CN105377459B - 用于生产无缝管且使用寿命得到提高的冲头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冲头(4)。这一冲头用于冲孔加工加热过的金属圆块(3)以制成无缝管(6)，所述冲头(4)包括冲头鼻部(4.2)和与芯棒(5)连接的冲头主体(4.1)。为了提高冲头在通过斜轧冲孔处理金属圆块时的使用寿命，特别是通过斜轧冲孔处理难以加工的高合金钢材料时的使用寿命，同时考虑提高冲孔处理过的圆块的内表面质量以及降低工具成本，建议将冲头鼻部(4.2)制成如下结构：所述冲头鼻部的外径在纵向长度范围内朝向所述冲头主体(4.1)呈锥形地逐渐减小。

Description

用于生产无缝管且使用寿命得到提高的冲头

技术领域

本发明涉及一种通过冲孔加工热圆形金属块生产无缝管的冲头。该冲头包括冲头鼻和可连接于冲头芯棒的冲头主体。

背景技术

众所周知，无缝管的生产方法如下：使用轴向固定的内部工具，在穿轧机中加工形成为原柱形并在环形加热炉中受热的原材料，即所谓的圆块，以生产出管状空心块。其中，该内部工具包括冲头和冲头芯棒。

为了制成无缝空心块管，在通过穿轧机抓握管状空心块之后，以螺旋线形式运送管状空心块穿过穿轧机，由此使管状空心块经过轴向固定的内部工具，并在该方法的随后步骤中对管状空心块进行拉拔加工(wall-ironed)，以制成无缝管。通过斜轧辊推进圆块，并由冲头冲击、拉拔圆块，由此制成孔。一般而言，冲头本身具有从顶端开始连续增加的直径。

一般由高耐热工具钢制成的冲头不仅具有实际冲孔的作业，还具有焊接任意材料断口、平滑化被制成的空心块的内表面、以及使该空心块的壁厚以最均匀的方式达到预期尺寸的作业。

由于冲头是在轧制热的工况下作业，其势必会经受极端载荷，并由此仅具有有限的使用寿命。自斜轧方法发明面世以来，已作出大量努力来延长辊芯的使用寿命，以节省成本并提高轧制管的质量。如果还被称作辊芯的冲头即将到达其工作寿命的尽头，则冲头还会失去其形状，而且其表面会损毁，或其材料会断裂。同时，还意味着轧制管质量的恶化，这一恶化尤其表现为空心块内表面上的缺陷，以及不均匀的壁厚。

在这种情况下，由难以加工的管材，例如铬的质量含量超过5％的含铬材料，造成特别的问题。此类管材将特别的热-力载荷施加给冲头，尤其施加给冲头的顶端。这样，即便是在实施了几次冲孔加工之后，仍会使冲头顶端出现磨损痕迹。这种磨损痕迹很快会使冲头几何结构产生有害的变化，由此使空心块中产生内部缺陷或几何结构偏差。

随时间的推移，提出了一些意图减少向冲头传递的热量并增加使用寿命的措施。举例来说，使用诸如工程陶瓷材料等特别耐热的材料制造冲头的顶端，使用额外材料涂覆冲头的表面，对冲头的表面实施受控氧化处理，频繁更换冲头并配合以喷水雾和沉浸冷却，以及通过向芯棒内灌水对冲头实施内部冷却处理。对于现有技术的概述可见诸于公开号为JP 03204106A的日本专利公开文献、公开号为DE 19636321C1的德国专利公开文献以及公开号为EP 2404680A1的欧洲专利公开文献。

