CN101778680A - 冷拉拔加工用芯棒和金属管的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冷拉拔用加工芯棒和金属管的制造方法。芯棒(1)具有第1圆柱部(20)、锥形部(30)以及第2圆柱部(40)。第1圆柱部(20)具有外径D1。第2圆柱部(40)具有比外径D1大的外径D2。锥形部(30)形成在第1圆柱部(20)和第2圆柱部(40)之间。锥形部(30)具有外径从第1圆柱部(20)向第2圆柱部(40)渐渐增大的锥形表面(31)和轴向长度L。芯棒(1)的外径D1和D2、轴向长度L还满足下式(1)-(4)。因此本发明的冷拉拔芯棒能够降低冷拉拔加工后的金属管的外表面的残余拉应力。0.25≤ρ≤2.00…(1)，0.06≤L/D2≤0.8…(2)，L/D2≤0.3×ρ+0.575…(3)，L/D2≥0.1×ρ…(4)，其中，ρ＝(D2-D1)/D1×100。

Description

冷拉拔加工用芯棒和金属管的制造方法

技术领域

本发明涉及一种芯棒和金属管的制造方法，更具体地说，涉及一种用于冷拉拔加工的芯棒和使用了该芯棒的金属管的制造方法。

背景技术

为了提高金属管的尺寸精度、使其内外表面平滑化，有时对金属管实施冷拉拔加工。冷拉拔加工一般使用拉模和芯棒。拉模对金属管进行缩径，将金属管的外径调整至所需尺寸。并且使金属管的外表面平滑化。另一方面，芯棒对金属管的内径尺寸进行调整，并使金属管的内表面平滑化。

近年来，用于冷拉拔加工的芯棒，根据该目的提出有各种形状。例如，日本特开2006-167763号公报和日本特开平11-300411号公报公开了带台阶的芯棒，其目的在于去除作为被加工件的金属管(以下称为原管)的内表面的褶皱瑕疵。这些专利文献所公开的带台阶的芯棒，在芯棒后部形成有环状的突起部，由突起部在芯棒表面设置台阶差。利用该台阶差对原管内表面进行减薄拉深。由此去除原管内表面的褶皱瑕疵，改善表面粗糙度。

在冷拉拔加工中，大多在拉拔后的金属管的外表面的周向产生残余拉应力。当金属管的外表面有凹陷瑕疵时，该凹陷瑕疵与残余拉应力互相作用，从而当冷加工后实施热处理时，有时在金属管的外表面产生裂痕。因此，冷拉拔加工后的金属管的外表面的残余拉应力以较低为好。

日本特开平2-197313号公报公开了降低残余应力、改善金属管的内压疲劳特性的金属管的制造方法。在该文献中，采用芯棒的后半部分的外径比芯棒的前半部分的外径大的两段结构的芯棒。采用该芯棒，对由拉模缩径的原管以0.1-1.5％的扩管率进行扩管。由此，改变冷拉拔加工后的金属管的残余应力，改善内压疲劳特性。

但是，如日本特开平2-197313号公报所示，仅将扩管率设为0.1-1.5％的话，虽然能改变金属管的残余应力，但有时金属管外表面的残余拉应力却没有降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够降低冷拉拔加工后的金属管的外表面的残余拉应力的冷拉拔加工用芯棒。

本发明的发明人想通过如下的手段来降低冷拉拔加工后的金属管的外表面的残余拉应力：采用一种芯棒，如图1所示，该芯棒具有；第1圆柱部20，其具有外径D1；第2圆柱部40，其具有比外径D1大的外径D2；以及形成在第1圆柱部20和第2圆柱部40之间的锥形部30，在冷拉拔加工的过程中，用锥形部30对原管进行扩管。

本发明的发明人对采用图1所示的形状的芯棒来降低残余拉应力的原理做下述推定：当用锥形部30对原管进行扩管时，芯棒拔出后的金属管的弹性回复所引起的周向压缩应变，金属管的内表面侧比外表面侧大。因此，在金属管的外表面侧作用有压缩方向的应力。其结果，金属管的外表面的周向残余拉应力降低。

当由于该原理使残余拉应力降低时，本发明的发明人认为，不仅是扩管率，锥形部30的轴向长度L也与残余拉应力的降低有关。这是因为，即使扩管率相同，如果轴向长度L不同的话，锥形部30所引起的原管的变形方式也不同。因此，推定出降低残余拉应力的压缩方向的应力大小也不同。

