CN104708269A

CN104708269A - 一种难变形材料大直径超薄壁管材的加工方法

Info

Publication number: CN104708269A
Application number: CN201310676433.4A
Authority: CN
Inventors: 郭胜利
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: Youyan metal composite technology Co.,Ltd.
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: CN104708269B

Abstract

本发明公开了属于金属加工成形技术领域的一种主要针对径厚比大于1000的大直径超薄壁高精度管材的加工方法，具体步骤包括：（1）清除管材的表面缺陷；（2）将管材一端扩口；（3）将管材从未扩口一端插入定径模的模孔，并将扩径芯头固定在具有浮动结构连接的芯杆上；（4）向下移动扩径芯头，使扩径芯头的定径带和定径模的定径带保持在同一高度，固定扩径芯头；（5）采用夹头夹紧管材扩口端，向上移动夹头，对管材进行拉拔，获得径厚比大于1000的大直径超薄壁无缝管材。该方法加工的大直径超薄壁高精度管材具有轻质、高强、高模量和良好耐疲劳性能等优异特点，在航空航天、船舶、核电、汽车等领域具有良好的应用前景。

Description

一种难变形材料大直径超薄壁管材的加工方法

技术领域

本发明属于金属加工成形技术领域，具体涉及一种难变形材料高质量大直径超薄壁无缝管材加工方法，得到径厚比（直径与壁厚之比）为1000以上的大直径超薄壁高精度管材。

背景技术

镍基合金、高强钢、钛合金、锆合金、钨合金以及非连续增强金属基复合材等难变形材料使用性能优秀，具有出色和独特的使用性能，因此在航空、航天、兵器、船舶、核工业等诸领域应用十分广泛，是现代先进装备的物质基础。难变形材料大直径薄壁管材及异形管件在航空、航天、兵器、船舶、核工业等诸多领域的军、民品上具有良好的应用前景，其使用工况环境苛刻，随着先进装备的升级换代，对产品的可靠性、稳定性和使用寿命等方面提出更高的要求。为了满足先进装备发展的需要，中国发明专利说明书CN103170797A（申请号：201110432450.4）公开了一种难变形材料高质量大直径管（环）坯制备新方法，在此基础上提出了一种大直径薄壁管材及异形管件制备加工方法（申请号：201210524792.3），该发明专利制备加工难变形材料大直径薄壁管材的主要流程为真空冶炼、快锻开坯、预制空心坯料、省力等温/热模复合挤压和强力变薄旋压，管材的壁厚为0.5mm～1.5mm，直径为300mm～1000mm，该发明专利为高质量、高性能、大直径薄壁管材制备加工提供了新途径。

强力旋压（强旋）是制备加工大直径薄壁管材中最主要、最关键的工序之一，但强旋生产效率低，高精度大直径超薄壁管材旋压后，表面必须抛光处理，方可使用。由于管材的直径大，壁薄，其刚度低，旋压时易失稳，引起鼓包等缺陷，抛光时容易变形，使其变椭，稍有不慎，管材精度超差，极易导致产品报废，旋压大直径超薄壁管材表面处理问题非常棘手；壁厚越薄（径厚比越大），精确控制产品尺寸精度和形位精度难度越大。

滚珠旋压是加工中小直径（3mm～150mm）超薄壁管材最有效的方法之一，其加工管材壁厚最小可达0.04mm（马振平，张涛.滚珠旋压成形技术，冶金工业出版社，2011），超出滚珠旋压适宜加工的范围（3mm～150mm），生产的管材尺寸和直线度等易超差，采用滚珠旋压成形直径大于300mm的高精度超薄壁管材，鲜有报道。

