专利名称：无缝钢瓶拉伸模具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种无缝钢瓶拉伸模具，特别适用于薄壁无缝钢瓶拉伸成形，属 于金属压力加 工技术领域。
背景技术：
随着石油资源的短缺和石油制品在使用过程中对大气造成污染，以及全球巨大的 天然气储量，世界各国都在调整能源结构，汽车用油改用气迅速发展。汽车用压缩天然气钢 瓶的需求急剧增加，但作为载重量有限的汽车所用压缩天然气钢瓶正逐步趋于大容量轻质 量。一种钢质内胆外加缠绕的复合钢瓶越来越受用户喜爱。可生产大直径薄壁(壁厚与直 径比小于0. 02)无缝内胆历来是一个难题。现有无缝钢瓶拉伸工艺将一个加热至锻造温度的圆坯(或方坯料)经冲孔液压 机反向挤压预成形为带底的厚壁圆筒。该厚壁圆筒作为坯料经拉伸液压机用无缝钢瓶拉伸 模具拉伸出所需的气瓶。该方法成形的气瓶具有瓶体强度高，底部无缺陷的特点。现有的无缝钢瓶拉伸模具，参见图1、图2，包括至少一个圈模13以及至少两层以 上的辊轮模，每层辊轮模至少由两个辊轮组成(图2中为四个辊轮14)，每层辊轮模中的辊 轮母线围成一个基本封闭的圆形辊轮模孔15 ；各圈模13及各层的辊轮模孔15均同轴，且 沿着无缝钢瓶的加工方向从头到尾，各圈模的最小内径、各层的辊轮模孔的孔径逐渐减小。参见图1，沿圈模轴向，圈模内孔由润滑带I、压缩带II、定径带III和出口带IV组 成，润滑带I、压缩带II、定径带III和出口带IV的母线均为直线，相邻各带之间用圆角过 渡；圈模的最小内径处在定径带上。当钢瓶坯料在冲头作用下依次通过各圈模、各层辊轮模时，使钢瓶坯料外径不断 减小，从而达到减薄工件壁厚、将无缝钢瓶拉伸成型的目的。现有的无缝钢瓶拉伸模具，由于圈模最小内径处的定径带III母线为直线段，导 致拉伸力较大，道次(即各圈模、各层辊轮模)加工率低，圈模磨损快，拉伸时易出现材料颈 缩和壁厚不均的现象。还由于各层的辊轮模孔均为圆形，钢瓶在通过辊轮模孔时，金属流只 能沿轴向进行纵向流动，不能产生横向流动，拉伸力较大，易出现材料颈缩和壁厚不均的现 象，不适合薄壁无缝气瓶的生产。因此现有的无缝钢瓶拉伸模具主要应用于厚壁无缝钢瓶 (壁厚与直径比大于0. 02)成形，而对于薄壁无缝钢瓶的加工很难达到要求，使其生产受到 限制。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种可降低拉伸力，提高道次加工率和生产效率，延长 模具寿命，特别适合薄壁无缝钢瓶拉伸成形的无缝钢瓶拉伸模具。本无缝钢瓶拉伸模具，包括两层以上的辊轮模，每层辊轮模至少由两个辊轮组成， 每层辊轮模中的辊轮母线围成一个基本封闭的辊轮模孔；各层的辊轮模孔同轴，且沿着无 缝钢瓶的加工方向从头到尾，各层的辊轮模孔的孔径逐渐减小，除最后一层的辊轮模孔外，其它各层的辊轮模孔不是圆形。由于其它各层的辊轮模孔不是圆形，也就是说，其它各层辊轮的辊轮母线上各点 到辊轮模孔轴线的距离是不相等的。进行拉伸时，非圆孔型的辊轮模孔可以允许金属在进 行沿轴向纵向流动同时产生横向流动，更有利于金属流动，使得在不减小减薄量前提下，冲 头拉伸力降低，提高道次(各层辊轮模)加工率和生产效率，延长模具寿命，工件不易断裂， 从而更适合薄壁无缝气瓶的生产。上述的无缝钢瓶拉伸模具，除最后一层的辊轮模外，其他各层中辊轮的母线为椭 圆曲线、抛物线曲线、双曲线曲线、或者其它形式的曲线。除最后一层的辊轮模孔外，沿着无 缝钢瓶的加工方向从头到尾，其它各层的辊轮模孔逐渐趋于圆形；最后一层的辊轮模孔是 圆形。各层的辊轮母线曲率逐渐趋于圆形且辊轮模孔的孔径逐步减小，最后一道次辊轮模 采用圆形孔型达到精整压光效果。