根据上述推定，本发明的发明人采用有限元法，对采用式(A)所定义的扩管率ρ(％)和L/D2不同的多个芯棒进行的冷拉拔加工进行仿真。然后求出冷拉拔加工后的金属管外表面的残余拉应力。

ρ＝(D2-D1)/D1×100(A)

研究结果表示在图2中。图中的横轴表示扩管率ρ(％)，纵轴表示L/D2。图中的各标记的图形表示仿真所使用的芯棒的锥形半角θ的值。各图形所对应的锥形半角θ的值如图2中的图例所示。图中各标记的旁边所示的数值表示冷拉拔后的金属管的外表面圆周方向的残余拉应力σ对于冷拉拔前的原管的屈服应力YS的比(＝σ/YS)。

参考图2，本发明的发明人发现，当扩管率ρ和L/D2在图2中的区域AR内时，换而言之，当外径D1、D2和轴向长度L满足下式(1)-(4)时，σ/YS降低至不到0.5，残余拉应力有效地降低。

0.25≤ρ≤2.00       (1)

0.06≤L/D2≤0.8      (2)

L/D2≤0.3×ρ+0.575  (3)

L/D2≥0.1×ρ        (4)

根据上述发现，本发明的发明人完成了下述发明。

本发明的芯棒用于金属管的冷拉拔加工。本发明的芯棒具有第1圆柱部、第2圆柱部以及锥形部。第1圆柱部具有外径D1。第2圆柱部形成为与第1圆柱部同轴。第2圆柱部具有比外径D1大的外径D2。锥形部形成在第1圆柱部和第2圆柱部之间。锥形部具有外径从第1圆柱部向第2圆柱部渐渐增大的锥形表面和轴向长度L。外径D1和D2、轴向长度L满足下式(1)-(4)。

0.25≤ρ≤2.00       (1)

0.06≤L/D2≤0.8      (2)

L/D2≤0.3×ρ+0.575  (3)

L/D2≥0.1×ρ        (4)

其中，ρ＝(D2-D1)/D1×100。

较佳的是，锥形表面中，与第1圆柱部的端缘结合的结合部分平滑地弯曲成凹状。

这时，在冷拉拔加工中，能够抑制向第1圆柱部与锥形部结合的结合部分施加过剩的载荷时的芯棒的损坏。

本发明的金属管的制造方法，包括：将原管的一端插入拉模的工序；从第2圆柱部向着拉拔方向将上述冷拉拔加工用芯棒插入原管的工序；以及将冷拉拔加工用芯棒保持于规定位置并在常温下对原管进行拉拔的工序。

此时，能降低制成的金属管的外表面周向的残余拉应力。

附图说明

图1是本发明的实施形态的冷加工用芯棒的侧视图。

图2是表示采用图1所示的冷加工用芯棒对金属管进行冷拉拔加工时的扩管率、芯棒的锥形部的长度、以及冷拉拔后的残余拉应力之间的关系的图。

图3是表示形状与图1不同的本实施形态的冷加工用芯棒的侧视图。

图4是表示形状与图1和图3不同的本实施形态的冷加工用芯棒的侧视图。

图5是表示本实施形态的金属管的制造工序的第1工序的图。

图6是表示本实施形态的金属管的制造工序的第2工序的图。

图7是表示本实施形态的金属管的制造工序的第3工序的图。

具体实施方式

下面，参考附图，详细说明本发明的实施形态。在图中对于相同或相当的部分使用同一符号，并且不重复说明。

[冷拉拔加工用芯棒]

本发明的实施形态的冷拉拔加工用芯棒(以下仅称为芯棒)用于金属管的冷拉拔加工。以下，将冷拉拔加工前和冷拉拔加工中的被加工件称为“原管”，将冷拉拔加工后的被加工件称为“金属管”。

参考图1，芯棒1具有第1圆柱部20、锥形部30、第2圆柱部40以及退让部50。它们连续形成为同轴。

第1圆柱部20具有外径D1(mm)。第1圆柱部20的顶端用公知方法(例如螺纹结合)与杆10的端部结合。在冷拉拔加工中，杆10支撑芯棒1，将芯棒1保持于规定位置。在冷拉拔加工时，第1圆柱部20与由未图示的拉模缩径的原管的内表面接触，将原管的内径做成一定。

锥形部30形成在第1圆柱部20和第2圆柱部40之间。锥形部30具有锥形表面31。锥形表面31形成于第1圆柱部20的后端缘21和第2圆柱部的前端缘41之间。锥形表面31呈圆锥台状，具有从第1圆柱部20向第2圆柱部40渐渐增大的外径。锥形部30具有轴向长度L(mm)。

