水箱拉絲機(jī)拉拔鋅線材用輥模的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

董建光 戴登峰 李鋒 薛建平 傅珠榮

摘要：采用水箱拉絲機(jī)進(jìn)行較高速度拉拔模連續(xù)拉拔制備鋅線材，發(fā)現(xiàn)拉拔產(chǎn)生的熱量易使鋅線材晶粒粗大，進(jìn)而導(dǎo)致鋅線材的脆性增大和抗拉強(qiáng)度降低，因此，拉拔模拉拔速度受到限制。輥模拉拔發(fā)熱量小，變形量大，對拉拔油要求不高，適合替代拉拔模在較高速度下拉拔鋅線材?，F(xiàn)有輥模以單組逐道次拉拔為主，且體積較大不適合安裝于水箱拉絲機(jī)內(nèi)使用。通過簡化輥模結(jié)構(gòu)及孔形設(shè)計(jì)，以適合安裝于水箱式拉絲機(jī)內(nèi)替代拉拔模拉拔鋅線材。試驗(yàn)表明，改進(jìn)后的輥模組合，可替代拉拔模安裝于水箱拉絲機(jī)拉拔鋅線材，單組輥模變形量可達(dá)到拉拔模變形量的兩倍，拉拔速度提高31%，能耗明顯降低。采用低黏度油品替代拉拔乳化液，可減少污染物排放。

關(guān)鍵詞：水箱拉絲機(jī);連續(xù)拉拔;鋅線材;拉拔模

中圖分類號： TG 339???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Design and Application of Roller Die for Drawing Zinc Wire by Water Tank Wire Drawing Machine

DONG Jianguang1， DAI Dengfeng1， LI Feng1，2， XUE Jianping1， FU Zhurong1

（1. Shaoxing Tianlong Tin Materials Co.， Ltd.， Shaoxing 312000， China;2. TonglingLonfeng

New Materials Co.， Ltd.， Tongling 244000， China）

Abstract： A water tank wire drawing machine was used to prepare zinc by continuous drawing with high speed drawing die. It is found that the heat generated by drawing is easy to coarsen the grain of zinc wire， resulting in the increase of brittleness and the decrease of tensile strength， so the drawing speed is limited. The drawing heat of roller die is small， the deformation is large， and the requirement for drawing oil is not high， which is suitable for drawing zinc wire at a higher speed instead of drawing die. The existing roller die is a mainly pass-by-pass single group drawing， and the volume is large， so it is not suitable to be installed in the water tank wire drawing machine. The roller die structure and hole- shape design were simplified for the suitable installation in the water tank wire drawing machine to replace the drawing die to draw zinc wires. The test shows that the improved roller die combination can replace the drawing die and be installed in the water tank wire drawing machine to draw zinc wire. The deformation? of a? single group? of roller dies? can reach twice that? of the? drawing? die， the? drawing efficiency? is? increased? by 31%，? and? the? energy? consumption? is? significantly? reduced. Using? low viscosity oil instead of drawing emulsion can reduce pollutant emission.

Keywords： water tank wire drawing machine ; continuous drawing; zinc wire ; drawing die

大量用于防腐噴涂領(lǐng)域和金屬薄膜電容器端面噴金的鋅線材，熔點(diǎn)低（450℃以下），采用拉拔模的拉拔速度不宜超過320 m/min，因?yàn)楫?dāng)拉拔速度超過此溫度時，會使線材溫度達(dá)到80℃以上，受低溫環(huán)境快速冷卻而導(dǎo)致晶粒粗大，進(jìn)而發(fā)生脆化現(xiàn)象，至后續(xù)難以加工[1]。輥模拉拔[2-3]兼具軋制和拉拔的優(yōu)點(diǎn)，拉拔力和發(fā)熱量小，能耗低，因此，輥模拉拔技術(shù)應(yīng)用日趨廣泛[4-5]，特別是壓橢與壓圓之間形成的拉拔力成為反張力，有利于實(shí)現(xiàn)較大變形量。輥模對拉拔油無特殊要求，各種油品均適合。軋制是比較合適的加工方法，但一般因工效不適合小線徑線材加工，同一臺軋機(jī)不適合不同合金成分的線材加工。雖有輥模拉拔軟釬料金屬線材的報道[6-7]，但只適合逐道次單組輥模拉拔，或配置于直進(jìn)式拉絲機(jī)形成連續(xù)拉拔，設(shè)備占地面積較大，冷卻和拉拔速度受到限制。本文簡化輥模結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合適的孔型，使之適合替代拉拔模用于水箱拉絲機(jī)。試驗(yàn)參數(shù)：采用8輥模、鋅線材進(jìn)線坯直徑為6.80 mm、出線直徑為2.80 mm、拉拔速度為420 m/min，試驗(yàn)了水箱拉絲機(jī)使用輥模替代拉拔模拉拔鋅線材的效果。結(jié)果表明，輥模變形量可達(dá)到拉拔模的兩倍，拉拔速度可提高31%，起到節(jié)能作用，使用低黏度潤滑油品替代乳化液，具有更佳的效果。

