CN103331582B - 一种制备金属薄壁微管的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备金属薄壁微管的方法，包括材料预处理、制坯和母模拉伸三部分组成。将管坯固定在母模之中，通过在管坯内侧运动的模芯挤压管壁，达到降低管壁厚度的目的，通过更换模芯可以不断减薄管坯的壁厚，从而制备出薄壁的金属管。本发明采用剧烈塑性变形的方法对材料进行处理得到具有超细晶的显微组织，从而提高材料的变形能力，在此基础上采用新颖的母模拉伸技术，即将管坯放置在母模之中，对其外形尺寸进行限制，在管坯的内部使模芯运动降低管坯的壁厚，逐步达到需要的尺寸，随后再对管材进行矫直、抛光等处理，最终得到成品。本发明在制备薄壁微管时具有加工精度高、成品率高的特点。

Description

一种制备金属薄壁微管的方法

技术领域

本发明公开了一种金属薄壁管的制备方法，属于金属管材制备技术领域。

背景技术

金属薄壁微管通常指的是外径在5毫米以下的管材，在电子、机械、医疗、机器人等领域有广泛的应用。传统的金属管材成形方法主要有拉拔、挤压和轧制等，这些方法对于钢、铝合金、铜合金等塑性较好的金属材料进行加工时有较好的成形效果，但是对难加工金属，如镁合金等进行加工时则很难成形。超塑性成形是难变形金属材料成形的重要方法,超塑性变形是指金属材料在较高的温度和较低的变形速率条件下变形时延伸率显著提高和变形抗力明显降低的现象。相对来说，超细晶材料中更容易发生超塑性，这是由于在超细晶材料中晶界滑动机制起到重要的变形机制，这一类超塑性也成为细晶超塑性。以往的研究发现剧烈塑性变形（severeplasticitydeformation,SPD）是制备超细晶材料的有效方法，并且利用SPD方法可以制备出超塑性的材料，其超塑性条件下的最大延伸率也较其他方法得到的超细晶材料的延伸率更高。

虽然超塑性变形可以提高材料在变形过程中的应变量，然而在以往的研究中发现依靠传统的超塑性成形方法制备仍然难以满足金属薄壁微管的成形要求，主要是由于传统的超塑性成形方法不利于加工尺寸精度高的管件。

因此，需要一种新的制备薄壁金属管的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备金属薄壁微管的方法，本发明由预处理、制坯、母模拉伸三部分组成，将管坯放置在母模之中，以凸模减薄管坯壁厚的方法，这种变形条件下管坯只收到压应力作用，金属材料在压应力条件下比拉应力条件下更容易发生塑性变形，因而可以最大程度发挥材料塑性；与拉拔、挤压等传统工艺相比，母模拉伸的管材的直度、同心度、壁厚等尺寸精度更高，并且可以制备出长度较长的薄壁管材，具有加工精度高、成品率高的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种制备金属薄壁微管的方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）预处理：对金属原材料采用剧烈塑性变形的方法对材料进行处理，得到具有超细晶的显微组织，使金属材料具有尽可能高的塑性，以达到充分细化晶粒，降低中间相尺寸，减小材料的各向异性；

（2）制坯：将经过剧烈塑性变形预处理的原材料经过压力加工和机加工后制成圆管形粗坯，随后将粗管坯在精密磨床上精磨形成精管坯；精管坯的一端为固定端，用于方便固定工件；

（3）母模拉伸：将所述精管坯固定在母模拉伸装置的哈夫母模内，使哈夫母模型腔和精管坯外部完全贴合在一起，所述固定端的一端伸入哈夫母模中；模芯穿过管坯，模芯尺寸略大于管坯的内径，模芯、哈夫母模和管坯同轴，反复拉拔模芯，模芯的运动方向与管坯的轴向方向一致，通过在管坯内侧运动的模芯挤压管壁降低管壁厚度，通过更换不同尺寸的模芯不断减薄管坯的壁厚，最终制备出薄壁金属管。