锥形部30对由拉模缩径的原管进行扩管。由此，能够降低冷拉拔加工后的金属管外表面的残余拉应力。

第2圆柱部40形成为与第1圆柱部20同轴。第2圆柱部40具有比外径D1大的外径D2(mm)。第2圆柱部40与由锥形部30扩管后的原管的内表面接触，将冷拉拔加工后的金属管的内径做成一定。

退让部50形成在第2圆柱部的后端。退让部50具有倒锥形表面51。倒锥形表面51呈圆锥台状，其外径向芯棒1的后端渐渐变小。当原管通过芯棒1时，退让部50抑制由芯管1的后端在原管的内表面产生瑕疵。另外，芯棒1也可以没有退让部50。

芯棒1还满足下式(1)-(4)。

0.25≤ρ≤2.00        (1)

0.06≤L/D2≤0.8       (2)

L/D2≤0.3×ρ+0.575   (3)

L/D2≥0.1×ρ         (4)

这里，扩管率ρ(％)由式(A)确定。

ρ＝(D2-D1)/D1×100(A)

芯棒1满足式(1)-(4)，因而能够有效降低残余拉应力。更具体地说，能够使金属管的残余拉应力σ对于原管的屈服应力YS(MPa)的比(＝σ/YS)不到0.5。下面，对于式(1)-式(4)进行详细叙述。

[关于式(1)]

式(1)对扩管率ρ的范围进行限定。换而言之，扩管率ρ表示第1圆柱部20和第2圆柱部40之间的台阶差h的大小。如果扩管率ρ小的话，台阶差h就小。因此，对原管进行扩管时，锥形部30施加给原管的应变就小。如果锥形部30所施加的应变小的话，在金属管的外表面侧作用在压缩方向的应力也变小。因此，冷拉拔加工后的金属管的外表面的残余拉应力难于降低。

另一方面，当扩管率ρ大时，台阶差h变大。如果台阶差h大的话，锥形部30施加给原管的应变也大。因此，易于降低残余拉应力。然而，如果台阶差h过大的话，则冷拉拔时施加给芯棒1的载荷变大而过剩。

如果使扩管率ρ满足式(1)，则既能防止向芯棒1施加过剩的载荷又能有效降低金属管的残余拉应力。扩管率的下限值最好是0.30％，扩管率的上限值最好是1.00％。

[关于式(2)]

式(2)对锥形部30的轴向长度L对于第2圆柱部40的外径D2的比(＝L/D2)的范围进行限定。当L/D2过小时，具体地说，当L/D2小于0.06时，残余拉应力难于降低。虽然其原因还不确定，但可以推定出如下的原因。如果L/D2小的话，则相对于外径D2，轴向长度L较短。这时，锥形部30仅使原管的内表面表层部分局部变形。这种局部变形不会给原管外表面带来影响。因此，可以推定，即使用锥形部30进行扩管，在冷拉拔加工后的金属管上，也难于产生降低残余拉应力的压缩方向上的应力。

另一方面，当L/D2过大时，具体地说，当L/D2超过0.8时残余拉应力也难于降低。L/D2大的话，则相对于外径D2，轴向长度L较长。轴向长度L越长，锥形部30越使原管整体均匀变形。也就是说，原管的内表面侧和外表面侧都均匀地变形。如果原管外表面侧和内表面侧在变形程度上没有产生差异的话，可以推定，难于在金属管的外表面侧产生作用在压缩方向的应力，其结果残余拉应力难于降低。

如果使L/D2满足式(2)，则能够降低残余拉应力。当L/D2满足式(2)时，从原管内表面向外表面变形至某种程度的深度，并且原管外表面附近部分几乎不变形。因此，原管的内表面侧和外表面侧在变形程度上产生差异。可以推定，这种变形差在金属管的外表面侧产生压缩方向的应力，使残余拉应力降低。L/D2的下限值最好是0.1，L/D2的上限值最好是0.3。

[关于式(3)和式(4)]

式(3)和式(4)对扩管率ρ和L/D2的关系进行限定。

当由于扩管率ρ小且L/D2大而不满足式(3)时，锥形部30的锥形半角θ较小且轴向长度L较长。这时，原管的内表面侧和外表面侧均匀地变形，没有产生变形差。因此，难于在冷拉拔加工后的金属管的外表面产生压缩方向的应力，残余拉应力难于降低。如果满足式(3)的话，则由于在原管的内表面侧和外表面侧产生变形差，产生压缩方向的应力，因此能够有效降低残余拉应力。

