異形鋼絲的生產
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摘 要：異形鋼絲的生產對于國民經濟的發展非常重要，該文主要介紹了異形鋼絲的分類（按材質分、按供貨狀態分、按截面形狀分）、異型鋼絲的特點、對原料的要求、異形鋼絲加工成形方法（模拉法、輥拉法、軋制法和軋-拉復合法）、生產工藝控制要點，最后提出未來異形鋼絲生產的4點建議。
關鍵詞：異形鋼絲 拉絲 金屬制品 生產工藝
中圖分類號：TG356.46 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）03（a）-0062-03
鋼絲生產是以熱軋線材（盤條）為原料，經過表面準備、熱處理、拉拔、鍍（涂、包覆）層等四大主要工序加工而成，按成品鋼絲的不同需要，可能還需進行扒皮、磨光等輔助工序[1]。工業上生產和使用的鋼絲絕大多數截面是圓形的，也一部分鋼絲的截面是非圓形的異形鋼絲。國內企業已經能生產多種截面形狀的異形鋼絲，但在鋼絲尺寸精度、公差、通條性能、外觀和表面處理上仍然與國外的先進技術有一定差距。
1 異形鋼絲的分類
1.1 按材質分
低碳鋼，中碳鋼，高碳鋼，合金鋼，不銹鋼等。
1.2 按供貨狀態分
冷拉態，退火態，輕拉態，油淬火回火狀態。
1.3 按截面形狀分
規則形狀和不規則形狀。
1.3.1 規則形狀
?。?）正方形鋼絲。
邊長尺寸一般在0.50～8.00mm，交貨狀態可以是冷拉態、退火態的盤卷或直條。主要用于鎖鏈、工具、結構件或小彈簧等彈性構件。
（2）矩形鋼絲。
長寬尺寸一般在0.5～10.55mm之間，多數為冷拉狀態，也有處于退火酸洗狀態。主要用于汽車軟軸、柴油機軸承大鎖簧，高速柴油機止推環、鎖環、制動環、活塞環及渦輪葉片鎖尖等構件。
?。?）扁形鋼絲。
尺寸范圍在0.20～10.5mm之間，通常為冷拉狀態，或者是冷軋狀態。主要用于玻璃升降囂、雨刷、內燃機組合油環、機械軟軸、模具用強力彈簧、螺旋卡圈金屬外套等結構件。
?。?）梯形鋼絲。
梯形鋼絲根據外形可以分為正梯形鋼絲和高梯形鋼絲。正梯形鋼絲主要用于制造如彈簧墊圈、車輛軟軸等。高梯形鋼絲主要用來制造各類彈簧，廣泛用于制造模具簧、電子設備減振簧、武器激發器簧等。
（5）六角鋼絲。
六角鋼絲常以冷拉矯直狀態供應，主要用來制造螺母、螺栓及其他結構件。
?。?）扁鋼絲。
扁鋼絲的一個邊為直線形，另一邊為弧形，也稱為“門洞形”，主要用來制造強力彈簧、卡簧等。
（7）半圓形鋼絲。
半圓形鋼絲的一邊為直線形，另一邊為半圓形，主要用于制造開口銷。
1.3.2 非規則形狀
除規則形狀的異形鋼絲外都可歸類為非規則形狀鋼絲。
2 異型鋼絲的特點
2.1 形狀特點
?。?）形狀功能性。依形狀和用途不同，異型鋼絲具有如導向、密封、定位、穩定等功能。
?。?）免切削和節省材料。通常異形鋼絲的截面形狀和尺寸與所加工成型的零件相同或相近似，可以實現少切削、無切削加工，減少了金屬的消耗。
?。?）高精度。異型鋼絲的尺寸精度現在多數能夠達到0.01mm以下，生產控制精度高的甚至可達到微米數量級，如生產的汽車刮片鋼絲、橢圓針布鋼絲等產品。
2.2 力學性能特點
異形鋼絲具有優異的力學性能，如耐腐蝕、耐疲勞、耐磨損、低松馳、高強度、高韌性等。當然不同用途的異形鋼絲所需要具有的力學性能是不同的。
3 異形鋼絲對原料的要求
異形鋼絲的原料可以是圓鋼絲，也可以是盤條，但絕大多數廠家采用的都是盤條。冶煉過程中，必須采用爐外精煉技術進行精煉處理，使盤條中有害化學成分S、P的含量小于0.03%。生產重要用途異形鋼絲的盤條用鋼要采用合金化及超純凈冶煉技術，保證異形鋼絲性能滿足要求。盤條必須是通過高速軋機、控制軋制、控制冷卻生產的大盤重盤條，盤條表面沒有缺陷，鋼中夾雜物要嚴格控制大小及個數的多少[2]。
