CN112007965A - 一种高温合金无缝荒管挤压装置及其挤压方法 - Google Patents

一种高温合金无缝荒管挤压装置及其挤压方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及到高温材料无缝荒管生产领域，尤其涉及一种高温合金无缝荒管挤压装置及方法，该挤压装置包括：挤压机，用于将高温合金原料进行加工挤压，初步成型；所述挤压芯棒控制装置，用于控制所述挤压机的挤压芯棒的转速和移动方式，完成荒管挤压成型；所述挤压芯棒控制装置设置在所述挤压机的出料口一端，并与所述挤压机的挤压芯棒控制连接。该装置通过对挤压芯棒施加旋转和改变挤压芯棒的运动速度实现对荒管的组织控制，能够获得更好的细小的晶粒组织。本发明实现了高温合金无缝荒管的高效生产，可以生产出高质量超长的荒管，为打破外国荒管生产技术封锁具有重要意义。

Description

一种高温合金无缝荒管挤压装置及其挤压方法
技术领域
本发明属于金属材料的生产成型技术领域，尤其涉及一种高温合金无缝荒管挤压装置及其挤压方法。
背景技术
随着我国工业化进程的加快，国家在能源、电力以及石油化工等方面有着突飞猛进的发展。在此过程中对镍基高温合金管材的需求量明显上升，例如我国正在建设的超超临界电站以及石油开采等建设过程中都需要消耗大量的镍基高温合金管材。那么如何才能大批量生产出合格可用的高温合金管材并打破外国专利限制，已经成为我国科研人员和企业家需要解决的问题。就目前来看，由于外国对高温合金管材生产工艺的封锁，我国还不能实现大量生产，并且我国现有的技术手段仍处在摸索起步阶段，因此需要从国外进口大批高温合金管材，导致我国很多企业受到了巨大的经济不公正待遇。所以，我国需要研发具有自主知识产权的镍基高温合金管材生产设备和方法，在保证管材质量的同时实现大批量生产。
我国现阶段采用的高温合金管材生产设备大多数多采用挤压芯棒和挤压杆同步运动的挤压模型，但由于挤压参数的不同会导致在荒管出口位置与挤压芯棒存在一定的摩擦力。同时，相关研究表明在荒管出口位置高温合金将发生巨大的变形，在此处存在巨大的应力，因此本文认为：此处的摩擦力将对荒管生产的质量有一定的影响。
发明内容
为了解决荒管的组织控制、生产出的高温合金荒管长度受限等难题，本发明提供了一种高温合金无缝荒管挤压装置及及其方法，能够轻松地解决以上问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种高温合金无缝荒管挤压系统，该挤压装置包括挤压机和挤压芯棒控制装置；
其中，所述挤压机，用于将高温合金原料进行加工挤压，初步成型；
所述挤压芯棒控制装置，用于控制所述挤压机的挤压芯棒的转速和移动方式，完成荒管挤压成型；
所述挤压芯棒控制装置设置在所述挤压机的出料口一端，并与所述挤压机的挤压芯棒控制连接。
进一步，所述挤压芯棒控制装置包括底座、挤压芯棒转动单元、挤压芯棒移动单元、挤压芯棒固定单元和控制单元；
其中，所述挤压芯棒移动单元通过滑动结构设置在所述底座上，能够沿着所述底座前后移动；
所述挤压芯棒固定单元、挤压芯棒转动单元和控制单元均设置在所述挤压芯棒移动单元上，且所述挤压芯棒固定单元位于来料端的一侧，所述控制单元与所述挤压芯棒转动单元和挤压芯棒移动单元控制连接。
进一步，所述底座的顶部设有固定槽，所述固定槽的底部设有至少2根滑轨，所述滑轨上设有滑块，所述挤压芯棒移动单元固定在所述滑块上。
进一步，所述挤压芯棒固定单元包括固定架、固定轴承和挤压芯棒固定夹具；
其中，所述固定架固定在所述底座上，所述固定架上有固定轴承安装孔，所述固定轴承安装在所述轴承安装孔内，所述挤压芯棒固定夹具设置在固定轴承的内侧壁上。
进一步，所述挤压芯棒转动单元包括第一驱动电机、挤压芯棒连接件和挤压芯棒定位架，
