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?讜r尺寸變小,甚至形狀都發(fā)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。

但是模具在制造過程中可能會產(chǎn)生某些缺陷,或者在服役過程中逐漸出現(xiàn)了某些缺陷,如微裂紋、輕度磨損、變形等等,在此狀況下模具雖有隱患但仍能繼續(xù)工作,這種雖有缺陷但未喪失服役能力的狀態(tài)稱為模具的損傷。
拉絲模具因某種原因損壞,或者模具損傷積累至一定程度導致模具損壞,無法繼續(xù)服役,稱為模具的失效。在生產(chǎn)中,凡模具的主要工作部件損壞,不能繼續(xù)沖壓出合格的工件時,即認為模具失效。沖壓模具的失效形式一般為塑性變形、磨損、斷裂或開裂、金屬疲勞及腐蝕等等。
拉絲模具的失效按照發(fā)生時間的早晚,大致可分為兩類:正常失效和早期失效。
拉絲模具經(jīng)過大量的生產(chǎn)使用,因摩擦而自然磨損或緩慢地產(chǎn)生塑性變形及疲勞裂紋,達到正常使用壽命之后失效是屬于正常的現(xiàn)象,為正常失效。模具未達到設(shè)計使用規(guī)定的期限,既產(chǎn)生崩刃、碎裂、折斷等早期破壞;或因嚴重的局部磨損和塑性變形而無法繼續(xù)服役,為早期失效。對于早期失效的模具,必須查找其產(chǎn)生的原因,努力采取補救的措施。
與國外產(chǎn)品相比,國產(chǎn)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(qū)接觸,入口區(qū)錐角小,不但增大了線材與內(nèi)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(chǎn)品的入口角增大,有效地避免了線材與拉絲模的擦傷,而且?guī)肓烁嗟臐櫥瑒?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(zhì)量,同時也提高了拉絲模的使用壽命。
2、工作區(qū)短小。與國內(nèi)同種規(guī)格的拉絲模相比,國外拉絲模工作區(qū)的長度普遍要長許多。較長的工作區(qū)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(nèi)孔的磨損,提高模具壽命。較長窄的工作區(qū)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(nèi)孔中間,從而造成更好的潤滑壓力。由內(nèi)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(zhì)量的改善。此外,這種類型的工作區(qū)設(shè)計還能防止?jié)櫥瑒⿵睦z模的進口端退出。
而我國模具由于工作區(qū)短小,造成孔內(nèi)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(qū)不明顯。定徑區(qū)是線材確定最終尺寸的最后環(huán)節(jié),定徑區(qū)的短小且不平直將直接影響到線材的最終質(zhì)量。短小的定徑帶容易造成產(chǎn)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(qū)能夠生產(chǎn)出高精度和高表面質(zhì)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(chǎn)拉絲模與我國湘鋼產(chǎn)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(zhì):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(jié)果表明,拉絲模的結(jié)構(gòu)對拉絲模的使用有很大的影響。德國產(chǎn)拉絲模的使用壽命比湘鋼產(chǎn)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(nèi)孔的孔型優(yōu)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(yōu)化,提高拉絲模的制造精度,可以節(jié)約生產(chǎn)成本,大幅度提高生產(chǎn)效率,對我國線材工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
2、硬質(zhì)合金!其摻z(鋼線)一般采用硬質(zhì)合金模具(Tungsten carbide nib),這種模具的典型結(jié)構(gòu)為一個圓柱形(或略帶錐度)的硬質(zhì)合金模芯緊密地鑲嵌在一個圓形鋼套(case)中,模芯內(nèi)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!有色金屬線,如銅、鋁,也較多采用和鋼絲模類似的拉絲模,內(nèi)孔形狀有些差異。
4、聚晶!毦可用到聚晶模(人造鉆石),還有用到天然鉆石的拉絲模。
1、合金鋼模
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(xiàn)代生產(chǎn)的需要,所以合金鋼模很快被淘汰,在生產(chǎn)加工中已幾乎看不到合金鋼模。
2、硬質(zhì)合金模
硬質(zhì)合金模由硬質(zhì)合金制成。硬質(zhì)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(jié)金屬,是合金韌性的來源。因此,硬質(zhì)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(shù)小、能量消耗低、抗蝕性能高,這些特性使得硬質(zhì)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。
