CN101020197B - 智能化无模拉拔成形设备及其工艺 - Google Patents

Abstract

一种智能化无模拉拔成形设备及其工艺，属于金属压力加工技术领域。设备包括智能化自动控制系统、送料和牵引系统、测温与加热系统、冷却系统、保护气体供给系统。工艺为：首先松开自动压下装置，将待拉拔棒料依次穿过送料辊、感应加热线圈、玻璃管、冷却水环和牵引辊；然后，启动自动压下装置压紧坯料；启动计算机控制程序后坯料在两对送料辊的作用下，以速度Vi向前移动；同时，坯料在两对牵引辊地作用下，以速度Vo向前移动，通过控制Vo与Vi之比为1＜Vo/Vi＜2.5，得到预期的断面收缩率。采用智能控制，能有效防止拉断、竹节等不稳定过程的产生；显著提高线棒材外形尺寸的精确性；适合于各种金属线棒材的高效加工。

Description

智能化无模拉拔成形设备及其工艺

技术领域

本发明属于金属压力加工技术领域，特别涉及一种智能化无模拉拔成形设备及工艺，适合于各种金属棒线材的加工，尤其是对不锈钢、镍钛形状记忆合金、高铜铝合金、高铝铜合金等难加工线材和棒材的拉拔加工。

背景技术

以镍钛形状记忆合金、高铜铝合金、高铝铜合金和不锈钢等为代表的难加工线材和棒材，以其各自特有的优异性能，已在航空、航天、汽车、电子、仪表和医学等领域获得了广泛的应用，在一些特殊使用要求的场合发挥着极其重要的作用。

利用传统的有模拉拔工艺对难加工线棒材进行加工时，由于合金的塑性低，单一道次断面收缩率低，导致拉拔道次多、模具寿命短、拉断频率高和能耗大等诸多问题；同时，在拉拔过程中需要进行多次退火，导致工艺流程复杂、表面质量差、生产效率低、材料浪费严重、成材率低等问题。无模拉拔成形工艺是一种热加工工艺，具有许多常规拉拔工艺所不具备的优点：不采用模具，工艺柔性度大；材料的变形程度可以在拉拔的过程中随时间变化，有利于生产实心或空心锥形件及变断面工件；材料的变形在局部区域发生，并且通过局部区域材料在变形过程中稳定扩展，使材料整体变形；材料的变形过程在高温范围内进行，其原始组织状态对变形过程的影响较小；热加工、无摩擦，能用于高强度及高摩擦材料成形；加工时拉拔力小；单一道次断面收缩率大；断面收缩率只取决于运动装置的移动速度；设备规模小，灵活性高，易实现自动控制[黄贞益，王萍，孔维斌，等.无模拉伸工艺及发展.华东冶金学院学报，2000，17(2)：118～120]。因此该工艺特别适合加工一些用常规有模拉拔很难成形的金属材料。但是，无模拉拔成形过程中变形温度、冷热源距离、送料速度和牵引速度等工艺参数的合理匹配与精确控制难度大，导致拉拔过程容易产生不稳定，成品尺寸均匀性差，产品质量不稳定，甚至出现拉断等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能化无模拉拔成形设备及工艺，利用智能化技术对无模拉拔过程进行精确控制，实现对直径大于或等于2mm的金属线棒材进行拉拔成形，尤其能对难加工线棒材进行拉拔成形，单道次无模拉拔成形断面收缩率最高可达30～60％。

本发明装置包括智能化自动控制系统、送料和牵引系统、测温与加热系统、冷却系统、保护气体供给系统等几个组成部分，以下对各系统进行详细介绍：

1、智能化自动控制系统

利用专家系统，根据外形尺寸或/和组织性能等控制目标，以及初始加工条件，由计算机在线制定工艺制度，并自动按照所制定的工艺制度进行拉拔；在拉拔过程中利用激光测径仪对变形区形貌进行在线测量，并将测量值反馈到计算机；利用各工艺参数的实测值进行外形尺寸、组织的在线预测，同时将预测值与目标值进行比较，通过遗传算法运算得到各工艺参数的调整量和调整方向，并驱动各工艺参数驱动器进行调整，从而实现对拉拔金属线棒材的外形尺寸或/和组织性能的在线精确控制。

