CN110340165B - 脉冲电流辅助拉拔制备金属复合管材的装置及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲电流辅助拉拔制备金属复合管材的装置及其加工方法，其主要包括底座、拉头、拉拔外模支撑座、拉拔外模、游动芯模、碳刷固定架、碳刷、脉冲电源箱、感应线圈固定架、感应线圈和感应线圈夹具，本发明先通过感应线圈对金属管材加热到适当温度，随后引入脉冲电流到金属管材拉拔的塑性变形区内，拉拔后外基管和内衬管两者中至少外基管发生塑性变形，制备的金属复合管材复合效果更好、塑性得到了显著的提升、加工硬化率降低、减少了成品加工道次，更符合经济要求。

Description

脉冲电流辅助拉拔制备金属复合管材的装置及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种拉拔制备金属复合管材的装置及其加工方法，特别涉及一种脉冲电流辅助拉拔制备金属复合管材的装置及其加工方法。

背景技术

随着电塑性理论的逐渐完善，在金属塑性加工中，将脉冲电流引入到金属塑性变形区内往往可以降低金属的变形抗力、提高产品塑性极限、改善金属表面质量和组织、特别适合难成型或低塑性材料。目前电塑性效应虽然已用于拔丝、轧制、切削等领域，但是距离工程领域全方面大范围应用还需要一段的很长发展时间。目前常见的制备金属复合管材的加工技术有离心浇铸生产法、金属爆炸成形法、双金属套管加热轧制法等等。其中，离心浇铸生产法即在连续铸造外层金属坯壳的同时填充浇铸芯部金属，在液态金属材料浇铸过程中，需要考虑到惰性气体的保护、金属复合管材材料间温差的限制、设备的大量投入等等；金属爆炸成型法利用爆炸物爆炸瞬间释放出巨大的化学能对金属管坯进行高能成型，虽然所用设备简单且成型灵活，但往往用于大尺寸、加工精度不高的复合管材，且生产效率低；双金属套管加热轧制法，先进行加热、在温度达到要求后同时进行轧制，由于初步加热的温度很高，预热时间长，而轧制道次过少则会在一段时间后，金属复合管材的复合层出现裂纹、脱落等质量问题，故往往需要多道次工艺，对管坯尺寸、生产线和资金等方面提出了更为严格的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种经加热后在金属管材的塑性变形区内引入脉冲电流，通过电塑性拉拔来制备复合效果良好的金属复合管材，即脉冲电流辅助拉拔制备金属复合管材的装置及其加工方法。

一种脉冲电流辅助拉拔制备金属复合管材的装置，其包括：底座、拉拔外模支撑座、拉拔外模、拉头、固定长芯模、碳刷、碳刷固定架、脉冲电源箱、感应线圈、感应线圈固定架、感应线圈夹具，所述拉拔外模支撑座和所述管材支撑座垂直固定于所述底座的两端，所述拉拔外模固定于拉拔外模支撑座的上端，金属管材通过所述管材支撑座进行支撑；所述拉头的第一端通过所述拉头圆槽连接所述拉车，所述拉头的第二端通过所述拉头固定夹具对所述连接块的第一端进行夹紧，所述连接块的第二端与所述板条的第一端进行焊接连接，所述板条的第二端与所述管材凹槽焊接焊接；所述碳刷通过所述碳刷固定架进行固定，所述碳刷位于金属管材的拉拔区附近，所述脉冲电源箱通过所述碳刷向金属管材的拉拔区输出第一种参数脉冲电流，所述碳刷的弧度面与所述外基管的外表面相接触，在金属管材的拉拔区处，沿径向从外到内依次为所述拉拔外模、外基管、复合层、内衬管、所述固定长芯模的锥度台，所述内衬管与所述固定长芯模的锥度台相接触；所述感应线圈圆环部的内表面与所述外基管外表面的距离一致，所述感应线圈通过所述感应线圈固定架进行固定，所述感应线圈夹具与所述感应线圈连接，所述脉冲电源箱通过所述感应线圈夹具上的圆柱体向所述感应线圈输出第二种参数脉冲电流；在金属管材的加热处，沿径向从外到内依次为所述感应线圈、外基管、内衬管、所述固定长芯模的圆柱台，所述内衬管与所述固定长芯模的圆柱台相接触；所述固定长芯模为阶梯轴，端部设有螺纹，并连接有螺母，所述圆柱台的第一端由所述固定长芯模的轴肩进行轴向定位，所述圆柱台的第二端通过轴套、垫片与所述锥度台的第一端相连，所述锥度台的第二端通过所述螺母进行轴向定位。

