摘要：针对传统钢丝氧化铁皮剥落设备存在的钢丝横裂率高、表面擦伤严重及氧化铁皮清理困难等技术瓶颈，文章研发了一款集“导向—剥壳—集屑”功能于一体的新型钢丝氧化铁皮剥落装置。该装置以模块化结构为核心设计理念，机台采用灰铸铁材质，以保障设备承重稳定性。同时，背板通过多档位安装孔位设计，实现剥壳轮安装位置的精准可调。核心剥壳轮组采用“3固定+2可调”交错布局，轮体选用石墨尼龙66材质，并设计“左高右低”弧形轮廓，既确保了氧化铁皮高效剥落，又避免了钢丝表面损伤。配套的漏斗状集屑槽与密封集屑箱形成自动集屑系统，有效解决铁屑堆积问题，为钢丝表面处理工序提供了高效可靠的技术解决方案。

　　关键词：钢丝加工；氧化铁皮剥落；剥壳轮组；石墨尼龙；自动集屑；可调式结构

　　钢丝作为工业领域的关键基础材料，被广泛应用于建筑钢筋、机械传动、汽车轮胎等场景，2023年国内钢丝产量已达3800万吨，其中80%以上的钢丝在拉拔前需去除表面氧化铁皮。钢丝在热轧或室温存放过程中，表面会形成由FeO（内层）、Fe3O4（中层）、Fe2O3（外层）组成的氧化铁皮，该氧化铁皮硬度高、脆性大，若未彻底去除，会导致拉拔模具磨损加剧、钢丝表面出现划痕或裂纹，甚至引发断丝故障，直接影响产品合格率［1］。

　　当前行业内主流的氧化铁皮剥落设备主要依赖“单组密集剥壳轮”设计，存在三大核心问题：一是剥壳应力控制不当，传统设备多采用2~3个紧密排列的剥壳轮，钢丝通过时弯曲角度过大时，钢丝易产生过度塑性变形，横裂率高达5%~8%；二是轮体材质适配性差，传统剥壳轮多为45#钢或合金材质，与钢丝接触时易造成表面擦伤，导致表面粗糙度Ra值升高至1.6~3.2μm，无法满足高精度钢丝加工需求；三是铁屑处理效率低，剥落的氧化铁皮直接堆积于机台表面，需人工每2小时清理一次，不仅增加劳动强度，还易引发设备卡滞、粉尘污染等问题，不符合现代工业“清洁生产”的要求。

　　为解决上述问题，文章从结构优化、材料创新、系统集成三个维度出发，研发了新型钢丝氧化铁皮剥落装置，通过“多组交错可调剥壳轮”控制弯曲角度，采用“石墨尼龙轮体”保护钢丝表面，搭配“自动集屑系统”优化生产环境，最终实现氧化铁皮高效剥落、钢丝质量保护与生产效率提升的协同目标。

　　1装置整体结构与设计方案

　　新型钢丝氧化铁皮剥落装置采用模块化设计，各部件独立制造且易于组装，主要由机台组件（1）、背板组件（2）、剥壳轮组（302、303、304、305、306）、自动集屑结构（501、502）四部分组成，整体结构示意图如图1所示，各模块通过标准化接口连接，形成完整的“进料-剥壳-排屑”流程。

　　1.1机台与背板设计

　　机台（1）作为装置的承重基础，需同时承受背板、剥壳轮组及钢丝张力，因此选用HT300灰铸铁材质，避免长期使用后变形。机台表面采用精铣加工，平整度误差≤0.1mm/m，确保背板安装时的垂直度。机台中部预留矩形开口，边缘倒圆处理，既方便集屑槽安装，又避免铁屑堆积形成死角。

　　背板（2）是剥壳轮组的核心安装载体，选用Q235冷轧钢板，通过膨胀螺栓垂直固定于机台上方，安装后背板平面度误差≤0.05mm/m，确保剥壳轮轴线平行度。

　　背板上沿垂直方向开设两排安装孔（201）：上排为固定剥壳轮安装孔：用于安装3个固定剥壳轮（302、304、306），轴线共面且平行于机台；下排为可调剥壳轮安装孔：用于安装2个可调剥壳轮（303、305），通过选择不同孔位，可实现剥壳轮与固定轮的垂直高度差调节，适配不同直径钢丝的弯曲需求。

　　1.2核心执行单元

　　剥壳轮组是装置实现氧化铁皮剥落的核心部件，承担“导向-弯曲-剥壳”功能，由图1所示导向轮（301）、固定剥壳轮（302、304、306）、可调剥壳轮（303、305）三部分组成，轮体剖视图如图2所示。

