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        高導(dǎo)耐蝕短流程柔性絞合導(dǎo)線關(guān)鍵工藝技術(shù)研究

        2020-03-26 09:18:04張永忠陳鼎彪凌小八
        關(guān)鍵詞:銅絲放線導(dǎo)線

        張永忠 陳鼎彪 凌小八

        1.銅陵精達(dá)特種電磁線股份有限公司 安徽 銅陵 244000

        2.銅陵頂科鍍錫銅線有限公司 安徽 銅陵 244000

        1 主要科技創(chuàng)新

        1.1 技術(shù)創(chuàng)新的背景 高導(dǎo)耐蝕短流程柔性絞合導(dǎo)線是典型的銅精深加工延伸產(chǎn)品,是銅陵市銅基新材料基地中“線”,產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于高鐵、航空航天、機(jī)器人、核電等特種電線電纜領(lǐng)域,承載著信息或能量的傳輸與轉(zhuǎn)換功能。與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比較:具有生產(chǎn)流程短、效率高、成本低、環(huán)保性好等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)絞合導(dǎo)線產(chǎn)品相比較:具有導(dǎo)電率高、耐腐蝕能力強(qiáng)、柔韌性優(yōu)異等特點(diǎn)。

        典型的柔性絞合導(dǎo)線傳統(tǒng)加工流程由銅桿、大拉、中拉、小拉、一次束絞、籠絞(二次束絞)組成,作為傳統(tǒng)銅加工產(chǎn)業(yè),柔性絞合導(dǎo)線在發(fā)展過程中凸顯出以下問題: ①加工流程落后。普通柔性絞合導(dǎo)線傳統(tǒng)加工流程需要六個流程,嚴(yán)重影響了柔性絞合導(dǎo)線的生產(chǎn)效率,能耗高,對環(huán)境也造成一定的影響。②關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到下游廠家的要求。對于特種電纜行業(yè),電纜需經(jīng)過硫化工藝,普通的絞合導(dǎo)體硫化后,極易發(fā)生氧化,導(dǎo)電率低,柔韌性也差。③自動化程度低、工人勞動強(qiáng)度高。柔性絞合導(dǎo)線深加工技術(shù)發(fā)展緩慢,原因在于自動化和智能化水平發(fā)展不高。

        為解決制約絞合導(dǎo)線產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題,提升柔性絞合導(dǎo)線產(chǎn)業(yè)核心競爭力,增強(qiáng)中國有色金屬深加工產(chǎn)業(yè)的競爭優(yōu)勢,公司成立了專門的技術(shù)團(tuán)隊,積極開展與各大院校、材料、設(shè)備供應(yīng)商技術(shù)合作,在安徽省科技重大專項計劃項目的支持下,通過五年的不斷技術(shù)攻關(guān),從解決柔性絞合導(dǎo)線產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題入手,開展科技攻關(guān)和集成創(chuàng)新,成功的解決了“短流程”工藝作業(yè)的多項關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)了產(chǎn)品關(guān)鍵性能指標(biāo),構(gòu)建了柔性絞合導(dǎo)線自動化加工技術(shù)體系,并進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

        1.2 主要科技創(chuàng)新 柔性絞合導(dǎo)線是指單絲直徑小于0.20 mm 微細(xì)銅絲通過一定的規(guī)則絞合成百根以上的絞合導(dǎo)線,百根以上的柔性絞合導(dǎo)線傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝都是通過多次絞合而成,其生產(chǎn)流程長,能耗高、環(huán)保性差。本項目針對實現(xiàn)“短流程”條件下,從解決材料高導(dǎo)、耐蝕、柔韌性等關(guān)鍵指標(biāo)開展研究,突破了銅壓延深加工領(lǐng)域的多項關(guān)鍵技術(shù),提升我國有色金屬銅導(dǎo)線產(chǎn)業(yè)從初加工到精深加工的技術(shù)水平,推動了有色金屬壓延產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,實現(xiàn)了絞合導(dǎo)線從長流程到短流程的自動化和智能化生產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)變。

