Staaf, draad en draadtrekken: Precisie koudvormtechnieken

Trekken is een metaalbewerkingsproces dat staalwerkstuk vormt door de doorsnede te reduceren. Dit wordt bereikt door het werkstuk te dwingen door een matrijs van kleiner doorsnede-oppervlak dan het werkstuk. In het trekproces wordt het werkstuk door de matrijs getrokken door middel van een trekracht toegepast aan de uiteinde van de matrijs. Wanneer staalwerkstuk getrokken wordt, wordt het bij kamertemperatuur getrokken. Op dat moment wordt het koud bewerkt of koud gesmeed. Vanwege de koude bewerking tijdens trekken, veranderen de geometrische en mechanische kenmerken van het staalmateriaal, transversale afmetingen worden verkleind (bijv. diameter) en lengte neemt toe zonder verandering in volume (afvalvrije verwerking). Als resultaat van plastische vervorming in de trekmotrijs, wordt het staalmateriaal ook versterkt wat betekent een toename in sterkte-eigenschappen en afname in plastische eigenschappen. Vervorming in trekken wordt beïnvloed door een aantal factoren, waarvan chemie, sterkte van materiaal, temperatuur, aanvalshoek, smering, treksnelheid, wrijvingscoëfficiënt, matrijslevensduur en slijtage, en oppervlaktereductie de meest significante zijn.

Draadtrekken versus staaftrekken

Draadtrekken is in essentie hetzelfde als staaftrekken behalve dat het betreft kleiner diameter materiaal dat opgerold kan worden. Het wordt doorgaans uitgevoerd als een continue operatie op de trekbank. Het proces van draadtrekken is heel weinig veranderd over de jaren. Het gebruikt een combinatie van een matrijs en/of een reeks matrijzen om draad te trekken tot een geselecteerde afmeting.

Het principe van het proces is getoond in Figuur 1.

Doelstellingen van het trekproces

Het trekproces heeft de volgende doelstellingen:

• Fabriceren van getrokken producten in de vorm van staven of draden tot zeer specifieke en nauwkeurige doorsnede-afmetingen.
• Verbeteren van de afgewerkte oppervlakte en verwijderen van schil van de staaf of staaf. Een gladde heldere oppervlakte verkrijgen.
• Verbeteren van trekkracht en verkrijgen van specifieke mechanische eigenschappen in het afgewerkte staalmateriaal
• Een meer consistente ronde vorm aan het afgewerkte staalmateriaal geven.

Proces van trekken

Het proces van trekken heeft de volgende drie stappen:

Voorlopige operaties

Tijdens voorlopige operaties wordt initieel de oppervlaktereiniging van de staaf of staaf van schillen die ontstaan zijn door eerdere metallurgische processen zoals walsen of warmtebehandeling etc., uitgevoerd. De gebruikelijke methode is de mechanische reiniging, de zogenaamde straalbehandeling bestaande uit schilverwijdering met staal abrasieven. In deze technologie wordt het materiaal geraakt door staal abrasieven geschoten met hoge energie. Dit wordt gedaan in gespecialiseerde machines, de zogenaamde straalbehandelingsmachines. De straalbehandelingsmachines zijn uitgerust met hoog effectieve ventilatiesystemen die penetratie van schillen naar de atmosfeer voorkomen. Straalbehandeling is een milieu-vriendelijke methode. Oppervlaktereiniging kan ook gedaan worden door zuurbeitsen, spoelen, en drogen. Echter dit wordt normaal niet voorkeur gegeven aangezien eventueel overgebleven zuur op het grondstofmateriaal genutraliseerd moet worden door het te dompelen in een kalkbad. Het proces is ook niet milieu-vriendelijk.

Na de schilverwijdering wordt de diameterreductie van het kopende gedaan door aanscherpen of doorvoeren. Het is noodzakelijk om het einde aan te scherpen om te beginnen met trekken om het materiaal in de matrijs in te voegen en het te grijpen door de trek hond van de trekbank. Eindaanscherpen kan gedaan worden bijv. door bewerken, duwbrochen in een horizontale hydraulische pers of walsen. Aangescherpte einden worden na trekken afgeknipt.

