CN114082803A - 一种带肋薄壁包壳管的生产工艺及冷拔模具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及带肋薄壁包壳管领域，具体为一种带肋薄壁包壳管的生产工艺及冷拔模具。冷拔模具包括带孔型拉拔外模和带棱圆柱型芯模，带孔型拉拔外模分为定径段、挤压变形段，带孔型拉拔外模内壁上设置与包壳管外壁肋条形状对应的凹槽，带棱圆柱型芯模上的棱分布与带孔型拉拔外模上的凹槽分布一致。首先通过拉拔厚壁管加工出外壁带直肋条内壁带凹槽坯料管，用绞刀或磨头等机加去除内壁凹槽，然后采用带孔型拉拔外模和圆柱型芯模拉拔坯料管，减少坯料管的外径、壁厚及肋条的横截面。通过一次或两次以上拉拔，加工出尺寸符合要求的带直肋条薄壁包壳管。本发明可以高效生产出带肋薄壁包壳管，包壳管整体塑性变形，尺寸准确，性能稳定。
Description
技术领域：
本发明涉及带肋薄壁包壳管领域，具体为一种带肋薄壁包壳管的生产工艺及冷拔模具。
背景技术：
钠冷快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点焊上的不锈钢丝螺旋缠绕进行相互隔离，这种隔离方式缺点是：不锈钢焊点不耐高温高压，在高温高压冷却剂冲刷下焊点容易脱落。另外，焊点破坏包壳管的整体强度。
授权公告号CN203055470U的中国专利公开了一种燃料棒径向定位带肋包壳管，包壳管整体呈圆筒形状，其内部为空腔结构，管外壁上分布一条或多条肋条，肋条沿轴线螺旋分布，肋与管为一体结构，包壳管依托螺旋肋隔离与分布。
公开号CN105723465A的中国专利申请公开了一种燃料元件包壳，其特征为整体管状元件，外壁具有螺旋环绕的翅片(肋条)。翅片高度不小于0.75mm，壁的厚度不超过0.60mm。优选翅片高度0.75mm，管壁厚优选0.40mm。
上述专利设计出带肋(翅片)包壳管，但未提及采用何种工艺制造出这种包壳管。这种包壳管由于考虑核燃料反应的中子经济性和传热效果，壁厚尺寸设计较小，一般小于0.50mm。而由于燃料包壳管之间隔离要求，肋的高度要求比较高，肋高一般达到0.75mm，包壳管长度2米以上，这种肋的高度大于壁厚的带肋薄壁包壳管加工难度大。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种带肋薄壁包壳管的生产工艺及冷拔模具，可以高效生产出带肋薄壁包壳管，包壳管整体塑性变形，尺寸准确，性能稳定。
本发明的技术方案是：
一种带肋薄壁包壳管的生产工艺，首先采用外壁直肋条成型的带孔型拉拔外模和带棱圆柱型芯模，通过第一道次拉拔厚壁管加工出外壁带直肋条内壁带凹槽的坯料管，机加去除内壁凹槽，形成外壁带直肋条内壁圆柱型的坯料管；然后采用带孔型拉拔外模和圆柱型芯模拉拔坯料管，减少坯料管的外径、壁厚及肋条的横截面，通过一道次或两道次以上拉拔，加工出尺寸符合要求的带直肋条薄壁包壳管。
所述的带肋薄壁包壳管的生产工艺，进一步的，通过扭转加工带直肋条薄壁包壳管，获得带螺旋肋薄壁包壳管。
所述的带肋薄壁包壳管的生产工艺，厚壁管外径大于成品带肋薄壁包壳管外径3mm以上，壁厚大于成品带肋薄壁包壳管外壁肋条高与壁厚之和的1.5mm以上。