另一方面，当扩管率ρ大且L/D2小而不满足式(4)时，锥形部30的锥形半角θ较大且轴向长度L较短。这时，原管仅在内表面表层部分局部变形。因此，变形所带来的影响没有波及到原管外表面，残余拉应力难于降低。此外，在冷拉拔时向锥形部30施加有过剩的载荷。如果满足式(4)的话，则会在原管的内表面侧和外表面侧产生变形差。因此，冷拉拔加工后的金属管外表面的残余拉应力降低。而且，能够抑制向锥形部30施加过剩的载荷。

芯棒1由公知的材质构成。芯棒1的材质例如为超硬合金、工具钢。此外，也可以在表面形成有硬质的涂膜。而且，芯棒1既可以是实心的，也可以是中空的。

在图1中，将锥形表面31做成圆锥台状，但如图3所示，锥形表面31的纵剖面形状也可以是曲线。总之，只要锥形表面31具有从第1圆柱部20向第2圆柱部40渐渐增大的外径，其纵剖面形状既可以是直线也可以是曲线。

最好如图4所示，锥形表面31中的与第1圆柱部20结合的结合部分32平滑地弯曲成凹状。如图4所示，结合部分32既可以具有单一的转角R，也可以具有多个曲率。如果结合部分32平滑地弯曲的话，能够抑制当向第1圆柱部20与锥形部30结合的结合部施加过剩的载荷时使芯棒损坏的情况。

[金属管的制造方法]

使用了上述芯棒1的金属管的制造方法如下。首先，准备原管。原管例如通过热加工制造而成。更具体地说，原管既可以通过穿孔轧制制造而成，也可以通过热挤压或热锻造制造而成。此外，准备上述芯棒1和图5所示的拉模70。拉模70是公知的拉模，具有入口部72、支撑部71、退让部73。入口部72的内径向着拉拔方向渐渐变小。支撑部71的内径为一定。退让部73的内径向着拉拔方向渐渐增大。

对于准备好的原管实施冷拉拔加工。首先，对原管的顶端部进行缩颈加工。接着，如图5所示，将原管60的顶端部61插入固定于拉拔机的拉模70中。插入后，用拉拔机的卡盘(未图示)夹住顶端部61，从而对原管60进行固定。

接下来，将芯棒1安装于芯棒支撑用杆10的顶端。然后，如图6所示，将芯棒1插入原管60内。此时，从第2圆柱部40侧向拉拔方向将芯棒1插入原管60内。

接下来，沿拉拔方向拉由卡盘固定的原管60。此时，沿拉拔方向推进芯棒1，如图7所示，锥形部30保持在拉模70的支撑部71的出口侧的位置。保持好芯棒1后，拉拔原管60做成金属管。采用上述工序制造而成的金属管，如上所述，与由以往的冷拉拔加工制造而成的金属管相比，能够降低外表面的残余拉应力。

另外，冷拉拔中的芯棒1的保持位置不限于图7的位置。例如，即使锥形部30包含在拉模70的支撑部71内，也能有效地获得本发明的效果。但是，最好如图7所示，芯棒1的锥形部30位于拉模70的支撑部71的出口侧。可以推定，这是因为，与正在通过锥形部30的原管60的外表面受拉模70的支撑部71约束时相比，不受拉模70约束时正在被扩管的原管60的内表面侧与外表面侧的变形差大。

实施例1

采用有限元法对芯棒形状与冷拉拔加工后的金属管的残余拉应力的关系进行研究。具体地说，基于二元轴对称弹塑性分析进行仿真，计算出冷拉拔加工后的金属管的外表面的周向残余拉应力σ。

将作为被加工件的原管的外径设为55mm、壁厚设为11.5mm。而且，将冷拉拔加工前的原管的屈服应力YS设为284MPa。冷拉拔加工所使用的拉模的形状与图5所述的拉模70相同，将拉模的孔径Dd设为45.1mm，将入口角2α设为25°。

此外，用于仿真的多个芯棒的形状与图1所示的芯棒1相同，各芯棒的尺寸形状(外径D1、D2、台阶差h、锥形半角θ、轴向长度L)如表1所示。

[表1]

采用表1中的各试验序号的芯棒对冷拉拔加工进行仿真，计算出冷拉拔加工后的金属管的外表面的周向残余拉应力σ。然后，利用原管的屈服应力YS(＝284MPa)求出σ/YS。

