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拉伸模(拉丝模、眼模)简介

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发表于 2018-10-9 21:27:20 | 显示全部楼层 |阅读模式

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别名:拉丝模、眼模
拉伸模(拉丝模、眼模)简介-1.jpg
通常指各种拉制金属线的模具,还有拉光纤的拉丝模。所有拉丝模的中心都有个一定形状的孔,圆、方、八角或其它特殊形状。金属被拉着穿过模孔时尺寸变小,甚至形状都发生变化。拉软金属(如金银)时钢模就够用,钢模上可以有多个不同孔径的孔。拉制钢丝(钢线)一般采用硬质合金模具(Tungsten carbide nib),这种模具的典型结构为一个圆柱形(或略带锥度)的硬质合金模芯紧密地镶嵌在一个圆形钢套(case)中,模芯内孔中有喇叭口(Bell radius)、入口锥(Entrance angel)、变形(工作)锥(approach angle)、定径带(bearing)及出口角(back relief)。拉有色金属线,如铜、铝,也较多采用和钢丝模类似的拉丝模,内孔形状有些差异,拉细线可用到聚晶模(人造钻石),还有用到天然钻石的拉丝模。
秦始皇兵马俑中的一些士兵的石铠甲上就能见到有金属线,因此估计那时候就有人掌握了拉丝技术。在天工开物那本明代的书籍中我们能见到针的制作工艺,其中就有拉丝模的采用。
一、拉丝模的定义
通常指各种拉制金属线的模具,还有拉光纤的拉丝模。所有拉丝模的中心都有个一定形状的孔,圆、方、八角或其它特殊形状。金属被拉着穿过模孔时尺寸变小,甚至形状都发生变化。
二、拉丝模的种类
1、钢模——拉软金属(如金银)时钢模就够用,钢模上可以有多个不同孔径的孔。
2、硬质合金模——拉制钢丝(钢线)一般采用硬质合金模具(Tungsten carbide nib),这种模具的典型结构为一个圆柱形(或略带锥度)的硬质合金模芯紧密地镶嵌在一个圆形钢套(case)中,模芯内孔中有喇叭口(Bell radius)、入口锥(Entrance angel)、变形(工作)锥(approach angle)、定径带(bearing)及出口角(back relief)。
3、钢丝模——拉有色金属线,如铜、铝,也较多采用和钢丝模类似的拉丝模,内孔形状有些差异。
4、聚晶模——拉细线可用到聚晶模(人造钻石),还有用到天然钻石的拉丝模。
三、拉丝模的用途
拉丝模用途广泛,如电子器件、雷达、电视、仪表及航天等所用的高精度丝材以及常用的钨丝、钼丝、不锈钢丝、电线电缆丝和各种合金丝都是用金刚石拉丝模拉制出来的,金刚石拉丝模由于采用天然金刚石作原料,从而具有极强的耐磨性,使用寿命极高。
····最新的补充·····
拉丝模是各种金属线材生产厂家(如电线电缆厂、钢丝厂、焊条焊丝厂等)拉制线材的一种非常重要的易消耗性模具。拉丝模的适用范围十分广泛,主要用于拉拔棒材、线材、丝材、管材等直线型难加工物体,适用于钢铁、铜、钨、钼等金属和合金材料的拉拔加工。由于拉丝模的成本约占拉丝费用的1/2以上,因此,如何降低拉丝模成本、提高其使用寿命是金属线材生产单位迫切需要解决的问题。
国外金属制品工业为提高生产竞争能力,越来越重视拉丝模的质量和制造工艺的改进,从提高拉丝模寿命入手,对拉丝模的材质、结构、制造工艺、制造设备以及检测仪器等进行了系统的研究,开发出复合拉丝模、拉丝模新材料、表面涂层新技术、拉丝模新的孔型设计方法等,推动了世界拉丝生产的发展。
我国是线材生产大国,产量居世界前列。我国拉丝模制造工业从八十年代起发展较快,随着拉丝模制造水平的不断提高和生产工艺的不断改善,我国的拉丝模制造技术有了进一步的发展,尤其是在拉丝模的材质、结构等方面有了长足进步。但总的来说与国外还有不小的差距。尽管国外生产的拉丝模种类与国内的差不多,但所用材料和工艺过程更加先进,拉丝模的加工精度、耐用性、耐磨性等指标均优于我国的产品。因此,加强制模管理,提高拉丝模质量水平,推动制模工艺技术的进步,是制模工业当前面临的重要课题。?
