高導(dǎo)耐蝕短流程柔性絞合導(dǎo)線關(guān)鍵工藝技術(shù)研究

張永忠 陳鼎彪 凌小八

1.銅陵精達(dá)特種電磁線股份有限公司 安徽 銅陵 244000

2.銅陵頂科鍍錫銅線有限公司 安徽 銅陵 244000

1 主要科技創(chuàng)新

1.1 技術(shù)創(chuàng)新的背景 高導(dǎo)耐蝕短流程柔性絞合導(dǎo)線是典型的銅精深加工延伸產(chǎn)品，是銅陵市銅基新材料基地中“線”，產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于高鐵、航空航天、機(jī)器人、核電等特種電線電纜領(lǐng)域，承載著信息或能量的傳輸與轉(zhuǎn)換功能。與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比較：具有生產(chǎn)流程短、效率高、成本低、環(huán)保性好等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)絞合導(dǎo)線產(chǎn)品相比較：具有導(dǎo)電率高、耐腐蝕能力強(qiáng)、柔韌性優(yōu)異等特點(diǎn)。

典型的柔性絞合導(dǎo)線傳統(tǒng)加工流程由銅桿、大拉、中拉、小拉、一次束絞、籠絞(二次束絞)組成，作為傳統(tǒng)銅加工產(chǎn)業(yè)，柔性絞合導(dǎo)線在發(fā)展過程中凸顯出以下問題： ①加工流程落后。普通柔性絞合導(dǎo)線傳統(tǒng)加工流程需要六個流程，嚴(yán)重影響了柔性絞合導(dǎo)線的生產(chǎn)效率，能耗高，對環(huán)境也造成一定的影響。②關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到下游廠家的要求。對于特種電纜行業(yè)，電纜需經(jīng)過硫化工藝，普通的絞合導(dǎo)體硫化后，極易發(fā)生氧化，導(dǎo)電率低，柔韌性也差。③自動化程度低、工人勞動強(qiáng)度高。柔性絞合導(dǎo)線深加工技術(shù)發(fā)展緩慢，原因在于自動化和智能化水平發(fā)展不高。

為解決制約絞合導(dǎo)線產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題，提升柔性絞合導(dǎo)線產(chǎn)業(yè)核心競爭力，增強(qiáng)中國有色金屬深加工產(chǎn)業(yè)的競爭優(yōu)勢，公司成立了專門的技術(shù)團(tuán)隊，積極開展與各大院校、材料、設(shè)備供應(yīng)商技術(shù)合作，在安徽省科技重大專項計劃項目的支持下，通過五年的不斷技術(shù)攻關(guān)，從解決柔性絞合導(dǎo)線產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題入手，開展科技攻關(guān)和集成創(chuàng)新，成功的解決了“短流程”工藝作業(yè)的多項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了產(chǎn)品關(guān)鍵性能指標(biāo)，構(gòu)建了柔性絞合導(dǎo)線自動化加工技術(shù)體系，并進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

1.2 主要科技創(chuàng)新 柔性絞合導(dǎo)線是指單絲直徑小于0.20 mm 微細(xì)銅絲通過一定的規(guī)則絞合成百根以上的絞合導(dǎo)線，百根以上的柔性絞合導(dǎo)線傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝都是通過多次絞合而成，其生產(chǎn)流程長，能耗高、環(huán)保性差。本項目針對實現(xiàn)“短流程”條件下，從解決材料高導(dǎo)、耐蝕、柔韌性等關(guān)鍵指標(biāo)開展研究，突破了銅壓延深加工領(lǐng)域的多項關(guān)鍵技術(shù)，提升我國有色金屬銅導(dǎo)線產(chǎn)業(yè)從初加工到精深加工的技術(shù)水平，推動了有色金屬壓延產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)了絞合導(dǎo)線從長流程到短流程的自動化和智能化生產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)變。