其中，所述第一驱动电机设置在所述挤压芯棒固定单元的一侧，所述挤压芯棒定位架设置在所述第一驱动电机和所述挤压芯棒固定单元之间，所述第一驱动电机的输出端的端部设有所述挤压芯棒连接件；
所述驱动电机的输出端与所述挤压芯棒连接件的一端连接，所述挤压芯棒连接件另一端与所述挤压芯棒连接。
进一步，所述挤压芯棒移动单元包括主体、第二驱动电机、驱动齿轮和驱动齿条，
其中，所述主体的底部与所述滑块固接，所述驱动齿条设置在所述主体的其中一端的侧壁上，所述第二驱动电机固定在所述底座的侧壁上，所述驱动齿轮固接在所述第二驱动电机的输出端，并与所述驱动齿轮啮合。
所述挤压芯棒连接件包括动力齿轮和传动齿轮，所述动力齿轮设置在所述第二驱动电机的输出轴上，所述传动齿轮设置在所述挤压芯棒的端部，所述动力齿轮与传动齿轮啮合。
进一步，所述挤压芯棒固定夹具包括至少一组对称设置的限位槽和固定块。
其中，至少一组所述限位槽对称设置在所述固定轴承的内侧壁上，所述固定块的两端分别设置在对称设置的所述限位槽内；
所述限位槽的高度为固定轴承高度的2/5。
本发明另一目的提供一种采用上述的高温合金无缝荒管挤压系统的挤压方法，所述方法具体包括以下步骤：
S1)填料：在坯料装载之前，首先要根据挤压筒的尺寸加工成柱状，并按照挤压芯棒的直径在坯料中心开一个通孔，然后将坯料预热到指定温度进行装载；
S2)装载：时依次把坯料、挤压垫和挤压杆进行装载并矫正贴合，然后把挤压芯棒由荒管出口位置插入到挤压机内部，依次通过坯料、挤压垫和挤压杆；
S3)挤压：设定挤压芯棒控制装置中的挤压芯棒转动单元的转速，挤压机的给料速度，启动挤压芯棒控制装置和挤压机，批料由于受到挤压杆的压力发生变形而充满整个挤压筒，进而对挤压芯棒产生挤压力，通过挤压芯棒控制装置实现对高温合金坯料与挤压芯棒之间摩擦力的控制，进而控制高温合金荒管组织，得到高温合金无缝荒管。
进一步，S3)中所述挤压芯棒转动单元的转速为0.1转/秒-1转/秒。
进一步，S3)中控制挤压芯棒速度与坯料进给速度之比为1-4。
本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明的技术方案通过改变传统挤压过程中挤压芯棒和挤压杆一同运动的情况，并且通过控制挤压芯棒旋转和前后移动使挤压杆和挤压芯棒的异步运动。从而突破了传统高温合金荒管生产的各种问题。
通过挤压芯棒控制装置可以使高温合金荒管生产过程中挤压芯棒实现自由旋转和前后移动，实现对高温合金坯料与挤压芯棒之间摩擦力的控制，从而实现对高温合金金属流动的控制，最终实现对高温合金荒管组织的控制。
图1是本发明的一种高温合金无缝荒管挤压装置的结构示意图。
图2是本发明一种高温合金无缝荒管挤压装置的未挤压芯棒控制装置的正面结构示意图。
图3是本发明一种高温合金无缝荒管挤压装置的例挤压芯棒控制装置正面结构示意图。
图4是本发明一种高温合金无缝荒管挤压装置的轴承位置开设的夹具安装槽示意图。
图5是本发明一种高温合金无缝荒管挤压装置的挤压芯棒旋转参数优化对动态再结晶体积分数的Deform模拟结果。
图6是本发明一种高温合金无缝荒管挤压装置的挤压芯棒旋转参数优化对动态再结晶晶粒大小的Deform模拟结果。
图7是本发明方法中挤压芯棒速度参数优化对动态再结晶体积分数的Deform模拟结果。
图8是本发明方法中挤压芯棒速度参数优化对动态再结晶体积分数的Deform模拟结果。
图中：
