CN201618814U - 薄壁金属圆筒体的生产设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种薄壁金属圆筒体的生产设备，包括有机架，从机架的一端至另一端依次设有芯轴、旋压部件和捋加工冲模，旋压部件绕芯轴旋转，芯轴与旋压部件和捋加工冲模成滑动配合，芯轴内加工有延伸至芯轴工作端的环回通道，环回通道与冷却媒质供应装置连接，捋加工冲模内设置加热元件。采用上述技术方案后，先利用旋压加工生产出薄壁金属圆筒预制品，再经差温拉伸捋加工，把薄壁金属圆筒体表面上的螺旋条纹去掉，同时可以把产品的直线度和壁厚重新修正，差温拉伸捋加工过程，对芯轴进行冷却，对捋加工冲模进行加热，可有效抑制因捋加工而导致的马氏体相变，提高金属素材的可塑性。

Description

薄壁金属圆筒体的生产设备

技术领域：

本实用新型涉及一种薄壁金属圆筒体的生产设备。

背景技术：

通常，作为光学膜制造、纳米压印、大小型电子呈像式打印机用、高精度印刷的辊，多使用壁厚为0.03～0.3mm范围的聚苯乙烯膜、聚酰亚胺膜制造。此外还有，在镀镍中进行电镀，采用从母体上抽出在圆筒形母体上析出了镍金属的电铸品的镍电铸法制作。

上述用途的辊，因为在连续进行加热、加压、冷却、剥离等处理的工序中使用，所以希望具有良好的热传导性、耐热性，另外，因作为旋转体使用，所以还需要出色的疲劳强度、刚性。

但是，若采用聚苯乙烯、聚酰亚胺一类的树脂材料作为辊体时，辊体的热传导性差，而采用镍电铸产品作为辊体，虽然其热传导性出色，但在200℃以上的温度下会引起热脆化。所以在打印设备行业，采用上述两种材料制成的辊体逐渐退出市场，取而代之的是采用薄壁金属圆筒体制成的辊体。

而对于薄壁金属圆筒体，传统的加工设备是采用旋压加工机，旋压加工中，把铝、不锈钢、镍、钛、铜或不锈钢和铜的金属包层材等作为材料，利用旋压部件绕芯轴旋转的同时做轴线移动实现塑性加工，采用这种薄壁金属圆筒体可制成发挥具有金属出色的热抟导性、耐热性、疲劳强度、刚性的辊。但该加工方式还是存在明显的缺点，经旋压加工制得的薄壁金属圆筒体在其表面上会产生大量的螺旋条纹，严重影响薄壁金属圆筒体的表面平整度，这种质量的产品不符合打印设备极高的表面平整度要求。而且对于加工厚度只有0.1mm以下的圆筒体而言，加工出的产品的直线度较差，壁厚不均匀。

发明内容：

本实用新型的目的是为了克服上述现有技术的缺点，提供一种可生产出高质量薄壁金属圆筒体的生产设备。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案为：薄壁金属圆筒体的生产设备，包括有机架，从机架的一端至另一端依次设有芯轴、旋压部件和捋加工冲模，旋压部件绕芯轴旋转，芯轴与旋压部件和捋加工冲模成滑动配合，芯轴内加工有延伸至芯轴工作端的环回通道，环回通道与冷却媒质供应装置连接，捋加工冲模内设置加热元件。

捋加工冲模的入模角度为5度～9.5度。

对芯轴冷却温度控制在-7℃～20℃，对捋加工冲模的加热温度控制在70℃～200℃。

捋加工冲模压向芯轴的加工速度为10～1000mm/sec。

旋压部件对应芯轴的外周以120度的间隔配置三个。

采用上述技术方案后，先利用旋压加工生产出薄壁金属圆筒预制品，再经差温拉伸捋加工，把薄壁金属圆筒体表面上的螺旋条纹去掉，同时可以把产品的直线度和壁厚重新修正，差温拉伸捋加工过程，对芯轴进行冷却，对捋加工冲模进行加热，可有效抑制因捋加工而导致的马氏体相变，提高金属素材的可塑性。