优选地，所述碳刷固定架、所述感应线圈固定架、所述管材支撑座和所述拉头固定夹具为绝缘体，所述感应线圈夹具导电性良好且耐高温。

本发明的另一方面，提供了一种利用前述脉冲电流辅助拉拔制备金属复合管材的装置的加工方法，具体包括步骤如下：

a.选取材料不同、直径不同的金属管材分别作为复合管材的外基管、内衬管，在金属管材的端部处设有所述管材凹槽，并对金属管材的复合表面进行处理，再将所述外基管和所述内衬管进行叠套，保证金属管材的两侧顶端对齐；

b.将所述管材凹槽端作为进管端，金属管材从左向右输送，通过所述拉拔外模后，所述管材凹槽与所述连接块通过所述板条相连，所述连接块由所述拉头固定夹紧，将所述固定长芯模插入所述内衬管中，将所述碳刷置于管材拉拔区临近处，所述碳刷的弧度面与所述外基管的外表面接触；

c.通过所述感应线圈对金属管材进行加热，设置加热温度于拉拔速度，所述外基管和所述内衬管接触表面进行初步结合，所述内衬管与所述固定长芯模的圆柱台相接触；

d.启动所述拉车，金属管材由左向右移动，同时，所述脉冲电源箱将第一种脉冲电流通过所述碳刷引入到金属管材拉拔区内，所述外基管和所述内衬管的接触表面同时进行物理、冶金方面的结合，复合层厚度增加，制备金属复合管材；

经过电塑性拉拔后，在外基管和内衬管之中保证外基管发生塑性变形，根据金属管材的材料、性质和厚度需要，选择脉冲电源参数、拉拔速度和单道次缩径率；

e.加工结束后，关闭所述拉车和所述脉冲电源箱，将金属管材端部的管材凹槽部分切除。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)金属管材先通过感应线圈进行加热，选定适当的加热温度、拉拔速度，加热温度不需要过高，节省了预热时间，提升了效率，优化了生产线，经济性更好；

(2)在将脉冲电流引入到金属管材拉拔的塑性变形区内时，拉拔过程中外基管和内衬管的接触表面还同时经过了物理、冶金两方面的结合，复合效果更好，塑性显著提高，加工硬化率降低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明装置及方法进一步说明：

图1是本发明装置一个实施例的等轴测图；

图2是本发明装置一个实施例的去除拉车后的半剖主视图；

图3是本发明装置一个实施例的拉拔变形区的半剖主视图；

图4是本发明装置一个实施例的拉车、拉头、板条、连接块、金属管材凹槽处的等轴测图；

图5是本发明装置一个实施例的碳刷接触处的等轴测图；以及

图6是本发明装置一个实施例的固定长芯模的等轴测图。

附图标记：

底座1；拉拔外模支撑座2；管材支撑座3；拉拔外模4；拉车5；拉车锁紧部件51；拉头61；拉头圆槽611；拉头固定夹具612；连接块62；板条63；管材凹槽7；碳刷81；碳刷接线柱811；碳刷固定架82；固定长芯模9；螺母91；锥度台92；垫片93；轴套94；圆柱台95；阶梯轴96；脉冲电源箱10；感应线圈111；感应线圈夹具112；感应线圈固定架113；外基管121；复合层122；内衬管123。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图6所示，拉拔外模支撑座2、管材支撑座3通过焊接方式固定于底座1上，拉拔外模4通过焊接方式固定于拉拔外模支撑座2的上端，管材支撑座3用以支撑金属管材，拉头61的第一端连接拉车5，具体连接方式为：拉头圆槽611与拉车锁紧部件51相互配合锁紧；拉头61的第二端通过拉头固定夹具612对连接块62的第一端进行夹紧，连接块62的第二端通过焊接方式与板条63相连，板条63的另一侧通过焊接方式与管材凹槽7相连。

金属管材的端面处共有4个长方形凹槽，每个长方形凹槽中心线沿圆周的角度相隔90°，碳刷81通过碳刷固定架82进行固定位置，碳刷81分别位于金属管材的拉拔区附近且位于金属管材拉拔区沿轴向的两侧处，碳刷81的弧度面与外基管121的外表面相接触，碳刷固定架82可以通过支撑架连接的方式在空间中固定位置，在金属管材的拉拔区，沿径向从外到内依次为拉拔外模4、外基管121、复合层122、内衬管123以及固定长芯模9中的锥度台92，此时，内衬管123与锥度台92相接触，脉冲电源箱10输出第一种参数脉冲电流通过碳刷81施加到金属管材的拉拔区内。