2.拉丝模的材质
经历了几十年的发展,已出现了很多新型拉丝模材质。按照材料种类,可将拉丝模分为合金钢模、硬质合金模、天然金刚石模、聚晶金刚石模、CVD金刚石模和陶瓷模等多种。近年来新型材料的开发极大的丰富了拉丝模的应用范围并提高了拉丝模的使用寿命。
(1)合金钢模是早期的拉丝模制造材料。用来制造合金钢模的材料主要是碳素工具钢和合金工具钢。但是由于合金钢模的硬度和耐磨性差、寿命短,不能适应现代生产的需要,所以合金钢模很快被淘汰,在目前的生产加工中已几乎看不到合金钢模。
(2)硬质合金模由硬质合金制成。硬质合金属于钨钴类合金,其主要成分是碳化钨和钴。碳化钨是合金的“骨架”,主要起坚硬耐磨作用;钴是粘结金属,是合金韧性的来源。因此,硬质合金模与合金钢模相比具有以下特性:耐磨性高、抛光性好、粘附性小、摩擦系数小、能量消耗低、抗蚀性能高,这些特性使得硬质合金拉丝模具有广泛的加工适应性,成为当今应用最多的拉丝模模具。
(3)天然金刚石是碳的同素异性体,用它制作的模具具有硬度高、耐磨性好等特点。但天然金刚石的脆性较大,较难加工,一般用于制造直径1.2mm以下的拉丝模。此外,天然金刚石价格昂贵,货源紧缺,因此天然金刚石模并不是人们最终所寻求的即经济又实用的拉丝工具。
(4)聚晶金刚石是用经过认真挑选的质量优良的人造金刚石单晶体加上少量硅、钛等结合剂,在高温高压的条件下聚合而成。聚晶金刚石的硬度很高,并有很好的耐磨性,与其它材料相比它具有自己独特的优点:由于天然金刚石的各向异性,在拉丝过程中,当整个孔的周围都处在工作状态下时,天然金刚石在孔的某一位置将发生择优磨损;而聚晶金刚石属于多晶体、具有各向同性的特点,从而避免了模孔磨损不均匀和模孔不圆的现象发生。与硬质合金相比,聚晶金刚石的抗拉强度仅为常用硬质合金的70%,但比硬质合金硬250%,这样,使得聚晶金刚石模比硬质合金模有更多的优点。用聚晶金刚石制成的拉丝模耐磨性能好,内孔磨损均匀,抗冲击能力强,拉丝效率高,而且价格比天然金刚石便宜许多。因此目前聚晶金刚石模在拉丝行业中应用广泛。
(5)CVD(化学气相沉积法)涂层拉丝模是新近发展起来的一项新技术,其主要方法就是在硬质合金拉丝模上涂层金刚石薄膜。金刚石薄膜是纯金刚石多晶体,它既具有单晶金刚石的光洁度、耐温性,又具有聚晶金刚石的耐磨性和价格低廉等优点,在代替稀有的天然金刚石制备拉丝模工具方面取得很好的效果,它的广泛使用将为拉丝模行业带来新的活力。
(6)高性能的陶瓷材料具有硬度高、耐磨性好、化学稳定性强、高温力学性能优良和不易与金属发生粘结等特点,可广泛应用于难加工材料的加工。
近三十年来,由于在陶瓷材料制造工艺中实现了对原料纯度和晶粒尺寸的有效控制,开发了各种碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、晶须或少量金属的添加技术。以及采用多种增韧补强机制等,使陶瓷材料的强度、韧性、抗冲击性能都有了较大提高。
从国外研究结果看,陶瓷材料已广泛应用于模具领域,在日本、美国、法国等国家已有多项专利。虽然现在陶瓷拉丝模在我国还没有得到广泛的应用,但是随着制造技术的不断提高,陶瓷将会是适合拉丝工业的良好的拉丝模材料。
