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浙江工业大学硕士学位论文 胎圈钢丝拉拔工艺和模具孔型设计研究 摘要 为解决胎圈钢丝拉拔生产过程中存在的断丝率高、模具磨损快、成品合格率低等问题， 针对决定拉丝效果的关键因素，分析了拉丝模的基本结构、主要磨损形式和工作状态受力 情况，明确了作为承受拉伸、压缩、扭转等作用力的胎圈钢丝自身的技术要求和其对坯材 的技术指标要求，研究了胎圈钢丝拉拔的生产工艺流程。并根据钢丝拉拔的工艺参数确定 原则，对拉拔工艺进行计算分析，对比验证了某胎圈钢丝生产企业西1 o o m m 镀铜胎圈钢 丝的拉拔程序和拉拔次数等工艺参数的合理性。 为优化拉丝模结构，文中首先采用3 d s s 光栅投影照相式三维测量仪检测了部分道次 直线型原始拉丝模的结构参数，分析了其中存在的缺陷。并以直线型拉丝模孔型设计的基 本原则为指导，对直线型拉丝模的结构进行了重新设计，制定了修磨工艺，将定径带长度、 工作区锥角和修磨操作流程采取规范化处理，改善了修模过程中存在的问题，使模具损耗 由原来的0 1 6 个吨降低到0 0 9 个吨。 本文研究中，还专门针对妒3 5 0 m m 拉拔至1 o o m m 各道次所用拉丝模，以a n s y s 软 件为平台，设计了由入口区至工作区为指数函数y = 础h + c 表示的新孔型模具，模拟了拉 拔过程的应力分布情况，并结合模拟结果对新孔型模具与原始孔型模具进行了对比分析。 结果表明，新孔型模具拉拔较原始孔型模具拉拔过程中的应力集中现象明显改善。使用实 验手段也证明了用新孔型拉丝模可以使各道次拉拔电机的平均电流减小、出线温度降低、 制品直径超差现象明显减轻，说明了使用新孔型模具可减小拉拔力和摩擦生热，有力地证 明了合理的模具孔型设计对缓解模具磨损、减少拉拔过程断丝、提高产品质量及促进节能 减排等方面的重要性。 关键词：胎圈钢丝，拉拔工艺，模具，有限元分析，优化 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ed r a w i n gt e c h n o l o g y o ft y r e b e a dw i r esa n da p e r t u r ed es i g n o ft h ed r a w i n gd i e a b s t r a c t t os o l v et h ep r o b l e m so fh i g hp r o b a b i l i t yo fw i r eb r e a k a g e ，r a p i dw e a r i n go ft h ed r a w i n g d i ea n dl o w p r o b a b i l i t yo fq u a l i f i e dw i r e se t c d u r i n gt h ed r a w i n gp r o c e s so ft y r eb e a dw i r e s ，t h e a n a l y s i so nt h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h ed i e ，t h em a i nw e a r i n gf o r m so ft h ed i e ，a n dt h ef o r c e p r o d u c e di nw o r k i n gs t a t ew e r ec a r r i e do u tw i t i lt h ek e yf a c t o r si n f l u e n c i n gt h ed r a w i n ge f f e c t s t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h et y r eb e a dw i r e sa n dt h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n so ft h er o u g h w i r e s - w h i c he n d u r et h et e n s i l ef o r c e s ，c o m p r e s s i n gf o r c e sa n dt w i s t i n gf o r c e s w e r ec l a r i f i e d ， a n dt h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo ft y r eb e a dw i r e sw a ss t u d i e d b a s e do nt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r d e t e r m i n i n gr u l e so ft y r eb e a dw i r ed r a w i n g c a l c u l a t i o na n da n a l