一、研發(fā)了“短流程”工藝新技術(shù)及其關(guān)鍵設(shè)備，減少了二個生產(chǎn)流程

普通柔性絞合導(dǎo)線傳統(tǒng)加工流程由銅桿、大拉、中拉、小拉、一次束絞、籠絞(二次束絞)組成，前四個流程是將8.0 mm 的銅桿壓延成0.20 mm 以下的單絲，然后再將百根以上的單絲進(jìn)行有規(guī)則的一次束絞和二次束絞。本項目研發(fā)了多頭連拉連退拉絲關(guān)鍵設(shè)備，直接替代中拉和小拉設(shè)備。通過一次成型大型束絞設(shè)備替代一次束絞和籠絞(二次束)，使生產(chǎn)工藝簡化成銅桿、大拉、多頭拉、一次成型大截面束絞四道工序，減少了二個流程，成功實現(xiàn)了“短流程”生產(chǎn)工藝，如圖1所示。

圖1 兩種柔性絞合導(dǎo)線生產(chǎn)工藝流程對比

“短流程”拉絲工藝流程不僅能保證每根銅絲直徑、金相結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能(如彈性模量、極限斷裂伸長率和抗拉強(qiáng)度等)都基本接近，而且綜合生產(chǎn)成本低。經(jīng)國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測，采用一致性絞合方式，其產(chǎn)品各項性能合格，實現(xiàn)了“短流程”目標(biāo)。

(1)研發(fā)拉絲工序中的關(guān)鍵裝備替代中拉和小拉設(shè)備。在銅絲拉伸的過程中，傳統(tǒng)技術(shù)是采用單線塔輪式拉絲方式，生產(chǎn)效率低，耗電量高。為了提高生產(chǎn)效率，降低單位時間內(nèi)的耗電量，本項目研制了多頭拉絲機(jī)關(guān)鍵設(shè)備(如圖2所示)，在傳統(tǒng)多頭拉絲機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)明了 “多頭拉絲機(jī)吹干裝置”(發(fā)明專利號：ZL201410738121.6)。該關(guān)鍵裝置能讓保證多頭拉絲機(jī)順利拉制24根以下的并絲的產(chǎn)品質(zhì)量，降低斷線，實現(xiàn)了多頭拉絲機(jī)替代中拉和小拉，節(jié)省一個流程，達(dá)到高效生產(chǎn)。

圖2 多頭拉絲機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

(2)發(fā)明一次成型束絞的關(guān)鍵工藝裝備替代二次束絞。一次成型束絞的關(guān)鍵，在于解決一百根以上銅絲的放線、分線、排線等問題。

普通的放線系統(tǒng)無法滿足百根以上的并絲同步放線、分線、排線。本項目發(fā)明了“萬向放線器”(發(fā)明專利號：ZL201711465688.0)解決了放線問題，發(fā)明了“多層分線排” (發(fā)明專利號：ZL201410738156.X)，解決了百根以上的導(dǎo)線排線問題。多層分線排的顯著特點(diǎn)是穿線縫的孔長方向與分線孔的孔長方向相異，使得絲線在工作的過程中能夠一直比較穩(wěn)定地處于分線孔中，保障多層排線的穩(wěn)定性。

為了絞合導(dǎo)體外觀圓整性、不跳絲起股，必須要通過分線板對每根銅絲按照一定的規(guī)則來進(jìn)行分線，普通的分線無法滿足百根以上的分線。如圖5所示，本項目研制的“一種自由組合式多功能分線板” (發(fā)明專利號：ZL201310731674.4)，能高效的進(jìn)行分線，實現(xiàn)了不同的根數(shù)自由組合。這些關(guān)鍵工藝裝備的發(fā)明和應(yīng)用，不僅成功解決了“短流程”工藝的放線、排線、分線等問題，實現(xiàn)了一次成型束絞替代了二次束絞，而且提高了生產(chǎn)效率，減低工人的勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)了科技的創(chuàng)新。