De voorlopige rechtzetten van staaf en staaf wordt dan uitgevoerd. Dit wordt doorgaans gedaan door rol- of cilindrische rechtzetmachines.

Trekproces

Afhankelijk van het invoermateriaal en ingezette apparatuur kan het trekproces uitgevoerd worden – staaf naar staaf, staaf naar staaf, draadstaaf naar staaf of draadstaaf naar draad in een spoel.

De aangecherpte staaf of draadstaaf wordt door de matrijs getrokken. Als het getrokken materiaal door de matrijs getrokken wordt, blijft het volume hetzelfde, dus naarmate de diameter afneemt, neemt de lengte toe. Meestal vereist de staaf of draadstaal meer dan één trek, door opeenvolgend kleinere matrijzen, om de gewenste grootte te bereiken. De Amerikaanse draadmaat schaal is hierop gebaseerd. Dit kan op kleine schaal gedaan worden met een trekplaat, of op grote commerciële schaal met geautomatiseerde machines. Het proces van draadtrekken verandert materiaaleigenschappen door koude bewerking. De oppervlaktereductie in kleine draden is doorgaans 15% tot 25% en in grotere draden 20% tot 45%. De exacte matrijsvolgorde voor een bepaalde klus is een functie van oppervlaktereductie, invoer draadgrootte en uitvoer draadgrootte. Naarmate de oppervlaktereductie verandert, verandert ook de matrijsvolgorde.

Zeer fijn draden worden meestal in bundels getrokken. In een bundel worden de draden gescheiden door een metaal met vergelijkbare eigenschappen, maar met lagere chemische weerstand zodat het na trekken verwijderd kan worden. Als de reductie in oppervlakte groter is dan 50%, vereist het proces meestal een intermediaire stap van aanlassen voordat het opnieuw getrokken kan worden.

Enkelblok draadtrekmachines omvatten middelen voor het nauwkeurig in positie houden van de matrijzen en voor het stabiel trekken van de draad door de gaten. Het gebruikelijke ontwerp bestaat uit een gegoten ijzeren bank of tafel met een steun staand om de matrijs te houden, en een verticale trommel die roteert en door de draad om zijn oppervlak te wikkelen het door de matrijs trekt, de spoel draad wordt opgeslagen op een andere trommel of 'swift' die achter de matrijs ligt en de draad afrolt zo snel als vereist. De draadtrommel of 'blok' is voorzien van middelen voor snel koppelen of ontkoppelen aan zijn verticale as, zodat de beweging van de draad onmiddellijk gestopt of gestart kan worden. De blok is ook getapt, zodat de spoel draad gemakkelijk naar boven afgeschoven kan worden wanneer klaar. Voordat de draad aan de blok kan worden bevestigd, moet een voldoende lengte ervan door de matrijs getrokken worden; dit wordt bereikt door een paar grijpende tangen aan het einde van een ketting die om een draaiende trommel gewonden is, zo de draad trekken tot genoeg kan worden opgewikkeld twee of drie keer op de blok, waar het einde bevestigd wordt door een kleine schroefklem of schroefbank. Wanneer de draad op de blok is, wordt het in beweging gezet en de draad wordt stabiel door de matrijs getrokken; het is erg belangrijk dat de blok gelijkmatig roteert en dat het true draait en de draad met een constante snelheid trekt, anders treedt 'snatching' op wat de draad zal verzwakken of zelfs breken. De snelheden waarmee draad getrokken wordt variëren sterk, afhankelijk van het materiaal en de hoeveelheid reductie.

Machines met continue blokken verschillen van enkelblok machines door een reeks matrijzen te hebben door waar de draad in een continue manier getrokken wordt. Vanwege de utrekking en glijding, verandert de snelheid van de draad na elke opeenvolgende hertekening. Deze verhoogde snelheid wordt geaccommodeerd door een verschillende rotatiesnelheid voor elk blok te hebben. Een van deze machines kan 3 tot 12 matrijzen bevatten. De operatie van het infileren van de draad door alle matrijzen en om de blokken heen heet 'stringing-up'. De regelingen voor smering omvatten een pomp die de matrijzen overstromt, en in veel gevallen ook de onderste delen van de blokken lopen in smering.