所述的带肋薄壁包壳管的生产工艺，冷拔模具包括用于外壁直肋条成型的带孔型拉拔外模和带棱圆柱型芯模，带孔型拉拔外模中心孔表面分为定径段、挤压变形段，带孔型拉拔外模内壁上设置与带肋薄壁包壳管外壁直肋条形状对应的凹槽，带棱圆柱型芯模上的棱分布与带孔型拉拔外模上的凹槽分布一致。
所述的带肋薄壁包壳管的生产工艺，拉拔出外壁带直肋条内壁带凹槽坯料管，外壁带直肋条内壁带凹槽坯料管的外侧直肋条与内侧凹槽相对应；调整带孔型拉拔外模和带棱圆柱型芯模，使带孔型拉拔外模的肋槽与带棱圆柱型芯模上的直棱对正，带棱圆柱型芯模用连接杆固定，通过液压拉拔机或链条拉拔机匀速拉拔，拉拔速度范围0.5m/min至3m/min。
所述的带肋薄壁包壳管的生产工艺，为了确保金属充型饱满完全形成肋条，坯料管变形量设计为，外径减径量大于或等于10％，壁厚减薄率大于或等于10％。
所述的带肋薄壁包壳管的生产工艺，采用机加方法去除内壁凹槽形成外壁带直肋条坯料管，外壁带直肋条坯料管的外侧保留直肋条，采用绞刀加工或者珩磨方法进行机加，加工坯料管内壁时，绞刀或珩磨头设计为浮动的，自适应坯料管直线度变化，机加后坯料管厚度大于成品带肋薄壁包壳管壁厚0.20mm以上。
所述的带肋薄壁包壳管的生产工艺，采用带孔型拉拔外模和圆柱型芯模拉拔，所述带孔型拉拔外模与第一道次使用的带孔型拉拔外模结构相同，所述带孔型拉拔外模的肋槽形状与直肋条形状相同，所述带孔型拉拔外模的肋槽截面尺寸小于第一道次带孔型拉拔外模肋槽的截面尺寸；坯料管上的肋条变形延伸率与坯料管的延伸率一致，以保证肋条与坯料管整体塑性变形。
一种带肋薄壁包壳管的冷拔模具，包括用于外壁直肋条成型的带孔型拉拔外模和带棱圆柱型芯模，带孔型拉拔外模的中心孔表面包括依次设置的挤压变形段和定径段，挤压变形段为圆台形，定径段为圆柱形，挤压变形段与定径段为一体连接结构，挤压变形段与定径段连接处的截面相同，挤压变形段位于外侧的端面直径大于挤压变形段位于内侧的端面直径；挤压变形段和定径段沿轴向设置凹槽，每组凹槽均为等截面的肋槽和变截面的过渡槽一体连接结构，肋槽沿轴向贯穿于定径段，过渡槽沿轴向贯穿于挤压变形段，肋槽和过渡槽连接处的截面相同，过渡槽位于外侧的端面直径大于过渡槽位于内侧的端面直径；
带棱圆柱型芯模是等直径圆柱体，带棱圆柱型芯模的侧面沿圆周分布直棱，直棱的分布与带孔型拉拔外模的肋槽和过渡槽分布一致，直棱的形状与直肋条的形状一致或者是半圆柱型；直棱的高度与对应带孔型拉拔外模的肋槽深度一致。
所述的带肋薄壁包壳管的冷拔模具，定径段上的肋槽与直肋条的形状一致，挤压变形段上的过渡槽侧面锥度α为6度至16度；肋槽和过渡槽的数量、分布与带肋薄壁包壳管外壁肋条的数量、分布一致。
本发明的优点及有益效果是：
如图1所示，带肋薄壁包壳管1可用于液体金属冷却剂的核反应堆燃料包壳，也可以用于其他传热换热设备中。这种带肋薄壁包壳管1为整体管状元件，外壁螺旋环绕肋条11，它的特点是管壁薄，外径与壁厚的比值大，肋条高度大，肋条高度比带肋薄壁包壳管1的壁厚要大。
