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压力拉丝模的设计

拉拔工序是钢丝生产的重要环节，直接影响生产效率和钢丝的性能。本工作设计一种压力拉丝模，以期提高钢丝的生产效率。压力拉丝模分为润滑模和拉拔模两部分，以便能够将Φ3.556mm的高碳钢丝拉至Φ0.965 mm左右。
1. 实验
1.1主要试验材料
试验用钢丝采用AISI 1074钢盘条（Φ5.50~6.50 mm）拉拔而成，采用传统拉丝模将钢盘条拉拔至Φ3.556 mm。
磷酸盐需满足两个条件：
（1）单位面积上磷酸盐涂层含量最大（磷化膜厚度最大）；
（2）钢丝拉拔过程能够最大限度保留涂层。采用50型磷酸盐，预涂层为7.535 mg·m-2，在最后一道拉拔速度（简称拉拔速度）为14 m·s-1条件下，拉拔后残留磷酸盐涂层为1.765 mg·m-2。为防止钢丝温度过高，采用X52型润滑剂，最终润滑剂残留物为0.926 mg·m-2。
1.2试验方案
采用2种拉丝机进行拉拔试验，采用Hspeed10型拉丝机时，拉拔速度为14 m·s-1；采用Hspeed 20型拉丝机时，拉拔速度为18 m·s-1。钢丝拉拔分为9道次，采用压力拉丝模部分或全部替代传统拉丝模进行试验。模具设计参数包括润滑模和拉拔模的直径和模角。测定拉拔后润滑剂和磷酸盐涂层的残留量及最后一道模具损坏前拉拔钢丝的产量来评估模具性能。
2. 模具设计
设计2个R5型模具，其中拉拔模为倒锥形，锥口面与模具中轴线的锥角（β）为1.5°。模具采用含细钴微粒的碳化钨制成。2个模具用长为50.8mm的钢套镶套，钢套分上下2部分，润滑模位于上部，拉拔模位于下部。
3. 试验过程及结果
将钢丝从Φ3.556 mm拉拔至Φ0.965 mm，采用5组模具系列进行试验，前4组模具系列采用Hspeed 10型拉丝机，第5组采用Hspeed 20型拉丝机。
（1）1#模具系列
采用1#模具系列，拉拔工艺如表1所示。共有9道次拉拔，前5道采用传统拉丝模，后4道采用压力拉丝模，由于最后一道钢丝拉拔速度很快，采用润滑压力拉丝模更合适。润滑模直径比入口处钢丝直径的30%略大，拉拔速度为14 m·s-1。