扩径拉拔是制备加工大直径管材的有效方法之一，中国发明专利说明书CN101070931A公开了一种利用扩径拉伸与缩径拉伸相结合的方法制作大直径白铜管，可以制备出直径大于300mm，壁厚为2.5mm的大直径白铜管。大直径紫铜管生产表明，紫铜管可连续多遍扩径，扩径后管坯的壁厚减薄，长度减短，壁厚偏心率增加（杨海丽.扩径法在大口径铜管生产中的应用.有色金属加工,2010,39(1):40-41）。目前扩径拉拔主要采用卧式液压拉床，扩径芯头的直径远远大于管材壁厚，由于重力的作用，扩径芯头和管材的同心度难以保证，壁厚偏心率较大，采用传统扩径拉拔工艺难以保证薄壁管材的尺寸精度。王仲仁给出了扩径拉拔（锥面胀管）厚向应变计算公式（王仲仁.塑性加工力学基础,国防工业出版社,1989），采用扩径拉拔将直径为Ф500mm，壁厚为1mm的薄壁管材，扩径到Ф520mm，利用厚向应变计算公式和有限元数值模拟计算分析，可得管材壁厚减薄量分别为0.02mm和0.018mm左右，壁厚减薄量很小，扩径拉拔过程中，主要沿着管材圆周方向伸长，沿着管材长度方向缩短或少量伸长，限制了壁厚的减薄量，特别是薄壁管材扩径拉拔时，壁厚减薄量更小。采用传统扩径拉拔方法，加工大直径薄壁管材，壁厚减薄量受限，多道次拉拔后，壁厚偏差较大，易超差，难以加工出大直径超薄壁管材。

目前，我国大直径超薄壁管材主要采用卷板焊接的方法加工，但焊缝的存在降低了其综合性能，产品质量较差，难以满足先进装备升级换代的要求。

发明内容

本发明针对上述现有技术中的不足，提供一种难变形材料大径厚比为1000以上的超薄壁高精度管材的制备加工方法，生产的产品尺寸精度和形位精度高。

本发明的技术方案如下：

一种难变形材料大直径超薄壁管材的加工方法，具体步骤如下：

（1）清除难变形材料大直径超薄壁管材的表面缺陷，可以通过清洗、打磨、修理来完成；

（2）将管材的一端扩口；

（3）将芯杆固定在浮动装置上，定径模安装在立式液压拉拔机的模架上，将扩口后的管材从未扩口一端插入定径模的模孔，然后将扩径芯头安装在芯杆上；此时，扩径芯头位于定径模之上，扩径芯头的定径带与定径模的定径带平行；

（4）通过浮动装置，向下移动扩径芯头，使得扩径芯头的定径带和定径模的定径带保持在同一高度，固定扩径芯头；

（5）采用夹头夹紧管材的扩口端，向上移动夹头，使用立式液压拉拔机对管材进行拉拔，得到成品管材。

其中：

步骤（1）中的难变形材料大直径薄壁管材的材料为镍基合金、钛基合金、锆基合金或非连续体增强金属基复合材料，管材壁厚为0.5mm～1.5mm，直径为300mm～1000mm。该管材是在发明专利“一种大直径高质量管（环）坯的制备方法（申请号：201110432450.4）”和“一种大直径管材及异形管件制备加工方法（申请号：201210524792.3）”的基础上制备的，主要流程为真空冶炼、快锻开坯、预制空心坯料、省力等温/热模复合挤压和强力变薄旋压。

步骤（2）中的扩口在压力机上或旋压机上进行，扩口部分管材的直径增大4mm～20mm。

步骤（3）中的浮动装置由浮动上模板和浮动下模板组成，浮动上模板与浮动下模板间通过弹簧与紧固螺杆相连；浮动下模板固定在水平面上，浮动上模板可以上下移动；浮动上模板上有紧固螺母，通过紧固浮动上模板上的紧固螺母可以固定浮动上模板。

步骤（3）中的扩径芯头的锥角为5°～30°，扩径芯头定径带的长度为20mm～50mm。

步骤（3）中的定径模的模孔尺寸和步骤（1）中管材的直径相同，管材从未扩口一端插入定径模的模孔后，管材的外壁与定径模的模孔紧贴，使得管材的中心线与定径模的中心线重合；该定径模采用柔性体固定，柔性体为橡胶、弹性塑料等柔性体，因此定径模在水平面上具有良好的自由度，当扩径芯头下移时，定径模可以在水平面上移动，使得定径模的中心线与扩径芯头的中心线重合，从而实现管材的中心线、扩径芯头的中心线和定径模的中心线重合。

