拉伸模

?別名:拉絲模、眼模

通常指各種拉制金屬線的模具，還有拉光纖的拉絲模。所有拉絲模的中心都有個一定形狀的孔，圓、方、八角或其它特殊形狀。金屬被拉著穿過?？讜r尺寸變小，甚至形狀都發(fā)生變化。拉軟金屬(如金銀)時鋼模就夠用，鋼模上可以有多個不同孔徑的孔。拉制鋼絲(鋼線)一般采用硬質(zhì)合金模具(Tungsten carbide nib)，這種模具的典型結(jié)構(gòu)為一個圓柱形(或略帶錐度)的硬質(zhì)合金模芯緊密地鑲嵌在一個圓形鋼套(case)中，模芯內(nèi)孔中有喇叭口(Bell radius)、入口錐(Entrance angel)、變形(工作)錐(approach angle)、定徑帶(bearing)及出口角(back relief)。拉有色金屬線，如銅、鋁，也較多采用和鋼絲模類似的拉絲模，內(nèi)孔形狀有些差異，拉細(xì)線可用到聚晶模(人造鉆石)，還有用到天然鉆石的拉絲模。

秦始皇兵馬俑中的一些士兵的石鎧甲上就能見到有金屬線，因此估計那時候就有人掌握了拉絲技術(shù)。在天工開物那本明代的書籍中我們能見到針的制作工藝，其中就有拉絲模的采用。

一、拉絲模的定義

通常指各種拉制金屬線的模具，還有拉光纖的拉絲模。所有拉絲模的中心都有個一定形狀的孔，圓、方、八角或其它特殊形狀。金屬被拉著穿過?？讜r尺寸變小，甚至形狀都發(fā)生變化。

二、拉絲模的種類

1、鋼模--拉軟金屬(如金銀)時鋼模就夠用，鋼模上可以有多個不同孔徑的孔。

2、硬質(zhì)合金模--拉制鋼絲(鋼線)一般采用硬質(zhì)合金模具(Tungsten carbide nib)，這種模具的典型結(jié)構(gòu)為一個圓柱形(或略帶錐度)的硬質(zhì)合金模芯緊密地鑲嵌在一個圓形鋼套(case)中，模芯內(nèi)孔中有喇叭口(Bell radius)、入口錐(Entrance angel)、變形(工作)錐(approach angle)、定徑帶(bearing)及出口角(back relief)。

3、鋼絲模--拉有色金屬線，如銅、鋁，也較多采用和鋼絲模類似的拉絲模，內(nèi)孔形狀有些差異。

4、聚晶模--拉細(xì)線可用到聚晶模(人造鉆石)，還有用到天然鉆石的拉絲模。

三、拉絲模的用途

拉絲模用途廣泛，如電子器件、雷達(dá)、電視、儀表及航天等所用的高精度絲材以及常用的鎢絲、鉬絲、不銹鋼絲、電線電纜絲和各種合金絲都是用金剛石拉絲模拉制出來的，金剛石拉絲模由于采用天然金剛石作原料，從而具有極強的耐磨性，使用壽命極高。

····最新的補充·····

拉絲模是各種金屬線材生產(chǎn)廠家(如電線電纜廠、鋼絲廠、焊條焊絲廠等)拉制線材的一種非常重要的易消耗性模具。拉絲模的適用范圍十分廣泛，主要用于拉拔棒材、線材、絲材、管材等直線型難加工物體,適用于鋼鐵、銅、鎢、鉬等金屬和合金材料的拉拔加工。由于拉絲模的成本約占拉絲費用的1/2以上，因此，如何降低拉絲模成本、提高其使用壽命是金屬線材生產(chǎn)單位迫切需要解決的問題。

國外金屬制品工業(yè)為提高生產(chǎn)競爭能力，越來越重視拉絲模的質(zhì)量和制造工藝的改進(jìn)，從提高拉絲模壽命入手，對拉絲模的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、制造工藝、制造設(shè)備以及檢測儀器等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，開發(fā)出復(fù)合拉絲模、拉絲模新材料、表面涂層新技術(shù)、拉絲模新的孔型設(shè)計方法等，推動了世界拉絲生產(chǎn)的發(fā)展。

