CN111495996B - 一种微型薄壁金属管的充液拉拔装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微型薄壁金属管拉拔相关技术领域，其公开了一种微型薄壁金属管的充液拉拔装置及方法，充液拉拔装置包括成形组件及压力控制组件，成形组件为对称结构，其用于固定微型薄壁金属管坯、以及用于在拉拔过程中进行导向；成形组件的两端分别通过液体管道连接于压力控制组件；压力控制组件用于通过液体管道提供压力液体给成形组件，并用于控制微型薄壁金属管坯内的压力液体的压力值；成形组件包括拉拔部、模具部、浮动部及导向部，拉拔部、模具部及浮动部间隔设置，拉拔部及浮动部分别用于固定微型薄壁金属管坯的两端，微型薄壁金属管坯与液体管道相连通。本发明可以减少拉拔中裂纹产生、提高成形极限，提高了效率及质量，降低了成本。

Description

一种微型薄壁金属管的充液拉拔装置及方法
技术领域
本发明属于微型薄壁金属管拉拔相关技术领域，更具体地，涉及一种微型薄壁金属管的充液拉拔装置及方法。
背景技术
微型薄壁金属管如今被广泛地应用于换热部件、生物医疗、电子器件等，并且需求量日益增加。传统的管材拉拔工艺主要有空拉拔、固定芯头拉拔、带芯拉拔和游动芯头拉拔。
在微型薄壁金属管的加工中，由于芯轴加工困难并且在拉拔后难以取出，固定芯头拉拔和带芯拉拔无法加工较长的微管，而游动芯头拉拔容易造成拉拔过程的不稳定而破裂，因此固定芯头拉拔、带芯拉拔和游动芯头拉拔并不适用于薄壁微型金属管的拉拔成形。采用空拉拔工艺时，壁厚在拉拔过程中的增厚难以控制且成形极限较小，容易产生破裂、失稳、皱缩等缺陷，并且内表面由于自由变形使得表面质量变差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微型薄壁金属管的充液拉拔装置及方法，其包括成形组件和压力控制组件，成形组件用于固定管材，保证内部压力管路的密封性，并且为管材拉拔成形提供模具；压力控制组件为液体提供压力来源，并且控制液体压力。同时，在微型金属管内部通入高压液体进行拉拔的工艺，可以减少微型金属管内部裂纹的产生、抑制壁厚增加和起皱现象、提高成形极限，用压力液体替代芯轴，解决了微型金属管拉拔过程中芯轴难以取出的问题。微型金属管充液拉拔工艺可以得到力学性能优异，表面质量良好的微型薄壁金属管材。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微型薄壁金属管的充液拉拔装置，所述充液拉拔装置包括成形组件及压力控制组件，所述成形组件为对称结构，其用于固定微型薄壁金属管坯、以及用于在拉拔过程中进行导向；所述成形组件的两端分别通过液体管道连接于所述压力控制组件；所述压力控制组件用于通过所述液体管道提供压力液体给所述成形组件，并用于控制所述微型薄壁金属管坯内的压力液体的压力值；
所述成形组件包括拉拔部、模具部、浮动部及导向部，所述拉拔部、所述模具部及所述浮动部间隔设置，所述导向部包括导柱，所述导柱的一端依次穿过所述浮动部及所述模具部后连接于所述拉拔部；所述拉拔部及所述浮动部分别通过液体管道连接于所述压力控制组件；所述拉拔部及所述浮动部分别用于固定所述微型薄壁金属管坯的两端，所述微型薄壁金属管坯与所述液体管道相连通。
进一步地，所述压力控制组件包括油箱、过滤器、液压泵、PLC控制器、单向阀、截止阀和压力传感器。
进一步地，所述充液拉拔装置通过所述拉拔部及所述浮动部连接于拉拔设备。
进一步地，所述拉拔部包括拉拔导块、固定块、密封块、夹头及压边圈，所述拉拔导块连接于所述液体管道，所述固定块开设有第一凹槽及第二凹槽，所述第二凹槽贯穿所述第一凹槽的底面，所述夹头设置在所述第二凹槽内，所述密封块设置在所述第一凹槽内，且所述密封块位于所述拉拔导块与所述固定块之间；所述固定块连接于所述拉拔导块；所述夹头用于固定所述微型薄壁金属管坯；所述压边圈连接于所述固定块。
