CN1338978A - 金属成型方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在一个锻压装置(1)中通过锻压加工金属部件(2)的方法,该锻压装置包括一个夹持装置(4),一个锻模(5)及一个锻锤(7)其中进行以下步骤:a)将金属部件(2)夹持在夹持装置(4)中,以在锻模(5)中形成一个锻压空间(13),其中除锻压空间(13)外该部件被这样地夹紧,即可从环绕的外围直接吸收锻压力;b)将锻锤(7)这样地放置在金属部件上,即当力作用在该金属部件上时,金属部件(2)的材料(15)可被迁入锻压空间(13);c)通过在锻锤(7)上这样地施加一个压力使夹紧的金属部件(2)受到预压力,即该机械力处于弹性(虎克)区域中;d)通过锻锤(7)将一个脉冲施加到金属部件(2)上,其中该金属部件(2)的材料(15)从弹性区域过渡到流动区域,由此材料(15)可迁移到锻压空间(13)中,锻锤(7)可向前运动及材料(15)上的压力下降到预压力,并可再返回到弹性区域中;及e)周期性地重复步骤c)及d)直到锻压过程结束。所述方法可获得具有均匀结构的产品。

Description

金属成型方法及装置

技术领域

本发明涉及一种金属加工方法，尤其是用于金属工件如管、线或型材的一种锻压方法，以及涉及一种锻压装置。

背景技术

根据现有技术，通常以下列方式进行厚度压缩，即一个管子或金属型材当前具有最大壁厚，其厚度将通过适当的锻压或锻打在所需位置上使厚度减小。这种锻压或锻打从最厚的截面开始，因此是一种高成本的方法-尤其是当管子或型材需压缩的部分比它的其余部分小时。迄今使型材通过直接锻压来压缩厚度的各种尝试均未成功。使管子或杆压缩厚度的尝试经常引起：在锻压的开始阶段上型材的侧面就已展宽或断裂，其中将引起裹围及上冲断层。此外，由此将产生变形材料的一种不均匀的晶体结构，这对于稳定性是不希望的。在此情况下型材上会形成如象鼻上那样的皱纹。

还作出尝试来解决皱纹形成现象，其中将工件放置在具有不同构型的各个锻模级中，这纯粹是一种高成本的方法。

发明概述

因此本发明的任务在于，提供一种金属加工方法，通过它可快速且经济地在管子、杆或其它型材中形成厚度的压缩。

现在发现，在管、杆或另外型材中所需加工位置可通过锻压这样来压缩，即待锻压的工件在虎克区域中被预压，及工件用锻锤脉冲地加工。通过锻锤的脉冲使工件的材料从虎克区域短时地过渡到塑性区域。脉冲的作用在于使锻压区域中的材料形成流动，由此使锻压空间被填入一些；接着锻锤运动，压力下降，由此使工件又返回到结晶状态，但总是处于预压力作用下。接着在工件上施加另一周期性锻压脉冲，其中又过渡到塑性区域及发生再结晶。通过该方式可以得到具有均匀结构的均匀压缩的型材。

相应地，本发明的主题是根据权利要求1确定的锻压方法及根据权利要求10确定的锻压装置。

根据本发明的方法被称为“脉动锻压”。其中重要的是，产生的推进力被这样引导，即它仅作用到锻压空间中及仅用于转移材料。

为此需要，待锻压的型材在锻压空间中是自由的及其余部分被这样地保持，即在锻压空间以外的力被均衡分布或对工件壁无作用。通过控制的压力比将使材料的温度升高。为此输入的能量必需在夹持的空间中被相应地排出，由此使过渡区域不混淆及材料不会无控制地展宽。

在实际的锻压过程前，待变形的材料必需用相应的液体压力预压，由此使脉冲压力可正确起作用。最好预压发生在一个区域中，该区域处于过渡到塑性区域的紧前面。因此在预压状态中的材料总是处于弹性区域中。通过适当措施在整个锻压过程中维持预压力，即待加工的材料在各个脉冲之间仍处于预压力下。有利的是，被锻压的材料，尤其是大型材在流动状态紧前面被预热。输入的能量及频率将根据布里渊(Brillouin)(第一布里渊区域)来确定。最好在锻压空间中通过微波来局部预热。在薄型材的情况下可不用预热。压力脉冲仅用于预压及预热的材料上，其中待锻压的材料被过渡到流动状态。通过材料变软压力活塞可向前移动及降低压力；由此材料可再结晶。材料的预压力在各个压力脉冲之间出现。它可这样地实现：对于力的产生可使用包括两个液压泵的液压系统，即一个用于产生预压力-如40巴(4×10⁶Pa)-的预压泵及一个用于产生压力至700巴(7×10⁷Pa)的小脉冲泵。该泵到活塞(脉动活塞)的导管中必需设有止回阀。

