丝材拉拔基础知识
孔角度提高变形效率的调节范围是有限的。 6. 影响拉拔的工艺因数 6.1．模具
(1)模具材质：硬的模具材料可降低拉拔力。据资料介绍，选用碳化钨+钴硬质合金模可比钢模减少拉拔力40～50%，用金刚石模又比硬质合金模拉拔力减少20～30%。提高模孔表面光洁度可
以收到和提高模具硬度的同样效果. a辐射形 b圆锥形
(2)模孔变形区的几何形状：对丝材拉拔也有一定的影响，模孔 图21模孔工作区形状（实测） 工作区常用形状有辐射形和圆锥形两种，见图21中a和b。辐射形模是传统拉丝模，被称为“R”系列拉
丝模。圆锥形模是为适应高速拉拔而开发的新式拉丝模。
辐射形拉丝模孔分5个区：入口区、润滑区、工作区、定径区和出口区，各区之间圆滑过渡。拉拔时丝材在工作区中变形速度由高到低（见图22b），意谓变形程度随加工硬化而降低，相对比较合理；辐射形工作区磨损时，总是先磨成圆锥形，
以 后才形成凹形圆环，模具使用寿命比圆锥形要长。多年实践证明在拉拔速度低于200米/分的条件下，辐射形拉丝模孔形设计合理，使用效果良好，模具修理也比较方便，研磨时用手托着模具左右摇晃，很容易将过渡区磨圆。但随着拉拔速度的提高，辐射形拉丝模因润滑区角度大，长度短，无法建立起稳定的流体动力润滑膜，限制了拉拔速度进一步提高。
圆锥形拉丝模是针对辐射形拉丝模在高速拉拔时暴露出来的不足，对孔形进行了改进，取消原润滑区，工作区较原先加长，入口区角度缩小，把建立润滑膜的功能分配到入口区和工作区中。圆锥形拉丝模孔分4个区，各区全部变为直线，要求过渡区必须保持锐角，不允许研磨成圆弧。因为模具工作区加长了50%，并改为直线，润滑剂的“楔入效应”加强，借助于高速拉拔，很容易建立起致密、稳定的流体动力润滑膜。但从图22a中可以看出，丝材在工作区中变形速度由低到高，变形程序不如传统模具合理；另外，因为不允许研磨成圆弧，模具修理必须选用相应的研磨设备。
我国现行硬质合金模早已全部过渡到圆锥形拉丝模，GB6110-1985《硬质合金拉制模具型式和尺寸》规定，硬质合金拉丝模由模芯和模套两部分组成，钢丝拉丝模分为A型和C型两种，每种模具按模套外形又分为Z型模套（圆柱体）和K型模套（圆锥体）两种。A型模直径范围Φ0.1～13.0mm，C型模直径范围Φ2.4～61.0mm，拉丝模的结构和形状如图23。
(3)模孔工作区角度
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如前所述，从降低附加变形功（Ws）来考虑，模孔角度α小好，从降低摩擦损耗功来考虑，模孔角度α大好，实践证明，在各种不同减面率下，都有一对应的最适宜的模孔角度，这时拉拔力最小，变形效率最高。德国的J·G·维斯特赖希从分析钢丝塑性变形受力状况出发，提出的模孔工作区最佳角度计算公式(见35)，并绘制出模孔变形区角度与拉拔力的关系图，如图24。
??1.5flnd0 （35） d1 式中：α—工作区半角，弧度；
f—摩擦系数；
d0—拉拔前直径，mm； d1—拉拔后直径，mm。
从图24看出，钢丝减面率较大时宜采用较大角度，粗规格（Φ≥6.0mm）钢丝一般道次减面率较大，模孔角度多选用14～16°，中等规格钢丝一般道次减面率适中，模孔角度多选用12～14°，较细规格（Φ≤1.5mm）钢丝一般道次减面率较小，模孔角度多选用10～13°。