优选地，所述剧烈塑性变形方法为通道转角挤压、往复挤压或三维锻造。

优选地，所述剧烈塑性变形的变形温度在金属材料的再结晶温度附近。

优选地，所述母模拉伸装置设有温控系统；所述哈夫母模上加工加热孔和测温孔，加热孔中安装加热装置，测温孔中安装测温装置，加热装置和测温装置分别连接所述温控系统。

优选地，所述母模拉伸装置上设有应力传感器，应力传感器设置在活动模架与钢丝索之间。

优选地，所述固定端的形状为台阶状或者圆台状，固定端的最小外径大于管坯外径。

优选地，所述模芯包括拉拔凸模和凸模杆，拉拔凸模的外径略大于管坯的内径；拉拔凸模穿套固定在凸模杆上，凸模杆通过夹头安装在母模拉伸装置机架的导轨上，以保证拉拔凸模在工件轴线方向上运动。

优选地，所述哈夫母模通过油缸和滑块实现开启和闭合。

优选地，步骤（1）中所述晶粒的晶粒度为微米级或亚微米级。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，对材料进行预处理，为了使材料具有尽可能高的塑性，首先要对材料施加大应变量的塑性变形，即所谓的剧烈塑性变形（severeplasticitydeformation,SPD），以达到充分细化晶粒，降低中间相的尺寸，减小材料的各向异性的效果，变形温度一般在金属材料的再结晶温度附近，在某些情况下甚至可以低于回复温度。如有需要可加入去应力退火等热处理工艺以消除材料的加工硬化。采用的剧烈塑性变形方法有，等通道转角挤压（equal-channelangularpressing,ECAP）、往复挤压（cyclic-extrusioncompression,CEC）、三维锻造(multi-directionalforging,MDF)等。经过多道次变形之后，可以得到晶粒细小均匀的组织，晶粒度通常在微米级，有些材料的晶粒可以达到亚微米级。而微米或者亚微米级的晶粒是金属材料发生晶界滑动的重要条件，因此经过剧烈塑性变形方法处理过的材料更容易发生超塑性变形。

第二，经过预处理的原材料经过压力加工和机加工后制成圆管形的粗坯，随后在精密磨床上精磨形成精坯。管坯的精度直接影响到后续成形后产品的精度，因此其精度有很高的要求。精坯的精度要求有同心度、直度、壁厚均匀度和表面粗糙度等，除此之外，为了方便下一步工序，管坯的一端要留有台阶或者斜面，其尺寸要大于管坯的外径，以方便固定工件，这一段称为固定端。

第三，母模拉伸工艺。母模拉伸的原理如图1所示，管坯固定在母模内，模芯穿过管坯，模芯尺寸略大于管坯的内径，模芯的运动方向与管坯的轴向方向一致，随着模芯的运动使管坯的壁厚减薄，然后更换更大尺寸的模芯，反复拉拔模芯，最终可以使工件达到需要的尺寸。工作时，将管坯放置在母模之中，管坯的固定端要放置在母模的。母模的型腔尺寸和管坯外形尺寸一致，母模由对称的两部分组成，即哈夫母模，通过液压机构或者其他方式将之压合，使母模型腔和管坯外部完全贴合在一起。图2是母模拉伸装置的示意图。拉拔凸模固定在凸模杆上，凸模杆通过夹头安装在导轨上，工作时可以保证拉拔凸模在工件轴线方向上运动。母模上设计有加热孔和测温孔，分别安装加热装置和测温装置，与温控系统相连接，通过温控系统，可以准确控制工件各个部位在变形时的温度。活动模架与钢丝索之间安装有应力传感器，活动模架的运动速度由电脑控制，拉拔凸模运动时的应力情况反馈给电脑后，由电脑控制模芯的运动速度，因此可以按照工艺要求对成形过程进行精确控制。

