浅析拉拔用拉丝模具

浅析拉拔用拉丝模具我国是线材生产大国，产量居世界前列。线材被广泛应用于通讯、建筑、电力等部门。在线材生产中，拉拔加工是最常用的一种加工方式。拉拔加工的适用范围十分广泛，主要用于拉拔棒材、线材等直线材料。拉拔生产解决了车削等方法难以加工的线材问题，其加工精度比较高，而且其加工速度快，对毛坯的浪费程度低，利用率高。拉丝模是各种金属线材拉拔生产中一种非常重要的易消耗性模具，拉丝模的费用占拉拔费用的50%以上。目前普遍采用的拉丝模有合金钢模、硬质合金模和金刚石模，各种拉丝模在使用过程有着各自的优缺点。现在就拉丝模的工作时原理及常用拉丝模的材料，拉丝模磨损分类以及拉拔加工的影响因素作以下阐述。1拉丝模的工作原理1.1拉丝模的基本结构拉丝模的基本结构如图1，拉丝模的主要工作区域是内孔，内孔结构按工作性质可分为入口区、润滑区、工作区、定径区、出口区五个区间以及遵循“圆滑过渡”理论，即拉丝模孔内各区交界处必须为较小的圆角过渡。被拉拔线材从入口处进入拉丝模，在拉拔力的作用下通过拉丝模，并且在拉丝模工作区的锥面上发生剧烈摩擦，从出口处拉出，得到较小的线材。图1拉丝模的基本结构1.2拉丝模各区域尺寸选择(1)入口区拉丝模内孔的入口区角度是重要的参数之一，必须保证线材进入模具时的接触点是发生在拉丝模减缩区内同一高度位置上，且要有利于线材的穿入。拉丝模入口区提供了通向润滑区和变形区的平滑外形，使得润滑剂能够到达拉丝模的工作表面。(2)润滑区润滑区的作用在于贮存润滑剂，并将其输入工作区。根据润滑剂粘度的不同、线材直径的不同及润滑区的长度，润滑区锥角有所不同，为使液体润滑剂能顺利地进入工作区，润滑区锥角一般要选择较大值。过小则润滑剂不易进入，且润滑剂流动不畅，甚至形成楔形堵塞;润滑区锥角过大，则不易形成流体动压效应。润滑区长度的长短也将影响润滑效果，一般来说，不论是何种润滑方式，润滑区越长、润滑效果越好。(3)工作区工作区是线材产生塑性变形的区域，其尺寸参数有工作区锥角α及工作锥长度h2。工作锥角α是拉丝模的主要参数，工作区锥角α的大小对作用在拉丝模内孔上压力的大小及其分布规律、拉拔应力的大小及被拉拔线材机械性能的好坏起着决定性作用。对应拉拔应力最低的工作区锥角随拉拔环境的不同而有所不同，存在着一个最佳工作区锥角范围。拉拔时很难保证线材轴线与拉丝模内孔轴线同心，加之之前拉拔时拉丝模内孔磨损过大而导致进入内孔线材直径的增大，两者均会引起线材在变形区以外变形，所以工作区的长度应大于实际变形区的长度。(4)定径区定径区直径尺寸根据线材允许公差及线材在拉拔时产生的弹性变形来确定，并兼顾模具的使用寿命，通常选择线材负公差尺寸。确定定径区长度时应满足下列要求:足够的耐磨性、拉拔时消耗的能量少以及减少拉断线材的可能性。定径区过长虽可提高拉丝模的寿命，但同时也会造成摩擦、发热量及能耗的增大，且易引起线材直径的缩减或拉断线材。如定径区过短，则会造成拉拔时线材摇晃及产生竹节形，还会使拉丝模内孔很快地磨损导致尺寸超差。一般情况下，拉拔线材的直径越大，其定径区长度相应偏短。(5)出口区出口区在拉丝模形成90度的夹角。这样的角度便于具体较宽的出口，从而使得拉丝模能多次恢复到原来尺寸而不需要再加工。出口区往往被认为是不重要的。但是假如拉丝模没有出口区，则定径带的后缘就会开裂或剥落，导致拉丝模损坏。2常用的拉丝模材料浅析目前，拉丝模的材料可以分为几类，分别为合金钢拉丝模、硬质合金拉丝模、天然金刚石拉丝模、人造聚晶金刚石拉丝模、涂层拉丝模和陶瓷拉丝模。根据拉丝模材料分类，其加工线材的种类和直径以及拉丝模的加工方法是有所区别的。