我國是線材生產(chǎn)大國，產(chǎn)量居世界前列。我國拉絲模制造工業(yè)從八十年代起發(fā)展較快，隨著拉絲模制造水平的不斷提高和生產(chǎn)工藝的不斷改善，我國的拉絲模制造技術(shù)有了進(jìn)一步的發(fā)展，尤其是在拉絲模的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等方面有了長足進(jìn)步。但總的來說與國外還有不小的差距。盡管國外生產(chǎn)的拉絲模種類與國內(nèi)的差不多，但所用材料和工藝過程更加先進(jìn)，拉絲模的加工精度、耐用性、耐磨性等指標(biāo)均優(yōu)于我國的產(chǎn)品。因此，加強制模管理，提高拉絲模質(zhì)量水平，推動制模工藝技術(shù)的進(jìn)步，是制模工業(yè)當(dāng)前面臨的重要課題。?

2.拉絲模的材質(zhì)

經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，已出現(xiàn)了很多新型拉絲模材質(zhì)。按照材料種類，可將拉絲模分為合金鋼模、硬質(zhì)合金模、天然金剛石模、聚晶金剛石模、CVD金剛石模和陶瓷模等多種。近年來新型材料的開發(fā)極大的豐富了拉絲模的應(yīng)用范圍并提高了拉絲模的使用壽命。

(1)合金鋼模是早期的拉絲模制造材料。用來制造合金鋼模的材料主要是碳素工具鋼和合金工具鋼。但是由于合金鋼模的硬度和耐磨性差、壽命短，不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，所以合金鋼模很快被淘汰，在目前的生產(chǎn)加工中已幾乎看不到合金鋼模。

(2)硬質(zhì)合金模由硬質(zhì)合金制成。硬質(zhì)合金屬于鎢鈷類合金，其主要成分是碳化鎢和鈷。碳化鎢是合金的"骨架"，主要起堅硬耐磨作用;鈷是粘結(jié)金屬，是合金韌性的來源。因此，硬質(zhì)合金模與合金鋼模相比具有以下特性:耐磨性高、拋光性好、粘附性小、摩擦系數(shù)小、能量消耗低、抗蝕性能高，這些特性使得硬質(zhì)合金拉絲模具有廣泛的加工適應(yīng)性，成為當(dāng)今應(yīng)用最多的拉絲模模具。

(3)天然金剛石是碳的同素異性體，用它制作的模具具有硬度高、耐磨性好等特點。但天然金剛石的脆性較大，較難加工，一般用于制造直徑1.2mm以下的拉絲模。此外，天然金剛石價格昂貴，貨源緊缺，因此天然金剛石模并不是人們最終所尋求的即經(jīng)濟又實用的拉絲工具。

(4)聚晶金剛石是用經(jīng)過認(rèn)真挑選的質(zhì)量優(yōu)良的人造金剛石單晶體加上少量硅、鈦等結(jié)合劑，在高溫高壓的條件下聚合而成。聚晶金剛石的硬度很高，并有很好的耐磨性，與其它材料相比它具有自己獨特的優(yōu)點:由于天然金剛石的各向異性，在拉絲過程中，當(dāng)整個孔的周圍都處在工作狀態(tài)下時，天然金剛石在孔的某一位置將發(fā)生擇優(yōu)磨損;而聚晶金剛石屬于多晶體、具有各向同性的特點，從而避免了?？啄p不均勻和模孔不圓的現(xiàn)象發(fā)生。與硬質(zhì)合金相比，聚晶金剛石的抗拉強度僅為常用硬質(zhì)合金的70%，但比硬質(zhì)合金硬250%，這樣，使得聚晶金剛石模比硬質(zhì)合金模有更多的優(yōu)點。用聚晶金剛石制成的拉絲模耐磨性能好，內(nèi)孔磨損均勻，抗沖擊能力強，拉絲效率高，而且價格比天然金剛石便宜許多。因此目前聚晶金剛石模在拉絲行業(yè)中應(yīng)用廣泛。

