CN200961143Y

CN200961143Y - 电致塑性加工处理设备

Info

Publication number: CN200961143Y
Application number: CN 200620015059
Authority: CN
Inventors: 唐国翌; 顾宗岳; 唐飞; 丁飞
Original assignee: Harbin Hongqiao Metal Product Co Ltd; Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Heilongjiang Hongqiao Metal Products Co., Ltd.; Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2016-09-29

Abstract

一种电致塑性加工处理设备，用于金属线或带材的连续生产线，通过牵引装置带动连续金属线或带材以一定速度传输，包括工作箱，该箱内设两个导电夹具，工作箱上边设绝缘支架；高能脉冲电源，该电源的两输出端分别连接两导电夹具，通过两导电夹具将该电源提供的高能脉冲电流导入穿过工作箱的运动着的连续金属线加电区域段处理，以及，设置在运动的金属线的加电区域段周围的强制冷却装置，用于对运动的金属线的加电区域段同时进行强制冷却。本设备结构简单，可取代目前退火工序使用的热处理炉，能够实现在线连续退火处理，处理时间短，可大大提高生产效率，能耗低，环境得到改善，处理后的金属线或带材质量稳定性好，能够获得优异的综合性能。

Description

电致塑性加工处理设备

技术领域

本实用新型涉及金属线材及带材电致塑性加工和电致塑性软化处理技术，特别是一种利用高能电脉冲对金属线材及带材在线连续处理的设备。

背景技术

金属线材及带材，如钢丝、铜丝、镁合金丝等，由于其具有良好的机械性能、物理性能等综合特性，因而在工业生产、增强纤维、电子、电器等领域被广泛应用，在工业生产领域中已占有十分重要的位置。

中碳钢丝被广泛用于焊丝、钢绞线、钢丝绳、弹簧等，在工业中占据重要地位。中碳钢丝制品承受很大的载荷，工作条件恶劣，因而理想的钢丝应具有较高的强度和较好的塑性。适当的高强度和适中的高塑性的结合，可使材料和构件获得非常高的断裂能量或断裂功，从而极大地提高工程构件的性能和使用寿命。目前中碳钢丝加工硬化后一般需通过热处理炉进行软化退火处理。然而软化退火必须有合适的加热温度，适当的保温时间和缓慢的冷却速度。目前生产上使用的软化退火工艺，热处理周期长，生产效率低，处理后钢丝还要经过表面处理等一系列流程才可以使用，设备和工艺都十分复杂，生产成本相当高。

目前，铜线的完全软化或不同硬度状态的要求的退火技术主要采用井式或钟罩式退火方式，以及管式(如马弗管)在线退火方式。两者以电阻发热元件为热源，对流和辐射传热为主对铜线间接加热，存在热效率低，通常为30～45％；由于井式或钟罩式炉的温度场上下分布难以保证均匀，还存在退火均匀性差，材料间易粘结，加热时间长等缺陷。采用交流或直流电源的直接电阻加热在线退火方式，如专利号为US5700335的美国专利介绍了一种可在线测量铜线电加热区的电压和电流，并反馈式调整输出功率以保证铜线加热温度的方案，其采用三相交流电输入铜线，电阻加热方式对铜线进行退火处理，铜线的电加热区域段完成退火处理后进入生产线后边设置的冷却装置冷却处理。该方式热效率较高，通常为60～95％，但是其耗电量大，使生产成本大幅增加。

镁合金材料已成为工业界应用越来越广泛的新型材料之一。变形镁合金丝材、带材的传统加工方法主要是通过完全退火后冷加工。变形镁合金在经过一系列变形(如热挤、冷拉、冷轧)后，通过300～400℃、约30分钟至1小时左右的退火处理，在冷加工过程中，往往需要进行多次反复的中间退火工序才能获得要求的丝(带)材产品。该方法得到的镁合金产品表面氧化严重，质量难以保证，材料性能相对较低，并且退火炉的温度场空间分布难以保证均匀，还存在退火均匀性差，丝(带)材的性能不稳定，热效率低和处理时间长等缺点。