        一、研發(fā)了“短流程”工藝新技術(shù)及其關(guān)鍵設(shè)備,減少了二個生產(chǎn)流程

        普通柔性絞合導(dǎo)線傳統(tǒng)加工流程由銅桿、大拉、中拉、小拉、一次束絞、籠絞(二次束絞)組成,前四個流程是將8.0 mm 的銅桿壓延成0.20 mm 以下的單絲,然后再將百根以上的單絲進(jìn)行有規(guī)則的一次束絞和二次束絞。本項目研發(fā)了多頭連拉連退拉絲關(guān)鍵設(shè)備,直接替代中拉和小拉設(shè)備。通過一次成型大型束絞設(shè)備替代一次束絞和籠絞(二次束),使生產(chǎn)工藝簡化成銅桿、大拉、多頭拉、一次成型大截面束絞四道工序,減少了二個流程,成功實現(xiàn)了“短流程”生產(chǎn)工藝,如圖1所示。

        圖1 兩種柔性絞合導(dǎo)線生產(chǎn)工藝流程對比

        “短流程”拉絲工藝流程不僅能保證每根銅絲直徑、金相結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能(如彈性模量、極限斷裂伸長率和抗拉強(qiáng)度等)都基本接近,而且綜合生產(chǎn)成本低。經(jīng)國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測,采用一致性絞合方式,其產(chǎn)品各項性能合格,實現(xiàn)了“短流程”目標(biāo)。

        (1)研發(fā)拉絲工序中的關(guān)鍵裝備替代中拉和小拉設(shè)備。在銅絲拉伸的過程中,傳統(tǒng)技術(shù)是采用單線塔輪式拉絲方式,生產(chǎn)效率低,耗電量高。為了提高生產(chǎn)效率,降低單位時間內(nèi)的耗電量,本項目研制了多頭拉絲機(jī)關(guān)鍵設(shè)備(如圖2所示),在傳統(tǒng)多頭拉絲機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)明了 “多頭拉絲機(jī)吹干裝置”(發(fā)明專利號:ZL201410738121.6)。該關(guān)鍵裝置能讓保證多頭拉絲機(jī)順利拉制24根以下的并絲的產(chǎn)品質(zhì)量,降低斷線,實現(xiàn)了多頭拉絲機(jī)替代中拉和小拉,節(jié)省一個流程,達(dá)到高效生產(chǎn)。

        圖2 多頭拉絲機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

        (2)發(fā)明一次成型束絞的關(guān)鍵工藝裝備替代二次束絞。一次成型束絞的關(guān)鍵,在于解決一百根以上銅絲的放線、分線、排線等問題。

        普通的放線系統(tǒng)無法滿足百根以上的并絲同步放線、分線、排線。本項目發(fā)明了“萬向放線器”(發(fā)明專利號:ZL201711465688.0)解決了放線問題,發(fā)明了“多層分線排” (發(fā)明專利號:ZL201410738156.X),解決了百根以上的導(dǎo)線排線問題。多層分線排的顯著特點(diǎn)是穿線縫的孔長方向與分線孔的孔長方向相異,使得絲線在工作的過程中能夠一直比較穩(wěn)定地處于分線孔中,保障多層排線的穩(wěn)定性。

        為了絞合導(dǎo)體外觀圓整性、不跳絲起股,必須要通過分線板對每根銅絲按照一定的規(guī)則來進(jìn)行分線,普通的分線無法滿足百根以上的分線。如圖5所示,本項目研制的“一種自由組合式多功能分線板” (發(fā)明專利號:ZL201310731674.4),能高效的進(jìn)行分線,實現(xiàn)了不同的根數(shù)自由組合。這些關(guān)鍵工藝裝備的發(fā)明和應(yīng)用,不僅成功解決了“短流程”工藝的放線、排線、分線等問題,實現(xiàn)了一次成型束絞替代了二次束絞,而且提高了生產(chǎn)效率,減低工人的勞動強(qiáng)度,實現(xiàn)了科技的創(chuàng)新。

