一种激光辅助无模拉丝成形的方法和装置与流程

本发明涉及一种拉丝成形方法和装置，具体涉及一种激光辅助无模拉丝成形的方法和装置。

背景技术

高强度合金丝材在工业上应用十分广泛，例如钨合金丝材广泛用于电光源和电子管等工业领域。直径仅为24μm的镍钛合金丝材广泛用于核聚变、旋转机器、磁浮列车、超导储能系统、磁分离、磁医疗、人体核磁成像及电子显微镜等方面。目前，国内外对合金丝材的主要加工方法是拉丝工艺。拉丝(wiredrawing)是一种金属加工工艺。在金属压力加工中，在外力作用下使金属强行通过模具，金属横截面积被压缩，并获得所要求的横截面积形状和尺寸的技术加工方法称为金属拉丝工艺。使其改变形状、尺寸的工具称为拉丝模。在拉拔过程中，拉丝模承受较大的摩擦力、压力和拉力；拉丝模一般采用硬质合金模或金刚石模，成本较高；由于摩擦的存在，拉拔过程中加剧应力和变形不均匀分布，使金属的变形抗力增加，降低模具的使用寿命及产品的表面质量；拉拔时如果提高变形温度可以使加工硬化过程减弱，金属变形抗力降低，拉拔力减小，但由于温度的提高也可能降低润滑剂润滑性能，而导致摩擦力增加，变形力增大，因此拉拔时变形材料的最佳变形温度较难确定。

激光本身具有加热速度快、温度和能量控制精确、加热区域集中等优点。目前拉丝加工所采用的加热源，如感应线圈、电阻、加热槽等。但这些加热源的温度和时间无法得到精确地控制，缺乏必要的控制时间以及空间热量输入，进而导致成形金属丝的表面质量变差，几何形状不精确，以及较长的生产周期。另外空气氧化会在金属丝表面形成裂纹网络，从而降低金属丝的拉伸性，并导致进一步的拉丝困难。

技术实现要素：

本发明的目的之一，为了解决上述问题，本发明提出了一种激光辅助无模拉丝成形的方法，包括以下步骤：

1)将待加工的横截面直径为d1的金属丝放置在待处理区域。

2)通过控制器控制进给轮的角速度控制金属丝的进给速度v1。

3)当金属丝通过进给轮后进入金属丝定位和保护装置时，使用激光束对金属丝进行快速照射加热，使材料达到变形温度范围；同时充入保护气体，防止金属丝表面氧化；

4)经过加热后的金属丝进入牵引轮，通过控制器控制牵引轮的角速度控制金属丝的牵引速度v2，得到横截面直径为d2的金属丝，其中v2＞v1，并且v1×d1²＝v2×d2²。

5)如此反复完成金属丝的拉丝成形。

本发明目的之二，提供了一种激光辅助无模拉丝成形的装置，其特征在于：包括控制器、进给轮、进给轮控制电机、牵引轮、牵引轮控制电机、压力轮、金属丝定位和保护装置、激光器，所述进给轮通过进给轮控制电机控制其角速度，所述牵引轮通过牵引轮控制电机控制其角速度，所述金属丝定位和保护装置和激光器位于进给轮和牵引轮之间，金属丝定位和保护装置位于激光器正上方，激光器的激光束是以垂直的方向穿过金属丝定位和保护装置的上表面辐照在金属丝表面，所述控制器分别与进给轮控制电机和牵引轮控制电机电连接。

所述激光器为nd：yag激光器，圆形光斑通过柱面透镜转换为椭圆形光斑。

所述椭圆形光斑的长度和宽度由金属丝的直径所决定，以激光束椭圆形光斑能够覆盖金属丝为准。

所述激光椭圆形光斑的宽度大于金属丝的直径，并且金属丝的长度方向与激光椭圆形光斑的长轴重合，如图5所示。

所述金属丝定位和保护装置由上半部分和下半部分组成，包含光学窗口、铝框架、型腔、金属丝定位槽和保护气体入口，所述光学窗口位于上半部分上表面以及下半部分下表面，所述铝框架构成了装置外框架，所述型腔位于装置中间部分并与金属丝定位槽和保护气体入口相连接。

所述气体为惰性气体氮气，为了防止金属丝表面氧化。

本发明有益效果：本发明在无模拉丝加工时结合激光加热，当金属丝通过进给轮后进入金属丝定位和保护装置时，使用激光束对金属进行加热，经过加热后的金属丝进入牵引轮，通过牵引轮后得到加工后的金属丝。本发明实现高效率、无摩擦、无润滑的无模拉丝加工。使用高精度、高柔性的激光作为热源，可以很好地控制时间以及空间热量输入，避免金属丝拉伸过程中温度偏差导致的断裂。同时在拉丝过程中优化显微组织，提高了金属丝的综合机械力学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明激光辅助无模拉丝过程示意图。