陶瓷拉丝模在拉丝过程中不容易与金属线材发生粘附,有利于提高金属丝材表面性能,尤其是在高温下拉制有色的硬质材料(如W、Mo丝等)。用陶瓷拉丝模拉拔有色金属材质可以避免硬质合金拉丝模的缺陷,并且可以延长拉丝模寿命、提高材质的表面质量。
各种拉丝模的材质各有特点。其中,天然金刚石拉丝模的价格最为昂贵,加工也极其困难,同时因为天然金刚石的各向异性,在径向范围内硬度差别很大,容易在某一方向上产生剧烈磨损,所以天然金刚石模只适用于加工直径很小的丝材。硬质合金模硬度较低,用硬质合金模拉拔的线材质量较高,表面粗糙度低,但硬质合金模的耐磨性较差,模具的使用寿命短。聚晶金刚石模的硬度仅次于天然金刚石,因其具有各向同性的特点,不会产生单一径向磨损加剧的现象,但其价格十分昂贵,加工困难,制造成本很高。CVD涂层拉丝模因具有金刚石的性能而具有良好的耐磨性,拉拔线材的表面粗糙度较低,但是CVD涂层拉丝模的制作工艺复杂,加工困难,成本较高;当涂层磨耗后模具将迅速磨损,不仅难以保证加工质量,而且不能重复使用,只能报废。陶瓷材料具有比硬质合金高的硬度和耐磨性,制作成本低廉,是介于金刚石与硬质合金之间的制作拉丝模的优良材料。但由于陶瓷材料的韧性差、热冲击差且加工困难,至今尚未获得大范围应用。各种拉丝模材质的优缺点对比见表2。
表2 几种拉丝模材料的优缺点对比
拉拔模材质-优点-缺点-应用范围
合金钢模-制作简便-耐磨性差、寿命短-基本淘汰
天然金刚石-硬度高、耐磨性能好-脆性大,加工难-直径1.2mm以下的线模
硬质合金-抛光性好、能量消耗低-耐磨性差、加工困难-各种直径线材
聚晶人造金刚石-硬度高、耐磨性好-加工困难、成本高-小型线材、丝材
CVD涂层材料-光洁度高、耐温性好-工艺复杂、加工困难-小型线材、丝材
陶瓷材料-耐磨、耐高温、耐腐蚀性好-热冲击、韧性差、加工难-没有大范围应用
在小型线材、丝材的拉拔加工中,天然金刚石、聚晶金刚石和CVD涂层模是常用的拉丝模材料。在拉拔小直径丝材时,CVD涂层金刚石模克服了天然金刚石模的各向异性,同时具有优良的强度和硬度,拉拔产量最高,表面质量也达到要求。试验证明,CVD涂层金刚石拉丝模的寿命等同于天然金刚石模具,产品合格率高,表面质量优于国产聚晶金刚石。因此,对于小直径丝材拉拔加工,CVD涂层金刚石拉丝模是较为理想的选择。
尽管拉丝模可用于加工各种钢铁、铜、钨、钼等金属和合金材料,但不同材质的拉丝模各有其适用的加工范围,不同材质的拉丝模加工相同的线材时其磨损形态和使用寿命存在很大差别,因此合理选用拉丝模材质是保证成功应用的关键。不同材质的拉丝模都有其相对合理的加工对象。拉拔加工的合理性主要指拉丝模与线材两者的力学、物理和化学性能相互匹配,以获得最长的模具使用寿命。例如,在拉拔相同直径的铜丝时,聚晶金刚石模的使用寿命是硬质合金模寿命的300~500倍,拉拔镍丝时仅为80~100倍,拉拔钼丝时,其寿命只有硬质合金模寿命的50~80倍,而拉拔碳钢时,聚晶金刚石模的寿命只有硬质合金模的20~60倍。由于国内对拉拔模与线材的匹配理论缺乏系统研究,导致了盲目选择,造成资源浪费。拉丝模的摩擦磨损情况十分复杂,一般分为破坏和摩擦磨损两大类。