        圖3 多層分線排的基本結(jié)構(gòu)示意圖

        圖4 自由組合式多功能分線板結(jié)構(gòu)示意圖

        二、設(shè)計出適用于柔性絞合導(dǎo)線的配套工藝及裝置,實現(xiàn)了材料柔韌、耐蝕、高導(dǎo)等關(guān)鍵性能指標(biāo)

        (1)研制先進(jìn)的輔助裝備, 保證了導(dǎo)體柔韌性達(dá)到最佳。雙絞機(jī)在束絞過程中產(chǎn)生二次節(jié)距,形成二次絞合,由于一次成型雙束絞設(shè)備生產(chǎn)的截面積大,產(chǎn)生非常大的內(nèi)應(yīng)力,易產(chǎn)生線體彎曲和變向狀況,表現(xiàn)為線體打結(jié)、扭麻花等現(xiàn)象,如果扭絞應(yīng)力得不到有效釋放,生產(chǎn)出來的導(dǎo)體面臨一系列絞合不圓整、柔韌性能差等問題。這也是導(dǎo)致一次成型束絞設(shè)備不能最終應(yīng)用的主因之一。本項目經(jīng)過多次研究,發(fā)明了“雙絞機(jī)扭絞應(yīng)力消機(jī)構(gòu)”,如圖5所示。該機(jī)構(gòu)采用多組“S”導(dǎo)輪組合,從而以上導(dǎo)輪與下導(dǎo)輪所上下配合進(jìn)而形成可供線體波浪狀行進(jìn)的通道,以使得一根多股絞合導(dǎo)線在絞合后再次經(jīng)過反復(fù)彎折,最終消除了一次成型束絞過程中的內(nèi)應(yīng)力,保證了絞合后的導(dǎo)體柔韌性達(dá)到最佳。

        圖5 雙絞機(jī)扭絞應(yīng)力消除機(jī)構(gòu)圖

        (2)采用先進(jìn)的銅線表面處理技術(shù),實現(xiàn)導(dǎo)線的耐蝕性能。微細(xì)銅線拉伸過程中容易斷線,焊接時銅絲不可避免在空氣中,使表面的銅原子和氧分子發(fā)生吸附反應(yīng),生成氧化亞銅,產(chǎn)生氧化。本項目發(fā)明了方便快捷的“移動式焊接點(diǎn)金屬離子復(fù)鍍機(jī)及其復(fù)鍍方法”(發(fā)明專利號:ZL201710606507.5),可在焊接點(diǎn)進(jìn)行金屬離子復(fù)鍍技術(shù),保證了導(dǎo)線焊接頭的抗氧化性能。

        本項目就“如何有效降低電線電纜生產(chǎn)過程銅導(dǎo)體氧化變色”進(jìn)行了深入研究,在《軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品》中發(fā)表了論文,采用自主研發(fā)銅絲抗氧化保護(hù)液,自動定量添加到退火液中,經(jīng)高溫退火后,在銅絲表面形成一層有效抗氧化保護(hù)膜,成功的實現(xiàn)導(dǎo)線的耐蝕性能。

        (3)運(yùn)用專有的工藝技術(shù),實現(xiàn)高純高導(dǎo)銅桿材的制備。銅桿在加工時,由于凝固、固態(tài)相變以及元素密度差異、晶體缺陷與完整晶體的能量差異等原因,可能引起的銅結(jié)晶不均勻現(xiàn)象,本項目采用“一種用于上引爐中的水冷卻系統(tǒng)”(實用新型專利:ZL201320873849.0),控制上引爐進(jìn)出水溫度及流量的穩(wěn)定,保證銅桿結(jié)晶的一致性;并從材料的氧含量控制、成分偏析控制、降低渦流損耗等方面干預(yù)后,實現(xiàn)銅桿的高導(dǎo),電阻率低于0.01700(Ω.mm2/m)20℃。

        三、開發(fā)了“短流程”工藝生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制技術(shù)

