专利名称：管材的拉拔加工用顶头及使用该顶头的拉拔加工方法
技术领域：
本发明涉及用于进行冷加工的管材的拉拔加工用顶头及使用该顶头的拉拔加工 方法，更具体而言，涉及即使在对厚壁的管坯进行冷拉拔加工的情况下，顶头也不产生破损 和振纹缺陷的、拉拔性能优异的拉拔加工用顶头及使用该顶头的管材的拉拔加工方法。
背景技术：
管材的拉拔加工是一种利用拉拔模及顶头这样的工具对经过润滑处理的管坯进 行拉拔而对该管坯进行缩径及薄壁化加工，从而获得尺寸精度和表面平滑度优异的管材的 加工方法。因为被加工的管材表面精度高，因此主要用作汽车用管件，随着最近对汽车用零 部件的高品质、高精度的要求的提升，预计将对该管件有更高的需求。图1是说明使用不同顶头的两种拉拔加工的图。图1的(a)表示使用外径为恒定 的圆柱面状的圆筒顶头1的拉拔加工，圆筒顶头1的后端与支承芯棒5相连结，并与拉拔模 4呈同心状地插入到管坯6的内部。使用圆筒顶头1的拉拔加工用于制造直径比较大的管 材。图中的空心箭头标记表示拉拔方向。图1的(b)表示使用锥形顶头2的拉拔加工，同样地锥形顶头2的后端与支承芯 棒5相连结，并与拉拔模4呈同心状地插入管坯6的内部。管坯6 —边沿着拉拔模4的圆 锥面状的锥形部和顶头2的圆锥面状的锥形部变形，一边被导入拉拔模4的承压(bearing) 部和顶头2的圆柱面状的直杆部之间，被加工成以拉拔模4的承压部的内径为外径、以顶头 2的直杆部外径为内径的加工管7。同样，图中的空心箭头标记表示拉拔方向。在锥形顶头2的锥形部形成有锥角θ。因此，作为作用在锥形顶头2上的作用力， 除了施加有拉拔方向的摩擦力之外，还在顶头2的锥形部上施加有与拉拔方向相反方向的 反作用力，摩擦力和反作用力相互抵消。因此，在使用锥形顶头2的拉拔加工中，锥形顶头 2在拉拔过程中呈浮动状态，有时不需要支承芯棒5。另外，即使连结支承芯棒5，作用在芯 棒5上的力被减小。由此，图1的(b)所示的锥形顶头2被称为半浮动顶头(SF顶头)，因为具有上述 拉拔特性，而被用于直径较小的管材的拉拔加工。以下，根据需要将图1的(b)所示的锥形 顶头2称为“SF顶头”。图2是说明管材的拉拔加工中所使用的拉拔模形状的附图。拉拔加工用拉拔模4 具有决定管坯的加工外径的出口侧的承压部4b、内径朝着入口侧而扩大的用于将管坯导入 承压部4b的引入(approach)部4a。在图2所示的拉拔模形状中，引入部4a呈直线状，具有规定的拉拔模面角α。通 常，拉拔模面角α比图1的(b)所示的锥形顶头的锥角θ大，为20 25deg。然而，适用于汽车用管件的机械结构用钢管的最近需求动向为在需求多种外径 尺寸的基础上，对厚壁尺寸的需求也在增加。在对厚壁的管坯进行拉拔加工的情况下，顶头 加工面和管坯之间的接触面积增加。因此，在使用圆筒顶头的拉拔加工中，顶头容易沿拉拔
3方向被拉入，引起颤振，有时产生与该振动相对应的痕迹的振纹缺陷。另一方面，在使用SF顶头的拉拔加工中，预计由于随着顶头的直杆部及锥形部与 管坯的接触面积的增加，作用在顶头上的拉拔方向或与顶头上的拉拔方向相反的方向的反 作用力增加，因此顶头从浮动状态脱离、或从适当位置偏离地进行拉拔加工。若这样从适当 位置偏离地进行拉拔加工，不仅给加工管的尺寸精度带来影响，也有可能导致顶头破损。