步骤（5）中的拉拔为多道次拉拔，拉拔的速度为0.1mm/s～20mm/s，拉拔道次加工率为3%～15%，拉拔总加工率为20%～70%。

在不同道次拉拔步骤间对管材进行热处理。

上述热处理为真空退火或真空气淬固溶处理。

步骤（5）中的成品管材的直径为Ф300mm～Ф1000mm，壁厚为0.1mm～1mm，径厚比为1000-2000。

本发明的有益效果为：

1.本专利提出从材料冶炼的源头出发全流程控制产品质量，保证材料的纯净度，严格控制组织的均匀性和细化组织，挖掘材料的成形能力，避免了组织粗大以及夹杂物等冶金缺陷，降低产品质量和引起拉拔过程管材断裂问题；

2.管材、扩径芯头和定径模的中心线、中心能够自动重合、对中，精确定位；且定径模的模孔尺寸和管材直径相同，管材外壁与定径模的模孔紧贴，管材和定径模的中心线与中心重合，定径模在水平面上柔性固定，定径模可以在水平面上移动，自动将其中心线、中心调整到扩径芯头中心线、中心所在位置，管材、扩径芯头和定径模的中心线与中心能够自动重合、对中，使得管材和定径模、扩径芯头之间具有极好的同心度，制备加工得到的大直径超薄壁管材的尺寸精度和形位精度高；

3.本发明主要针对大直径超薄壁高精度管材制备加工，也适用于大直径管材减薄加工，亦适用中小直径高精度管材制备加工，几乎适合所有变形合金超薄壁管材的加工，亦可用于焊接管精整加工，适用性强。

综上所述，采用本发明加工方法得到的大直径超薄壁管材的径厚比能够达到1000以上，其尺寸精度和形位精度高，且具有轻质、高强、高模量和良好耐疲劳性能等优异特点，产品可用于航空、航天和核工业及先进装备系统等高科技领域，应用前景良好。

附图说明

图1为本发明难变形材料大直径超薄壁管材加工方法的工艺流程图。

图2为扩径拉拔装置示意图；

图3为扩径芯头下移过程示意图；

图4为拉拔过程示意图；

图中：1-扩径芯头、2-定径模、3-柔性体、4-管材、5-芯杆、6-浮动上模板、7-浮动下模板、8-弹簧、9-紧固螺母、10-紧固螺杆、11-夹头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式和操作过程进行详细说明，并主要通过对变形抗力大、成形难的大直径镍基合金超薄壁管材制备加工为例，对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明的制备加工的工艺流程主要包括：薄壁管材制备加工，管材一端扩口，将管材放入模具，向下移动扩径芯头进行定位及固定模具，向上移动夹头进行拉拔。

图2为扩径拉拔装置示意图。如图2所示，扩径拉拔装置主要包括扩径芯头1、定径模2、柔性体3、管材4、芯杆5、浮动上模板6、浮动下模板7、弹簧8、紧固螺母9、紧固螺杆10和夹头11。

在进行大直径超薄壁管材制备加工时，首先对难变形材料大直径超薄壁管材4进行清洗，清除表面缺陷，并将管材4的一端扩口；然后将定径模2安装在立式液压拉拔机的模架上，芯杆5固定在浮动装置上，其中定径模2在水平面上采用柔性体固定，在水平面上具有很好的自由度，柔性体3为橡胶、弹性塑料等柔性体；而浮动装置由浮动上模板6和浮动下模板7组成，浮动上模板6与浮动下模板7间通过弹簧与紧固螺杆相连，浮动下模板7固定在水平面上，浮动上模板6可以上下移动，浮动上模板6上有紧固螺母9。然后将扩口后的管材4从未扩口一端插入定径模2的模孔，将管材4从未扩口一端插入到定径模2的模孔，定径模2的模孔尺寸和管材4直径相同，随后将直径大于管材内径的扩径芯头1固定在芯杆5上。向下移动扩径芯头1，如图3所示，将扩径芯头1从位置A下移到位置B。由于定径模2采用柔性体3固定，定径模2在水平面上具有良好的自由度，因此当扩径芯头1下移时，定径模2可以在水平面上移动，使得最终扩径芯头1的定径带和定径模2的定径带可以保持在同一高度，定径模2与扩径心头1精确对中，定径模2的中心线、中心与扩径芯头1的中心线、中心重合。然后紧固浮动上模板6上面的紧固螺母9，固定扩径芯头1。最后采用夹头11夹住管材4扩口端，如图4所示，向上移动夹头11，利用立式液压拉拔机对管材进行拉拔。