Vaak zijn intermediaire aanlasser vereist om de effecten van koude bewerking te compenseren, en om verder trekken toe te laten. Een eindaanlas kan ook gebruikt worden op het eindproduct om duktiliteit en elektrische geleiding te maximaliseren.

Afwerkingsoperaties

Afwerkingsoperaties omvatten snijden en kappen, rechtzetten, afwerken van einden zoals affaseren, inspectie zoals NDT etc., anticorrosiebescherming, en verpakken en expederen.

Smering

Goede smering is essentieel in trekken, om matrijslevensduur te verbeteren, trekkrachten en temperatuur te verlagen, en oppervlakte-afwerking te verbeteren. De volgende zijn verschillende methoden van smering:

• Nat trekken – De matrijzen en draad of staaf zijn volledig gedoopt in smeringsmiddel
• Droog trekken – De draad of staaf passeert door een container met smeringsmiddel wat het oppervlak van de draad of staaf bekleedt
• Metaalbekleding – De draad of staaf wordt bekleed met een zacht metaal wat fungeert als vaste smering
• Ultrasonische trilling – De matrijzen en mandrielen worden getrild, wat helpt krachten te verminderen en grotere reducties per pas toe te laten

Diverse smeringsmiddelen, zoals olie, worden gebruikt. Een andere smeringsmethode is om de draad in een koper sulfaat oplossing te dompelen, zodat een film van koper wordt gedeponeerd wat een soort smering vormt. In sommige klassen van draad wordt de koper na de eindtrekking achtergelaten om te dienen als roestpreventie of om makkelijk solderen toe te laten.

Trekmotrijzen

Trekmotrijzen zijn typisch gemaakt van gereedschapstaal, tungsten carbide, of diamant, met tungsten carbide en gefabriceerde diamant de meest gangbare. Voor het trekken van zeer fijn draad wordt een enkelkristal diamant matrijs gebruikt. Voor staaldraadtrekken wordt een tungsten carbide matrijs gebruikt. De matrijzen worden in een staalbehuizing geplaatst, wat de matrijs ondersteunt en gemakkelijke matrijswisselingen toelaat. Matrijshoeken variëren doorgaans van 6 graden tot 15 graden en elke matrijs heeft ten minste 2 verschillende hoeken: de inkomende hoek en aanvalshoek. Draadmatrijzen worden meestal met vermogen gebruikt om de draad door ze te trekken. Er zijn spoelen draad aan beide uiteinden van de matrijs die trekken en oprollen de draad met een verminderde diameter. Figuur 2 geeft typische doorsnede van trekmotrijzen in staalbehuizing.

Trekapparatuur en toepassingen van getrokken draden

Er zijn diverse typen trekmachines. Deze zijn gegroepeerd als volgt:

• Trekframes
• Stierblokken en motorblok
• Meervoudige trekmachines
• Fijn draad machines
• Turks hoofd gevormde draadtrekmachines
• Trekbanken.

De hulpapparatuur die bevestigd moet worden bij draadtrekmachines bestaan uit afrolrollen, veiligheidsstop, lasser, aanscherper, rechtzet- en snijmachines, rotatie rechtzetters, en rolrechtzetters etc.

Getrokken draad is in veel toepassingen verder dan wat we normaal zouden denken zoals elektrische draad en TV kabels. Bijvoorbeeld, veren van elke soort zijn gemaakt van getrokken draad; alsook wapeningsstaaf gebruikt voor constructie wereldwijd. Papierklemmen en hechtjes zijn gemaakt van dunne getrokken draad. Speken op wielen, draadborstels, metalen handvaten zijn gemaakt van getrokken draad. Er zijn letterlijk duizenden eindproducten die afhankelijk zijn van getrokken draad. Om aan deze steeds groeiende behoefte te voldoen, worden jaarlijks vele miljoenen kilometers draad getrokken door metaalbewerkingsbedrijven. Om deze reden is draadtrekken een extreem kostengevoelige en competitieve markt. Op hun beurt zijn de bedrijven die draadtrekapparatuur en het procesapparatuur over de hele wereld maken, erg in afstemming met de verbetering in de productiviteit en de efficiëntie van de apparatuur.