CN108555104B - 含钛双金属板材制备复合管的装置及方法 - Google Patents

含钛双金属板材制备复合管的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种含钛双金属板材制备复合管的装置及方法，制备方法如下：制备芯模和协同自阻加热工装，选择金属板坯，在芯模和板坯表面涂抹润滑剂，旋压轮将其多道次减薄拉深旋压成筒形件；选择钛板坯，安装协同自阻加热工装，采用旋压轮和电阻棒对钛板进行协同自阻加热多道次拉深旋压成筒形件；对筒形件表面进行打磨抛光处理，脱模，将筒形件去头部和末端，即得到含钛双金属板材制备成形的双金属复合管。利用本发明提供的装置及方法制备复合管，简单高效，协同自阻加热钛板局部升温较快，有利于钛板旋压成形，内外层金属发生热力耦合效应，界面结合强度大；芯模设计制造周期短，可以在同一台数控旋压机床上制备出不同材质和厚度的双金属复合管。

Description

含钛双金属板材制备复合管的装置及方法
技术领域
本发明涉及双金属旋压成形领域，具体是一种含钛双金属板材制备复合管的装置及方法。
背景技术
金属管材在石油化工、航空宇航等行业有着广泛的用途，随着使用条件的提高，单金属管件已无法满足行业的发展需要，经过两种金属符合而成的双金属管既能实现单一金属管无法满足的性能要求，又能节省材料，性价比高。双金属复合管提高了金属材料的使用范围，在石油化工行业有着更加广泛的需求。
常见的金属复合管加工方法有机械复合工艺和冶金复合工艺两种，机械复合就是在常温下内管发生塑性形变，外管发生弹性形变，从而使内外壁紧紧贴合在一起，属于非扩散结合，结合强度较低，存在高温分层的威胁，因而其使用环境和应用领域收到一定的限制；冶金复合工艺属于冶金结合，结合强度大，使用范围广，但冶金复合存在周期长、操作难度大的缺点。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种含钛双金属板材制备复合管的装置及方法，既可以解决机械复合工艺带来的应力释放失效导致的使用范围窄的问题，也可以解决冶金复合周期长、操作要求高的特点。
本发明提供了一种含钛双金属板材制备复合管的装置，包括芯模、钛板、筒形件、加工刀具组、自阻加热工装和旋压成形装置；
所述的旋压成形装置包括依次套在旋压主轴前端的移动顶尖、转动顶尖和尾顶；
所述的芯模的一端经绝缘处理安装在三爪卡盘上，另一端伸入筒形件内与筒形件内层金属接触，钛板夹在筒形件和尾顶之间，钛板两侧涂抹有高温润滑剂；
所述的加工刀具组包括刀具座以及对称安装在刀具座上的电阻棒与旋压轮；
所述的协同自阻加热工装包括低压大电流电源、碳刷架总成、碳刷杆、磁性固定架、导线，其中，碳刷杆一端通过绝缘处理与碳刷架总成过盈配合，另一端通过螺纹配合与磁性固定架固定，磁性固定架与移动顶尖固定，碳刷架总成与尾顶滑动接触；低压大电流电源正极通过导线与碳刷架总成相接，负极与电阻棒的相连，低压大电流电源、导线、电阻棒、钛板、尾顶和碳刷架总成组成回路电流，钛板与电阻棒接触的地方温度升高，旋压轮挤压钛板塑性形变。
所述的电阻棒与刀具座之间用耐高温绝缘垫片隔开；尾顶通过紧顶螺钉固定在转动顶尖上，尾顶与转动顶尖之间用耐高温绝缘垫片隔开。
所述的旋压轮与电阻棒位于同一个平面且相隔180度，两者关于主轴旋转轴线对称布置，且与主轴回转轴线成45度夹角。
所述的旋压轮圆角半径与电阻棒工具头半径均为6mm，旋压轮和工具头材质为Cr12Mo。
所述的低压大电流电源输出电流不超过1000A,电压最高不超过36V。
所述的低压大电流电源连接有温度控制器。
本发明还提供了一种含钛双金属板材制备复合管的方法，包括以下步骤：
1）制备芯模：根据筒形件的内表面尺寸，设计制备出相同尺寸的芯模，被三爪卡盘固定的芯模的一端绝缘处理；
