切割鋼絲,簾線濕拉

1、濕拉理論概述濕拉工序是一個(gè)承前（HP）啟后（Cord）的工序。要獲得令Cord工序滿意的鋼絲，不僅要優(yōu)化濕拉的各項(xiàng)工藝參數(shù)，還要掌握HP工序的生產(chǎn)過(guò)程，以及盤(pán)條的各項(xiàng)性能，并且還要了解鋼絲在簾線工序的工藝表現(xiàn)。只有這樣，才能及時(shí)準(zhǔn)確地解決各種復(fù)雜多變的工藝問(wèn)題，提高產(chǎn)品性能。 濕拉的工藝問(wèn)題憑肉眼不易觀察，需要使用金相觀察、化學(xué)分析等工具和方法，需要力學(xué)、金屬材料與熱處理、有機(jī)化學(xué)、機(jī)械等多方面的知識(shí)。 濕拉的理論需要從微觀和抽象的角度去理解。在這里僅根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況對(duì)濕拉的工藝?yán)碚撨M(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。冷拉鋼絲是利用金屬的塑性，借助拉絲模具并在外力作用下使金屬變形，從而獲得所需的形狀、尺寸、機(jī)械

2、及物理性能的一種金屬壓力加工方法。作為其中的一種，濕拉專(zhuān)指把電鍍黃銅鋼絲拉拔至簾線成品所需的單絲直徑的拉拔工藝。濕拉因其使用潤(rùn)滑液潤(rùn)滑而區(qū)別于干式拉拔。1.拉拔力1.1 鋼絲的拉拔變形過(guò)程P拉絲模鋼絲FWFW圖1， 鋼絲應(yīng)力分析示意圖如圖1所示：鋼絲拉拔時(shí)，受拉拔力F、正壓力P和摩擦力W共同作用，發(fā)生塑性變形。應(yīng)力狀態(tài)為兩向壓應(yīng)力r、一向(軸向)拉應(yīng)力l，以及周向剪切應(yīng)力。因此，鋼絲從表層到中心，變形程度逐漸減小。隨著拉絲模入口角、鋼絲與拉絲模之間的摩擦系數(shù)增大，這種不均勻變形將更加明顯。嚴(yán)重的不均勻變形與鋼絲組織缺陷共同作用，將導(dǎo)致中心毛刺（斷絲的一種）的產(chǎn)生。圖2，中心毛刺外觀（×

3、;300倍）當(dāng)拉拔應(yīng)力超過(guò)模子出口處鋼絲的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鋼絲將發(fā)生頸縮而斷裂。由于鋼絲內(nèi)部組織缺陷的存在不可避免，因此鋼絲實(shí)際的抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)低于理論抗拉強(qiáng)度。這一點(diǎn)在模序設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮。根據(jù)固體變形理論，所有的塑性變形皆在彈性變形之后，并且伴有彈性變形，而在塑性變形之后必然有彈性恢復(fù)，即彈性變形。根據(jù)光彈性試驗(yàn)，拉拔變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力分布如圖3所示。圖3， 變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力分布在鋼絲拉拔加工硬化不十分劇烈時(shí)，根據(jù)應(yīng)力分析，徑向應(yīng)力r從入口向出口逐步減少，而軸向應(yīng)力l逐漸增大。此外由于濕拉是滑動(dòng)式多模拉拔，反拉力不斷波動(dòng)，引起模子入口處彈性區(qū)劇烈波動(dòng)。因而模子入口處磨損較快，易出現(xiàn)拉拔圓環(huán)。在鋼絲拉拔