图2为激光辅助无模拉丝过程中加工和过渡区域。

图3为金属丝定位和保护装置。

图4为普通无模拉丝与激光辅助无模拉丝后金属丝表面的微观组织。(a)为普通无模拉丝后金属丝表面的微观组织；(b)为激光辅助无模拉丝后金属丝表面的微观组织。

图5为金属丝与激光束之间的位置关系示意图

其中1是控制器，2是进给轮，3是牵引轮，4是进给轮控制电机，5是牵引轮控制电机，6是金属丝定位和保护装置，7是压力轮，8是激光束，9是金属丝，10是光学窗口，11是铝框架，12是型腔，13是金属丝定位槽，14是保护气体入口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。

实施例

参照图1和图2，本实施例涉及电弧填丝和滚压复合增材制造方法，包括以下步骤：

1)将待加工的横截面直径为d1＝4mm的不锈钢金属丝9放置在待处理区域。

2)通过控制器1控制进给轮控制电机4以控制进给轮2的角速度，使不锈钢金属丝9的进给速度v1＝40mm/min。

3)当不锈钢金属丝9通过进给轮2后进入金属丝定位和保护装置6时，使用通过柱面透镜转换的椭圆形光斑激光束8对不锈钢金属丝9进行快速照射加热，加热温度为880℃，使材料达到变形温度范围；其中保证激光椭圆形光斑的宽度大于金属丝9的直径，并且金属丝9位于激光束8宽度方向上的中心位置。

4)经过加热后的不锈钢金属丝9进入牵引轮3，通过控制器1控制牵引轮控制电机5以控制牵引轮3的角速度，使金属丝9的牵引速度v2＝80mm/min，得到横截面直径为d2＝2.87mm(理论值为2.83mm)的金属丝9。

5)如此反复完成金属丝的拉丝成形。

其中d2＝d1(v1/v2)1/2＝4×(40÷80)1/2≈2.83mm

图4为从普通无模拉丝与激光辅助无模拉丝后金属丝表面的微观组织，其中(a)为普通无模拉丝后金属丝表面的微观组织，可以看出拉丝成形后的金属丝在表面产生很多微裂纹，且晶粒尺寸较大且分布不均匀。(b)为激光辅助无模拉丝后金属丝表面的微观组织，可以看出引入激光作为热源后，金属丝表面微裂纹得到很大的改善，且晶粒尺寸得到一定的细化且分布较均匀。

本发明的目的之二可采用以下技术方案来达到：

一种激光辅助无模拉丝成形的装置，其特征在于：包括控制器1、进给轮2、进给轮控制电机4、牵引轮3、牵引轮控制电机5、压力轮7、金属丝定位和保护装置6、激光器，所述金属丝定位和保护装置6包含一个保护气体入口，所述进给轮2通过进给轮控制电机4控制其角速度，所述牵引轮3通过牵引轮控制电机5控制其角速度，所述激光器位于进给轮2和牵引轮3之间，所述控制器1与所述进给轮控制电机4和牵引轮控制电机5电连接。

在工作时，首先将待加工的金属丝9放置在待处理区域，通过控制器1控制进给轮控制电机4以控制进给轮2的角速度，从而控制金属丝9的进给速度。当金属丝9通过进给轮2后进入到金属丝定位和保护装置6时，使用通过柱面透镜转换的椭圆形光斑激光束8对金属丝9进行快速照射加热，同时从保护气体入口充入氮气，防止金属丝9表面氧化，使材料达到变形温度范围，其中保证激光椭圆形光斑的宽度大于金属丝9的直径，并且金属丝9位于激光束8宽度方向上的中心位置。经过加热后的金属丝9进入牵引轮3，通过控制器1控制牵引轮控制电机5以控制牵引轮3的角速度，从而控制金属丝9的牵引速度，金属丝9通过牵引轮3后完成拉丝成形。在无模拉丝加工时结合激光加热，当金属丝通过进给轮后进入金属丝定位和保护装置时，使用激光束对金属进行加热，经过加热后的金属丝进入牵引轮，通过牵引轮后得到加工后的金属丝。使用高精度、高柔性的激光作为热源，可以很好地控制时间以及空间热量输入，避免金属丝拉伸过程中温度偏差导致的断裂。同时在拉丝过程中优化显微组织，提高了金属丝的综合机械力学性能。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。