y s i so ft h ed r a w i n gt e c h n o l o g y w e r ec o n d u c t e d t h er a t i o n a l i t yo ft h et e c h n i c a lp a r a m e t e r s ( s u c ha sd r a w i n gp r o c e d u r ea n d d r a w i n gp a s s e s ) o f t h et y r eb e a dw i r e so f 多1 0 01 1 1 1 1 1i na l le n t e r p r i s ew a sv a l i d a t e d t oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h ed r a w i n gd i e ，t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h eo r i g i n a l d r a w i n gd i e sw i t hl i n e a ra p e r t u r eo fs o m ep a s s e sw e r ef i r s tm e a s u r e dw i t ha3 d s st h r e e d i m e n s i o n a lg r a t i n gp r o j e c t i o ns c a n n e r , a n dt h e nt h ed i s a d v a n t a g e so ft h ed i ew e r ea n a l y z e d g u i d e db yt h eb a s i cd e s i g nr u l e so fl i n e a ra p e r t u r ed r a w i n gd i e s ，t h es t r u c t u r eo ft h ed r a w i n gd i e s w a sr e d e s i g n e d ，a n dt h ea p e r t u r eg r i n d i n gt e c h n o l o g yw a se s t a b l i s h e d t h el e n g t ho ft h er a d i u s d e c i d i n gs e c t i o n ，t h et a p e ra n g l eo ft h ew o r k i n gs e c t i o na n dt h eo p e r a t i n gp r o c e d u r eo ft h e a p e r t u r eg r i n d i n gw e r es t a n d a r d i z e d ，w h i c ha m e l i o r a t e dt h ep r o b l e m se x i s t e di na p e r t u r e g r i n d i n gp r o c e s s a sar e s u l t ，t h ed r a w i n g d i ec o n s u m p t i o nw a sr e d u c e df r o m0 16d i e sp e rt o nt o o 0 9d i e sp e rt o n i nt h i ss t u d y ，a i m i n ga tt h ed r a w i n gd i eo fe a c hp a s sr e d u c i n gt h et y r eb e a dw i r e sf r o m 矽 3 5 0m mt o 妒1 0 0l n n ，t h ed i e sw i t hn e wa p e r t u r e se x p r e s s e db ye x p o n e n t i a lf u n c t i o n y5 a e 酗+ cf r o mt h ee n t r a n c es e c t i o nt ow o r k i n gs e c t i o nw e r ed e s i g n e db a s e do na n a l y s i s c o n d u c t e db ya n s y ss o f t w a r e t h es t r e s sd i s t r i b u t i o np r o d u c e dd u r i n gt h ed r a w i n gp r o c e s sw a s s i m u l a t e d ，a n dt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ed i ew i t ho r i g i n a la p e r t u r ea n dt h ed i ew i t hn e w 浙江工业大学硕士学位论文 一一一一二二_ 。