CN102284547B - 多道次滚动拉拔加工矩形铝合金波导管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多道次滚动拉拔加工矩形截面管材的方法，该方法吸取了两种常规变形工艺即轧制和拉拔的优点而形成的一种新型塑性成形工艺。它利用带孔型的多组滚轮轧制金属，低成本的制造具有高精度形状和尺寸及良好内部质量的铝合金波导管。本发明采用柔性滚轮组替代了传统模具，来成型矩形铝合金波导管，并引入流函数法对滚轮所组成的三维型腔进行光顺化处理，以降低坯料变形过程中的接触摩擦力，并提高了坯料变形过程的稳定性。利用此种新型加工方法，金属变形较固定模拉拔变形量大，拉拔力小，且可减少工序，降低了能耗，并且易于加工难变形的金属。

Description

多道次滚动拉拔加工矩形铝合金波导管的方法

技术领域

　　本发明涉及加工矩形截面铝合金波导管的工艺方法，具体涉及一种新型多道次滚动拉拔加工矩形铝合金波导管的方法。属于机械加工技术领域。

背景技术

 矩形截面铝合金波导管是一种位于信号收发单元之间的波导物质边界装置，是雷达、遥测、遥控和远距离通讯等领域用于收集或反射波导束的重要器件。当今的雷达技术正在向更高的频段发展，应用毫米波技术研制高灵敏度雷达可以实现超低空探测和跟踪目标，使其具有分辨力高，抗干扰能力强，系统体积小，重量轻等一系列优点。而矩形波导管是其关键零部件，因此矩形波导管的精密制造工艺成为研究的难点与热点。在各种规格的矩形波导管中，多道次拉拔变形强化技术已经被广泛采用，但普遍遇到的问题是壁厚不均，偏心，表面橘皮，划伤，粗糙等，其质量问题尤其是表面粗糙问题长期困扰该领域。

 国内外常见的成型工艺有三种：一是多道次冷拉拔后化学抛光，光亮退火，电解研磨等，如研究高精度波导管已有近100年历史的美国生产半导体设备所用的高清洁不锈钢管的方法：管坯经冷拔后进行光亮退火，再电解研磨。但这种方法明显具有环境污染、增加成本、降低效率等弊端。二是开发效果更佳的润滑剂或磷化技术，改进润滑方式。管坯与模具表面的接触属于高压应力状态，此时很容易因润滑剂逃逸而形成“混合摩擦区”和干摩擦区“因此减少摩擦力可以减少模具磨损，提高制品表面质量。现阶段国内大部分厂家采用磷化-皂化的处理方法，多孔状态的磷化膜吸附皂化液，干燥后进行拉拔。但这种近固态的润滑膜在高压应力下很快逃逸而形成局部干摩擦区，又因为高速拉拔时由于变形及摩擦生热而造成局部高温，最终导致拉拔成形后的管材表面有划痕及局部烧伤。三是从成形方式、变形规划及模具等方面入手来实现多道次拉制的平滑性能，上世纪90年底，日本住友金属公司采用带台阶的芯头的拔制法，研制出内表面粗糙度Rmax<1μm的半导体用高情节性BAⅡ不锈钢管，该方法取代了光亮退火及电解研磨法，制造成本随之降低很多，但可见技术资料几乎没有。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统加工工艺中的缺陷，提出一种新型塑性成形工艺—滚式拉拔工艺，加工高质量要求的矩形铝合金波导管。

本发明采用的技术方案为：多道次滚动拉拔加工矩形铝合金波导管的方法，其特征在于，将圆形铝合金波导管通过三道次滚式拉拔型孔变形为矩形波导管，管坯在拉拔过程中形状缓慢变化，逐渐变形为矩形管材；其中，第一道次型孔由一组双滚轮构成，将圆管坯滚拔过渡为椭圆形；第二道次型孔为由带流线型的滚动模组成近似矩形，为利用带流线型的滚动模将椭圆形管滚拔过渡为近似矩形；第三道次型孔为由圆柱形滚轮构成的矩形孔，该矩形孔中设有同轴的矩形固定芯头与所述圆柱形滚轮配合拉拔将近似矩形管滚拔为矩形。进一步，所述滚轮为柔性滚轮，例如橡胶、聚酯等；各道次型孔包括1～10组滚轮，根据所成型管材的截面形状不同对滚轮的位置进行调节。

