硬质合金模具设计-1

硬质合金模具设计----其对钢丝质量的影响

作者：汤玛斯.麦斯维尔

美国奎鹏模具公司

炼钢，以及金属制造这两门学科至今只有六十年的历史，然而制造钢丝这门技术却可以追溯到六千年前。正是因为这门技术的发展以及人们的不断钻研，使得我们在钢丝制造业中达到了这样一个水平：一个没有任何可动零件的小部件变成了钢丝制造业的核心部件。当你在思考钢丝制造流程的时候，你会发现每一个你所使用的设备，每一台拉丝机，每一台开卷机，每一个棒成型操作，每一个清洁操作，不论是用酸洗还是用机械的方法去除水垢，都是为了一个目的，那就是让这块金属通过一个圆锥形的洞-------人类所知道的构造最为简单机械之一。

尽

管无论核心模具冶金性质还是制造碳化钨的方法自从1965年钢丝绳制造手册卷1出版以来一直没有大的变化。在模具规格，整理程序，机械设备等地方还是有许多重要进展。直到最近，标准拉丝机模具可以被手工精确修整，提升了他们尺寸精确性上的变化。随着拉丝规格的不断精确化，模具所需要的精确性和坚固性也不断上升。机械模具精整设备的早期发展集中于粗糙打孔以及初步打磨步骤。剩余的最终抛光打磨步骤都被留下待手工完成。然而，今天的钢丝工业转向了那些可以用更低的成本提供更优异质量产品的生产方法。随着机械除水垢法和更高的中轧速度的广泛应用，工业上对碳合金模具的要求也在相应地逐步提高；对模具轮廓和规格做一些改动也变得十分必然。这些改变带来了新的全自动整套机械和新的训练技术的发展。这些机械和设备可以使操作员用预先设定好的进给调节参数和高效的切割率完整地制备模具。它可以制备出更高精度和坚固性的模具，因此增加了模具的性能，同时延长了模具的寿命。

碳合金模具

拉丝模具被描述为人们控制的设备中最为杰出的设备，因为它代表了一种简洁和高效的完美结合。

它可以使金属塑性流动，而这是其他方法无法达到的。它改变了材料的物理性质，并且提供给钢丝一种尺寸和界面的精确性，而这也鲜有其他方法可以达到。它给予金属一种致密结构，一个坚硬的表面，一个高的抛光度。它变成了一台自动检测工具，除了润滑剂和镀层之外，只需要推着材料经过固定模具的力的辅助。

模具术语表

钟半径（或者是贝尔半径？）。模具的这个部分是用来引导线材的。如果线

材螺旋着进入模具轮廓的话，它就会起一个引导作用。线材在中心跟进圆锥形的接触角度接触前一刻接触这一表面。生产商会把这一部分做的比较粗糙，任何针对这一部分的打磨或抛光只是为了对外表进行装饰，因为拉丝不在这儿进行。

接触角度。接触角度的作用是引导润滑剂进入模具的接触角，在这里润滑剂在拉丝时

被包裹在钢丝上。进入模具的钢丝应该被直接引导进入压缩角，而不与接触角接触，除了从一个钢丝线团中拉出钢丝时。这一角度也可以做得比较粗糙。

出口缓解区。出口缓解区的锥形区域被设计用以加强模具出口的强度，防止硬质合金

尖端处破裂。它可以保证金属成形区位于硬质合金尖端处的中心，因为它的长度使得轴承和接触角度在尖端处处于一个更高的位置。出口缓解区角度通常也是做得比较粗糙。大多数情况下，它的直径是足够大的，大到可以直接适应更大尺寸的复式切割而不用再增大出口角度。如果这一缓解区取消，或者它的长度小于大约3.18mm的时候，出口角度需要重新计算。

钢套。钢套需要由硬度在20到25RC的优质钢材制造。钢套的外径需要与内孔同心接合，

并且表面与外径平整一致。内孔的直径需要制造的十分精确，以达到紧密相容的程度。以确保和合金尖端有正确的压配合。

钨碳合金尖端。尖端由硬质合金制成，它是一种钨和钴粉末的混合物，冷压进入碳

合金尖端外形中成型的。大多数的尖端的钴含量为6%到12%的，钨含量为平衡组分。尖端的外径被无中心地磨平，以确保在钢套里有正确的压配合。

接触角。接触角是一个拉丝模具中最为重要的部分。整个的断面收缩率以及润滑剂在钢

丝的包裹均发生在这里。任何一个拉丝模具的效率均由这一接触区域的设计和精确度决定。这一区域必须被制作成一个精确的圆锥形角度，并且内表面极其光滑。它的各边必须笔直，没有任何不同半径部分或者杂轮廓在它的内表面上。这个角度必须在专用设备上精确地制造，以确保接触角和轴承直径表面有共同的中心线。另外，这些表面必须与钢套的外直径同心。

