[01346120]高效精密金刚石涂层拉拔模具设计、制备及应用

针对金属拉拔加工工具——硬质合金拉拔模具在金属线缆拉拔加工中磨损严重、精度保持性差、工作寿命低以及频繁换模导致加工效率低下等问题,基于热丝化学气相沉积法（Hot Filament Chemical Vapor Deposition, HFCVD）发明了金刚石涂层拉拔模具制备方法,将拉拔模具工作寿命提高了5 - 30倍,显著提高了拉制线缆产品的尺寸精度与表面质量,降低了国家战略资源钨、钴的消耗。 提出了基于“拉拔加工全工艺流程负载均衡”设计思想的拉拔模具设计与工艺流程规划全局优化理论与方法。首先,根据金属塑性变形总负载确定拉拔道次,并将负载均衡分配到拉拔道次上;随后根据各拉拔道次所处位置自动生成金属变形所需几何形状,研究模具与工件材料接触表面上摩擦学行为特征与塑形形变特征,以“模具-工件材料接触表面应力应变分布”为优化对象,利用人工神经网络对最优的模具设计参数进行求解,获得各拉拔道次模具的几何结构,同时完成了拉拔加工全工艺流程中的模具结构设计与拉拔工艺优化。采用该方法在拉拔加工过程中实现了全局优化,避免局部应力集中导致的表面裂纹、断裂等缺陷,显著提高产品质量,实现加工质量、加工效率与加工成本（模具工作寿命）之间的最优化组合。基于上述设计思想开发的超高压、超超高压异型电缆拉拔加工技术,成功将传统异型线缆拉拔采用的“轧制与冷拔”两个工艺改为“异型拉拔”一个工步,显著提高了加工效率,降低了加工成本,实现了超高压、超超高压电缆的高效制备。 开发了基于网络云平台的金属拉拔加工模具设计与工艺数据库,可针对系列金属产品的拉拔制造提供定制化的模具设计与工艺优化服务,为广大的模具应用企业提供可靠的技术支持,使设计人员只需输入拉拔加工过程参数即可获得最优化的模具几何结构与拉拔加工工艺,显著缩短企业新产品的开发周期,提高产品质量,降低成本。 针对大批量多规格金刚石涂层拉拔模具产品的高效可控制备需求,提出了“单一反应腔内金刚石涂层生长环境局部区域独立控制”理论模型,基于计算流体动力学仿真建立了沉积过程温度场与气体密度场的预测模型,对反应腔腔体结构以及金刚石涂层独立生长模块中的反应气体流道设计、热丝排布方式、基体控温系统等进行了优化设计,在模具内孔表面构建所需的金刚石涂层生长环境;基于该模型开发了金刚石涂层拉拔模具批量制备设备与配套工艺,实现了单批次最大36只异种规格拉拔模具的批量化高效可控制备,解决了金刚石涂层拉拔模具批量制备质量一致性差、精度难以控制等技术难题。该设备目前已经在上海交友钻石涂层有限公司投入生产线使用,可广泛适用于绞线紧压模具、低碳钢、不锈钢管（丝）、双金属丝、拉拔套、焊接套、引伸模等金属线材、管材以及电线电缆拉拔模具的制备。 传统拉拔加工普遍采用油基润滑,造成加工过程污染严重,环境友好性差。本项目提出了基于水基润滑的金属拉拔加工理论,系统研究了金刚石涂层表面性能、配副材料、摩擦环境因素、摩擦表面成膜能力、摩擦化学反应以及摩擦过程中摩擦表面演变等多种耦合因素对涂层在水润滑条件下的摩擦学性能的影响。揭示了金刚石涂层表面通过化学吸附水分子形成的C-O或C-H结合键是导致涂层摩擦系数大幅降低的主要原因之一,建立了金刚石涂层表面特性与水基润滑剂化学成分的精确适配方法,为金刚石涂层在水基润滑金属拉拔加工中的应用提供了理论基础。针对纳米金刚石涂层金属拉拔模具进行水基润滑加工所需的工作环境,研制了具有独立润滑腔室的多道次金属拉拔装置,可保证挤压区域的金属表面在加工过程中始终形成良好的水基润滑膜;同时,开发了水基拉拔加工专用的合成水溶性润滑剂,具有良好的减摩、导热性能以及优异的清洗性能,广泛适用于铝材的中拉、小拉、细拉和微细拉工序,以及铝质板材多模连续拉深成形、切削加工以及快速冲剪等工序。目前,该技术已成功应用于江苏远东电缆集团、广东电缆有限公司、浙江万马集团特种电缆有限公司等大型企业,在铝制品、铝镁制品拉拔加工中实现了水基润滑加工,替代了油基润滑剂。应用结果表明,采用该技术能大幅提高模具使用寿命,减少换模时间,提高产品表面质量,降低加工成本,在给企业带来显著的经济效益的同时,还能够改善加工环境,减少能源消耗,促进绿色生产在传统加工行业的推广应用,具有重大的经济及社会意义。