进一步，所述第二道次是由带矩形孔型的多组滚轮，通过改变辊子上的孔型形状和调整辊子之间的距离，获得不同截面形状的管材；其中，在同一个管坯轴截面上分布4个滚轮为一组，构成了一个模孔工作表面，多组滚轮形成的孔型尺寸各不相同，这多个不连续的模孔之间形成了一条流线，用以完成拉拔过程中从管坯的引入、定位到压缩变形直至精轧定形的全过程；铝合金波导管通过由传动的多组滚轮形成的孔型进行拉伸，使管坯在拉拔过程中形状变化缓慢进行，逐渐形成近似矩形。

在第二道次的滚拔过程中引入流函数以设计滚轮排布的流线，最终确定滚轮组的几何型面形状；

　　流线方程设计为：设管的中心轴线方向为y方向，在近似矩形截面内垂直于长边的方向为z方向，另一个方向为x方向；

①长边中点的曲面流线方程为：

                                                          

         （1）

②短边中点的曲面流线方程为：

      

       （2）。

　　相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明通过由传动的多组滚轮形成的孔型进行拉伸，使管坯在拉拔过程中形状变化缓慢进行，逐渐形成矩形，减弱了不均匀变形的各种弊端，工序集中，效率高。吸取现有常规变形工艺即轧制和拉拔的优点而形成的一种新型塑性成形工艺，将一系列带有特定型面的滚轮组成光顺滑的型面来替代传统的模具型腔，实现处处滚动接触，从而拉制出质量较好，表面光滑的矩形铝合金波导管；它利用带孔型的多组辊轧制金属，低成本的制造具有高精度形状和尺寸及良好内部质量的铝合金波导管。

本发明提出基于“变形量的多道次均匀化、协调、安全分配，降低拉拔过程中的摩擦副作用，累积缺陷的矫正”的全面超平滑调控技术。所述变形量多道次均匀化，即三个工步中，每步的变形量大致相等，从而使变形均匀，更容易得到较好的成品。

本发明采用柔性滚轮组替代了传统模具，来成型矩形铝合金波导管，并引入流函数法对滚轮所组成的三维型腔进行光顺化处理，以降低坯料变形过程中的接触摩擦力，并提高了坯料变形过程的稳定性。利用此种新型加工方法，金属变形较固定模拉拔变形量大，拉拔力小，减少工序，降低了能耗，并且易与加工难变形的金属。同时使传统滑动摩擦形式改进为滚动摩擦形式，有效防止润滑剂逃逸而形成干摩擦区，从而避免波导管成形过程中的划伤、龟裂等缺陷。

附图说明

图1是一实施例的管坯截面形状。

图2是一实施例的椭圆形管坯截面形状。

图3是近似矩形管坯截面形状。

图4是矩形管坯截面形状。

图5是各个道次拉拔管坯的外轮廓变化图。

图6是滚轮组三维模型。

图7是滚轮截面形状图。

图8 是管坯长短边中点的曲面流线。

图9是管坯长边中点流线。

图10是管坯短边中点流线。

图11是滚轮组的三维模型。

图12是滚轮的三维模型。                      

图13 是滚轮截面尺寸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

一种多道次滚动拉拔加工矩形铝合金波导管的方法，采用三道次滚式拉拔方法生产矩形波导管，圆形铝合金波导管通过由转动的多组滚轮形成的孔型进行拉伸，使管坯在拉拔过程中形状变化缓慢进行，逐渐形成矩形；其中，第一道次型孔将圆管坯滚拔过渡为椭圆形；第二道次型孔为近似矩形，利用带流线型的滚动模将椭圆形管滚拔过渡为近似矩形，第三道次型孔为矩形，带长芯杆（固定芯头）的滚拔使近似矩形管定型为矩形管。即从圆管坯变形到最后的矩形管分三个工步进行，第一个工步是在双滚轮下（图11）将圆管加工成椭圆管。第二个工步是将上步所加工好的椭圆管在滚轮组（图12）作用下成型为近似矩形管。第三个工步是将近似椭圆管在一组滚轮下（图13）加工成成品。