选用模孔工作区角度应该考虑丝材的强度，抗拉强度较低时工作区角度应适当加大，以拉拔直径Φ3.0mm各类丝材为例：铝丝选用18°模具、铜丝选用16°模具、中低碳钢丝选用14°模具、高强度弹簧钢丝选用12°模具。
(4)模具基本尺寸
除模孔形状和工作区角度外，入口区、工作区和定径区长度，入口区和出口区的角度，以及拉丝模的外形尺寸都是模具基本尺寸，见图25。
入口区主要作用是将丝材导入拉丝模孔，贮存一定量的润滑剂，同时为修磨时扩大孔径留下余地。干式拉拔用拉丝模入口区角度通常为工作区角度的2～3倍，即β＝（2～3）α，实测美国、日本、德国、瑞典和意大等国干式拉丝模入口区角度均在35°～46°之间，模孔直径越大角度也相应增大。同样要根据模孔直径确定入口区长度（L1），通常L1＝（1～1.5）L2，模孔直径越大长度倍率取上限。
工作区的角度较小，高速拉拔时能在前区形成高压的润滑剂贮留区，阻止润滑剂回流，有利于流体动力润滑膜的建立。工作区的后区为变形区，是拉拔成形的关键区域，要严格控制好该区的锥度、光洁度和（与入口区和定径区的）同心度。变形区长度（Lg）可按下式计算：Lg＝0.5(d0－d1)ctgα；工作区的长度一般取变形区长度的1.1～1.3倍，即：L2＝（1.1～1.3）Lg。
定径区的形状是圆筒形，作用是保证丝材尺寸精度和
表面光洁度，提高模具使用寿命。定径区越长摩擦力越大，拉拔力和摩擦功（WR）相应增大；安全系数（K）和变形效率（η）降低。但从保证丝材尺寸精度和提高模具使用寿命来考虑，又希望定径区有一定的长度。通常按丝材的强度和直径来考虑定径区长度，L3＝（0.35～1.5）d，丝材强度高、直径小，倍率取上限；湿式拉拔用拉丝模的L3一般相应缩短1/3～1/2。
出口区的作用是加强定径区强度，防止模芯在出口处破裂、掉肉，避免丝材在出口处划伤，同时便于拉拔钳咬住丝材轧尖的端部。出口区的角度比较大，γ＝（5～6）α ；出口区的长度(L4)一般为模芯总高度的1/3～1/5，出口区稍长点可以使拉丝模受力中心向前移动，为修模时扩孔留下更大的余地。 6.2．摩擦力和摩擦状态
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如前所述，降低摩擦力是提高拉拔效率的最有效途径。在拉拔过程中丝材与模具直接接触，不可避免地产生摩擦力，摩擦力大小取决于三要素：正压力、摩擦系数和接触面积。前面已经提到的使用反拉力是通过降低正压力来降低摩擦力；改变模具材质和提高模孔光洁度是通过降低摩擦系数来降低摩擦力；增大模孔角度是通过减小接触面积来降低摩擦力，其实，改变摩擦状态才是降低摩擦力的关键的措施。按摩擦理论，滑动摩擦有四种状态：干摩擦、边界润滑摩擦、混合润滑摩擦和流体动力润滑摩擦，见图26。干摩擦指滑动接触面任何无润滑的摩擦，干摩擦状态的摩擦系数高达0.7～1.0；如果滑动接触面有一层很薄的润滑膜将两者分开称为边界
