力學、物理和化學性能相互匹配,以獲得最長的模具使用壽命。例如,在拉拔相同直徑的銅絲時,聚晶金剛石模的使用壽命是硬質合金模壽命的300~500倍,拉拔鎳絲時僅為80~100倍,拉拔鉬絲時,其壽命只有硬質合金模壽命的50~80倍,而拉拔碳鋼時,聚晶金剛石模的壽命只有硬質合金模的20~60倍。由于國內對拉拔模與線材的匹配理論缺乏系統研究,導致了盲目選擇,造成資源浪費。拉絲模的摩擦磨損情況十分復雜,一般分為破壞和摩擦磨損兩大類。拉絲模的破壞又可以分為環狀破壞、拉伸破壞、剪切破壞和支撐面破壞等,摩擦磨損可分為磨耗磨損、磨擦磨損、腐蝕磨損、擦傷和細顆粒產生的磨損等。工作條件(線材材料、拉絲模材質、潤滑劑等)的不同,使得拉絲模的磨損和破壞都有其獨特的過程。拉絲模的磨損破壞之間的相互關系,在本質上是相互關聯的。拉絲模內部的情況可能非常微妙,一些因素可能會同時起作用,它們的疊加作用非常復雜,不易理解。可能一個因素的作用會掩蓋其他因素的作用,上述幾種破壞和摩擦磨損的形式可能經常交織在一起,為分析拉絲模的破壞磨損機理增加了難度。但總的來說,各種材質拉絲模的耐磨性由高到低的排序是:金剛石拉絲模(沒有考慮天然金剛石各向異性的問題)——陶瓷拉絲模——硬質合金模——已淘汰的合金鋼模。

通過對拉絲模的材質的研究,拉絲模正在向著高強度、高硬度、高耐磨性發展,各種符合要求的新材料層出不窮,拉絲模的耐磨性大幅度提高,磨損、破壞的時間明顯延遲,拉絲模壽命不斷增加,加工精度也有了一定的提高。拉拔加工的適用范圍正逐步擴大,從粗到細各種規格的線材都可以加工,并出現了用于加工不規則線材的異型模。?

3.拉絲模結構

近年來,隨著改革、開放的深入進行,國內相繼引進了工業發達國家制造的拉絲模及相應的模孔檢測儀器。通過對國外拉絲模孔型的剖析,使我們了解到現代拉絲模孔型的設計思想,為提高我國拉絲模的設計水平提供了借鑒。

3.1 拉絲模內孔結構

拉絲模芯的結構按工作性質可分為“入口區、潤滑區、工作區、定徑區、出口區”五個區間。拉絲模的內徑輪廓很重要,它決定著壓縮線材所需的拉力,并影響拉拔后線材中的殘余應力。模芯各區的作用分別是:入口區,方便穿線及防止鋼絲從入口方向擦傷拉絲模;潤滑區,通過它使鋼絲易于帶入潤滑劑;工作區,是模孔的主要部分,鋼絲的變形過程在這里進行,即將原始截面減小到所要求的截面尺寸。在拉拔圓錐面金屬時,工作區內金屬的體積所占的空間是一個圓臺,該空間稱為變形區。工作區內的圓錐半角α(又稱為模孔半角)主要用于確定拉拔力的大小;定徑區的作用在于取得被拉拔鋼絲的準確尺寸;出口區是用于防止鋼絲出口不平穩而刮傷鋼絲表面。

3.2 “直線型”與“弧線型”模的討論

隨著拉絲速度的提高,拉絲模的使用壽命成為突出的問題。美國人T Maxwall和E G Kennth提出了適應高速拉絲的新拉絲模孔型理論,即“直線型”理論。根據該理論制作的拉絲模具有下列特點:

①入口區、潤滑區合二為一,具有使潤滑角減小的趨勢,使潤滑劑進入工作區前就受到一定壓力,從而起到更好的潤滑效果。

②入口區和工作區加長,以建立較好的潤滑壓力,其角度按拉絲材質和每道次壓縮率分別進行優選。

③定徑區必須平直且長度合理。

④各部分縱面線都必須是平直的。

近年來,國內拉絲行業對“直線型”和“弧線型”拉絲模進行了廣泛的討論,其中爭議較大的是工作區的形狀和工作區與定徑區交界處的形狀。不少人對“直線型”模持肯定態度。但筆者認為兩種類型的拉絲模均有著各自的特點及所適用的場合,不加分析地作出結論,末免有失偏頗。