第四，由于压应力比拉应力更容易使金属材料发生均匀的塑性变形，而难加工的金属，如镁合金在拉应力作用下开裂的倾向更加明显，因此在变形中应尽可能避免工件受拉应力作用。传统的工艺如挤压、拉拔和轧制等，不可避免地会使工件受到拉应力的作用，而采用母模拉伸技术使工件在变形时主要受压应力作用，可以有效地减少工件在变形时的拉应力区，最大程度地避免了工件断裂的可能性，从而降低产品的废品率和次品率，并且提高了加工的效率。和传统工艺相比，母模拉伸技术制备薄壁微管可以不受试样尺寸的限制，加工工艺灵活，产品的力学性能和尺寸精度也比采用传统工艺加工的产品高。

第五，经过预处理、制坯、母模拉伸工艺之后的试样已经基本成形，为了进一步提高金属薄壁微管的尺寸，可以继续进行矫直、抛光等工艺从而达到更高的工艺要求。

第六，本发明由预处理、制坯、母模拉伸三部分工艺组成。预处理是通过剧烈塑性变形方法制备出具有超塑性的细晶金属材料；制坯是将经过预处理的材料制作成可以进行母模拉伸的坯料；母模拉伸是将管坯放置在两个哈夫母模之中，利用凸模在管坯内部运动减薄管坯壁厚，最终得到需要的尺寸。该工艺可以制备出直径1毫米、壁厚0.1毫米的高质量的镁合金微管。以该方法制备面向镁合金血管支架的镁合金微管，具有管材直度、同心度高，金属材料在压应力条件下比拉应力条件下更容易发生塑性变形。在母模拉伸时，管坯只收到压应力作用，因而可以最大程度发挥材料塑性。和拉拔、挤压等传统工艺相比，母模拉伸的管材的直度、同心度、壁厚等尺寸精度更高，并且可以制备出长度较长的薄壁管材。产品长度较长的有点，且产品合格率高，是目前综合经济效益最好的镁合金微管成形技术。

附图说明

图1是本发明母模拉伸的原理图；

图2是本发明母模拉伸装置的主视图的结构示意图；

图3是本发明母模拉伸装置的侧视图的结构示意图；

图4是本发明母模拉伸装置的俯视图的结构示意图；

图中：1哈夫母模、2管坯、3拉拔凸模、4凸模杆、5测温孔、6加热孔、7夹头、8油缸、9滑块、10导轨、11操作控制面板、12拖板、13隔热垫块。

具体实施方式

下面结合实例的具体实施方式对本发明作进一步的解释。

一种制备金属薄壁微管的方法，包括以下步骤：

（1）预处理：对金属原材料采用剧烈塑性变形的方法对材料进行处理，得到具有超细晶的显微组织，使金属材料具有尽可能高的塑性，以达到充分细化晶粒，降低中间相尺寸，减小材料的各向异性；根据加工的材料的不同，剧烈塑性变形的的各项参数的限定值有所不同，但是以满足其超塑性变形条件为准；

（2）制坯：将经过剧烈塑性变形预处理的原材料经过压力加工和机加工后制成圆管形粗坯，随后将粗管坯在精密磨床上精磨形成精管坯；精管坯的一端为固定端，用于方便固定工件；

（3）母模拉伸：将所述精管坯固定在母模拉伸装置的哈夫母模1内，使哈夫母模1型腔和精管坯2外部完全贴合在一起，所述固定端的一端伸入哈夫母模中；模芯穿过管坯，模芯尺寸略大于管坯的内径，模芯、哈夫母模1和管坯2同轴，反复拉拔模芯，模芯的运动方向与管坯的轴向方向一致，通过在管坯内侧运动的模芯挤压管壁降低管壁厚度，通过更换不同尺寸的模芯不断减薄管坯的壁厚，最终制备出薄壁金属管。

剧烈塑性变形方法为通道转角挤压、往复挤压或三维锻造。剧烈塑性变形的变形温度在金属材料的再结晶温度附近。

母模拉伸装置上设有温控系统。哈夫母模上加工加热孔6和测温孔5。加热孔6中安装加热装置。测温孔5中安装测温装置。加热装置和测温装置分别连接温控系统。测温孔用于安装测温热电偶，一般只有一个，设置在哈夫母模上模或者下模中的一个。加热孔有多个，用于安装加热棒，上、下模中都设置有加热孔。