1.挤压机；1-1.挤压筒；1-2.挤压模；1-3.玻璃垫；1-4.挤压芯棒；1-5.挤压杆；1-6.挤压垫；2.挤压芯棒控制装置、2-1.底座、2-11.固定槽、2-12.滑轨、2-13.滑块、2-2.挤压芯棒固定单元、2-21.固定架、2-22.固定轴承、2-23.挤压芯棒固定夹具、2-231.限位槽、2-232.固定块、2-3.挤压芯棒移动单元、2-31.主体、2-32.第二驱动电机、2-33.驱动齿轮、2-34.驱动齿条、2-4.挤压芯棒转动单元、2-41.第一驱动电机、2-42.挤压芯棒连接件、2-421.传动齿轮、2-422.动力齿轮、2-43.挤压芯棒定位架、2-5.控制单元、3.坯料。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示，本发明一种高温合金无缝荒管挤压系统，该挤压装置包括挤压机1和挤压芯棒控制装置2；
其中，所述挤压机1，用于将高温合金原料进行加工挤压，初步成型；
所述挤压芯棒控制装置2，用于控制所述挤压机的挤压芯棒的转速和移动方式，完成荒管挤压成型；
所述挤压芯棒控制装置2设置在所述挤压机1的出料口一端，并与所述挤压机1的挤压芯棒1-4控制连接。
所述挤压芯棒控制装置2包括底座2-1、挤压芯棒固定单元2-2、挤压芯棒移动单元2-3、挤压芯棒转动单元2-4和控制单元2-5；
其中，所述挤压芯棒移动单元2-3活动设置在所述底座2-1上，能够沿着所述底座2-1前后移动；
所述挤压芯棒固定单元2-2、挤压芯棒转动单元2-4和控制单元2-5均设置在所述挤压芯棒移动单元上，且所述挤压芯棒固定单元2-2位于来料端的一侧，所述控制单元2-5与所述挤压芯棒转动单元2-4和挤压芯棒移动单元2-3控制连接，如图2所示。
所述底座2-1的顶部设有固定槽2-11，所述固定槽2-11的底部设有至少2根滑轨2-12，所述滑轨上设有滑块2-13，所述挤压芯棒移动单元2-3固定在所述滑块2-13上。
所述挤压芯棒固定单元2-2包括固定架2-21、固定轴承2-22和挤压芯棒固定夹具2-23；
其中，所述固定架2-21固定在所述底座2-1上，所述固定架2-21上有固定轴承安装孔，所述固定轴承2-22安装在所述轴承安装孔内，所述挤压芯棒固定夹具2-23设置在固定轴承2-22的内侧壁上。
所述挤压芯棒转动单元2-4包括第一驱动电机2-41、挤压芯棒连接件2-42和挤压芯棒定位架2-43，
其中，所述第一驱动电机2-41设置在所述挤压芯棒固定单元2-2的一侧，所述挤压芯棒定位架2-43设置在所述第一驱动电机2-41和所述挤压芯棒固定单元2-2之间，所述第一驱动电机2-41的输出端的端部设有所述挤压芯棒连接件2-42。
所述挤压芯棒移动2-3单元包括主体2-31、第二驱动电机2-32、驱动齿轮2-33和驱动齿条2-34，
其中，所述主体2-31的底部与所述滑块2-13固接，所述驱动齿条2-34设置在所述主体2-31的其中一端的侧壁上，所述第二驱动电机2-32固定在所述底座2的侧壁上，所述驱动齿轮2-33固接在所述第二驱动电机2-32的输出端，并与所述驱动齿轮2-34啮合，如图3所示。
所述挤压芯棒固定夹具2-23包括至少一组对称设置的限位槽2-231和固定块2-232，固定轴承内壁开对称设有四个半个夹具安装槽，该槽长度为轴承高度的2/5；在挤压芯棒的特定位置开设同样的半个夹具安装槽；待安装挤压芯棒后，把固定槽块安装在由轴承内壁和挤压芯棒构成的完整夹具安装槽内；为了保证挤压芯棒的有效固定，需要保证固定槽块的宽度与夹具安装槽一致，固定槽块的高度与完整夹具安装槽的高度一致。
其中，至少一组所述限位槽2-231对称设置在所述固定轴承2-22的内侧壁上，所述固定块2-232的两端分别设置在对称设置的所述限位槽2-231内，如图4所示；
所述限位槽2-231的高度为固定轴承横截面高度的2/5。
由于在挤压过程中挤压芯棒需要承受高温高压以及摩擦里的作用，因此需要选择耐热耐磨的合金材料，此处推荐使用耐热耐磨型高温合金材料制作。
一种采用上述的高温合金无缝荒管挤压系统的挤压方法，所述方法具体包括以下步骤：1.挤压机；1-1.挤压筒；1-2.挤压模；1-3.玻璃垫；1-4.挤压芯棒；1-5.挤压杆；1-6.挤压垫；
