拉丝模使用中常见的问题

    拉丝模作为金属制品生产的基本工具，从旌到现在，其结构和材质发生了很大的变化。但直到今天，模具生产者和使用者仍在研究拉丝模的结构和应用。因为在金属制品行业，拉丝模的质量关系到产品的质量、模具使用寿命、生产效率、能源及成本消耗等多种因素。

1、拉丝模的结构

拉丝模由模套、模芯2部分构成。

    模套多由高质量的钢制成（国内多为45钢），硬度为HRC20-25，模套与模芯之间采用过盈配合，以达到补强的作用，否则在拉拔高强度的线材时，模芯容易破裂^[1]。模芯是拉丝模的关键部分，根据用料的不同，可分为天然金则石模、单晶金刚石模、复晶金刚石模、硬质合金模等；对于硬质合金模具来说，是由碳化钨和钴粉烧结而成的，模芯中钴的含量一般在3%-12%之间，烧结后模芯体积大约收缩15%-30%，形成质地均匀、硬度高、耐磨性极好的合金，其硬度在FRA86-93之间^[2]。因此，模芯的使用寿命主要取决于它本身的用料，并与拉拔线材的类型，润滑剂的性能，模芯的孔型及使用时模具的冷却状况等因素有关，其孔型结构有入口锥、润滑锥、工作锥、定径带的出口锥5部分组成。

    入口锥的作用是将线材导入拉丝模，线材进入拉丝模时，应尽可能保持平直，以防止线材产生不均匀应力。润滑锥的作用是在拉拔时导入润滑粉。为了在钢丝表面形成更厚的润滑涂层，润滑锥表面不需要抛光处理，以增加润滑压力。工作锥是模芯构造中至关重要的部分，线材表面润滑层的形成和全部塑性变形都在此区进行，拉丝模具的工作效率也取决于工作锥的几何形状和面积，因此必须确保工作锥角的加工精度和表面光洁度。工作锥应加工成直线型，其表面不得有弧形过渡或圆滑过渡，且工作锥角与定径带应保持在同一轴线上，模芯外径和模套内径应保持同心，这样，可以防止线材拉拔中出现的椭圆现象。

    定径带的作用是控制拉拔线材的直径、不圆度、平直度及表面质量等工艺指标。为保证产品质量，定径带表面需要经过抛光处理，且要求定径带与工作锥和出口锥的交界面相互保持平行，并严格控制定径带的尺寸公差。

    定径带的长度由拉拔材料和模具的材料决定，但主要由拉拔的材料决定。一般来说，对中高碳钢，定径带长度约为直径的25%-35%，对于较软的材料（铜线），定径带的长度一般为直径的50%-100%。另外模具的材料对定径带长短也会产生一定的影响，对于摩擦系数相对较大的，定径带可以稍短一点；对于摩擦系数较小的，允许定径带稍微长一眯，如天然金刚厂模的定径带一般为直径的35%-50%^[3]。对短定径带的拉丝模来说，正常使用情况下，允许磨损工作锥，但不能磨损定径带，因为随着定径事的磨损，定径带会逐渐加长，拉拔时产生过热现象，烧焦润滑粉，使润滑失效，并可以导致线材表面发生组织转变；但在低速拉拔时，长定径带的拉丝模材料变形产生热量可以软化润滑粉，并在钢丝表面形成流体边界润滑。所以定径带长度的选择应根据拉拔材料、模具材料、润滑粉和拉拔工艺并通过实验确定。

    把出口锥设计成锥开的目的是为了强化模具的出口，防止模芯破碎，出口锥要求进行抛光处理，并要求定径带与出口锥的交界处有轻微平滑的过渡，否则线材在拉拔时会刮伤其表面并产生大量的金属碎屑，污染润滑粉，并可能导致阻塞下一道模具入口，造成后续的拉拔润滑失效。