为了将压力脉冲作用与锻锤最好使用液压系统。在此情况下，脉冲从液压或脉动活塞传递到锻锤上。将用油使脉动活塞向待锻压的材料运动，然后这样地增加压力，即受压的油在工件中引起所需的预压力。泵及脉动活塞之间的导管设计成无弹性的及对脉冲频率无反射的。对受压油上的压力脉冲例如用频率调节的活塞控制来调制，由此可使脉冲从液压活塞向锻锤无阻尼地进行传递(液压油的压缩率约为10^-6)。

锻压周期将根据虎克定律来确定，由此它确定了脉动频率的第一半个周期。对于第二半周期仅控制：现有的时间对于再结晶是否够用。通过该方法脉冲频率总是由材料来确定。在锻压区域中材料最后去压力后，该材料总是处于虎克区域、即被预压力作用。应该指出，材料通过在锻压区域中抽去锻锤可以减压，因为否则可在锻压区域附近出现不希望有的压缩。

附图简述

以下将借助附图来详细地描述本发明。附图为：

图1：用于实施本发明方法的一个锻压装置的截面图，其中为锻压过程前的状态；

图2：与图1中相同的锻压装置，但表示锻压过程后的状态；

图3：锻压装置的一个替换实施形式，即用于实施根据本发明方法的头端锻压装置，它用于另一种材料或产品；

图4：脉动活塞上液压泵的布置；

图5：锻压过程的压力-行程曲线图；

图6：根据本发明方法的压力-时间曲线图；

图7：类似图1的锻压装置的放大截面图；

图8：锻压装置的另一实施形式，它被设计用于在空心型材的端部之间的区域中锻压该空心型材；

图9：以放大比例表示的图7及8中的细节；

图10：类似图7的示图，它表示用于在一个管子端部产生非旋转对称的压缩的装置；

图11：类似图8的示图，它表示用于在一个管子端部之间产生非旋转对称的压缩的装置；及

图12：一个脉冲发生器的概要横截面。

优选实施例说明

图1表示一个脉动锻压装置1，它被确定用于锻压一个管子2以形成较大壁厚的端部。在该管2内插入一个心棒3，该心棒用于保持管的截面形状，同时避免其材料可移动到管型材的内部。该管子通过夹持装置4保持，后者在心棒3上施加反压力。夹持装置在管子周围的所有侧上施加压力。由此可避免材料不受控制地移动。被锻压的管2继续地伸入到锻模5中，该锻模设有冷却螺旋管6，其中被馈给冷却剂14，由此由于高压力产生的温度根据要求地被排出。心棒3通过待锻压的管2部分地伸入到锻模5中。在心棒3伸入锻模的端部上设有一个孔9，该孔用作为锻锤7延伸部分8的导轨。该延伸部分与锻模一起确定了锻压空间13，在该空间中当锻压过程时管的材料被展宽。锻锤7的压力或所需的脉冲将通过脉动活塞10来施加。该活塞用液力驱动，其中11表示液压导管及12表示用于可扩展的液压油的室。在锻压过程开始前，将待锻压的管与插入的心棒3放到夹持装置4中所需位置上，及根据要求使夹持装置夹紧。锻锤7被置于位于锻模5中的管的端面上。然后待锻压的管被这样地加预压力，即材料仍处于弹生区域(虎克区域)中。

因为液压油在该压力范围中具有弹性，这里加预压力具有其优点，即不仅被加工的材料部分而且液压油均被预压。而锻压过程则发生在不具有任何弹性的区域中。

图2表示与图1中相同的脉动锻压装置，但它是在已完成的锻压过程后。其中各标记具有与图1中相同的意义。在该图中可以看到，脉动活塞10与图1中相比向右移动了。由此该脉动活塞10被驱动到锻模5中，其中被锻压的管朝着锻锤的部分受到锻压，及图1中所示的锻压空间仅由被锻压管2的整个锻压部分15所填充。

