用于生产无缝管且使用寿命得到提高的冲头的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种通过冲孔加工热圆形金属块生产无缝管的冲头。该冲头包括冲头鼻和可连接于冲头芯棒的冲头主体。
【背景技术】
[0002]众所周知，无缝管的生产方法如下:使用轴向固定的内部工具，在穿乳机中加工形成为原柱形并在环形加热炉中受热的原材料，即所谓的圆块，以生产出管状空心块。其中，该内部工具包括冲头和冲头芯棒。
[0003]为了制成无缝空心块管，在通过穿乳机抓握管状空心块之后，以螺旋线形式运送管状空心块穿过穿乳机，由此使管状空心块经过轴向固定的内部工具，并在该方法的随后步骤中对管状空心块进行拉拔加工(wall-1roned)，以制成无缝管。通过斜乳辊推进圆块，并由冲头冲击、拉拔圆块，由此制成孔。一般而言，冲头本身具有从顶端开始连续增加的直径。
[0004]一般由高耐热工具钢制成的冲头不仅具有实际冲孔的作业，还具有焊接任意材料断口、平滑化被制成的空心块的内表面、以及使该空心块的壁厚以最均匀的方式达到预期尺寸的作业。
[0005]由于冲头是在乳制热的工况下作业，其势必会经受极端载荷，并由此仅具有有限的使用寿命。自斜乳方法发明面世以来，已作出大量努力来延长辊芯的使用寿命，以节省成本并提高乳制管的质量。如果还被称作辊芯的冲头即将到达其工作寿命的尽头，则冲头还会失去其形状，而且其表面会损毁，或其材料会断裂。同时，还意味着乳制管质量的恶化，这一恶化尤其表现为空心块内表面上的缺陷，以及不均匀的壁厚。
[0006]在这种情况下，由难以加工的管材，例如铬的质量含量超过5%的含铬材料，造成特别的问题。此类管材将特别的热-力载荷施加给冲头，尤其施加给冲头的顶端。这样，即便是在实施了几次冲孔加工之后，仍会使冲头顶端出现磨损痕迹。这种磨损痕迹很快会使冲头几何结构产生有害的变化，由此使空心块中产生内部缺陷或几何结构偏差。
[0007]随时间的推移，提出了一些意图减少向冲头传递的热量并增加使用寿命的措施。举例来说，使用诸如工程陶瓷材料等特别耐热的材料制造冲头的顶端，使用额外材料涂覆冲头的表面，对冲头的表面实施受控氧化处理，频繁更换冲头并配合以喷水雾和沉浸冷却，以及通过向芯棒内灌水对冲头实施内部冷却处理。对于现有技术的概述可见诸于公开号为JP 03204106A的日本专利公开文献、公开号为DE 19636321C1的德国专利公开文献以及公开号为EP 2404680A1的欧洲专利公开文献。
[0008]为了提高冲头的使用寿命并避免空心块内部产生缺陷，根据公开号为EP2404680A1的欧洲专利公开文献，尝试借助带有氧化铁涂层的冲头顶端的优化过的几何结构实现冲头使用寿命的改善。同时，建议通过冲头主体向制成的空心块喷射冷却润滑剂，避免摩擦诱发冲头的表面缺陷。为此，冷却润滑剂由倾斜延伸入冲头顶端的排放口导出，并通过冲头的主体流入空心块。有鉴于此，冲头顶端包括柱体部和半球状顶端，其中，这些排放口设置在柱体部与冲头主体之间的过渡区域内。这种结构的缺点包括:冲头顶端自身仍存在不充分的冷却，并且这些冷却剂排放口的倾斜位置一方面具有复杂的生产工艺，另一方面在冲孔过程中不再能够可靠地防止通过冲头顶端与圆块材料的接触而出现的排放口关闭。其它缺点在于:冲头的一体式设计使得一旦冲头出现磨损，便需要更换整个冲头。
[0009]为了降低更换磨损冲头的成本，在公开号为DE 10024246A1的德国专利公开文献中还提到了将冲头构造成芯棒鼻部(顶端)和冲头主体这两部分，其中，这两部分可彼此连接。而为了增加使用寿命，使用对应于不同热-力载荷的不同材料制造芯棒鼻部和冲头主体，这样仅需要更换冲头顶端。这种方案的缺点在于:无法冷却冲头顶端，而且在用于难以加工的材料的情况下仍然无法显著地增加使用寿命。
[0010]此外，公开号为EP 1961497B1的欧洲专利公开文献还提到了另一种穿乳机的冲头。这一冲头在冲头主体上露出了冲头鼻部。在冲头主体的方向上观察，这一冲头鼻部呈圆锥形扩大。
[0011]本文中已提到的所有这些措施均不适合在斜乳过程中有效降低施加在冲头上的热-力载荷，以至于从经济和质量方面上来看，在其用于难以加工的材料时，不能够实现足够长的使用寿命。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于提高冲头在通过斜乳冲孔处理金属圆块时的使用寿命，特别是通过斜乳冲孔处理难以加工的高合金钢材料时的使用寿命，同时考虑提高冲孔处理过的圆块的内表面质量以及降低工具成本。
