拉丝模使用中常见的问题探析

时间：2024-05-17

陈转琴（神华神东煤炭集团设备维修中心三厂，陕西榆林 719315）

拉丝模使用中常见的问题探析

陈转琴
（神华神东煤炭集团设备维修中心三厂，陕西榆林 719315）

摘要：拉丝模是制作各种金属丝线的模具，在中心具有一定形状的空洞，金属在穿过空洞时，通常对模具产生较大损伤，进而影响其使用年限。本文对拉丝模使用中常见的问题进行分析，以供参考。

关键词：拉丝模；使用中常见问题；有效措施

拉丝模是制备各种金属丝线的基本模具，自从被发明到现在，其形态机构发生了重大变化，以适应金属丝线的供应需求。目前，金属丝线种类不断增加，拉丝模在使用中出现的问题也不断增加，严重影响金属丝线拉制质量。所以，研究符合现阶段应用所需的拉丝模型，对于提高金属丝线拉制质量具有重要意义。本文对拉丝模使用中常见的问题进行如下分析。

1 拉丝模概述

拉丝模主要由两部分组成，其一模套，其二模芯。其中模套由硬度较大的钢材铸成，对模芯具有保护作用，在拉制金属丝线时，二者必须配合好，才能有效避免模芯被磨损。相对于模套来说，模芯更重要，因为它直接和拉制金属接触。对于模芯来说，材料选择十分重要，根据材料不同，可分成好多种类，如金刚石模芯、单金刚石模芯、复金刚石模芯等。当模芯硬度需要增加时，通常加入碳化钨、适量的钨及钴，其中钴含量应控制在3%-12%之间，才能保证模芯硬度符合要求。模芯煅烧之后，应保证质地均匀、硬度较大、耐磨性较好等特性。所以，模芯制作中，最重要的是材料的选择及配比，但其它因素如润滑剂、孔型及煅烧条件等也不能忽视。模芯的孔型通常有5类，分别为入口区、工作区、出口区、定径带及润滑区。以下就这五种孔型进行一一介绍。

其中入口区的主要作用是将金属材料导入拉丝模，在拉制过程中保证材料平直及受力均匀；润滑区的主要作用是在金属材料拉制过程中，提供润滑剂，以保证拉制质量。但润滑区不需要作任何抛光处理，以增加拉制压力；工作区在金属材料拉制中起重要作用，通过润滑区提供的润滑剂，需要它才能形成润滑层，金属材料的变形也需要它的协助，另外，金属细线的拉制效率，也取决于工作区的面积，所以，在拉丝模运作中，务必保证工作区表面光滑、干净。另外，工作区在加工时，应呈直线型，表面不能有圆滑过渡，同时要和定径带保持水平，只有这样，才能避免拉制过程中出现椭圆现象。定径带主要作用是，控制金属细丝的直径、不圆度及平直度等。为了提高控制质量，定径带表面必须光滑，尺寸也要符合标准，并且和工作区之间保持平行。决定定径带长度的因素有模具及金属材料，其中后者起主要作用。当金属材料硬度较大，并且含有碳元素时，定径带长度应为其直径的25%-35%，当金属材料硬度较小，如金线及铜线时，其长度应为直径的50%-100%，才能满足拉制条件。相比金属材料而言，模具对定径带影响较小，当其摩擦系数较小时，定径带长度适当加长，当摩擦系数较大时，适当缩短。如对于金刚石模，其定径长度应为其直径的35%-50%。

当拉丝模的定径带较短时，为了保证金属拉制质量，可适当加强工作区的磨损，不能磨损定径带，因为当定径带受到较大磨损之后，直径会增加，同时产生热量，使润滑粉失效，导致金属在拉制时容易发生组织变形。当定径带长度较大，工作区即使受到磨损，也只会产生少量热量，将润滑粉软化，形成边界润滑物。所以，在定径带长度选择时，需要考虑到模具、金属材料的质地及拉制工艺等。出口区之所以设计成区形，是由于能够有效的防止模芯破碎。出口区在使用前，应做抛光处理，并要求和定径带之间有平滑过渡，才能避免在金属丝线拉制时受到刮伤。另外，出口区还能够有效防止润滑粉遭到污染，并避免模具入口处形成堵塞。