为了提高冲头的使用寿命并避免空心块内部产生缺陷，根据公开号为EP2404680A1的欧洲专利公开文献，尝试借助带有氧化铁涂层的冲头顶端的优化过的几何结构实现冲头使用寿命的改善。同时，建议通过冲头主体向制成的空心块喷射冷却润滑剂，避免摩擦诱发冲头的表面缺陷。为此，冷却润滑剂由倾斜延伸入冲头顶端的排放口导出，并通过冲头的主体流入空心块。有鉴于此，冲头顶端包括柱体部和半球状顶端，其中，这些排放口设置在柱体部与冲头主体之间的过渡区域内。这种结构的缺点包括：冲头顶端自身仍存在不充分的冷却，并且这些冷却剂排放口的倾斜位置一方面具有复杂的生产工艺，另一方面在冲孔过程中不再能够可靠地防止通过冲头顶端与圆块材料的接触而出现的排放口关闭。其它缺点在于：冲头的一体式设计使得一旦冲头出现磨损，便需要更换整个冲头。

为了降低更换磨损冲头的成本，在公开号为DE 10024246A1的德国专利公开文献中还提到了将冲头构造成芯棒鼻部(顶端)和冲头主体这两部分，其中，这两部分可彼此连接。而为了增加使用寿命，使用对应于不同热-力载荷的不同材料制造芯棒鼻部和冲头主体，这样仅需要更换冲头顶端。这种方案的缺点在于：无法冷却冲头顶端，而且在用于难以加工的材料的情况下仍然无法显著地增加使用寿命。

此外，公开号为EP 1961497B1的欧洲专利公开文献还提到了另一种穿轧机的冲头。这一冲头在冲头主体上露出了冲头鼻部。在冲头主体的方向上观察，这一冲头鼻部呈圆锥形扩大。

本文中已提到的所有这些措施均不适合在斜轧过程中有效降低施加在冲头上的热-力载荷，以至于从经济和质量方面上来看，在其用于难以加工的材料时，不能够实现足够长的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提高冲头在通过斜轧冲孔处理金属圆块时的使用寿命，特别是通过斜轧冲孔处理难以加工的高合金钢材料时的使用寿命，同时考虑提高冲孔处理过的圆块的内表面质量以及降低工具成本。

根据本发明，上述发明目的由这样一种冲头实现。所述冲头包括冲头鼻部和与芯棒连接的冲头主体，其特征在于，所述冲头鼻部的外径在纵向长度范围内朝向所述冲头主体呈锥形地逐渐减小。出人意料的是，试验结果表明：借助冲头鼻部或鼻帽部的这种倒圆锥形几何结构，可以显著提高冲头的使用寿命，同时可改善空心块的内表面质量。

在这种情况下，特别有益的是：所述冲头鼻部由鼻芯部和鼻帽部构成；所述鼻芯部与所述冲头主体连接，而所述鼻帽部则位于所述鼻芯部上且以可拆解的方式与所述鼻芯部连接。借助所述鼻帽部和所述鼻芯部之间的这种可拆解的连接，在发生磨损时，因为无需更换整个冲头或无需更换包含复杂的冷却剂供给和排放线路的冲头鼻部，更确切地说，仅需更换最容易受到磨损影响且容易制造的鼻帽部，因此能够实现简单且划算的更换。

从结构上看，特别有益的是：为了冷却所述冲头鼻部或冷却所述鼻帽部，并润滑所述冲头，所述冲头鼻部或所述鼻芯部与冷却润滑剂的供给线路连接，并与至少一条排放线路连接；所述供给线路穿过所述冲头主体，直至穿过所述冲头鼻部或所述鼻芯部；所述排放线路通过所述冲头鼻部或所述鼻芯部向回引导所述冷却润滑剂；在所述冲头鼻部和所述冲头主体的过渡区内的所述排放线路的端部上设置有排放开口；所述排放开口使所述冷却润滑剂流出所述冲头。结合冲头鼻部或鼻帽部的倒圆锥形几何结构，因为可有效避免精确设置在这一区域(上述过渡区)内的排放开口被堵塞，并因此可避免冷却量的减少乃至冷却完全中断，由此可显著提高冲头的使用寿命，同时可改善空心块的内表面质量。