2）冲切出极限拉深比等于或大于4的圆形钛板；
3）内管旋压:安装芯模和尾顶，尾顶与转动顶尖之间用耐高温绝缘垫片隔开，将钛板夹在芯模和尾顶之间，设定旋压道次，旋压轮与芯模的间隙距离小于圆形钛板的厚度，在钛板的表面刷涂油润滑剂，用旋压轮将其多道次拉深减薄旋压至壁厚为1-1.2mm；
4）安装协同自阻加热工装，低压大电流电源、导线、电阻棒、钛板、尾顶和碳刷架总成组成回路电流，钛板与电阻棒接触的地方温度升高，旋压轮挤压钛板塑性形变；
5）钛板的旋压：在钛板两侧涂抹高温润滑剂，钛板随主轴转动，电阻棒先接触钛板，电流回路导通，电阻棒与钛板接触的地方迅速升温至钛板成形所需的温度，随后旋压轮以给定路径对钛板进行挤压成形，此后，在数控系统驱动下，按照数控代码路径，电阻棒与旋压轮协同配合进行加热、等壁厚旋压成形，内外层金属发生热力耦合效应，即双金属筒形件旋压成形；
6）对双金属筒形件进行表面打磨抛光处理，脱模，切除头部和末端，即含钛双金属复合管制备完成。
步骤3）所述的旋压道次为多道次等壁厚旋压，主轴转速为100-110r/min，旋压轮经给量0.3-0.5mm/r，电阻棒与钛板接触温度为550-650度，电流输出大小为400-500A。
本发明有益效果在于：
（1）双金属板材制备复合管的方法简单，属于多道次拉深旋压，对机床设备要求较低，可以根据复合管的尺寸要求选择合适尺寸钛板直接旋压。
（2）对钛板协同自阻加热旋压，提升钛板的塑性形变能力，有利于钛板的快速成形。
（3）芯模设计制造周期短，有利于产品的快速开发。
（4）可以在同一台数控旋压机床上制备出不同尺寸和材质的含钛双金属复合管，实用性强。
（5）外层钛板高温旋压成形，内外层金属发生热力耦合成形，结合强度大，高温不易分层，具有使用范围广的特点。
附图说明
图1为筒形件内层金属旋压示意图；
图2为钛板协同自阻加热旋压成形示意图；
图3为双金属复合管制备流程示意图；
图中标号说明：1芯模，2筒形件内层金属，3钛板，4旋压轮，5尾顶，6高温绝缘垫片，7紧顶螺钉，8转动顶尖，9移动顶尖，10磁性固定架，11碳刷杆，12碳刷架总成，13导线，14低压大电流电源，15温度控制器，16红外线测温仪，17电阻棒。
实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种含钛双金属板材制备复合管的装置，结构如图2所示，包括芯模1、钛板3、筒形件、加工刀具组、自阻加热工装和旋压成形装置；
所述的旋压成形装置包括依次套在旋压主轴前端的移动顶尖9、转动顶尖8和尾顶5；
所述的芯模1的一端经绝缘处理安装在三爪卡盘上，另一端伸入筒形件内与筒形件内层金属2接触，钛板3夹在筒形件和尾顶之间，钛板3两侧涂抹有高温润滑剂；
所述的加工刀具组包括刀具座以及对称安装在刀具座上的电阻棒17与旋压轮4；
所述的协同自阻加热工装包括低压大电流电源14、碳刷架总成12、碳刷杆11、磁性固定架10、导线13，其中，碳刷杆11一端通过绝缘处理与碳刷架总成12过盈配合，另一端通过螺纹配合与磁性固定架10固定，磁性固定架10与移动顶尖9固定，碳刷架总成12与尾顶5滑动接触；低压大电流电源14正极通过导线13与碳刷架总成12相接，负极与电阻棒17的相连，低压大电流电源14、导线13、电阻棒17、钛板3、尾顶5和碳刷架总成12组成回路电流，钛板3与电阻棒17接触的地方温度升高，旋压轮挤压钛板塑性形变。
所述的电阻棒17与刀具座之间用耐高温绝缘垫片6隔开；尾顶5通过紧顶螺钉7固定在转动顶尖8上，尾顶5与转动顶尖8之间用耐高温绝缘垫片隔开。
所述的旋压轮4与电阻棒17位于同一个平面且相隔180度，两者关于主轴旋转轴线对称布置，且与主轴回转轴线成45度夹角。
所述的旋压轮4圆角半径与电阻棒17工具头半径均为6mm，旋压轮和工具头材质为Cr12Mo。