实施例1

大直径超薄壁管材制备加工的具体步骤如下：

（1）加工对象为Inconel690镍合金大直径超薄壁管材，其直径为Ф500mm，壁厚为0.5mm。对其清洗、打磨和修理管材表面缺陷，得到管材；

（2）将步骤（1）所得管材的一端在压力机或旋压机上扩口，扩口部分直径为Ф508mm，然后在管材内外壁和定径模的模孔均匀涂抹润滑油；

（3）将步骤（2）所得的管材从未扩口的一端插入定径模模孔，定径模的模孔尺寸和管材的直径相同，管材外壁与定径模模孔紧贴，管材中心线、中心与定径模中心线、中心重合。然后将定径带大于管材内径的扩径芯头固定在芯杆上，芯杆采用浮动装置连接，可上下移动；扩径芯头的锥角为5°，定径带的长度为20mm；

（4）在扩径芯头上均匀涂抹润滑油，然后向下移动扩径芯头，如图3所示，将扩径芯头从位置A下移到位置B，将扩径芯头的定径带和定径模的定径带保持在同一高度。定径模采用柔性体固定，其在水平面上具有良好的自由度，扩径芯头下移时，定径模可以在水平面上移动，因此在扩径芯头下移过程中可以自动将定径模的中心线、中心调整到扩径芯头中心线、中心所在位置，以使管材、扩径芯头和定径模的中心线、中心能够自动调整到同一位置，这种自动、精确的定位使得管材和定径模、扩径芯头之间具有极好的同心度；

（5）紧固浮动上模板上面的螺母，固定扩径芯头；

（6）采用夹头加紧管材扩口端，向上移动夹头，对管材进行拉拔，拉拔过程中采用润滑油润滑，拉拔速度为1.5mm/s，经过四道次拉拔，获得壁厚为0.35mm的管材。第一道次拉拔后管材壁厚为0.45mm，加工率为9.99%；第二道次拉拔后管材壁厚为0.41mm，加工率为8.88%，第三道次拉拔后管材壁厚为0.375mm，加工率为8.53%；第四道次拉拔后管材壁厚为0.35mm，加工率为6.66%。管材壁厚由0.5mm减薄到0.35mm，总加工率为29.98%。成品管材直径为Ф500mm，壁厚为0.35mm，径厚比约为1430。

实施例2

具体加工步骤同实施例1，加工对象为Monel400镍合金大直径超薄壁管材，薄壁管材制备加工同实例1，Monel400合金管材直径为Ф900mm，壁厚为1mm。成品管材直径为Ф900mm，壁厚为0.8mm，径厚比为1125。在旋压机上将管材的一端扩口，扩口部分直径为Ф920mm。扩径芯头的锥角为15°，定径带的长度为50mm，拉拔速度为5mm/s，经过三道次拉拔，获得壁厚为0.85mm的管材。第一道次拉拔后管材壁厚为0.94mm，加工率为5.99%；第二道次拉拔后管材壁厚为0.89mm，加工率为5.31%，第三道次拉拔后管材壁厚为0.85mm，加工率为4.49%。管材壁厚由1mm减薄到0.8mm，总加工率为19.98%。