2、拉丝模使用中的常见问题

2.1工作锥角度选择不当引起的问题

    拉拔线材时工作锥角度太大（相当于压缩率太小），使线材进入拉丝模的接触点太靠近定径带（例如用14°模产生16%的压缩率）。在这个例子中，相对来说变形区过短，使线材变形速率加快，并产生大量热，容易导致润滑失效。若冷却不良，会影响线材的组织结构，并加剧模具消耗。若模角再大或压缩率再小，会使接触点更接近定径带，线材在流向定径带的过程中，由于锥角的影响，线材难于平稳过渡到定径区域，容易引起线材内凹，导致缩短，如果材料强度太低也会导致产生缩径或椭圆现象。尽管润滑区相对加长，并且开始瞬间能提供良好润滑，但是它会减小接触表面润滑压力，并产生涡流效应，导致润滑粉反向流出模孔，减弱润滑效果，再加上由变形产生的种种不良效果，最终导致润滑失效，表面裂纹、刮伤，模耗加剧，丝径难以控制。

    工作锥角太小，导致进线接触点靠近工作锥上端，使变形区相对加长，使拉丝机对钢丝产生的残余功增多，产生大量热，加大拉丝机功耗。另外润滑区减小，减弱润滑效果，在变形区某一点将耗尽残存线材表面润滑粉。当拉应力过大时，在定径区域容易引起轴向伸长，出现缩径和椭圆问题，最终将导致润滑不良，产生金属碎屑及断丝、过热、缩丝。

2.2中心断裂及人字裂纹现象

    中心断裂及“人”字裂纹现象在发现后一直被认为是由原材料引起的问题，但直到1930年Fenhison才指出，中心断裂及“人”字裂纹是由拉拔工艺（道次压缩率、拉拔道次）安排不合理引起的。在线材拉拔过程中，线材内部组织沿着轴向延伸，线材表面的组织流动速度大于内部组织的流动，在心部产生沿轴向的拉应力，当轴向的拉应力超过拉拔材料的抗拉强度时，在材料的心部就产生“人”字裂纹，严重时会产生杯锥断裂（柱状）。因此在制定拉拔工艺时应根据拉拔原料、拉丝模类型来合理安排拉拔工艺。

3、残余应力和表面加工硬化现象

    残余应力和加工硬化是由残余功造成的，残余功使材料硬化加剧，严重的会使线材的表面开裂、起皮，拉拔困难。

若工艺安排不合理会使残余功增加，并加大设备的能耗，使生产成本增中，利用Wistreich得出△（由压缩率和模子锥角决定）参数来指导工艺的安排，可以避免产生更多的残余功，△数据见表1。

表1  不同模角、压缩率下对应的△值

    过去一直认为对于钢丝拉拔△值一般在2-3之间，如果△过大（即模角过大或压缩率过小）会产生更多的残余功，并产生更大的不均匀变形；若△太小（即模角小或压缩率过大）会产生更多的摩擦热，所以△过大或过小都说明拉拔工艺的安排不合理。近年来国外的拉拔工艺安排△一般倾向于取1.5或更小一点（减小模角或加大压缩率会减小△的值）。Thomas Maxwell认为模具的工作锥和钢丝之间的接触长度应是定径带直径的72%到100%，偏小给予有力的证明，因为△取小可以使残余功减至最小，并减少不均匀变形的程度和心部断裂现象，而且当润滑剂性能很好时，会减小摩擦系数，即减少摩擦功的产生。

4、结语

    拉丝模作为金属制品变形的基本工具，其形状和构造无论怎样变化，其目的都是为了保证生产效率和产品质量，所以制品生产厂家应建立严格的模具返修和检查方法，制定合理的交接班拔工艺，严格质量控制，才能保证产品的质量。

参考文献

1  王天冲.钢帘线生产.北京：北京科技大学压力加工系.1996.67-72

2  Thomas Maxell.Maintenance,deaign,measuring and pressure lubrication of wiredrawing die.Wire Jouranl International,May 2001:72-79

3  Tino Corral.Die design and wiredrawing-understanding the relationship between die specification and wiredrawing,Wire Journal International,January 2002:91-93

作者简介

汤小雷：1976年5月生，山东荣成成山钢帘线有限公司助理工程师。