金剛石拉絲模

通常指各種拉制金屬線的模具，還有拉光纖的拉絲模。所有拉絲模的中心都有個一定形狀的孔，圓、方、八角或其它特殊形狀。金屬被拉著穿過模孔時尺寸變小，甚至形狀都發生變化。拉軟金屬（如金銀）時鋼模就夠用，鋼模上可以有多個不同孔徑的孔。

拉絲模具經安裝調試后，可以正常生產合格的工件，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，以滿足生產實際的需要。但是模具在製造過程中可能會產生某些缺陷，或者在服役過程中逐漸出現了某些缺陷，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工作，這種雖有缺陷但未喪失服役能力的狀態稱為模具的損傷。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，無法繼續服役，稱為模具的失效。在生產中，凡模具的主要工作部件損壞，不能繼續衝壓出合格的工件時，即認為模具失效。衝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。拉絲模具經過大量的生產使用，因摩擦而自然磨損或緩慢地產生塑性變形及疲勞裂紋，達到正常使用壽命之後失效是屬於正常的現象，為正常失效。模具未達到設計使用規定的期限，既產生崩刃、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服役，為早期失效。對於早期失效的模具，必須查找其產生的原因，努力採取補救的措施。

拉絲模用途廣泛，如電子器件、雷達、電視、儀錶及航天等所用的高精度絲材以及常用的鎢絲、鉬絲、不鏽鋼絲、電線電纜絲和各種合金絲都是用金剛石拉絲模拉制出來的，金剛石拉絲模由於採用天然金剛石作原料，從而具有極強的耐磨性，使用壽命極高。

經歷了幾十年的發展，已出現了很多新型拉絲模材質。按照材料種類，可將拉絲模分為合金鋼模、硬質合金模、天然金剛石模、聚晶金剛石模、CVD金剛石模和陶瓷模等多種。新型材料的開發極大的豐富了拉絲模的應用範圍並提高了拉絲模的使用壽命。

合金鋼模（1）合金鋼模是早期的拉絲模製造材料。用來製造合金鋼模的材料主要是碳素工具鋼和合金工具鋼。但是由於合金鋼模的硬度和耐磨性差、壽命短，不能適應現代生產的需要，所以合金鋼模很快被淘汰，在生產加工中已幾乎看不到合金鋼模。硬質合金模（2）硬質合金模由硬質合金製成。硬質合金屬於鎢鈷類合金，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；鈷是粘結金屬，是合金韌性的來源。因此，硬質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、摩擦係數小、能量消耗低、抗蝕性能高，這些特性使得硬質合金拉絲模具有廣泛的加工適應性，成為當今應用最多的拉絲模模具。

天然金剛石模（3）天然金剛石是碳的同素異形體，用它製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，一般用於製造直徑1.2mm以下的拉絲模。此外，天然金剛石價格昂貴，貨源緊缺，因此天然金剛石模並不是人們最終所尋求的即經濟又實用的拉絲工具。

聚晶金剛石模（4）聚晶金剛石是用經過認真挑選的質量優良的人造金剛石單晶體加上少量硅、鈦等結合劑，在高溫高壓的條件下聚合而成。聚晶金剛石的硬度很高，並有很好的耐磨性，與其它材料相比它具有自己獨特的優點：由於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下時，天然金剛石在孔的某一位置將發生擇優磨損；而聚晶金剛石屬於多晶體、具有各向同性的特點，從而避免了模孔磨損不均勻和模孔不圓的現象發生。與硬質合金相比，聚晶金剛石的抗拉強度僅為常用硬質合金的70%，但比硬質合金硬250%，這樣，使得聚晶金剛石模比硬質合金模有更多的優點。用聚晶金剛石製成的拉絲模耐磨性能好，內孔磨損均勻，抗衝擊能力強，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中應用廣泛。

CVD塗層模（5）CVD（化學氣相沉積法）塗層拉絲模是新近發展起來的一項新技術，其主要方法就是在硬質合金拉絲模上塗層金剛石薄膜。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點，在代替稀有的天然金剛石製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帶來新的活力。