(5)CVD(化學(xué)氣相沉積法)涂層拉絲模是新近發(fā)展起來的一項新技術(shù)，其主要方法就是在硬質(zhì)合金拉絲模上涂層金剛石薄膜。金剛石薄膜是純金剛石多晶體，它既具有單晶金剛石的光潔度、耐溫性，又具有聚晶金剛石的耐磨性和價格低廉等優(yōu)點，在代替稀有的天然金剛石制備拉絲模工具方面取得很好的效果，它的廣泛使用將為拉絲模行業(yè)帶來新的活力。

(6)高性能的陶瓷材料具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性強、高溫力學(xué)性能優(yōu)良和不易與金屬發(fā)生粘結(jié)等特點，可廣泛應(yīng)用于難加工材料的加工。

近三十年來，由于在陶瓷材料制造工藝中實現(xiàn)了對原料純度和晶粒尺寸的有效控制，開發(fā)了各種碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、晶須或少量金屬的添加技術(shù)。以及采用多種增韌補強機制等，使陶瓷材料的強度、韌性、抗沖擊性能都有了較大提高。

從國外研究結(jié)果看，陶瓷材料已廣泛應(yīng)用于模具領(lǐng)域，在日本、美國、法國等國家已有多項專利。雖然現(xiàn)在陶瓷拉絲模在我國還沒有得到廣泛的應(yīng)用，但是隨著制造技術(shù)的不斷提高，陶瓷將會是適合拉絲工業(yè)的良好的拉絲模材料。

陶瓷拉絲模在拉絲過程中不容易與金屬線材發(fā)生粘附，有利于提高金屬絲材表面性能，尤其是在高溫下拉制有色的硬質(zhì)材料(如W、Mo絲等)。用陶瓷拉絲模拉拔有色金屬材質(zhì)可以避免硬質(zhì)合金拉絲模的缺陷，并且可以延長拉絲模壽命、提高材質(zhì)的表面質(zhì)量。

各種拉絲模的材質(zhì)各有特點。其中，天然金剛石拉絲模的價格最為昂貴，加工也極其困難，同時因為天然金剛石的各向異性，在徑向范圍內(nèi)硬度差別很大，容易在某一方向上產(chǎn)生劇烈磨損，所以天然金剛石模只適用于加工直徑很小的絲材。硬質(zhì)合金模硬度較低，用硬質(zhì)合金模拉拔的線材質(zhì)量較高，表面粗糙度低，但硬質(zhì)合金模的耐磨性較差，模具的使用壽命短。聚晶金剛石模的硬度僅次于天然金剛石，因其具有各向同性的特點，不會產(chǎn)生單一徑向磨損加劇的現(xiàn)象，但其價格十分昂貴，加工困難，制造成本很高。CVD涂層拉絲模因具有金剛石的性能而具有良好的耐磨性，拉拔線材的表面粗糙度較低，但是CVD涂層拉絲模的制作工藝復(fù)雜，加工困難，成本較高;當(dāng)涂層磨耗后模具將迅速磨損，不僅難以保證加工質(zhì)量，而且不能重復(fù)使用，只能報廢。陶瓷材料具有比硬質(zhì)合金高的硬度和耐磨性，制作成本低廉，是介于金剛石與硬質(zhì)合金之間的制作拉絲模的優(yōu)良材料。但由于陶瓷材料的韌性差、熱沖擊差且加工困難，至今尚未獲得大范圍應(yīng)用。各種拉絲模材質(zhì)的優(yōu)缺點對比見表2。