　　1.2.1轮体材质创新

　　轮体（3014）作为与钢丝直接接触的部件，其材质性能直接影响剥壳效果与钢丝表面质量。传统合金轮体硬度高但易擦伤钢丝，纯尼龙轮体耐磨性差，因此本设计选用20%石墨改性尼龙66材质，该材质通过以下特性解决传统问题［2］。

　　（1）硬度适配：邵氏硬度D75~80，低于钢丝硬度，避免接触时产生擦伤。

　　（2）自润滑性：石墨颗粒作为固体润滑剂，摩擦系数降至0.15~0.20，仅为纯尼龙的60%，无需额外添加润滑油。

　　（3）耐磨性强：经测试，其磨损率仅为纯尼龙的50%，使用寿命延长至200h以上，降低更换频率。

　　1.2.2轮体结构优化

　　为实现“精准导向+铁屑导流”双重功能，轮体轮廓采用“两侧高、中间低”的弧形结构，具体尺寸设计如下：①轮体总宽度30mm，外径60mm；②左侧边缘高度15mm，右侧边缘高度12mm，形成3mm高度差，引导剥落的铁屑向右侧滑落（远离轴承端）；③中间凹陷区域弧面半径R=钢丝直径+2mm，例如，适配5mm钢丝时R=7mm，确保钢丝与轮体贴合度≥90%，避免钢丝偏移导致的剥壳不均。

　　1.2.3轴系与防尘设计

　　轴芯（3011）选用45#钢，经调质处理，一端通过固定螺丝一（3012）与防松垫片固定于背板，另一端套设深沟球轴承。

　　为防止铁屑、粉尘进入轴承导致卡滞，在轮体右侧设置不锈钢防尘盖板（3018）：盖板通过3组沉头螺钉（3019）均匀固定于轮体端面，盖板与轮体间的密封间隙≤0.1mm，有效阻挡铁屑侵入。

　　1.2.4剥壳轮组布局

　　为避免钢丝过度弯曲，剥壳轮组采用“3个固定轮+2个可调轮”的交错布局，形成“S”形剥壳通道，具体布局如下：

　　如图1所示：固定剥壳轮一（302）：安装于背板左侧（钢丝入口端）；

　　可调剥壳轮一（303）：安装于固定轮一正下方，垂直高度差可调节；

　　固定剥壳轮二（304）：安装于固定轮一右侧；

　　可调剥壳轮二（305）：安装于固定轮二正下方，垂直高度差可调节；

　　固定剥壳轮三（306）：安装于固定轮二右侧，垂直高度与固定轮一、二一致。

　　该布局使钢丝在通过时经历5°~8°→8°~10°→3°~5°的阶梯式弯曲，既利用氧化铁皮与钢丝延展性差异实现铁皮剥落，又避免单次弯曲角度过大导致的横裂［3］。

　　1.3自动集屑结构

　　为解决传统设备铁屑堆积问题，设计由集屑槽（501）与集屑箱（502）组成的自动集屑系统：①集屑槽，采用304不锈钢材质，呈漏斗状，通过法兰盘固定于机台中部开口处，漏斗内壁坡度60°,确保铁屑无残留滑落；②集屑箱，采用聚乙烯材质，顶部设置接口，与集屑槽下口通过硅胶密封圈密封连接，集屑箱底部安装4个万向轮，方便铁屑满箱后移动倾倒。

　　2装置工作原理

　　新型钢丝氧化铁皮剥落装置的工作流程分为“导向定位→阶梯剥壳→铁屑收集”三个阶段，具体原理如下：

　　2.1导向定位阶段

　　钢丝从装置左侧进入，首先经过导向轮，导向轮的弧形凹陷区域对钢丝进行径向定位，纠正钢丝的水平偏移，确保钢丝沿“剥壳轮组中心轴线”进入下一阶段，避免因钢丝偏移导致的剥壳不均。

　　2.2阶梯剥壳阶段

　　定位后的钢丝依次穿过“固定轮一→可调轮一→固定轮二→可调轮二→固定轮三”形成的“S”形通道，经历三次阶梯式弯曲剥壳：一次剥壳：钢丝通过固定轮一与可调轮一，弯曲角度5°~8°,主要剥落钢丝表面外层的Fe2O3。二次剥壳：钢丝通过固定轮二与可调轮二，弯曲角度8°~10°,剥落中层的Fe3O4。三次剥壳：钢丝通过固定轮三，弯曲角度3°~5°,彻底清除内层的FeO，同时修正钢丝直线度。

