高導耐蝕短流程柔性絞合導線關(guān)鍵工藝技術(shù)研究

張永忠 陳鼎彪 凌小八

1.銅陵精達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 高導耐蝕短流程柔性絞合導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)品可廣泛應用于高鐵、航空航天、機器人、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。與傳統(tǒng)絞合導線產(chǎn)品相比較：具有導電率高、耐腐蝕能力強、柔韌性優(yōu)異等特點。

典型的柔性絞合導線傳統(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。普通柔性絞合導線傳統(tǒng)加工流程需要六個流程，嚴重影響了柔性絞合導線的生產(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)指標達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，普通的絞合導體硫化后，極易發(fā)生氧化，導電率低，柔韌性也差。③自動化程度低、工人勞動強度高。柔性絞合導線深加工技術(shù)發(fā)展緩慢，原因在于自動化和智能化水平發(fā)展不高。

為解決制約絞合導線產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題，提升柔性絞合導線產(chǎn)業(yè)核心競爭力，增強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)團隊，積極開展與各大院校、材料、設(shè)備供應商技術(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，構(gòu)建了柔性絞合導線自動化加工技術(shù)體系，并進行成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化應用，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

1.2 主要科技創(chuàng)新 柔性絞合導線是指單絲直徑小于0.20 mm 微細銅絲通過一定的規(guī)則絞合成百根以上的絞合導線，百根以上的柔性絞合導線傳統(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、耐蝕、柔韌性等關(guān)鍵指標開展研究，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)及力學性能(如彈性模量、極限斷裂伸長率和抗拉強度等)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。

(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關(guān)鍵設(shè)備(如圖2所示)，在傳統(tǒng)多頭拉絲機基礎(chǔ)上發(fā)明了 “多頭拉絲機吹干裝置”(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)了多頭拉絲機替代中拉和小拉，節(jié)省一個流程，達到高效生產(chǎn)。

圖2 多頭拉絲機結(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線排線問題。多層分線排的顯著特點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線的配套工藝及裝置，實現(xiàn)了材料柔韌、耐蝕、高導等關(guān)鍵性能指標

(1)研制先進的輔助裝備， 保證了導體柔韌性達到最佳。雙絞機在束絞過程中產(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，如果扭絞應力得不到有效釋放，生產(chǎn)出來的導體面臨一系列絞合不圓整、柔韌性能差等問題。這也是導致一次成型束絞設(shè)備不能最終應用的主因之一。本項目經(jīng)過多次研究，發(fā)明了“雙絞機扭絞應力消機構(gòu)”，如圖5所示。該機構(gòu)采用多組“S”導輪組合，從而以上導輪與下導輪所上下配合進而形成可供線體波浪狀行進的通道，以使得一根多股絞合導線在絞合后再次經(jīng)過反復彎折，最終消除了一次成型束絞過程中的內(nèi)應力，保證了絞合后的導體柔韌性達到最佳。

圖5 雙絞機扭絞應力消除機構(gòu)圖

(2)采用先進的銅線表面處理技術(shù)，實現(xiàn)導線的耐蝕性能。微細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，生成氧化亞銅，產(chǎn)生氧化。本項目發(fā)明了方便快捷的“移動式焊接點金屬離子復鍍機及其復鍍方法”(發(fā)明專利號：ZL201710606507.5)，可在焊接點進行金屬離子復鍍技術(shù)，保證了導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)過程銅導體氧化變色”進行了深入研究，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膜，成功的實現(xiàn)導線的耐蝕性能。

(3)運用專有的工藝技術(shù)，實現(xiàn)高純高導銅桿材的制備。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后，實現(xiàn)銅桿的高導，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)精準配模技術(shù)的應用： 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，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，該機構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)簡單而實用的超微細線拉絲模具伸率測試裝置，通過測試銅絲的延伸率，從而達到精準配模的目的，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 超微細線拉絲模具伸率測試裝置示意圖

(2)感應自動換線技術(shù)的應用。多頭拉絲機放線系統(tǒng)通常采用籃式放線，也即先將放線導輪總成固定在線籃正上方，再將線籃內(nèi)的線體穿過放線導輪總成后進入拉絲機內(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，進而造成斷線。本項目發(fā)明了高效的多頭拉絲機的感應式自動換線系統(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)的成功應用。柔性絞合導線生產(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、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 高效的多頭拉絲機的感應式自動換線系統(tǒng)示意圖

圖8 模具智能管控系統(tǒng)示意圖

通過以上三點關(guān)鍵工藝技術(shù)的創(chuàng)新和改進，成功的實現(xiàn)了高新技術(shù)產(chǎn)品 “高導耐蝕短流程柔性絞合導線”的批量化生產(chǎn)，與傳統(tǒng)柔性絞合導線相比較，實現(xiàn)了“短流程”工藝，關(guān)鍵性能指標好。但是也有其局限性：高導耐蝕短流程柔性絞合導線關(guān)鍵工藝技術(shù)只適用于五百根以下的柔性絞合導線制造，針對五百根以上還不能完全適用，還需要進行進一步研究。