拉丝模的破坏又可以分为环状破坏、拉伸破坏、剪切破坏和支撑面破坏等,摩擦磨损可分为磨耗磨损、磨擦磨损、腐蚀磨损、擦伤和细颗粒产生的磨损等。工作条件(线材材料、拉丝模材质、润滑剂等)的不同,使得拉丝模的磨损和破坏都有其独特的过程。拉丝模的磨损破坏之间的相互关系,在本质上是相互关联的。拉丝模内部的情况可能非常微妙,一些因素可能会同时起作用,它们的叠加作用非常复杂,不易理解。可能一个因素的作用会掩盖其他因素的作用,上述几种破坏和摩擦磨损的形式可能经常交织在一起,为分析拉丝模的破坏磨损机理增加了难度。但总的来说,各种材质拉丝模的耐磨性由高到低的排序是:金刚石拉丝模(没有考虑天然金刚石各向异性的问题)——陶瓷拉丝模——硬质合金模——已淘汰的合金钢模。
通过对拉丝模的材质的研究,拉丝模正在向着高强度、高硬度、高耐磨性发展,各种符合要求的新材料层出不穷,拉丝模的耐磨性大幅度提高,磨损、破坏的时间明显延迟,拉丝模寿命不断增加,加工精度也有了一定的提高。拉拔加工的适用范围正逐步扩大,从粗到细各种规格的线材都可以加工,并出现了用于加工不规则线材的异型模。?
3.拉丝模结构
近年来,随着改革、开放的深入进行,国内相继引进了工业发达国家制造的拉丝模及相应的模孔检测仪器。通过对国外拉丝模孔型的剖析,使我们了解到现代拉丝模孔型的设计思想,为提高我国拉丝模的设计水平提供了借鉴。
3.1 拉丝模内孔结构
拉丝模芯的结构按工作性质可分为“入口区、润滑区、工作区、定径区、出口区”五个区间。拉丝模的内径轮廓很重要,它决定着压缩线材所需的拉力,并影响拉拔后线材中的残余应力。模芯各区的作用分别是:入口区,方便穿线及防止钢丝从入口方向擦伤拉丝模;润滑区,通过它使钢丝易于带入润滑剂;工作区,是模孔的主要部分,钢丝的变形过程在这里进行,即将原始截面减小到所要求的截面尺寸。在拉拔圆锥面金属时,工作区内金属的体积所占的空间是一个圆台,该空间称为变形区。工作区内的圆锥半角α(又称为模孔半角)主要用于确定拉拔力的大小;定径区的作用在于取得被拉拔钢丝的准确尺寸;出口区是用于防止钢丝出口不平稳而刮伤钢丝表面。
3.2 “直线型”与“弧线型”模的讨论
随着拉丝速度的提高,拉丝模的使用寿命成为突出的问题。美国人T Maxwall和E G Kennth提出了适应高速拉丝的新拉丝模孔型理论,即“直线型”理论。根据该理论制作的拉丝模具有下列特点:
①入口区、润滑区合二为一,具有使润滑角减小的趋势,使润滑剂进入工作区前就受到一定压力,从而起到更好的润滑效果。
②入口区和工作区加长,以建立较好的润滑压力,其角度按拉丝材质和每道次压缩率分别进行优选。
③定径区必须平直且长度合理。
④各部分纵面线都必须是平直的。
近年来,国内拉丝行业对“直线型”和“弧线型”拉丝模进行了广泛的讨论,其中争议较大的是工作区的形状和工作区与定径区交界处的形状。不少人对“直线型”模持肯定态度。但笔者认为两种类型的拉丝模均有着各自的特点及所适用的场合,不加分析地作出结论,末免有失偏颇。