所述的低压大电流电源14输出电流不超过1000A,电压最高不超过36V。
所述的低压大电流电源14连接有温度控制器15。
本发明还提供了一种含钛双金属板材制备复合管的方法，如图3所示，包括以下步骤：
1）制备芯模：根据筒形件的内表面尺寸，设计制备出相同尺寸的芯模，被三爪卡盘固定的芯模的一端绝缘处理；
2）冲切出极限拉深比等于或大于4的圆形钛板；
3）内管旋压如图1所示:安装芯模和尾顶，尾顶与转动顶尖之间用耐高温绝缘垫片隔开，将钛板夹在芯模和尾顶之间，设定旋压道次，旋压轮与芯模的间隙距离小于圆形钛板的厚度，在钛板的表面刷涂油润滑剂，用旋压轮将其多道次拉深减薄旋压至壁厚为1-1.2mm；
4）安装协同自阻加热工装，低压大电流电源、导线、电阻棒、钛板、尾顶和碳刷架总成组成回路电流，钛板与电阻棒接触的地方温度升高，旋压轮挤压钛板塑性形变；
5）钛板的旋压：在钛板两侧涂抹高温润滑剂，钛板随主轴转动，电阻棒先接触钛板，电流回路导通，电阻棒与钛板接触的地方迅速升温至钛板成形所需的温度，随后旋压轮以给定路径对钛板进行挤压成形，此后，在数控系统驱动下，按照数控代码路径，电阻棒与旋压轮协同配合进行加热、等壁厚旋压成形，内外层金属发生热力耦合效应，即双金属筒形件旋压成形；
6）对双金属筒形件进行表面打磨抛光处理，脱模，切除头部和末端，即含钛双金属复合管制备完成。
步骤3）所述的旋压道次为多道次等壁厚旋压，主轴转速为100-110r/min，旋压轮经给量0.3-0.5mm/r，电阻棒与钛板接触温度为550-650度，电流输出大小为400-500A。
以下提供一种制备ф内53mm*80mm*3mm的铝钛双金属复合管的具体实施方式。
制备芯模：根据筒形件的内表面尺寸，设计制备出直径50mm,圆角R8的芯模，被三爪卡盘固定的芯模的一端绝缘处理。
冲切出极限拉深比等于6的圆形铝板和钛板，铝板厚度1.5mm、直径300，钛板厚度2mm、直径310mm。
筒形件内层旋压:安装芯模和尾顶，尾顶与转动顶尖之间用高温绝缘垫片隔开，将钛板夹在芯模和尾顶之间，设定合理的旋压道次，旋压轮与芯模的间隙距离为1.2mm，在铝板表面刷涂油润滑剂，启动数控机床，旋压轮沿给定路径将铝板多道次拉深减薄旋压至壁厚为1.2mm，即ф51.2mm的铝筒形件制备完成。
安装协同自阻加热工装：电阻棒与旋压轮对称的安装在刀座上，电阻棒与刀座之间用耐高温绝缘垫片隔开；尾顶与转动顶尖之间用耐高温绝缘垫片隔开，碳刷架总成与尾顶滑动接触，碳刷架总成通过碳刷杆与支持架固定，支持架通过螺栓与移动顶尖固定；低压大电流电源正极与碳刷架总成相连，负极与电阻棒相连；低压大电流电源、导线、电阻棒、钛板、尾顶和碳刷架总成组成回路电流，钛板与电阻棒接触的地方温度升高，旋压轮挤压钛板塑性形变。
钛板的旋压：在钛板两侧涂抹高温润滑剂，钛板随主轴转动，电阻棒先接触钛板，电流回路导通，电阻棒与钛板接触的地方迅速升温至钛板成形所需的温度，随后钛板转过180度后旋压轮对钛板进行挤压成形；此后，在数控系统驱动下，按照数控代码路径，电阻棒与旋压轮协同配合进行加热、等壁厚旋压成形；主轴转速为100-110r/min，旋压轮经给量0.3-0.5mm/r，电阻棒与钛板接触温度为550-650度，电流输出大小为400-500A，即ф53.2mm的铝钛筒形件制备完成。
对双金属筒形件进行表面打磨抛光0.2mm，脱模，切除头部和末端，即ф内53mm*80mm*3mm的铝钛双金属复合管制备完成。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种含钛双金属板材制备复合管的装置，其特征在于：包括芯模（1）、钛板（3）、筒形件、加工刀具组、自阻加热工装和旋压成形装置；
所述的旋压成形装置包括依次套在旋压主轴前端的移动顶尖（9）、转动顶尖（8）和尾顶（5）；