因此，要求开发出在管材的拉拔加工时，不论管坯的壁厚尺寸多大加工管都不会 产生振纹缺陷、不降低尺寸精度，同时能避免顶头破损的、拉拔性能优异的拉拔加工用顶 头。以往，关于拉拔加工用顶头提出了各种技术方案。例如，在日本特开平09-225522 号公报中，提出了一种通过中间缩径部(该文献中标记为V字槽)将锥形部(该文献中标 记为引入部)和直杆部(该文献中标记为承压部)连接起来的浮动顶头。并且，根据该文 献提出的顶头，通过中间缩径部，获得朝向拉拔方向的作用力，因此浮动顶头能够不受管坯 的壁厚尺寸的影响而均能在适当的位置保持平衡。另外，在日本特开2003-112218号公报中，提出了一种通过凹部将锥形部和直杆 部(在该文献中标记为精加工部)连接在一起的浮动顶头，适用于柴油机的燃料喷射管等 所使用的厚壁细径管的拉拔加工。如前所述，为了提高冷加工的加工制品的成品率、实现延长工具的使用寿命，提出 了多种拉拔加工用顶头，但任一种都不能适当的改善拉拔加工用顶头的拉拔性能。在日本特开平09-225522号公报中提出的浮动顶头，为了保持作用于顶头上的拉 拔方向的力和作用在与拉拔方向相反的方向上的力的平衡而在锥形部和直杆部之间设置 中间缩径部，但并没有研究如何防止在拉拔加工厚壁的管坯的情况下容易产生的振纹缺陷 和顶头破损。另外，在日本特开2003-112218号公报中所述的浮动顶头，为了消除内部切削时 产生的划痕、使得拉拔加工后的管内周面具有较高的平滑度，而在锥形部和直杆部之间以 特定的位置关系设置凹部，但并没有研究如何防止在拉拔加工厚壁的管坯的情况下容易产 生的振纹缺陷和顶头破损。
发明内容
本法明是鉴于上述拉拔加工的问题点而做成的，目的在于提供一种即使在对厚壁 的管坯进行冷拉拔加工的情况下、也能有效防止顶头产生破损、产生振纹缺陷及进一步防 止尺寸精度降低的、拉拔性能优异的管材拉拔加工用顶头及使用该顶头的拉拔加工方法。本发明人为了解决上述课题使用了多种拉拔加工用顶头，观察被加工管材在拉拔 加工中的变形情况。图3是说明使用圆筒顶头对厚壁的管坯进行拉拔加工时的变形情况的图。如上所 述，在对厚壁的管坯6进行拉拔加工的情况下，因为圆筒顶头1和管坯6的内表面的接触面 积增加，使得圆筒顶头1容易沿拉拔方向被拉入，诱发在顶头面上反复进行拉入和回复的 自激振动，产生振纹缺陷。一旦产生振纹缺陷，便会在加工管7的内表面上沿轴向方向产生 微小的痕迹。图4是说明使用SF顶头对厚壁的管坯进行拉拔加工时的变形情况的一例的图。SF顶头2以其直杆部2s与拉拔模4的承压部4b呈同心状设置的方式被插入到管坯6的内部。随着拉拔加工的进行，管坯6 —边沿着拉拔模4的引入部4a和SF顶头2的锥形 部2t的形状变形，一边被导入到拉拔模4的承压部4b和SF顶头2的直杆部2s之间，既被 缩径又被薄壁化加工而得到加工管7。通常，在拉拔加工的变形的初期，管坯6被拉拔模4的引入部4a限制，一边沿该锥 形状缩径变形一边增厚变形。此时，管坯6若是厚壁的，则管坯的增厚变形变得显著，超过 拉拔模4的引入部4a和SF顶头2的锥形部2t之间的间隔，管坯6的内表面与锥形部2t 的后端抵接。若呈该状态，则随着拉拔加工的进行，顶头将破损。另外，在使用SF顶头对厚壁的管坯进行拉拔加工的情况下，由于SF顶头2的加工 面和管坯6之间的接触面积增加，所以作用在SF顶头2上的力增加，SF顶头2朝着与拉拔 方向相反的方向脱离，有时会产生不浮动、或从适当位置偏离的情况。