塔轮式金属丝拉丝装备及发展现状①

拉丝机也叫做拔丝机、拉线机、拔料机，是指在常温下通过拉伸模具对金属材料进行压力加工的一种机械设备，通过多次的拉拔可以将线材加工为我们所需要的线径。从产品终端来说，拉丝机分为大拉机、中拉机、小垃圾、微拉机，一般来讲大拉机的加工线径在10mm以上，中拉机在1～10mm之间，小拉机在0.1～1mm之间，微拉机小于0.1mm；从机械结构进行划分，又可将拉丝机分为水箱式、滑轮式、直进式等主要的几种；从材料上来看，可将拉丝机分为塑料拉丝机、竹木拉丝机以及金属拉丝机，塑料拉丝机主要是以聚丙烯、高密度乙烯等为原料进行拉拔，竹木拉丝机是以木丝为原材料，主要用于筷子、竹签、烧烤棒的拉拔，金属丝拉丝机能够拉制的线材包括铜丝、不锈钢丝等[1,2]。

1 金属丝拉丝装备及分类

拉丝工艺是一种金属加工工艺。金属压力加工中，在外力的作用下使金属强行通过模具，金属横截面积被压缩，并获得所要求的横截面积形状和尺寸的技术加工方法称为金属拉丝工艺。微拉机属于拉丝机的一种，拉丝机分为大拉、中拉、小拉和微拉，其中微拉机拉出丝的线径是最细的。塔轮式金属丝拉丝装备主要分为活套式、水箱式、双卷筒式和其他方式[3,4]。

1.1 活套式

在相邻两个卷筒之间设置一个活套臂，活套臂在金属秒体积流量出现不平衡时，可以收入或放出少量金属丝，起缓冲作用。活套臂本身还是速度控制系统的反馈单元，使速度偏差能及时纠正。另外，活套臂还能使拉丝机保持恒定反拉力拉拔。活套式拉丝机金属丝的简化了金属的走线，适用范围广泛，能适应不同金属丝品种规格的拉拔要求。采用直流电动机驱动，能大范围无级调速，满足不同配模要求和速度要求，是拉丝机工作处于最佳状态，拉拔速度高，活套式拉丝机制造成本较高，管理、操作、维护水平高。现代化活套式拉丝机通过改进结构也能增加卷筒上的积线量，从而改进金属丝的冷却效果[5]。

如图1所示，活套式拉丝机不会产生横向扭转，这就保证了金属丝的表面质量及品质。活套式拉丝机的制造成本较低，且维修难度及操作难度远高于其余拉丝机，但是由于导轮过多，金属丝线走线复杂，所以不能拉拔较硬以及大规格的金属丝。

1.2 水箱塔轮式

如图2所示，水箱塔轮式拉丝机是由多个拉拔头组成的小型连续生产设备，通过多级拉拔，将塔轮置于水箱中，最后将金属丝拉到所需的规格[6]。就国内几个主要水箱塔轮式拉丝机生产商来看，塔轮中间一般配置了20多个拉拔头。通过每一级的拉拔后，金属丝的线径发生了变化，所以每个拉拔头的工作速度也应有变化。在整个过程中，只需要1台电动机通过机械传动或齿轮箱来驱动。根据拉模配置的不同，各个拉拔头的拉拔速度也会变化[7,8]。

图1 活套式拉丝机结构简图

1-卷筒；2-变阻器；3-齿轮；4-齿扇；5-之轴；6-弹簧；7-平衡杠杆；8-张力轮；9-拉丝模；10-导轮

图2 水箱式拉丝机结构图

1-塔轮；2-拉丝模；3-中间导轮；4-从动轮；5-张力调节辊；6-限位轮；7-收线卷筒

图3 双卷筒式拉丝机结构简图

1-上卷筒；2-滑轮座；3-导轮；4-滑轮；5-导轮图；6-下卷筒；7-线模

图4 张力控制简图

相比较其他类型的拉丝机，水箱塔轮式拉丝机在拉拔过程中，金属丝跟塔轮的速度不同步，从而导致两者之间存在速度差，使二者产生了相对滑动。在工作过程中，由于线径会产生无轴向扭转，所以拉拔速度比较高。拉拔过程在冷却润滑液中进行，所以拉拔出来的金属丝品质较高[9]。因此水箱塔轮式拉丝机一般用于拉制规格较细的金属丝。

图5 拉丝方式

图6 国产海川微拉机

图7 国产永雄微拉机

图8 德国niehoff大拉丝机

图9 日本SAIKAWA的拉丝机

1.3 双卷筒式

双卷筒式拉丝机是由滑轮式拉丝机发展而来的。由上卷筒取代了上滑轮结构，避免了金属丝扭转和走线不稳的两个缺点，同时增加了卷筒的积线量，提高了金属丝的冷却能力，大大提高了拉拔速度。由于导轮增多，尤其是在中间滑轮处金属丝反弯转180°，使得双卷筒拉丝机不适于拉拔粗规格金属丝[10]。双卷筒拉丝机的积线量平均分配在两个卷筒上，能充分利用双卷筒的积线能力，操作方便。

如图3所示，双卷筒式拉丝机分为上、下两部分，中间存在一个滑轮。上卷筒1进行积线，下卷筒5进行拉拔。在工作的时候，由于积线的存在，使得其冷却效果高于其他拉丝机[11]。