润滑摩擦，边界润滑膜只有几个分子厚，摩擦系数约为0.10～0.30。边界润滑摩擦一般在高负荷、低速滑动条件下形成，随着滑动速度增大而急剧减薄，直至失去润滑作用；如果在滑动接触面间形成一层稳定的、可流动的润滑层，将两者完全隔开，则摩擦进入了流体动力润滑摩擦状态，此时摩擦系数可降到很低水平（0.001～0.005）。流体动力润滑摩擦状态下的摩擦系数在很大程度上取决于流体润滑层的平均压力，压力越大，摩擦系数越低。流体动力润滑摩擦状态只有在一定的滑动速度下才能建立，并且只要流体润滑层未失效，速度进一步增加时摩擦系数升幅很小。混合润滑摩擦是介于边界润滑摩擦和流体动力润滑摩擦之间的一种摩擦状态，摩擦系数约为0.005～0.10，绝大多数丝材拉拔均处于混合润滑摩擦状态。降低摩擦力首先要设法改善拉拔的摩擦状态，尽可能增大流体动力润滑摩擦的比例，润滑方式和润滑剂的选择是其中最重要的一个环节。 6.3. 润滑方式和润滑剂
拉丝润滑方式可分为干式润滑和湿式润滑两种，湿式润滑又分为油性润滑和水性润滑两种。如果使用得当，干式润滑的润滑效果优于湿式润滑 ，油性润滑优于水性润滑。按冷却效果排列，得到正好相反的排列次序，水性润滑优于油性润滑，湿式润滑优于干式润滑，但无论哪种润滑方式都得依赖丝材表面处理、润滑剂和模具三者配合才能达到降低摩擦力的效果。在润滑正常条件下，干式润滑拉拔的丝材表面呈雾面（类似毛玻璃）状态，湿式润滑拉拔的丝材表面呈光亮（类似镜面）状态。各类丝材通常选用的润滑方式如表6。
表6 各类丝材通常选用的润滑方式
润滑剂 金属种类 钢丝 不锈钢丝及镍铬合金丝 钛及钛合金丝 铝及铝合金丝 铜及铜合金丝 镀锌线 铜及黄铜电镀线 镍电镀线 表面涂层处理 ◎ ◎ ◎ × × ○ × × 干式润滑剂 ◎（中-粗） ◎（中-粗） ◎ × △ ◎（中-粗） ○ ◎ 油性润滑剂 △ ◎（细） △ ◎ △ △ △ △ 水溶性润滑剂 ◎（细） △（细） × △（细） ◎ ◎（细） ◎ × 注：◎：常用；○：亮面部分；△：可以选用；×：不用； （中-粗）：直径φ＞1.0㎜的丝材；（细）：直径 φ≤1.0㎜的丝材。
表面处理是保证润滑剂吸附量适度最重要的因素，良好的润滑效果往往是通过表面处理和润滑剂之间恰当的组合来实现的，表面处理包括去除丝材表面氧化皮和涂敷适当的润滑涂层两道工序。
丝材表面氧化皮又硬又脆，会划伤模具，是塑性变形的障碍，拉拔前必须彻底去除。去除氧化皮的方法有机械法（如反复弯曲、喷丸、刷除等）、化学法（碱浸、酸洗等）和电化学法（电解酸洗）三种。化学法使用效果最好，成本也比较低，但污染环境，遗留下废弃物质的环保处理问题。机械法对环境污染较轻，废弃物质的处理难度不大，反复弯曲和刷除生产成本最低，喷丸处理成本略高于酸洗；但机械法仅适用于中低碳钢丝，很难彻底清除合金钢丝的氧化皮；电化学法通常用在连续生产线上。
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为保证润滑剂能牢固地粘附在丝材表面，能顺利的进入拉拔变形区，达到预期的润滑效果，拉拔前要对丝材进行涂层处理，即在丝材表面覆盖一层润滑剂的载体膜。涂层也是拉丝润滑膜的组成部分，一定粗糙度的涂层将润滑剂载入模孔内，和润滑剂一起组成足够厚的润滑膜，所以涂层也是广义的拉丝润滑剂，通常称为润滑涂层。钢丝的涂层种类繁多，常用涂层有：黄化、磷化、镀铜、皂化、涂石灰、涂硼砂、涂硅酸盐、涂盐石灰和涂特种涂料等，前四种（黄化、磷化、镀铜、皂化）涂层依靠化学反应在钢丝表面形成一层载体膜，称为转换型涂层；后几种（涂石灰、涂硼砂、涂硅酸盐、涂盐石灰）涂层依靠物理粘附在钢丝表面形成一层载体膜，称为非转换型涂层；特种涂料往往是两者兼备。一般说来：转换型涂层的附着效果优于非转换型涂层；非转换型涂层只适用干式润滑涂层；黄化和涂石灰生产成本最低，磷化和特种涂料生产成本最高。具体使用哪种涂层需根据丝材的种类、变形抗力、拉拔工艺流程、减面率的大小及道次减面率的分配、选用的润滑方式确定。
