CN102489607B - 一种薄壁金属圆筒体的生产模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制造打印机、复印机用薄壁金属圆筒体的生产模具，其包括模具架，所述模具架设有冲头和多级冲模，每级冲模内设有加热元件和第一温度传感器，所述冲头内设有冷却装置和第二温度传感器，所述冲头还设有筒体固定装置，与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用以上技术方案，在加工过程中，对冲头进行冷却，对冲模进行加热，利用差温加工，有效抑制了马氏体相变的产生，生产的薄壁金属圆筒体直径偏差小，提高了薄壁金属圆筒体的可塑性，而且薄壁金属圆筒体的表面光滑，原材料利用率高，生产效率高，进而降低了生产成本。

Description

一种薄壁金属圆筒体的生产模具

技术领域

本发明涉及一种生产模具，具体的说，涉及一种用于制造打印机、复印机用薄壁金属圆筒体的生产模具。

背景技术

目前打印机、复印机用超薄圆筒不锈钢管膜是通过薄板素材深拉捋加工而成，其厚度要求在0.1mm以下。

传统的加工方法有两种，其一是：先通过初级拉伸成型出杯状素材，然后作退火处理，再经多次捋加工才能逐步造出薄片圆筒状管膜，这种捋加工成型只可生产出最小厚度约0.1mm厚的薄片圆筒状管膜，若采用这种加工方法加工成厚度为0.1mm以下的薄片圆筒状管膜，该筒状管膜会产生直径大小偏差20μm左右，相对于厚0.1mm以下的薄片圆筒状管膜的大小，变动比例较大，不能作为精度要求高的部材生产方法，并且因为直径大小变动为20μm的话是非常大的，捋加工时在直径大小变动大的部分上发生应力集中，在其部分上产生切断或裂开。直径大小变动发生原因是由捋加工时的不均匀性引起的，捋加工时圆筒的周方向上发生的面内各向异性引起的变形不均匀，面内各向异性在加工过程中，在不锈钢内部形成加工集合组织，引起在45度螺距上发生加工量不均匀的现象，变形相对量大的方位上，相对地厚度变薄。并且，变形的不均匀也会影响到圆度。特别是制造厚0.05mm以下的超薄圆筒不锈钢管膜，因为是超过35％加工率的强加工，材料的强度引起与模具的摩擦力的一方变大，圆筒底部发生破断。

其二是：与上述方法相比在捋加工时采用多级捋加工成型，但这种方法由于是在常温下进行，奥氏体不锈钢板材经初级拉伸，再经多级捋加工才生产出所需成形品，这过程会产生比较严重的马氏体相变(即加工硬化)，而马氏体具有高硬度、可塑性差的特点，导致不锈钢的加工率大大降低，加工过程也容易造成拉裂。另外，这种方法还要求在初级拉伸制成杯状素材坯料后要经4道工序(退火1工序，再拉伸3工序)才能制成最终的成形品。

其三是：现有方法首先制备出带帽缘的筒体，进行拉伸，拉伸后将管件两端切除，再保留中部管体，即得到超薄圆筒不锈钢薄膜管，此种方法会浪费很多原料，原料得不到充分利用。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种薄壁金属圆筒体的生产模具，有效抑制了马氏体相变，制造的薄壁金属圆筒体直径偏差小，表面光滑，而且原材料利用率高，进而降低了生产成本。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种薄壁金属圆筒体的生产模具，包括模具架，所述模具架设有冲头和多级冲模，每级冲模内设有加热元件和第一温度传感器，所述冲头内设有冷却装置和第二温度传感器，所述冲头还设有筒体固定装置。

进一步，所述筒体固定装置为真空吸盘，所述真空吸盘连接真空泵。

进一步，所述每级冲模上设有切削刀，所述第一温度传感器靠近所述切削刀。

进一步，所述第二温度传感器设于所述冲头表面。

进一步，所述冷却装置为冷却循环装置，所述冷却循环装置的循环管路紧靠所述冲头表面。

进一步，还包括冲头行程监测和控制装置。

进一步，还包括筒体厚度测量装置和筒体表面光滑度测量装置。

进一步，所述冲模的冲模的入模角度为6度～8度。

进一步，所述冲头冷却温度控制在-5℃～15℃，对各级冲模的加热温度控制在80℃～180℃。

进一步，所述冲头压进冲模的加工速度为50～900mm/秒。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用以上技术方案，在加工过程中，对冲头进行冷却，对冲模进行加热，利用差温加工，有效抑制了马氏体相变的产生，生产的薄壁金属圆筒体直径偏差小，提高了薄壁金属圆筒体的可塑性，而且薄壁金属圆筒体的表面光滑，原材料利用率高，生产效率高，进而降低了生产成本。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1a是本发明结构示意图；