2.1合金钢拉丝模合金钢是通常用的工具钢，其硬度和耐磨性是几种拉丝模中最低的，但是因其材料价格低，加工方便，所以在线材的粗加工过程中还有所使用。2.2硬质合金拉丝模绝大多数的硬质合金拉丝模通常属于钨类和金。这些合金是由碳化钨和钴等组成。碳化钨是整个合金的“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。硬质合金模具有以下特性：(1)耐磨性高。(2)抛光性好。(3)粘附性小(4)摩擦系数小，降低能量消耗(5)抗蚀性高。这些特性使得拉丝模对润滑剂具有广泛适应性。2.3天然金刚石拉丝模天然金刚石拉丝模脆性大，加工比较困难，一般用于制造直径1.2毫米以下的拉丝模。它具有各向异性的特点，拉拔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。因其价格较贵，所以这种拉丝模并不是我们最终所寻求的即经济又实用的材料。2.4人造聚晶金刚石拉丝模这种拉丝模是用人造金刚石单晶体、加上少量硅、钛等结合剂，在高温高压的条件下聚合而成。用聚晶金刚石制成的拉丝模硬度高、耐磨性好，孔壁磨损均匀，抗冲击能力强，拉拔效率高。目前，聚晶金刚石拉丝模在拉拔行业中应用广泛。2.5涂层拉丝模这种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。它具有单晶体金刚石的光泽度、耐温性而且具有聚晶金刚石的耐磨性等优点。它的使用将为拉丝模行业带来新的活力。2.6陶瓷拉丝模随着拉拔行业的不断发展，人们对拉丝模的质量要求也在不断提高。即要从经济的角度考虑选材，又要从实际应用的效率上加以考虑。而陶瓷材料因为其良好的物理机械性能，逐渐成为良好的拉丝模材料。陶瓷拉丝模在拉丝过程中不与金属线材发生粘附作用，有利于提高金属材料表面性能。因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，所以他的各项性能都优于其它拉丝模。各种拉丝模材料的性能对比见表1。表1各种拉丝模材料的性能对比3拉丝模磨损及拉拔加工中的影响因素3.1拉丝模磨损拉丝模在拉拔加工过程中随使用情况和使用频率的不同都会产生不同程度的磨损，其磨损状况主要有以下五种：(1)磨耗磨损在实际拉拔过程中，当线材与拉丝模两部分是滑动接触时，会从其中的一部分上削去表面不规则的材料，其磨损速度呈简单的能量差关系。即使拉丝模材料比线材硬的多，拉丝模仍会在正常的拉拔过程中被磨耗，这时正常且不可避免的，但是通过仔细调整拉拔条件可以使磨损程度尽可能减少。当磨耗主要是由线材和拉丝模彼此接触过程中发生时，磨耗程度可明显受润滑剂、薄膜强度及它们所涉及表面的附着性影响。所以在拉拔过程中，必须选择合适的润滑剂并尽可能使更多的润滑剂通过线材带入道拉丝模的拉拔区，才能减少磨耗磨损。(2)摩擦磨损对于拉丝模来说，其摩擦磨损与微粒拔出有关。由于微粒拔出会产生很深的凹坑，其大小与拉丝模材料所具有的微粒尺寸相同，因此很容易目测判别。然而当拉丝模置于拉丝设备上过长时间，这些凹坑会被掩盖而在一点上破坏，时间长了或随温度的升高最终导致拉丝模断裂。(3)腐蚀磨损腐蚀磨损是在拉拔过程中，一部分原子与另一部分原子紧密接触，化学合成一个新的化学组成，然后从一个或两个部分脱落时发生的现象。实际上是线材与拉丝模材料的化学行为决定腐蚀磨损，此外，润滑剂中所含的材料或添加剂或杂质都会起一定作用。拉拔加工中的温度对于腐蚀过程是最重要的，因为一旦拉拔速度增加到使拉拔区温度超过临界值，会导致腐蚀过程加剧。(4)擦伤磨损擦伤磨损是两种材料相互滑移接触时，彼此粘合在一起而发生的。