母模拉伸装置上设有应力传感器。应力传感器设置在母模拉伸装置的活动模架与钢丝索之间。

固定端的形状为台阶状或者圆台状，固定端的最小外径大于管坯外径。模芯包括拉拔凸模3和凸模杆4，拉拔凸模3的外径略大于管坯2的内径。拉拔凸模3穿套固定在凸模杆4上，凸模杆4通过夹头7安装在母模拉伸装置机架的导轨10上，以保证拉拔凸模3在工件轴线方向上运动。拖板12在拉拔过程中起导向作用。隔热垫片13在模具与模架之间起到阻止模具的热量向模架传递的作用。

哈夫母模1可以通过油缸8和滑块9实现开启和闭合，也可以通过其他机构实现。

步骤（1）中所述晶粒的晶粒度为微米级或亚微米级。

根据本发明可以将直径20毫米的镁合金圆棒加工成直径为1毫米，壁厚为0.1毫米，长度为1米的镁合金薄壁微管，是目前采用塑性成形方法加工出来的最小规格的产品。

Claims (7)

1.一种制备金属薄壁微管的方法，包括预处理和制坯，其特征是，所述制备方法还包括母模拉伸；

所述预处理为：对金属原材料采用剧烈塑性变形的方法对材料进行处理，得到具有超细晶的显微组织，使金属材料具有尽可能高的塑性，以达到充分细化晶粒，降低中间相尺寸，减小材料的各向异性；

所述制坯为：将经过剧烈塑性变形预处理的原材料经过压力加工和机加工后制成圆管形粗坯，随后将粗管坯在精密磨床上精磨形成精管坯；精管坯的一端为固定端，用于方便固定工件；

所述母模拉伸为：将所述精管坯固定在母模拉伸装置的哈夫母模内，使哈夫母模型腔和精管坯外部完全贴合在一起，所述固定端的一端伸入哈夫母模中；模芯穿过管坯，模芯尺寸略大于管坯的内径，模芯、哈夫母模和管坯同轴，反复拉拔模芯，模芯的运动方向与管坯的轴向方向一致，通过在管坯内侧运动的模芯挤压管壁降低管壁厚度，通过更换不同尺寸的模芯不断减薄管坯的壁厚，最终制备出薄壁金属管；

所述模芯包括拉拔凸模和凸模杆，拉拔凸模的外径略大于管坯的内径；拉拔凸模穿套固定在凸模杆上，凸模杆通过夹头安装在母模拉伸装置机架的导轨上，以保证拉拔凸模在工件轴线方向上运动。

2.根据权利要求1所述的制备金属薄壁微管的方法，其特征是，所述剧烈塑性变形方法为通道转角挤压、往复挤压或三维锻造，剧烈塑性变形的变形温度在金属材料的再结晶温度附近。

3.根据权利要求1所述的制备金属薄壁微管的方法，其特征是，母模拉伸装置上设有温控系统；所述哈夫母模上加工加热孔和测温孔，加热孔中安装加热装置，测温孔中安装测温装置，加热装置和测温装置分别连接所述温控系统。

4.根据权利要求1所述的制备金属薄壁微管的方法，其特征是，所述母模拉伸装置上设有应力传感器，应力传感器设置在活动模架与钢丝索之间。

5.根据权利要求1所述的制备金属薄壁微管的方法，其特征是，所述固定端的形状为台阶状或者圆台状，固定端的最小外径大于管坯外径。

6.根据权利要求1所述的制备金属薄壁微管的方法，其特征是，所述哈夫母模通过油缸和滑块实现开启和闭合。

7.根据权利要求1所述的制备金属薄壁微管的方法，其特征是，步骤（1）中所述晶粒的晶粒度为微米级或亚微米级。