轴承。轴承在拉丝模具中的作用是对所拉的钢丝的直径进行最后一步控制，以保证它的

圆度，平直度，以及完成表面的平整，光滑度。因此，轴承表面必须精确制备，以确保圆度以及最终的微小的误差。为了防止模具磨损过快，平行轴承的长度应该是35%到50%的模具直径。当被拉出的钢丝被推动而脱离正常方向时，外加的压力将会加在轴承表面的一侧上，如果发生这样的情况正确的平行轴承长度可以帮助延长模具寿命。

干拉过程中模具磨损的原因

模具的磨损通常表现为润滑剂表层的破裂，这会在待拉材料的表面产生一个抛光或明亮的部分。如果拉丝继续的话，这个明亮的部分将会很快变成一系列纵向的线条，这些线条随后又会导致刮削，并且会使钢丝变成椭圆形。如果刮痕一旦明显就立刻更换模具的话，检测后会发现模具会出现环剥现象，并且这些环剥通常频繁地发生在模具的一个部分。从磨损的环处到模具末端出口处，可能会观察到金属小颗粒附着在模具表面。润滑剂不能耐受模具内部的压力和温度，因此导致了模具自身的损坏。

当模具上有环产生时，剥落的碳合金颗粒如此之多以至于他们不能被钢丝上的皂皮层吸收。钢丝上的颗粒被撕裂般地带走，随后与碳合金颗粒混合，形成一个可以导致润滑剂完全破碎的织补处。随着拉丝压力的增加，模具内部温度也会增加，模具本身的一部分也可能被撕走。

如果钢丝在一个发生环剥落的模具上被拉回，检测将发现钢丝的线径减少量是单边减少，并且模具中高压部分的位置处在有部分环剥落的部分。这一情况是由于进入钢丝的中心线没有对准造成的。在这种情况下，钢丝的线径减少量将会只发生在模具的有效表面部分，并且这一部分属于工作压力更大的区域。

中心线不对准通常是由于钢丝沿着模具箱滑轮和模具之间的曲线运行造成的。拉斯部分的接触角越大，其所造成的环剥落现象越明显。观察所得，如果一根钢丝需要连续六步拉拔步骤，与前面的步骤相比，钢丝第四、五、六步的阻滞弧线相接的更为紧密，并且通常是在后面的几个孔中，模具的磨损更为严重。另外，因为这时钢丝变的更坚硬，传递速度也更加快，因此，在一个给定的点上，给定的时间段内，相比前面几步，后面的几步会有更多的物质通过这一点。

一旦模具达到这种情况后，它不能够继续生产，并且需要立刻被更换。接触角度或者/以及轴承必须及时维护以除去对碳合金造成的伤害，并且增加轴承直径。

和旧模具修补方法相关的模具磨损

工业上现行使用的许多模具修补工具不能制备精密的模具。许多设备只是注重于粗糙的钻孔以及初步打磨流程，而把最终的抛光和最终打磨流程留待手工完成。这些设备没有控制系统来确保轴承和接触角度有相同的中心线。从而导致这些表面以及模具钢套之间没有很好的同心度。

接触角度的撕裂

撕裂操作使用一个钢制的圆柱形针尖加工待加工的接触角度。针尖与接触角度接触的区域由金刚石或磨料制成。然后把针尖插入模具，并且与接触角度360度接触。这台机器将针尖以一种类似脉冲的方式旋转，以撕裂碳合金并且增大圆锥角度。

撕裂操作在接触角度上得到一些不愿意得到的状况。这些状况影响了模具的寿命并且直接影响电线的质量。因为针尖和模具的360度接触，针尖可能会偏离中心线。这是由于不平整的打磨，以及接触角度表面上的突出物造成的。另一个问题是在接触角度表面上因为针尖和磨料的撕裂行为而产生的大量的磨损剥落环。例如，第一个接触角度的纵切面视角（图3，4）显示这些严重的磨损剥落环都与钢丝运动的方向垂直，而当电线沿着接触角度往下运动时这将会导致更大的阻力。因为切割的针尖材料硬度比模具的材料低，所以快速的磨损将会使针尖失去它的精确的外形。这一磨损将会在针尖上形成凹陷的外形，进而这一凹陷将会由第二章接触角度纵切图（图3，4）显示的那样传递给接触角度。