进一步地，所述拉拔导块开设有沉头孔；所述密封块开设有第一通孔，所述夹头由两个半圆环组成，所述第二凹槽的底面开设有第二通孔；所述沉头孔、所述第一通孔、所述夹头及所述第二通孔相连通；所述沉头孔与所述液体管道相连通。
进一步地，所述拉拔部还包括密封圈，所述拉拔导块与所述密封块之间、所述密封块与所述固定块之间、所述固定块与所述压边圈之间均设置有所述密封圈。
进一步地，所述模具部包括拉拔模具、固定盖及模座，所述固定盖连接于所述模座，所述拉拔模具安装于所述固定盖与所述模座所形成的空间内。
按照本发明的另一个方面，提供了一种微型薄壁金属管的充液拉拔方法，所述方法包括以下步骤：
（1）提供如上所述的微型薄壁金属管的充液拉拔装置，并将缩口后的微型薄壁金属管坯的一端穿过所述模具部，同时将微型薄壁金属管坯的两端分别固定在所述拉拔部及所述浮动部；
（2）检测所述充液拉拔装置内部液体管路的密封性，所述压力控制组件向所述微型薄壁金属管坯内充入压力液体，并将所述压力液体的压力控制在预定数值；
（3）对导柱、导套和拉拔模具进行有效润滑，所述拉拔部随拉拔设备移动，由此带动所述微型薄壁金属管坯以预定速度进行充液拉拔，与此同时浮动部以一定速度在导柱上自由滑动。
进一步的，管材内部液体的压力应当足够大以提高管材成形性能，但不能使管材屈服而发生径向的塑性变形，管材内部液体的压力取P=2ασt/d。其中α为安全系数，取0.5~0.8；σ为管坯材料的屈服强度MPa；t为管壁的厚度mm；d为拉拔前管坯的内径mm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的微型薄壁金属管的充液拉拔装置及方法主要具有以下有益效果：
1. 在微型薄壁金属管材中充入压力液体来代替芯轴，解决了芯轴加工困难以及在管材拉拔之后芯轴难以取出的问题，免去了芯轴的加工，以及拉拔后取出芯轴的工序，提高了生产效率，降低了生产成本。
2. 在金属管材拉拔过程中在内部充入高压液体，可以改善金属管材的表面质量，尤其是提高成形金属管内壁的表面质量，抑制金属管内壁裂纹的产生。
3. 在微型薄壁金属管材内部充入高压液体进行拉拔，可以抑制金属管材在拉拔过程中壁厚的增加，有利于得到壁厚更薄的金属管材。
附图说明
图1是本发明提供的微型薄壁金属管的充液拉拔装置的示意图；
图2是图1中的微型薄壁金属管的充液拉拔装置的工作原理示意图；
图3是图1中的微型薄壁金属管的充液拉拔装置的拉拔模具的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-拉拔导块，2-固定块，3-密封块，4-夹头，5-密封圈，6-压边圈，7-拉拔模具，7-1-模套，7-2-模芯，7-3-垫块，8-固定盖，9-模座，10-浮动导块，11-导柱，12-导块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2及图3，本发明提供的微型薄壁金属管的充液拉拔装置，所述充液拉拔装置在对微型薄壁金属管进行拉拔时，在微型薄壁金属管内部充入压力液体来替代芯轴，以提高微型薄壁金属管的成形质量与成形极限。
所述充液拉拔装置包括成形组件及压力控制组件，所述成形组件用于安装拉拔模具、固定管材、拉拔过程中进行导向、密封管材内部的压力液体；所述压力控制组件用于在拉拔过程中为液体提供压力，并且在管材拉拔成形过程中保持内部压力液体的稳定。
所述压力控制组件通过液体管道与所述成形组件相连接，其包括相连接的油箱、过滤器、液压泵、PLC控制器、单向阀、截止阀及压力传感器。
所述成形组件包括拉拔部、模具部、浮动部及导向部，所述拉拔部、所述模具部及所述浮动部依次间隔设置，所述导向部连接所述拉拔部、所述模具部及所述浮动部。工作时，所述成形组件通过所述拉拔部及所述浮动部连接于拉拔设备上。