1.4 其他方式

直进式拉丝机是将金属线材在卷筒上绕几圈后直接进入下一个拉丝模中，然后在下一个卷筒上重复操作，由于没有中间过线导轮，机械结构较活套式简化了许多，两卷筒之间的线材为直线状，没有积压线材，是一种较为先进的拉丝机，适合拉拔高强度、大规格的金属丝，但它的投资大、直线调速系统复杂、维护难度大，冷却效果差等这些因素的影响，给它的推广带来了一定的阻碍[12,13]。

2 塔轮式拉丝机张力控制方式

拉丝机的张力控制通常是用PLC或工控机作为中心控制器，通过传感器检测张力辊的摆动角度，来测量金属丝上实时的拉力大小，从而对收放线电机的转速进行调节，以保证张力的稳定。对于微细金属丝，由于需要进行多次的拉拔，中间导轮比较多，另外还需要高速走丝，走线过程中对张力的控制要求比较高，对同步控制的要求也比较高[14]。

随着电气技术的不断进步，PLC与交流伺服控制相结合的控制张力的方式是目前应用较为普遍的。如图4所示，该拉丝机张力控制过程：金属丝的初始张力设定值通过编程软件进行设定，在拉拔过程中，当金属丝上的张力发生波动时，由传感器3检测到偏差值，输出信号为V，信号V通过A/D转换为数字信号，利用该数字信号与目标张力设定值相减，将其差值送入PLC，经过PLC的处理会得到一个数字量，再经过D/A转换，输出电压信号去控制伺服驱动器7，从而进一步由伺服驱动器来调节伺服电动机的转速，使张力稳定在要求的范围之内[15,16]。

3 拉丝机线模

拉丝的主要工模具是线模，线模是金属制品行业金属丝拉拔生产的主要工艺装备之一，其质量水平直接影响金属丝质量、模具损耗及能源消耗。线模的工作部分是模孔，拉线时线材通过模孔受力而变形。如图5所示，线坯通过模孔在一定作用下，发生塑性变形，使截面减小，长度增加的一种加工方法。该加工方法属于压力加工范围，拉伸过程中除了产生极小的粉屑外，体积变化很小，因此拉伸前后金属丝体积基本相等。模具按照材质可分为硬质合金模、钻石模、聚晶模（人造金刚石）和钢模。

4 国内外拉丝机的发展

目前国际上的拉丝机生产主要有两大方向，其一是以德国、意大利等欧洲工业发达国家为代表，主张拉丝机向大型、高速的直线式的方向发展；另外，以日本为代表的，向高速，结合先进的辅助设备，组合式拉丝机的方向发展[17，18]。

欧美等发达国家以先进的机械制造、电气为基础，在拉丝模具及润滑剂等方面取得重大的进展，使金属丝的拉拔速度及品质得到了很大的提高[19,20]。

国内金属丝拉丝机分布较集中，主要的拉丝机厂家有：永雄机械、上海鸿得利、合肥神马、海川智能拉丝机、台湾祥丰以及德阳东佳港等。国外的拉丝品牌有：德国niehoff、日本SAIKAWA、意大利samp等。

4.1 国产海川微拉机

如图6所示，海川智能拉丝机为国内大的拉丝机制造厂家之一，其生产的微拉机具有如下特点。

(1)双马达方式，减少了伸线中线材滑差以及增强了线材的表面质量。

(2)伸线区独立配置，节省空间。

(3)机体采用高张力一体成形。

(4)高张力平皮带方便保养，噪音低。

(5)进线规格0.15～0.45mm，最高伸线速度可以达到2000m/min。

(6)张力调整方式是PID自动控制卷取配重摆臂缓行杆。

4.2 国产永雄大拉丝机

永雄金属拉丝机是滑动式拉丝机（见图7），退火采用的是交流退火，退火结构主要是卧式。收线方式为动盘收线和成圈落线方式。

4.3 德国niehoff大拉丝机

德国niehoff大拉丝机分为滑动式和非滑动式（见图8）。niehoff是拉丝机行业的老牌企业，其特别是在滑动式拉丝机上的技术相当成熟，而在非滑动式拉丝机上开发比较晚，技术不太成熟。其拉丝机特点如下。

（1）拉线鼓轮完全浸没在乳浊液中，有最佳冷却和润滑效果。

（2）拉丝模加压润滑。

（3）双处密封。

（4）铸件箱体采用标准化模块结构-无振动、拉丝线表面光亮而清洁。

4.4 日本SAIKAWA拉丝机

日本SAIKAWA的金属丝拉丝设备拉丝水平先进，产品布局广泛，对于多种线径的拉拔都可以满足。在微细金属拉丝机行业，如图9所示金属丝拉丝机，属于立式多道次滑动式拉丝设备，具备单独排线功能。这种金属拉丝机可生产0.01mm的金属丝，是目前国际上最先进的拉丝技术。

5 结语

在金属制造业中，随着工业的发展，塔轮式拉丝机也将飞速的发展。塔轮式拉丝机有着广泛的应用，此种拉丝机有着结构简单、效率高、速度快等优势。欧美及日本等一些发达国家在其应用上早已领先我国，我国在其研发与应用方面还缺乏足够的经验，这对我国一些金属制品厂家产生了不少的制约。在今后对塔式拉丝机的研究中要加强对其结构的优化，着力于拉拔出的金属丝质量的提高、拉拔效率的提高。