2、送料和牵引系统

送料伺服电机12、齿轮减速箱20和蜗轮蜗杆减速器13逐个连接，蜗轮蜗杆减速器13驱动送料辊1，送料辊1与送料辊2之间利用同步带14进行传动；送料辊1和送料辊4之间用齿轮15和齿轮16进行传动；送料辊2与送料辊3之间用齿轮连接进行传动。牵引伺服电机26、齿轮减速箱19和牵引辊5逐个连接；牵引辊5与牵引辊6之间利用同步带21进行传动；牵引辊5和牵引辊7之间以及牵引辊6与牵引辊8之间用齿轮连接进行传动。根据坯料直径的不同在送料辊和牵引辊上开不同大小的孔型，实现对直径大于或等于2mm的金属线棒材连续拉拔成形。

3、测温与加热系统

本发明装置加热设备为全固态感应加热器，感应加热线圈9置于送料辊1、4所组成的孔型和牵引辊5、7所组成的孔型之间；红外测温仪18对准变形区的中央，镜头与坯料距离15～35cm放置，对变形区温度进行在线测量，同时将温度信号送至PLC，与目标温度进行比较。在PLC程序中利用PID运算方法计算出对感应加热器加热电流的调整量，再通过PLC模拟量输出端口将电流的调整量反馈到感应加热器的功率控制器，从而实现变形区温度的控制。

4、冷却系统

冷却水环10中的冷却介质为自来水，沿坯料运行方向(从附图的右边向左边运行)看，冷却水环10位于感应加热线圈9之后，冷却水环10与感应加热线圈9之间的距离即是变形区的长度，范围在1～10cm。利用步进电机驱动丝杆传动方式，驱动冷却水环10沿坯料轴向位置上移动，移动范围1～10cm，实现变形区长度在线调整。感应加热器的内部电路和感应加热线圈的冷却介质为循环水。

5、保护气体供给系统

保护气体从储气罐流出，经减压阀到流量计，最终流到玻璃管17中；玻璃管17的外径与感应加热线圈9的内径相同，套在感应加热线圈9内。坯料从玻璃管17的中心穿过，玻璃管17的一端通入保护气体，另一端紧靠冷却水环10。

本发明的拉拔工艺为：首先松开自动压下装置22、23、24、25，将待拉拔棒料依次穿过送料辊2、3、1、4，玻璃管17，冷却水环10和牵引辊5、7、6、8，启动自动压下装置22、23、24、25压紧棒料；启动计算机控制程序后棒料在四个送料辊1、2、3、4的作用下，以速度Vi向前移动；同时，棒料在四个牵引辊5、6、7、8作用下，以速度Vo向前移动，在感应加热线圈9和冷却水环10喷射的冷却水的作用下，将位于两者之间的棒料部分加热到其熔点温度的0.5～0.9倍之间，使棒料11上张力所引起的塑性变形集中在加热区域中。通过控制Vo与Vi之比，其中1＜Vo/Vi＜2.5，在各工艺参数的合理匹配下得到预期的断面收缩率，最高可达到60％。

本发明装置的优点是：

1、采用智能化在线闭环控制方式，对拉拔金属线棒材的形状尺寸或/和组织性能进行在线精确控制，可以防止竹节、拉断等非稳定变形的发生，有利于实现大断面压缩率的稳定连续成形。

2、利用激光测径仪、各工艺参数传感器、控制计算机和各工艺参数调整驱动器组成的闭环控制系统，能有效地对线棒材直径进行在线控制，显著提高拉拔制品的外形尺寸精度，实现金属线棒材组织性能均匀性的控制。

3、采用蜗轮蜗杆减速器对送料伺服电机进行减速，可利用蜗轮蜗杆的自锁功能，防止棒料对送料辊的拉力传送到送料伺服电机12，避免在拉力作用下送料电机12发生前滑，从而实现送料速度的精确控制。

4、采用两对送料辊(1、4和2、3)和两对牵引辊(5、7和6、8)对棒料进行送料和牵引，每一对辊所需要提供给棒料的摩擦力为拉拔所需变形抗力的二分之一，既可有效地防止棒料与辊之间打滑，也能减小由于辊与棒料之间的正压力所造成的轧制变形，更好地保证成品的真圆度。