当热态钢瓶坯料在冲头的作用下，依次各层辊轮模，使钢 瓶坯料壁厚逐渐减薄，最后一道辊轮模孔的孔径等于钢瓶要求直径。上述的无缝钢瓶拉伸模具，它还包括至少一个与辊轮模孔同轴的、设置在第一层 辊轮模的前端的圈模；沿着无缝钢瓶的加工方向从头到尾，各圈模的最小内径、各层的辊轮 模孔的孔径逐渐减小。当热态钢瓶坯料在冲头的作用下，先通过各圈模，再通过辊轮模，使 钢瓶坯料壁厚逐渐减薄。优选地，沿圈模轴向，圈模内孔具有润滑带、压缩带、定径带、出口带，相邻各带之 间用圆角过渡，定径带的母线是曲线(如椭圆曲线、抛物线曲线、双曲线曲线或者其他曲 线)；圈模的最小内径处在定径带上。拉伸过程中，在通过圈模时，金属从压缩带经过圆角 再进入母线是曲线的定径带，这种过渡形式更加符合金属流动曲线平滑过渡的原理；这种 圆滑的过渡形式使金属与定径带表面间的摩擦减小，从而降低拉伸力，提高道次加工率和 生产效率，延长模具寿命。上述的无缝钢瓶拉伸模具，各层辊轮模中的辊轮沿着辊轮模孔周向均勻布置。
图1是现有圈模结构示意图。图2是现有圆孔型辊轮模的结构示意图。图3是本实用新型中圈模的结构示意图(图5中的圈模俯视图)。图4是本实用新型中非圆孔型辊轮模的结构示意图(图5中的辊轮模层9(8、7) 的俯视图)。图5是本实用新型的示意图。图6是拉伸Φ 406mmX 6mm无缝气瓶时，单道现有圈模和单道本实用新型圈模拉伸 力有限元模拟曲线对比图。图7是拉伸Φ 406mmX 6mm无缝气瓶时，使用现有的无缝钢瓶拉伸模具和本实用新 型的无缝钢瓶拉伸模具经过完整工序的拉伸力有限元模拟曲线对比图。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的技术内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合 附图详细说明如下。
4[0023]参见图5，本实用新型的无缝钢瓶拉伸模具，沿着无缝钢瓶的加工方向从头到尾， 依次有三个圈模3以及四层辊轮模层7-10，每层辊轮模至少由四个(亦可采用两个、三 个、五个辊轮，根据需要而定)辊轮4组成；同一层的辊轮均勻对称布置，相邻轴线间夹角 90°。参见图4，辊轮模层7、8、9中辊轮4的母线6是椭圆弧线，辊轮模层7、8、9中的辊轮 母线6均围成一个基本封闭的非圆形辊轮模孔5。最后一层的辊轮模层10中的辊轮4的母 线是圆弧，辊轮模层10中的辊轮母线围成一个基本封闭的圆形辊轮模孔。钢瓶坯料2设置在冲头1的下端。各圈模、各层的辊轮模孔、均与冲头1同轴。参见图3，沿圈模3轴向，圈模内孔由润滑带I、压缩带II、定径带III和出口带IV 组成，润滑带I、压缩带II和出口带IV的母线均为直线，定径带III的母线31是椭圆弧线， 相邻各带之间用圆角过渡；圈模的最小内径处在定径带上。沿着无缝钢瓶的加工方向从头到尾，各圈模的最小内径、各层的辊轮模孔的孔径 逐渐减小。将一个加热至锻造温度的圆坯(或方坯料)经冲孔液压机反向挤压预成形为带底 的厚壁圆筒，将该热态厚壁圆筒作为拉伸用钢瓶坯料2。钢瓶坯料2为热态钢或铝合金。当 钢瓶坯料2在冲头1作用下依次通过各圈模、各层辊轮模时，使钢瓶坯料外径不断减小，从 而达到减薄工件壁厚、将无缝钢瓶拉伸成型的目的。各圈模及各层辊轮模沿加工方向分层次布置。本实用新型将圈模3定径带III 的母线由现有的直线段改为弦长与该直线相等的曲线，该曲线为椭圆弧线(或其它二次曲 线)。拉伸过程中金属从压缩带经过圆角再进入椭圆弧的定径带；这种圆滑的过渡形式使 金属与定径带表面间的摩擦减小，从而降低拉伸力，提高道次加工率和生产效率，延长模具
