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影响拉线模使用寿命因素的分析1前言拉线模是电线电缆行业生产线材的重要工具，它是实现正常的连续拉伸，保证拉伸制品质量的关键。要使拉线模达到最佳的使用寿命，获得高质量的拉伸制品，不仅取决于拉线模本身的材质，还决定于模子的孔型设计和使用时的其它配合条件。目前，随着高速拉丝机的广泛应用，拉线模使用寿命的长短问题日益突出。本文结合铜线材厂家的生产实际以及国内外拉线模具的一些新发展，对影响拉线模使用寿命的因素作一简要分析。2拉线模的质量对其使用寿命的影响拉线模本身质量是影响其使用寿命的一个重要因素。拉线模的质量与模芯材料、孔型设计及加工工艺有关，改善模芯材质，设计合理的孔型结构及改进加工技术，均有利于提高模子的使用寿命和线材质量。2.1模芯材料目前，国内生产铜线所使用的拉线模的模芯材料以硬质合金、天然金刚石和人造聚晶金刚石为主。硬质合金是硬度很高的碳化钨和金属钴的粉末烧结体。它具有高的硬度、很好的耐磨性及较强的抗冲击性，价格低廉，是一种极佳的拉线模制作材料，广泛应用于拉拔粗、中线材。目前，国外采用热等静压（HIP）处理、超细晶工艺来降低孔隙度，提高合金的硬度，以及加入稀有金属、发展表面涂层工艺，提高合金表面强度。研究表明，通过改善硬质合金成分和组织结构，控制碳含量的波动值，细化碳化物的颗粒，可以提高材质的性能，延长其使用寿命。天然金刚石具有硬度高、耐磨性好的特点，拉制的线材表面光洁度很高。由于天然金刚石在结构上具有各向异性，导致其硬度也呈各向异性，使模孔的磨损不均匀，制品不圆整。加之价格昂贵、稀少，一般用作表面质量要求高的细线拉线模或成品拉线模。人造聚晶金刚石是无定向的多晶体。它具有硬度高，耐磨性好，抗冲击能力强的优点。在硬度上不存在各向异性，磨损均匀，模具使用寿命长，适用于高速拉拔。由于国产聚晶模坯存在晶粒粗大、抛光性能差等质量问题，目前国内厂家多使用聚晶模作过渡模，而不用作成品模。但随着聚晶模内在质量和加工水平的提高，有取代昂贵的天然金刚石作成品模使用的趋势。2.2拉线模的孔型设计在相同材质条件下采用不同的孔型设计，模子使用寿命相差甚远。因此，改进孔型设计是提高模具使用寿命的一条重要途径。拉丝模孔型一般分为曲线型（即R型系列）和直线型（即锥型系列）。从线材在拉线模内变形均匀的角度分析，似乎曲线型较直线型好，因此，我国过去普遍采用前苏联上世纪50年代使用的R型系列来制订拉丝模制作规范。这种孔型是在当时“圆滑过渡”的理论指导下设计出来的，其孔型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”五个部分，各部交界处要求“倒棱”，圆滑过渡，把整个孔型研磨成一个很大的、具有不同曲率的弧面。这种孔型的模子在当时的拉拔速度条件下，还是可以适用的。到上世纪70年代末至80年代初，随着拉线速度的提高，拉线模的使用寿命就成了突出问题。为了适应高速拉线的要求，美国的T.Maxwall和E.G.Kennth提出了“直线型”理论。该理论着重考虑了拉拔过程中的润滑作用和磨损因素，指出经改进后的直线型拉线模孔型应具有以下几个特点：（1）孔型各部分的纵剖面线都必须是平直的。