4 異形鋼絲的生產方法
異形鋼絲的生產除冷加工成形之外，其他的生產工序（如熱處理、酸洗、涂層、拉拔及涂油包裝）與同種圓鋼絲基本相同，原則上采用同一工藝。
異形鋼絲加工成形方法分為：模拉法、輥拉法、軋制法和軋-拉復合法等[3]。
4.1 輥拉法
輥拉是金屬在兩個以上的模輥所組成的孔型內，通過拉絲機的牽引使鋼絲向前運動，產生變形。在摩擦力的作用下，模輥均勻轉動，進入穩定拉拔狀態。
優點：輥拉變形時，金屬表面受到滾動摩擦力小，金屬的受力狀態有利于金屬塑性變形，加工硬化慢，可以提高部分壓縮率和總壓縮率，從而減少拉拔道次，減少中間環節，不僅降低了成本，而且提高了生產效率。輥模拉拔時，可減少變形能耗與熱處理能耗，輥拉時變形金屬所受的摩擦為滾動摩擦，模拉時變形金屬所受摩擦為滑動摩擦，因此，在同樣拉拔條件下，輥拉比模拉所需功小。再加上輥拉時總壓縮率大，可減少中間熱處理次數，因而可節能降耗，大約可降低能耗25%。輥拉可減少酸洗次數且不用涂層，這是因為輥拉減少了拉拔道次，提高了變形總壓縮率，中間熱處理次數減少了，提高了成材率。輥拉時所受摩擦為滾動摩擦，摩擦力及變形熱小，因而對鋼絲表面處理工藝要求也低，生產時碳鋼表面不用磷化，不銹鋼不用涂層，大大節約了生產時間，降低了成本。 缺點：模具的一次性投入資金較大，鋼絲的尺寸波動較大。
?。?）輥拉工藝流程。
冷拉圓絲→退火→酸洗→涂層→輥拉→表面尺寸檢驗→取試樣→理化檢驗→防銹包裝→入庫。
?。?）坯料尺寸的選擇。
如果坯料尺寸過大，那么棱角易起毛刺，損傷模輥;如果坯料尺寸過小，那么坯料在孔型中會充不滿。確定坯料尺寸時，我們主要考慮成形的道次、材料的硬度、延伸性能、潤滑等因素。
4.2 模拉法
模拉法是用硬質合金模具把圓形坯料逐道次地進行拉拔，直至拉拔成所需要的形狀和尺寸規格。
模拉異形鋼絲對酸洗和涂層質量要求比較高，通常兩道次以上拉拔采用磷化+硼砂涂層。兩道次以內拉拔可采用鍍銅或硼砂涂層。潤滑采取導入或強制導入措施，以減緩不均勻變形。
模拉生產異形鋼絲的主要優點有：鋼絲的尺寸公差范圍小;鋼絲產品形狀精度高;鋼絲成品的通條性能好;生產設備投入資金小。
模拉生產異形鋼絲的主要缺點有：模具的尖角處不容易充滿;變形過程中金屬表面受到的摩擦力比較大，殘余拉應力也比較大，易生產出麻面鋼絲，嚴重時造成鋼絲表面劃傷;生產周期長;復雜截面無法生產;制造模具的難度大。
模拉工藝流程：冷拉圓絲→熱處理→酸洗→磷化→涂硼砂→拉拔成形→表面尺寸檢驗→取試樣→理化檢驗→防銹處理→包裝入庫。
4.3 軋制法
異形鋼絲軋制法生產的最大特點是鋼絲在與軋輥接觸的面上只受到徑向壓力，而不受到縱向拉力，鋼絲變形量大，可提高鋼絲一次變形率[2]。
異形鋼絲冷軋，就是在常溫下進行鋼絲的軋制，主要適用于生產寬厚比≤4的異型鋼絲，如梯形鋼絲、扁鋼絲、半圓形鋼絲等。
異形鋼絲熱軋是把鋼絲加熱到760℃以上進行軋制，其目的主要是增大鋼絲的一次壓下量，解決寬厚比大于5的大規格鋼絲和生產問題。鋼絲的加熱方式主要根據企業生產設備情況，可以采用感應加熱鋼絲方式，也可采用電接觸加熱鋼絲方式。熱軋的技術關鍵是要解決好鋼絲的加熱和軋輥的冷卻。異形鋼絲熱軋法生產具有的優點有：生產周期短;不進行中間退火降低了能耗;鋼絲需要加熱的時間短，更不需要中間退火，生成的脫碳層薄。
4.4 軋-拉復合法
軋-拉復合法是先用軋機軋制出成品前形狀，然后通過拉拔成形來生產異形鋼絲的一種方法。軋-拉復合法最主要的優點是生產中可以把部分壓縮率設定得比較大。軋-拉復合法主要適應于生產形狀復雜、寬厚比比較大、利用單一方法又難以生產的異型鋼絲。
5 生產工藝控制要點
5.1 寬展