一 a p e r t u r ew a sm a d ea c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o nw i t h i nt h ed r a w i n gd i ew i t hn e wa p e r t u r e si se v i d e n t l y a m e l i o r a t e dt h a nt h a tw i t h i n t h ed r a w i n gd i ew i t ho r i g i n a la p e r t u r e s t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa l s o v a l i d a t et h a tt h e a p p l i c a t i o no ft h ed r a w i n gd i e sw i t hn e wa p e r t u r e s c a l lr e d u c et h ea v e r a g ee l e c t r i cc u r r e n to ft h e e l e e t r o m o t o t , r e d u c et h ew i r et e m p e r a t u r e ，a n dd e c r e a s et h eo v e r s i z er a d i u so ft h ep r o d u c t i t r e x , e a l st h a tt h ed r a w i n gd i e sw i t hn e wa p e r t u r e sc a n r e d u c et h ed r a w i n gf o r c e ，a n dh e n c er e d u c e t h ef r i c t i o nh e a t i ta l s oe f f e c t i v e l yp r o v e st h a ta p p r o p r i a t ea p e r t u r e sa l ei m p o r t a n tt o t h ed i e w e a r i n gr e d u c t i o n ，t h ea l l e v i a t i o no fw i r eb r e a k a g ed u r i n gd r a w i n g ，t h ei m p r o v e m e n to ft h e p r o d u c tq u a j i t ya n dt h ee n e r g ys a v i n ga n d e m i s s i o nr e d u c t i o n k e yw o r d s ：t y r eb e a dw i r e s ，d r a w i n gt e c h n o l o g y , d r a w i n gd i e ，f e a ，o p t i m i z a t i o n 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 铂 日期：俨7 年朋 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密a 。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 吼钓移 驾 i 乡 日期：沙，j ! 年1 1 月y 可日 日期：d 7 年7 - , 9 二日 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 胎圈钢丝是轮胎制品行业重要的骨架材料，它用于制造乘用汽车及其它运载车的轮胎 胎圈钢丝束，是一种经拉拔加工后在碳素圆钢丝表面镀有青铜、紫铜或黄铜等镀层的高性 能金属线材。 近年来，随着我国巨大的汽车保有量和持续增长的车市，使国内胎圈钢丝市场不断趋 于红火。2 0 0 6 年，我国轮胎产量2 8 亿条，占全球市场的1 8 ，成为世界最大轮胎生产国 之一。2 0 0 7 年，达到了5 5 亿条，同比增长2 3 。按每条轮胎用胎圈钢丝量平均为2 5 k g 计算，2 0 0 7 年，全国轮胎制造企业使用胎圈钢丝约1 3 7 5 万吨。有关方面预测，到2 0 1 5 年，中国可望实现轮胎全部子午化，轮胎总需求量约8 7 亿条，那么，全国胎圈钢丝需求 量将达2 1 7 5 万吨n 1 。 从目前全国轮胎钢丝生产能力来看，由于生产设备及工艺等问题，达产率不过7 0 ， 还有相当一部分钢丝来自国外进口。但从近几年的趋势来看，主要的外资企业从成本角度 考虑，开始部分采用他国钢丝企业的产品，世界几大轮胎企业巨头也在中国设立总部，面 向全球尤其是面向中国进行采购。因此中国的钢丝行业，不仅有着广阔的国内市场空间， 而且存在巨大的出口商机。总体看来，在未来5 1 0 年时间，随着市场需求的增长，我国 胎圈钢丝生产企业的产能不断扩大，企业间的竞争也会越来越激烈。只有不断提高产品质 量，降低生产成本，才能提高企业的竞争力。 