平直的工作锥面拉拔力最小。（2）模具各部位的交接部分必须明显，这样各部位可以充分发挥各自的作用，避免了过渡角对定径区实际长度的减小。（3）延长入口区和工作区高度，使线材进入模孔工作锥的中间段，利用入口锥角和工作锥角上半部分形成的楔形区，建立“楔形效应”，在线材表面形成更致密牢固的润滑膜，减少磨损，适合于高速拉拔。（4）定径区必须平直且长度合理。定径区过长，拉线摩擦力增大，线材拉出模孔后易引起缩径或断线；定径区过短，难以获得形状稳定、尺寸精确和表面质量良好的线材，同时模孔还会很快磨损超差。采用直线型理论设计出的拉线模，经实践应用，其使用寿命比R型拉线模提高3～5倍以上。2.3模具加工制作水平模具加工制作水平对模具质量的影响，主要体现在两个方面：一是拉线模的孔型尺寸，二是模孔内表面光洁度。国外拉线模具的研磨工艺普遍采用高速机械研磨机，以及表面镀以金刚石的金属磨针，该设备运行平稳，磨针的规格及使用规范化，产品精度高。模子的孔型尺寸利用轮廓记录仪及孔径测量仪来检测，并用检查拉线模专用的显微镜来检查表面光洁度。而国内许多厂家还在采用落后的设备，使用手工操作来研磨孔型，因此，存在着以下问题：孔型参数波动较大，难以加工出平直的工作锥；定径区与工作区交接处易研磨出过渡角，使线材在定径区中产生二次压缩，增加外摩擦力，减短了定径区长度，缩短模具的使用寿命；磨损的磨针修复频度因人而异，使用不规范，造成孔型的一致性差。检测手段也落后，只能依靠目测或者放大镜、显微镜等简单工具检测，而且注重的是模内表面光洁度，对孔型尺寸不能有效检测，更谈不上控制了。3拉伸条件对模具使用寿命的影响在线材的拉伸过程中，影响模具使用寿命的工艺条件主要有：反拉力P`的作用、道次压缩率δ、润滑剂及线材的表面质量。3.1反拉力P`拉伸时线材在模孔内受到的作用力有：模壁的正压力Ｎ、摩擦力Ｔ、拉拔力Ｐ以及反拉力Ｐ＇。根据拉线时力的平衡条件和金属材料的屈服准则，Ｏ．Ｈｏｆｆｍａｎ，Ｇ．Ｓａｃｈｓ用微元分析法推导出拉线时轴向拉应力σＰＸ为σＰＸ＝σＳ１＋１－２Ｂ＋σλ２Ｂ（１）Ｂ＝μ／ｔｇα模壁的正压应力σＮＸ为σＮＸ＝σＳ－σＰＸ（２）式中，σｓ为屈服强度；Ｒｘ为距线材入口ｘ处模孔半径；σλ为线材人口处反拉应力；ＲＯ为线材入口处模孔半径；Ｒｆ为线材出口处模孔半径；μ为摩擦系数；α为工作锥半角。模壁所受压应力是从线模入口向出口处逐渐减小的，以刚进口时为最大。这就是线模入口处经常出现环形磨损沟的力学原因。由于反拉力的作用，可明显降低线模入口处的压应力，并有利于润滑剂进入工作区，减小线材与模壁间的摩擦，减缓环形磨损及模子破裂情况，延长线模的使用寿命。但过大的反拉力，会加大拉线时的拉拔应力，易使线材产生缩径或断线。3.2道次压缩率在其它拉伸条件不变时，模壁上的压应力越大，受到的摩擦应力也越大，模子磨损越严重。研究表明，模壁上的压应力σＮ可表示为σＮ＝σｂ／１＋（３）σｂ＝（σｂ１十σｂ２）／２Ｑ＝Ｆ／ｓｉｎα≈Ｆ／α很小时）Ｆ＝ｆ１－ｆ２，α＝σＮ＝＝（４）式中，σｂ１、σｂ２为本道次拉伸前后线材的抗拉强度；ｆ１、ｆ２为本道次拉伸前后线材的截面积；Ｑ为线材与模子工作区的接触面积；σｂ为本道次线材的平均抗拉强度。