附图说明：

图1为本实用新型旋压加工设备在进行旋压加工过程的结构示意图；

图2为本实用新型旋压加工设备的捋加工冲模的结构图；

图3为本实用新型旋压加工设备进行完旋压加工后进行差温捋加工前的示意图；

图4为本实用新型旋压加工设备进行差温捋加工时的结构示意图；

图5为传统再拉伸捋加工模具的结构图；

图6为试验材料SUS304的机械性能与温度依赖性的关系图；

图7为温度与0.2％耐力的各向异性的关系图；

图8为初级拉伸成形品壁厚测量位置的示意图；

图9为对应图4所示测量位置的初级拉伸成形品壁厚分布示意图；

图10为对应图4所示测量位置的各样品加工诱起马氏体变量的示意图；

图11为再拉伸率为60％、初级拉伸率分别为2.6和2.0的壁厚分布对照图；

图12为再拉伸率为55％、初级拉伸率分别为2.6和2.0的壁厚分布对照图；

图13为初级拉伸成型品作退火处理后的加工诱起马氏体相变量示意图；

图14材料因再拉伸捋加工诱起的马氏体相变量的示意图；

图15为高温范围内差温拉深加工温度与应力的关系图。

具体实施方式：

本实施例的薄壁金属圆筒体的生产设备，包括有垂直放置的机架1，从机架1的上端至下端依次设有芯轴2、旋压部件3和捋加工冲模4，旋压部件3绕芯轴2旋转，旋压部件3和捋加工冲模4可沿芯轴2轴线成上下滑动，芯轴2内加工有延伸至芯轴工作端21的环回通道5，环回通道5与冷却媒质供应装置(图中没有表达)连接，捋加工冲模4内设置加热元件6。

如图2所示，捋加工冲模4的入模角度α为5度～9.5度。入模角度α比9.5度大的话，会对薄片圆筒产生过大的剪断力，并破断。而入模角度α变小的话，对圆筒躯干的挤压力变大，有利于防止薄片圆筒的破断，但是入模角度α不足5度的话，因为与薄片圆筒接触面积过大，发生烘烤。并且，垂直在机床表面的力过剩地起作用，机床和圆筒体难以分离。甚至发生对捋加工冲模4的圆周方向的弹性膨胀，厚度控制困难。

对芯轴2冷却温度控制在-7℃～20℃，对捋加工冲模4的加热温度控制在70℃～200℃。

旋压部件3对应芯轴2的外周以120度的间隔配置三个，可平行旋压部件3在加工过程对芯轴2的压力，防止芯轴2发生弯曲。

注意：捋加工冲模4压向芯轴2的加工速度为10～1000mm/sec。捋加工厚度为0.1mm以下的不锈钢圆筒，成型加工的时候，加工速度在10～1000mm/sec的范围内进行较为适合。加工速度超过1000mm/sec的话，供给圆筒表面的润滑剂十足，容易发生烘烤。另外，加工速度不足10mm/sec的话，由于加工时的机床的振动的影响，变形不均匀，圆筒的轴方向的厚度变得不均。

具体加工过程是：往芯轴2上套上圆筒状素管7，启动旋压部件3使其一边自转一边绕芯轴2公转，同时驱动旋压部件3沿芯轴2轴线作上升运动，在这个过程，旋压部件3对圆筒状素管7壁体进行旋压塑性加工，如图1所示，待旋压部件3对圆筒状素管7完全旋压加工完毕后，旋压部件3停留在圆筒状素管7的上方，接着，启动冷却媒质供应装置往芯轴2的环回通道5内注入冷却媒质，如图3所示，使芯轴2温度保持在-7℃～20℃，而且一直保持这种状态，捋加工冲模4内的加热元件6通电发热，把捋加工冲模4加热到70℃～200℃，然后驱动捋加工冲模4往上移动，使经旋压加工后的圆筒状素管7与芯轴2一起进入捋加工冲模4，实现差温捋加工，如图4所示，完成后取出工件，把旋压部件3和捋加工冲模4下降至原位置。

下面通过实验数据详细介绍差温加工技术。

连续多级捋加工再拉伸有直接再拉伸和逆向再拉伸两种，在这里以直接再拉伸为例作说明，制作如图5所示的模具，该模具包括有冲头10、冲模20和压边30，冲头10内设有液冷通道40，而冲模20内设有加热元件50，模具的芯轴肩部半径为3mm，冲模肩部半径为4mm，再拉伸率(再拉伸芯轴直径/初级芯轴直径×100)为80、70、65、60、55、50以及45％。再拉伸率表示数值越小，制造又窄又深的管材的成型难度越高。

试验材料

试验材料使用SUS304(标称板厚0.8mm)。试验材料的拉伸测试通过采用与轧制方向互成0度，45度以及90度方向的JISZ2201的13B号试验片，利用精密万能测试机进行测试。测试条件是，初期横梁速度3mm/min，形变5％以下是10mm/min。测试温度为20℃，100℃，150℃。

机械性能与温度依赖性如图6所示。150℃下的拉伸强度，与20℃的相比减少大约40％。0.2％耐力，约减少25％。而且断裂伸长率减少约40％。0.2％耐力的各向异性如图7所示。图7显示，本研究所使用的SUS304，与轧制方向相互成45度方向时的各向异性较弱。

