CN111842517A - 一种带肋包壳管的冷拔模具、生产工艺及其成品管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及异形截面不锈钢精密无缝管材加工制造领域，尤其涉及一种带肋包壳管的冷拔模具、生产工艺及其成品管，冷拔模具包括有用于管道外部轮廓成型的冷拔外模及用于限制管道内径的冷拔芯头，所述冷拔外模内部型腔包括依次排列的入口段、成型段及出口段，所述入口段及所述出口段均为圆台形槽，所述成型段包括外径成型孔及设置于所述外径成型孔外围的至少一段的肋槽；所述冷拔芯头为实心结构包括依次排列的定内径段、圆台段及后圆柱段；工艺包括加工管材准备、冷拔前处理、冷拔成型、切管清洗、固溶处理及矫直。模具结构简单生产成本低，所用到的工艺生产效率高、表面质量好、尺寸精度高、综合性能优。

Description

一种带肋包壳管的冷拔模具、生产工艺及其成品管
技术领域
本发明涉及异形截面不锈钢精密无缝管材加工制造技术领域，尤其涉及一种带肋包壳管的冷拔模具、生产工艺及其成品管。
背景技术
现在核燃料组件主要有压水堆燃料组件、重水堆燃料组件和钠冷快堆燃料组件等，现有技术中燃料包壳管之间的稳定隔离是保证燃料组件运行安全的关键之一。压水堆燃料组件主要由锆合金燃料包壳管及锆合金燃料隔架组成，包壳管之间采用锆合金隔架进行相互隔离，在高压水环境下安全稳固，但压水堆燃料组件单位功率密度小且体积大；加压重水堆燃料组件主要由锆合金属包壳管及外套管组成，在外套管内的燃料包壳管之间由锆合金定位垫相互隔离确保稳定，但重水堆体积庞大，建造费用高，重水昂贵以至于发电成本高，且由于重反应堆可采用低浓缩铀甚至未浓缩铀作为核燃料，大规模推广的话容易造成核扩散；钠快冷堆燃料组件主要由不锈钢包壳管、六角外套管组成，六角外套管内的不锈钢燃料包壳管之间由不锈钢丝螺旋缠绕进行相互隔离，缺点在于采用点焊的方式将不锈钢螺旋绕丝进行固定不耐高温高压。在高温高压介质长期冲刷工况下存在点焊部位容易脱落，导致隔离失效。
授权公告号为CN 203055470 U的中国实用新型专利公开了一种燃料棒径向定位的带肋包壳管，包括包壳管本体，包壳管本体整体呈圆筒状，其内部为空腔结构，在所述包壳管本体的外部侧壁上至少设置有一条凸出于其外表面的肋条，所述肋条和包壳管本体为一体结构。采用与包壳管基体整体成型的螺旋带筋形式进行燃料包壳管隔离，安全性更高，同时能兼顾反应堆单位功率密度大、体积小巧。
上述实用新型虽提到了的带肋包壳管，但未提及如何设计制造满足该性能要求的带肋包壳管，或者说采用何种一体成型方式才能满足核工业标准，以满足钠冷快堆燃料组件的安全稳定。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种带肋包壳管的冷拔模具、生产工艺及其成品管，本发明针对现有材料的力学性能分析制定出能广泛适用于符合包壳管标准的待加工管的工艺参数及用于该工艺使用的模具，模具结构简单生产成本低，所涉及的工艺生产效率高、表面质量好且具备一定的韧性。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种带肋包壳管的冷拔模具，包括有用于管道外部轮廓成型的冷拔外模及用于限制管道内径的冷拔芯头，所述冷拔外模内部型腔包括依次排列的入口段、成型段及出口段，所述入口段及所述出口段均为圆台形槽，所述成型段包括外径成型孔及设置于所述外径成型孔外围的至少一段的肋槽；所述冷拔芯头为实心结构包括依次排列的定内径段、圆台段及后圆柱段。
