拉絲模

拉絲模具經(jīng)安裝調(diào)試后，可以正常生產(chǎn)合格的工件，這一過程稱為模具的服役。一般情況下，我們總是希望模具能有足夠長的服役期限，以滿足生產(chǎn)實際的需要。

但是模具在制造過程中可能會產(chǎn)生某些缺陷，或者在服役過程中逐漸出現(xiàn)了某些缺陷，如微裂紋、輕度磨損、變形等等，在此狀況下模具雖有隱患但仍能繼續(xù)工作，這種雖有缺陷但未喪失服役能力的狀態(tài)稱為模具的損傷。

拉絲模具因某種原因損壞，或者模具損傷積累至一定程度導致模具損壞，無法繼續(xù)服役，稱為模具的失效。在生產(chǎn)中，凡模具的主要工作部件損壞，不能繼續(xù)沖壓出合格的工件時，即認為模具失效。沖壓模具的失效形式一般為塑性變形、磨損、斷裂或開裂、金屬疲勞及腐蝕等等。

拉絲模具的失效按照發(fā)生時間的早晚，大致可分為兩類:正常失效和早期失效。

拉絲模具經(jīng)過大量的生產(chǎn)使用，因摩擦而自然磨損或緩慢地產(chǎn)生塑性變形及疲勞裂紋，達到正常使用壽命之后失效是屬于正常的現(xiàn)象，為正常失效。模具未達到設(shè)計使用規(guī)定的期限，既產(chǎn)生崩刃、碎裂、折斷等早期破壞;或因嚴重的局部磨損和塑性變形而無法繼續(xù)服役，為早期失效。對于早期失效的模具，必須查找其產(chǎn)生的原因，努力采取補救的措施。

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。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，成為當今應(yīng)用最多的拉絲模模具。

硬質(zhì)合金拉絲模的主要牌號YG8、YG6、YG3，其次是YG15、YG6X、YG3X，研制一些新牌號，如用于高速 拉絲的新牌號YL，還有從國外引進的拉絲模牌號CS05(YLO.5)，CG20(YL20)，CG40(YL30);ZK10、ZK20/ZK30。

(3)天然金剛石是碳的同素異形體，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，從而避免了模孔磨損不均勻和?？撞粓A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，聚晶金剛石模在拉絲行業(yè)中應(yīng)用廣泛。

(5)CVD(化學氣相沉積法)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、化學穩(wěn)定性強、高溫力學性能優(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。雖然陶瓷拉絲模在中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。

不同材質(zhì)的模芯對拉絲模壽命的影響

拉絲模常用的模芯材料主要有硬質(zhì)合金、天然金剛石、人造金剛石等。在選擇拉絲模時應(yīng)根據(jù)不同的加工工序，被加工的線絲的材質(zhì)性能，以及線絲的質(zhì)量要求來選擇模芯材料。合理選擇 模芯材料，是延長其使用壽命的主要途徑。

以下分別介紹不同材質(zhì)的模芯對拉絲模壽命影響

1.硬質(zhì)合金

拉絲模用的硬質(zhì)合金為鈷含量較低的碳化物 - 鈷類合金，它具有較好的耐磨性、抗沖擊性、拋 光性和抗腐蝕性能，易于修復，價格低廉，是常用拉絲模芯制作材料，廣泛應(yīng)用于粗、中絲的拉伸。研究表明，通過改善硬質(zhì)合金成分和組織結(jié)構(gòu)，控制碳含量的波動值，細化碳化物的顆粒，可以提高材質(zhì)的性能，延長其使用壽命。國內(nèi)外采用熱等靜壓(HIP) 處理、超細晶工藝及加入稀土元素來降低孔隙度，細化晶粒，提高合金的硬度，減小摩擦系數(shù);并利用化學氣相沉積(CVD) 法和物理氣相沉積( PVD) 法在硬質(zhì)合金表面形成金剛石薄膜或氮化鈦涂層，提高合金的表面強度。

2.天然金剛石

天然金剛石俗稱鉆石，是自然界最硬的物質(zhì)，具有很高的耐磨性和熱傳導率，用于鎢鉬絲拉伸時能改善絲材的表面質(zhì)量，提高絲材性能及尺寸精度，主要用于拉伸細絲及成品絲。但它性質(zhì)非常脆，抗沖擊性能差，而且硬度具有各向異向性，做拉絲模時易磨損不勻。加之金剛石稀少，價格昂貴,加工困難，因此在拉伸中、粗絲方面受到限制。

3.人造金剛石

人造金剛石又稱聚晶金剛石，它是由許多單晶微粒無定向聚合而成的多晶體，具有較高的強度和硬度，耐沖擊性較強，性質(zhì)均勻、綜合性能良好。在拉伸中、細絲時，使用壽命比金剛石模和硬質(zhì)合金模高，且絲材尺寸穩(wěn)定，表面質(zhì)量好。但人造聚晶金剛石的晶粒較粗大，拋光困難，拉伸細絲的表面光潔度不如天然金剛石。通過細化晶粒，可提高拋光性能，在中、細絲的拉絲模上取代天然金剛石，大大降低成本，提高產(chǎn)品質(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雜，加工困難，成本較高;當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、物理和化學性能相互匹配，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。

PCD又稱聚晶金剛石，市場上常見拉絲模芯型號包括SD、CXD以及CXT三大系列。PCD的成功研制為線材拉制業(yè)帶來了巨大變革，它使整個加工過程變得更為高效和穩(wěn)定。PCD由微米級金剛石微粒與結(jié)合劑在高溫高壓條件下燒結(jié)而成，具有硬度高、耐磨性好、抗沖擊能力強等優(yōu)點，模具使用過程中體現(xiàn)出磨損均勻、壽命長的優(yōu)勢，適用于高速拉拔。由于PCD在宏觀上呈現(xiàn)各向同性，因此它不會像單晶金剛石那樣出現(xiàn)?？啄p不均勻和?？撞粓A的現(xiàn)象發(fā)生。另外由于PCD的價格比單晶金剛石低得多，因此在拉絲行業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。絕大部分金剛石拉絲模均使用PCD拉絲模芯。

按照結(jié)合劑的不同，PCD模芯可分鈷基和硅基兩類。鈷基PCD模芯含有金屬結(jié)合劑，具有良好的可加工性，可以使用電火花、激光、超聲波等工藝進行加工，但金屬鈷的存在使得金剛石在高溫下易于發(fā)生石墨化，因此該類模芯適合在低于650攝氏度的條件下加工和使用。硅基PCD模芯可加工性相對較差，不過材料中沒有金屬結(jié)合劑，因此材料在1000攝氏度的條件下依然可保持良好的熱穩(wěn)定性。