輥模拉拔軟釬料金屬的變形特征及其改進設(shè)計

李 鋒，錢康樂, 傅珠榮，葛 鑫，薛建平

(1.紹興市天龍錫材有限公司，浙江 紹興 312000；2.銅陵龍峰新材料有限公司，安徽 銅陵 244000；3.浙江越宮機械有限公司，浙江 紹興 312071)

輥模拉拔[1]是介于軋制和拉絲模拉拔之間的一種技術(shù)，常見于黑色金屬、銅和鋁及其合金減徑[2]，拉輥采用鎢合金近凈成型[3]，具有軋制和拉拔兩者優(yōu)點；輥模通過滾動壓變形實現(xiàn)線坯減徑，拉拔變形量大、細化晶粒、力學(xué)性能穩(wěn)定；減徑拉拔力小，適合加工難以用拉絲模拉拔減徑的金屬；減徑過程發(fā)熱量小，能耗低；外形比軋機小，零件壽命長且穩(wěn)定，更換方便；對潤滑液無特殊要求，環(huán)保性較佳。但目前二連式輥模在低強度軟釬料金屬減徑加工中的研究較少，本文根據(jù)低強度軟釬料金屬減徑加工實際情況，做了必要的研究和改進。

1 低強度軟釬料金屬輥模拉拔的變形特征

1.1 寬展變形特征

軟釬料金屬熔點低于450℃，大量應(yīng)用于電子元器件制造和焊接領(lǐng)域，無加工硬化，或加工硬化程度低且短時間內(nèi)消失，拉力試驗也無明顯屈服點出現(xiàn)，一般以錫、鋅及其合金線材為主，抗拉強度低于200MPa，采用拉絲模拉拔，連續(xù)拉拔的斷面減縮率一般為8%～15%。

1.1.1 孔型的適應(yīng)性選擇

初步試驗表明，雖可采用橢圓-圓孔型的輥模，但由于線坯較軟，當(dāng)斷面減縮率接近20%時，橢圓線坯的長軸與短軸比過大，線坯進入第二對拉輥容易翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生耳子。因此根據(jù)軟釬料金屬特征，對拉輥的孔型做了適應(yīng)性改進設(shè)計，采用圖1弧三角-圓結(jié)合的孔型，且一組輥模進、出線坯兩對拉輥使用相同孔型，圖中d為出坯線徑，試驗表明α角優(yōu)選值為64°。該設(shè)計與橢圓-圓孔型相比可明顯提高斷面減縮率，降低輥模配裝和調(diào)整技術(shù)要求。

1.1.2 無反張力時的寬展特征

文獻[4]研究了三輥輥模拉拔斷面減縮率為10%～15%的黑色金屬的變形力學(xué)，得出隨著斷面減縮率增加，寬展隨之降低。本文采用一組輥?？倲嗝鏈p縮率分別為10%、15%、20%、25%，及圖1限制性寬展的孔型結(jié)構(gòu)，輥縫設(shè)定為0.3mm，對進坯直徑為Φ7.9mm的錫鋅合金(抗拉強度為185MPa)、鋅合金(145MPa)、純鋅(115MPa)和錫銅焊料(50MPa)圓線材進行拉拔試驗，測試其經(jīng)過第一對拉輥時寬展變形特征。寬展特征通過西斯公式[5]B=C′×Δh 計算；式中，ΔB為寬展，Δh為壓下量，C′為寬展因素。獲得試驗數(shù)據(jù)見表1，拉拔后的線坯截面形狀分別見圖2、圖3、圖4和圖5。

試驗表明，在圖1孔型條件下，隨著斷面減縮率增加，寬展也呈隨之變小趨勢，最終呈負寬展特征，寬展因素變化范圍-0.35～0.23，總體變化量不大。

表1 不同軟釬料合金寬展數(shù)據(jù)(單位：mm)

說明強度較低的金屬，隨著斷面減縮率增加，隨之增加的拉拔力可以抵消部分寬展。當(dāng)減面率25%時，本試驗的部分樣品產(chǎn)生耳子，影響產(chǎn)品質(zhì)量，故一組輥模的斷面減縮率選擇20%左右為佳，均呈負寬展因素的特征，具體可根據(jù)不同抗拉強度的合金選擇25%的斷面減縮率。

1.1.3 反張力狀態(tài)下的寬展變形特征

1.2 進坯和出坯拉輥斷面減縮率

=0.82d2

進坯拉輥的斷面減縮率與出坯拉輥的斷面減縮率之比=ε1/ε2，根據(jù)上述公式可得，ε1/ε2=4.5。設(shè)定輥?？倲嗝鏈p縮率20%，則進坯拉輥斷面減縮率16.4%，出坯拉輥的斷面減縮率3.6%。結(jié)合本課題的孔型設(shè)計和低強度軟釬料特征，輥模進坯拉輥的斷面減縮率遠大于出坯拉輥的。

2 輥模孔型針對性設(shè)計的優(yōu)點

(1)縮小線坯長軸與短軸的比例，使拉拔過程穩(wěn)定性提高，避免線坯翻倒產(chǎn)生耳子；

(3)提高拉輥零件通用性。常規(guī)輥模的拉輥孔型一般采用橢圓-圓孔型設(shè)計，故進、出坯拉輥孔型并不一致，輥模加工、安裝和調(diào)整要求高，非專業(yè)人員難以達到理想的狀態(tài)。本課題組根據(jù)軟釬料特性，采用輥模組進坯和出坯拉輥相同的孔型設(shè)計方案，使輥模進坯和出坯的拉輥孔型尺寸一致，拉輥零件通用性佳，安裝時無進出坯拉輥之分。