现有的冷拔加工所使用的冷拔外模模具，为增加模具使用寿命，其内轮廓大多以圆形或者方形这种基本轮廓作为轮廓形状，而本发明的目的是生产带肋条的异型管，所以本发明采取的方式是在型腔上开设肋槽，以较为简单的结构使待加工管在挤压变形时其材料往肋槽内移动使待加工管形成肋条，模具形状简单，即使长时间使用，造成模具损坏，因其简单的形状结构，再生产一相同的模具其生产成本也相对较低；为防止冷拔芯头被深深的拉入成型段孔造成断管或者直接被拉出成型段孔的现象，所述圆台段的斜率要小于所述入口段的斜率。
作为优选，所述肋槽分为引导段及定尺段，二者依次设置，所述引导段靠近所述入口段，所述引导段的截面轮廓总是大于所述定尺段的截面轮廓。
引导段的设定是为了使管材在冷拔过程中金属在减径减壁时尽可能多的向肋槽上移动，通过采取该技术方案，达到引导形成肋条的作用，同时由于这一段的缓冲能大幅度提升定径段的使用寿命并提高最后形成肋槽的精度。
对上述技术方案的进一步优选，所述引导段及所述定尺段所有折弯部位均为圆角。
模具如果是折角，其使材料变形的能力较强，但相对来说其使用寿命也较短也可能产生模具开裂的风险，而本发明对于肋条的成型不需要保证为直角，为避免风险的发生而开设为圆角。
作为优选，所述冷拔外模的工作面表面粗糙度小于或等于0.5μm；所述冷拔芯头的工作表面粗糙度小于或等于0.5μm；所述出口段的尾端，即远离所述成型段的一侧开设有圆角。
冷拔工艺拔出的成品管其表面质量要符合包壳管对表面质量的要求，而其成品管的表面质量取决于冷拔模具的工作区域表面粗糙度，所以对冷拔模具的表面粗糙度进行进一步的控制；而开设于所述冷拔芯头的出口段的尾端的圆角，能有效防止在冷拉过程中成品管管壁被拉伤拉毛。
本发明以上述技术方案所述的冷拔模具为基础提供一种带肋包壳管的生产工艺，包括以下步骤：
①加工管材准备：对待加工的管材的表面质量进行检验，管材前段部分区域采用打头或者缩口的方式进行缩径处理，在管材内部填涂润滑油；
②冷拔前处理：在管材内部添加所述冷拔芯头，并将芯头置于步骤①中打头或者缩口的前沿位置，将内部夹有所述冷拔芯头的管材从所述入口段置于所述冷拔外模中，并使管材前端部分区域位于所述出口段所在的位置。
③冷拔成型：通过冷拔机对管材进行冷拔处理并不断往所述冷拔外模中置入润滑油，通过冷拔工艺得到具有肋条的中空金属管；
④切管清洗：对步骤③中得到的金属管头尾端进行部分切除并对处理后的金属管脱脂清洗；
⑤固溶处理及矫直：对步骤④处理后的金属管进行固溶处理后再进行矫直处理，得到成品带肋包壳管。
作为优选，步骤②中对缩径处理的部位进行高温热处理，保温一定时间后，冷却至室温。
对于缩径处理后的部位进行内应力的消除，以减少在冷拔过程中出现的拉断现象。
作为优选，在设计模具的各种参数时需保证以下数据，包壳管冷拔相对变形量大于或等于15%，实际冷拔变形量控制在30%~55%之间，冷拔减径量大于或等于1mm，冷拔减壁量大于或等于0.05mm，所述肋槽所产生的肋条高度随着变形量减少而降低，并随着减径量的减少而降低。
具体的参数根据实际需要的肋条高度设置，由于整个冷拔的过程是挤压变形，故而肋条的出现依赖于整个待加工管材的变形，肋条的高度会随着减径量的减少而显著降低，在设计时尽量保证待加工管材处于一个较高的变形量，以保证肋条的出现，因此设计模具时待加工管材减径量越大，可设计的肋条高度越高。