5、同一对驱动辊上开不同的孔型，可使同一套送料辊或同一套牵引辊可对应较大尺寸规格范围的棒料成形，减少送料辊或牵引辊用量。

6、变形温度受加热功率、冷却速率、送料和牵引速度等诸多因素的影响，极易发生波动，利用红外测温仪18和PLC以及感应加热器所组成的闭环温度控制系统，能对外界干扰造成的温度突变进行及时调整，从而提高了无模拉拔过程中变形区温度的稳定性，变形区温度控制精度可达±2℃。

7、采用冷却水环位置在线调节方式，可实现变形区长度在线控制。

8、保护气体供给系统能使棒料高温变形区始终在保护气体的包围下，有效防止氧化的发生，同时也能有助于将冷却所产生的水雾排出，避免水雾对变形区温度的影响和对红外线测温仪进行温度测量的影响。

9、本发明不仅能对短尺线棒材进行非连续无模拉拔成形，同时也能实现较长线棒材的连续无模拉拔成形。适合于各种金属线棒材的高效加工，尤其是对不锈钢、镍钛形状记忆合金、高铜铝铜合金等难加工线棒材的拉拔加工。

附图说明

图1是本发明的智能化无模拉拔成形装置正视图。其中，送料辊1、2、3、4，牵引辊5、6、7、8，感应加热线圈9、冷却水环10、坯料11、同步带14、21，玻璃管17，自动压下装置22、23、24、25。

图2是本发明的智能化无模拉拔成形装置俯视图。其中，送料伺服电机12、牵引伺服电机26、蜗轮蜗杆减速器13、齿轮减速箱19、20，红外测温仪18。

图3是本发明的智能化无模拉拔成形装置剖视图。其中，齿轮15、16。

具体实施方式

实施例1：选用含Ni49at％、Ti51at％的镍钛形状记忆合金线材作为坯料，直径为6mm，轧制状态，表面光洁。松开压下装置22、23、24、25，将待拉拔坯料依次穿过发明装置的送料辊2、3、1、4，玻璃管17，冷却水环10和牵引辊5、7、6、8。调整压下装置22、23、24、25压紧坯料，启动电脑并运行控制程序，输入目标直径，点击开始拉拔按钮，此时设备将按程序设计执行初始程序，即首先根据目标直径与实测坯料直径设计合理匹配的工艺参数，开启保护气体阀门，排出玻璃管17中的空气，然后启动送料伺服电机12和牵引伺服电机26使坯料以相同的速度Vi移动，同时开启冷却水环的冷却水和感应加热器，待拉拔温度达到工艺参数中的温度T时，牵引伺服电机26开始加速直至达到工艺参数设计中的Vo；程序进入稳定拉拔阶段，根据激光测径仪所测的变形区末端的直径变化情况，计算机在线对工艺参数进行调整，实现稳定的拉拔。当检测到坯料被拉断、坯料已用完或手动点击控制界面中的停止按钮时，开始执行停机程序，首先关闭感应加热器，牵引伺服电机26速度从Vo逐渐降到Vi，使坯料以Vi的速度一直前进，直到变形区全部冷却，牵引和送料伺服电机停止运转，关闭冷却水、保护气体。此时松开压下装置22、23、24、25，取出线材，一道次拉拔结束。整个无模拉拔过程稳定，断面收缩率达到60％，成品尺寸稳定。

实施例2：坯料选用挤压态的高铜铝铜合金焊丝，初始直径6.1mm，表面光洁。采用与具体实施方式1相同的操作过程，能够实现稳定的无模拉拔过程，断面收缩率达到22.5％，成品尺寸稳定，直径波动范围±0.1mm。

实施例3：坯料选用304不锈钢线材，初始直径6mm，表面光洁。采用与具体实施方式1相同的操作过程，能够实现稳定的无模拉拔过程，断面收缩率达到40％，成品尺寸稳定，直径波动范围±0.1mm。

Claims (2)