4、過(guò)程中，晶粒逐漸被拉長(zhǎng)拉細(xì)，位錯(cuò)密度增加，從而鋼絲的抗拉強(qiáng)度也逐漸增加，即發(fā)生了“加工硬化”。當(dāng)位錯(cuò)密度增大到一定程度，像裂紋這樣的組織缺陷開(kāi)始迅速增加并擴(kuò)展，斷絲的可能性也迅速上升。因此，鋼絲的變形是有一定限度的。圖4，鋼絲的“加工硬化”拉拔過(guò)的鋼絲在一段時(shí)間后，抗拉強(qiáng)度會(huì)有一定程度的增加，我們稱(chēng)之為“時(shí)效”（aging）。這是因?yàn)榻饘僦胁糠中≡釉谝欢囟群蜁r(shí)間條件下遷移到位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的斷層中，修補(bǔ)了這些斷層，從而提高了鋼絲強(qiáng)度。并且溫度越高，時(shí)效所需時(shí)間越短。因此既使在多道次拉拔過(guò)程中，時(shí)效也會(huì)不同程度的存在。在拉拔過(guò)程中，由于鋼絲的不均勻變形而產(chǎn)生附加應(yīng)力，在拉拔后產(chǎn)生殘余應(yīng)力。一般鋼

5、絲表面為拉應(yīng)力，中心為壓應(yīng)力。殘余應(yīng)力對(duì)鋼絲機(jī)械性能有顯著影響，對(duì)成品的尺寸穩(wěn)定性也有不良作用。圖5， 鋼絲的殘余應(yīng)力1.2 各種因素對(duì)拉拔力的影響- 拉拔力與鋼絲的抗拉強(qiáng)度拉拔力與鋼絲的抗拉強(qiáng)度成線性關(guān)系，強(qiáng)度越高，所需拉拔力越大。- 拉拔應(yīng)力與變形程度拉拔應(yīng)力與變形程度成正比關(guān)系。隨著壓縮率增大，拉拔應(yīng)力增加。- 拉絲模的幾何形狀對(duì)拉拔力的影響。通過(guò)前面的應(yīng)力分析可知，當(dāng)拉絲模入口角增大，鋼絲與模壁接觸面積減少，摩擦力降低，但剪切力增加。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最佳入口角約為11º。圖6， 拉絲模入口角與拉拔力- 拉拔速度對(duì)拉拔力的影響在低速（5m/min以下）拉拔時(shí)，拉拔應(yīng)力隨拉拔速度的

6、增加而有所增加。當(dāng)拉拔速度增加到610m/min時(shí)，拉拔應(yīng)力下降，繼續(xù)增加拉拔速度對(duì)拉拔應(yīng)力影響不大。開(kāi)動(dòng)拉拔設(shè)備瞬間，由于產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象而使拉拔應(yīng)力顯著增大，這也是啟動(dòng)斷絲的原因。- 摩擦與潤(rùn)滑對(duì)拉拔力的影響在濕拉過(guò)程中，鋼絲與模子之間會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力和很多熱量，使用潤(rùn)滑液可以在鋼絲與模子之間形成一層耐壓潤(rùn)滑膜，防止鋼絲與模子之間直接接觸，從而減少摩擦和磨損，有利于鋼絲拉拔。鋼絲濕拉時(shí)的潤(rùn)滑方式是介于流體潤(rùn)滑與邊界潤(rùn)滑的混合潤(rùn)滑。另一方面，潤(rùn)滑液有冷卻鋼絲和拉絲模的作用。拉拔過(guò)程中，鋼絲與拉絲模之間的摩擦系數(shù)大小對(duì)拉拔力有很大的影響。潤(rùn)滑液的耐壓性能、潤(rùn)滑方式、拉絲模材質(zhì)、拉絲模和鋼絲的表面

7、狀況對(duì)摩擦系數(shù)的大小皆有影響。拉絲模越硬，拋光得越好，鋼絲越不容易粘結(jié)拉絲模，摩擦力就越小。在模子入口處改善建立流體動(dòng)力潤(rùn)滑條件（潤(rùn)滑楔效應(yīng)），也能降低摩擦系數(shù)。流體動(dòng)壓力越大，潤(rùn)滑效果越好。流體動(dòng)壓力的大小與潤(rùn)滑楔的角度、潤(rùn)滑液性能、粘度以及拉拔速度有關(guān)，潤(rùn)滑楔的角度越小、潤(rùn)滑液粘度越大、拉拔速度越高，則潤(rùn)滑楔效應(yīng)越顯著。- 反拉力對(duì)拉拔力的影響根據(jù)圖1的受力分析，隨著反拉力的增加，模子所受到的壓力近似直線下降，拉拔力P逐漸增加。但是，在反拉力Q達(dá)到臨界反拉力Qc之前，對(duì)拉拔力并無(wú)影響。臨界反拉應(yīng)力Qc的大小主要與鋼絲的彈性極限和拉拔前的預(yù)變形程度有關(guān)，而與該道次的壓縮率無(wú)關(guān)。彈性極限和預(yù)變