本发明中滚轮的滚动是被动旋转的，即铝合金波导管头部被夹持装置夹持和拉伸，整个管坯被带动通过多组滚轮形成的孔型，管坯在拉拔过程中形状变化缓慢进行，逐渐形成近似矩形。

本发明在普通滚式拉拔的基础上，对滚轮组做了改进，将一组滚变成并排的多组滚，设计出了滚轮组的排布方案（如图11所示）。在这种新型的加工方法中，通过改变辊子上的孔型形状和调整辊子之间的距离，可以获得不同截面形状的管材。利用新型的滚式拉拔加工方法来成型矩形铝合金波导管，并且在第二道次的滚拔过程中引入流函数以设计滚轮排布的流线，最终确定滚轮组的几何型面形状。具体实施例如下：

①由柱形铝锭热挤压（450℃）出圆管Φ93.5/Φ89.2×2.15mm，管坯截面形状如图1；

②第一道次滚式拉拔（使用1组滚轮）过渡为椭圆形，形成的椭圆形管坯的长半轴长为55mm，短半轴长为38mm，壁厚仍为2.15mm；管坯截面形状如图2；

③第二道次滚式拉拔（使用5组滚轮）过渡为近似矩形，近似矩形管坯截面的基本尺寸为长×宽=93.64×50.44mm，壁厚仍为2.15mm；管坯截面形状如图3；

④带芯头的滚式拉拔（使用1组滚轮）定型形成矩形管，管材基本尺寸为90.42×47.24mm，4个内角R0.5、4个外角R1.0，壁厚稍有减薄，最终为2.03mm，芯头基本尺寸为86.36×43.18mm，圆角4- R0.5。矩形管截面形状如图4。

　　各个道次拉拔管坯的外轮廓变化如图5所示，其中，1为圆管坯外径，2为全椭圆滚式拉拔后管坯外径，3为近似矩形滚式拉拔后管坯外径，4为成品带芯头滚式拉拔后管料外径。

在本发明滚式拉拔加工方法中，分三道次来加工矩形铝合金波导管，具体过程为：

1.    全椭圆滚动拉拔：

在第一拉拔道次中，圆管坯经过一次滚式拉拔由圆形（图1）过渡为椭圆形（图2），管料模型的前端就是由椭圆到圆的一个扫掠，曲面自然地从圆形过渡为椭圆形，这一段相当于用压机砸夹头后将夹头穿过滚动模的模孔这一管坯引入阶段的模型简化，管料的后半段就是纯粹的圆管，管坯上下、左右对称，滚轮组设计形式如图6、7所示。

2.   近似矩形滚动拉拔：

这一道次中管坯截面形状从椭圆（图2）过渡为近似矩形（图3），在这一道次的变形中引入流变函数，使管坯由椭圆形过渡为近似矩形。由于变形量比较大，因而引入了滚轮组这一设计思想，使管坯形状改变逐渐进行。其中每一组滚轮构成一个模孔，在滚轮组型面形状设计时引用流函数，这即在这多个模孔之间形成了一种流线。在管坯建模的形状过渡段设计了两条流线——管坯的长边中点曲面流线和短边中点曲面流线，因为滚轮组的外轮廓中点和管坯长、短边是紧密接触的，所以这两条流线也是滚轮组几何型面形状的流线，如图8所示。

　　流线方程设计为：（设管的轴线方向为y方向，在近似矩形截面内垂直于长边的方向为z方向，另一个方向为x方向）。

①长边中点的曲面流线方程为：

       

            （1）

②短边中点的曲面流线方程为：

      

       （2）

根据上述的曲面流线方程来设计滚轮组，这一滚拔道次中设计了5个滚轮组，每个轧辊的外轮廓都是一条圆弧，轧辊外轮廓的圆弧中点和管坯是紧密接触的，它的坐标也正是由管坯长、短边中点的曲面流线方程（公式（1）和公式（2））得到的，它们的坐标值已列于表1和表2中。图9和图10分别显示了管坯长边中点和短边中点的曲面流线坐标，曲线上的点即为轧辊的外轮廓中点坐标，代表了轧辊沿管坯轴线方向的位置分布。滚轮组的设计形式如图11所示。                                   