模芯工作区呈“弧线型”,会使金属在变形区内的流动更加曲折,导致附加剪切变形及多余变形功的增大,继而使拉拔应力增大(一般较“直线型”模增大10~30%)。而“直线型”模工作区轮廓线上各点的斜率相同,这样当我们确定了最佳工作区圆锥半角α时,便可在最小的应力状态下拉拔金属;而“弧线型”模由于其轮廓线上各点的曲率不同,故无法使整个工作区存在这样一个最佳工作区圆锥半角α。从有利于金属的流动和减小拉拔应力的角度出发,目前国外在道次压缩率为10~35%(大多数金属丝的变形均在此范围内)及拉拔中、粗规格的金属丝时,一般均采用“直线型”工作区。
而采用“弧线型”工作区时,金属在内孔中的变形可随其加工硬化程度的增加而逐渐减小,内孔壁上的压力分布和磨损都比较均匀,故“弧线型”工作区耐磨性好。特别是当道次压缩率较小时(小于10%),采用“弧线型”工作区,可在工作区圆锥半角α较小的情况下获得足够长的变形区。加之“弧线型”工作区具有适应能力强的特点,故在道次压缩率较大(大于35%)或较小(小于10%)及拉拔钢丝时,还是应该采用“弧线型”模。
3.3 国内外拉丝模孔形对比
与国外产品相比,国产拉丝模模坯存在以下明显不足:
①入口角小。由于在拉拔过程中线材首先和模芯入口区接触,入口区锥角小,不但增大了线材与内孔的接触面积,使摩擦力增大,而且妨碍润滑剂的带入,使拉丝过程中的润滑效果变差,严重影响模具使用寿命。
而国外拉丝模产品的入口角增大,有效地避免了线材与拉丝模的擦伤,而且带入了更多的润滑剂,增强了润滑效果,减少了模芯磨损。这种改变提高了线材的表面质量,同时也提高了拉丝模的使用寿命。②工作区短小。与国内同种规格的拉丝模相比,国外拉丝模工作区的长度普遍要长许多。较长的工作区有利于线材在拉拔过程中摩擦力的减少与均匀分布,降低拉丝模内孔的磨损,提高模具寿命。较长窄的工作区能减小线材和拉拔模的间隙,可在大的压力下迫使较多的润滑剂进入线材与内孔中间,从而造成更好的润滑压力。由内孔出去的线材温度较低,拉拔力减小,拉拔过程中金属的流动较为均匀,有利于拉拔速度的提高和线材表面质量的改善。此外,这种类型的工作区设计还能防止润滑剂从拉丝模的进口端退出。
而我国模具由于工作区短小,造成孔内有效使用面积较小,不仅增加了摩擦力,加剧磨损,而且浪费原材料,增大了成本投入。
③定径区不明显。定径区是线材确定最终尺寸的最后环节,定径区的短小且不平直将直接影响到线材的最终质量。短小的定径带容易造成产品尺寸超差,并使拉拔模很快磨损报废。明显且平直的定径区能够生产出高精度和高表面质量的线材,而且有利于减小磨损,大大提高拉丝模的使用寿命。
从德国产拉丝模与我国湘钢产拉丝模的磨损曲线对比可知,两种拉丝模在相同的拉拔条件下工作:工件材质:65号钢线材;拉拔速度:3.64m/s;拉拔用润滑剂:肥皂粉;拉拔前表面涂层:硫酸酸洗、磷化、涂硼砂。测试结果表明,拉丝模的结构对拉丝模的使用有很大的影响。德国产拉丝模的使用寿命比湘钢产拉丝模的使用寿命高2.72倍。
上述比较分析证明:通过拉丝模内孔的孔型优化可以降低拉丝模的磨损率,延长拉丝模的使用寿命。因此,进行拉丝模的孔型优化,提高拉丝模的制造精度,可以节约生产成本,大幅度提高生产效率,对我国线材工业的发展具有重要意义。





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