8、形程度越大，則臨界反拉應(yīng)力也越大。這是因?yàn)?，隨著反拉應(yīng)力的增加，模子入口處的接觸彈性變形區(qū)逐漸減少（如圖3所示）。同時(shí)，鋼絲作用于模壁上的壓力減少，繼而摩擦力也相應(yīng)減少。摩擦力的減少值與此時(shí)的反拉力值相當(dāng)，故拉拔力并不增加。當(dāng)反拉力超過(guò)臨界反拉力，將改變塑性變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力r、l的分布，使拉拔力增大。利用這一點(diǎn)，將反拉應(yīng)力控制在臨界反拉應(yīng)力值范圍以?xún)?nèi)，可以在不增大拉拔應(yīng)力和不減少道次壓縮率的情況下減少模子入口處金屬對(duì)模壁的壓力磨損，延長(zhǎng)模子的使用壽命。- 振動(dòng)在拉拔時(shí)對(duì)模子施以振動(dòng)可以顯著降低拉拔力。振動(dòng)的方式有軸向、徑向和周向。在公司還沒(méi)有使用這種技術(shù)。1.3 拉拔力的理論計(jì)算拉拔力的理論計(jì)算

9、方法較多，如平均主應(yīng)力法、滑移線法、上界法以及有限元法等。目前應(yīng)用較為廣泛的為主應(yīng)力法。根據(jù)圖1鋼絲拉拔中的應(yīng)力分析示意圖。在變形區(qū)內(nèi)x方向上取一厚度為dx的單元體，并根據(jù)單元體上作用的x軸向應(yīng)力分量，建立平衡微分方程：略去高階微量得：當(dāng)模角與摩擦系數(shù)f很小時(shí)，采用近似塑性條件lx - n = s。積分得：利用邊界條件，當(dāng)反拉應(yīng)力為q(<s)時(shí)，最終，拉拔應(yīng)力L:式中 L 拉拔應(yīng)力；s 鋼絲的平均變形抗力； B 參數(shù)； D0 鋼絲拉拔前直徑； D1 鋼絲拉拔后直徑；q 反拉應(yīng)力。反拉應(yīng)力的計(jì)算在后面有介紹。2. 拉拔過(guò)程中鋼絲的變形與斷裂鋼絲在力的作用下，總要或多或少的發(fā)生形變。作用力去

10、除后，立即消失的那部分形變叫彈性形變。永遠(yuǎn)殘留的那部分形變叫塑性形變。塑性形變大致可分為兩類(lèi)：冷塑性形變和熱塑性形變，以是否高于再結(jié)晶溫度來(lái)區(qū)分。濕拉鋼絲過(guò)程主要是冷塑性形變。2.1 鋼絲塑性形變?cè)陲@微組織中的反映隨著鋼絲形變的進(jìn)行，晶粒逐步改變其外形。在受單向拉伸的情況下，晶粒沿著鋼絲拉伸軸的方向逐步伸長(zhǎng)，如果不斷裂，最后可變?yōu)殡y于分辨的纖維狀晶粒。但是，各晶粒形狀的變化并不均勻一致。從圖7中可以看到，總的來(lái)說(shuō)，晶粒都伸長(zhǎng)了，但珠光體（黑色，較硬）比鐵素體（淺色，較軟）的變形小，并且各自間的變化也存在不小的差異。鋼絲中的晶粒的塑性形變是通過(guò)切變而進(jìn)行的，而切變是由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成的。許多試驗(yàn)表