所述冲头鼻部或鼻帽部所特有的几何结构能够特别显著地提高冲头或冲头鼻部的使用寿命，尤其是在所述冲头鼻部或鼻帽部被用来冲孔加工那些难以加工且铬的质量含量超过5％的钢材料时。其中，所述冲头鼻部或鼻帽部的直径朝向冲头主体呈锥形地逐渐减小，即：被构造成倒圆锥形。由于冲头主体的直径从鼻部侧的端部开始增加，由此在冲头鼻部或鼻帽部与冲头主体之间的过渡区内形成有“三角区”。同已知的冲头相比，这一三角区相当的大，而且在该三角区中，优选在径向上设置有冷却润滑剂的排放开口。

由此在冲孔过程中，能够保证冷却润滑剂的排放开口无法与待冲孔的圆块材料接触，从而可有效避免精确设置在这一区域(上述过渡区)内的排放开口被堵塞，并可有效避免冷却量的减少乃至冷却完全中断。

上述试验还示出了：借助所述冲头鼻部或所述鼻帽部的这一倒圆锥形几何结构，以及排放开口在所述冲头鼻部和所述冲头主体的过渡区的三角区的优选为径向的排列，能够有效防止排放开口被关闭，从而可始终保证被加载到最大程度的冲头，特别是被加载到最大程度的鼻帽部能够得到有效的冷却和润滑。

为了可靠地实现这一效果，冲头鼻部或鼻帽部的几何结构将维持以下条件：所述冲头鼻部或所述鼻帽部的长度L取决于待轧制圆块的直径DB以及冲头鼻部或鼻帽部的鼻部侧端部的冲头鼻部的直径DN，从而满足条件：0.10×DB≤L≤3×DN。

因为本发明的鼻帽部冷却方式无法完全避免鼻帽部受热，因此必须要满足这一条件，以使冲头鼻部或鼻帽部具有最小的体积和最小的横截面。

所述冲头鼻部或所述鼻帽部的鼻部侧端部的半径优选具有r≥3.0mm的值，以避免载荷在过渡区上达到峰值并由此产生过早的磨损。

所述冲头鼻部或所述鼻帽部的倒圆锥形结构的必要角度α应介于2°和10°之间，以形成足够大的三角区并由此实现提高冲头使用寿命的本发明效果。

在所述冲头鼻部和所述冲头主体的过渡区内的排放开口的径向设置结构是有益的，因为同公知的斜向延伸孔相比，可以非常容易地加工出这种结构。在优选的方式中，排放开口被加工成环形间隙，以确保对冲头周围施以均匀的润滑剂。

为了确保有足够大的流量的冷却润滑剂通过鼻芯部流向鼻帽部内侧，需要在鼻芯部的正面端部与鼻帽部的内侧之间设置足够大的轴向空间。冷却润滑剂的供给线路优选在冲头的中心穿过冲头，并延伸至鼻芯部的正面端部。优选地，穿过鼻芯部的多个排放线路在冲头鼻部和冲头主体的过渡区内从冲头通往排放开口，并优选地围绕所述供给线路呈径向设置。根据鼻芯部的直径和必要的冷却润滑剂的流量，可在鼻芯部上设置例如4、6或8条排放线路。

在本发明的进一步改进的实施例中，所述鼻芯部还能够以可拆解的方式与所述冲头主体连接，从而仅需根据需要更换掉冲头主体即可，而无需更换其中带有用于供给和排放冷却润滑剂的通道的鼻芯部。

根据本发明，所述鼻芯部和所述冲头主体之间的连接可由螺纹连接方式实现，或可由更简单的装配及拆卸方式实现，优选由卡扣式组装件实现。

为了进一步提高冲头的使用寿命，在本发明一有益的实施例中提出一种设置方式，即：仅在冲头鼻部或整个冲头上设置减少热量向所述冲头传导的涂层，例如氧化铁涂层。可选地或额外地，考虑到冲孔过程中存在不同的载荷，所述冲头鼻部和所述冲头主体也可由不同的材料制成。