2 拉丝模使用中常见的问题

2.1 工作区设计不当所引发的问题

如果工作区角度过大，金属材料在拉制过程时，由于距离定径带太小，变形速率会加大，变形区变小，使得拉丝模产生大量热量，烧焦润滑粉，使之失效，从而严重影响了金属丝拉制效果。这时，如果对工作区不采取冷却处理，将会直接影响金属细丝的拉制质量；如果工作区的角度更大或者压缩率更小，金属材料在拉制时会距离定径带更近，变形更大，很难到达定径带规定区域之内，使其表面形成凸凹现象，如果材料质地较软，拉制过程中还会发生椭圆现象。这时，润滑区域面积增加，按理可以提供更加量好的润滑效果，但实际并不是这样，相反，润滑粉由于表面解除面积加大，产生涡流效应，从模孔中反向流出，从而降低了润滑效果，最终导致金属丝线表面形成裂纹，或者出现刮伤痕迹等。

由上可知，工作区角度不能太大，太大容易使润滑粉失去润滑效果，进而金属丝线拉制质量。其角度太小会怎样呢，操作经验表明，当工作区角度变小之后，也会使拉丝模产生大量热量，进而使得润滑粉失效。因为当角度过小时，金属材料的接触点紧贴工作区顶端，使得变形区域加大，进而导致拉丝模无用功率增加，产生大量热量。另外，当减小润滑区域面积时，由于润滑量也随着减少，所以润滑功能降低，进而影响到金属丝线的拉制质量。当拉应力增大时，定径带直径将会变大，使得椭圆现象容易出现，进而导致金属丝线容易断裂及收缩等。

2.2 拉丝模容易出现断裂

拉丝模在运作时，通常出现两种断裂方式，其一人字形断裂，其二中心断裂。这两种断裂在上世纪30年代之前，一直认为是由金属材料质量不达标所致。所以，为了避免断裂，通常在材料上下功夫，但无论将材料质量如何提高，并不能有效防止断裂。之后，人们将注意力逐渐从材料转到拉制过程。经过不断的研究积累，终于在1930年，Fenhison研究证明两种断裂的出现，是由拉制过程设置不合理所致，和材料并没有直接联系。他对断裂过程做了进一步描述：当金属材料在拉制时，向着拉丝模轴向延伸，由于其表面流动速度大于内部，在中心便形成拉应力，当这种力超过金属材料的抗拉限度时，会出现人字断裂或者中心断裂。由于拉制工艺对于金属丝线拉制质量影响严重，所以在拉制之前，应根据材料特征、拉丝模类型，确定合适的拉制工艺。为了提高金属丝线拉制质量，Zimerman建立了一种拉制模型，该模型将金属材料、压缩率及中心断裂合理安排，得到合理的拉制工艺，有效的提高了拉制质量，也降低了拉制中出现断裂现象。

2.3 拉制过程中出现残余应力及加工硬化

在金属材料在拉制过程中，如果残余功率过大，将会产生残余应力及加工硬化等弊端，从而使拉制材料表面出现凸凹不平、断裂及起皮等现象。研究表明，这两种现象的出现，和拉制工艺密切相关，所以，通过控制环节中的压缩率及区角，可以有效控制残余功率。根据以往的操作经验，当钢丝的模角过大或者压缩率过小，容易产生大量的残余功率，相应的残余应力和加工硬化值越大；当模角过小或者压缩率太小，这时拉制工艺不符合拉制要求，所以也会加大残余功率。以此，在国外，通常将模角和压缩率下的△控制在1.5左右。Thomas Maxwel对模角及压缩值对残余功率的影响做了进一步研究，表明当定径带的长度为其直径的72%-100%之间时，将△控制1-1.5之间，可以有效减低残余功率，进而避免材料出现断裂或者发生变形。

3 拉丝模出现损伤的原因

3.1 拉丝模自身加工质量因素导致模具快速磨损

（1）拉丝模坯与模具钢套镶嵌不对称，镶嵌硬质合金钢套分布不均匀有间隙，都容易导致模具在线材拉拔过程中产生U型裂痕。

（2）金刚石模坯在激光打孔过程中，烧结痕迹清理不干净或受力不均匀会导致金刚石在拉拔过程中模具出现凹坑。

（3）模具孔型设计不合理，入口润滑区开口过小、定径带过长会导致拉拔过程中润滑不良，致使模具磨损加快甚至碎裂。

3.2 拉丝过程中使用不当因素导致模具快速磨损

（1）拉丝工艺面压缩率过大，导致模具产生裂痕或破碎。裂痕或断裂纹绝大部分是内应力释放所产生的。在任何物料结构中，存在内应力是必然的，拉拔线材时产生的内应力本来可以增强模具的微晶结构，但当拉丝面压缩率过大，无法及时润滑从而温升过高就会导致模具表面部分物料被移走，微晶结构所承受的应力就大大增加，使其更容易产生裂痕或破碎。