在拉拔过程中，有两种形式，一种是线材擦伤，一种是拉丝模擦伤磨损。线材因表面质量存在硌伤、划痕等缺陷经拉拔后就会对拉丝模产生擦伤磨损，长时间的拉拔还会加剧模具的损坏。拉丝模的擦伤会因润滑剂进入得不均匀导致模具和线材产生更大的损伤。(5)细颗粒磨损在被损坏的拉丝模中，有些拉丝模材料会有很明显的金属颗粒。首先，拉丝模上的细颗粒，会引起线材表面质量不好，并使润滑剂缺乏，导致剧烈摩擦而使拉丝模迅速被磨损。其次，金属颗粒的存在，相当于为润滑剂提供了一个易于粘合材料的源，从而增加了擦伤机会。所以，金属细颗粒的存在也会导致拉丝模磨损。3.2拉拔加工中的影响因素(1)拉丝模工作区改进对拉拔加工的影响根据拉丝模在实际使用过程中的分析，选择恰当(较窄和较长)的拉丝模工作区对拉拔加工有着重要的影响。主要如下：n能够顺利地带入润滑剂，润滑得到改善，拉丝模拉拔时线材的温度就会较低，拉拔力相应减小;拉拔过程中金属的流动较为均匀，拉拔后的线材质量得到相应改善。n能减小线材和拉丝模的间隙，楔形效应更加明显，增大的压力下迫使较多的润滑剂进入线材与拉丝模之间，润滑压力更大，线材地向前运动将润滑剂带入拉丝模内，润滑效果更好，并且能防止润滑剂从拉丝模的进口端退出。n能促使线材在拉丝模中更为均匀地逐渐压缩。这会减小拉丝模的拉拔力，产生较均匀的金属流动，降低线材的温度。并为提高拉拔速度创造了条件。(2)拉拔速度及润滑对拉拔加工的影响准确、快速地比较和评价不同拉丝模工作过程中的受力、拉拔速度及润滑对拉拔过程的影响以及它们之间的相互关系，是研制拉丝模的重要环节。线材拉拔加工中，采用不同的润滑剂，在不同的拉拔速度下，拉拔力不是一个固定不变的值。而是随润滑剂和拉拔速度的改变而变化的。在拉拔加工中，拉拔速度的提高可增加线材对润滑剂的捕捉作用，当线材在低速下拉拔时，机械捕捉作用小，润滑剂进入模具的压力就小，相应的进入量也少。这样线材与拉丝模之间产生的摩擦力就大，拉拔力也大。反之，拉拔速度提高，润滑膜就会逐渐增厚，两者之间的摩擦力就小，拉拔力也会逐渐减小。拉拔速度越高，单位时间内产生的热量越高，润滑剂就会受热软化，更好的起到润滑效果。所以，适当的控制和提高拉拔速度对拉拔加工有着重要的影响。(3)线材、拉丝模和润滑剂质量缺陷对拉拔加工的影响l线材影响由于线材的生产厂家不同，线材的质量就有所不同。相比较而言，国外的钢厂生产的线材要较之国内厂家生产的线材质量上好的多。而国内大钢厂的又会优于小钢厂的线材质量。由于线材质量问题，造成线材表面硬度分布不均匀，表面硬度高的部分较硬度低的部分在拉拔时对拉丝模的摩擦力就大些，因此，对拉丝模内孔的磨损就严重。l拉丝模本身影响拉丝模是由难熔的硬质相与粘结组成，粘结相层厚薄不均，难熔硬质相晶粒大小不均。晶粒越细，硬度越高，耐磨性就越好，反之则差。因此，拉丝模的硬质相粒子粒度不均匀也会对拉拔加工造成很大影响。l润滑剂质量缺陷的影响拉拔时，润滑剂起着润滑作用，由于附在金属丝上的润滑膜有很高的韧性，所以在拉拔中不会被破坏，但润滑剂附着不均匀时，也会造成拉丝模的剧烈磨损。因此，在拉拔加工过程中，要根据线材的不同、环境的优劣等选择合适的、质量较好的润滑剂，才能保证拉拔加工的顺利进行。4小结总之，随着线材生产的需求不断加大，拉拔加工工艺已经在各行各业中得到广泛应用。而在拉拔加工中，拉丝模的改进对线材的生产有着举足轻重的作用。只有充分了解拉丝模的工作原理，才能在实践生产中选出更好的拉丝模制作材料，满足拉拔加工生产的需要。也只有充分对比现有拉丝模材料的优劣以及更深入地剖析拉丝模磨损的原因和拉拔加工中的影响因素，才能更好地提高拉拔加工工艺，制作出更优质的拉丝模模具。