硬質(zhì)合金拉絲模的主要牌號YG8、YG6、YG3,其次是YG15、YG6X、YG3X,研制一些新牌號,如用于高速 拉絲的新牌號YL,還有從國外引進的拉絲模牌號CS05(YLO.5),CG20(YL20),CG40(YL30);ZK10、ZK20/ZK30。
3、天然金剛石模
天然金剛石是碳的同素異形體,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(jīng)濟又實用的拉絲工具。
4、聚晶金剛石模
聚晶金剛石是用經(jīng)過認真挑選的質(zhì)量優(yōu)良的人造金剛石單晶體加上少量硅、鈦等結(jié)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(yōu)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(tài)下時,天然金剛石在孔的某一位置將發(fā)生擇優(yōu)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?啄p不均勻和?撞粓A的現(xiàn)象發(fā)生。與硬質(zhì)合金相比,聚晶金剛石的抗拉強度僅為常用硬質(zhì)合金的70%,但比硬質(zhì)合金硬250%,這樣,使得聚晶金剛石模比硬質(zhì)合金模有更多的優(yōu)點。用聚晶金剛石制成的拉絲模耐磨性能好,內(nèi)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,聚晶金剛石模在拉絲行業(yè)中應用廣泛。
5、CVD涂層模
CVD(化學氣相沉積法)涂層拉絲模是新近發(fā)展起來的一項新技術(shù),其主要方法就是在硬質(zhì)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(yōu)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(yè)帶來新的活力。
6、陶瓷材料模
高性能的陶瓷材料具有硬度高、耐磨性好、化學穩(wěn)定性強、高溫力學性能優(yōu)良和不易與金屬發(fā)生粘結(jié)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(xiàn)了對原料純度和晶粒尺寸的有效控制,開發(fā)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(shù)。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(jié)果看,陶瓷材料已廣泛應用于模具領(lǐng)域,在日本、美國、法國等國家已有多項專利。雖然陶瓷拉絲模在中國還沒有得到廣泛的應用,但是隨著制造技術(shù)的不斷提高,陶瓷將會是適合拉絲工業(yè)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(fā)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(zhì)材料(如W、Mo絲等)。用陶瓷拉絲模拉拔有色金屬材質(zhì)可以避免硬質(zhì)合金拉絲模的缺陷,并且可以延長拉絲模壽命、提高材質(zhì)的表面質(zhì)量。
不同材質(zhì)的模芯對拉絲模壽命的影響
拉絲模常用的模芯材料主要有硬質(zhì)合金、天然金剛石、人造金剛石等。在選擇拉絲模時應根據(jù)不同的加工工序,被加工的線絲的材質(zhì)性能,以及線絲的質(zhì)量要求來選擇模芯材料。合理選擇 模芯材料,是延長其使用壽命的主要途徑。
以下分別介紹不同材質(zhì)的模芯對拉絲模壽命影響
1、硬質(zhì)合金
拉絲模用的硬質(zhì)合金為鈷含量較低的碳化物 - 鈷類合金,它具有較好的耐磨性、抗沖擊性、拋 光性和抗腐蝕性能,易于修復,價格低廉,是常用拉絲模芯制作材料,廣泛應用于粗、中絲的拉伸。研究表明,通過改善硬質(zhì)合金成分和組織結(jié)構(gòu),控制碳含量的波動值,細化碳化物的顆粒,可以提高材質(zhì)的性能,延長其使用壽命。國內(nèi)外采用熱等靜壓(HIP) 處理、超細晶工藝及加入稀土元素來降低孔隙度,細化晶粒,提高合金的硬度,減小摩擦系數(shù);并利用化學氣相沉積(CVD) 法和物理氣相沉積( PVD) 法在硬質(zhì)合金表面形成金剛石薄膜或氮化鈦涂層,提高合金的表面強度。
2、天然金剛石
天然金剛石俗稱鉆石,是自然界最硬的物質(zhì),具有很高的耐磨性和熱傳導率,用于鎢鉬絲拉伸時能改善絲材的表面質(zhì)量,提高絲材性能及尺寸精度,主要用于拉伸細絲及成品絲。但它性質(zhì)非常脆,抗沖擊性能差,而且硬度具有各向異向性,做拉絲模時易磨損不勻。加之金剛石稀少,價格昂貴,加工困難,因此在拉伸中、粗絲方面受到限制。
3、人造金剛石
人造金剛石又稱聚晶金剛石,它是由許多單晶微粒無定向聚合而成的多晶體,具有較高的強度和硬度,耐沖擊性較強,性質(zhì)均勻、綜合性能良好。在拉伸中、細絲時,使用壽命比金剛石模和硬質(zhì)合金模高,且絲材尺寸穩(wěn)定,表面質(zhì)量好。但人造聚晶金剛石的晶粒較粗大,拋光困難,拉伸細絲的表面光潔度不如天然金剛石。通過細化晶粒,可提高拋光性能,在中、細絲的拉絲模上取代天然金剛石,大大降低成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量。
表2 幾種拉絲模材料的優(yōu)缺點對比