脉冲电源箱10的正、负极通过导线分别与沿轴向两侧的碳刷接线柱811相连，感应线圈111靠感应线圈固定架113在空间中固定位置，感应线圈111圆环部的内表面与外基管121外表面的距离一致，保证加热均匀，在选定感应线圈固定架113的直径时要保证可以对感应线圈111有足够的支撑，感应线圈固定架113可以通过支撑架连接的方式在空间中固定位置脉冲电源箱10输出第二种参数脉冲电流，导线两端分别连接感应线圈夹具112上的圆柱体，感应线圈夹具112通过螺纹固定于感应线圈111的上部，此时，感应线圈夹具112起到将脉冲电源箱10输出的电流施加到感应线圈111上的作用，在感应线圈111的加热处，沿径向从外到内依次为感应线圈111、外基管121、内衬管123、圆柱台95，此时，内衬管123与圆柱台95相接触。

对于固定长芯模9，圆柱台95、锥度台92可根据要求更换尺寸，沿轴向分别为阶梯轴96、圆柱台95、垫片93、轴套94、垫片93、锥度台92、垫片93、螺母91，并由阶梯轴96一侧的端部螺纹进行锁紧；碳刷固定架82、感应线圈固定架113、管材支撑座3、拉头固定夹具612为绝缘体；感应线圈夹具112导电性良好且耐高温，通过调节脉冲电源箱10的按钮来控制输出电流的开关和输出脉冲电流的参数。

本具体实施例中主要是制备双层金属复合管材，但可以通过多道次拉拔工艺制备多层金属复合管材，脉冲电源箱10输出的第二种参数脉冲电流作用于感应线圈111上，利用线圈感应加热的原理，通过向线圈提供交变电流，流过线圈的交变电流产生一个通过金属管材的交变磁场，该磁场使金属管材产生涡流来加热，对于脉冲电源箱10输出的第二种参数脉冲电流是为了保证金属管材迅速升温加热，即由外基管121向内衬管123进行热传导。

对于脉冲电源箱10输出的第一种参数脉冲电流，在实际中，对于不同的管材材料、尺寸、单道次减径量、拉拔速度、固定长芯模的锥度台设计及最后金属复合管材成品要求，脉冲电流的参数意味着也要随之调整，因此，脉冲电流参数并不是固定值，目前，国内外认为电流导致金属流动应力下降的机理是焦耳热效应、集肤效应、磁压缩效应、纯电塑性效应等，但并没有精确预测以上多个参数对拉拔后效果的理论影响模型，在一定范围内，通过提高电流密度可以增强电塑性效应，即拉拔后制备的金属管材复合效果更好。

在本具体实施例中是通过拉拔减径制备金属复合管材，其中，拉拔减径制备金属复合管材输入端的管径大于输出端的管径；还可以通过拉拔扩径制备金属复合管材，其中，管材输出端的管径大于管材输入端的管径，固定长芯模9和拉拔外模4的尺寸也需重新调整。

目前，基于电塑性理论条件下，有在电流作用时金属应变速率公式为：

—有电流作用时金属应变速率；

—无电流作用时金属应变速率；

通过实验可以测定宏观条件下应力应变关系，然后根据本公式可以进一步推导得出在脉冲电流作用下应力应变之间的关系，对脉冲电流辅助拉拔制备金属复合管材所受应力和变形情况有一定的理论参考。

本发明的方法包括以下步骤：

a.选取材料、直径不同的金属管材分别作为复合管材的外基管121、内衬管123，其中，外基管121的内径大于内衬管123的外径，以便于内衬管123插入外基管121中，先在金属管材的一侧端部处加工出管材凹槽7，随后对金属管材的复合表面进行处理，结束后，将外基管121和内衬管123叠套起来，叠套后金属管材的两侧顶端对齐。

b.将叠套后金属管材的加工出管材凹槽7的这侧作为进管端，金属管材从左向右输送，在通过拉拔外模4后，管材凹槽7与连接块62通过板条63焊接，连接块62由拉头61固定夹紧，随后，将固定长芯模9插入到内衬管123中置于合适位置，将碳刷81置于管材拉拔区临近处，碳刷81的弧度面与外基管121的外表面接触。

c.通过脉冲电源箱10控制第二种参数脉冲电流的电流密度、脉宽和频率参数，通过感应线圈111对金属管材进行加热，根据不同的要求选择合适的加热温度，调节拉拔速度，外基管121、内衬管123首先受热膨胀，再进行接触，两类金属原子在接触面相互扩散，初步形成复合层。