11、明，形變后晶體中的位錯(cuò)數(shù)量不是少了，而是顯著增多了。M : 1100 xISC wire diameter. 1.24 mm - 0.70 % CM : 1100 xWet wire drawing 1.24 ® 0.25 mm圖7 鋼絲晶粒組織在濕拉前后的變化2.2 晶粒大小對(duì)塑性形變的影響由于晶界對(duì)形變主要其阻礙作用，在相同外應(yīng)力作用下，大晶粒的形變有一個(gè)晶粒轉(zhuǎn)移到另一個(gè)晶粒的機(jī)會(huì)就要大的多，小晶粒正好相反。因此晶粒越細(xì)，鋼絲屈服強(qiáng)度越高。由于晶粒尺寸大時(shí)，形變受晶界影響的區(qū)域相對(duì)縮小，晶粒內(nèi)部和晶界附近的相對(duì)量相差就相對(duì)要大；而細(xì)晶粒相反。并且，晶粒越細(xì)，形變的不均勻性越小，引

12、起應(yīng)力集中的概率也越小，開(kāi)裂的機(jī)會(huì)也相應(yīng)減少，在斷裂前可以承受較大的變形，即面縮率或延伸率增大了。因此，晶粒細(xì)的鋼絲不僅屈服強(qiáng)度高，塑性和韌性也高。2.3 加工硬化鋼絲拉拔過(guò)程中鋼絲的工程強(qiáng)度指標(biāo)s、b以及硬度等顯著增加，但是塑性指標(biāo)和下降，這一現(xiàn)象稱(chēng)之為加工硬化。位錯(cuò)密度的增加對(duì)加工硬化起著決定性的作用。事實(shí)表明，如果位錯(cuò)密度不增加，或增加很少，即使形變量很大，加工硬化也很小。位錯(cuò)密度越大，位錯(cuò)在滑移過(guò)程中相互交割的機(jī)會(huì)越多，相互間的阻力越大，因而形變抗力增大。形變抗力增大，表明位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力越大，位錯(cuò)越易塞集，位錯(cuò)密度的增加也越快。二者相互作用促使硬度和強(qiáng)度迅速增加。圖8 不同碳含量鋼絲的應(yīng)

13、力應(yīng)變曲線2.4 鋼絲的斷裂鋼絲在外力作用下，如果不能用塑性變形，或根本不能以塑性變形來(lái)松弛時(shí)，若繼續(xù)增加應(yīng)力，就會(huì)以斷裂的形式徹底松弛。對(duì)于塑性好的鋼絲，是塑性變形的結(jié)束；對(duì)于塑性差的鋼絲，是彈性變形或塑性極小的終結(jié)。前者稱(chēng)為韌性斷裂，后者稱(chēng)為脆性斷裂。鋼絲的斷裂通常是由裂紋的生成和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程組成，而裂紋往往在濕拉以前就出現(xiàn)了，甚至在盤(pán)條中就已存在。裂紋的長(zhǎng)大在初期是很緩慢的，只在后期才迅速擴(kuò)展。研究斷絲不僅對(duì)濕拉有重要意義，對(duì)整個(gè)公司的正常生產(chǎn)都有很大作用。鋼絲斷裂的基本形式在理論上分為：（1） 解理斷裂。解理斷裂是典型的脆性斷裂，多發(fā)生在溫度低、塑性差的情況。（2） 切變斷裂切變斷