        (1)精準(zhǔn)配模技術(shù)的應(yīng)用: 在線材生產(chǎn)中,配模的合理與否對產(chǎn)品斷線率、模具壽命、拉絲輪磨損等參數(shù)性能的實際使用都有著重要影響;特別是多頭拉絲機(jī),一次拉制24根頭,如果有一根因配比問題而斷線,就得立即停機(jī)掛車,生產(chǎn)效率及工作效率必然大打折扣。由于多頭拉絲機(jī)多道拉伸,配模的選擇尤其重要。本項目研發(fā)出 “一種超微細(xì)線拉絲模具伸率測試裝置”(發(fā)明專利號:ZL201310736270.4)。如圖6 所示,該機(jī)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)簡單而實用的超微細(xì)線拉絲模具伸率測試裝置,通過測試銅絲的延伸率,從而達(dá)到精準(zhǔn)配模的目的,可在有效節(jié)約其生產(chǎn)成本的同時保證其超微細(xì)線生產(chǎn)時的高生產(chǎn)效率,實現(xiàn)配模技術(shù)的優(yōu)化。

        圖6 超微細(xì)線拉絲模具伸率測試裝置示意圖

        (2)感應(yīng)自動換線技術(shù)的應(yīng)用。多頭拉絲機(jī)放線系統(tǒng)通常采用籃式放線,也即先將放線導(dǎo)輪總成固定在線籃正上方,再將線籃內(nèi)的線體穿過放線導(dǎo)輪總成后進(jìn)入拉絲機(jī)內(nèi)。然而,實際生產(chǎn)過程中,每組線籃內(nèi)的線體是定量的,若想生產(chǎn)線持續(xù)生產(chǎn),則必然需要持續(xù)不斷的換料。如不能及時將新料移至放線導(dǎo)輪總成下,由于放線斜角過大,會造成刮線和放線打結(jié)等現(xiàn)象,進(jìn)而造成斷線。本項目發(fā)明了高效的多頭拉絲機(jī)的感應(yīng)式自動換線系統(tǒng)(發(fā)明專利號:ZL201811586754.4)。該系統(tǒng)使用便捷,單人即可操作,可有效解決因來不及移料而發(fā)生的打結(jié)斷線情況,極大的提高了拉絲操作的換線效率,并能隨之降低線體斷線現(xiàn)象的發(fā)生,提升了操作的自動化控制技術(shù)。

        (3)智能管控模具系統(tǒng)的成功應(yīng)用。柔性絞合導(dǎo)線生產(chǎn)過程中,關(guān)鍵工裝就是模具,本項目通過信息化的實施,利用科技手段,發(fā)明了一種模具智能管控系統(tǒng)(發(fā)明專利號:ZL201811586753.X)。如圖5所示,該系統(tǒng)簡便高效的實現(xiàn)對模具流程的管理功能,以達(dá)到高效監(jiān)控模具和生產(chǎn)優(yōu)化資源配置的目的,實時監(jiān)控模具生產(chǎn)、歸檔、維護(hù)、防丟、庫存狀態(tài),提高了“短流程”中關(guān)鍵工裝“模具”管理的信息化水平。

        圖7 高效的多頭拉絲機(jī)的感應(yīng)式自動換線系統(tǒng)示意圖

        圖8 模具智能管控系統(tǒng)示意圖

        通過以上三點(diǎn)關(guān)鍵工藝技術(shù)的創(chuàng)新和改進(jìn),成功的實現(xiàn)了高新技術(shù)產(chǎn)品 “高導(dǎo)耐蝕短流程柔性絞合導(dǎo)線”的批量化生產(chǎn),與傳統(tǒng)柔性絞合導(dǎo)線相比較,實現(xiàn)了“短流程”工藝,關(guān)鍵性能指標(biāo)好。但是也有其局限性:高導(dǎo)耐蝕短流程柔性絞合導(dǎo)線關(guān)鍵工藝技術(shù)只適用于五百根以下的柔性絞合導(dǎo)線制造,針對五百根以上還不能完全適用,還需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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