实施例3

具体加工步骤同实施例1，加工对象为Monel400镍合金大直径超薄壁管材，薄壁管材制备加工同实例1，Monel400合金管材直径为Ф600mm，壁厚为1.5mm。成品管材直径为Ф600mm，壁厚为0.6mm，径厚比为1000。在压力机上将管材的一端扩口，扩口部分直径为Ф610mm。首先经四道次拉拔，进行真空退火；然后经三道次拉拔，获得壁厚为0.35mm的管材。真空退火前，四道次拉拔扩径芯头的锥角为30°，定径带的长度为30mm，拉拔速度为20mm/s；真空退火后三道次拉拔扩径芯头的锥角为15°，定径带的长度为25mm，拉拔速度为5mm/s。

第一道次拉拔后管材壁厚为1.275mm，加工率为14.97%；第二道次拉拔后管材壁厚为1.1mm，加工率为13.7%；第三道次拉拔后管材壁厚为0.968mm，加工率为11.98%；第四道次拉拔后管材壁厚为0.86mm，加工率为11.14%。

在真空炉内对管材进行退火，退火温度为800℃，保温时间为30min，退火后再进行三道次拉拔；第一道次拉拔后管材壁厚为0.75mm，加工率为12.77%；第二道次拉拔后管材壁厚为0.66mm，加工率为11.97%；第三道次拉拔后管材壁厚为0.6mm，加工率为9.08%。管材壁厚由1.5mm减薄到0.6mm，总的加工率为59.94%。

实施例4

具体加工步骤同实施例1，加工对象为Inconel718镍合金大直径超薄壁管材，薄壁管材制备加工同实例1，合金管材直径为Ф350mm，壁厚为0.5mm。成品管材直径为Ф350mm，壁厚为0.35mm，径厚比为1000。在压力机上将管材的一端扩口，扩口部分直径为Ф356mm。扩径芯头的锥角为5°，定径带的长度为20mm，拉拔速度为2mm/s。经过五道次拉拔，进行真空退火，然后经过两道次拉拔，获得壁厚为0.35mm的管材。第一道次拉拔后管材壁厚为0.46mm，加工率为7.99%；第二道次拉拔后管材壁厚为0.43mm，加工率为6.51%；第三道次拉拔后管材壁厚为0.405mm，加工率为5.81%；第四道次拉拔后管材壁厚为0.385mm，加工率为4.93%。

在真空炉内对管材进行退火，退火温度为1100℃，保温时间为20min，退火后进行拉拔；第一道次拉拔后，管材壁厚为0.365mm，加工率为5.19%；第二道次拉拔后，管材壁厚为0.35mm，加工率为4.11%。管材壁厚由0.5mm减薄到0.35mm，总的加工率为29.97%。

实施例5

具体加工步骤同实施例1，加工对象为Inconel600镍合金大直径超薄壁管材，薄壁管材制备加工同实例1，合金管材直径为Ф300mm，壁厚为0.5mm。成品管材直径为Ф300mm，壁厚为0.2mm，径厚比为2000。在压力机上将管材的一端扩口，扩口部分直径为Ф304mm。扩径芯头的锥角为5°，定径带的长度为20mm。首先经四道次拉拔，进行真空退火；其次，经四道次拉拔，进行第二次真空退火；再次，经四道次拉拔，进行第三次真空退火；最后，经四道次拉拔，获得壁厚为0.15mm的管材。第一次真空退火前（最初四道次拉拔），拉拔速度为2mm/s；第一次真空退火后，拉拔速度为0.5mm/s；第二次真空退火后，拉拔速度为0.25mm/s；第三次真空退火后，拉拔速度为0.1mm/s。

第一道次拉拔后，管材壁厚为0.45mm，加工率为9.98%；第二道次拉拔后，管材壁厚为0.41mm，加工率为8.88%；第三道次拉拔后，管材壁厚为0.375mm，加工率为8.53%；第四道次拉拔后，管材壁厚为0.35mm，加工率为6.66%。

在真空炉内对管材进行退火，退火温度为1050℃，保温时间为20min，退火后进行拉拔；第一道次拉拔后，管材壁厚为0.315mm，加工率为9.99%；第二道次拉拔后，管材壁厚为0.29mm，加工率为7.93%；第三道次拉拔后，管材壁厚为0.27mm，加工率为6.89%；第三道次拉拔后管材壁厚为0.252mm，加工率为6.66%。