1 用于水箱拉絲機(jī)的輥模設(shè)計(jì)

1.1 輥模結(jié)構(gòu)簡化設(shè)計(jì)

常規(guī)輥模外形尺寸不受約束，均采用整體輥模架和偏心軸形式，其軸承置于拉輥之內(nèi)，拉輥等轉(zhuǎn)動件置于輥模架之內(nèi)，用于水箱拉絲機(jī)，其體積過大。本文將原先置于拉輥內(nèi)部的軸承放置于拉輥軸的兩側(cè)，縮小了輥模架的結(jié)構(gòu)尺寸，圖1是結(jié)構(gòu)簡化設(shè)計(jì)后輥模的示意圖。進(jìn)線側(cè)拉輥軸承由6207-2Z 和 N207 E 組成，出線側(cè)拉輥軸承由6206-2Z 和N206 E 組成。輥模架由整塊鋼加工制成，結(jié)構(gòu)見圖2，設(shè)有兩對互相垂直的孔，用于安裝拉輥和軸承，孔間距精度控制在±0.015 mm。拉輥見圖3，標(biāo)稱輥徑與所選軸承外徑一致，但要考慮0.2～0.5 mm 的輥縫，兩根壓橢和兩根壓圓拉輥各配為一對，安裝于輥模架孔內(nèi)。軸承以熱配裝方式安裝，防止松動。壓蓋調(diào)節(jié)拉輥孔型對中。

根據(jù)鋅線材的寬展特性，進(jìn)線坯拉輥承擔(dān)了70%左右的負(fù)載，因此，進(jìn)線拉輥的軸承選用的軸徑規(guī)格，可比出線拉輥的軸承大一檔，組合使用為宜。該設(shè)計(jì)可進(jìn)一步減少出線坯拉輥安裝側(cè)的輥模架尺寸，使輥模結(jié)構(gòu)更為緊湊。

拉輥材料如采用 Cr12MoV，經(jīng)淬火后，還需經(jīng)液氮深冷處理，以增加材料中馬氏體組織，提高耐磨性能，也可整體采用鎢鈷硬質(zhì)合金，該硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)[8]僅為鋼的33%～50%，尺寸穩(wěn)定、使用壽命長。

1.2 輥模拉輥的孔型設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[ 7]中給出了適合軟釬料合金拉拔的二聯(lián)式輥模菱-圓結(jié)合的橢形狀孔型，進(jìn)一步試驗(yàn)證明，在水箱拉絲機(jī)拉拔條件下，如圖4中的孔型形狀和尺寸適合于拉拔鋅線材。圖4中 α為孔型的展開角度，其值取64°為最佳， d 為輥模出線的直徑。試驗(yàn)表明，鋅線材在壓橢和壓圓兩對拉輥之間形成的反張力，會使被壓圓線坯的寬展因素[9- 10]呈現(xiàn)接近于零的負(fù)值，故線坯在壓圓時不考慮寬展，同一組輥模的壓橢和壓圓兩對拉輥，均采用相同的孔型尺寸設(shè)計(jì)，不會影響拉拔線坯的質(zhì)量。單組輥模的斷面收縮率在20%左右為宜（拉拔模的在10%左右），過大則容易使線坯翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生耳子、飛邊等缺陷，輥?？仔椭睆綇拇蟮叫∫来螢?.10、5.46、4.88、4.37、3.90、3.50、3.10、2.80 mm。由于圖4中孔型的展開角度較小，因此，本文同一組輥模的壓橢和壓圓兩對拉輥，均采用相同的孔型尺寸設(shè)計(jì)，不會影響拉拔線坯的質(zhì)量，同時便于零件加工、配裝和使用。

1.3 輥模在水箱拉絲機(jī)中的安裝設(shè)計(jì)