在下文的示例性实施例中，将参照下列附图对本发明的其它特征、优点和细节进行说明。

附图说明

图1为具有本发明冲头的锥型穿轧机的冲孔过程的示意图；

图2为本发明冲头的放大示意图；以及

图3为冲头鼻部的剖视图。

具体实施方式

图1示出了锥型穿轧机。这一锥型穿轧机利用本发明的冲头将实心钢块制成空心块管。锥型穿轧机1包括两个工作辊2,2’。这两个工作辊利用内部工具将实心块3制成空心块管6。所述内部工具包括本发明的冲头4和芯棒5。在工作辊2,2’旋转方向的相反方向上，实心块3或空心块管6通过轴向固定的内部工具以螺旋线方式移动。

根据本发明，冲头4包括连接有冲头鼻部4.2的冲头主体4.1。冲头主体4.1的直径从鼻部侧开始连续增加至决定着空心块管6内径的最大值。根据本发明，冲头鼻部4.2具有朝向冲头主体4.1呈锥形逐渐减小的直径。其中，在从冲头主体4.1和冲头鼻部4.2至制成的空心块管6的过渡区内，形成有三角区7。在冲孔过程中，所述三角区不会与空心块管6的材料相接触。

图1并未示出精确设置在这一三角区7或过渡区内的用于冷却冲头的冷却润滑剂排放开口。

图2为本发明冲头4的几何结构细节的放大示意图。

冲头鼻部4.2被构造成朝向冲头主体4.1呈锥形地直径逐渐减小，其中，锥形减小角度α保持在2°和10°之间。这一角度α形成于冲头鼻部4.2的外表面与想象直线之间。这一想象直线平行于冲头4的纵轴线延伸，并与冲头鼻部4.2的最大直径DN区域内的冲头鼻部外表面正切。冲头鼻部4.2具有一长度L。这一长度取决于待冲孔的实心块3的直径(DB)，并取决于冲头鼻部4.2的最大直径(DN)，其中，满足以下条件：0.10×DB≤L≤3×DN。此外，冲头鼻部4.2的正面端部具有至少为3mm的半径。

图3示出了冲头鼻部4.2的纵向剖面结构(左侧的部分视图)，以及横截面(右侧的部分视图)。在本实例中，为了使说明更加简化，将冲头主体4.1和冲头鼻部4.2以整体形式示出，即：不可拆解式设计。下文的描述还适用于对应的可拆解式设计。

在左侧的部分视图中，显而易见的是本发明的冲头鼻部4.2包括鼻芯部4.2a和置于鼻芯部上的鼻帽部4.2b。为了实现能有足够大的流量的冷却润滑剂通过冲头鼻部4.2，在鼻芯部4.2a与鼻帽部4.2b的内侧之间设置有轴向空间“x”。为了在冲孔过程中维持必需的轴向空间，将连接头设计成锥型座10，其中，在冲孔过程中，鼻帽部4.2b与鼻芯部4.2a借助施加在鼻帽部4.2b上的轴向压力彼此卡阻在一起。

通往鼻帽部4.2b的冷却润滑剂供给线路8在冲头4的中心穿过冲头4，并一直延伸至鼻芯部4.2a的正面端部。同样明显的是多条排放线路9。这些排放线路9穿过鼻芯部4.2a，并延伸至排放开口11。这一排放开口11为形成在冲头鼻部4.2与冲头主体4.1之间的过渡区内的环状间隙。

如图3中右手侧的部分视图所示的贯穿冲头鼻部4.2的横截面示出了4个排放线路9。这些排放线路以呈圆环状的排列方式径向设置在供给线路8的周围。

附图标记列表

1 锥型穿轧机

2,2’ 工作辊

3 实心块

4 冲头

4.1 冲头主体

4.2 冲头鼻部

4.2a 鼻芯部

4.2b 鼻帽部

5 芯棒

6 空心块管

7 三角区

8 冷却润滑剂供给线路

9 冷却润滑剂排放线路

10 锥型座

11 排放开口

DB 实心块的直径

DN 冲头鼻部的直径

L 冲头鼻部的长度

r 鼻帽部的半径

α 角度

Claims (16)