模芯工作區呈“弧線型”,會使金屬在變形區內的流動更加曲折,導致附加剪切變形及多余變形功的增大,繼而使拉拔應力增大(一般較“直線型”模增大10~30%)。而“直線型”模工作區輪廓線上各點的斜率相同,這樣當我們確定了最佳工作區圓錐半角α時,便可在最小的應力狀態下拉拔金屬;而“弧線型”模由于其輪廓線上各點的曲率不同,故無法使整個工作區存在這樣一個最佳工作區圓錐半角α。從有利于金屬的流動和減小拉拔應力的角度出發,目前國外在道次壓縮率為10~35%(大多數金屬絲的變形均在此范圍內)及拉拔中、粗規格的金屬絲時,一般均采用“直線型”工作區。

而采用“弧線型”工作區時,金屬在內孔中的變形可隨其加工硬化程度的增加而逐漸減小,內孔壁上的壓力分布和磨損都比較均勻,故“弧線型”工作區耐磨性好。特別是當道次壓縮率較小時(小于10%),采用“弧線型”工作區,可在工作區圓錐半角α較小的情況下獲得足夠長的變形區。加之“弧線型”工作區具有適應能力強的特點,故在道次壓縮率較大(大于35%)或較小(小于10%)及拉拔鋼絲時,還是應該采用“弧線型”模。

3.3 國內外拉絲模孔形對比

與國外產品相比,國產拉絲模模坯存在以下明顯不足:

①入口角小。由于在拉拔過程中線材首先和模芯入口區接觸,入口區錐角小,不但增大了線材與內孔的接觸面積,使摩擦力增大,而且妨礙潤滑劑的帶入,使拉絲過程中的潤滑效果變差,嚴重影響模具使用壽命。

而國外拉絲模產品的入口角增大,有效地避免了線材與拉絲模的擦傷,而且帶入了更多的潤滑劑,增強了潤滑效果,減少了模芯磨損。這種改變提高了線材的表面質量,同時也提高了拉絲模的使用壽命。②工作區短小。與國內同種規格的拉絲模相比,國外拉絲模工作區的長度普遍要長許多。較長的工作區有利于線材在拉拔過程中摩擦力的減少與均勻分布,降低拉絲模內孔的磨損,提高模具壽命。較長窄的工作區能減小線材和拉拔模的間隙,可在大的壓力下迫使較多的潤滑劑進入線材與內孔中間,從而造成更好的潤滑壓力。由內孔出去的線材溫度較低,拉拔力減小,拉拔過程中金屬的流動較為均勻,有利于拉拔速度的提高和線材表面質量的改善。此外,這種類型的工作區設計還能防止潤滑劑從拉絲模的進口端退出。

而我國模具由于工作區短小,造成孔內有效使用面積較小,不僅增加了摩擦力,加劇磨損,而且浪費原材料,增大了成本投入。

③定徑區不明顯。定徑區是線材確定最終尺寸的最后環節,定徑區的短小且不平直將直接影響到線材的最終質量。短小的定徑帶容易造成產品尺寸超差,并使拉拔模很快磨損報廢。明顯且平直的定徑區能夠生產出高精度和高表面質量的線材,而且有利于減小磨損,大大提高拉絲模的使用壽命。

從德國產拉絲模與我國湘鋼產拉絲模的磨損曲線對比可知,兩種拉絲模在相同的拉拔條件下工作:工件材質:65號鋼線材;拉拔速度:3.64m/s;拉拔用潤滑劑:肥皂粉;拉拔前表面涂層:硫酸酸洗、磷化、涂硼砂。測試結果表明,拉絲模的結構對拉絲模的使用有很大的影響。德國產拉絲模的使用壽命比湘鋼產拉絲模的使用壽命高2.72倍。

上述比較分析證明:通過拉絲模內孔的孔型優化可以降低拉絲模的磨損率,延長拉絲模的使用壽命。因此,進行拉絲模的孔型優化,提高拉絲模的制造精度,可以節約生產成本,大幅度提高生產效率,對我國線材工業的發展具有重要意義。
點擊次數:1049次 發布時間:2018/11/2 【打印此頁】【關閉
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