圖5是輥模安裝于水箱拉絲機(jī)內(nèi)的示意圖。為簡化示意圖，水箱拉絲機(jī)除了水箱體外，其余部分不顯示。水箱拉絲機(jī)共安裝8組輥模，在水箱體進(jìn)口處安裝一組輥模，并在水箱體的出口處安裝一組輥模，其余輥模用螺栓交替錯位安裝于輥模安裝架上。每組箱體內(nèi)輥模的出線坯拉輥直徑小于進(jìn)線坯拉輥的，其輥模架部分尺寸也相對較小，故每組輥模出線坯側(cè)拉輥，應(yīng)豎直安裝固定于輥模安裝架上，以減小安裝尺寸。

安裝于水箱體進(jìn)口處的一組輥模，其外形尺寸不受限制，且無循環(huán)拉拔油需求，可采用適合規(guī)格的常規(guī)輥模。箱體內(nèi)輥模組安裝架見圖 6，設(shè)有6個矩形孔和6條安裝輥模用的槽，輥模只需預(yù)先安裝2顆螺栓（見圖2），然后插入槽內(nèi)再擰緊螺栓，即可將輥模固定，使輥模安裝和更換便捷?？紤]到反張力的作用，及線材強(qiáng)度較低，出線坯的拉輥負(fù)載遠(yuǎn)小于進(jìn)線坯拉輥，故進(jìn)線坯拉輥選用鎢鈷硬質(zhì)合金，出坯拉輥的材料可選用 Cr12MoV。

1.4 輥模拉拔油選用

輥模拉拔發(fā)熱量小，無需使用專用拉拔油。本試驗(yàn)選用運(yùn)動黏度不超過35 mm2/s 的軸承油為冷卻用油，同時兼顧輥模軸承一定的潤滑作用。

2 輥模和拉拔模在水箱拉絲機(jī)中實(shí)際應(yīng)用效果

2.1 輥模用水箱拉絲機(jī)拉拔的基本工藝參數(shù)

2.1.1拉拔輥模數(shù)量、鋅線材坯線徑尺寸和拉拔速度

本試驗(yàn)的輥模數(shù)量為8個。鋅線材及鋅鋁合金原料線坯的線徑為6.80 mm，各輥模的斷面收縮率統(tǒng)一為20%，各道次的線徑為：6.10、5.46、4.88、4.37、3.90、3.50、3.10、2.80 mm，拉拔速度為420 m/min。

2.1.2輥模軸承的選配置和拉拔油選用

進(jìn)口處采用拉拔直徑為6.10 mm 的常規(guī)輥模。進(jìn)口處輥模不受外形尺寸限制，每個拉輥組件內(nèi)安裝兩只6308軸承。箱體內(nèi)的每組輥模所配的軸承，依據(jù)所拉拔的鋅線材直徑確定。本規(guī)格鋅線材的進(jìn)線坯拉輥軸，軸的兩側(cè)各配裝6207-2Z 和 N207E 軸承組合。出線坯拉輥軸的兩側(cè)各配裝6206-2Z 和 N206E 軸承組合（見圖1），盡量減少水箱拉絲機(jī)內(nèi)輥模的安裝尺寸。

2.2 輥模拉拔水箱拉絲機(jī)基本配置

用于試驗(yàn)的水箱拉絲機(jī)系專門訂購，電機(jī)功率為22 kW，塔輪拉拔6道次設(shè)計(jì)，塔輪梯度按16%設(shè)計(jì)，在進(jìn)口處和出口處各配置一組輥模。拉拔油采用循環(huán)噴淋，回入儲油箱的拉拔油過濾后，長期工作的拉拔油需經(jīng)熱交換器冷卻至20℃以上，但不超過45℃，然后泵回水箱內(nèi)用作噴淋輥模和塔輪，水箱拉絲機(jī)傳動與控制等部分與拉拔模拉拔線材結(jié)構(gòu)基本相同。

2.3 對比用拉拔模拉拔的水箱拉絲機(jī)基本配置對比試驗(yàn)用拉拔模水箱拉絲機(jī)電機(jī)功率為30 kW，正常使用速度為320 m/min。設(shè)計(jì)塔輪拉拔道次為16，塔輪梯度依常規(guī)按6%設(shè)計(jì)，出線處配置一道次拉拔模。拉拔模斷面收縮率為10%，線坯尺寸按如下配置：進(jìn)線坯直徑為6.80 mm，后續(xù)直徑依次為6.45、6.12、5.80、5.51、5.23、4.96、4.70、4.46、4.23、4.06、3.81、3.61、3.42、3.25、3.08、2.93 mm。拉拔液為含90%水的乳化液，采用循環(huán)噴淋，安裝有熱交換器以冷卻拉拔液。