1.一种冲头(4)，其用于冲孔加工加热过的金属圆块(3)以制成无缝管(6)，所述冲头(4)包括冲头鼻部(4.2)和与芯棒(5)连接的冲头主体(4.1)，其特征在于，所述冲头鼻部(4.2)的外径在纵向长度范围内朝向所述冲头主体(4.1)呈锥形地逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的冲头，其特征在于，所述冲头鼻部(4.2)由鼻芯部(4.2a)和鼻帽部(4.2b)构成；所述鼻芯部与所述冲头主体(4.1)连接，而所述鼻帽部则位于所述鼻芯部上且以可拆解的方式与所述鼻芯部(4.2a)连接。

3.根据权利要求2所述的冲头，其特征在于，为了冷却所述冲头鼻部(4.2)或冷却所述鼻帽部(4.2b)，并润滑所述冲头(4)，所述冲头鼻部(4.2)或所述鼻芯部(4.2a)与冷却润滑剂的供给线路(8)连接，并与至少一条排放线路(9)连接；所述供给线路穿过所述冲头主体(4.1)，直至穿过所述冲头鼻部(4.2)或所述鼻芯部(4.2a)；所述排放线路通过所述冲头鼻部(4.2)或所述鼻芯部(4.2a)向回引导所述冷却润滑剂；在所述冲头鼻部(4.2)和所述冲头主体(4.1)的过渡区内的所述排放线路(9)的端部上设置有排放开口(11)；所述排放开口使所述冷却润滑剂流出所述冲头(4)。

4.根据权利要求3所述的冲头，其特征在于，所述冷却润滑剂的所述排放开口(11)相对于所述冲头(4)的纵轴线在径向上延伸。

5.根据权利要求3或4所述的冲头，其特征在于，所述排放开口(11)为形成在所述冲头鼻部(4.2)与所述冲头主体(4.1)之间的环状间隙。

6.根据权利要求3所述的冲头，其特征在于，所述冷却润滑剂的所述供给线路(8)在所述冲头(4)的中心穿过所述冲头(4)，并一直延伸至所述鼻芯部(4.2a)的正面端部。

7.根据权利要求1所述的冲头，其特征在于，所述冲头鼻部(4.2)的长度L满足以下条件：0.10×DB≤L≤3×DN，其中，DB为待冲孔的所述金属圆块(3)的直径，而DN为所述冲头鼻部(4.2)的前端的直径。

8.根据权利要求1所述的冲头，其特征在于，所述冲头鼻部(4.2)的前端的半径至少为3mm。

9.根据权利要求1所述的冲头，其特征在于，所述冲头鼻部(4.2)的锥形减小角度α满足以下条件：2°≤α≤10°。

10.根据权利要求2所述的冲头，其特征在于，所述鼻芯部(4.2a)和所述鼻帽部(4.2b)通过锥型座连接在一起；所述锥型座在轴向压力的作用下被挤紧。

11.根据权利要求1所述的冲头，其特征在于，所述冲头鼻部(4.2)和所述冲头主体(4.1)彼此以可拆解的方式连接在一起。

12.根据权利要求1所述的冲头，其特征在于，所述冲头鼻部(4.2)和所述冲头主体(4.1)借助螺纹连接方式连接在一起。

13.根据权利要求1所述的冲头，其特征在于，所述冲头鼻部(4.2)和所述冲头主体(4.1)借助卡口式配合连接在一起。

14.根据权利要求1所述的冲头，其特征在于，所述冲头鼻部(4.2)和所述冲头主体(4.1)由不同的金属材料制成。

15.根据权利要求1所述的冲头，其特征在于，所述冲头鼻部(4.2)和/或所述冲头主体(4.1)设置有减少热量向所述冲头(4)传导的涂层。

16.根据权利要求15所述的冲头，其特征在于，所述涂层为氧化铁涂层。