　　针对不同直径的钢丝，通过调节可调轮在背板安装孔中的位置，改变固定轮与可调轮的垂直高度差。

　　2.3铁屑收集阶段

　　剥落的氧化铁皮在重力作用下，沿轮体“左高右低”的轮廓滑落至下方漏斗状集屑槽，经集屑槽下口导管进入密封集屑箱。

　　3实验验证与性能分析

　　为验证新型装置的剥壳效果与实用性，以20#钢丝为实验材料，搭建对比实验平台，与传统单组剥壳轮装置（型号SK-200）进行性能对比。

　　3.1实验材料与设备

　　实验材料：20#钢丝，直径分别为5mm、10mm、15mm、20mm，每根长度2m，表面氧化铁皮厚度约15~20μm。

　　测试设备：新型装置（本文设计）、传统装置（SK-200）、表面粗糙度仪、电子天平、光学显微镜。

　　3.2测试指标与方法

　　氧化铁皮剥落率：采用“称重法”，剥落率=（剥落铁屑质量/初始钢丝表面铁屑质量）×100%；其中初始铁屑质量通过“酸洗法”测量（将未剥壳钢丝酸洗后称重差）。

　　钢丝横裂率：将剥壳后的钢丝切割为10段（每段200mm），通过光学显微镜观察是否存在横裂，横裂率=（有横裂的段数/总段数）×100%。

　　表面粗糙度Ra值：通过粗糙度仪在钢丝表面均匀选取5个测试点，取平均值。

　　设备维护周期：连续运行设备，记录首次出现轴承卡滞或轮体磨损超标的时间。

　　3.3实验结果与分析

　　实验结果如表1所示，对比传统装置，新型装置的性能优势显著。

　　由表1可知，首先，剥壳效果显著提升：新型装置对5~20mm钢丝的氧化铁皮剥落率均保持在98.8%以上，最高达99.5%，显著高于传统装置的82.3%~89.4%，原因是“阶梯式弯曲”设计实现了氧化铁皮的分层剥落，避免了传统装置“一次性强弯曲”导致的铁皮残留。其次，钢丝质量大幅改善：新型装置的钢丝横裂率降至0.0%~0.5%，表面粗糙度Ra值稳定在0.3~0.6μm，远优于传统装置，这得益于石墨尼龙轮体的低硬度特性与“左高右低”结构对钢丝的保护。再次，设备稳定性增强：新型装置的维护周期延长至60天，较传统装置提升33.3%。

　　4装置有益效果与应用前景

　　4.1核心有益效果

　　剥壳效率与质量双优：多组交错剥壳轮设计使氧化铁皮剥落率达99%以上，且通过阶梯式弯曲避免钢丝横裂，满足高精度钢丝加工需求。适配性强且操作简便：通过调节可调轮位置，可适配5~20mm不同直径的钢丝，无需更换轮体，调节时间≤5min，降低操作人员技能要求。表面保护效果显著：石墨尼龙轮体与弧形轮廓设计，使钢丝表面粗糙度Ra值降至0.3~0.6μm，符合“高精度钢丝”的表面要求。清洁生产与降本增效：自动集屑系统使铁屑清理频率大幅下降，劳动强度降低95%，设备维护周期延长30%。构简单且成本可控：装置核心部件均为标准化零件，制造成本较低，适合中小钢丝企业推广。

　　4.2应用前景

　　该装置在某钢丝厂进行试点应用，用于直径8~12mm弹簧钢丝的表面处理工序，应用结果显示：钢丝合格率从85%提升至99.2%；拉拔模具寿命从1500次延长至2100次。

　　5结论

　　综上所述，文章设计的新型钢丝氧化铁皮剥落装置有效解决了传统设备的三大技术痛点。首先，“3固定+2可调”交错剥壳轮组设计，控制钢丝弯曲角度，避免过度弯曲导致的横裂；其次，石墨尼龙66轮体与“左高右低”轮廓设计，实现氧化铁皮高效剥落与钢丝表面保护的统一；再次，漏斗状集屑槽与密封集屑箱组成的自动集屑系统，实现清洁生产与降本增效。实验与应用表明，该装置剥壳效率高、适配性强、运行稳定，可广泛应用于弹簧钢丝、建筑钢丝、轮胎钢丝等领域的表面处理工序，具有较高的推广价值。

参考文献

　　［1］劳瑞杰，尹逊民，王江涛，等.热轧带钢表面氧化铁皮成因及控制技术探究［J］.冶金管理，2021（23）：29-30.

　　［2］石玉，王东红.石墨改性尼龙66复合材料的摩擦磨损性能研究［J］.化工新型材料，2007（6）：49-50.

　　［3］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.钢丝分类及术语：GB/T 341-2008［S］.北京：中国标准出版社，2008.