为了防止该情况的发 生，需要适当地形成SF顶头2的直杆部2s及锥形部2t的轴向长度。本发明是基于上述想法而完成的，以下述(1)、(2)的拉拔加工用顶头及(3)的拉 拔加工方法为发明要点。(1) 一种管材拉拔加工用顶头，其特征在于，具有从顶头的前端依次以直杆部、第 1锥形部及第2锥形部连续形成的外表面，上述直杆部的外表面呈圆柱面状，在上述第1锥 形部以该第1锥形部的直径从直杆部向第2锥形部增大的方式形成有锥角θ 1 ；在上述第 2锥形部以该第2锥形部的直径从上述第2锥形部向后端增大的方式形成有锥角θ 2，锥角 Θ1和θ 2满足下述(1)式的关系θ 1 > θ 2 > 0(零).· · . (1)。(2)上述(1)的管材拉拔加工用顶头的特征在于，上述第1锥形部的锥角θ 1为 10 18deg，在第1锥形部的轴向长度为Ll以及第2锥形部的轴向长度为L2的情况下，它 们的关系分别满足下述(2)式及(3)式Ll ^ 5mm... (2)L1+L2 ( 20mm ... (3)。(3) 一种管材的拉拔加工方法，其特征在于，使用具有规定的承压部内径的拉拔模 和上述(1)或(2)任一项所述的拉拔加工用顶头来对管材进行缩径及薄壁化加工。本发明的拉拔加工用顶头最适合管材是厚壁的情形，本发明中的厚壁是指壁厚T 与外径D的比(T/D)为20%以上的情况。根据本发明的拉拔加工用顶头，即使在使用厚壁的管坯进行冷拉拔加工的情况 下，也能有效防止顶头破损、产生振纹缺陷及进一步防止尺寸精度的降低，能够延长工具寿 命。在使用该顶头的拉拔加工方法中，拉拔性能优异，能够减少由顶头引起的产品不良，能 够提高加工管的产品成品率。
图1是说明所用顶头不同的两种拉拔加工的图。(a)表示使用外径为恒定圆柱面 状的圆筒顶头1的拉拔加工，(b)表示使用锥形顶头2的拉拔加工。图2是说明用于管材的拉拔加工的拉拔模形状的图。
图3是说明使用圆筒顶头对厚壁的管坯进行拉拔加工时的变形情况的图。图4是说明使用SF顶头对厚壁管坯进行拉拔加工时的变形情况的一例的图。图5是说明本发明的拉拔加工用顶头的形状及使用该顶头进行拉拔加工时的变 形情况的图。
具体实施例方式本发明的管材的拉拔加工用顶头的特征在于，具有从顶头的前端依次以直杆部、 第1锥形部及第2锥形部连续形成的外表面，上述直杆部的外表面呈圆柱面状、在上述第1 锥形部以该第1锥形部的直径从直杆部向第2锥形部增大的方式形成有锥角θ 1 ；在上述 第2锥形部以该第2锥形部的直径从上述第2锥形部向后端增大的方式形成有锥角θ 2，锥 角θ 1和θ 2满足θ 1 > θ 2 > 0 (零)的关系。图5是说明本发明的拉拔加工用顶头的形状及使用该顶头进行拉拔加工时的变 形情况的图。如上述图4所示，在使用SF顶头对厚壁的管坯进行拉拔加工的情况下，在拉 拔加工的初期，因为管坯在拉拔模的引入部进行缩径变形、增厚变形，使得增厚后的管坯的 内表面与顶头的锥形部后端相抵接。为了防止该管坯的内表面与顶头的锥形部后端抵接，本发明的拉拔加工用顶头3 接连设有圆锥面状的第1锥形部3tl和第2锥形部3t2，该第1锥形部3tl从圆柱面状的 直杆部3s朝向与拉拔方向相反的方向并具有锥角θ 1，另外，该第2锥形部3t2具有锥角 θ 2。