图3表示实施根据本发明的方法的脉动锻压装置的一个替换实施形式。该装置20是一个头端锻压装置。该装置用于使一个金属杆或金属丝在其一个端部受锻压以构成一个头端。一个金属丝(未示出)被穿到夹持装置22的孔21中，直到一个端部伸入到锻锤24的半球形凹陷23中被挡住为止。锻锤24可通过活塞25在工件上施加压力，其中在锻压过程时，将与上述相同的方式进行，材料可在锻模26及锻锤24的半球形凹陷23中被移动。活塞25由液力操作。夹持装置及液压系统的细节未在该图中给出，因为这对于技术人员是显而易见的。

图4表示活塞10(图1及2)或25(图3)上液压泵31，32的典型布置，该活塞将压力作用在锻锤(未示出)上。较大的液压泵32用于在锻压过程时保持一个恒定的预压力，例如为40巴。较小的泵31用于以较高的压力势力周期性的脉冲压力，如700巴，该压力足够使材料从虎克区域过渡到塑性区域。从泵31，32到活塞的导管34，35设有止回阀36，37。为了更好地说明，在泵符号的上面表示有概示的压力曲线的小图38，39。

图5表示用于根据本发明的锻压过程的压力-行程图a，其中h表示虎克区域及A表示预压力点。

图6表示用于根据本发明的钢锻压过程的压力/时间图b。可清楚地看到，在脉冲期间脉动的压力曲线。在区域h中材料在虎克区域中被预压，直到预压点A为止。一旦达到该点，脉冲将作用到待变形的材料上，这时将形成曲线的第一个峰值。在该脉冲期间，待变形的材料从弹性区域过渡到流动区域f，在其中发生一次变形，因为材料已形成流动。活塞在此情况下可继续向前移动及压力可降至预压力，这时材料可再晶体化。该再晶体化阶段用区域r表示。接着重新在待变形材料上施加一个脉冲，直到第二个峰值为止。这时所发生的情况如第一峰值时那样：压力活塞可继续向前移动，其中材料过渡到塑性区域，它允许变形。然后压力下降，这时材料可重新再晶体化。该过程一直重复下去，直至达到所需变形为止。在该图上还表示出一个压力差Δdruck，它是一个与材料相关的常数，它必需被计算或通过另外途径获得。

图7表示一个锻压装置的重要细节，该锻压装置类似于图1中所示的锻压装置，但相对图1放大了比例。与图1中相同的部分设有相同的标记。总地用4表示的夹持装置由多个液压汽缸组成，它们作用在夹具16上。在图1及7中仅表示出两组在管2的纵向上相邻设置的、分布在夹具周围的液压汽缸。但在实际中最好设置三组或多组液压汽缸。事实表明，当在管2待变形的端部上夹持力大及在向着管2的另一端夹持力下降并再增大时，可达到很好的变形结果。通过这样的夹持力变化曲线可避免夹持区域中管2材料不希望地流动。因此，在图7所示的实施形式中在待变形管子纵向上前后布置的液压汽缸与图1所示的实施形式不同、具有分开的压力介质的导管。这些导管未在图7中表示出来。通过这些分开的导管可以作到：相邻的导管被供给不同的压力，以便达到上述的夹持力变化曲线。为了进一步改善夹持装置4作用在管2上的夹持力，夹具16与管2相接触的面设有大摩擦力的层，尤其是由碳化钨组成的层，及至少管2与夹具16相接触的表面区域被打毛。

提高在工件纵向上与变形力相反方向的夹持力的另一措施在于一个小的环形台19，它被设置在锻模5及夹具16之间。该环形台19被表示在图9上，其中以放大的比例表示图7及8中用D标出的区域。当变形时在该环形台19上构成工件管2的小锻痕，由此使管2在纵向上也以形状连接来保持。

在图7中表示处于锻压过程前的锻压装置。在该实施形式中锻压空间13受到锻锤的接触面17，锻锤7的延伸部分8，心棒3的端面29及锻模5限制。锻锤7用其接触面17与待变形的管2的端面相接触。简化地说，管2中十字影线的区域通过变形过程在箭头18的方向上移动到锻压空间13中。因此，由锻锤7作用于管子上的力实际上对着锻压空间13，锻锤的接触面17并非垂直于管2地纵向延伸，而是朝管2的方向上呈盘状地轻微倾斜。如果重要的是：完成变形的管子2应具有与接触面17的构型不同的端面、例如应正好为直角，则将在另一工序中借助另一锻锤来产生最后的形状。