14、裂簡(jiǎn)稱(chēng)切斷或剪斷。金屬晶體切斷的形式多樣，但無(wú)論哪種切斷，實(shí)際上都和形變過(guò)程沒(méi)有截然分開(kāi)的界線，都是當(dāng)鋼絲形變到有效受力面積位零時(shí)才發(fā)生斷裂。不像解理斷裂那樣，先在金屬內(nèi)部產(chǎn)生小裂紋，而后裂口擴(kuò)大，最后導(dǎo)致斷裂。（3）晶界斷裂和穿晶斷裂晶界斷裂過(guò)程一般無(wú)明顯塑性變形，多屬于脆性斷裂。產(chǎn)生條件是，晶界富集溶質(zhì)元素或晶界析出脆性相。穿晶斷裂的形式多樣，即可是韌性，也可以是脆性的。分析斷口形態(tài)是研究斷裂過(guò)程的重要途徑之一。觀察斷口，除了用肉眼或放大鏡進(jìn)行宏觀分析外，還可以借助光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡進(jìn)行微觀分析。前者有利于了解整個(gè)斷面的一般情況，后者有利于深入細(xì)致地了解斷口各部位地細(xì)節(jié)。用一般光鏡觀察

15、斷口，由于其焦距斷、景深淺，局限性較大，而電鏡正好能彌補(bǔ)光鏡的不足。所以電鏡在斷口的高倍分析中起了很重要的作用?？上В局两駷橹惯€沒(méi)有電子顯微鏡。斷口的結(jié)構(gòu)和形態(tài)在理論上可分為：（1）解理斷口這種斷口主要是由于解理斷裂產(chǎn)生。在宏觀上表現(xiàn)是斷裂前或斷裂過(guò)程中沒(méi)有明顯的塑性變形，具有粒狀結(jié)晶組織特征，呈金屬光澤。如改變觀察角度時(shí)會(huì)出現(xiàn)閃光現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)是晶體暴露在斷口上的解理面。（2）韌窩斷口這類(lèi)斷口宏觀表現(xiàn)是，斷裂前鋼絲發(fā)生過(guò)明顯的塑性變形，斷口呈灰暗色，沒(méi)有金屬光澤，具有纖維狀結(jié)構(gòu)特征，無(wú)結(jié)晶顆粒組織特征。韌窩的形成，大多都經(jīng)過(guò)塑性變形、形成空洞、空洞擴(kuò)展、空洞凝聚貫穿形成裂紋、裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致斷

16、裂。空洞源于微裂紋，而微裂紋最易沿夾雜物或第二相界面產(chǎn)生。當(dāng)空洞擴(kuò)展到一定程度，將會(huì)引起應(yīng)力集中，而加速形變。（3）晶界斷口晶界斷口屬于脆性斷口，與解理斷口類(lèi)似，但色澤較暗。引起晶界斷口的原因主要是第二相質(zhì)點(diǎn)沿晶界的分布。（4）混合型斷口影響斷裂的因素很多，如金屬的成分、結(jié)構(gòu)、組織、受力狀態(tài)、變形速度、形變溫度、工藝狀況等。但除了純切變斷裂外，無(wú)論哪種斷裂都是通過(guò)裂紋的形成和擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)的。因此，鋼絲組織內(nèi)部有無(wú)裂紋，或能否產(chǎn)生裂紋，以及裂紋能否擴(kuò)展，是決定斷裂的基本因素。在濕拉實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，將常見(jiàn)斷絲類(lèi)型按典型特征分類(lèi)，主要分為4類(lèi)：（1）頸縮（2）中心毛刺 （3）表面撕裂（4）脆斷斷絲原因與

17、拉絲模堵塞、鍍層不良、鋼絲表面滑傷、組織缺陷（夾雜、脫碳、馬氏體、焊接質(zhì)量差等）有關(guān)。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)具體情況具體分析。3. 建立穩(wěn)定的濕拉工藝3.1 建立拉拔的條件濕拉是一種帶滑動(dòng)多模連續(xù)拉拔過(guò)程?；瑒?dòng)是指鋼絲會(huì)在塔輪表面滑動(dòng)。多模是由于濕拉時(shí)鋼絲的壓縮率很大，需要多道次拉拔。圖9顯示了鋼絲在濕拉機(jī)上拉拔時(shí)的受力狀態(tài)。圖9 濕拉過(guò)程中鋼絲受力示意圖對(duì)通過(guò)第n個(gè)模子的鋼絲建立拉拔力Pn，需要對(duì)鋼絲施加拉力Qn。Qn對(duì)塔輪產(chǎn)生壓力N，從而產(chǎn)生摩擦力。Qn也是第n+1個(gè)模子的后張力（反拉力）。為了不出現(xiàn)鋼絲拉細(xì)，形成建立穩(wěn)定濕拉過(guò)程的第1個(gè)條件：L = < S式中： L 鋼絲在模子出口斷面上的