拉拔作为胎圈钢丝生产企业普遍应用的加工方法，依赖于先进的拉丝设备、过硬的线 坯品质、合理的拉拔工艺、稳定的拉拔模具和严格的生产管理。拉拔加工通过强塑性变形 工艺使钢铁材料加工硬化从而获得高性能胎圈钢丝，这种手段对材料的强化不依赖添加特 别的合金元素，能有效实现线坯减径，获得所需的力学性能，因此在节省战略稀缺物资方 面具有重要意义。 在胎圈钢丝生产中，由盘条( 即线坯) 拉拔至成品的过程，因模具磨损、拉拔断丝造 成的生产中断不仅影响生产线的连续运行，而且直接影响到胎圈钢丝线径尺寸、内在品质 和企业的生产效率。导致拉丝过程中出现模具磨损、拉拔断丝现象的原因很多，但排除线 坯品质、热处理工艺等影响因素外，由胎圈钢丝生产企业拟定的拉拔工艺参数和拉丝模结 l 浙江工业大学硕士学位论文 构参数是其中至关紧要的决定因素馏1 。 本课题根据某胎圈钢丝生产企业提出的稳定生产工艺、提高产品质量的要求，以拉拔 工艺和拉丝模结构为研究对象，以计算验证、有限元分析、实验对比为手段，基于拉拔工 艺参数确定原则和拉丝模孔型设计原则进行研究，对于拉拔生产问题，特别是拉丝模合理 孔型的设计是又一次新的尝试。 从工程应用的角度讲，在实际生产中，拉拔断丝和模具磨损是不可避免的。但严格生 产工艺规程，并以有限元模型为工具，从改善拉丝模工作区域应力集中现象、减小最大应 力值等方面优化模具结构，可以大大延缓模具磨损，降低拉拔断丝现象发生的概率，从而 稳定生产流程，提高生产效率，获得商性能、高质量的拉丝产品。 1 2 国内外研究现状 钢丝拉拔是一个大变形过程，属金属塑性加工工艺范畴。塑性加工的各种工艺可分为 两类：一类是通过材料的塑性变形来获得工件最终的形状，如冷拔、拉深、挤压、轧制和 锻造工艺等。材料的断裂是成形过程中需要避免的主要缺陷之一，设计人员在设计这些工 艺时必须避免出现断裂现象；另一类是通过塑性变形和断裂过程结合来实现的成形，例如 冲裁、切料、剪切以及切削。这类工艺涉及到材料的分离，断裂往往是加工所需要的，设 计人员正是合理地利用材料中产生的断裂，才实现这些工艺过程。 拉拔加工的工艺设计和模具结构优化问题的研究是一个多尺度、跨学科的领域，一直 是学术界和工程界关注的热点，它涉及到弹塑性力学、材料科学、物理学和化学等多个领 域。对其进行分析的目的是确定工件在塑性成形的各变形阶段内部的应力、应变、温度分 布和金属流动规律；模具的应力、应变、温度分布、合理形状及材料；工件的尺寸精度、 残余应力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布并为模具设计和工艺设计提供可靠的依据。 由于材料塑性成形是一个非常复杂的过程，同时也受到现时数学问题处理方法的限 制，获得塑性加工问题的精确解是非常困难的。因此，为了得到对工程设计和实际生产有 指导意义的解，国内外对于钢丝拉拔工艺和拉丝模孔型设计的研究往往与数值模拟方法结 合在一起。 目前，广泛应用于塑性成形过程的数值方法主要有：有限元法( f e m ：f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) 、上限单元技术( u b e t ：u p p e rb o u n de l e m e n tt e c h n i q u e ) 和边界元法( b e m ： b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) ，其中有限元法由于对变形过程物理特性的真实包容和能够更 全面的考虑各种初值条件的影响，对复杂边界有较高的拟合精度，可通过一次模拟求出全 浙江工业大学硕士学位论文 部物理量。有限元理论已经高度形式化、系统化，可以在假设条件最少的情况下，给出一 详尽的变形力学信息，是目前最适合用来进行塑性成形问题数值模拟的方法。 1 2 1 国外研究现状 在国外，自从1 9 7 3 年l e e 和k o b a z y a s h i 口3 首次提出刚塑性有限元法以来，极大地推 动了有限元数值模拟技术在金属塑性成形过程中的应用。k o b a z y a s h i 与他的合作者及学生 先后成功地利用刚塑性、刚粘塑性有限元分析了锻造、挤压、轧制等体积成形问题和拉延、 弯曲、冲孔、缩口等板料成形问题。r e b e l o m 副，p a r k ，o h 引，z i e n k i e w i c z 慨9 1 等应用刚 粘塑性有限元对速率敏感材料的成形过程进行了热力耦合计算。 1 9 7 4 年，z i e n k i e w i c z n0 1 提出了粘塑性材料的有限元公式并导出t l 习l j 粘塑性有限元 中的罚函数法，并与他的合作者分析了拉拔、轧制、挤压等工艺过程，而且对稳定流动的 热力耦合计算提出了耦合方法和解。 c h l e e 等n 2 1 采用有限元模拟技术计算了在非稳态下平面应变问题和轴对称问题挤压 或拉拔的残余应力。y c k i m n 3 3 采用三维刚塑性有限元模拟方法，研究了圆棒料拉拔成方 型料时角部充填饱满程度的影响因素，并在模拟过程中创造性地结合人工神经网络，从而 大大减少了计算量。