拉絲模幾何形狀與使用壽命
硬質(zhì)合金拉絲模是生產(chǎn)金屬絲材的重要工具之一,它的質(zhì)量?jī)?yōu)劣將直接影響著金屬絲材的產(chǎn)量和質(zhì)量。影響拉絲模的使用壽命的因素很多,如拉絲模本身的材質(zhì)質(zhì)量問(wèn)題、拉絲模的幾何形狀、生產(chǎn)金屬絲的減面率、潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果、拉絲模加工質(zhì)量以及拉絲模在使用過(guò)程的冷卻方式等。由于目前高速拉絲機(jī)的廣泛使用,設(shè)計(jì)適應(yīng)高速拉絲機(jī)用的高速拉絲模和延長(zhǎng)拉絲模的使用壽命的研究工作國(guó)內(nèi)外一直在進(jìn)行,諸如對(duì)模芯材料的改進(jìn)和孔型理論的研究等等。高速拉絲,因?yàn)樗俣鹊奶岣?可帶來(lái)一系列的問(wèn)題,如發(fā)熱的增大,拉絲模磨損的加劇使拉絲模壽命降低等,下面僅將從拉絲模的功和力計(jì)算分析拉絲模的幾何參數(shù)與磨損的關(guān)系,確定最佳的拉絲模幾何參數(shù)以利減少磨損,延長(zhǎng)拉絲模的使用壽命。
傳統(tǒng)的拉絲模設(shè)計(jì)理論其內(nèi)孔分為入口區(qū)、潤(rùn)滑錐區(qū)、工作錐區(qū)、定徑區(qū)和出口區(qū),如圖所示。其中工作錐角和工作錐及直筒部的表面光滑程度對(duì)引拔力、變形力及引拔發(fā)熱有很大影響。可按下式計(jì)算變形功:
拉絲模的幾何形狀
從式可知,摩擦功與摩擦系數(shù)Λ成正比,與工作錐角Α成反比;內(nèi)部損耗剪切功則與Α角成指數(shù)關(guān)系,故Α角變小,則摩擦功增加,尤其在10以下時(shí),摩擦功急劇增加,但內(nèi)部損耗減少。反之,Α角增大,則摩擦功減少,內(nèi)部損耗增加。在實(shí)際工作中,當(dāng)有效變形功一定時(shí),為獲得最小變形功,應(yīng)降低摩擦功與剪斷功。摩擦功大,拉絲過(guò)程中摩擦力大,拉絲模磨損增加;另外,摩擦熱也增加,拉絲過(guò)程中拉絲溫度上升,拉絲加工硬化增加,這些都會(huì)導(dǎo)致拉絲模的使用壽命降低。
拉絲模工作錐作為模具孔形中非常重要的一個(gè)組成部分,定拉絲模錐角。人們一般從獲得最小拉拔力的觀點(diǎn)出發(fā)確定拉絲模錐角。圖為拉絲模拉絲的受力狀況:
當(dāng)α一定時(shí),隨γ增加,Km下降。由于工作區(qū)是一個(gè)錐形,在入口處,減面率小,Km大,金屬絲對(duì)模壁的壓力大,??妆谑艿降哪Σ磷饔么?,引起碳化物顆粒逐步剝落,從而導(dǎo)致模孔壁產(chǎn)生環(huán)溝槽磨損;在出口處,減面率大,Km最小,??妆谑艿降哪Σ磷饔靡沧钚?從上分析也可知,拉絲模的工作錐受的作用力是隨錐半徑的減小而減少的。當(dāng)γ一定時(shí),隨α增加Km增加。減面率γ的變化對(duì)拉絲模正壓力Km的影響比工作錐半角α的變化對(duì)正壓力Km的影響更大,在可拉拔范圍內(nèi),減面率為5%以下時(shí),隨α角增大,拉絲模的正壓力Km值增高較大;而減面率在20%以上時(shí),α角的增大對(duì)正壓力Km影響不顯著,故在可拉拔的范圍內(nèi),提高減面率γ遠(yuǎn)比減小工作錐半角α實(shí)現(xiàn)降低拉絲模正壓力要有效得多。也可以說(shuō),為降低模具磨損,盡可能采用大的減面率是一個(gè)有效辦法。
正壓力Km可分解為徑向力Kmr和切向力Kmτ。
拉絲模承受的Kmr過(guò)大,是導(dǎo)致拉絲模爆裂的主要原因。從公式知,當(dāng)減面率γ增大,則γ/(1-γ)增大,Kmr減少,為了減小徑向正壓力,可以取大的減面率Χ,有利于降低拉絲模所受的徑向正壓力,減少拉絲模爆裂的發(fā)生。
我們可以繪制α與Kmr的關(guān)系曲線,研究α與Kmr的關(guān)系,取γ=30,μ=0.1。可知,當(dāng)α<6°;時(shí),工作錐半角α增大,Kmr增加,徑向正壓力Kmr增加;當(dāng)6°≤α<16°時(shí),工作錐半角α下降;當(dāng)α≥16°時(shí),工作錐半角α增大,徑向正壓力Kmr增加;在拉絲過(guò)程中,為防止模具因徑向擠壓力過(guò)大造成爆裂,應(yīng)使α在6°~16°范圍較好。
Kfm是拉拔前后抗拉強(qiáng)度的算術(shù)平均值,拉拔后的抗拉強(qiáng)度σs2是一個(gè)受許多因素影響的值,如拉制時(shí)的速度,拉制的溫度,拉制的潤(rùn)滑情況,拉絲模本身的減面率γ等。拉制時(shí)的速度高,則拉制時(shí)發(fā)熱大;如果潤(rùn)滑情況不好,拉制時(shí)溫度也高。拉制時(shí),溫度高, 材料加工硬化, σs2提高,Kfm提高,Zr提高,則降低拉絲模的使用壽命。