在真空炉内对管材进行退火，退火温度为1050℃，保温时间为15min，退火后进行拉拔；第一道次拉拔后，管材壁厚为0.226mm，加工率为10.31%；第二道次拉拔后，管材壁厚为0.206mm，加工率为8.84%；第三道次拉拔后，管材壁厚为0.192mm，加工率为6.79%；第四道次拉拔后，管材壁厚为0.18mm，加工率为6.25%。

在真空炉内对管材进行退火，退火温度为1050℃，保温时间为10min，退火后进行拉拔；第一道次拉拔后，管材壁厚为0.17mm，加工率为5.55%；第二道次拉拔后，管材壁厚为0.162mm，加工率为4.70%；第三道次拉拔后，管材壁厚为0.155mm，加工率为4.32%；第四道次拉拔后，管材壁厚为0.15mm，加工率为3.22%。管材壁厚由0.5mm减薄到0.15mm，总的加工率为69.96%。

Claims

1.一种难变形材料大直径超薄壁管材的加工方法，其特征在于，具体加工方法包括如下步骤：

（1）清除难变形材料大直径超薄壁管材的表面缺陷；

（2）将管材的一端扩口；

（3）将定径模安装在立式液压拉拔机的模架上，芯杆固定在浮动装置上，将扩口后的管材从未扩口一端插入定径模的模孔，然后将扩径芯头安装在芯杆上；

（4）向下移动扩径芯头，使得扩径芯头的定径带和定径模的定径带保持在同一高度，固定扩径芯头；

2.根据权利要求1所述的难变形材料大直径超薄壁管材的加工方法，其特征在于，步骤（1）中所述难变形材料大直径薄壁管材的材料为镍基合金、钛基合金、锆基合金或非连续体增强金属基复合材料，管材壁厚为0.5mm～1.5mm，直径为300mm～1000mm。

3.根据权利要求1所述的难变形材料大直径超薄壁管材的加工方法，其特征在于，步骤（2）所述扩口在压力机上或旋压机上进行，扩口部分管材的直径增大4mm～20mm。

4.根据权利要求1所述的难变形材料大直径超薄壁管材的加工方法，其特征在于，步骤（3）中所述浮动装置由浮动上模板和浮动下模板组成，浮动上模板与浮动下模板间通过弹簧与紧固螺杆相连；浮动下模板固定在水平面上，浮动上模板可以上下移动；浮动上模板上有紧固螺母，通过紧固浮动上模板上的紧固螺母可以固定浮动上模板。

5.根据权利要求1所述的难变形材料大直径超薄壁管材的加工方法，其特征在于，步骤（3）中所述扩径芯头的锥角为5o～30o，扩径芯头定径带的长度为20mm～50mm。

6.根据权利要求1所述的难变形材料大直径超薄壁管材的加工方法，其特征在于，步骤（3）中所述定径模的模孔尺寸和步骤（1）中所述管材的直径相同；所述定径模采用柔性体固定，扩径芯头下移时，定径模可以在水平面上移动。

7.根据权利要求1所述的难变形材料大直径超薄壁管材的加工方法，其特征在于，步骤（5）中所述拉拔为多道次拉拔，拉拔的速度为0.1mm/s～20mm/s，拉拔道次加工率为3%～15%，拉拔总加工率为20%～70%。

8.根据权利要求7所述的难变形材料大直径超薄壁管材的加工方法，其特征在于，在不同道次拉拔步骤间对管材进行热处理。

9.根据权利要求8述的难变形材料大直径超薄壁管材的加工方法，其特征在于，所述热处理为真空退火或真空气淬固溶处理。

10.根据权利要求1所述的难变形材料大直径超薄壁管材的加工方法，其特征在于，步骤（5）中所述成品管材的直径为300mm～1000mm，壁厚为0.1mm～1mm，径厚比为1000-2000。