干式润滑通常选用干粉状皂类润滑剂，拉拔时首先需借助变形热使拉丝粉软化，才能均匀地涂敷在丝材表面，形成润滑膜；在变形区润滑膜必须能承受高温和高压考验，保持良好的延展性，不破裂、不分解、不焦化。干粉状润滑剂的软化点必须与拉拔工艺相匹配，软化温度太高，在拉拔初始阶段产生的热量不足以使干粉转化为胶体，无法形成有效润滑膜；软化温度低意味着焦化温度必然低，进入变形区后，润滑膜在高温和高压条件下失去润滑作用。到底需选用软化温度多少的润滑剂，取决于丝材的材质、变形抗力、道次减面率、涂层及拉拔速度，说到底：取决于变形的功率消耗，或模具变形区的温度和压力。干粉状润滑剂的主要成分是脂肪酸（牛油脂、羊油脂、油酸、棕榈酸、硬脂酸）与碱金属（K、Na、Li）或碱土金属（Ca、B、Zn、Mg）的化合物，即金属皂。皂类润滑剂的软化点与脂肪酸中碳-氢链的长短和金属离子种类密切相关。为改变软化点，特别是加宽软化点到焦化点的温度范围，通常根据需要，在润滑剂中添一定量的极压添加剂（S系、Cl系、P系有机或无机添加剂），在拉拔过程中，极压添加剂借助变形热与涂层和金属表面产生化学反应，形成FeS等有一定润滑性能的化合物，显著地提高了润滑剂的耐热耐压性能，为建立流体动力润滑奠定基础。提高润滑膜的厚度也是建立流体动力润滑的必要条件，为此要根据拉拔工艺和拉拔道次选择合适的涂层，在润滑剂中添加适量的粘附添加剂（硼砂、元明粉、磷酸盐等）也能有效增加润滑膜的厚度。此外，干粉状润滑剂中有时还含有一定量层状无机物，如滑石、胶体石墨、云母、二硫化钼，以及防锈剂（亚硝酸钠、苯甲酸钠）和着色剂等。
油性润滑剂通常由矿物油（机油、锭子油、透平油）、动植物油（魚油、猪油、棕榈油、椰子油、蓖麻油、菜子油）、合成油（聚乙烯、聚丙烯）、油性改善剂（脂肪酸、醇类、酯类）、极压添加剂（S系、Cl系、P系、或有机添加剂）、粘度改善剂（异丁烯、丙烯酯）以及抗氧化剂（二烷基二硫代磷酸锌ZDDP）、防锈剂（磺酸钡、牛油脂肪酸胺）、消泡剂（硅油）组成。拉丝用油性润滑剂所承受的压力远远大于机械润滑剂所承受的压力，再好的矿物油也无法满足拉丝的润滑要求。拉丝用润滑油必须在矿物油基础上添加极压添加剂和油性改善剂才能适应拉丝要求。极压添加剂依靠与金属表面起化学反应生成极压膜来改善润滑。油性改善剂依靠极性分子吸附在金属表面来改善润滑。一般说来，极压添加剂所形成的极压膜的摩擦系数远大于油性改善剂所形成的吸附膜的摩擦系数，但两种添加剂作用区域不同，极压膜在高温区摩擦系数低，吸附膜在低温区摩擦系数低，只有两种添加剂复合使用，才能保证油性润滑剂在高温和低温区域均有较低的摩擦系数。油性润滑剂还包括油基膏状润滑剂。 水性润滑剂可分为乳化液和皂溶液两类，乳化液是水中加油组成的一种水包油型的乳浊液，通常由矿物油（机油、锭子油、透平油）、油性添加剂（硫化动植物油、氯化石蜡、油酸、酯类）、乳化剂（阴离子型的碱金属皂、环烷酸钠盐、三乙醇胺盐、磺化蓖麻油和非离子型添加剂）、防腐剂(酚化合物、氮化物)、抗氧化剂等组成。皂溶液是由水溶性碱金属皂（钾皂、钠皂），加入防腐剂(酚化合物、氮化物)、消泡剂(乙醇、硅酮)组成。