并且，本发明的拉拔加工用顶头3的第1锥形部3tl及第2锥形部3t2的锥角为 θ 1 > Θ2>0(零)的关系，因此能够使管坯6的内表面与顶头的锥形部3t的后端脱离， 从而防止管坯的内表面与锥形部后端抵接，并且能够使抵接了的管坯内表面沿着锥形部3t 的形状行进。在以下的说明中，根据需要，将本发明的拉拔加工用顶头仅称为“2级锥形顶头”。具体的，由图5所示的变形情况可知，在拉拔加工的初期，即使管坯6在拉拔模4 的引入部4a被缩径而产生增厚变形，增厚了的管坯6的内表面也与2级锥形顶头3的第1 锥形部3tl或者第2锥形部3t2中的任一锥形部相抵接。在之后的拉拔加工中，管坯6沿 着拉拔模4的引入部4a和2级锥形顶头3的锥形部3t的形状变形，被导入到拉拔模4的 承压部4b和2级锥形顶头3的直杆部3s之间，进行缩径及薄壁化加工。本发明的拉拔加工用顶头从直杆部3s开始接连设置具有锥角θ 1的第1锥形部 3t 1和具有锥角θ 2的第2锥形部3t2，即使在管坯6增厚变形的情况下，管坯6的内表面 也与第1锥形部3tl或第2锥形部3t2中的任一锥形部相抵接。并且，通过使第1锥形部3tl及第2锥形部3t2的锥角的关系为Θ1> Θ2 > 0 (零)，在管坯的内表面与第1锥形部3tl或第2锥形部3t2相抵接的情况下，能够使抵接 部沿着2级锥形顶头3的锥形部3t的形状行进而继续进行管坯6的变形。为了在拉拔加工过程中确保拉拔加工用顶头的浮动状态，本发明的拉拔加工用顶 头的第1锥形部的锥角θ 1最好为10 18deg。第1锥形部实质上受到作用在顶头上的与 拉拔方向相反方向的反作用力，如果锥角θ 1小于lOdeg，就不能充分地获得浮动所需的作 用在与拉拔方向相反的方向上的反作用力，因此顶头容易被拉入而不能维持浮动状态。另
6一方面，若锥角θ 1超过18deg，则管坯的内表面与锥形部的后端相抵接，导致顶头破损。优选本发明的拉拔加工用顶头的第1锥形部的轴向长度Ll为5mm以上。这是为 了在拉拔过程中确保浮动状态，若轴向的长度Ll小于5mm，就不能充分地获得浮动所需的 作用在与拉拔方向相反的方向上的反作用力，导致顶头容易被拉入。优选本发明的拉拔加工用顶头的第1锥形部的轴向长度Ll及第2锥形部的轴向 长度L2的全长为20mm以下。这是为了防止顶头破损，若顶头锥形部的轴向长度Li、L2的 全长超过20mm，则在拉拔加工的过程中顶头容易破损。本发明的拉拔加工方法是一种使用具有规定的承压部内径的拉拔模和上述拉拔 加工用顶头来对被加工管材进行缩径及薄壁化加工的方法。即使在使用厚壁尺寸的被加工 管材进行拉拔加工的情况下，也能够有效防止顶头破损和发生振纹缺陷，能够延长工具寿 命。同时，能够减少因顶头引起的产品不良，提高成品率。下面，根据实施例具体地说明本发明的效果。实施例作为供测试管坯，准备了钢种由作为机械构造用碳素钢管的JIS G4051中规定的 S45C(0. 44C-0. 75Mn-0. 15Cr_0. ITi钢材)构成的管材，使用各种顶头进行拉拔加工，评价 此时的加工状况。关于拉拔加工，根据准备的管坯尺寸制成表1中Sch. 1 5所示的5种 冷加工管壁厚度系列(schedule)。由下述⑷式算出表1所示的截面缩小率Rd(% )。Rd = {(D0-D1) /D0} X100(% ). . . (4)其中，Dtl 加工前截面面积(mm2)，D1 加工后截面面积(mm2)表 1 拉拔加工所使用的顶头为上述图3所示的圆筒顶头、上述图4所示的SF顶头及上 述图5所示的2级锥形顶头。同时使用的拉拔模将其引入部的锥面角α设为20deg。将所 使用的顶头尺寸及拉拔加工时的评价结果记录于表2中。作为表2中的评价结果，X标记表示无法进行拉拔加工的情形，〇标记表示能够 进行拉拔加工的情形，另外，◎标记表示能够稳定地进行拉拔加工的情形。