表2 幾種拉絲模材料的優(yōu)缺點對比

拉拔模材質(zhì)-優(yōu)點-缺點-應(yīng)用范圍

合金鋼模-制作簡便-耐磨性差、壽命短-基本淘汰

天然金剛石-硬度高、耐磨性能好-脆性大，加工難-直徑1.2mm以下的線模

硬質(zhì)合金-拋光性好、能量消耗低-耐磨性差、加工困難-各種直徑線材

聚晶人造金剛石-硬度高、耐磨性好-加工困難、成本高-小型線材、絲材

CVD涂層材料-光潔度高、耐溫性好-工藝復(fù)雜、加工困難-小型線材、絲材

陶瓷材料-耐磨、耐高溫、耐腐蝕性好-熱沖擊、韌性差、加工難-沒有大范圍應(yīng)用

在小型線材、絲材的拉拔加工中，天然金剛石、聚晶金剛石和CVD涂層模是常用的拉絲模材料。在拉拔小直徑絲材時，CVD涂層金剛石模克服了天然金剛石模的各向異性，同時具有優(yōu)良的強度和硬度，拉拔產(chǎn)量最高，表面質(zhì)量也達(dá)到要求。試驗證明，CVD涂層金剛石拉絲模的壽命等同于天然金剛石模具，產(chǎn)品合格率高，表面質(zhì)量優(yōu)于國產(chǎn)聚晶金剛石。因此，對于小直徑絲材拉拔加工，CVD涂層金剛石拉絲模是較為理想的選擇。

盡管拉絲?？捎糜诩庸じ鞣N鋼鐵、銅、鎢、鉬等金屬和合金材料，但不同材質(zhì)的拉絲模各有其適用的加工范圍，不同材質(zhì)的拉絲模加工相同的線材時其磨損形態(tài)和使用壽命存在很大差別，因此合理選用拉絲模材質(zhì)是保證成功應(yīng)用的關(guān)鍵。不同材質(zhì)的拉絲模都有其相對合理的加工對象。拉拔加工的合理性主要指拉絲模與線材兩者的力學(xué)、物理和化學(xué)性能相互匹配，以獲得最長的模具使用壽命。例如，在拉拔相同直徑的銅絲時，聚晶金剛石模的使用壽命是硬質(zhì)合金模壽命的300~500倍，拉拔鎳絲時僅為80~100倍，拉拔鉬絲時，其壽命只有硬質(zhì)合金模壽命的50~80倍，而拉拔碳鋼時，聚晶金剛石模的壽命只有硬質(zhì)合金模的20~60倍。由于國內(nèi)對拉拔模與線材的匹配理論缺乏系統(tǒng)研究，導(dǎo)致了盲目選擇，造成資源浪費。拉絲模的摩擦磨損情況十分復(fù)雜，一般分為破壞和摩擦磨損兩大類。拉絲模的破壞又可以分為環(huán)狀破壞、拉伸破壞、剪切破壞和支撐面破壞等，摩擦磨損可分為磨耗磨損、磨擦磨損、腐蝕磨損、擦傷和細(xì)顆粒產(chǎn)生的磨損等。工作條件(線材材料、拉絲模材質(zhì)、潤滑劑等)的不同，使得拉絲模的磨損和破壞都有其獨特的過程。拉絲模的磨損破壞之間的相互關(guān)系，在本質(zhì)上是相互關(guān)聯(lián)的。拉絲模內(nèi)部的情況可能非常微妙，一些因素可能會同時起作用，它們的疊加作用非常復(fù)雜，不易理解?？赡芤粋€因素的作用會掩蓋其他因素的作用，上述幾種破壞和摩擦磨損的形式可能經(jīng)常交織在一起，為分析拉絲模的破壞磨損機理增加了難度。但總的來說，各種材質(zhì)拉絲模的耐磨性由高到低的排序是:金剛石拉絲模(沒有考慮天然金剛石各向異性的問題)--陶瓷拉絲模--硬質(zhì)合金模--已淘汰的合金鋼模。

通過對拉絲模的材質(zhì)的研究，拉絲模正在向著高強度、高硬度、高耐磨性發(fā)展，各種符合要求的新材料層出不窮，拉絲模的耐磨性大幅度提高，磨損、破壞的時間明顯延遲，拉絲模壽命不斷增加，加工精度也有了一定的提高。拉拔加工的適用范圍正逐步擴大，從粗到細(xì)各種規(guī)格的線材都可以加工，并出現(xiàn)了用于加工不規(guī)則線材的異型模。?