表1. 长边处轧辊的位置分布

 

表2. 短边处轧辊的位置分布

 

3、带芯头的滚式拉拔：

第三道次中滚轮形状为圆柱形，它的外轮廓和管料前端的矩形部分紧密接触，滚轮的位置与成品管的外形相同；还设有与待加工矩形管形状一致的固定芯头与所述圆柱形滚轮配合拉拔将近似矩形管滚拔为矩形。本道次是最后一个拉拔道次采用的是带固定芯头的滚式拉拔，这一道次中管坯截面形状从近似矩形（图3）过渡为矩形（图4）。前两个道次中都采用空拉，管坯的壁厚没有发生变化，因此最后一个工序要实现减壁，管坯壁厚由2.15mm变为2.03mm。这一工序中增加一个固定长芯头，可以增加矩形波导管内表面光洁度，管材内表面质量比空拉的要好，同时在这一工序中有一定的减壁量（0.12mm）可以使管坯实现形变强化和精整的目的，这一拉拔道次中滚轮形状为圆柱形，它的外轮廓和管料前端的矩形部分紧密接触，滚轮的位置也是根据成品管的外形（图4）设计的，滚轮组设计方案如图12、13所示。

本发明采用柔性滚轮组替代了传统模具，来成型矩形铝合金波导管，并引入流函数法对滚轮所组成的三维型腔进行光顺化处理，以降低坯料变形过程中的接触摩擦力，并提高了坯料变形过程的稳定性。利用此种新型加工方法，金属变形较固定模拉拔变形量大，拉拔力小，且可省去润滑，减少工序，降低了能耗，并且易于加工难变形的金属。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明。对于本发明所属领域的技术人员来说，还可以再做出适当推演、等同变换、改进等，但在不脱离本发明构造思路的前提下，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.多道次滚动拉拔加工矩形铝合金波导管的方法，其特征在于，将圆形铝合金波导管通过三道次滚式拉拔型孔变形为矩形波导管，管坯在拉拔过程中形状缓慢变化，逐渐变形为矩形管材；其中，第一道次型孔由一组双滚轮构成，将圆管坯滚拔过渡为椭圆形；第二道次型孔为由带流线型的滚动模组成近似矩形，利用带流线型的滚动模将椭圆形管滚拔过渡为近似矩形；第三道次型孔为由圆柱形滚轮构成的矩形孔，该矩形孔中设有同轴的矩形固定芯头与所述圆柱形滚轮配合拉拔将近似矩形管滚拔为矩形；

其中，第一道次型孔为一组2个滚轮构成；第二道次型孔由五组滚轮，一组4个，共20个滚轮构成近似矩形孔；第三道次由一组4个圆柱形滚轮构成矩形孔；

第二道次型孔引入流函数以设计滚轮排布的流线，最终确定滚轮组的几何型面形状；

流线方程设计为：设管的中心轴线方向为y方向，在近似矩形截面内垂直于长边的方向为z方向，另一个方向为x方向；

① 长边中点的曲面流线方程为：

                                                                  （1）

② 短边中点的曲面流线方程为：

 

           （2）。

2.根据权利要求1所述多道次滚动拉拔加工矩形铝合金波导管的方法，其特征在于，所述滚轮为柔性滚轮。

3.根据权利要求1或2所述多道次滚动拉拔加工矩形铝合金波导管的方法，其特征在于，所述第二道次型孔包括5组滚轮，通过改变辊子上的孔型形状和调整辊子之间的距离，获得不同截面形状的管材；其中，在同一个管坯轴截面上分布4个滚轮为一组，构成了一个模孔工作表面，多组滚轮形成的孔型尺寸各不相同，这多个不连续的模孔之间形成了一条流线，用以完成拉拔过程中从管坯的引入、定位到压缩变形直至精轧定形的全过程；铝合金波导管头部被夹持装置夹持和拉伸，整个管坯被带动通过多组滚轮形成的孔型，管坯在拉拔过程中形状变化缓慢进行，逐渐形成近似矩形。

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