p k a r n e z i s n 4 1 采用有限元方法模拟了钢管带芯棒拉拔过程，并优化了 模具孔型，模拟过程中考虑了残余应力、拉拔力和温度的变化，这对减少拉拔道次、优化 拉拔工艺、提高制品质量有重要意义。 1 2 2 国内研究现状 在国内，对于拉丝模孔型设计和拉拔工艺优化等问题的研究中，宁夏恒力钢丝绳股份 有限公司肖东平n 5 1 通过对英国m r b 公司及自己公司制作的拉丝模的使用对比分析，提出了 一套合理的、操作性强的制模工艺和一套完善的加工手段。昆明理工大学李莎等n 6 1 通过分 析拉丝模的材质、孔型结构和工艺状况，提出了改进设想并预测了发展前景。山东大学杨 学锋等n 刀分析比较了拉丝模不同材质、不同结构的优缺点，介绍了“直线型 模与“圆弧 型 模的特点，讨论t ：f l 型优化对拉拔加工过程的影响。 随着有限元分析技术的不断成熟和逐渐推广，近年来，我国一些学者也通过刚塑性、 刚粘塑性有限元模拟手段对优化塑性成形问题的工艺参数和工具结构做了大量的工作。 权国政等n 8 3 基于有限元分析软件d e f o r m - 3 d ，建立了铝管拉拔成形的动力学模型，得 到了摩擦因数对拉拔力的影响曲线，并划分了铝管拉拔过程的变形区。薛隆泉等n 钔应用 a n s y s 显式动力分析模块建立了钢管三维拉拔模型，得到了拉拔过程各种场量分布及各工 3 浙江工业大学硕士学位论文 艺参数对拔制力的影响。俞庆等啪1 对钢管拉拔及短芯棒拉拔进行三维动态模拟，从钢管的 应力分布规律角度阐述了实际生产中产生的问题的不同机理，并就两种拉拔方式中工艺参 数对拔制力的影响进行了深入研究。吴焕芳、温殿英等心1 1 采用三维弹塑性有限元方法模拟 了冷拔内螺旋凸筋管的成形过程，得到了此过程中管料在变形区的应力分布，揭示了冷 拔内螺旋凸筋管的变形规律。 可以看出，在国内外以有限元模拟为代表的计算机新技术已经被广泛地应用到拉拔等 塑性) m - r 分析和实践过程中。它既能直观地描述塑性成形工艺的变形流动状态，又能定量 地计算出塑性变形区的应力、应变和温度分布状态，为制定和优化工艺、设计模具结构、 分析产品质量、缩短生产周期、提高经济效益提供了科学的依据。 1 3 本文研究内容和创新点 拉丝过程是非常复杂的材料形变过程，影响因素众多，不仅有材料的组织变化( 包括 组织变形、织构的形成等) ，还包括拉丝过程中盘条的温度、表面状态的变化等。在拉丝 过程中，材料的形变主要受拉拔程序、拉拔次数、模具孔型、材料与模具间的摩擦系数等 因素的影响。这些因素配置的合理与否直接影响到模具磨损程度、拉拔断丝现象发生频率 和拉丝制品的质量。 为此，本文以拉拔工艺和模具结构优化为突破口，研究胎圈钢丝拉拔生产的工艺流程， 优化拉丝模的结构参数，并尝试设计一种新孔型的拉丝模，力求达到减少模具损耗、降低 拉拔断丝率、提高产品质量的目的。 具体而言，本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 明确拉拔工作原理，对拉丝过程进行简化受力分析，研究模具磨损和拉拔断丝 等现象形成的力学原因； ( 2 ) 以咖1 o o m m 镀铜胎圈钢丝的生产工艺流程为例，研究钢丝拉拔工艺参数的确定 原则，计算并验证拉拔程序和拉拔次数等工艺参数； ( 3 ) 采用现代反求技术检测拉丝模的结构参数，分析其中存在的缺陷，研究直线型 拉丝模孔型设计方法，对拉丝模结构进行重新设计，使模具损耗降低； ( 4 ) 以a n s y s 软件为平台，以改善应力集中现象，降低最大应力值为主要指标，设 计一种既不是“直线孔型 ，也不是“圆弧孔型”的新模具，模拟拉拔过程的应力分布情 况，对比新旧拉丝模的实际应用情况，证明合理的模具孔型设计对缓解模具磨损、减少拉 拔过程断丝、提高产品质量的重要性。 本文的主要创新点为： 4 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 规范了妒1 o o m m 镀铜胎圈钢丝生产过程中包括拉拔程序、拉拔次数等关键要素 在内的拉拔工艺参数； ( 2 ) 制定了包括定径带长度、工作区锥角和修磨操作流程在内的规范修磨工艺，改 善了拉丝模修磨过程中存在的缺陷； ( 3 ) 优化了直线型拉丝模的结构参数，使拉拔过程的模具损耗有较大幅度降低； ( 4 ) 突破了拉丝模孔型限于“直线型 与“圆弧型”的贯设计思想，设计了由指 数函数y = a e 缸+ c 表示的新孔型模具和修磨这种新模具所用的磨针。 1 4 本章小结 本章介绍了胎圈钢丝拉拔工艺和模具孔型设计方面的国内外研究现状；给出了本文的 研究背景和研究内容。 5 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章胎圈钢丝拉拔工艺 2 1 钢丝拉拔的工作原理 拉拔是一种近净成形的金属塑性加工工艺，它利用安装在拉拔机上的模具，迫使金属 在； l - ) j n 拉力作用下，以一定的速度通过模孔，并产生相应的塑性变形，从而获得与模孔颈 部形状一致的制件。拉拔加工一般工作在室温状态下，所以又称为冷拔或拔制。拉拔的分 类很多，按照制品截面形状不同，一般分为实心型材拉拔和空心管材拉拔。