仿真结果表示在表1中。参考表1，2-5、7-9、12以及13号试验，芯棒形状都满足式(1)-式(4)。因此，冷拉拔加工后的残余拉应力较小，σ/YS不到0.5。

另一方面，1号试验，芯棒形状不满足式(3)。因此，σ/YS为0.5以上。6号试验，L/D2超过0.8，不满足式(2)。因此，σ/YS为0.5以上。10号试验，扩管率ρ不到0.25，不满足式(1)。而且，L/D不到0.06，不满足式(2)。因此，σ/YS为0.5以上。11号试验，L/D2不到0.06，不满足式(2)。因此，σ/YS为0.5以上。14和15号试验，芯棒形状不满足式(2)和式(4)，因此σ/YS为0.5以上。16号试验，芯棒形状不满足式(4)，因此σ/YS为0.5以上。

实施例2

以表2所示的21-26号试验的条件实施由真机进行的冷拉拔加工试验。

对于芯棒形状的类型，准备以往的圆筒型芯棒形状的类型和图1所示的本发明的芯棒形状的类型。圆筒型芯棒形状的外径如表2中的D2栏所示。本发明的芯棒形状，如表2中的D2、D1、h、θ、L所示，均满足式(1)-式(4)。在各号试验中，使用具有表2所示的拉模孔径Dd和入口角2α的锥形拉模。

采用上述拉模和芯棒，对原管进行冷拉拔，做成金属管。冷拉拔后的金属管的外径和壁厚如表2所示。冷拉拔后，通过X射线测定金属管外表面的圆周方向残余拉应力σ(MPa)。

测定结果表示在表2中。对采用圆筒型芯棒和本发明的芯棒来制造相同尺寸形状(外径和壁厚)的金属管时的残余拉应力进行比较的话，采用本发明的芯棒所制成的金属管的残余拉应力σ比采用圆筒型芯棒所制成的金属管的残余拉应力σ小。具体地说，22号试验比21号试验的残余拉应力σ小。同样，24号试验比23号试验的残余拉应力小，26号试验比25号试验的残余拉应力小。

上面对本发明的实施形态进行了说明，但上述实施形态只是用于实施本发明的示例而已。因此，本发明不限于上述实施形态，在不脱离其宗旨的范围内，可对上述实施形态进行适当变形而实施。

Claims (4)

1.一种冷拉拔加工用芯棒，用于金属管的冷拉拔加工，其特征在于，具有：

第1圆柱部，其具有外径D1；

第2圆柱部，其形成为与所述第1圆柱部同轴，并具有比外径D1大的外径D2；以及

锥形部，其形成在所述第1圆柱部和所述第2圆柱部之间，具有外径从所述第1圆柱部向所述第2圆柱部渐渐增大的锥形表面和轴向长度L，

所述外径D1和D2、所述轴向长度L满足下式(1)-(4)：

0.25≤ρ≤2.00       (1)

0.06≤L/D2≤0.8      (2)

L/D2≤0.3×ρ+0.575  (3)

L/D2≥0.1×ρ        (4)

其中，ρ＝(D2-D1)/D1×100。

2.如权利要求1所述的冷拉拔加工用芯棒，其特征在于，所述锥形表面中，与所述第1圆柱部的端缘结合的结合部分平滑地弯曲成凹状。

3.一种金属管的制造方法，其特征在于，包括：

准备冷拉拔加工用芯棒和拉模的工序，该冷拉拔加工用芯棒具有：第1圆柱部，其具有外径D1；第2圆柱部，其形成为与所述第1圆柱部同轴，并具有比外径D1大的外径D2；以及锥形部，其形成在所述第1圆柱部和所述第2圆柱部之间，并具有外径从所述第1圆柱部向所述第2圆柱部渐渐增大的锥形表面和轴向长度L，所述外径D1和D2、所述轴向长度L满足下式(1)-(4)；

将原管的一端插入所述拉模的工序；

从所述第2圆柱部向着拉拔方向将所述冷拉拔加工用芯棒插入所述原管的工序；以及

将所述冷拉拔加工用芯棒保持在规定位置并拉拔所述原管的工序，

0.25≤ρ≤2.00       (1)

0.06≤L/D2≤0.8      (2)

L/D2≤0.3×ρ+0.575  (3)

L/D2≥0.1×ρ        (4)

其中，ρ＝(D2-D1)/D1×100。

4.如权利要求3所述的金属管的制造方法，其特征在于，所述冷拉拔加工用芯棒的所述锥形表面中，与所述第1圆柱部的端缘结合的结合部分平滑地弯曲成凹状。

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