接触角度放大后的图（图5）显示，撕裂这一步骤使得金刚石和其他微粒附着于模具表面的凹槽处。这些凹槽是因为撕裂操作产生的压力破坏了了碳合金表面形成的。这些破坏后的表面留下了供金刚石和其他微粒附着的凹槽和空洞。

轴承的研磨

轴承的研磨操作需要一个圆柱形的钢制尖针，并且它的直径比模具的初始直径稍大一些。一个小圆锥被安置在针尖的导联末端上，以使得针尖可以进入模具中。金刚石化合物被应用于这个导联区域。针尖被插入模具并进行360度的接触。脉冲般的切割操作由机器或人工控制。

不恰当的研磨操作也会造成一些问题。轴承和接触角度之间以及轴承内部将会出现混杂和尖端的情况。这将会导致轴承由前逐步变细通向后端时出现被削尖的情况。这将会使轴承变得类似于次级的接触角度，并且作用变为减少钢丝的直径，而不是控制钢丝的直径和圆度。并且因为轴承内部混杂和尖端的存在，这将会导致轴承内正确的平行表面直径的减少，进而缩短模具的寿命。下图（图3，4）对比了一个研磨过但有很多尖端和混合物的轴承和一个由机器精密制造的以确保内表面笔直平行的模具。

当研磨方法被用于制备模具中的轴承时，它不能确保轴承和接触角度之间有相同的中心线，特别是当采用撕裂操作来生产接触角度时。这是因为撕裂操作是在模具的上面工作的，而轴承是从模具的下面工作的。如果轴承和接触角度有同样的中心线，它也是因为运气好而已。下一幅图（图7）中偏离中心线的轴承显示了接触角度和轴承中心线不对准的结果。

随着钢丝在接触角度里被压缩，运行中的钢丝沿着360度的外表截面上与轴承在不同的时刻接触。。这一接触将会使钢丝变得不圆（图8）。

现代的模具加工方法

一个新的保养模具的方法是利用内部研磨以改善模具的几何学，同轴度和模具内表面的光洁度。它使用一个由外表面镀有金刚石磨料单层的加强硬度的钢制成的切割工具。使用这种材料脱除方法，切割工具与待保养的表面进行线接触。

接触角度的研磨

研磨操作使用一个12度的电镀针尖，偏移6度以使得针尖的后部与机器的中心线平行。模具同时也旋转6度。下图（图9）展示了一个12度的接触角度的研磨安装示意图。模具沿着针尖的反方向旋转。针尖的每分钟旋转数非常高，并且以脉冲的方式运动，以产生一个更完美的表面。然后模具被自动插入针尖中以产生切割压力。

当接触角度按这种方法完成的时候，它所产生的入口区域的中心线就与模具钢套的中心线相一致。这可以使得因为单边拉丝操作中的单边压力引起的模具被磨损的不圆的情况得到很容易的修复。接触角度的精确度是由切割的针头保证的，因为针头上附着了一层金刚石磨料。当针头损坏，失去其切割能力的时候，它必须被更换掉；然而，此时针尖的外形还没有改变，角度的精度也没有丧失。下一幅图展示了接触角度的完成表面各部分光滑度一致，并且与金刚石磨料的颗粒大小成正比。（图10，图11，其中图10是用一个镀层颗粒粗糙的针尖打磨的结果，图11是用镀层颗粒精细的针尖打磨的结果）

针尖上可以使用不同的颗粒尺寸以得到期望的表面。

因为针尖上有一层金刚石分子层，所以也会有极少量的金刚石膜料颗粒镶嵌于碳合金表面上。这一完成的方法将会值得十分平整一致，如下图所示的表面（图12）。

轴承的研磨

轴承的研磨与接触角度研磨是一样的，除了模具需要被旋转成平行于机器中心线的位置，我们称之为零位置。这可以将轴承，接触角度和模具钢套的中心线对准。这种研磨的方法可以产生非常精确的平行、圆的轴承，并且轴承和接触角度之间还有一个没有混合和尖刺的锐利的截面。