所述拉拔部包括拉拔导块1、固定块2、密封块3、夹头4及密封圈5，所述拉拔导块1开设有沉头孔，所述沉头孔用于供压力液体通过。本实施方式中，所述沉头孔的中心轴与所述拉拔导块1的中心轴重合。所述拉拔导块1的顶部还设置有一个圆柱形凸台，所述圆柱形凸台的外周形成有外螺纹，所述拉拔导块1通过所述外螺纹与液体管道螺纹连接。本实施方式中，所述圆柱形凸台的中心轴与所述拉拔导块1的中心轴重合，所述沉头孔贯穿所述圆柱形凸台。所述拉拔导块1还开设有两个第一螺纹孔，两个所述第一述螺纹孔关于所述沉头孔对称，所述第一螺纹孔用于与所述导向部相连接。
所述密封块3开设有第一通孔，所述第一通孔与所述沉头孔相连通，且两者的中心轴重合。所述密封块3的上下表面还开设有环形槽，所述环形槽用于安装密封圈，以保证所述密封块3与所述拉拔导块1之间的密封性、以及所述密封块3与所述固定块2之间的密封性。所述密封块3还开设有一个定位孔，所述定位孔与定位销相配合，以将所述密封块3固定在所述固定块2上。
所述固定块2朝向所述拉拔导块1的表面开设有第一凹槽，所述第一凹槽的底面开设有第二凹槽，所述第二凹槽的底面开设有第二通孔，所述第二通孔与所述第一通孔相连通，且两者的中心轴重合。所述密封块3设置在所述第一凹槽内，所述夹头4设置在所述第二凹槽内，所述第二通孔用于供压力液体及管材通过。所述固定块2还开设有三个绕所述固定块2的中心轴均匀分布的安装孔，三个所述安装孔与螺栓配合以将所述固定块2安装在所述拉拔导块1上。
所述夹头4用于固定管材，其包括两个半圆环，所述半圆环的相对的表面上形成凸起，以便于固定所述管材，且所述半圆环开设有连接孔，所述连接孔用于安装螺栓，以通过螺栓使得两个所述半圆环相连接，继而将管材固定在所述夹头4内。
所述压边圈6连接于所述固定块2远离所述拉拔导块1的一侧，其开设有第三通孔，所述第三通孔与所述第二通孔相连通，且两者的中心轴重合。本实施方式中，所述压边圈6通过螺栓连接于所述固定块2上。所述压边圈6与所述固定块2之间设置有所述密封圈5，所述密封圈5用于保证所述压边圈6与所述固定块2之间连接的密封性。
所述模具部包括拉拔模具7、固定盖8及模座9，所述固定盖8连接于所述模座9，所述拉拔模具7安装于所述固定盖8与所述模座9所形成的空间内。所述固定盖8为带法兰圆盖，轴心开有通孔，用于安装所述拉拔模具7，并供管材穿过。所述固定盖8带有法兰圆盘，所述法兰圆盘通过螺栓连接到所述模座9上。所述模座9开设有第四通孔，所述第四通孔贯穿所述模座，其用于供管材穿过。所述模座9还开设有两个第一导向孔，两个所述第一导向孔相对于所述第四通孔对称设置，所述模座9通过所述导向孔与所述导向部相连接。
所述拉拔模具7包括模套7-1、模芯7-2及垫块7-3，所述模套7-1形成有第三凹槽及第四凹槽，所述第四凹槽与所述第三凹槽相连通，且所述第四凹槽贯穿所述第三凹槽的底面，所述模芯7-2及所述垫块7-3分别安装在所述第三凹槽内，所述垫块7-3将所述模芯7-2抵靠在所述第四凹槽的底面上。
本实施方式中，所述拉拔模具7针对不同零件采用不同的材料，所述模套7-1的材料为45钢，所述模芯7-2的材料为YG15，所述垫块7-3的材料为45钢，所述垫块7-3与所述模套7-1之间采用紧配合，用以固定所述模芯7-3。
所述模芯7-2的直径φd为12mm，长度l为10mm，其沿薄壁微型管拉拔方向依次为润滑带、工作带、定径带和减压带。润滑带模口圆角R为2mm，润滑角2β为40°，该值可以使润滑液的存储和流动达到一个比较理想的状态。工作带模角2α为12°，长度h1为4mm，该值可以保证微型金属管外壁与模芯7-2有较为合理的接触面积，控制摩擦力，同时避免变形量过大使管材产生成形缺陷。定径带直径φd1为1.9mm，长度h为0.5mm，该值可以使管材进一步获得稳定、精确的尺寸与形状，并且防止模孔磨损而很快超差，延长模具使用寿命。减压带锥角2γ为60°，长度为l1，该值可以防止管材出模孔时被划伤，并且防止定径带出口端因受力而引起剥落。模套7-1的外径φd2为28mm，长度l2为20mm，垫块7-3高度l3为3mm。