作为优选，步骤⑤中的固溶处理方式采用光亮热处理。
冷拔后的带肋管需要对其进行消除内应力处理，光亮热处理后的带肋管，可使其表面光亮平整具备一定力学性能，由于带肋管后期可能还会进行螺旋扭转工序，光亮热处理还能使带肋管具备一定的韧性，使其螺旋扭转时不会发生断裂现象。
作为优选，冷拔时应进行速度控制，冷拔速度控制在1.0~10.0m/min。
由于本发明所采用的冷拔外模多了肋槽，相对而言冷拔成型难度上升，为延长本发明的冷拔模具的使用寿命，速度尽量放低，以免影响最终成型的成品管的表面质量，但为了生产效率冷拔速度不宜太慢，故将冷拔速度控制在1.0~10.0m/min。
一种带肋包壳管，运用上述技术方案中所述的一种带肋包壳管的工艺生产。
综上所述，本发明具有如下有益效果：
1、本发明所采用的模具及工艺能直接一体成型出带肋的包壳管，且结构性能优益；
2、本发明模具结构简单，制作较为便捷，制造成本低，冷拔成型段的结构设计保证模具整体的使用寿命；
3、根据前期计算工艺参数去设计肋条的数量及肋条的肋高，以保证成型的肋条力学性能好，且表面光滑无冷拔缺陷；
4、本发明所生产的带肋管后续还可能涉及螺旋扭转工艺，所以在工艺设计时使最终成型的带肋管具备一定的韧性，保证其后续扭转时不会被扭断。
附图说明
图1为本发明所用到冷拔外模结构全剖视图；
图2为本发明所用到冷拔外模结构侧视图；
图3为图2中A区域的放大图；
图4为本发明冷拔芯头结构示意图；
其中，1-冷拔外模、1.1-入口段、1.2-定径段、1.3-出口段、2-冷拔芯头、2.1-定内径段、2.2-圆台段、2.3-圆柱段、a-外径成型孔、b-肋槽、b-1-引导段及b-2-定尺段。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的解释：
实施例：
针对本工艺中的模具设计，本发明所用到的成型工具为冷拔模，包括用于控制外轮廓成型的冷拔外模1及用于控制内径的冷拔芯头2。
冷拔外模1设计，参照图1、图2及图3，所述冷拔外模1为内部开设中空区域的模具，所述中空区域分为三段依次为入口段1.1、定径段1.2及出口段1.3，所述定径段1.2由外径成型孔a和四段肋槽b组成，所述入口段1.1及出口段1.3均为圆台形槽，所述肋槽b分为两段，前段为引导段b-1后端为定尺段b-2，所述引导段b-1轮廓向着所述定尺段b-2方向逐渐缩小，直至与所述定尺段b-2的轮廓完全吻合；为方 便表述以下引入几个符号作为标注，所述入口段1.1拔模角为外模拔制锥角α，所述出口段1.3拔模角为出料角γ，所述定径段1.2直径为D0、所述定径段1.2长度为L1、肋槽入口宽度W1、肋槽定尺宽度W2、肋槽深度W3，标准如下：
外模拔制锥角α设计范围为20～60°，出料角γ设计范围为≥20°，且出料角γ边缘需进行倒圆角处理；
定径段直径D0，具体根据管材规格和变形量确定，并考虑适当的冷拔变形反弹量，具体反弹量根据钢种特性、冷拔变形量等因素确定，通常按成品尺寸的0.01%～1.0%考虑；
定径段长度L1=1.0～10mm，具体根据管材规格、变形量和冷拔模座确定；
肋槽入口宽度W1，不小于肋槽定尺宽度W2，具体根据管材规格、带肋高度和变形量确定；
肋槽定尺宽度W2，具体根据管材带肋宽度和变形量确定，并考虑适当的冷拔变形反弹量，具体反弹量根据钢种特性、冷拔变形量等因素确定，通常按成品尺寸的0.01%～1.0%考虑；
肋槽定尺深度W3，不小于管材带肋高度，具体根据管材带肋高度和变形量确定；