针对这种薄壁高肋的包壳管，分析现有生产技术存在的问题，肋条的高度比包壳管壁厚还大，无论是挤压还是拉拔或轧制，塑性变形金属都很难充型，很难一次加工出尺寸满足要求的肋条(翅片)和管壁。本发明提出采用厚壁管，用带孔型拉拔外模和带棱圆柱型芯模先拉拔出外壁带直肋条内壁带凹槽坯料管，肋条的高度和宽度大于成品带肋薄壁包壳管肋条的高度和宽度，厚壁管的厚度也大于成品带肋薄壁包壳管的厚度。用绞刀或磨头机加管内壁，去除凹槽，得到内壁平滑的坯料管。然后用带孔型拉拔外模和圆柱型芯模拉拔，可以一次拉拔，也可以多次拉拔，逐渐减少肋条的横截面，减小坯料管的外径与壁厚，最终达到成品带肋薄壁包壳管的尺寸，得到带直肋条薄壁包壳管，扭转带直肋条薄壁包壳管形成带螺旋肋包壳管。
附图说明：
图1为带肋薄壁包壳管横截面结构示意图。图中，1带肋薄壁包壳管，11肋条。
图2为拉拔出的外壁带直肋条内壁带凹槽坯料管横截面结构示意图。图中，2外壁带直肋条内壁带凹槽坯料管，21直肋条，22凹槽。
图3为机加去除内壁凹槽的外壁带直肋条坯料管横截面结构示意图。图中，3外壁带直肋条坯料管，31直肋条。
图4为设置两个凹槽的拉拔外模结构示意图。其中，图4(a)主视图，图4(b)侧视剖面图。图中，4带孔型拉拔外模，41挤压变形段，42定径段，43肋槽，44过渡槽。
图5为带棱圆柱型芯模结构示意图。其中，图5(a)主视图，图5(b)俯视图。图中，5带棱圆柱型芯模，51直棱。
图6为带两个肋条的薄壁包壳管实物图(扭转之前)。
具体实施方式：
在具体实施过程中，本发明冷拔模具包括用于外壁直肋条成型的带孔型拉拔外模和带棱圆柱型芯模，带孔型拉拔外模中心孔表面分为定径段、挤压变形段，带孔型拉拔外模内壁上设置与带肋薄壁包壳管外壁直肋条形状对应的凹槽，带棱圆柱型芯模上的棱分布与带孔型拉拔外模上的凹槽分布一致。首先通过拉拔厚壁管加工出外壁带直肋条内壁带凹槽的坯料管，用绞刀或磨头等机加去除内壁凹槽，形成外壁带直肋条内壁圆柱型的坯料管；然后采用带孔型拉拔外模和圆柱型芯模拉拔坯料管，减少坯料管的外径、壁厚及肋条的横截面。通过一次或两次以上拉拔，加工出尺寸符合要求的带直肋条薄壁包壳管。进一步的，可以通过扭转加工带直肋条薄壁包壳管，获得带螺旋肋薄壁包壳管。
如图1-图6所示，本发明带肋薄壁包壳管的生产工艺，具体过程如下：
1、厚壁管，外径大于成品带肋薄壁包壳管1外径3mm以上，壁厚大于成品带肋薄壁包壳管外壁肋条高与壁厚之和的1.5mm以上。因为需要在厚壁管坯料上挤压变形出肋条的高度，并且需要去除内壁凹槽，之后采用带孔型拉拔外模和圆柱型芯模拉拔坯料管，减少坯料管的外径与壁厚，所以设计厚壁管有足够的外径与壁厚。
2、如图2、图4-图5所示，一种用于加工带肋薄壁包壳管的冷拔模具，包括用于外壁直肋条21成型的带孔型拉拔外模4和带棱圆柱型芯模5。带孔型拉拔外模4的中心孔表面包括依次设置的挤压变形段41和定径段42，挤压变形段41为圆台形，定径段42为圆柱形，挤压变形段41与定径段42为一体连接结构，挤压变形段41与定径段42连接处的截面相同，挤压变形段41位于外侧的端面直径大于挤压变形段41位于内侧的端面直径。挤压变形段41和定径段42沿轴向设置凹槽，每组凹槽均为等截面的肋槽43和变截面的过渡槽44一体连接结构，肋槽43沿轴向贯穿于定径段42，过渡槽44沿轴向贯穿于挤压变形段41，肋槽43和过渡槽44连接处的截面相同，过渡槽44位于外侧的端面直径大于过渡槽44位于内侧的端面直径。