图8表示根据本发明锻压装置的一种实施形式，它用于在管子2的两个端部之间的区域中形成对该管的锻压。图8中装置的左半部分实质上相应于图7中右半部分。图8的整个左部分中还可看到附加有底座27，管2座落在其上。在锻模5的右侧具有另一夹持装置4，它保持管2的这个端部。这里锻锤7具双重地台阶。第一台阶由接触面17构成，它在变形过程开始时将锻压力施加在待变形的管2上。因为该锻压力在右夹持装置4内必需通过管2传递到锻压空间13，及该管必需在夹持装置中将根据变形度向左朝锻压空间13移动，重要的是，右夹持装置4的夹持力是可调节的。第二台阶由轻微倾斜的面28构成，它与延伸部分8、心棒3的端面29及锻模5一起限制了锻压空间13。一旦工件在面28上开始锻压，该面将一部分锻压力传递到管2上。当然有利的是，面28及29这样地倾斜，以使得它们的法线朝着锻压空间，正如以上对于接触面17所描述的。

显然，无论是锻锤7还是心棒3和/或它的孔9几乎可任意地构成，例如可设有多个台阶，以使锻压空间13具有理想的形状。但仅要注意，在变形后它们应能彼此离开，而不会使已变形的工件受损。此外，在上述脉动锻压装置的所有实施例中，待变形的部分是旋转对称的。但在本发明的范围内可直接地用于变形非旋转对称的型材或管，或在旋转对称的型材或管上变形非旋转对称的区域。为此在图10及11中表示出两个例子。

图10以类似图7的示图表示在一个管2的端部产生非旋转对称压缩的装置。在该实施形式中，在心棒3的一侧上限制锻压空间13的面29’相对管2的纵向轴不是成直角的。如从该图中可清楚地看到的，与此相应地，夹具16及锻模5也构成不对称的。

图11以类似图8的示图表示在一个管的端部之间产生非旋转对称压缩的装置。在该实施形式中，是在锻锤7的一侧上限制锻压空间13的面28′相对管2的纵向轴不是成直角的。与此相应地，另一夹持装置4的夹具16及锻模5也构成不对称的。

锻锤脉动的频率是对于每种工件凭经验得到的。可以推测，当在锻锤7的接触面17及在延伸部分区域19中虚拟反射壁之间管2的待变形区域上形成一个驻波时可达到最佳效果。因此有利的是，脉冲频率可以调节及最好在变形过程中可以改变。

所述的脉冲泵31可为传统的活塞式泵。但效率更高的是旋转式脉冲发生器。图12表示这样一个脉冲发生器40的可能实施形式的概要截面图。中心转子41在其中心具有一个纵向孔42，它通过一个旋转密封装置被加载高压力，例如700巴的压力。为了减小磨损在转子表面上覆盖有由譬如陶瓷作成的层43，及转子被定子44包围。转子中的径向45通道将高压力从纵向孔42导向外侧。在定子44中也设有径向通道46，它在转子旋转时总是短时地与其通道45接通。定子44的每个通道46的径向外端具有一个止回阀47。根据本实施例，该止回阀47由一个带有圆柱延伸部分的球组成，其中圆柱延伸部分伸在径向连接导管48中。球及延伸部分中钻有透孔，以保证使压力介质流通过连接导管48流到外环形室49中，该室中被控制在例如40巴的预压力上。该预压力也用于使止回阀47的球压在其座上，只要这时通道45及46不彼此形成连通。所有止回阀47被保持在一个阀环50中。当然，亦可使用其它的公知止回阀，它的阀体例如是一个锥体及例如由一个弹簧压在其座上。每次当转子通道45及定子通道46之间形成通流连接时，在定子通道中形成一个压力脉冲。当这些通道在转子及定子之间的过渡区域中具有由直线限定的横截面时、即例如为矩形时，压力脉冲可达到很陡的边沿。在所示的例子中，所有四个转子通道同时与四个定子通道连接。由此保证对称的负荷及通过这些通道流过的压力介质量相加。但也可设想另外的实施形式，其中通道的数目及布置将这样，即它们的连接依次地发生。通过这种结构可在低转速时产生高的脉冲频率。

Claims (20)