表面粗糙度Ra不超过0.50μm。
综上所述本实施例所用到的冷拔外模1其各工艺参数如下：外模拔制角α=24°，出料角γ=45°，定径段直径D0=5.98mm，定径段长度L1=3.0mm，肋槽入口宽度W1=1.5，肋槽定尺宽度W2=0.7mm，肋槽定尺深度W3=0.5mm。
参照图4，冷拔芯头b，本实施例所用到的冷拔芯头b为游动芯头，所述冷拔芯头2为实心结构包括依次排列的定内径段2.1、圆台段2.2及后圆柱段2.3，为方便表述以下引入几个符号作为标注，定内径段直径D1、定内径段长度L2、圆锥段锥角β、后圆柱段直径D2、后圆柱段长度L3，标准如下：
定内径段直径D1与成品管内径相当，具体根据管材规格和变形量确定，并考虑适当的冷拔变形反弹量，具体反弹量根据钢种特性、冷拔变形量等因素确定，通常按成品尺寸的0.01%～1.0%考虑；
定内径段长度L2≥定径段长度L1，通常L2=2～20mm，具体根据管材规格、变形量和冷拔模座确定；
圆锥段锥角β必须小于外模拔制锥角α，通常α=β+ (1°～10°)，若不符合该条件，芯头将被深深地拉入模孔造成断管或被拉出模孔；
后圆柱段直径D2，具体根据管材规格和变形量确定，必须小于来料管材内径，通常比来料管材内径小1～5mm；
后圆柱段长度L3=5～25mm，具体根据管材规格确定，管径较小时相应取小值，管径较大时相应取大值；
表面粗糙度Ra不超过0.2μm。
综上所述本实施例所用到的冷拔芯头2的工艺参数为其设计参数如下：定内径段直径D1=5.0mm，定内径段长度L2=4.0mm，圆锥段锥角β=19°，后圆柱段直径D2=6mm，后圆柱段长度L3=8mm。
其余变量控制，冷拔相对变形量不低于20%，实际冷拔变形量控制在30%~55%之间，冷拔减径量不小于1mm，冷拔减壁量不小于0.05mm。肋高度随着变形量减少而降低，特别是随着减径量的减少降低显著。
本实施例所用到的待加工管材料为06Cr18Ni11Ti奥氏体不锈钢，该钢材钢的塑性好，断后伸长率可达60%以上，包含有以下生产步骤：
①来料检验，待加工管内外表面需洁净、光亮，不得有裂纹、折叠、划伤、凹坑等影响后后续冷拔的缺陷存在，待加工管内外表面粗糙度Ra不超过0.80μm，来料中间管规格采用Φ8.5*0.70。
②缩口，管端缩口至5.0mm，保证处理后无明显毛刺或者刀口现象，缩口处理后，对缩口部位进行局部加热消应力处理，消应力处理温度1050℃，保温时间大于5秒，保温结束后快速冷却至室温。
③内润滑，向管内加入洁净的润滑油。
④加芯头，于管内放入冷拔芯头2，并确保冷拔芯头2到达缩口最前沿位置。
⑤冷拔，将内管置于冷拔外模1中，冷拔过程中采用专用冷拔润滑油连续外润滑；冷拔速度应进行控制，防止速度过快、润滑不足产生表面拉伤和弹跳现象，以免影响最终成品的表面质量，考虑生产效率，冷拔速度不宜太慢，冷拔速度控制在4.0m/min左右。
⑥切管清洗，冷拔后的带肋管切除头尾，并脱脂清洗，确保内外表面洁净。
⑦固溶处理，对成型管采用保护气氛光亮退火炉进行固溶处理，设定温度1060℃，保温时间3min，保护气氛为氢气，纯度大于99.95%，气源露点≤－50℃。热处理过程中固溶充分，组织均匀，晶粒度控制在5.0-7.0级。确保成品管材具有较高的力学性能，且管材内外表面不发生氧化变色现象，保证管材具有较好的表面质量。
⑧矫直，采用尼龙辊矫直机对固溶处理后的带肋管进行矫直处理。