表1　采用1#模具系列拉拔工艺 （mm）
道次
拉拔后钢丝直径
润滑模直径
1
3.228

2
2.662

3
2.219

4
1.875

5
1.603

6
1.387
2.085
7
1.214
1.801
8
1.077
1.574
9
0.965
1.404
1#模具系列拉拔模和润滑模的角度（α1和α2）相等，拉拔后磷酸盐涂层及润滑剂总残留物平均值和钢丝产量。
在润滑模和拉拔模角度相同的条件下，与采用传统拉丝模相比，采用1#模具系列磷酸盐涂层和润滑剂总残留物的量较大，模具角度为6°时差距明显，随着模具角度的增大，采用1#模具系列磷酸盐涂层和润滑剂总残留物的量减小；随着模具角度的增大，钢丝产量先增大后减小，当模具角度为10°时，钢丝产量最大，达到23.100 t，但总残留物的量不是最大，为3.154 mg·m-2。分析原因认为，模具角度过小，润滑压力过大，模腔内润滑剂焦化，润滑剂不能进入变形区，导致摩擦力过大使模具损坏加快；模具角度过大，在摩擦磨损的同时，润滑长度和润滑剂残留量明显减小，使模具损坏加快。
在相同拉拔条件下，与采用1#模具系列相比，采用角度为10°的传统拉丝模，拉拔后总残留物的量和钢丝产量均较小，分别为2. 723mg·m-2和19.853 t。
（2）2#模具系列
拉拔工艺与1#模具系列相同，拉拔模角度为10°，改变润滑模角度。采用2#模具系列，拉拔后磷酸盐涂层及润滑剂总残留物平均值和钢丝产量。
从图5和6可以看出，随着润滑模角度的增大，磷酸盐涂层和润滑剂总残留物的量减小，钢丝产量增大。
（3）3#模具系列
拉拔工艺与1#模具系列相同，润滑模和拉拔模的角度均为10°，润滑模直径分别为入口钢丝直径的30%，25%和20%，拉拔后磷酸盐涂层及润滑剂总残留物平均值和钢丝产量。
从图7和8可以看出，随着润滑模直径与入口钢丝直径比的增大，总体来说，磷酸盐涂层及润滑剂总残留物的量和钢丝产量增大。分析原因认为，随着润滑模直径与入口钢丝直径比减小，润滑剂形成硬的堵塞物，阻止润滑剂进入变形区。当润滑模直径与入口钢丝直径比取20%时，由于润滑剂的阻塞，出口处钢丝直径有所减小。
（4）4#模具系列
9道次均采用压力拉丝模，润滑模和拉拔模的角度均为10°，且润滑模直径与入口钢丝直径比取30%。4#模具系列与1#模具系列试验结果对比如表2所示。
表2　4#模具系列与1#模具系列试验结果对比
项目
4#模具系列
1#模具系列
总残留物平均值/（mg·m-2）
2.992
3.154
钢丝产量/t
22.613
23.100

从表2可以看出，与采用1#模具系列相比，采用4#模具系列磷酸盐涂层及润滑剂总残留物的量和钢丝产量略有减小。
（5）5#模具系列
使用Hspeed 20型拉丝机，拉拔速度为18m·s-1，前3道次采用传统拉丝模，后6道次采用压力拉丝模，润滑模和拉拔模的角度均为10°，润滑模直径与入口钢丝直径比取30%。拉拔后磷酸盐涂层和润滑剂总残留物的量为4.424mg·m-2，钢丝产量为37.030 t。与Hspeed 10型拉丝机相比，Hspeed 20型拉丝机的工作效率更高。
压力拉丝模最大允许拉拔速度为18m·s-1，而传统拉丝模最大允许拉拔速度仅为14m·s-1。尽管压力拉丝模初始成本约为传统拉丝模的12倍，但在实际生产过程中，生产效率提升可带来更大的经济效益。
Hspeed 20型拉丝机允许钢丝在低温状态下停留，以便测定每道次电机的温度。采用传统拉丝模和压力拉丝模时电机的温度如表3所示。
表3　采用传统拉丝模和压力拉丝模时电机的温度 （℃）
道次
压力拉丝模
传统拉丝模
差值
1
48
43
5
2
51
44
7
3
57
53
4
4
55
50
5
5
60
53
7
6
58
47
11
7
56
43
13
8
58
47
11
9
53
42
11

从表3可以看出，与采用传统拉丝模相比，采用压力拉丝模时电机温度明显升高。
4. 结论
（1）减小润滑模角度或增大润滑模直径与入口钢丝直径比，磷酸盐涂层和润滑剂总残留物的量增大。
（2）与采用5道传统拉丝模和4道压力拉丝模相比，全部采用压力拉丝模，磷酸盐涂层及润滑剂总残留物的量和钢丝产量相差不大，生产效率略有下降。
（3）使用Hspeed 20型拉丝机，采用3道传统拉丝模和6道压力拉丝模，润滑模和拉拔模的角度均为10°，且润滑模直径与入口钢丝直径比为30%时，磷酸盐涂层及润滑剂总残留物的量和钢丝产量最大，生产效率最高。
（4）试验及实际生产表明，采用传统拉丝模和压力拉丝模组合的拉拔工艺生产的高碳钢丝性能优异。在高速拉拔过程中，适当的润滑很重要，可以防止钢丝温度过高，避免钢丝因应变失效而脆断，确保钢丝的物理性能持续满足要求。

来源：工业线材联盟