在實(shí)際拉絲中,拉拔絲材在拉絲進(jìn)口處被向內(nèi)曲折,由于受這類多余的曲折變形,又使拉拔力增加,稱為剪斷力Zs,目前,剪斷力Zs一般采用經(jīng)驗(yàn)公式,威頓(Whitton)等得到的實(shí)驗(yàn)公式被廣泛采用。圖中是剪斷力Zs與α和γ的關(guān)系。從圖中可知,當(dāng)γ一定時(shí),α增加,剪斷力增加,α減小時(shí),剪斷力減少。當(dāng)α一定時(shí),γ增加, 剪斷力減?。?/span>γ減小,剪斷力增加。
拉絲模除了因制模工藝不當(dāng),違反拉絲工藝(過(guò)拉)造成磨芯開裂外,磨損是其主要失效形式。磨芯受到金屬絲的磨損后,一方面造成硬質(zhì)合金材料消耗,另一方面,磨損后產(chǎn)生的硬質(zhì)合金微粒被金屬絲帶入模孔工作區(qū)和定徑帶,起到研磨劑的作用,加速??灼渌课坏哪p,同時(shí)阻礙潤(rùn)滑劑的帶入,破壞潤(rùn)滑膜的完整性,影響拉制后制品的表面質(zhì)量。
因 此:
為提高硬質(zhì)合金拉絲模使用壽命和所拉絲材的質(zhì)量,可以從下面著手:
①、在可拉伸的情況下,盡量采用大減面率γ,可以減少?gòu)较蛘龎毫m r和減少剪斷力的內(nèi)部損耗功As。
②、在減面率γ和摩擦系數(shù)μ一定后,拉絲模的最小工作錐半角α則一定,這是一個(gè)使拉絲力最小的理想錐半角α′。在此錐半角α′下工作,摩擦力Zr和外部損耗功Ar,剪斷力Zs和內(nèi)部損耗功As將最小,拉絲模的使用壽命將最佳。
③、在6。~16。范圍,隨α的增加,拉絲模所受的徑向擠壓力越小。
表1 不同減面率和摩擦系數(shù)與拉絲模最小工作錐半角
減面率 | 摩 擦 系 數(shù) | |||||||
% | 0.02 | 0.04 | 0.06 | 0.08 | 0.10 | 0.12 | 0.14 | 0.16 |
10 | 3°0 | 4°13 | 5°8 | 5°55 | 6°36 | 7°11 | 7°41 | 8°17 |
11 | 3°10 | 4°25 | 5°24 | 6°12 | 6°54 | 7°35 | 8°10 | 8°45 |
12 | 3°16 | 4°19 | 5°38 | 6°29 | 7°15 | 7°56 | 8°24 | 9°9 |
13 | 3°27 | 4°50 | 5°51 | 6°47 | 7°35 | 8°17 | 8°55 | 9°30 |
14 | 3°33 | 5°0 | 6°5 | 7°4 | 7°53 | 8°38 | 9°16 | 8°51 |
15 | 3°44 | 5°10 | 6°11 | 7°18 | 8°10 | 8°55 | 9°37 | 10°21 |
16 | 3°51 | 5°20 | 6°33 | 7°35 | 8°27 | 9°13 | 9°54 | 10°36 |
17 | 3°58 | 5°30 | 6°47 | 7°49 | 8°41 | 9°33 | 10°15 | 11°0 |
18 | 4°5 | 5°45 | 7°0 | 8°3 | 8°59 | 9°51 | 10°36 | 11°22 |
19 | 4°11 | 5°55 | 7°14 | 8°17 | 9°13 | 10°8 | 10°54 | 11°40 |
20 | 4°18 | 6°5 | 7°29 | 8°31 | 9°30 | 10°25 | 11°11 | 11°57 |
21 | 4°25 | 6°15 | 7°39 | 8°45 | 9°47 | 10°40 | 11°29 | 12°14 |
22 | 4°32 | 6°23 | 7°49 | 8°59 | 10°1 | 10°54 | 11°16 | 12°16 |
23 | 4°33 | 6°33 | 8°0 | 9°13 | 10°15 | 11°8 | 12°4 | 12°57 |
24 | 4°46 | 6°43 | 8°10 | 9°26 | 10°29 | 11°22 | 12°22 | 13°13 |
25 | 4°53 | 6°54 | 8°20 | 9°40 | 10°43 | 11°39 | 12°39 | 13°32 |
26 | 5°0 | 7°1 | 8°31 | 9°54 | 10°58 | 11°57 | 12°57 | 13°50 |
27 | 5°7 | 7°11 | 8°41 | 10°5 | 11°8 | 12°15 | 13°11 | 14°4 |
28 | 5°14 | 7°21 | 8°52 | 10°15 | 11°12 | 12°29 | 13°29 | 14°22 |