⑨成品检验，满足以下要求便为合格产品：晶粒度6.5级，横截面显微硬度HV1.0=150；圆管外径=5.97～5.98mm，肋高=0.48～0.49mm，圆管内径=4.96～4.98mm，肋宽=0.68～0.73mm。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种带肋包壳管的冷拔模具，其特征在于：包括有用于管道外部轮廓成型的冷拔外模（1）及用于限制管道内径的冷拔芯头（2），所述冷拔外模（1）内部型腔包括依次排列的入口段（1.1）、成型段（1.2）及出口段（1.3），所述入口段（1.1）及所述出口段（1.3）均为圆台形槽，所述成型段（1.2）包括外径成型孔（a）及设置于所述外径成型孔（a）外围的至少一段的肋槽（b）；所述冷拔芯头（2）为实心结构包括依次排列的定内径段（2.1）、圆台段（2.2）及后圆柱段（2.3）。
2.根据权利要求1所述的一种带肋包壳管的冷拔模具，其特征在于：所述肋槽（b）分为引导段（b-1）及定尺段（b-2），二者依次设置，所述引导段（b-1）靠近所述入口段（1.1），所述引导段（b-1）的截面轮廓总是大于所述定尺段的截面轮廓。
3.根据权利要求2所述的一种带肋包壳管的冷拔模具，其特征在于：所述引导段及所述定尺段所有折弯部位均为圆角。
4.根据权利要求1所述的一种带肋包壳管的冷拔模具，其特征在于：所述冷拔外模（1）的工作面表面粗糙度小于或等于0.5μm；所述冷拔芯头（2）的工作表面粗糙度小于或等于0.2μm；所述出口段（1.3）的尾端，即远离所述成型段（1.2）的一侧开设有圆角。
5.一种使用权利要求1所述的冷拔模具生产带肋包壳管的工艺，包括如下步骤：
①加工管材准备：对待加工的管材的表面质量进行检验，管材前段部分区域采用打头或者缩口的方式进行缩径处理，在管材内部填涂润滑油；
②冷拔前处理：在管材内部添加所述冷拔芯头（2），并将芯头置于步骤①中打头或者缩口的前沿位置，将内部夹有所述冷拔芯头（2）的管材从所述入口段（1.1）置于所述冷拔外模（1）中，并使管材前端部分区域位于所述出口段（1.3）所在的位置；
③冷拔成型：通过冷拔机对管材进行冷拔处理并不断往所述冷拔外模（1）中置入润滑油，通过冷拔工艺得到具有肋条的中空金属管；
④切管清洗：对步骤③中得到的金属管头尾端进行部分切除并对处理后的金属管脱脂清洗；
⑤固溶处理及矫直：对步骤④处理后的金属管进行固溶处理后再进行矫直处理，得到成品带肋包壳管。
6.根据权利要求5所述的一种带肋包壳管的工艺，其特征在于：步骤②中对缩径处理的部位进行高温热处理，保温一定时间后，冷却至室温。
7.根据权利要求5所述的一种带肋包壳管的工艺，其特征在于：在设计模具的各种参数时需保证以下数据，包壳管冷拔相对变形量大于或等于15%，实际冷拔变形量控制在30%~55%之间，冷拔减径量大于或等于1mm，冷拔减壁量大于或等于0.05mm，所述肋槽（a）所产生的肋条高度随着变形量减少而降低，并随着减径量的减少而降低。
8.根据权利要求5所述的一种带肋包壳管工艺，其特征在于：步骤⑤中的固溶处理方式采用光亮热处理。
9.根据权利要求5所述的一种带肋包壳管工艺，其特征在于：冷拔时应进行速度控制，冷拔速度控制在1.0~10.0m/min。
10.一种带肋包壳管，其特征在于：以权利要求5-9中任一条所述的工艺生产。
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