在一些发明实例中，微型薄壁金属管的材料为紫铜，管坯的外径为2.1mm，管壁厚度为0.05mm；内部压力液体的压力为P=2ασt/d。其中α为安全系数，在本实施例中取0.8；σ为管坯材料的屈服强度MPa，在本实施例中紫铜的屈服强度为60MPa；t为管壁的厚度mm，在本实施例中为0.05mm；d为管坯的内径mm，在本实施例中为1.9mm。在本实施例中内部压力液体取2.5MPa。
特别的，采用卧式万能拉伸试验机进行微型金属管充液拉拔，拉拔速度为5mm/s，该拉拔速度为比较合适的拉拔速度，可以使微型金属管在拉拔过程中变形更为均匀，减少皱缩和裂纹的出现，提升管材的表面质量。
所述浮动部与所述拉拔部的结构基本相同，不同点在于所述浮动部包括浮动导块10，而不包括拉拔导块1，即采用所述浮动导块10替代所述拉拔导块1，所述浮动导块10与所述拉拔导块1基本相同，不同点在于所述拉拔导块1的第一螺纹孔采用第二导向孔代替，所述第二导向孔贯穿所述浮动导块10。本实施方式中，所述拉拔部与所述浮动部相对设置；所述浮动部通过液体管道与所述压力控制组件相连接。
所述导向部包括四个导套12及两个导柱11，四个所述导套12分别设置在两个所述第一导向孔及两个所述第二导向孔内，所述导柱11的一端依次穿过设置在所述第二导向孔内的导套12及设置在所述第一导向孔内的导套12后伸入所述第一螺纹孔，并与所述第一螺纹孔形成螺纹连接。所述导套12与所述第一导向孔之间为过盈配合，所述导套12与所述第二导向孔之间也为过盈配合。
其中，拉拔部随拉拔设备运动，模具部固定不动，浮动部沿所述导柱11自由滑动，所述拉拔部及所述浮动部由所述导柱11进行导向，以保证管材在拉拔成形后的平直度，提高了成形质量。
本发明还提供了一种微型薄壁金属管的充液拉拔方法，所述方法主要包括以下步骤：
（1）将模座9在拉拔设备上固定，然后将拉伸模具7通过固定盖8固定在模座9上；将拉拔导块1和浮动导块10安装在拉拔设备上，并且通过导柱11和导套12将对其进行导向，以保证管材成形后的平直度。
（2）将缩口后的管坯从拉拔模具7的润滑带穿入，并从减压带穿出；将管坯两端分别穿过拉头部和浮动部的压边圈6、密封圈5并伸入到固定块中，将夹头4固定在管坯的两端，然后将夹头4安装在固定块2中。
本实施方式中，将微型薄壁金属管坯进行缩口，保证管坯缩口后径向尺寸可以穿过拉拔模具7，并且缩口的径向长度足以用于固定管材；在将缩口后的管坯穿过拉拔模具7且将管坯的两端通过夹头4固定在拉拔部及浮动部之前，对所述拉拔模具7进行润滑；微型金属管坯的缩口方法采用整体凹模缩口。
（3）将密封圈安装在密封块4上，然后将密封块4通过螺栓安装在固定块2上，并且将固定块2通过螺栓安装在导块上；接着，将压力控制组件的液压管道接入到成形组件中的牵引导块1和浮动导块10的孔内，并检查充液拉拔装置内部液体罐体的密封性后，向压力系统内部充入压力液体，通过PLC控制器进行加压，并且使液体压力在达到2.5MPa后保持稳定。
具体地，管材内部液体的压力应当足够大以提高管材成形性能，但不能使管材屈服而发生径向的塑性变形，管材内部液体的压力取P=2ασt/d，其中α为安全系数，取0.5~0.8；σ为管坯材料的屈服强度MPa；t为管壁的厚度mm；d为拉拔前管坯的内径mm。
（4）再次检查整个液压系统是否有漏液的情况，检查完毕后在拉拔导块的牵引下对微型薄壁金属管坯以5mm/s速度进行充液拉拔，得到外径为1.9mm的薄壁微型紫铜管。