寬展是在軋制前后鋼絲的寬度變化量，影響鋼絲寬展的因素很多，如壓下量、摩擦系數、材質、輥徑等，通過工藝試驗，確定這些影響因素跟寬展的關系，制定合理的軋制工藝，合理地估算圓絲半成品直徑，控制成品絲尺寸精度[4]。
5.2 部分壓縮率及總壓縮率
需要合理地分配部分壓縮率以及確定鋼絲的總壓縮率，以保證生產的順利進行。通過試驗確定不同抗拉強度鋼絲的部分壓縮率，制定不同規格鋼絲產品的合理的軋制道次數。
5.3 應力
在實際生產中應力往往難以達到均勻分布狀態，這就需要通過科學的試驗研究工作，采用添加去應力裝置或者其他方法，達到去除應力的效果。
5.4 鋼絲的直線性
有些鋼絲產品，直線性的要求比較嚴格。但在生產中有時會出現鋼絲側彎的現象。解決鋼絲側彎的主要工藝方法有：嚴格按照熱處理工藝要求進行熱處理操作，提高鋼絲通條均勻性;適當增加鋼絲的直徑，鋼絲先進行均勻退火，然后進行輕拉工藝，再進行軋制[2]。
5.5 鋼絲熱處理
異型鋼絲在經過加工變形之后，力學性能會發生相應的變化，如彎曲性和延伸性能降低、抗拉強度上升等。為了滿足客戶對高性能鋼絲的需求，需要采用經濟合理的熱處理生產工藝，保證鋼絲最終成品的高性能。
5.6 潤滑劑
為了降低金屬料與模具之間的摩擦系數，減少接觸面之間的咬合，需要應用一定量的潤滑劑使變形金屬與模具之間形成一定厚度的隔離層。但是異型鋼絲的生產速度快時產生的變形熱很大，設備和鋼絲都會處于高溫狀態，它會嚴重影響軋制設備的使用壽命和系統精度，同時也影響異型鋼絲產品的力學性能。在生產前，可以選用多種潤滑劑進行對比試驗，認真分析產品質量，從而選擇出適應不同材質異型鋼絲所需要的最佳的潤滑劑。
5.7 導衛裝置
導衛裝置的主要作用是正確地將鋼絲導入軋輥的孔型，保證異型鋼絲在軋輥的孔型中穩定地進行變形，得到幾何外形和尺寸符合產品質量要求的鋼絲，同時順利地將異型鋼絲從軋輥孔型中導出，防止鋼絲纏輥，也可以控制鋼絲按照產品設計要求的方向進行扭轉或彎曲。導衛裝置要根據生產實際情況，如軋輥的孔型形狀、尺寸以及軋輥的配置情況，選取經濟合理的材料，準確合理地設計導衛裝置的形狀和尺寸，盡量采用標準化部件，減少機加工量，降低生產成本。
6 未來異形鋼絲生產的主要建議
?。?）嚴格控制盤條質量。因為原料質量的優劣直接影響著鋼絲成品的質量，必須從化學成分（尤其是碳、硫、磷）、組織（索氏體組織含量多）、尺寸精度（包括尺寸公差和不圓度）、內在質量（主要指盤條內部不得有縮孔、氣泡、收縮疏松，非金屬夾雜、脫碳等缺陷）、表面質量（主要指盤條表面應光滑，不得有目視可見的折疊、裂縫、耳子、分層、結疤及夾雜等缺陷）、力學性能（主要指盤條的抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率、斷后伸長率等）、盤重等方面嚴格控制盤條質量。
?。?）加強異形鋼絲模具的設計與加工技術的研究工作。模具直接關系到鋼絲的性能和質量、生產效率、生產成本，對于異形鋼絲的生產具有非常重要的意義和作用。
?。?）采用計算機進行輔助設計、輔助制造，設計制造出更多更好的異形鋼絲來代替現有鋼絲。
（4）加強大專院校、研究所、生產企業之間的科研合作，進行工藝技術創新。
參考文獻
[1] 張學輝，王鴻利.鋼絲生產概述[J].科技資訊，2018，16（12）：117-119.
[2] 戴寶昌.重要用途線材制品生產新技術[M].北京：冶金工業出版社，2001.
[3] 徐效謙，陰紹芬.特殊鋼鋼絲[M].北京：冶金工業出版社，2005.
[4] 董琦，張學輝.鋼絲生產工藝及設備[M].北京：冶金工業出版社，2016.
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