再拉伸捋加工中使用的初级拉伸成型品，芯轴直径φ60mm，拉伸比(初期坯料直径/初级拉伸芯轴直径)为2.0，2.4以及2.6三种。初级拉伸的成型条件如表1所示。

表1初级拉伸成型条件

测试方法

再拉伸捋加工测试中，对试制出来的圆柱再拉伸的模具给予评价，调查它的加工诱起的马氏体相变量，以及成形品的板厚和成形品品质。成形性通过无破裂成形的可行再拉伸率进行评价。

测试条件是压边力为10kN，冲模以及压边的温度为70～200℃，芯轴温度为-7～20℃。润滑剂为初级拉伸后，对成形品内外面涂布水溶性冲压(press)工作油。测试装置使用油压塑形加工测试机。加工诱起的马氏体相变量，运用Ferrite Scope分析仪进行测量。

测试结果

初级拉伸成形品(拉伸比2.6)的壁厚测量位置如图8所示，壁厚分布如图9所示。

从图中可以看到，芯轴头部的板厚减少了。而且因为试验材料的各向异性的性质，所以芯轴肩部以及法兰附近的圆周方向的板厚之差较大。这个问题也同样存在于拉伸比为2.0和2.4的成形品之中。

各成形品的加工诱起的马氏体相变量如图10所示。

图中显示作为比较的，在室温(30℃)下成形成形品的结果。差温拉伸的成形品是它的芯轴要进行冷却的。还会降低芯轴肩部的极限板厚，因此芯轴肩部上因加工诱起的马氏体相变量，拉伸比2.6中约8％，拉伸比2.0中约1％被测量出来。但是能够确认的是，与室温成形相比，差温拉伸成形品能够大幅度抑制相变量。如图10，任何一个成形，它们的芯轴肩部的马氏体相变量都增加了，但是侧壁部分大多显示为0。

再拉伸捋加工成型性

再拉伸捋加工测试结果如表2所示，在冲模压边和芯轴温度为30℃的情况下，极限再拉伸率为80％。与此相对的，因为升高了冲模以及压边温度，所以成形的极限也提高了。而且，当冲模温度为120℃，压边温度为80℃，芯轴温度为20℃时，极限再拉伸率提高到60％。再者，当冲模以及压边温度为200℃，芯轴温度为-7℃时，极限再拉伸率变成55％。由此得知，再拉伸捋加工成型性取决于成型温度条件。另外，本测试的条件没有受到初级拉伸比的影响。

表2再拉伸捋加工测试结果

在再拉伸捋加工的过程中，因过度地减少板厚导致芯轴肩部破裂。为了提高容易破裂的芯轴肩部的强度，芯轴肩部的冷却是很重要的。另外，冲模和压边的温度会影响到材料的流阻。因此，对于提高成型极限，设置较高的冲模以及压边温度是有效的方法。差温拉伸加工法能够有利于进行再拉伸捋加工，并且生产出再拉伸率为55％，外形比为3.3(成形高度/(再拉伸芯轴直径+板材壁厚×2))的非常深的成形品。

再拉伸捋加工后成品的品质

再拉伸率为60％的壁厚分布如图11所示。再拉伸捋加工以后，芯轴肩部的壁厚呈现局部性的降低。而且，初级拉伸过程中，呈现局部性板材壁厚降低的芯轴肩部，跟图中所显示的部位一致。但是，这部分的壁厚变动不大。

我们认为这种现象是受到加工硬化影响的。由以上得出，初级拉伸过程，芯轴肩部板材壁厚的减少不会对再拉伸捋加工的成型极限产生大的影响。

再拉伸后，拉伸比为2.6的侧壁壁厚分布均匀。初级拉伸过程中，拉伸比为2.6的芯轴头部的壁厚降低了很多，所以跟侧壁壁厚相差较大。由此得知，初级拉伸的壁厚分布会影响到经再拉伸捋加工后的产品品质。

再拉伸率为55％的加工诱起的马氏体相变量如图12所示。

拉伸比为2.0的芯轴肩部相变量为5％左右，拉伸比为2.6的是7-17％。产生这种变异的原因是冲模温度以及压边温度不稳定，必需要审查加热装置等等。另外，图12所显示的样品3的马氏体相变量最大值为7％。加工的马氏体相变量与开裂有关(一般认为，10％以上马氏体相变量为开裂危险线2)。由此得知，针对开裂的问题，采取了稳定温度条件的方法，很大程度上能够省略最终退火的工序。

降低再拉伸捋加工温度的方法

此前，经对差温再拉伸捋加工成型的研究，能够把握成型温度和成型性的关系。如果冲模及压边温度升高了，成型性也会提高，从而获得55％的极限再拉伸率。然而，必需把冲模跟压边的温度设定在200℃，但同时也希望在实用方面实现低温化。为了尝试降低再拉伸捋加工的成型温度，进行了关于初级拉伸后加工诱起的马氏体相变量给成型温度和成型性带来影响的研究。