3.拉絲模結(jié)構(gòu)

近年來，隨著改革、開放的深入進(jìn)行，國內(nèi)相繼引進(jìn)了工業(yè)發(fā)達(dá)國家制造的拉絲模及相應(yīng)的?？讬z測儀器。通過對國外拉絲?？仔偷钠饰?，使我們了解到現(xiàn)代拉絲?？仔偷脑O(shè)計思想，為提高我國拉絲模的設(shè)計水平提供了借鑒。

3.1 拉絲模內(nèi)孔結(jié)構(gòu)

拉絲模芯的結(jié)構(gòu)按工作性質(zhì)可分為"入口區(qū)、潤滑區(qū)、工作區(qū)、定徑區(qū)、出口區(qū)"五個區(qū)間。拉絲模的內(nèi)徑輪廓很重要，它決定著壓縮線材所需的拉力，并影響拉拔后線材中的殘余應(yīng)力。模芯各區(qū)的作用分別是:入口區(qū)，方便穿線及防止鋼絲從入口方向擦傷拉絲模;潤滑區(qū)，通過它使鋼絲易于帶入潤滑劑;工作區(qū)，是?？椎闹饕糠?，鋼絲的變形過程在這里進(jìn)行，即將原始截面減小到所要求的截面尺寸。在拉拔圓錐面金屬時，工作區(qū)內(nèi)金屬的體積所占的空間是一個圓臺，該空間稱為變形區(qū)。工作區(qū)內(nèi)的圓錐半角α(又稱為?？装虢?主要用于確定拉拔力的大小;定徑區(qū)的作用在于取得被拉拔鋼絲的準(zhǔn)確尺寸;出口區(qū)是用于防止鋼絲出口不平穩(wěn)而刮傷鋼絲表面。

3.2 "直線型"與"弧線型"模的討論

隨著拉絲速度的提高，拉絲模的使用壽命成為突出的問題。美國人T Maxwall和E G Kennth提出了適應(yīng)高速拉絲的新拉絲模孔型理論，即"直線型"理論。根據(jù)該理論制作的拉絲模具有下列特點:

①入口區(qū)、潤滑區(qū)合二為一，具有使?jié)櫥菧p小的趨勢，使?jié)櫥瑒┻M(jìn)入工作區(qū)前就受到一定壓力，從而起到更好的潤滑效果。

②入口區(qū)和工作區(qū)加長，以建立較好的潤滑壓力，其角度按拉絲材質(zhì)和每道次壓縮率分別進(jìn)行優(yōu)選。

③定徑區(qū)必須平直且長度合理。

④各部分縱面線都必須是平直的。

近年來，國內(nèi)拉絲行業(yè)對"直線型"和"弧線型"拉絲模進(jìn)行了廣泛的討論，其中爭議較大的是工作區(qū)的形狀和工作區(qū)與定徑區(qū)交界處的形狀。不少人對"直線型"模持肯定態(tài)度。但筆者認(rèn)為兩種類型的拉絲模均有著各自的特點及所適用的場合，不加分析地作出結(jié)論，末免有失偏頗。

模芯工作區(qū)呈"弧線型"，會使金屬在變形區(qū)內(nèi)的流動更加曲折，導(dǎo)致附加剪切變形及多余變形功的增大，繼而使拉拔應(yīng)力增大(一般較"直線型"模增大10~30%)。而"直線型"模工作區(qū)輪廓線上各點的斜率相同，這樣當(dāng)我們確定了最佳工作區(qū)圓錐半角α?xí)r，便可在最小的應(yīng)力狀態(tài)下拉拔金屬;而"弧線型"模由于其輪廓線上各點的曲率不同，故無法使整個工作區(qū)存在這樣一個最佳工作區(qū)圓錐半角α。從有利于金屬的流動和減小拉拔應(yīng)力的角度出發(fā)，目前國外在道次壓縮率為10~35%(大多數(shù)金屬絲的變形均在此范圍內(nèi))及拉拔中、粗規(guī)格的金屬絲時，一般均采用"直線型"工作區(qū)。