定径段42上的肋槽43与直肋条21的形状一致，挤压变形段41上的过渡槽44侧面锥度α为6度至16度。肋槽43和过渡槽44的数量、分布与带肋薄壁包壳管1外壁肋条的数量、分布一致。本实施例中，定径段42上的肋槽43横截面可以为半圆柱型，挤压变形段41上的过渡槽44横截面可以为半圆台型。
带棱圆柱型芯模5是等直径圆柱体，带棱圆柱型芯模5的侧面沿圆周分布直棱51，直棱51的分布与带孔型拉拔外模4的肋槽43和过渡槽44分布一致，直棱51的形状可以与直肋条21的形状一致，也可以是半圆柱型。直棱51的高度与对应带孔型拉拔外模4的肋槽43深度一致，直棱51的作用在于：挤压厚壁管内侧的金属，使之进入带孔型拉拔外模4的肋槽43中形成直肋条21，同时在厚壁管中形成凹槽22。
3、如图2所示，拉拔出外壁带直肋条内壁带凹槽坯料管2，外壁带直肋条内壁带凹槽坯料管2的外侧直肋条21与内侧凹槽22相对应。厚壁管坯料润滑，液压机压头，缩小端头直径，缩小量大于3mm，直径缩小段长度150mm。调整带孔型拉拔外模4和带棱圆柱型芯模5，使带孔型拉拔外模4的肋槽43与带棱圆柱型芯模5上的直棱51对正，带棱圆柱型芯模5用连接杆固定。用液压拉拔机或链条拉拔机匀速拉拔，适宜的速度范围0.5m/min至3m/min。为了确保金属充型饱满完全形成肋条，坯料管变形量设计为，外径减径量大于或等于10％，壁厚减薄率大于或等于10％。
4、如图3所示，采用机加方法去除内壁凹槽形成外壁带直肋条坯料管3，外壁带直肋条坯料管3的外侧保留直肋条31，可以采用绞刀加工或者珩磨方法进行机加，加工坯料管内壁时，绞刀或珩磨头设计为浮动的，可以自适应坯料管直线度变化。机加后坯料管厚度大于成品带肋薄壁包壳管壁厚0.20mm以上。留有一定的壁厚量，目的是为后续圆柱型芯模拉拔做准备。
5、采用带孔型拉拔外模和圆柱型芯模拉拔，此道次拉拔芯模不带棱，是圆柱型光滑模具。拉拔目的是减少坯料管的外径和壁厚，减少肋条的横截面。与第一道次带孔型拉拔外模结构相同，带孔型拉拔外模上带有肋槽、过渡槽，肋槽形状与肋条形状相同，此道次肋槽的截面尺寸略小于第一道次带孔型拉拔外模肋槽的截面尺寸。具体的设计原则是：坯料管上的肋条变形延伸率与坯料管的延伸率一致，以保证肋条与坯料管整体塑性变形。拉拔过程中，坯料管上的肋条在肋槽中随管向前移动，只有在坯料管内壁与芯模接触之后肋条才会变形。拉拔之后，坯料管外径与壁厚分别减少，并且管壁在外模与芯模的挤压变形下变得均匀。肋条的形状不变，截面尺寸变小。
6、如图6所示，带直肋条薄壁包壳管实物，通过扭转带直肋条薄壁包壳管，形成带螺旋肋薄壁包壳管。
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例
本实施例中，带肋薄壁包壳管的生产工艺，具体过程如下：
1、厚壁管，材质：1Cr18Ni9Ti不锈钢，尺寸(外径*壁厚)：27.3*2.5mm。润滑，压头，准备拉拔。
2、直径25mm带孔型拉拔外模，其内壁设有两条肋槽，肋槽间隔180度，肋槽深度1mm。直径21mm带棱圆柱型芯模，其外壁上设有两条直棱，两条直棱间隔180度，棱形状为半径1mm的半圆柱。