所述的芯模（1）的一端经绝缘处理安装在三爪卡盘上，另一端伸入筒形件内与筒形件内层金属（2）接触，钛板（3）夹在筒形件和尾顶之间，钛板（3）两侧涂抹有高温润滑剂；
所述的加工刀具组包括刀具座以及对称安装在刀具座上的电阻棒（17）与旋压轮（4）；
所述的自阻加热工装包括低压大电流电源（14）、碳刷架总成（12）、碳刷杆（11）、磁性固定架（10）、导线（13），其中，碳刷杆（11）一端通过绝缘处理与碳刷架总成（12）过盈配合，另一端通过螺纹配合与磁性固定架（10）固定，磁性固定架（10）与移动顶尖（9）固定，碳刷架总成（12）与尾顶（5）滑动接触；低压大电流电源（14）正极通过导线（13）与碳刷架总成（12）相接，负极与电阻棒（17）的相连，低压大电流电源（14）、导线（13）、电阻棒（17）、钛板（3）、尾顶（5）和碳刷架总成（12）组成回路电流，钛板（3）与电阻棒（17）接触的地方温度升高，旋压轮挤压钛板塑性形变。
2.根据权利要求1所述的含钛双金属板材制备复合管的装置，其特征在于：所述的电阻棒（17）与刀具座之间用耐高温绝缘垫片（6）隔开；尾顶（5）通过紧顶螺钉（7）固定在转动顶尖（8）上，尾顶（5）与转动顶尖（8）之间用耐高温绝缘垫片隔开。
3.根据权利要求1所述的含钛双金属板材制备复合管的装置，其特征在于：所述的旋压轮（4）与电阻棒（17）位于同一个平面且相隔180度，两者关于主轴旋转轴线对称布置，且与主轴回转轴线成45度夹角。
4.根据权利要求1所述的含钛双金属板材制备复合管的装置，其特征在于：所述的旋压轮（4）圆角半径与电阻棒（17）工具头半径均为6mm，旋压轮和工具头材质为Cr12Mo。
5.根据权利要求1所述的含钛双金属板材制备复合管的装置，其特征在于：所述的低压大电流电源（14）输出电流不超过1000A,电压最高不超过36V。
6.根据权利要求1所述的含钛双金属板材制备复合管的装置，其特征在于：所述的电阻棒（17）与钛板（3）接触处设置有红外线温度传感器（16），红外线温度传感器（16）和低压大电流电源（14）均与温度控制器（15）连接。
7.一种含钛双金属板材制备复合管的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）制备芯模：根据筒形件的内表面尺寸，设计制备出相同尺寸的芯模，被三爪卡盘固定的芯模的一端绝缘处理；
2）冲切出极限拉深比等于或大于4的圆形钛板；
3）内管旋压:安装芯模和尾顶，尾顶与转动顶尖之间用耐高温绝缘垫片隔开，将钛板夹在芯模和尾顶之间，设定旋压道次，旋压轮与芯模的间隙距离小于圆形钛板的厚度，在钛板的表面刷涂油润滑剂，用旋压轮将其多道次拉深减薄旋压至壁厚为1-1.2mm；
4）安装协同自阻加热工装，低压大电流电源、导线、电阻棒、钛板、尾顶和碳刷架总成组成回路电流，钛板与电阻棒接触的地方温度升高，旋压轮挤压钛板塑性形变；
5）钛板的旋压：在钛板两侧涂抹高温润滑剂，钛板随主轴转动，电阻棒先接触钛板，电流回路导通，电阻棒与钛板接触的地方迅速升温至钛板成形所需的温度，随后旋压轮以给定路径对钛板进行挤压成形，此后，在数控系统驱动下，按照数控代码路径，电阻棒与旋压轮协同配合进行加热、等壁厚旋压成形，内外层金属发生热力耦合效应，即双金属筒形件旋压成形；
6）对双金属筒形件进行表面打磨抛光处理，脱模，切除头部和末端，即含钛双金属复合管制备完成。
8.根据权利要求7所述的含钛双金属板材制备复合管的方法，其特征在于步骤3）所述的旋压道次为多道次等壁厚旋压，主轴转速为100-110r/min，旋压轮经给量0.3-0.5mm/r，电阻棒与钛板接触温度为550-650度，电流输出大小为400-500A。
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