设Ａ＝＝１＋－１（５）为讨论方便，设本道次线材拉伸时的σｂ＝１，μ＝０．１。由式（５）可绘制出图４所示模壁上的压应力σＮ与本道次线材平均抗拉强度σｂ的比值Ａ与参数δ和α的关系曲线。由于σＮ与Ａ值成正比关系，从图中可以看到：（１）当α一定时，Ａ值随δ增加而降低，即σＮ随δ增加而降低；（２）当δ一定时，Ａ值随α增加而增加，即σＮ随α增加而增加。因此，在拉伸条件允许的情况下，增加道次压缩率和适当减小工作锥角度，可以降低模壁上的压应力，有利于提高拉线模的使用寿命。3.3润滑剂在拉伸过程中，润滑剂的质量及润滑剂的供给是否充足都影响着拉线模的使用寿命。因此要求润滑剂油基稳定，乳化性好，具有优良的润滑性、冷却性和清洗性，易于把铜粉末过滤与沉淀，在整个生产过程中始终保持最佳的润滑状态，以便形成一层能承受高压力而不被破坏的薄膜，降低工作区的摩擦力，提高模子使用寿命。润滑剂ｐＨ值的稳定对润滑效果有很大的影响。因为当润滑乳液中的铜粉沉淀时，会降低润滑剂中的脂肪量，增加游离碱含量，使线材表面的润滑组分易被清洗掉，强烈地降低乳液的润滑性能。而当乳液不稳定，脂肪量过高时，乳液将会分层，夹带着细小铜粉的脂肪成分漂浮在乳液上，使铜粉不易沉淀过滤，造成模孔堵塞，使润滑作用变坏。3.4线材的表面质量线材表面如果有氧化层、砂土或其他杂质的粘附，这将会给拉线模的使用寿命带来不利影响。因为当线材通过模孔时，硬、脆的氧化层会象磨料一样地造成拉线模模孔很快磨损及擦伤线材表面。所以，已严重氧化的线材需要酸洗后再进行拉伸。在坯料堆放时，也要注意堆放场地的整洁，避免与砂土及其它杂质接触。4使用方法对拉线模使用寿命的影响拉线模在长期的使用过程中，模壁受到金属线材强烈的摩擦与冲刷作用，会产生磨损现象，最常见的是在工作区线材人口处出现环形沟槽（凹痕）。拉线模环沟的出现，加剧了模孔的磨损。因为环沟上因松动而剥落的模芯材料小颗粒被金属线带入模孔工作区和定径区，起着磨料的作用，而进入模孔的线材则象磨针一样加剧模孔的磨损。如不及时调换进行修复，那么环沟将继续加速扩大，使修复增加困难，甚至有可能在环形沟槽较深处出现裂纹，使模具完全崩碎报废。从经验中得知，制定出一套规范标准，加强日常保养，经常对模子进行检修是非常经济合算的事情。一旦模子出现了任何轻微的磨损，及时进行抛光，则使模子恢复到原始抛光状态所花费时间要短，而且模子的孔型尺寸无明显变化。在拉伸工艺一定的情况下，拉伸设备的使用方法对模子的寿命也有较大的影响。线材的拉伸轴线与模孔中心线不对称，将对线材和拉线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线模造成很高的应力峰值，两者都将加速模子的磨损。尤其是对于手工镶模的模子，如果模具中心线存在显著的偏差，则会加剧模孔的扩大，导致不均匀磨损，使模孔变成椭圆形。另外，在拉线过程中频繁地停车也将增大模子的磨损，这是因为拉拔起步时的拉应力造成的摩擦比正常拉拔时的摩擦要大得多的缘故。5结束语为延长拉线模的使用寿命，除选择合适的模具材质，设计合理的孔型尺寸，提高拉线模的制造水平，使模孔表面光洁度达到工艺要求外，还必须确定合理的道次压缩率，改善拉线模的使用条件，在使用过程中注意模子的日常保养，应勤洗勤换，并保证拉伸过程中具有良好的润滑效果。