拉拔法与传统 的加工方法相比具有以下特点： ( 1 ) 尺寸精度高。拉拔具有比锻造、热轧、焊接等方法更高的制品尺寸精度，且表 面质量好。 ( 2 ) 机械性能高。拉拔过程一般在冷成形状态下进行，材料在变形过程中发生部分 晶粒变形、晶格畸变、晶粒破碎，以致产生加工硬化。这一特点为某些不能采用热处理等 方法强化其强度的材料提供了强化的途径。 ( 3 ) 生产灵活性大。拉拔生产所需工具少，且设备简单、投资少、操作容易、维护 方便，在一台设备上可以生产出多个品种与规格的制品。 2 1 1 拉丝模的基本结构 拉丝模是金属拉拔过程中至关重要的工具。普通拉丝模根据模孔纵向剖面形状可分为 直线形模( 又称锥形模) 和圆弧形模( 又称r 模) 。而对于拉拔胎圈钢丝等实心型材，目 前普遍采用直线形模。 直线形拉丝模模芯孔型结构按工作性质可分为“入口区、润滑区、工作区、定径区、 出口区”五个区间，如图2 - 1 。 ( 1 ) 入口区。入1 3 区的结构形状为圆锥形或圆环形，它是模孔开口最大的部分，便 于被拉线坯进入模孔和润滑剂充分进入润滑区，并保证被拉线坯不被模孔入口处擦伤。 ( 2 ) 润滑区。润滑区的结构形状为圆锥形，其作用是在拉拔时便于润滑剂进入模孔 其它各区，保证拉拔过程得到充分的润滑，以减少摩擦力并促进散热。 ( 3 ) 工作区。工作区又称变形区、压缩区，它是整个模孔最重要的部分，其作用是 6 浙江工业大学硕士学位论文 使金属在此处进行塑性变形。将原始截面减小到所要求的截面，获得所需要的形状和尺寸。 ( 4 ) 定径区。定径区又称定径带，其最合适的形状是圆柱形。其作用在于取得被拉 拔钢丝的准确尺寸。 ( 5 ) 出口区。出口区的作用是防止制品拉出模孔时被划伤以及保护模孔定径区不致 崩裂。 出口区 国2 - 1 拉丝模结构示意圈 入口区 润滑区 工作区 定径区 2 i2 拉丝模的材质 上世纪9 0 年代以来我国拉丝模制造工业发展较快，己出现了很多新型拉丝模材质。 按照材料种类可将拉丝模分为台金钢模、硬质合金模、天然金剐石模、聚晶金刚石模、 c v d 金刚石模和陶瓷模等多种。“。近年来新型材料的开发极大地丰富了拉丝模的应用范围 并提高了拉丝模的使用寿命。 ( 1 ) 合金钢模是早期的拉丝模制造材料。用来制造合金铜模的材料主要是碳素工具 钢和台金工具钢。但是由于台金钢摸的硬度和耐磨性差、寿命短，不能适应现代生产的需 要，所吐，台金钢模很快被淘汰了。 ( 2 ) 硬质合金模由钨钴类硬质合金制成，其主要成分是碳化钨和钴。与合余钢模相 比具有耐磨性高、抛光性好、粘附性小、摩擦系数小、能量消耗低、抗蚀性能高等特性， 这些特性使得硬质合金拉丝模具有广泛的加工适应性，成为当今应用最多的拉丝模具。 ( 3 ) 天然金剐石是碳的同素异性体用它制作的模具具有硬度高、耐塘性好等特点。 但天然金刚石的脆性大，且较难加工，多用于剖造直径12 咖蚍下的拉丝模。此外，天然 金刚石价格昂贵、货源紧缺，因此天然金剐石模并不是人们最终所寻求的既经济叉实用的 拉丝工具。 7 浙江工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 聚晶金刚石是用经过认真挑选的质量优良的人造金刚石单晶体加上少量硅、钛 等结合剂，在高温高压的条件下聚合而成的。用聚晶金刚石制成的拉丝模耐磨性能好，内 孔磨损均匀，拉丝效率高，而且价格比天然金刚石便宜许多，因此目前聚晶金刚石模在拉 丝行业中应用广泛。 ( 5 ) c v d ( 化学气相沉积法) 涂层拉丝模是在硬质合金拉丝模上涂层金刚石薄膜。金 刚石薄膜是纯金刚石多晶体，它既具有单晶金刚石的光洁度、耐温性，又具有聚晶金刚石 的耐磨性和价格低廉等优点，在代替稀有的天然金刚石制备拉丝模工具方面取得很好的效 果。 ( 6 ) 陶瓷材料的拉丝模具有硬度高、耐磨性好、化学稳定性强、高温力学性能优良 和不易与金属发生粘结等特点，有利于提高金属丝材表面质量，尤其是在高温下拉制有色 的硬质材料( 如：w 、m o 丝等) 。用陶瓷拉丝模拉拔有色金属材质可以避免硬质合金拉丝模 的缺陷，并且可以延长拉丝模寿命，因而广泛应用于难加工材料的拉拔n i 。 2 1 3 拉丝模的主要磨损形式 拉丝模的磨损情况十分复杂。在拉拔力作用下，模孔表面和线材表面作相对滑动产生 摩擦，出现粗糙表面的插入、咬合、撕裂、发热等现象。在摩擦的同时，拉丝模本体材料 晶粒在高压下逐渐脱落形成磨损。由于磨损产生的碎屑以及周围环境落到接触面上的灰渣 又作为磨料，增大了接触面间的摩擦，反过来又加剧了磨损。 拉丝模在拉拔工作过程中的磨损，主要表现为以下几种形式： ( 1 ) 模具孔径超差 拉丝模从投入使用开始，模孔孔径便逐渐扩大，直至所拉制的线材不符合尺寸要求， 就出现了超差。产生这一现象的原因主要是模具耐磨性差。其中，线材的成分、组织和性 能，拉拔工作条件和拉伸工艺以及拉丝模压缩锥的锥角和定径区的长度等诸多因素综合影 响着模具的耐磨性。 ( 2 ) 模具孔壁出现附积 附积现象会使金属线材表面出现沟状划痕或沿纵向表面出现局部或全长的拉痕。这类 现象产生的原因是在拉拔载荷作用下，线材与拉丝模问单向相对运动伴随着小幅的振动， 在强加的切应力影响下，使两种材料间发生扩散，产生冷焊现象，引起线材金属料在拉丝 模内壁的滞留附积。 ( 3 ) 模具孔壁出现划伤 这一现象的产生一方面是由于入口锥的角度太小，使拉制过程中产生的金属屑、粉末 8 图2 - 2 工作区分离体的受力情况 ：嚣啦帅啪锄猢心睬慨呦嘲懈面 慨韫慨：沁咖吲一知h ) 栅她地棚乏一+ 卿鑫 以蛊；q + 卿出t 如口 2 2 ) ( 2 - 3 ) 浙江工业大学硕士学位论文 出t a i l 舭丢扣 ( 2 4 ) 作用在锥面上的剪力在x 方向的投影为： t = c o s g = z7 o n ( 2 d + d d ) d x = 忐舾。( 2 d + d d ) d d ( 2 - 5 ) 在变形区内x 方向上取一厚度为出的单元体，并根据单元体上作用的x 轴向应力分量， 建立平衡微分方程式，并略去微小分量得： = 0 # - 4 - d ( d d 吒+ 2 吒扣) + 三肋+ 志船。d d d = o ( 2 _ 6 ) 将仃，与仃。的正负号代入塑性条件近似式，得： 盯，+ 吒= 仃， ( 2 7 ) 把式( 2 7 ) 代入式( 2 6 ) ，并令b = = l ，化简、积分并代入边界条件d = 见，盯，= c r 6 ， 则： 詈= 丁i + bc 一万1 ，+ 詈专 c 2 删 a 。 b 、 u ：。d | t l ： 式中从= 爰，c r 6 为反拉力。如钢丝拉拔时无反拉力，即( 7 b - - - - 0 , 则： ox，。=1+_580rb ( 1 一土4 ) 。 ( 2 9 ) 一= i i 一一- l 三一了j 罩 、 当z = x a ，d = 见，仃，= o a ，代入式( 2 9 ) 得变形区出口位置的应力吒为： 盱警”加 吒2 丁【卜万炽 心1 w 则拉拔力f 为： 胁 = 警”耖，配 ( 2 - 式中，叽拉拔材料的屈服极限； s 。拉丝模工作区出口面积； 口拉丝模与线材之间摩擦系数与工作锥半角正切值的比值； 儿线材进口与出口面积之比。 ( 2 ) 钢丝拉拔处于定径区时的受力分析 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 2 - 4 。 从定径区取出钢丝分离体( 见图2 - 3 ) ，建立如下平衡方程： 三研d 吒= 7 咖。见次( 2 - 1 2 ) 将式( 2 - 1 2 ) 化简、代入塑性条件式( 2 - 7 ) 并积分，得： l 一一o a 争一一善 旷 e 专 图2 3定径区分离体的受力情况 令c = 篑，则拉丝模定径区末端的应力值为： ( 2 - 1 3 ) 1 o a 旦：1 一s ( 2 1 4 ) 盯s p 。 ( 3 ) 拉丝模受力分析 拉丝模工作时，受拉拔力的作用，在内孔工作区产生正压力和摩擦力，其受力情况见图 图2 - 4 拉丝模受力情况 “ 浙江工业大学硕士学位论文 从图24 可以看出，拉丝模所受正压力与钢丝所受正压力是数值相等且方向相反的一 对反作用力，而且满足塑性变形条件式( 2 7 ) 。所以，在拉丝模工作锥上的正应力为： 铲c 等+ 等扫吼 浯 。一2 ( r + 矿万) 4 s 5 由式( 2 1 5 ) 可以看出，拉丝模工作锥上的正应力由两部分组成，第一部分为固定值， 第二部分与钢丝的减面率有关。可以看出，拉丝模工作锥在与钢丝接触的开始位置，应力值 最大。这就是拉丝模磨损时环状沟槽为什么总是发生在拉丝模与钢丝接触开始点的原因。 把塑性变形条件式( 2 - 7 ) 代入式( 21 3 ) ，可得拉丝模在定径区受到的正应力为： 口h2 口s 一口t2 口 1 一生1 1 i 吒 e d p 由式( 2 1 6 ) 可以看出，拉丝模定径区的正应力是随着定径区的增长而减小的。因此 在定径区与工作区的交界处产生的正压力最大。 2 2 胎圈铜丝的常规生产工艺 2 2l 胎圈钢丝的基本性能要求 轮胎的胎圈部位是轮胎在动静负荷下的变形应力集中区域。如图2 - 5 所示，由胎圈钢 丝和隔离胶编织成的钢丝圈使外胎紧密的稳固在轮辋上以防止因气压或外力引起的轮胎 变形。因此，胎圈钢丝的性能直接关系到轮胎的使用安全性和可靠性。 n 图2 - 5 轮胎结构简图 、llrl， 竖掌 浙江工业大学硕士学位论文 通常，对胎圈钢丝的性能需求指标主要有：抗拉强度、抗扭转变形、破断延伸率、平 直度、表面状态( 合金镀层组分、厚度及洁净度) 、与橡胶的粘合性能等口钔。表2 1 为 i s o t e l 7 s c l 7 国际标准中胎圈钢丝生产的各项指标的规定值。 表2 1i s o t e l 7 s c l 7 国际标准胎圈钢丝规定值 直径允许 最小破最小屈最小扭转最小破 断拉力 最小抗拉强 服强度次数断延伸 最大平直镀层( 青铜) 偏差m m度m p a性m m m 1 n m p a 【次( n d ) 。