拉拔模材質(zhì)-優(yōu)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(zhì)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?朔颂烊唤饎偸5母飨虍愋,同時具有優(yōu)良的強度和硬度,拉拔產(chǎn)量最高,表面質(zhì)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(chǎn)品合格率高,表面質(zhì)量優(yōu)于國產(chǎn)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(zhì)的拉絲模各有其適用的加工范圍,不同材質(zhì)的拉絲模加工相同的線材時其磨損形態(tài)和使用壽命存在很大差別,因此合理選用拉絲模材質(zhì)是保證成功應用的關(guān)鍵。不同材質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)合金模的20~60倍。由于國內(nèi)對拉拔模與線材的匹配理論缺乏系統(tǒng)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(huán)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(chǎn)生的磨損等。工作條件(線材材料、拉絲模材質(zhì)、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(guān)系,在本質(zhì)上是相互關(guān)聯(lián)的。拉絲模內(nèi)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(jīng)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(zhì)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(zhì)合金!烟蕴暮辖痄撃。
通過對拉絲模的材質(zhì)的研究,拉絲模正在向著高強度、高硬度、高耐磨性發(fā)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(guī)格的線材都可以加工,并出現(xiàn)了用于加工不規(guī)則線材的異型模。
拉絲模芯的結(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)"五個區(qū)間。拉絲模的內(nèi)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(qū)的作用分別是:入口區(qū),方便穿線及防止鋼絲從入口方向擦傷拉絲模;潤滑區(qū),通過它使鋼絲易于帶入潤滑劑;工作區(qū),是?椎闹饕糠,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(qū)內(nèi)金屬的體積所占的空間是一個圓臺,該空間稱為變形區(qū)。工作區(qū)內(nèi)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(qū)的作用在于取得被拉拔鋼絲的準確尺寸;出口區(qū)是用于防止鋼絲出口不平穩(wěn)而刮傷鋼絲表面。
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?仔屠碚,即"直線型"理論。根據(jù)該理論制作的拉絲模具有下列特點:
1、入口區(qū)、潤滑區(qū)合二為一,具有使?jié)櫥菧p小的趨勢,使?jié)櫥瑒┻M入工作區(qū)前就受到一定壓力,從而起到更好的潤滑效果。
2、入口區(qū)和工作區(qū)加長,以建立較好的潤滑壓力,其角度按拉絲材質(zhì)和每道次壓縮率分別進行優(yōu)選。
3、定徑區(qū)必須平直且長度合理。
4、各部分縱面線都必須是平直的。
國內(nèi)拉絲行業(yè)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(qū)的形狀和工作區(qū)與定徑區(qū)交界處的形狀。不少人對"直線型"模持肯定態(tài)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(jié)論,末免有失偏頗。
模芯工作區(qū)呈"弧線型",會使金屬在變形區(qū)內(nèi)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(qū)輪廓線上各點的斜率相同,這樣當我們確定了最佳工作區(qū)圓錐半角α時,便可在最小的應力狀態(tài)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(qū)存在這樣一個最佳工作區(qū)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(fā),國外在道次壓縮率為10~35%(大多數(shù)金屬絲的變形均在此范圍內(nèi))及拉拔中、粗規(guī)格的金屬絲時,一般均采用"直線型"工作區(qū)。
而采用"弧線型"工作區(qū)時,金屬在內(nèi)孔中的變形可隨其加工硬化程度的增加而逐漸減小,內(nèi)孔壁上的壓力分布和磨損都比較均勻,故"弧線型"工作區(qū)耐磨性好。特別是當?shù)来螇嚎s率較小時(小于10%),采用"弧線型"工作區(qū),可在工作區(qū)圓錐半角α較小的情況下獲得足夠長的變形區(qū)。加之"弧線型"工作區(qū)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。
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