图1b是本发明冲模部分示意图；

图2是试验材料SUS304的机械性能与温度依赖性的关系图；

图3是温度与0.2％耐力的各向异性的关系图；

图4是初级拉伸成形品壁厚测量位置的示意图；

图5是对应图4所示测量位置的初级拉伸成型品壁厚分布示意图；

图6是对应图4所示测量位置的各样品加工诱起马氏体变量的示意图；

图7A是再拉伸率为60％、初级拉伸率分别为2.6的壁厚分布对照图；

图7B是再拉伸率为60％、初级拉伸率分别为2.0的壁厚分布对照图

图8A是再拉伸率为55％、初级拉伸率分别为2.6的壁厚分布对照图；

图8B是再拉伸率为55％、初级拉伸率分别为2.0的壁厚分布对照图；

图9是初级拉伸成型品作退火处理后的加工诱起马氏体相变量示意图；

图10是材料因再拉伸捋加工诱起的马氏体相变量的示意图；

图11是高温范围内差温拉伸加工温度与应力的关系图。

图中，1——模具架；

2——冲头；

3——冲模；

4——加热元件；

5——冷却装置；

6——切削刀；

7——筒体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1a、2b所示，本发明一种薄壁金属圆筒体的生产模具，包括模具架1，模具架设有冲头2和多级冲模，每级冲模3内设有加热元件4和第一温度传感器，冲头2内设有冷却装置5和第二温度传感器，冲头2还设有筒体固定装置，在本实施例中，筒体固定装置为真空吸盘，真空吸盘连接真空泵。

每级冲模3上均设有切削刀6，第一温度传感器靠近切削刀6，同时第二温度传感器设于冲头2表面，第一温度传感器和第二温度传感器设置位置使其准确测量温度，误差小。

冷却装置5为冷却循环装置，冷却循环装置的循环管路紧靠冲头2表面，使冲头2冷却更加充分，同时，还包括冲头行程监测和控制装置，以便于操作人员控制和检测冲头2行进，还包括筒体7厚度测量装置和筒体7表面光滑度测量装置。

冲模3的入模角度为6度～8度，入模角度过大的话，会对薄壁金属圆筒体7产生过大的剪切力，甚至破断，另一方面，如果入模角度变小，对圆筒体7的冲模3的挤压力变大，有利于防止圆筒体7的破断，但是入模角度过小的话，因为薄壁圆筒体7的冲模3接触面积过大，会发生烘烤现象，并且，垂直在冲床表面的力过大，冲床和圆筒体7难以分离，甚至发生对冲模3的圆周方向的弹性膨胀，厚度控制困难。

冲头2冷却温度控制在-5℃～15℃，对各级冲模3的加热温度控制在80℃～180℃，冷却和加热温度过大或过小，都可能产生比较严重的马氏体相变。

冲头2压进冲模3的加工速度为50～900mm/秒，加工速度过快，供给圆筒表面的润滑剂十足，容易发生烘烤，加工速度不足的话，由于加工时的塑模以及冲床的振动的影响，变形不均匀，圆筒轴方向的厚度变得不均。

下面结合实验数据详细说明本发明。

试验材料

试验材料使用SUS304(标称板厚0.8mm)。试验材料的拉伸测试通过采用与轧制方向互成0度，45度以及90度方向的JISZ2201的13B号试验片，利用精密万能测试机进行测试。测试条件是，初期横梁速度3mm/min，形变5％以下是10mm/min。测试温度为20℃，100℃，150℃。

机械性能与温度依赖性如图2所示。150℃下的拉伸强度，与20℃的相比减少大约40％。0.2％耐力，约减少25％。而且断裂伸长率减少约40％。0.2％耐力的各向异性如图3所示。图3显示，本研究所使用的SUS304，与轧制方向相互成45度方向时的各向异性较弱。

再拉伸捋加工中使用的初级拉伸成型品，冲头2直径

，拉伸比(初期坯料直径/初级拉伸冲头2直径)为2.0，2.4以及2.6三种。初级拉伸的成型条件如表1所示。

表1初级拉伸成型条件

测试方法

再拉伸捋加工测试中，对试制出来的圆柱再拉伸的模具给予评价，调查它的加工诱起的马氏体相变量，以及成型品的板厚和成型品品质。成型性通过无破裂成型的可行再拉伸率进行评价。