l 】 率 ( s n ) d i t m 0 8 0 0 - a ：o 0 21 0 0 02 2 0 08 0 05 0 2 0 05 06 0 0 3 9 0 3 o 0 5 o 2 2 0 8 9 0 - x - 0 0 21 2 0 02 1 0 09 6 05 0 2 0 05 o6 0 0 b 5 d 0 3 0 0 5 幻2 2 0 8 9 0 士0 0 21 3 5 0 2 3 5 0 ( h t ) 1 0 8 05 0 2 0 05 o6 0 0 3 5 如0 3 0 0 5 旬2 2 0 9 6 5 i - 0 0 21 3 5 0 2 0 0 0 ( h t ) 1 0 8 05 0 2 0 05 06 0 0 3 郢0 3 0 0 5 d 2 2 0 9 6 5 t 0 0 21 5 2 5 2 2 5 0 ( h t ) 1 2 2 05 0 2 0 05 o6 0 0 3 5 0 3 o 0 5 旬2 2 1 0 0 0 - a ：o 0 21 4 5 02 0 0 0 1 1 6 0 2 5 1 0 0 5 o6 0 0 3 1 d 0 3 0 0 5 旬2 2 1 0 0 0 士o 0 21 6 4 0 2 2 5 0 ( h t ) 1 3 l o2 0 1 0 05 o6 0 0 3 5 d 0 3 o 0 5 旬2 2 1 2 9 5 士0 0 22 4 0 01 9 5 01 9 2 02 5 1 0 05 0 6 0 0 3 1 田0 3 0 0 5 0 2 2 1 2 9 5 士0 0 22 9 7 5 2 2 5 0 ( h t ) 2 2 4 02 5 1 0 0 5 06 0 0 3 如0 3 o 0 5 o 2 2 1 4 2 0 - a ：0 0 22 8 8 01 9 5 02 3 0 02 0 1 0 0 5 o6 0 0 3 卯0 3 0 0 5 旬2 2 1 5 5 0 1 - 0 0 23 5 2 52 0 0 02 8 2 02 2 1 0 0 5 0 6 0 0 3三抑0 3 o 0 5 旬2 2 1 5 5 0 - i - 0 0 23 3 4 01 9 0 02 6 7 02 0 1 0 05 o6 0 0 35 ，d 0 3 0 0 5 旬2 2 1 5 5 0 - 士- 0 0 23 9 0 0 2 2 0 0 ( h t ) 3 1 2 02 0 1 0 05 06 0 0 31 d 0 30 0 5 旬2 2 1 6 0 0 i - 0 0 23 5 6 01 9 0 02 8 5 02 0 1 0 05 o6 0 0 31 抑0 30 0 5 旬2 2 1 6 0 0 - 土：0 0 2 4 1 5 0 2 2 0 0 ( h t ) 3 3 2 02 0 1 0 05 o6 0 0 3 5 d 0 3 o 0 5 旬2 2 1 6 5 0 ：0 0 23 6 8 0 1 8 5 02 9 4 02 0 1 0 05 o6 0 0 3 9 0 3 0 0 5 d 2 2 1 8 2 = 0 0 23 9 7 01 6 5 0 3 1 8 02 0 1 0 05 o6 0 0 3 郢0 3 0 0 5 旬2 2 1 8 3 0 士o 0 25 5 0 0 2 2 0 0 ( h t ) 4 4 0 01 5 l o o5 06 0 0 3郢0 3o 0 5 d 2 2 2 0 0 0 a ：o 0 2 4 8 0 51 6 5 03 8 4 0 2 0 1 0 05 06 0 0 3 s d 0 3 0 0 5 旬2 2 ( 1 ) 抗拉强度 在保证胎圈钢丝优良的综合机械性能的基础上，稳定和提高钢丝的抗拉强度，是保证 轮胎安全性和高速性的有效措施。对载重轮胎而言，无论是普通斜交轮胎还是子午线轮胎， 对胎圈钢丝品种、规格及抗拉强度级别的合理选择尤为重要。另外，轿车子午线轮胎为适 应越来越高的行驶速度，在保证轮胎高性能的前提下，选用高强度胎圈钢丝，可以减少钢 丝使用根数，从而达到轮胎轻量化，降低滚动阻力，提高行驶速度之目的。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 扭转值 汽车轮胎在行驶过程中，车辆急转弯、雨雪天气侧滑等状态下，所承受的急剧的侧向 变形即扭转变形。胎圈部位则是此种变形的应力集中区域，因此，作为胎圈增强用骨架材 料的钢丝，必须具备足够承受扭转变形力的扭转次数规定值。 ( 3 ) 延伸率 轮胎在动静负荷作用下，在产生法向、周向和侧向冲击、撕裂等变形的同时，均可造 成胎圈部位的拉伸变形，在高速行驶中产生热膨胀变形。因此，胎圈钢丝必须具备较高的 延伸率，才能承受复杂的拉伸变形，而不至于在拉伸变形状态下造成钢丝断裂，使轮胎胎 圈部位爆破，从而导致早期损坏，甚至造成恶性事故的发生。 ( 4 ) 屈强比和杨氏模量 屈强比是钢丝的屈服强度与抗拉强度之比。杨氏模量是拉伸试验过程中钢丝在弹性应 力一应变范围内轴向拉伸应力与轴向拉伸应变之比。两项指标呈正比关系，屈强比高，杨 氏模量也高。虽然不少胎圈钢丝的产品标准中对此没有明确规定，但却是衡量钢丝刚性和 弹性( 即通常所说的钢丝挺性) 的重要技术指标。 ( 5 ) 表面镀层 钢丝表面涂覆不同的镀层，其主要作用是防腐和保持与橡胶良好的粘合性能。常见的 有电镀或化镀纯铜和锡青铜两种。无论何种涂层类型和涂覆方式，保证涂层表面洁净、厚 度均匀一致及符合技术要求的合金组分都是至关重要的。 纯铜镀层胎圈钢丝的防腐性能和与橡胶的粘合性能可以广泛适用于国内多数轮胎制 造厂家习惯使用的配方。据实测数据和轮胎制造厂家的经