圖3 多層分線排的基本結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 自由組合式多功能分線板結(jié)構(gòu)示意圖

二、設(shè)計出適用于柔性絞合導(dǎo)線的配套工藝及裝置，實現(xiàn)了材料柔韌、耐蝕、高導(dǎo)等關(guān)鍵性能指標(biāo)

(1)研制先進(jìn)的輔助裝備， 保證了導(dǎo)體柔韌性達(dá)到最佳。雙絞機(jī)在束絞過程中產(chǎn)生二次節(jié)距，形成二次絞合，由于一次成型雙束絞設(shè)備生產(chǎn)的截面積大，產(chǎn)生非常大的內(nèi)應(yīng)力，易產(chǎn)生線體彎曲和變向狀況，表現(xiàn)為線體打結(jié)、扭麻花等現(xiàn)象，如果扭絞應(yīng)力得不到有效釋放，生產(chǎn)出來的導(dǎo)體面臨一系列絞合不圓整、柔韌性能差等問題。這也是導(dǎo)致一次成型束絞設(shè)備不能最終應(yīng)用的主因之一。本項目經(jīng)過多次研究，發(fā)明了“雙絞機(jī)扭絞應(yīng)力消機(jī)構(gòu)”，如圖5所示。該機(jī)構(gòu)采用多組“S”導(dǎo)輪組合，從而以上導(dǎo)輪與下導(dǎo)輪所上下配合進(jìn)而形成可供線體波浪狀行進(jìn)的通道，以使得一根多股絞合導(dǎo)線在絞合后再次經(jīng)過反復(fù)彎折，最終消除了一次成型束絞過程中的內(nèi)應(yīng)力，保證了絞合后的導(dǎo)體柔韌性達(dá)到最佳。

圖5 雙絞機(jī)扭絞應(yīng)力消除機(jī)構(gòu)圖

(2)采用先進(jìn)的銅線表面處理技術(shù)，實現(xiàn)導(dǎo)線的耐蝕性能。微細(xì)銅線拉伸過程中容易斷線，焊接時銅絲不可避免在空氣中，使表面的銅原子和氧分子發(fā)生吸附反應(yīng)，生成氧化亞銅，產(chǎn)生氧化。本項目發(fā)明了方便快捷的“移動式焊接點(diǎn)金屬離子復(fù)鍍機(jī)及其復(fù)鍍方法”(發(fā)明專利號：ZL201710606507.5)，可在焊接點(diǎn)進(jìn)行金屬離子復(fù)鍍技術(shù)，保證了導(dǎo)線焊接頭的抗氧化性能。

本項目就“如何有效降低電線電纜生產(chǎn)過程銅導(dǎo)體氧化變色”進(jìn)行了深入研究，在《軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品》中發(fā)表了論文，采用自主研發(fā)銅絲抗氧化保護(hù)液，自動定量添加到退火液中，經(jīng)高溫退火后，在銅絲表面形成一層有效抗氧化保護(hù)膜，成功的實現(xiàn)導(dǎo)線的耐蝕性能。

(3)運(yùn)用專有的工藝技術(shù)，實現(xiàn)高純高導(dǎo)銅桿材的制備。銅桿在加工時，由于凝固、固態(tài)相變以及元素密度差異、晶體缺陷與完整晶體的能量差異等原因，可能引起的銅結(jié)晶不均勻現(xiàn)象，本項目采用“一種用于上引爐中的水冷卻系統(tǒng)”(實用新型專利：ZL201320873849.0)，控制上引爐進(jìn)出水溫度及流量的穩(wěn)定，保證銅桿結(jié)晶的一致性；并從材料的氧含量控制、成分偏析控制、降低渦流損耗等方面干預(yù)后，實現(xiàn)銅桿的高導(dǎo)，電阻率低于0.01700(Ω.mm2/m)20℃。

三、開發(fā)了“短流程”工藝生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制技術(shù)