要实现流体动力润滑除选用适当涂层和润滑剂外，还必须采取适当的技术措施，在模具入口处建立高压区，防止润滑剂回流。目前干式润滑选用压力模（哈夫模），即在拉丝模前套装一个孔径稍大于
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丝材直径的拉丝模，两个拉丝模之间留出一个空间，拉拔时借助于涂层的携带作用和压力模的“楔形效应”，在拉丝模前形成一个高压润滑剂储留区，为流体动力润滑的建立奠定基础。选用油性润剂时大多数选配压力管，即孔径稍大于丝材直径的金属，其作用与压力模相同；也有在拉丝模装配一个储油腔，采用压力泵将高压油打入腔中的方式润滑，称为流体静力润滑。 6.4. 拉拔时的温升和冷却 6.4.1 拉拔时的温升
丝材虽然在室温下进行冷拉，但拉拔所消耗的主变形功和附加变形功90%以上转化为热量，变形消耗的功不到10%，最终作为潜能残留在拉拔后的丝材中，而摩擦功几乎全部转化为热量。试验表明，变形功造成钢丝温度升高是整亇截面均匀的温升，而摩擦功引起的温升只限于很薄的表面，丝材整体的温升分布是不均匀的，在变形区内温升沿长度方向增大；在横截面上丝材表面温升大于心部温升。丝材的温升取决于本身变形抗力、热导率、密度、比热容，以及拉拔速度和道次减面率，诺曼·威尔逊（Wilion）提出一般拉拔速度时丝材温升的估算公式，如公式36，其中变形抗力、拉拔速度和道次减面率的影响隐含在拉拔力（P）或拉拔应力（Rp）中。
T?0.558Rp0.558P?17.8??17.8 （36） Akc?c?式中：T—丝材温升，℃；
P—拉拔力，N；
Ak—拉拔后丝材的横截面积，mm2； Rp—拉拔应力，MPa c—丝材比热容，J/g·K；
?—丝材密度，g/cm3。
对于钢丝c=0.482 J/g·K、ρ=7.85 g/cm3，公式可简化为： T??17.8?0.148Rp?17.8 0.482?7.85拉拔产生的热量必然导致丝材、模具、润滑剂的温度随之升高，实测证明，在一般拉拔速度（120～
0.558Rp150m/min)条件下，低碳钢丝拉拔一个道次平均温升60-80℃；而高碳钢则达到100-160℃左右。在连续拉丝机上，钢丝经多次拉拔后，模具变形区局部累积温升可达350～450℃。总的看来，温度升高给生产带来的后果是弊大于利：温度升高金属材料的变形抗力下降是有利的一面，但对于有应变时效脆化效应的高碳钢丝，温度超过180℃时，钢丝抗拉强度升高，弯曲、扭转和缠绕性能急剧下降，成为不合格品，所幸的是应变时效脆化效应除温度外还与停留时间有关（见表7），因为钢丝直径有限，出模很短时间（千分之几秒）就可达到内外温度均匀一致，研究结果表明：应变时效是钢丝出模后在高温下停留时间太长产生的，只要冷却得当完全可避免产生时效脆化。相对比较，受温度影响最大的是润滑剂和模具，温升太高，润滑剂失效，模具磨损和损坏，拉拔根本无法正常进行。拉拔产生的热量只有不足20%传递给模具，80%以上被钢丝带走，这些热量需要通过模具和拉丝卷筒散发，长期以来模具冷却和卷筒冷却一直是连续拉拔和高速拉拔必须攻克的难关。
表7 冷拉高碳钢丝在不同温度下应变时效的开始时间
温度 ℃ 100 120 开始时间 秒 7×103 2.2×103 温度℃ 200 220 27
开始时间 秒 4．2 1.5 温度 ℃ 300 340 开始时间 秒 4×10-2 8×10-3