[0013]根据本发明，上述发明目的由这样一种冲头实现。所述冲头包括冲头鼻部和与芯棒连接的冲头主体，其特征在于，所述冲头鼻部的外径在纵向长度范围内朝向所述冲头主体呈锥形地逐渐减小。出人意料的是，试验结果表明:借助冲头鼻部或鼻帽部的这种倒圆锥形几何结构，可以显著提高冲头的使用寿命，同时可改善空心块的内表面质量。
[0014]在这种情况下，特别有益的是:所述冲头鼻部由鼻芯部和鼻帽部构成；所述鼻芯部与所述冲头主体连接，而所述鼻帽部则位于所述鼻芯部上且以可拆解的方式与所述鼻芯部连接。借助所述鼻帽部和所述鼻芯部之间的这种可拆解的连接，在发生磨损时，因为无需更换整个冲头或无需更换包含复杂的冷却剂供给和排放管线的冲头鼻部，更确切地说，仅需更换最容易受到磨损影响且容易制造的鼻帽部，因此能够实现简单且划算的更换。
[0015]从结构上看，特别有益的是:为了冷却所述冲头鼻部或冷却所述鼻帽部，并润滑所述冲头，所述冲头鼻部或所述鼻芯部与冷却润滑剂的供给线路连接，并与至少一条排放线路连接；所述供给线路穿过所述冲头主体，直至穿过所述冲头鼻部或所述鼻芯部；所述排放线路通过所述冲头鼻部或所述鼻芯部向回引导所述冷却润滑剂；在所述冲头鼻部和所述冲头主体的过渡区内的所述排放管线的端部上设置有排放开口 ；所述排放开口使所述冷却润滑剂流出所述冲头。结合冲头鼻部或鼻帽部的倒圆锥形几何结构，因为可有效避免精确设置在这一区域(上述过渡区)内的排放开口被堵塞，并因此可避免冷却量的减少乃至冷却完全中断，由此可显著提高冲头的使用寿命，同时可改善空心块的内表面质量。
[0016]所述冲头鼻部或鼻帽部所特有的几何结构能够特别显著地提高冲头或冲头鼻部的使用寿命，尤其是在所述冲头鼻部或鼻帽部被用来冲孔加工那些难以加工且铬的质量含量超过5 %的钢材料时。其中，所述冲头鼻部或鼻帽部的直径朝向冲头主体呈锥形地逐渐减小，即:被构造成倒圆锥形。由于冲头主体的直径从鼻部侧的端部开始增加，由此在冲头鼻部或鼻帽部与冲头主体之间的过渡区内形成有“三角区”。同已知的冲头相比，这一三角区相当的大，而且在该三角区中，优选在径向上设置有冷却润滑剂的排放开口。
[0017]由此在冲孔过程中，能够保证冷却润滑剂的排放开口无法与待冲孔的圆块材料接触，从而可有效避免精确设置在这一区域(上述过渡区)内的排放开口被堵塞，并可有效避免冷却量的减少乃至冷却完全中断。
[0018]上述试验还示出了:借助所述冲头鼻部或所述鼻帽部的这一倒圆锥形几何结构，以及排放开口在所述冲头鼻部和所述冲头主体的过渡区的三角区的优选为径向的排列，能够有效防止排放开口被关闭，从而可始终保证被加载到最大程度的冲头，特别是被加载到最大程度的鼻帽部能够得到有效的冷却和润滑。
[0019]为了可靠地实现这一效果，冲头鼻部或鼻帽部的几何结构将维持以下条件:所述冲头鼻部或所述鼻帽部的长度L取决于待乳制圆块的直径DB以及冲头鼻部或鼻帽部的鼻部侧端部的冲头鼻部的直径DN，从而满足条件:0.10XDB彡L彡3XDN。
[0020]因为本发明的鼻帽部冷却方式无法完全避免鼻帽部受热，因此必须要满足这一条件，以使冲头鼻部或鼻帽部具有最小的体积和最小的横截面。
[0021]所述冲头鼻部或所述鼻帽部的鼻部侧端部的半径优选具有r多3.0mm的值，以避免载荷在过渡区上达到峰值并由此产生过早的磨损。
[0022]所述冲头鼻部或所述鼻帽部的倒圆锥形结构的必要角度α应介于2°和10°之间，以形成足够大的三角区并由此实现提高冲头使用寿命的本发明效果。
[0023]在所述冲头鼻部和所述冲头主体的过渡区内的排放开口的径向设置结构是有益的，因为同公知的斜向延伸孔相比，可以非常容易地加工出这种结构。在优选的方式中，排放开口被加工成环形间隙，以确保对冲头周围施以均匀的润滑剂。
[0024]为了确保有足够大的流量的冷却润滑剂通过鼻芯部流向鼻帽部内侧，需要在鼻芯部的正面端部与鼻帽部的内侧之间设置足够大的轴向空间。冷却润滑剂的供给线路优选在冲头的中心穿过冲头，并延伸至鼻芯部的正面端部。优选地，穿过鼻芯部的多个排放管线在冲头鼻部和冲头主体的过渡区内从冲头通往排放开口，并优选地围绕所述供给线路呈径向设置。根据鼻芯部的直径和必要的冷却润滑剂的流量，可在鼻芯部上设置例如4、6或8条排放管线。
[0025]在本发明的进一步改进的实施例中，所述鼻芯部还能够以可拆解的方式与所述冲头主体连接，从而仅需根据需要更换