(1)精準(zhǔn)配模技術(shù)的應(yīng)用： 在線材生產(chǎn)中，配模的合理與否對產(chǎn)品斷線率、模具壽命、拉絲輪磨損等參數(shù)性能的實際使用都有著重要影響；特別是多頭拉絲機(jī)，一次拉制24根頭，如果有一根因配比問題而斷線，就得立即停機(jī)掛車，生產(chǎn)效率及工作效率必然大打折扣。由于多頭拉絲機(jī)多道拉伸，配模的選擇尤其重要。本項目研發(fā)出 “一種超微細(xì)線拉絲模具伸率測試裝置”(發(fā)明專利號：ZL201310736270.4)。如圖6 所示，該機(jī)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)簡單而實用的超微細(xì)線拉絲模具伸率測試裝置，通過測試銅絲的延伸率，從而達(dá)到精準(zhǔn)配模的目的，可在有效節(jié)約其生產(chǎn)成本的同時保證其超微細(xì)線生產(chǎn)時的高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)配模技術(shù)的優(yōu)化。

圖6 超微細(xì)線拉絲模具伸率測試裝置示意圖

(2)感應(yīng)自動換線技術(shù)的應(yīng)用。多頭拉絲機(jī)放線系統(tǒng)通常采用籃式放線，也即先將放線導(dǎo)輪總成固定在線籃正上方，再將線籃內(nèi)的線體穿過放線導(dǎo)輪總成后進(jìn)入拉絲機(jī)內(nèi)。然而，實際生產(chǎn)過程中，每組線籃內(nèi)的線體是定量的，若想生產(chǎn)線持續(xù)生產(chǎn)，則必然需要持續(xù)不斷的換料。如不能及時將新料移至放線導(dǎo)輪總成下，由于放線斜角過大，會造成刮線和放線打結(jié)等現(xiàn)象，進(jìn)而造成斷線。本項目發(fā)明了高效的多頭拉絲機(jī)的感應(yīng)式自動換線系統(tǒng)(發(fā)明專利號：ZL201811586754.4)。該系統(tǒng)使用便捷，單人即可操作，可有效解決因來不及移料而發(fā)生的打結(jié)斷線情況，極大的提高了拉絲操作的換線效率，并能隨之降低線體斷線現(xiàn)象的發(fā)生，提升了操作的自動化控制技術(shù)。

(3)智能管控模具系統(tǒng)的成功應(yīng)用。柔性絞合導(dǎo)線生產(chǎn)過程中，關(guān)鍵工裝就是模具，本項目通過信息化的實施，利用科技手段，發(fā)明了一種模具智能管控系統(tǒng)(發(fā)明專利號：ZL201811586753.X)。如圖5所示，該系統(tǒng)簡便高效的實現(xiàn)對模具流程的管理功能，以達(dá)到高效監(jiān)控模具和生產(chǎn)優(yōu)化資源配置的目的，實時監(jiān)控模具生產(chǎn)、歸檔、維護(hù)、防丟、庫存狀態(tài)，提高了“短流程”中關(guān)鍵工裝“模具”管理的信息化水平。

圖7 高效的多頭拉絲機(jī)的感應(yīng)式自動換線系統(tǒng)示意圖

圖8 模具智能管控系統(tǒng)示意圖

通過以上三點(diǎn)關(guān)鍵工藝技術(shù)的創(chuàng)新和改進(jìn)，成功的實現(xiàn)了高新技術(shù)產(chǎn)品 “高導(dǎo)耐蝕短流程柔性絞合導(dǎo)線”的批量化生產(chǎn)，與傳統(tǒng)柔性絞合導(dǎo)線相比較，實現(xiàn)了“短流程”工藝，關(guān)鍵性能指標(biāo)好。但是也有其局限性：高導(dǎo)耐蝕短流程柔性絞合導(dǎo)線關(guān)鍵工藝技術(shù)只適用于五百根以下的柔性絞合導(dǎo)線制造，針對五百根以上還不能完全適用，還需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。