S1)填料：在坯料3装载之前，首先要根据挤压筒1-1的尺寸加工成柱状，并按照挤压芯棒1-4的直径在坯料3中心开一个通孔，然后将坯料3预热到指定温度进行装载；
S2)装载：时依次把坯料3、挤压垫1-6和挤压杆1-5进行装载并矫正贴合，然后把挤压芯棒1-4由荒管出口位置插入到挤压机1内部，依次通过坯料3、挤压垫1-6和挤压杆1-5；
S3)挤压：设定挤压芯棒1-4控制装置中的挤压芯棒转动单元2的转速，挤压机1的给料速度，启动挤压芯棒控制装置2和挤压机1，批料由于受到挤压杆1-5的压力发生变形而充满整个挤压筒1-1，进而对挤压芯棒产生挤压力，通过挤压芯棒控制装置实现对高温合金坯料与挤压芯棒1-4之间摩擦力的控制，进而控制高温合金荒管组织，得到高温合金无缝荒管。
S3)中所述挤压芯棒1-4转动单元的转速为0.1转/秒-1转/秒。
S3)中控制挤压芯棒1-4速度与坯料3进给速度之比为1-4。
实施例1：
在坯料3装载之前，首先要根据挤压筒1-1的尺寸加工成柱状，并按照挤压芯棒1-4的直径在坯料3中心开一个通孔，然后将坯料7预热到指定温度进行装载。
装载时依次把坯料3、挤压垫1-6和挤压杆1-5进行装载并矫正贴合。然后把挤压芯棒1-4由荒管出口位置插入到挤压机1内部，依次通过坯料3、挤压垫1-6和挤压杆1-5。
装载完成后同时启动挤压芯棒控制装置2与挤压机1进行挤压，在此过程中，批料由于受到挤压杆1-5的压力发生变形而充满整个挤压筒1-1，进而对挤压芯棒1-4产生挤压力。同时由于挤压芯棒1-4的转动和定向移动，会在坯料1-3和挤压芯棒1-4之间产生摩擦力，摩擦力的作用下对批料的流动起到一定的导向作用。因此，可以通过调挤压杆1-5速度与挤压芯棒1-4移动或者转动速度的参数实现对荒管组织的控制。
通过运用deform模拟挤压过程对挤压参数进行了选择和优化。挤压过程中设置挤压芯棒转速为0.05转/秒,0.1转/秒，0.5转/秒和1转/秒，挤压芯棒速度与坯料进给速度之比控制为4，从而探究转速对荒管组织的影响，如图5所示。
通过控制挤压芯棒的转速，获得了不同的动态再结晶体积分数与动态再结晶晶粒大小的模拟结果。从结果中可以看出，当挤压芯棒转速逐渐增大的过程中，动态再结晶体积分数呈现先减小后增大的趋势，而动态再结晶晶粒大小也呈现先减小后增大的趋势。这说明在相同的挤压芯棒速度与坯料进给速度之比参数条件下，挤压芯棒转速为0.5转/秒的条件下获得的动态再结晶晶粒组织最佳。因此，认为挤压芯棒旋转参数设置为0.1转/秒到1转/秒之间最佳，如图6所示。
通过运用deform模拟挤压过程对挤压参数进行了选择和优化。挤压过程中设置挤压芯棒速度与坯料进给速度之比为0，1，2和4，挤压芯棒转速控制为0.25转/秒，从而探究挤压芯棒速度与坯料进给速度之比荒管组织的影响，如图7所示。
通过控制挤压芯棒速度与坯料进给速度之比，获得了不同的动态再结晶体积分数与动态再结晶晶粒大小的模拟结果。从结果中可以看出，当挤压芯棒速度与坯料进给速度之比逐渐增大的过程中，动态再结晶体积分数呈现先增大后减小的趋势，而动态再结晶晶粒大小呈现先减小后增大的趋势。这说明在相同的挤压芯棒转速参数条件下，挤压芯棒速度与坯料进给速度之比为2的条件下获得的动态再结晶晶粒组织最佳。因此，认为挤压芯棒速度与坯料进给速度之比参数设置为1-4之间最佳，如图8所示。
以上对本申请实施例所提供的一种高温合金无缝荒管挤压装置及方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高温合金无缝荒管挤压系统，该挤压装置包括挤压机和挤压芯棒控制装置；
其中，所述挤压机，用于将高温合金原料进行加工挤压，初步成型；