因而如何用简单的工艺使金属线材或带材经过处理后能满足常规热处理性能指标，是工程界非常关注的问题。

发明内容

为解决现有金属线材退火处理技术存在的上述问题，特别是克服采用交流或直流电源的直接电阻加热在线退火技术耗电量大、生产成本高的缺陷，本实用新型提供一种新的电致塑性加工处理设备，利用高能电脉冲对金属线材或带材进行在线连续处理，以节省能源，提高生产效率，降低成本，避免传统退火工艺中金属线材或带材的氧化现象。

本实用新型的电致塑性加工处理设备用于金属线或带材的连续生产线，通过牵引装置带动连续金属线或带材以一定速度传输，包括：

工作箱，工作箱内间隔一定距离设置两个导电夹具，工作箱上边设置绝缘支架，所述两个导电夹具，安装于绝缘支架与工作箱内底面上的垫块之间；

高能脉冲电源，该电源的正、负输出端分别连接两个导电夹具，通过所述两导电夹具将该电源提供的高能脉冲电流导入穿过工作箱的运动着的连续金属线或带材的加电区域段处理，该电源输出脉冲宽度为10～200μs、脉冲频率为50～3000HZ；以及，

强制冷却装置，该装置设置在运动的金属线或带材的加电区域段周围，用于对运动的金属线或带材的加电区域段同时进行强制冷却。

其中，所述高能脉冲电源包括：

一AC/DC转换电路；

一电容器；

一充电电路，该充电电路包括与电容器串联的充电可控硅，充电可控硅的正端接AC/DC转换电路正输出端；

一放电电路，该放电电路包括放电可控硅和一对输出端子，放电可控硅正端与充电可控硅的负端连接，一个输出端子连接于放电可控硅负端，另一个输出端子接地端，通过该一对输出端子将高能脉冲电流导入被加工金属件；

以及，一控制电路，该控制电路的两个输出端分别与充电可控硅和放电可控硅的控制端连接，控制电路交替触发充、放电可控硅轮流导通，使电容器充电和放电，从而在放电电路中形成高能脉冲电流。

在工作箱内安装一导电夹具的垫块下设置一导向块，该导向块位于工作箱内底面上的导轨中，导向块与工作箱相邻侧壁之间设置丝杆丝母传动机构，以调节两导电夹具之间的距离。所述两个导电夹具之间的距离可为80～600mm，两个导电夹具之间的距离根据待处理线材或带材的材质、线材直径及带材厚度、线材或带材的运动速度以及处理后对材料的性能要求来调节。

上述强制冷却装置设置于运动的连续金属线或带材的加电区域段周围，强制冷却装置可为水冷装置、或风冷装置、或油冷装置等。

本电致塑性加工处理设备是对金属线或带材进行连续电脉冲处理的专用设备，可与金属线或带材的连续生产线配合使用。本设备可以在瞬间产生很高的脉冲电流，电脉冲处理时间短，处理温度低，因此处理过程中减少了材料的氧化程度，从而减少了常规处理技术因升高温度和长时间保温所带来的氧化加剧的现象。特别对钢丝材料可以减少脱碳现象。本电致塑性加工处理设备结构简单，可取代目前退火工序使用的热处理炉，并且能够实现在线连续退火处理，处理时间短，大大提高生产效率。

采用本设备对金属线或带材进行软化退火处理，生产成本低，效率高，能耗低，环境得到改善，处理后的金属线或带材质量稳定性好，能够获得优异的综合性能。经过电脉冲处理后，最终可以满足常规热处理金属线或带材性能指标。对于直流电或交流电输入方式，如需达到同样的热处理效果，需要消耗更多的能量，一般来说高能连续脉冲电较直流电节电在50％以上。