3 簡化輥模結(jié)構(gòu)和降低配裝技術(shù)要求

本課題根據(jù)軟釬料特性，研究了現(xiàn)有輥模的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合圖1的孔型設(shè)計，采用開式結(jié)構(gòu)設(shè)計，定量調(diào)整輥縫方法，對輥模結(jié)構(gòu)進行簡化，非常適合缺乏專業(yè)人員和儀器的企業(yè)使用。

3.1 簡化輥模結(jié)構(gòu)

改進設(shè)計的單組輥模結(jié)構(gòu)見圖6，圖中，1是進坯導(dǎo)向件，2是拉輥組件，3是壓緊蓋，4是安裝架，5是軸向調(diào)節(jié)螺栓，6是出坯導(dǎo)向件。拉輥組件結(jié)構(gòu)見圖7，圖中，7是軸承，8是拉輥，9是軸承壓蓋，10是骨架式密封圈，11是拉輥軸(中空供冷卻水循環(huán))。其中兩個拉輥組件配為一對，該對拉輥組件中的一根拉輥軸，安裝入輥模架后固定無軸向位移間隙，另一根可以軸向2mm的位移空間。與常規(guī)輥模架采用非開合式固定拉輥、定中心距、曲軸調(diào)節(jié)輥縫的結(jié)構(gòu)有較大差別，該改進設(shè)計安裝拉輥組件和調(diào)整拉輥輥縫非常方便。

3.2 降低孔型校準和調(diào)整的要求

輥模的4個拉輥孔型是一致的，裝配和調(diào)整孔型時，無需人工干涉，只需將一根待加工的線坯，插入輥?？仔椭g，然后均勻?qū)壕o蓋的螺栓擰緊，孔型即自動對正，無需經(jīng)驗豐富的裝配人員或?qū)I(yè)儀器校準孔型。輥?，F(xiàn)場安裝使用時，無進、出坯方向之分。

3.3 簡化輥間距調(diào)整

拉輥軸的兩端部設(shè)計成四邊形，每端的4個面分別刻有A、B、C、D標記，每端相同標記的面在同一平面上，各面與軸中心距離依次遞減0.05mm。初始配裝以A面為基準面，拉輥磨損變化在0.15mm以內(nèi)的情況下，或微調(diào)斷面減縮率時，無需拆下輥模到專用的平臺上進行調(diào)整，只需在設(shè)備原使用位置，調(diào)節(jié)軸向可調(diào)的拉輥組件兩側(cè)調(diào)節(jié)螺栓至合適位置，控制拉輥組件不發(fā)生軸向位移，然后取出該拉輥組，根據(jù)拉輥磨損的情況，或所需微調(diào)斷面減縮率的要求，選擇拉輥軸端部合適的面裝回即可。如線坯線徑超過標稱尺寸0.05mm時，只需將原使用的A面換成B面裝回，即可控制拉輥的輥縫符合線坯線徑要求。注意調(diào)整完畢后，需將調(diào)節(jié)螺栓退出至不影響拉輥組轉(zhuǎn)動的位置。

3 拉輥材料的優(yōu)選

拉輥材料一般選用鎢鋼，考慮到反張力的作用，及合金強度較低和更高斷面減縮率，可以選擇鎢鋼和Cr12MoV配合使用。進坯拉輥仍需選用鎢鋼，出坯拉輥可選用Cr12MoV，經(jīng)淬火處理硬度達到HRc55以上，使用壽命仍可達到6000t以上。如選用一組斷面減縮率25%的輥模，建議圖1孔型中的α角選用70°～75°。出坯拉輥表面經(jīng)粒度不大于0.5mm的金剛砂噴丸處理，使其硬度強化到HRc60左右，不僅可進一步提高使用壽命，還可有效防止線坯拉拔過程翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生耳子，但會影響線坯的表面粗糙度，僅用于半成品加工。

4 結(jié)論

(1)隨著輥模的斷面減縮率增加，抗拉強度不超過200MPa的軟釬料金屬，其寬展呈遞減趨勢，并出現(xiàn)負寬展因素特征，寬展因素變化范圍為-0.35～0.23，反張力拉拔時呈負寬展特征，但數(shù)值較??；一組輥模斷面減縮率控制在20%左右較為合理；

(2)一組輥模斷面減縮率20%時，弧三角-圓結(jié)合孔型，其進坯拉輥斷面減縮率為16.4%，出坯拉輥的斷面減縮率為3.6%；出坯拉輥的斷面減面率較橢圓-圓孔型降低7%左右；

(3)線坯偏差在0.15mm以內(nèi)的調(diào)整，或微調(diào)斷面減縮率，無需拆卸到專業(yè)場所，現(xiàn)場即可進行孔型和輥縫調(diào)整；

(4)輥模結(jié)構(gòu)簡單，配裝技術(shù)要求低；鎢鋼和Cr12MoV搭配選用為拉輥材料，及Cr12MoV拉輥表面噴丸處理，可提高斷面減縮率至25%。