所述挤压芯棒控制装置，用于控制所述挤压机的挤压芯棒的转速和移动方式，完成荒管挤压成型；
所述挤压芯棒控制装置设置在所述挤压机的出料口一端，并与所述挤压机的挤压芯棒控制连接。
2.根据权利要求1所述的高温合金无缝荒管挤压系统，其特征在于，所述挤压芯棒控制装置包括底座、挤压芯棒转动单元、挤压芯棒移动单元、挤压芯棒固定单元和控制单元；
其中，所述挤压芯棒移动单元通过滑动结构设置在所述底座上，能够沿着所述底座前后移动；
所述挤压芯棒固定单元、挤压芯棒转动单元和控制单元均设置在所述挤压芯棒移动单元上，且所述挤压芯棒固定单元位于来料端的一侧，所述控制单元与所述挤压芯棒转动单元和挤压芯棒移动单元控制连接。
3.根据权利要求2所述的高温合金无缝荒管挤压系统，其特征在于，所述底座的顶部设有固定槽，所述固定槽的底部设有至少2根滑轨，所述滑轨上设有滑块，所述挤压芯棒移动单元固定在所述滑块上。
4.根据权利要求3所述的高温合金无缝荒管挤压系统，其特征在于，所述挤压芯棒固定单元包括固定架、固定轴承和挤压芯棒固定夹具；
其中，所述固定架固定在所述底座上，所述固定架上有固定轴承安装孔，所述固定轴承安装在所述轴承安装孔内，所述挤压芯棒固定夹具设置在固定轴承的内侧壁上。
5.根据权利要求4所述的高温合金无缝荒管挤压系统，其特征在于，所述挤压芯棒转动单元包括第一驱动电机、挤压芯棒连接件和挤压芯棒定位架，
其中，所述第一驱动电机设置在所述挤压芯棒固定单元的一侧，所述挤压芯棒定位架设置在所述第一驱动电机和所述挤压芯棒固定单元之间，所述第一驱动电机的输出端的端部设有所述挤压芯棒连接件；
所述驱动电机的输出端与所述挤压芯棒连接件的一端连接，所述挤压芯棒连接件另一端与所述挤压芯棒连接。
6.根据权利要求5所述的高温合金无缝荒管挤压系统，其特征在于，所述挤压芯棒移动单元包括主体、第二驱动电机、驱动齿轮和驱动齿条，
其中，所述主体的底部与所述滑块固接，所述驱动齿条设置在所述主体的其中一端的侧壁上，所述第二驱动电机固定在所述底座的侧壁上，所述驱动齿轮固接在所述第二驱动电机的输出端，并与所述驱动齿轮啮合。
7.根据权利要求4所述的高温合金无缝荒管挤压系统，其特征在于，所述挤压芯棒固定夹具包括至少一组对称设置的限位槽和固定块，
其中，至少一组所述限位槽对称设置在所述固定轴承的内侧壁上，所述固定块的两端分别设置在对称设置的所述限位槽内；
所述限位槽的高度为固定轴承高度的2/5。
8.一种采用如权利要求1-7任意一项所述的高温合金无缝荒管挤压系统的挤压方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
S1)填料：在坯料装载之前，首先要根据挤压筒的尺寸加工成柱状，并按照挤压芯棒的直径在坯料中心开一个通孔，然后将坯料预热到预设温度，然后进行装载；
S2)装载：时依次把坯料、挤压垫和挤压杆进行装载并矫正贴合，然后把挤压芯棒由荒管出口位置插入到挤压机内部，依次通过坯料、挤压垫和挤压杆；
S3)挤压：设定挤压芯棒控制装置中的挤压芯棒转动单元的转速，挤压机的给料速度，启动挤压芯棒控制装置和挤压机，批料由于受到挤压杆的压力发生变形而充满整个挤压筒，进而对挤压芯棒产生挤压力，通过挤压芯棒控制装置实现对高温合金坯料与挤压芯棒之间摩擦力的控制，进而控制高温合金荒管组织，得到高温合金无缝荒管。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，S3)中所述挤压芯棒转动单元的转速为0.1转/秒-1转/秒。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，S3)中控制挤压芯棒速度与坯料进给速度之比为1-4。
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