附图说明

图1为实用新型实施例结构示意图；

图2为其高能脉冲电源原理框图；

图3为55钢丝加工硬化后的金相组织；

图4为同一55钢丝硬化后经电脉冲处理后的金相组织。

具体实施方式

以下结合图1、2进一步说明。本电致塑性加工处理设备是对金属线或带材进行连续电脉冲处理的专用设备，与金属线或带材的连续生产线配合使用。也可与传统的盘丝机等牵引装置配合单独使用，被盘绕的连续金属线或带材由牵引装置带动以一定速度通过本电致塑性加工处理设备传输，传输速度可为0.5～100mpm，传输速度由收盘机调整控制(图中未画出)。

图1中7为工作箱，工作箱7可安装在绝缘工作台12上，工作箱7内间隔一定距离设置两个导电夹具8，工作箱上边设置绝缘支架10，所述两个导电夹具8安装于绝缘支架10与工作箱内底面上的垫块之间，工作箱内的两个导电夹具8之间可安装模架9，模架上安装拉丝模，使金属线的高能脉冲处理和拉丝工艺同步进行。图1中

高能脉冲电源1正、负输出端通过导线5分别连接两个导电夹具8，通过所述两导电夹具8将该电源提供的高能脉冲电流导入穿过工作箱7的运动着的连续金属线或带材11的加电区域段11’处理，其中6为线轮。

配备一强制冷却装置，该装置设置在运动的金属线或带材11的加电区域段11’周围，用于对运动的金属线或带材的加电区域段同时进行强制冷却。强制冷却装置为水冷装置、或风冷装置、或油冷装置。图1采用油冷方式，该油冷装置包括容纳冷却油的所述工作箱7、油箱2和油泵3，油泵通过输油管4将冷却油从油箱上口送入，所述工作箱7底面的回油口连接输油管4’到油箱。

依据待处理线材或带材的材质、直径及厚度、运动速度以及处理的性能要求，需要调节金属线或带材11的加电区域段11’的长度，为此，在工作箱7内安装一导电夹具8的垫块下设置一导向块，该导向块位于工作箱内底面上的导轨中，导向块与工作箱相邻侧壁之间设置丝杆丝母传动机构，以调节两导电夹具之间的距离。(该结构图中无)，通常两个导电夹具8之间的距离为80～600mm。

上述导电夹具8包括一个金属杆和导电轮，导电轮活动安装于金属杆中部，导电轮外周与金属线接触处设置用于容纳金属线的槽，以保证与金属线接触良好，减小接触电阻。导电轮也可以采用铜-石墨、或黄铜等导电性较好且耐磨的材料制成。

导电夹具8也可包括上、下电极压块，上、下电极压块分别固定于一金属杆的一端，上、下电极压块与金属线接触处设置用于容纳金属线的槽，以保证与导线接触良好，减小接触电阻。上、下电极压块可以用铜覆镍层、铜-石墨、或黄铜等材料制成。

图2为高能脉冲电源原理框图。该高能脉冲电源包括：AC/DC转换电路21；电容器C；充电电路，该充电电路包括与电容器C串联的充电可控硅Q1，充电可控硅Q1的正端接AC/DC转换电路21正输出端；放电电路，该放电电路包括放电可控硅Q2和一对输出端子J1、J2，放电可控硅正端Q2与充电可控硅Q1的负端连接，一个输出端子J1连接于放电可控硅Q2负端，另一个输出端子J2接地端，通过该一对输出端子J1、J2将高能脉冲电流导入被加工金属件G；以及，控制电路22，该控制电路22的两个输出端K1、K2分别与充电可控硅Q1和放电可控硅Q2的控制端连接，控制电路22交替触发充电可控硅Q1、放电可控硅Q2轮流导通，使电容器C充电和放电，从而在放电电路中形成高能脉冲电流。