1.在一个锻压装置中通过锻压加工金属部件的方法，该锻压装置包括一个夹持装置，一个锻模及一个锻锤，其特征在于，具有以下步骤：

a)将金属部件夹持在夹持装置中，以在锻模中形成一个锻压空间，其中除锻压空间外该部件被这样地夹紧，即可从环绕的外围接收锻压力，

b)将锻锤这样地放置在金属部件上，即当力作用在该金属部件上时，金属部件的材料可被迁入锻压空间，

c)通过在锻锤上这样地施加一个压力使夹紧的金属部件受到预压力，即该机械力处于弹性(虎克)区域中，

d)通过锻锤将一个脉冲施加到金属部件上，其中该金属部件的材料从弹性区域过渡到流动区域，由此材料可迁移到锻压空间中，锻锤可向前运动及材料上的压力下降到预压力，并可再返回到弹性区域中，及

e)周期性地重复步骤c)及d)直到锻压过程结束。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：该金属部件是一个管，一个型材或一个杆。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：该材料由铁，铜或铝或由它们的合金组成。

4.根据权利要求1至3中一项的方法，其特征在于：锻锤由液压系统驱动，其中脉冲通过活塞泵产生及通过一个液压活塞传递到锻锤上。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于：液压系统中的液压油被预压，由此使预压力到达工件及避免脉冲的阻尼。

6.根据权利要求1至5中一项的方法，其特征在于：金属部件通过微波在锻压空间中在过渡到流动状态前被局部加热，由此保证再结晶。

7.根据权利要求1至6中一项的方法，其特征在于：通过压力作用产生的过剩热量通过冷却被排除。

8.根据权利要求2至7中一项的方法，其特征在于：金属部件是一个管或空心型材，其中在该部件内空间中插入一个心棒或精确配合的插入件，在这里将不发生锻压。

9.根据权利要求1至8中一项的方法，其特征在于：至少金属部件的一部分表面在夹持到锻压装置中以前被打毛。

10.用于加工金属部件的锻压装置，包括一个夹持装置(4)及一个锻模(5)，该锻模接收金属部件(2)并构成锻压空间(13)，及包括一个锻锤(7)和用于在锻锤(7)上施加推进力的装置(10，25)，其特征在于：设有脉冲装置(31，40)，通过它可使推进力周期性地叠加相同方向的力脉冲。

11.根据权利要求10的锻压装置，其特征在于：夹持装置(4)具有多个在工件的纵向上前后布置的压力源，它们可单独地调节作用在金属部件上的夹持力。

12.根据权利要求10或11的锻压装置，其特征在于：夹持装置(4)具有夹具(16)，夹具上设有与工件接触的面，该面具有高摩擦力的层，尤其由碳化钨组成的层。

13.根据权利要求12的锻压装置，其特征在于：夹具(16)在锻锤(7)一侧上比相邻的锻模(5)向内伸得稍微多一些，由此构成环形台，材料在锻压变形时被接触在其上，由此通过夹持作用及形状配合增大了与工件纵向上的变形力相反方向的夹持力。

14.根据权利要求10至13中一项的锻压装置，其特征在于：将变形力传递到待变形金属部件(2)的锻锤前侧的接触面(17)这样地倾斜，即该面的法线(18)指向材料向其迁移的锻压空间(13)。

15.根据权利要求10至13中一项的锻压装置，用于加工在其各端部之间的金属部件，其特征在于：设有另一个夹持装置(4)，它设在锻压空间(13)的与第一夹持装置(4)对立的一侧上。

16.根据权利要求15的锻压装置，其特征在于：锻锤(7)至少具有两个台阶，其中第一台阶通过接触面(17)构成，通过它至少变形力的一部分传递到金属部件(2)的前侧，及第二台阶通过限制锻压空间(13)的面(28)构成。

17.根据权利要求10至16中一项的锻压装置，其特征在于：锻压空间(13)被构成非旋转对称的。

18.根据权利要求10至17中一项的锻压装置，其特征在于：用于在锻锤(7)上施加推进力的装置由可由压力流体加载的活塞(10，25)组成。

19.根据权利要求10至18中一项的锻压装置，其特征在于：脉冲装置包括开关装置(45，46)，它们周期性地使压力流体从高压的压力源接通到产生推进的压力流体。

20.根据权利要求10至19中一项的锻压装置，其特征在于：脉冲装置具有一个转子(41)，它具有一个可由具有第一压力的压力流体加载的空间(42)；至少一个径向通道(45)与该空间(42)连通；转子该一个定子(44)包围，在定子中设有至少一个径向通道(46)，它与由具有第二压力的压力流体加载的空间(49)相连通，及通道(45，46)被这样地布置，即当转子转动时，它们彼此周期性地连通。

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