1.一种智能化无模拉拔成形设备，包括智能化自动控制系统、送料和牵引系统、测温与加热系统、冷却系统、保护气体供给系统；其特征在于：

a、智能化自动控制系统

利用专家系统，根据外形尺寸或/和组织性能等控制目标，以及初始加工条件，由计算机在线制定工艺制度，并自动按照所制定的工艺制度进行拉拔；在拉拔过程中利用激光测径仪对变形区形貌进行在线测量，并将测量值反馈到计算机；利用各工艺参数的实测值进行外形尺寸、组织的在线预测，同时将预测值与目标值进行比较，通过遗传算法运算得到各工艺参数的调整量和调整方向，并驱动各工艺参数驱动器进行调整，从而实现对拉拔金属线棒材的外形尺寸和组织性能的在线精确控制；

b、送料和牵引系统.

送料伺服电机(12)、齿轮减速箱(20)和蜗轮蜗杆减速器(13)逐个连接，蜗轮蜗杆减速器(13)驱动第一送料辊(1)，第一送料辊(1)与第二送料辊(2)之间利用第一同步带(14)进行传动；第一送料辊(1)和第四送料辊(4)之间用第一齿轮(15)和第二齿轮(16)进行传动；第二送料辊(2)与第三送料辊(3)之间用齿轮连接进行传动；牵引伺服电机(26)、齿轮减速箱(19)和第一牵引辊(5)逐个连接；第一牵引辊(5)与第二牵引辊(6)之间利用第二同步带(21)进行传动；第一牵引辊(5)和第三牵引辊(7)之间用齿轮进行传动；第二牵引辊(6)与第四牵引辊(8)之间用齿轮连接进行传动；根据坯料直径的变化在送料辊(1、2、3、4)和牵引辊(5、6、7、8)上开相应的孔型；

c、测温与加热系统

该装置的加热设备为全固态感应加热器，感应加热线圈(9)置于第一、第四送料辊(1、4)所组成的孔型和第一、第三牵引辊(5、7)所组成的孔型之间；红外测温仪(18)对准变形区的中央，镜头与坯料距离15～35cm放置，对变形区温度进行在线测量，同时将温度信号送至PLC，与目标温度进行比较；在PLC程序中利用PID运算方法计算出对感应加热器加热电流的调整量，再通过PLC模拟量输出端口将电流的调整量反馈到感应加热器的功率控制器，实现变形区温度的控制；

d、冷却系统

冷却水环(10)位于感应加热线圈(9)之后，冷却水环(10)与感应加热线圈(9)之间的距离在1～10cm；利用步进电机驱动的丝杆进行传动，采用冷却水环位置在线调节方式，驱动冷却水环(10)沿坯料轴向位置上移动，实现变形区长度在线调整；感应加热器的内部电路和感应加热线圈的冷却介质为循环水；

e、保护气体供给系统

保护气体从储气罐流出，经减压阀到流量计，最终流到玻璃管(17)中，玻璃管(17)外径与感应加热线圈(9)的内径相同，套在感应加热线圈(9)内；坯料从玻璃管(17)中心穿过，玻璃管17的一端通入保护气体，另一端紧靠冷却水环(10)，利用保护气体排出冷却所产生的水雾。

2.一种采用权利要求1所述设备进行智能化无模拉拔成形的工艺；其特征在于，工艺步骤为：首先松开自动压下装置(22、23、24、25)，将待拉拔线棒料依次穿过送料辊(2、3、1、4)，玻璃管(17)，冷却水环(10)和牵引辊(5、7、6、8)；然后，启动压下装置(22、23、24、25)压紧坯料；启动计算机控制程序后，线棒料在两对送料辊(1、2、3、4)的作用下，以速度Vi向前移动；同时，线棒料在两对牵引辊(5、6、7、8)作用下，以速度Vo向前移动，在感应加热线圈(9)和冷却水环(10)喷射的冷却水的作用下，将位于两者之间的坯料部分加热，温度保持在熔点温度的0.5～0.9倍之间，使坯料(11)上张力所引起的塑性变形集中在加热区域中；通过控制Vo与Vi之比为1＜Vo/Vi＜2.5，得到预期的断面收缩率，最高达到60％。

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