寿命ο本实用新型中还将前1至3道辊轮模(即辊轮模层7-9)中单个辊轮的母线由现 有的圆弧形改为椭圆曲率弧形，4个辊轮模组成梅花状非圆孔型(参见图4)。1至3道辊轮 模的椭圆曲率依道次逐渐趋于圆形，最后第四道辊轮模(即辊轮模层10)采用圆形母线达 到定形精整压光效果。参见图5，圈模拉伸道次数(圈模个数)可以根据加工需要进行布置，以节省空间 达到最大壁厚减薄量且不拉断工件为准，一般为2至5道，本例中采用3道。各道圈模孔径 (最小内径)沿冲头运动方向逐渐减小。辊轮模道次数(辊轮模层数)一般为2至5道，本 例中采用4道。当热态钢瓶坯料2在冲头1的作用下，依次通过各圈模3及各层辊轮模，使 钢瓶坯料壁厚逐渐减薄，最后一道辊轮模孔径等于钢瓶要求直径。本实用新型具有以下优点和积极效果1、拉伸过程中，在经过圈模时，金属从压缩带经过圆角再进入椭圆弧的过渡形式 更加符合金属流动曲线平滑过渡的原理；这种圆滑的过渡形式使金属与定径带表面间的摩 擦减小，从而降低拉伸力(参见图6)，提高道次加工率和生产效率，延长模具寿命。2、滚轮模4具有的非圆孔型可以允许金属在进行纵向流动同时产生横向流动。这 样的工艺布局有利于金属流动，使得在不减小减薄量前提下，冲头拉伸力降低(参见图7)， 从而更适合薄壁无缝气瓶的生产。3、圈模定径带母线设计成曲线现状，及辊轮母线设计成非圆弧曲线，可以有效减 小冲头拉伸力，使钢瓶坯料不被拉断，延长模具寿命，提高加工精度，并且使整个拉伸过程的工作稳定性增强。
权利要求无缝钢瓶拉伸模具，包括两层以上的辊轮模，每层辊轮模至少由两个辊轮组成，每层辊轮模中的辊轮母线围成一个基本封闭的辊轮模孔；各层的辊轮模孔同轴，且沿着无缝钢瓶的加工方向从头到尾，各层的辊轮模孔的孔径逐渐减小，其特征是除最后一层的辊轮模孔外，其它各层的辊轮模孔不是圆形。
2.如权利要求1所述的无缝钢瓶拉伸模具，其特征是除最后一层的辊轮模外，其他各 层中辊轮的母线为椭圆曲线、抛物线曲线或者双曲线曲线。
3.如权利要求2所述的无缝钢瓶拉伸模具，其特征是除最后一层的辊轮模孔外，沿着 无缝钢瓶的加工方向从头到尾，其它各层的辊轮模孔逐渐趋于圆形；最后一层的辊轮模孔 是圆形。
4.如权利要求1所述的无缝钢瓶拉伸模具，其特征是它还包括至少一个与辊轮模孔 同轴的、设置在第一层辊轮模的前端的圈模；沿着无缝钢瓶的加工方向从头到尾，各圈模的 最小内径、各层的辊轮模孔的孔径逐渐减小。
5.如权利要求4所述的无缝钢瓶拉伸模具，其特征是沿圈模轴向，圈模内孔具有润滑 带、压缩带、定径带、出口带，相邻各带之间用圆角过渡；定径带的母线是曲线；圈模的最小 内径处在定径带上。
6.如权利要求5所述的无缝钢瓶拉伸模具，其特征是圈模定径带的母线是椭圆曲线、 抛物线曲线或者双曲线曲线。
7.如权利要求1所述的无缝钢瓶拉伸模具，其特征是各层辊轮模中的辊轮沿着辊轮 模孔周向均勻布置。
专利摘要本实用新型提供一种可降低拉伸力，提高道次加工率和生产效率，延长模具寿命，特别适合薄壁无缝钢瓶拉伸成形的无缝钢瓶拉伸模具。它包括两层以上的辊轮模，每层辊轮模至少由两个辊轮组成，每层辊轮模中的辊轮母线围成一个基本封闭的辊轮模孔；各层的辊轮模孔同轴，且沿着无缝钢瓶的加工方向从头到尾，各层的辊轮模孔的孔径逐渐减小，除最后一层的辊轮模孔外，其它各层的辊轮模孔不是圆形。
文档编号B21D22/20GK201632556SQ200920283250
公开日2010年11月17日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者曹秒艳, 董国疆, 赵伦元, 赵长财 申请人:燕山大学;南京板桥消防设备有限责任公司