3、拉拔出外壁带直肋条内壁带凹槽坯料管。坯料管外径25mm，内径21mm，坯料管壁厚2.0mm，2个直肋条，肋条高1mm。坯料管内壁2个直凹槽，深度1mm。
4、用浮动的绞刀机加内壁。先把坯料管矫直，然后用浮动绞刀去屑机加，分4次加工，每次加工量0.25mm。加工之后，坯料管外径25mm，内径23mm，壁厚1mm，内壁光滑，肋条高1mm。
5、第一次带孔型拉拔外模和圆柱型芯模拉拔。带孔型拉拔外模直径22mm，2条肋槽，槽深0.92mm。芯模，圆柱型，没有棱，直径20.4mm。拉拔之后，坯料管外径22mm，内径20.40mm，壁厚0.80mm，2个直肋条，肋条高0.92mm。
6、第二次带孔型拉拔外模和圆柱型芯模拉拔。带孔型拉拔外模直径19mm，2条肋槽，槽深0.88mm。圆柱型芯模没有棱，直径17.50mm。拉拔之后，坯料管外径19mm，内径17.50mm，壁厚0.75mm，2个直肋条，肋条高0.88mm。
7、第三次带孔型拉拔外模和圆柱型芯模拉拔。带孔型拉拔外模直径17mm，2条肋槽，槽深0.82mm。圆柱型芯模没有棱，直径15.70mm。拉拔之后，坯料管外径17mm，内径15.70mm，壁厚0.65mm，2个直肋条，肋条高0.82mm。
8、第四次带孔型拉拔外模和圆柱型芯模拉拔。带孔型拉拔外模直径15mm，2条肋槽，槽深0.79mm。圆柱型芯模没有棱，直径13.80mm。拉拔之后，坯料管外径15mm，内径13.80mm，壁厚0.60mm，2个直肋条，肋条高0.79mm。
9、第五次带孔型拉拔外模和圆柱型芯模拉拔。带孔型拉拔外模直径13mm，2条肋槽，槽深0.76mm。圆柱型芯模没有棱，直径11.90mm。拉拔之后，坯料管外径13mm，内径11.90mm，壁厚0.55mm，2个直肋条，肋条高0.76mm。
10、第六次带孔型拉拔外模和圆柱型芯模拉拔。带孔型拉拔外模直径12mm，2条肋槽，槽深0.72mm。圆柱型芯模没有棱，直径11.0mm。拉拔之后，坯料管外径12mm，内径11.0mm，壁厚0.50mm，2个直肋条，肋条高0.72mm，加工出尺寸符合要求的带直肋条薄壁包壳管。
11、扭转螺旋线。带孔型拉拔外模直径12mm，2条肋槽，槽深0.72mm。圆柱型芯模没有棱，直径11.0mm。拉拔直线速度700mm/min，带直肋条薄壁包壳管旋转速度360度/min，扭转出螺距700mm的螺旋线，获得带螺旋肋薄壁包壳管。
本发明中，包壳管材料可以是不锈钢、锆及锆合金、铁素体马氏体合金钢、氧化物弥散增强的铁铬铝不锈钢，但不仅限于上述材料。本发明加工流程适用于外壁带肋内壁为光滑孔的包壳管，外壁可以带有一个肋条，也可以带有两个以上肋条。
Claims (10)
1.一种带肋薄壁包壳管的生产工艺，其特征在于，首先采用外壁直肋条成型的带孔型拉拔外模和带棱圆柱型芯模，通过第一道次拉拔厚壁管加工出外壁带直肋条内壁带凹槽的坯料管，机加去除内壁凹槽，形成外壁带直肋条内壁圆柱型的坯料管；然后采用带孔型拉拔外模和圆柱型芯模拉拔坯料管，减少坯料管的外径、壁厚及肋条的横截面，通过一道次或两道次以上拉拔，加工出尺寸符合要求的带直肋条薄壁包壳管。
2.按照权利要求1所述的带肋薄壁包壳管的生产工艺，其特征在于，进一步的，通过扭转加工带直肋条薄壁包壳管，获得带螺旋肋薄壁包壳管。