（2）线材的拉伸轴线与模孔中心线不对称，致使对线材与拉丝模产生应力作用不均匀，而机械振动产生的冲击也会对线材和拉丝模造成很高的应力峰值，两者都将加速模具的磨损。

（3）因退火不均匀而导致线材硬度不均匀等因素容易造成金刚石拉丝模具过早产生疲劳损失，产生环状沟槽加速模孔的磨损。

（4）线材表面粗糙，表面粘附氧化层、砂或其它杂质等都会使模具过快磨损。当线材通过模孔时，硬、脆的氧化层及其它粘附杂质会像磨料一样地造成拉丝模模孔很快磨损及擦伤线材的表面。

（5）润滑不畅或润滑液里含有金属碎屑杂质导致模具磨损。润滑不畅会使拉丝时模孔表面温度升高过快，模具晶粒脱落，导致模具损伤。当润滑液不洁净时，尤其含有拉拔时脱落的金属碎屑，极容易划伤模孔的表面及线材的表面。

4 提高拉丝模质量的有效措施

4.1 材料控制

材料直接影响着拉丝模的质量，材料不同，拉丝模也被分成不同类别，如合金钢模、硬质合金模、天然金刚石模、聚金刚石模及陶瓷模等。其中合金钢模是最早使用的一种拉丝模，由于耐磨性较差，运作效率低下，已经不能适应现阶段丝线拉制需要了，已被淘汰。硬质合金模，主要材料主要为钨和钴，前者以化合物形式存在，为碳化钨，是合金中的骨架部分；后者为单质，和金属钨结合，能够有效提高合金的柔韧性。硬质合金模主要优点是具有较高的抗腐蚀性、耗能小及抛光性好等，是现阶段金属丝线拉制中使用范围最广泛的拉丝模。天然金刚石模，具有极高的耐磨性，同时硬度大，但具有致命的缺点，脆度较大，不易加工，从而限制了其应用范围。聚金刚石模是在人造金刚石中添加了硅元素及钛元素，再经过高温锻造而成。和金刚石模一样，具有极高的耐磨性，但又具有前者没有的功能，即不容易变形，从而避免了模孔不均匀等弊端。另外，聚金刚石模具有具有较强的抗拉性，约是硬质合金的250倍，并且抗冲击能力强，造价低廉，在目前应用较为广泛。陶瓷模是目前出现的一种新型的拉丝模，具有高硬度、耐磨损、化学性质稳定及粘性低等优点，目前主要应用在难以加工的硬质材料。

由上可知，材料不同以及材料配比出现差异，都会显著影响拉丝模的质量及使用年限。所以，在拉丝模研制中，除了保留原有的优良材质，更要研发新型的材料；另外，可以通过改变拉丝模的材料组成，以达到提高其质量的目的。如在原来的材料中添加一些金属单质、金属化合物及非金属元素，以提高拉丝模的强度、抗拉性以及耐磨损性。如在陶瓷模中添加锰元素，可以拓展其功能，从而实现了高硬度金属材料的拉制。另外，在确定拉丝模组成材料时，还要考虑到造价成本，只有在控制造价的前提下，通过添加某种元素，达到提高拉丝模性能的操作，才能被推广使用。

4.2 拉丝模结构控制

首先，内部结构控制。也就是模芯控制，由上可知，模芯包括5个区域，任何一个区域出现缺陷，都会对模型质量造成严重影响。其中入口区主要作用是对拉丝模进行保护；润滑去的主要作用是，在金属丝线拉制时，提供润滑粉，以提高拉直效果；工作区，也就是金属材料被拉制的部分，应保持一定截面尺寸；在金属材料拉制时，所占用的体积被称作变形区，该区域内的模孔半角具有决定拉拔力的大小，另外，定径区能够对拉制尺寸能有效控制。出口区，该区域主要保证金属丝线在拉制中不被刮伤。

其次，模型选择。为了提高拉丝模使用寿命，TMaxwall和 EGKennth共同提出了直线型理论，该模型主要特点为：将模芯的几个组成部分进行有机组合，使得润滑角减小，润滑效果更优；具有较好的润滑压力，能够对压缩率进行优选；定径区更加符合拉制规定。和直线型相对应的是弧线型，该模型提出之后，受到很多专家质疑，认为弧线型使金属材料内部的流动性变大，从而增加了附加变形，严重影响了丝线拉制效果。但也有支持弧线型的，如有些专家指出，该类型能够使金属在模芯内的变形减小，并且在内壁上的受力均匀，从而表现出均一的磨损性。

所以，拉丝模结构对于拉丝模质量具有重要作用，在设计时，除了考虑模芯的几大工作区域的合理安排之外，还要对直线型及弧线型的优点进行筛选及优化，进而达到提高拉丝模设计的作用。