陶瓷材料模（6）高性能的陶瓷材料具有硬度高、耐磨性好、化學穩定性強、高溫力學性能優良和不易與金屬發生粘結等特點，可廣泛應用於難加工材料的加工。近三十年來，由於在陶瓷材料製造工藝中實現了對原料純度和晶粒尺寸的有效控制，開發了各種碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、晶須或少量金屬的添加技術。以及採用多種增韌補強機制等，使陶瓷材料的強度、韌性、抗衝擊性能都有了較大提高。從國外研究結果看，陶瓷材料已廣泛應用於模具領域，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用，但是隨著製造技術的不斷提高，陶瓷將會是適合拉絲工業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生粘附，有利於提高金屬絲材表面性能，尤其是在高溫下拉制有色的硬質材料（如W、Mo絲等）。用陶瓷拉絲模拉拔有色金屬材質可以避免硬質合金拉絲模的缺陷，並且可以延長拉絲模壽命、提高材質的表面質量。不同材質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合金、天然金剛石、人造金剛石等。在選擇拉絲模時應根據不同的加工工序，被加工的線絲的材質性能，以及線絲的質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的模芯對拉絲模壽命影響1.硬質合金拉絲模用的硬質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、抗衝擊性、拋 光性和抗腐蝕性能，易於修復，價格低廉，是常用拉絲模芯製作材料，廣泛應用於粗、中絲的拉伸。研究表明，通過改善硬質合金成分和組織結構，控制碳含量的波動值，細化碳化物的顆粒，可以提高材質的性能，延長其使用壽命。國內外採用熱等靜壓（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，減小摩擦係數；並利用化學氣相沉積（CVD) 法和物理氣相沉積（ PVD) 法在硬質合金表面形成金剛石薄膜或氮化鈦塗層，提高合金的表面強度。2.天然金剛石天然金剛石俗稱鑽石，是自然界最硬的物質，具有很高的耐磨性和熱傳導率，用於鎢鉬絲拉伸時能改善絲材的表面質量，提高絲材性能及尺寸精度，主要用於拉伸細絲及成品絲。但它性質非常脆，抗衝擊性能差，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，耐衝擊性較強，性質均勻、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合金模高，且絲材尺寸穩定，表面質量好。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，提高產品質量。

結構

隨著改革、開放的深入進行，國內相繼引進了工業發達國家製造的拉絲模及相應的模孔檢測儀器。通過對國外拉絲模孔型的剖析，使我們了解到現代拉絲模孔型的設計思想，為提高中國拉絲模的設計水平提供了借鑒。拉絲模芯的結構按工作性質可分為“入口區、潤滑區、工作區、定徑區、出口區”五個區間。拉絲模的內徑輪廓很重要，它決定著壓縮線材所需的拉力，並影響拉拔后線材中的殘餘應力。模芯各區的作用分別是：入口區，方便穿線及防止鋼絲從入口方向擦傷拉絲模；潤滑區，通過它使鋼絲易於帶入潤滑劑；工作區，是模孔的主要部分，鋼絲的變形過程在這裡進行，即將原始截面減小到所要求的截面尺寸。在拉拔圓錐面金屬時，工作區內金屬的體積所佔的空間是一個圓台，該空間稱為變形區。工作區內的圓錐半形α（又稱為模孔半形）主要用於確定拉拔力的大小；定徑區的作用在於取得被拉拔鋼絲的準確尺寸；出口區是用於防止鋼絲出口不平穩而刮傷鋼絲表面。隨著拉絲速度的提高，拉絲模的使用壽命成為突出的問題。美國人T Maxwall和E G Kennth提出了適應高速拉絲的新拉絲模孔型理論，即“直線型”理論。根據該理論製作的拉絲模具有下列特點：①入口區、潤滑區合二為一，具有使潤滑角減小的趨勢，使潤滑劑進入工作區前就受到一定壓力，從而起到更好的潤滑效果。②入口區和工作區加長，以建立較好的潤滑壓力，其角度按拉絲材質和每道次壓縮率分別進行優選。③定徑區必須平直且長度合理。④各部分縱麵線都必須是平直的。國內拉絲行業對“直線型”和“弧線型”拉絲模進行了廣泛的討論，其中爭議較大的是工作區的形狀和工作區與定徑區交界處的形狀。不少人對“直線型”模持肯定態度。但筆者認為兩種類型的拉絲模均有著各自的特點及所適用的場合，不加分析地作出結論，末免有失偏頗。模芯工作區呈“弧線型”，會使金屬在變形區內的流動更加曲折，導致附加剪切變形及多餘變形功的增大，繼而使拉拔應力增大（一般較“直線型”模增大10～30%）。而“直線型”模工作區輪廓線上各點的斜率相同，這樣當我們確定了最佳工作區圓錐半形α時，便可在最小的應力狀態下拉拔金屬；而“弧線型”模由於其輪廓線上各點的曲率不同，故無法使整個工作區存在這樣一個最佳工作區圓錐半形α。從有利於金屬的流動和減小拉拔應力的角度出發，國外在道次壓縮率為10～35%（大多數金屬絲的變形均在此範圍內）及拉拔中、粗規格的金屬絲時，一般均採用“直線型”工作區。而採用“弧線型”工作區時，金屬在內孔中的變形可隨其加工硬化程度的增加而逐漸減小，內孔壁上的壓力分佈和磨損都比較均勻，故“弧線型”工作區耐磨性好。特別是當道次壓縮率較小時（小於10%），採用“弧線型”工作區，可在工作區圓錐半形α較小的情況下獲得足夠長的變形區。加之“弧線型”工作區具有適應能力強的特點，故在道次壓縮率較大（大於35%）或較小（小於10%）及拉拔鋼絲時，還是應該採用“弧線型”模。