其中，高能脉冲电源的充电可控硅Q1和放电可控硅Q2均为大功率单向可控硅。高能脉冲电源的控制电路22包括可调脉冲产生电路MZ和脉冲触发电路MC，可调脉冲产生电路MZ的输出端接脉冲触发电路MC的输入端。AC/DC转换电路21包括可控硅电压调节器T、变压器BY和三相整流器ZL，主电路由三相380V电源供电，经可控硅电压调节器T输入变压器BY变压后，再输出至三相整流器ZL整流，可控硅电压调节器T可对整流电压无级调节。充电电路中可串联防逆二极管ZP1和电感线圈L，放电电路中可串联防逆二极管ZP2。

高能脉冲电源的最大输出功率为20KW，输出脉冲宽度可为10～200μs，输出脉冲频率为50～3000Hz。对金属线退火过程中，输入金属线的加电区域段的高能连续脉冲电的工艺参数可以为：脉冲宽度10～200μs，频率50～3000HZ，电流密度的幅值150～2500A/mm²。其中，优选高能连续脉冲电的工艺参数为：脉冲宽度20～100μs，频率100～1500HZ，电流密度的幅值200～1500A/mm²。

实施例1

原始料为加工硬化态的55钢丝，直径0.98mm。采用图1所示设备对该55钢丝进行高能电脉冲连续退火处理。图3为55钢丝加工硬化后的金相组织，铁素体晶粒伸长为纤维状，珠光体沿着铁素体变形方向分布。

参照图1，被盘绕的连续55钢丝由牵引装置带动以速度8m/min通过本电致塑性加工处理设备传输，高能脉冲电源1正、负输出端分别连接两个导电夹具8(导电夹具距离为250mm)，通过所述两导电夹具8将该电源提供的高能脉冲电流导入穿过工作箱7的运动着的连续55钢丝11的加电区域段11’处理。输入的高能脉冲电流的脉冲宽度60μs，电压为110V，频率为380Hz，脉冲峰值电流密度为250A/mm²。

实验发现，经高能电脉冲处理后，55钢丝为灰黑色细片状珠光体以及白色铁素体组织，沿晶界分布，晶粒细小(如图4)。即通过电脉冲处理使得55钢丝达到了软化退火的效果，提高了生产效率，降低了能耗，材料的组织和力学性能均匀，质量稳定。

55钢丝处理前后的性能比较见表1。表1结果表明：经过高能电脉冲连续软化退火处理的55钢丝与常规退火态55钢丝比较，在延伸率接近的情况下，材料抗拉强度明显提高，抗拉强度比常规退火工艺提高17.4％，即55钢丝获得了优异的综合机械性能。

表1不同处理工艺条件下55钢丝的力学性能

55钢丝	常规退火	加工硬化态	电脉冲处理后
55钢丝	常规退火	加工硬化态	电脉冲处理后	抗拉强度(MPa)	660	2080	775
延伸率(％)	13	≤2	11	抗拉强度(MPa)	660	2080	775

实施例2

冷加工后的铜线直径为0.63mm，需在线退火至完全软态。参照图1，被盘绕的连续铜线由牵引装置带动以速度6m/min通过本电致塑性加工处理设备传输，高能脉冲电源1正、负输出端分别连接两个导电夹具8(导电夹具距离为160mm)，通过所述两导电夹具8将该电源提供的高能脉冲电流导入穿过工作箱7的运动着的连续铜线11的加电区域段11’处理。输入的高能连续脉冲电的脉冲宽度60μs，电压为160V，频率为400Hz，电流密度幅值为1100A/mm²。

退火前后铜线力学性能比较：退火前硬化铜线的抗拉强度为430MPa，延伸率为0.8％；经高能连续电脉冲在线退火后测得铜线的抗拉强度为235MPa，延伸率≥32％，表面光亮，即达到了完全退火的目的。