d.启动拉车5，金属管材以一定速度继续从左向右输送，同时，脉冲电源箱10将第一种脉冲电流通过碳刷81引入到金属管材拉拔区内，外基管121和内衬管123的接触表面同时进行物理、冶金方面的结合，复合层厚度进一步增加，效果明显；金属管材在拉拔过程中，从左向右输送，输入端的管径大于输出端的管径，经过电塑性拉拔后，在外基管121和内衬管123之中保证外基管121发生塑性变形，根据金属管材的材料、性质、厚度需要选择合理的脉冲电源参数、拉拔速度、单道次缩径率；在实际连续生产中，由于生产线限制，拉拔速度往往固定，大多通过脉冲电源箱10控制第二种参数脉冲电流的基本参数，即电流密度、脉宽、频率来调整拉拔后金属管材的复合效果。

e.加工结束后，关闭拉车5和脉冲电源箱10，将管材凹槽7与板条63的焊接处的部分切除。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种脉冲电流辅助拉拔制备金属复合管材的装置，其包括：底座、拉拔外模支撑座、拉拔外模、拉头、固定长芯模、碳刷、碳刷固定架、脉冲电源箱、感应线圈、感应线圈固定架和感应线圈夹具，其特征在于：

所述拉拔外模支撑座和管材支撑座垂直固定于所述底座的两端，所述拉拔外模固定于拉拔外模支撑座的上端，金属管材通过所述管材支撑座进行支撑；

所述拉头的第一端通过拉头圆槽连接拉车，所述拉头的第二端通过拉头固定夹具对连接块的第一端进行夹紧，所述连接块的第二端与板条的第一端进行焊接连接，所述板条的第二端与管材凹槽焊接连接；

所述碳刷通过所述碳刷固定架进行固定，所述碳刷位于金属管材的拉拔区，所述脉冲电源箱通过所述碳刷向金属管材的拉拔区输出第一种参数脉冲电流，所述碳刷的弧度面与外基管的外表面相接触，在金属管材的拉拔区处，沿径向从外到内依次为所述拉拔外模、外基管、复合层、内衬管和所述固定长芯模的锥度台，所述内衬管与所述固定长芯模的锥度台相接触；

所述感应线圈圆环部的内表面与所述外基管外表面的距离一致，所述感应线圈通过所述感应线圈固定架进行固定，所述感应线圈夹具与所述感应线圈连接，所述脉冲电源箱通过所述感应线圈夹具上的圆柱体向所述感应线圈输出第二种参数脉冲电流；

在金属管材的加热处，沿径向从外到内依次为所述感应线圈、外基管、内衬管和所述固定长芯模的圆柱台，所述内衬管与所述固定长芯模的圆柱台相接触，以及

所述固定长芯模为阶梯轴，端部设有螺纹，并连接有螺母，所述圆柱台的第一端由所述固定长芯模的轴肩进行轴向定位，所述圆柱台的第二端通过轴套、垫片与所述锥度台的第一端相连，所述锥度台的第二端通过所述螺母进行轴向定位。

2.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助拉拔制备金属复合管材的装置，其特征在于：所述碳刷固定架、所述感应线圈固定架、所述管材支撑座和所述拉头固定夹具为绝缘体，所述感应线圈夹具导电性良好且耐高温。

3.一种利用权利要求2所述脉冲电流辅助拉拔制备金属复合管材的装置的加工方法，其特征在于：使用步骤如下：

a.选取材料不同、直径不同的金属管材分别作为复合管材的外基管和内衬管，在金属管材的端部处设有所述管材凹槽，并对金属管材的复合表面进行处理，再将所述外基管和所述内衬管进行叠套，保证金属管材的两侧顶端对齐；

b.将所述管材凹槽端作为进管端，金属管材从左向右输送，通过所述拉拔外模后，所述管材凹槽与所述连接块通过所述板条相连，所述连接块由所述拉头固定夹紧，将所述固定长芯模插入所述内衬管中，将所述碳刷置于管材拉拔区临近处，所述碳刷的弧度面与所述外基管的外表面接触；

c.通过所述感应线圈对金属管材进行加热，设置加热温度与拉拔速度，所述外基管和所述内衬管接触表面进行初步结合，所述内衬管与所述固定长芯模的圆柱台相接触；

d.启动所述拉车，金属管材由左向右移动，同时，所述脉冲电源箱将第一种脉冲电流通过所述碳刷引入到金属管材拉拔区内，所述外基管和所述内衬管的接触表面同时进行物理、冶金方面的结合，复合层厚度增加，制备金属复合管材；

经过电塑性拉拔后，在外基管和内衬管之中保证外基管发生塑性变形，根据金属管材的材料、性质和厚度需要，选择脉冲电源参数、拉拔速度和单道次缩径率；以及

e.加工结束后，关闭所述拉车和所述脉冲电源箱，将金属管材端部的管材凹槽部分切除。

Images