测试条件是压边力为10kN，冲模3以及压边的温度为80℃～180℃，冲头2温度为-5℃～15℃。润滑剂为初级拉伸后，对成型品内外面涂布水溶性冲压(press)工作油(日本工作油株式会社裂G-2576W)。测试装置使用油压塑形加工测试机。加工诱起的马氏体相变量，运用肥粒铁分析仪(Ferrite Scope)进行测量。测试结果

初级拉伸成型品(拉伸比2.6)的壁厚测量位置如图4所示，壁厚分布如图5所示。

从图5中可以看到，冲头2头部的板厚减少了，而且因为试验材料的各向异性的性质，所以冲头2肩部以及法兰附近的圆周方向的板厚之差较大。这个问题也同样存在于拉伸比为2.0和2.4的成型品之中。

图中显示作为比较的，在室温(30℃)下成型成型品的结果。差温拉伸的成型品是它的冲头2要进行冷却的。还会降低冲头2肩部的极限板厚，因此冲头2肩部上因加工诱起的马氏体相变量，拉伸比2.6中约8％，拉伸比2.0中约1％被测量出来。但是能够确认的是，与室温成型相比，差温拉伸成型品能够大幅度抑制相变量。如图6，任何一个成型，它们的冲头2肩部的马氏体相变量都增加了，但是侧壁部分大多显示为0。

再拉伸捋加工成型性

再拉伸捋加工测试结果如表2所示，在冲模3压边和冲头温度为30℃的情况下，极限再拉伸率为80％。与此相对的，因为升高了冲模3以及压边温度，所以成型的极限也提高了。而且，当冲模温度为120℃，压边温度为80℃，冲头温度为15℃时，极限再拉伸率提高到60％。再者，当冲模3以及压边温度为180℃，冲头温度为-5℃时，极限再拉伸率变成55％。由此得知，再拉伸捋加工成型性取决于成型温度条件。另外，本测试的条件没有受到初级拉伸比的影响。

表2再拉伸捋加工测试结果

在再拉伸捋加工的过程中，因过度地减少板厚导致冲头2肩部破裂。为了提高容易破裂的冲头2肩部的强度，冲头2肩部的冷却是很重要的。另外，冲模3和压边的温度会影响到材料的流阻。因此，对于提高成型极限，设置较高的冲模3以及压边温度是有效的方法。差温拉伸加工法能够有利于进行再拉伸捋加工，并且生产出再拉伸率为55％，正面(aspect)比为3.3(成型高度/(再拉伸冲头直径+板厚×2))的非常深的成型品。

再拉伸捋加工后成品的品质

再拉伸率为60％的壁厚分布如图7A、7B所示。再拉伸捋加工以后，冲头2肩部的壁厚呈现局部性的降低。而且，初级拉伸过程中，呈现局部性板厚降低的冲头2肩部，跟图中所显示的部位一致。但是，这部分的板厚变动不大。

我们认为这种现象是受到加工硬化影响的。由以上得出，初级拉伸的过程中，冲头2肩部板厚的减少不会对再拉伸捋加工的成型极限产生大的影响。

再拉伸后，拉伸比为2.6的侧壁壁厚分布均匀。初级拉伸过程中，拉伸比为2.6的冲头2头部的壁厚降低了很多，所以跟侧壁壁厚相差较大。由此得知，初级拉伸的壁厚分布会影响到经再拉伸捋加工后的产品品质。

再拉伸率为55％的加工诱起的马氏体相变量如图8A、8B所示。

拉伸比为2.0的冲头2肩部的相变量为5％左右，拉伸比为2.6的是7-17％。产生这种变异的原因是冲模温度以及压边温度不稳定，必需要审查加热装置等等。另外，图中所显示的样品3的马氏体相变量最大置为7％。加工的马氏体相变量与开裂有关(一般认为，10％以上马氏体相变量为开裂危险线2)。由此得知，针对开裂的问题，采取了稳定温度条件的方法，很大程度上能够省略最终退火的工序。降低再拉伸捋加工温度的方法

此前，进行了关于差温再拉伸捋加工成型的研究，因此能够把握成型温度和成型性的关系。如果冲模3以及压边温度升高了，成型性也会提高，从而获得55％的极限再拉伸率。然而，必需要把冲模3跟压边的温度设定在180℃，但同时也希望在实用方面实现低温化。为了尝试降低再拉伸捋加工的成型温度，进行了关于初级拉伸后加工诱起的马氏体相变量给成型温度和成型性带来的影响的研究。