初级拉伸时也进行差温拉伸加工，成型后的成品(拉伸比2.0)进行退火。图13显示退火后的加工诱起的马氏体相变量。加工诱起的马氏体相变量经过退火处理后，变成了0％。

同样的，把拉伸比为2.4以及2.6的成型品进行退火，然后进行再拉伸捋加工测试的结果如表3所示。

表3再拉伸成型性(退火后)

拉伸比为2.0的再拉伸率为45％，拉伸比为2.4以及2.6的都为50％。另外，在冲模以及压边的温度为150℃的状态下就能够成型。加工诱起的马氏体相变量给成型性和再拉伸温度条件带来的影响如图14所示。

上述的拉伸比为2.0的，不经退火处理直接进行差温拉伸捋加工的时候，芯轴底部的加工诱起马氏体相变量为0.5％，芯轴肩部的为0.74％。并且极限再拉伸率为55％，冲模跟压边温度必需为200℃。与此相反的是，经过退火处理能够提高成型极限，降低成型温度。由此得知，加工诱起的马氏体相变量与再拉伸捋加工成型性和再拉伸的温度条件有关系，能够抑制初级拉伸后的加工诱起马氏体相变量，有效地降低了再拉伸捋加工的温度。

差温拉伸加工法，通过加热冲模以及压边，来降低材料的流阻。通过芯轴冷却提高容易破裂的芯轴肩部强度，从而提高成型极限。这个温度范围就是拉伸强度变化最大的0-100℃的范围。所以，不锈钢SUS304的拉伸强度，即使处在上述温度范围内，也倾向于随着温度的上升而逐渐降低。而且因为在90℃以上的温度范围内不会产生马氏体相变量，所以为了在初级拉伸中抑制马氏体相变量，把芯轴的温度设置为80℃，冲模以及压边温度为22℃，尝试利用高温度范围的温度差来进行拉伸成型。这种做法如图15所示。成型条件如表4所示，结果如表5所示。在这种温度范围内进行加工的时候，原本拥有加工诱起的马氏体相变量最多的芯轴肩部，它的相变量降为0％。

表4初级拉伸成型条件

表5初级拉伸成型品的芯轴肩部的加工诱起马氏体相变量

冲模温度	100℃	220℃
			压边温度	100℃	220℃
芯轴温度	0℃	80℃
			相变量	1.4％	0％

这种温度条件下，没有进行再拉伸测试。但是跟经过退火处理的样品一样，希望能够提高成形性和降低再拉伸温度。在模具工程上，希望能够低温化处理较难控制温度的再拉伸工序，并把高温化处理单一的第1级拉伸工序的方法，作为模具工程中实用性较强的方法。

本实用新型对圆筒状塑管进行拉伸捋加工，具有以下优点：

(1)为了运用差温拉伸技术来达到缩短工序的目的，进行了差温再拉伸成形测试。室温状态下的极限再拉伸率为80％，与此相对，差温再拉伸率为55％。结果显示，能够削减包括退火工序在内的3个工序。

(2)结果显示，能够把再拉伸捋加工成型后加工诱起的马氏体相变量抑制在10％以下，以及能够省略第3级拉伸以后的退火工序。

(3)因为再拉伸捋加工模具的制造上，很难控制模具的温度，所以研究了降低再拉伸温度方法。通过提高与以往相比的初级拉伸温度获得了和竞夺退火处理的样品一样的加工诱起的马氏体相变量。结果显示，可降低再拉伸捋加工工序中的成型温度。

以上所述，仅为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.薄壁金属圆筒体的生产设备，包括有机架(1)，其特征在于：从机架(1)的一端至另一端依次设有芯轴(2)、旋压部件(3)和捋加工冲模(4)，旋压部件(3)绕芯轴(2)旋转，芯轴(2)与旋压部件(3)和捋加工冲模(4)成滑动配合，芯轴(2)内加工有延伸至芯轴工作端(21)的环回通道(5)，环回通道(5)与冷却媒质供应装置连接，捋加工冲模(4)内设置加热元件(6)。

2.根据权利要求1所述的薄壁金属圆筒体的生产设备，其特征在于：捋加工冲模(4)的入模角度为5度～9.5度。

3.根据权利要求1所述的薄壁金属圆筒体的生产设备，其特征在于：对芯轴(2)冷却温度控制在-7℃～20℃，对捋加工冲模(4)的加热温度控制在70℃～200℃。

4.根据权利要求1所述的薄壁金属圆筒体的生产设备，其特征在于：捋加工冲模(4)压向芯轴(2)的加工速度为10～1000mm/sec。

5.根据权利要求1所述的薄壁金属圆筒体的生产设备，其特征在于：旋压部件(3)对应芯轴(2)的外周以120度的间隔配置三个。

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