模具需要具备的条件回顾

在决定一个模具的接触角度和轴承长度之前，我们需要明确的是模具必须具有以下的物理性质：

接触角度：

1）一个精确的圆锥形的角度，并且有平整光滑的内表面

2）它的内边还应该足够笔直，内表面没有任何半径不同的部分或是杂质轮廓线

3）接触角度和轴承必须有一个共同的中心线

4）接触角度还必须与外边的钢套直径共中心线

轴承：

1）平行轴承表面的长度应当为轴承直径的35%到50%

2）轴承的内表面应当平整光滑。

3）轴承的表面应该平行。

模具设计

选择一个接触角度

一个正确的接触角度主要是由每个模具的断面收缩率，而不是由被拉材料的性质决定的。从接触角度和进入的钢丝接触点来看，接触点是断面收缩率的一个函数，因此下面的信息可以帮助用来决定合适的接触角度，

从轴承和接触角度的截面来看，一个好的从接触距离是轴承直径的72%到100%（图14）。这一信息是通过多年的基于断面收缩率改变接触角度，然后进行实地产品质量评价结果得来的。

下面的信息基于一个12度的，断面收缩率为25%和32%的模具。这并不是说更大或者更小的收缩率就不能够正常工作，但对于某一特定的收缩率，决定哪个接触角度是最好的时，这是一个很好的切入点。

通过遵守下表列出的一些指导方针，对于一个给定的断面收缩率，可以找到一个出发点用来选择或者调查最好的接触角度。实际上还有许多变化，包括特定的表面情况，钢丝上润滑薄膜的厚度等。这些情况在这张表上都不适用。我们想要做的是在标准情况下获得模具的最长寿命。

不正确的模具角度带来的问题 下面的例子阐述了不正确的接触角度对钢丝质量的影响。 下图展示了一根进入的钢丝在接触角度上的一个不正确的接触点。接触角度相比于这个小的断面收缩率显得太宽，因为接触角度与钢丝的接触点太下面了。在这个例子中，金属的所有形变都发生在接触角度的一个短小的区域内，这会导致模具的快速磨损。 下图展示的是另一种不正确的接触点情况。接触角度相对于这个大的断面收缩率显得太窄，因为接触角度与钢丝的接触点太上面了。这种情况降低了建立有效润滑油压的面积，并且最终导致模具寿命的减少。 轴承长度 合点：平行轴承表面长度的表示是用轴承直径的百分比表示的。因为这段长度很难测量，特别是小直径的模具中，所以人们设计了图表，从会合点直径来计算正确的轴承长度百分数。

这个会合点直径是接触角度与出口缓解区的交汇点直径。为了知道给定接触角度的轴承长度，首先需要计算会合点的直径。然后把接触角度直径磨到和会合直径一样。最后，会合点和研磨成品直径之间的距离就是所需的百分比。

合点表：如何使用这张表，如果要做一个下面规格的模具

接触角度-----12度

成品直径-----.125(3.175mm)

轴承长度-----50%

首先，在表格左边定位12度，然后再右边找到50%这一栏并读出对应的数字。这里数字是.9049。然后将这个数字与成品直径相乘，.9040×.125(3.175mm)。答案是.1131（2.873mm ）；这就是这个模具会合点的直径。

总结

现代的模具制造设备，都是完全自动地制备模具，摆脱了过去昂贵切不精确的手工制备方法。现在，锥形的接触角度，轴承长度，平行轴承直径以及模具共圆心性都可以被控制在精密的误差范围之内。这些模具使用效果更好，寿命更长，提高了钢丝产量，缩短了机器停机时间，降低了人工支出。

参考文献：略

会 会

作者生平：汤玛斯.麦斯维尔，最早为模具制造工，至今在各种碳合金相模具工业中已

有30多年的工作经验。他目前是奎鹏模具公司的总裁，该公司设计并生产模具制造设备。他是碳合金及工具工程师学会的前主席，钢丝绳协会、SME、AES、国际ASM协会的会员。他曾经写过钢丝绳手册4卷11章。是有色金属钢丝绳手册第2卷第18章的共同作者之一。并且为钢丝绳协会准备了铁质钢丝绳手册第1卷第11A章。他曾经多次为钢丝绳协会撰写并发表文章。他也曾于1989和1991年在钢丝绳技术杂志上，以及1990年在冷成型技术杂志上发表文章。