2.4 輥模與拉拔模拉拔的實(shí)際應(yīng)用效果

2.4.1鋅線材性能比較

試驗(yàn)表明，拉拔速度為 420m/min 時，輥?？烧＠武\線材。圖7是輥模拉拔鋅線材的金相圖，顯示線坯晶粒較細(xì)小，呈現(xiàn)較佳的塑形。拉拔模拉拔鋅線材則出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象，圖8是拉斷鋅線材斷面金相圖。從圖 8中可見，晶粒呈粗大現(xiàn)象，且越靠近線材表層越明顯，斷后伸長率大幅度降低，導(dǎo)致線坯易斷難加工。

2.4.2拉拔能耗對比

水箱拉絲機(jī)采用輥模和拉拔模拉拔試驗(yàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)見表1。從表1中可以看出，輥模具有明顯的節(jié)能效果，拉拔電流可降低9.8 A，節(jié)能效果為29.5%，如果考慮拉拔速度從320 m/min 升高到420 m/min，則節(jié)能效果更明顯，同時拉拔效率提高了31%。

當(dāng)拉拔速度達(dá)到500 m/min 時，輥模拉拔的線坯也出現(xiàn)圖8所示的現(xiàn)象，因此，輥模合適的拉拔速度不超過420m/min 為宜。

2.4.3拉拔液對比

拉拔模使用的拉拔液為乳化液，含有90%的水，容易變質(zhì)失效，產(chǎn)生的油污雜物不易過濾和沉淀，且容易堵塞冷卻拉拔液用的熱交換器，影響拉拔液冷卻降溫效果，需定期更換。輥模使用低黏度軸承油作為拉拔液，其流動性好，雜物易于沉淀過濾，不易堵塞冷卻拉拔油用的熱交換器。油污產(chǎn)生量少，過濾的鋅屑易于回收利用，因此，產(chǎn)生的危險廢物極少。建議在水箱最后一組輥模出線坯處加裝一顆減徑量為0.1 mm 的拉拔模，以清除線坯表面的油，減少拉拔油的損失。

2.4.4輥模拉拔對鋅線材的表面和線徑精度的影響

輥模拉拔試驗(yàn)表明，鋅線材在塔輪上纏繞兩圈，可以在各輥模間產(chǎn)生一定的反張力，有利于減少鋅線坯的寬展，因此，采用斷面收縮率為20%的輥模，拉拔過程鋅線材在輥模中不易翻轉(zhuǎn)，鋅線材不會有耳子和飛邊現(xiàn)象，但輥模拉拔的鋅線徑精度不如拉絲模，因此，輥模拉拔的鋅線坯不可作為成品，需要后續(xù)經(jīng)拉拔模拉拔幾個道次提高鋅線材精度。? 2.4.5拉拔含不同合金成分的鋅、錫及其合金線材的探討

鋅、錫及其合金等軟釬料線材，其成分不同，寬展特征也略有不同，文獻(xiàn)[6]給出了部分軟釬料線材的寬展特征。輥模拉拔的水箱拉絲機(jī)，其塔輪梯度為16%，以輥模斷面收縮率20%計(jì)算，存在4%的打滑率，因此，換用適合不同寬展特征軟釬料線材的輥模，可用一臺水箱拉絲機(jī)拉拔不同成分的軟釬料線材。

3 結(jié)論

（1）輥模替代拉拔模安裝于水箱拉絲機(jī)拉拔鋅線材，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)拉拔，且拉拔速度較拉拔模提高31%，拉拔過程未發(fā)現(xiàn)鋅線材因急速冷卻使線坯晶粒粗大的現(xiàn)象。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用表明，不同地區(qū)氣候及生產(chǎn)車間環(huán)境溫度差異較大，可根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度情況調(diào)整拉拔速度。

（2）輥模拉拔形成的反張力可降低寬展特性，變形量是拉拔模的兩倍，且適合拉拔不同合金成分的鋅線材。

（3）輥模替代拉拔模，拉拔力明顯減小，拉拔加工鋅線材，節(jié)能效果可達(dá)到29.5%。

（4）輥模拉拔液選用軸承油，不易堵塞冷卻器，產(chǎn)生的油泥極少，過濾的鋅屑易于處理，危險廢物排放大幅度降低。

（5）輥模拉拔鋅線材的直徑精度不如拉拔模，需經(jīng)數(shù)道次拉拔模拉拔提高直徑精度。

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