本发明可以提高微型薄壁金属管的表面质量、成形极限，解决了微型薄壁金属管拉拔中难以抑制壁厚增加、芯轴加工困难并且在拉拔后难以取出的困难。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微型薄壁金属管的充液拉拔装置，其特征在于：
所述充液拉拔装置包括成形组件及压力控制组件，所述成形组件为对称结构，其用于固定微型薄壁金属管坯、以及用于在拉拔过程中进行导向；所述成形组件的两端分别通过液体管道连接于所述压力控制组件；所述压力控制组件用于通过所述液体管道提供压力液体给所述成形组件，并用于控制所述微型薄壁金属管坯内的压力液体的压力值；
所述成形组件包括拉拔部、模具部、浮动部及导向部，所述拉拔部、所述模具部及所述浮动部间隔设置，所述导向部包括导柱(11)，所述导柱(11)的一端依次穿过所述浮动部及所述模具部后连接于所述拉拔部；所述拉拔部及所述浮动部分别通过液体管道连接于所述压力控制组件；所述拉拔部及所述浮动部分别用于固定所述微型薄壁金属管坯的两端，所述微型薄壁金属管坯与所述液体管道相连通。
2.如权利要求1所述的微型薄壁金属管的充液拉拔装置，其特征在于：所述充液拉拔装置通过所述拉拔部及所述浮动部连接于拉拔设备。
3.如权利要求1所述的微型薄壁金属管的充液拉拔装置，其特征在于：所述拉拔部包括拉拔导块(1)、固定块(2)、密封块(3)、夹头(4)及压边圈(6)，所述拉拔导块(1)连接于所述液体管道，所述固定块(2)开设有第一凹槽及第二凹槽，所述第二凹槽贯穿所述第一凹槽的底面，所述夹头(4)设置在所述第二凹槽内，所述密封块(3)设置在所述第一凹槽内，且所述密封块(3)位于所述拉拔导块(1)与所述固定块(2)之间；所述固定块(2)连接于所述拉拔导块(1)；所述夹头(4)用于固定所述微型薄壁金属管坯；所述压边圈(6)连接于所述固定块(2)。
4.如权利要求3所述的微型薄壁金属管的充液拉拔装置，其特征在于：所述拉拔导块(1)开设有沉头孔；所述密封块(3)开设有第一通孔，所述夹头(4)由两个半圆环组成，所述第二凹槽的底面开设有第二通孔；所述沉头孔、所述第一通孔、所述夹头(4)及所述第二通孔相连通；所述沉头孔与所述液体管道相连通。
5.如权利要求3所述的微型薄壁金属管的充液拉拔装置，其特征在于：所述拉拔部还包括密封圈(5)，所述拉拔导块(1)与所述密封块(3)之间、所述密封块(3)与所述固定块(2)之间、所述固定块(2)与所述压边圈(6)之间均设置有所述密封圈(5)。
6.如权利要求1-5任一项所述的微型薄壁金属管的充液拉拔装置，其特征在于：所述模具部包括拉拔模具(7)、固定盖(8)及模座(9)，所述固定盖(8)连接于所述模座(9)，所述拉拔模具(7)安装于所述固定盖(8)与所述模座(9)所形成的空间内。
7.一种微型薄壁金属管的充液拉拔方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)提供权利要求1-6任一项所述的微型薄壁金属管的充液拉拔装置，并将缩口后的微型薄壁金属管坯的一端穿过所述模具部，同时将微型薄壁金属管坯的两端分别固定在所述拉拔部及所述浮动部；
(2)检测所述充液拉拔装置内部液体管路的密封性，所述压力控制组件向所述微型薄壁金属管坯内充入压力液体，并将所述压力液体的压力控制在预定数值；
(3)所述拉拔部随拉拔设备移动，由此带动所述微型薄壁金属管坯以预定速度进行充液拉拔，与此同时所述浮动部以不同于所述拉拔部的速度沿所述导柱(11)自由滑动。
8.根据权利要求7所述的一种微型薄壁金属管的充液拉拔方法，其特征在于：管材内部液体的压力的计算公式为：
P＝2ασt/d；
其中α为安全系数，取0.5～0.8；σ为管坯材料的屈服强度MPa；t为管壁的厚度mm；d为拉拔前管坯的内径mm。
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