18、拉拔應(yīng)力；PL 拉拔力；SL 鋼絲拉拔后截面積；S鋼絲拉拔后的屈服強(qiáng)度。建立穩(wěn)定濕拉過(guò)程的第2個(gè)條件：模序延伸率必須大于機(jī)器的固有延伸率。機(jī)器固有延伸率Km, 模序延伸率Kn，有：Km = , Kn = KnKm,即：Kn = Km = =即滑動(dòng)系數(shù)n = 1，但n不能太大,且nn-1。一般，n 1.00 + 式中，Snmax指拉絲模直徑正超差；Snmin指拉絲模直徑負(fù)超差。如果滑動(dòng)系數(shù)n<1，則鋼絲在塔輪線速度大于塔輪表面線速度，產(chǎn)生的摩擦力與建立拉拔力所需的摩擦力方向相反，拉拔無(wú)法實(shí)現(xiàn)；并且意味著鋼絲拉拔前的單位體積流量小于拉拔后的單位體積流量，即發(fā)生斷絲。建立穩(wěn)定濕拉過(guò)程的第3個(gè)條

19、件：鋼絲繞在塔輪上必須有足夠的圈數(shù)來(lái)建立拉拔所需的摩擦力。否則，過(guò)大的反拉力增加斷絲的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)柔性物體繞圓柱表面摩擦定律得，反拉力為：Qn=式中：m繞線圈數(shù)，濕拉生產(chǎn)中一般為24圈；f摩擦系數(shù)，取0.1。對(duì)于成品模K以及中間任一個(gè)道次n,有：Vn = < un = nRn= 2vn×Rn其中，Vk，vn為常量 (v 塔輪轉(zhuǎn)速)，如圖10所示。圖10 成品道次與中間道次當(dāng)Sk變大或Sn變?。〒Q新模） 將導(dǎo)致 Vn變大，當(dāng)Vn>un時(shí)，將導(dǎo)致鋼絲拉斷。因此，產(chǎn)生建立濕拉過(guò)程的第4個(gè)條件：拉絲模直徑超差必須在一定范圍內(nèi)。3.2 焊接要實(shí)現(xiàn)濕拉的連續(xù)高效生產(chǎn)，ISC鋼絲必須首尾

20、焊接在一起。如果鋼絲焊接質(zhì)量達(dá)不到要求，焊接點(diǎn)將無(wú)法通過(guò)所有的拉拔道次和后工序的生產(chǎn)。因此，良好的焊接工藝對(duì)生產(chǎn)的穩(wěn)定十分重要。 電阻對(duì)焊是最常用的方法。對(duì)焊操作有以下四個(gè)步驟：（1）鋼絲端頭準(zhǔn)備，（2）通電加熱、頂鍛，（3）通電回火，（4）清除焊疤。公司用鋼絲為高碳鋼，對(duì)焊接頭的金相組織十分復(fù)雜。通電開(kāi)始時(shí)，以接觸電阻為主。隨著溫度的升高在擠壓力作用下，鋼絲的接觸端面趨向平貼，接觸電阻減少，逐步過(guò)渡到以鋼絲自身電阻為主。其溫度分布是接口區(qū)高，然后向兩側(cè)陡降。加熱到一定溫度（>1000ºC），頂鍛應(yīng)快，在瞬間將接觸面附近的高溫金屬（過(guò)燒）和氧化物夾雜擠出。但此時(shí)金相組織是球化組織，而不是片狀珠光體組織。在臨界點(diǎn)AC1溫度以上，球狀珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變，同時(shí)奧氏體晶粒逐漸長(zhǎng)大。對(duì)焊接后的冷卻