而采用"弧線型"工作區(qū)時，金屬在內(nèi)孔中的變形可隨其加工硬化程度的增加而逐漸減小，內(nèi)孔壁上的壓力分布和磨損都比較均勻，故"弧線型"工作區(qū)耐磨性好。特別是當(dāng)?shù)来螇嚎s率較小時(小于10%)，采用"弧線型"工作區(qū)，可在工作區(qū)圓錐半角α較小的情況下獲得足夠長的變形區(qū)。加之"弧線型"工作區(qū)具有適應(yīng)能力強的特點，故在道次壓縮率較大(大于35%)或較小(小于10%)及拉拔鋼絲時，還是應(yīng)該采用"弧線型"模。

3.3 國內(nèi)外拉絲?？仔螌Ρ?/p>

與國外產(chǎn)品相比，國產(chǎn)拉絲模模坯存在以下明顯不足:

①入口角小。由于在拉拔過程中線材首先和模芯入口區(qū)接觸，入口區(qū)錐角小，不但增大了線材與內(nèi)孔的接觸面積，使摩擦力增大，而且妨礙潤滑劑的帶入，使拉絲過程中的潤滑效果變差，嚴(yán)重影響模具使用壽命。

而國外拉絲模產(chǎn)品的入口角增大，有效地避免了線材與拉絲模的擦傷，而且?guī)肓烁嗟臐櫥瑒?，增強了潤滑效果，減少了模芯磨損。這種改變提高了線材的表面質(zhì)量，同時也提高了拉絲模的使用壽命。②工作區(qū)短小。與國內(nèi)同種規(guī)格的拉絲模相比，國外拉絲模工作區(qū)的長度普遍要長許多。較長的工作區(qū)有利于線材在拉拔過程中摩擦力的減少與均勻分布，降低拉絲模內(nèi)孔的磨損，提高模具壽命。較長窄的工作區(qū)能減小線材和拉拔模的間隙，可在大的壓力下迫使較多的潤滑劑進(jìn)入線材與內(nèi)孔中間，從而造成更好的潤滑壓力。由內(nèi)孔出去的線材溫度較低，拉拔力減小，拉拔過程中金屬的流動較為均勻，有利于拉拔速度的提高和線材表面質(zhì)量的改善。此外，這種類型的工作區(qū)設(shè)計還能防止?jié)櫥瑒睦z模的進(jìn)口端退出。

而我國模具由于工作區(qū)短小，造成孔內(nèi)有效使用面積較小，不僅增加了摩擦力，加劇磨損，而且浪費原材料，增大了成本投入。

③定徑區(qū)不明顯。定徑區(qū)是線材確定最終尺寸的最后環(huán)節(jié)，定徑區(qū)的短小且不平直將直接影響到線材的最終質(zhì)量。短小的定徑帶容易造成產(chǎn)品尺寸超差，并使拉拔模很快磨損報廢。明顯且平直的定徑區(qū)能夠生產(chǎn)出高精度和高表面質(zhì)量的線材，而且有利于減小磨損，大大提高拉絲模的使用壽命。

從德國產(chǎn)拉絲模與我國湘鋼產(chǎn)拉絲模的磨損曲線對比可知，兩種拉絲模在相同的拉拔條件下工作:工件材質(zhì):65號鋼線材;拉拔速度:3.64m/s;拉拔用潤滑劑:肥皂粉;拉拔前表面涂層:硫酸酸洗、磷化、涂硼砂。測試結(jié)果表明，拉絲模的結(jié)構(gòu)對拉絲模的使用有很大的影響。德國產(chǎn)拉絲模的使用壽命比湘鋼產(chǎn)拉絲模的使用壽命高2.72倍。

上述比較分析證明:通過拉絲模內(nèi)孔的孔型優(yōu)化可以降低拉絲模的磨損率，延長拉絲模的使用壽命。因此，進(jìn)行拉絲模的孔型優(yōu)化，提高拉絲模的制造精度，可以節(jié)約生產(chǎn)成本，大幅度提高生產(chǎn)效率，對我國線材工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。