3.按照权利要求1所述的带肋薄壁包壳管的生产工艺，其特征在于，厚壁管外径大于成品带肋薄壁包壳管外径3mm以上，壁厚大于成品带肋薄壁包壳管外壁肋条高与壁厚之和的1.5mm以上。
4.按照权利要求1所述的带肋薄壁包壳管的生产工艺，其特征在于，冷拔模具包括用于外壁直肋条成型的带孔型拉拔外模和带棱圆柱型芯模，带孔型拉拔外模中心孔表面分为定径段、挤压变形段，带孔型拉拔外模内壁上设置与带肋薄壁包壳管外壁直肋条形状对应的凹槽，带棱圆柱型芯模上的棱分布与带孔型拉拔外模上的凹槽分布一致。
5.按照权利要求1所述的带肋薄壁包壳管的生产工艺，其特征在于，拉拔出外壁带直肋条内壁带凹槽坯料管，外壁带直肋条内壁带凹槽坯料管的外侧直肋条与内侧凹槽相对应；调整带孔型拉拔外模和带棱圆柱型芯模，使带孔型拉拔外模的肋槽与带棱圆柱型芯模上的直棱对正，带棱圆柱型芯模用连接杆固定，通过液压拉拔机或链条拉拔机匀速拉拔，拉拔速度范围0.5m/min至3m/min。
6.按照权利要求5所述的带肋薄壁包壳管的生产工艺，其特征在于，为了确保金属充型饱满完全形成肋条，坯料管变形量设计为，外径减径量大于或等于10％，壁厚减薄率大于或等于10％。
7.按照权利要求1所述的带肋薄壁包壳管的生产工艺，其特征在于，采用机加方法去除内壁凹槽形成外壁带直肋条坯料管，外壁带直肋条坯料管的外侧保留直肋条，采用绞刀加工或者珩磨方法进行机加，加工坯料管内壁时，绞刀或珩磨头设计为浮动的，自适应坯料管直线度变化，机加后坯料管厚度大于成品带肋薄壁包壳管壁厚0.20mm以上。
8.按照权利要求1所述的带肋薄壁包壳管的生产工艺，其特征在于，采用带孔型拉拔外模和圆柱型芯模拉拔，所述带孔型拉拔外模与第一道次使用的带孔型拉拔外模结构相同，所述带孔型拉拔外模的肋槽形状与直肋条形状相同，所述带孔型拉拔外模的肋槽截面尺寸小于第一道次带孔型拉拔外模肋槽的截面尺寸；坯料管上的肋条变形延伸率与坯料管的延伸率一致，以保证肋条与坯料管整体塑性变形。
9.一种权利要求1至8之一所述生产工艺使用的冷拔模具，其特征在于，包括用于外壁直肋条成型的带孔型拉拔外模和带棱圆柱型芯模，带孔型拉拔外模的中心孔表面包括依次设置的挤压变形段和定径段，挤压变形段为圆台形，定径段为圆柱形，挤压变形段与定径段为一体连接结构，挤压变形段与定径段连接处的截面相同，挤压变形段位于外侧的端面直径大于挤压变形段位于内侧的端面直径；挤压变形段和定径段沿轴向设置凹槽，每组凹槽均为等截面的肋槽和变截面的过渡槽一体连接结构，肋槽沿轴向贯穿于定径段，过渡槽沿轴向贯穿于挤压变形段，肋槽和过渡槽连接处的截面相同，过渡槽位于外侧的端面直径大于过渡槽位于内侧的端面直径；
带棱圆柱型芯模是等直径圆柱体，带棱圆柱型芯模的侧面沿圆周分布直棱，直棱的分布与带孔型拉拔外模的肋槽和过渡槽分布一致，直棱的形状与直肋条的形状一致或者是半圆柱型；直棱的高度与对应带孔型拉拔外模的肋槽深度一致。
10.按照权利要求9所述的冷拔模具，其特征在于，定径段上的肋槽与直肋条的形状一致，挤压变形段上的过渡槽侧面锥度α为6度至16度；肋槽和过渡槽的数量、分布与带肋薄壁包壳管外壁肋条的数量、分布一致。
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