初级拉伸时也进行差温拉伸加工，成型后的成品(拉伸比2.0)进行退火。图9显示退火后的加工诱起的马氏体相变量。加工诱起的马氏体相变量经过退火处理后，变成了0％。

同样的，把拉伸比为2.4以及2.6的成型品进行退火，然后进行再拉伸捋加工测试的结果如表3所示。

表3再拉伸成形性(退火后)

拉伸比为2.0的再拉伸率为45％，拉伸比为2.4以及2.6的都为50％。另外，在冲模3以及压边的温度为150℃的状态下就能够成型。加工诱起的马氏体相变量给成型性和再拉伸温度条件带来的影响如图10所示。

上述的拉伸比为2.0的，不经退火处理直接进行差温拉伸捋加工的时候，冲头2底部的加工诱起马氏体相变量为0.5％，冲头2肩部的为0.74％。并且极限再拉伸率为55％，冲模3跟压边温度必需为180℃。与此相反的是，经过退火处理能够提高成型极限，降低成型温度。由此得知，加工诱起的马氏体相变量与再拉伸捋加工成型性和再拉伸的温度条件有关系，能够抑制初级拉伸后的加工诱起马氏体相变量，有效地降低了再拉伸捋加工的温度。

差温拉伸加工法，通过加热冲模3以及压边，来降低材料的流阻。通过冲头2冷却提高容易破裂的冲头2肩部强度，从而提高成型极限。这个温度范围就是拉伸强度变化最大的0-100℃的范围。所以，不锈钢SUS304的拉伸强度，即使处在上述温度范围内，也倾向于随着温度的上升而逐渐降低。而且因为在90℃以上的温度范围内不会产生马氏体相变量，所以为了在初级拉伸中抑制马氏体相变量，把冲头2的温度设置为80℃，冲模3以及压边温度为22℃，尝试利用高温度范围的温度差来进行拉伸成型。这种做法如图11所示。成型条件如表4所示，结果如表5所示。在这种温度范围内进行加工的时候，原本拥有加工诱起的马氏体相变量最多的冲头2肩部，它的相变量降为0％。

表4初级拉伸成型条件

表5初级拉伸成型品的冲头肩部的加工诱起马氏体相变量

这种温度条件下，没有进行再拉伸测试。但是跟经过退火处理的样品一样，希望能够提高成型性和降低再拉伸温度。在模具工程上，希望能够低温化处理较难控制温度的再拉伸工序，并把高温化处理单一的第1级拉伸工序的方法，作为模具工程中实用性较强的方法。

本发明的拉伸捋加工方法具有以下优点：

(1)为了运用差温拉伸技术来达到缩短工序的目的，进行了差温再拉伸成型测试。室温状态下的极限再拉伸率为80％，与此相对，差温再拉伸率为55％。结果显示，能够削减包括退火工序在内的3个工序。

(2)结果显示，能够把再拉伸捋加工成型后加工诱起的马氏体相变量抑制在10％以下，以及能够省略第3级拉伸以后的退火工序。

(3)因为再拉伸捋加工模具的制造上，很难控制模具的温度，所以研究了降低再拉伸温度方法。通过提高与以往相比的初级拉伸温度获得了和竞夺退火处理的样品一样的加工诱起的马氏体相变量。结果显示，可降低再拉伸捋加工工序中的成型温度。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种薄壁金属圆筒体的生产模具，包括模具架，所述模具架设有冲头和多级冲模，其特征在于：每级冲模内设有加热元件和第一温度传感器，所述冲头内设有冷却装置和第二温度传感器，所述冲头还设有筒体固定装置；

所述筒体固定装置为真空吸盘，所述真空吸盘连接真空泵；

所述每级冲模上设有切削刀，所述第一温度传感器靠近所述切削刀；

所述第二温度传感器设于所述冲头表面；

所述冷却装置为冷却循环装置，所述冷却循环装置的循环管路紧靠所述冲头表面；

还包括冲头行程监测和控制装置；

还包括筒体厚度测量装置和筒体表面光滑度测量装置。

2.根据权利要求1所述的薄壁金属圆筒体的生产模具，其特征在于：所述冲模的入模角度为6度～8度。

3.根据权利要求1所述的薄壁金属圆筒体的生产模具，其特征在于：所述冲头冷却温度控制在-5℃～15℃，对各级冲模的加热温度控制在80℃～180℃。

4.根据权利要求1所述的薄壁金属圆筒体的生产模具，其特征在于：所述冲头压进冲模的加工速度为50～900mm/秒。

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