表2
在使用圆筒顶头的拉拔加工中，全部为不稳定的拉拔加工，特别是如试验No. 2、3 那样的厚壁管坯时就会产生显著的振纹缺陷，无法稳定地进行加工。在使用SF顶头的拉拔加工中，在使用试验No. 4那样的通常的T/D的管坯的情况 下能够进行拉拔加工，但若是试验No. 5、6那样的厚壁管坯时顶头就会破损而无法进行拉 拔加工。在使用本发明的2级锥形顶头的拉拔加工中，试验No. 7 13的任一种均能进行 稳定的拉拔加工。特别是在Ll及L2落入优选范围内的实验No. 9、12、13的情况下，能够发 挥优异的加工特性。利用本发明的管材的拉拔加工用顶头，即使在使用厚壁的管坯进行冷拉拔加工的 情况下，也能够有效防止顶头破损、产生振纹缺陷以及进一步防止尺寸精度降低，能够延长 工具寿命。在使用该顶头的拉拔加工方法中，因为拉拔性能优异，能够减少由顶头引起的产 品不良，提高加工管的产品成品率，因此作为机械构造用碳素钢管的制造方法可广泛地应用。
权利要求
一种管材的拉拔加工用顶头，其插入到管材的内部，具有从顶头的前端依次以直杆部、第1锥形部及第2锥形部连续形成的外表面，其特征在于，上述直杆部的外表面是圆柱面状，在上述第1锥形部以该第1锥形部的直径从直杆部向第2锥形部增大的方式形成有锥角θ1，在上述第2锥形部以该第2锥形部的直径从上述第2锥形部向后端增大的方式形成有锥角θ2，锥角θ1和θ2满足下述(1)式的关系θ1＞θ2＞0(零) ... (1)。
2.根据权利要求1所述的管材的拉拔加工用顶头，其特征在于，上述第1锥形部的锥角θ 1是10 18deg，在第1锥形部的轴向长度为Ll以及第2锥 形部的轴向长度为L2的情况下，它们的关系分别满足下述(2)式及(3)式Ll ≥ 5mm…(2)L1+L2 ≤ 20mm…(3)。
3.根据权利要求1或2所述的管材的拉拔加工用顶头，其特征在于，上述管材的拉拔加工前的壁厚T与上述管材的拉拔加工前的外径D的比(T/D)为20% 以上。
4.一种管材的拉拔加工方法，其特征在于，使用具有规定的承压部内径的拉拔模和权利要求1 3中任一项所述的拉拔加工用顶 头来对管材进行缩径及薄壁化加工。
全文摘要
本发明提供一种管材的拉拔加工用顶头及使用该顶头的拉拔加工方法。在对厚壁的管坯进行冷拉拔加工时，作为插入到管坯的内部的拉拔加工用顶头，具有从顶头的前端依次以直杆部、第1锥形部及第2锥形部连续形成的外表面，上述直杆部的外表面呈圆柱面状，在上述第1锥形部以该第1锥形部的直径从直杆部向第2锥形部增大的方式形成有锥角(θ1)，在上述第2锥形部以该第2锥形部的直径从上述第2锥形部向后端增大的方式形成有锥角(θ2)，通过使用锥角(θ1)和(θ2)满足θ1＞θ2＞0(零)的关系的顶头，能够防止顶头产生破损和振纹缺陷。
文档编号B21C3/16GK101909776SQ20088012491
公开日2010年12月8日 申请日期2008年11月10日 优先权日2008年2月8日
发明者内田和宏 申请人:住友金属工业株式会社