实施例3

AZ31镁合金带材经冷加工后，带材宽4mm、厚0.65mm。采用图1所示设备对该镁合金带材进行高能电脉冲处理。被盘绕的连续AZ31镁合金带材由牵引装置带动以速度1m/min通过本设备传输，高能脉冲电源1正、负输出端分别连接两个导电夹具8(导电夹具距离为200mm)，通过所述两导电夹具8将该电源提供的高能脉冲电流导入穿过工作箱7的运动着的连续AZ31镁合金带材11的加电区域段11’处理。输入的高能电脉冲的脉冲宽度为60μs，频率为200Hz，电压为180V，电流密度幅值为575A/mm²。表2表明该AZ31镁合金带材高能电脉冲处理与常规退火处理的性能比较，经高能电脉冲处理得到的镁合金带材在抗拉强度和延伸率上都有明显提高，抗拉强度比常规退火工艺提高14％，延伸率比常规退火工艺提高40％，并且表面质量优良，可见采用高能电脉冲处理使镁合金带材得到了优异的综合机械性能。

表2不同处理工艺条件下镁合金带材的力学性能

镁合金带材	常规退火	加工硬化态	电脉冲处理后
镁合金带材	常规退火	加工硬化态	电脉冲处理后	抗拉强度(MPa)	250	370	285
延伸率(％)	15	6.5	21	抗拉强度(MPa)	250	370	285

Claims

1、一种电致塑性加工处理设备，用于金属线或带材的连续生产线，通过牵引装置带动连续金属线或带材以一定速度传输，其特征是包括：

工作箱，工作箱内间隔一定距离设置两个导电夹具和模架，工作箱上边设置绝缘支架，所述两个导电夹具安装于绝缘支架与工作箱内底面上的垫块之间；

高能脉冲电源，该电源的正、负输出端分别连接两个导电夹具，通过所述两导电夹具将该电源提供的高能脉冲电流导入穿过工作箱的运动的连续金属线或带材的加电区域段处理，该电源输出脉冲宽度为10～200μs、脉冲频率为50～3000HZ；以及

2、根据权利要求1的电致塑性加工处理设备，其特征是所述高能脉冲电源包括：

一AC/DC转换电路；

一电容器；

3、根据权利要求2的电致塑性加工处理设备，其特征是：其中，高能脉冲电源的充电可控硅和放电可控硅均为大功率单向可控硅。

4、根据权利要求2的电致塑性加工处理设备，其特征是：其中，高能脉冲电源的控制电路包括可调脉冲产生电路和脉冲触发电路，可调脉冲产生电路的输出端接脉冲触发电路的输入端。

5、根据权利要求1的电致塑性加工处理设备，其特征是：在工作箱内安装一导电夹具的垫块下设置一导向块，该导向块位于工作箱内底面上的导轨中，导向块与工作箱相邻侧壁之间设置丝杆丝母传动机构，以调节两导电夹具之间的距离。

6、根据权利要求1或5的电致塑性加工处理设备，其特征是：所述两个导电夹具之间的距离为80～600mm。

7、根据权利要求1的电致塑性加工处理设备，其特征是：所述导电夹具包括绝缘支架和导电轮，导电轮活动安装于金属杆中部，导电轮外周与金属线接触处设置用于容纳金属线的槽。

8、根据权利要求1的电致塑性加工处理设备，其特征是：所述导电夹具包括上、下电极压块，上、下电极压块分别固定于一金属杆的一端，上、下电极压块与金属线接触处设置用于容纳金属线的槽。

9、根据权利要求1的电致塑性加工处理设备，其特征是：所述强制冷却装置为水冷装置、或风冷装置、或油冷装置。

10、根据权利要求1或5的电致塑性加工处理设备，其特征是：所述强制冷却装置为油冷装置，该装置包括容纳冷却油的所述工作箱、油箱和油泵，油泵通过输油管将冷却油从油箱上口送入，所述工作箱底面的回油口连接输油管到油箱。