专利名称：：薄壁金属圆筒体的制造方法
技术领域：
：本发明涉及一种薄壁金属圆筒体的制造方法。
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0.030.3mm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20(TC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，传统的加工方法是采用旋压加工，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进行塑性加工，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。但该加工方法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O.lmm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。
发明内容本发明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的薄壁金属圆筒体的制造方法。为实现上述目的，本发明提供的技术方案为薄壁金属圆筒体的制造方法，包括以下工艺步骤①把金属板材加工成圆筒状素管；②将圆筒状素管套于旋压加工设备的芯轴上，进行旋压加工得到初级薄壁金属圆筒体；③对步骤②得到的初级薄壁金属圆筒体进行差温拉伸捋加工，制得主体厚度为0.lmm以下的管件；④把经差温捋加工后的管件两端切除，保留中部管体，最终制得所需薄壁金属圆筒体。在旋压加工时，旋压的同时对工件施以轴向张力。差温拉伸捋加工的步骤是把装有初级薄壁金属圆筒体的冲头压进冲模内一次，压进的过程同时对冲头进行冷却，对捋加工冲模进行加热。对冲头冷却温度控制在_7°C2(TC，对捋加工冲模的加热温度控制在70°C200°C。冲头压进冲模的加工速度为101000mm/秒。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，再利用差温拉伸捋加工工艺，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，对冲头进行冷却，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。图1A为本发明旋压加工设备结构图之一；图IB为本发明旋压加工设备结构图之二；图2A为本发明旋压加工设备结构图之三；图2B为本发明旋压加工设备结构图之四；图3A为本发明旋压加工设备结构图之五；图3B为本发明旋压加工设备结构图之六；图3C为本发明旋压加工设备结构图之七；图3D为本发明旋压加工设备结构图之八；图4为本发明旋压加工设备结构图之九；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禾P2.0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禾P2.0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。具体实施例方式本实施例的薄壁金属圆筒体的制造方法，包括以下工艺步骤①利用冲压或焊接的方式把金属板材加工成帽状圆筒状素管；②将圆筒状素管套于旋压加工设备的芯轴上，进行旋压加工得到初级薄壁金属圆筒体，在旋压加工时，旋压的同时对工件施以轴向张力；③对步骤②得到的初级薄壁金属圆筒体进行差温拉伸捋加工，把装有初级薄壁金属圆筒体的冲头压进冲模内一次，压进的过程同时对冲头进行冷却，对捋加工冲模进行加热。对冲头冷却温度控制在_7°C2(TC，对捋加工冲模的加热温度控制在70°C200°C，制得主体厚度为0.lmm以下的管件；④把经差温捋加工后的管件两端切除，保留中部管体，最终制得所需薄壁金属圆4筒体。注意冲头压进冲模的加工速度为101000mm/sec。捋加工厚度为0.lmm以下的不锈钢圆筒，成型加工的时候，加工速度在10lOOOmm/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，由于加工时的塑模以及冲床的振动的影响，变形不均匀，圆筒的轴方向的厚度变得不均。下面详细介绍旋压加工技术和差温加工技术。—、旋压加工技术在这里旋压加工的方法和设备有如下的例子图1(A)表示为旋压部件20的轴向移动方向和圆筒状素管30的延伸方向一致的情况。将圆筒素管一端31外侧加工成帽缘状，另一端32内侧加工成缘状，在芯轴10上套装圆筒状素管30，内侧成缘状的一端32被固定，用第一支撑旋转部件41支撑芯轴10的一端，用第二支撑旋转部件42支撑芯轴10的另一端，芯轴10通过以两端支撑状态旋转，达到防止芯轴10离心旋转的目的，在圆筒状素管外侧帽缘状的一端31设置张力附加部件50，给圆筒状素管30施予与圆筒状素管30的延伸方向一致的张力，实现高效成型壁厚均匀性、直线度、圆筒度出色的薄壁金属圆筒体。另外，图中黑色箭头表示施予圆筒状素管30张力的方向，白色箭头表示旋压部件20的移动方向。旋压部件20对应圆筒状素管30的外周以120度的间隔配置三个。图1(B)表示为圆筒状素管30内壁为直筒状，旋压部件20的轴向移动方向和圆筒状素管30的延伸方向相反的情况。在芯轴10上套装圆筒状素管30，用第一支撑旋转部件41支撑芯轴10的一端，用第二支撑旋转部件42支撑芯轴10的另一端，芯轴10通过以两端支撑状态旋转，达到防止芯轴10离心旋转的目的，圆筒状素管30靠近第一支撑旋转部件41的一端31外侧加工成帽缘状，在圆筒状素管帽缘状的一端31设置张力附加部件50，给圆筒状素管30施予朝第一支撑旋转部件41方向的张力，旋压部件20的移动方向与施予圆筒状素管30张力方向相反。图中黑色箭头表示施予圆筒状素管30张力的方向，白色箭头表示旋压部件20的移动方向。图2(A)与图1(B)相比较，圆筒状素管30内壁也是直筒状，没有设计内侧缘，只是把圆筒状素管帽缘的一端31用圆筒状素管控制部件15固定，芯轴10用第一支撑旋转部件41支撑芯轴10的一端，用第二支撑旋转部件42支撑芯轴10的另一端，芯轴10通过以两端支撑状态旋转，达到防止芯轴离心旋转的目的，旋压部件20朝远离帽缘端的方向作轴向移动。图2(B)与图2(A)相比，圆筒状素管30的两端外壁都加工成帽缘状，靠近第一支撑旋转部件41的一端被控制部件15固定，另一端施予碰撞张力附加部件50，碰撞张力附加部件50在与旋压部件20的移动方向相同的方向上沿圆筒状素管30的轴线施予张力。与图2(A)相比，积极施予张力，因而可进一步提高形状稳定性。图3和图4所示的设备是专门用于生产长度较长的薄壁圆筒体。图3(A)和(B)所示，圆筒状素管30安装在芯轴10上，通过支撑旋转部件40驱动使圆筒状素管30与芯轴10—起旋转，同时用圆筒状素管控制部件15限制圆筒状素管的一端31，用张力附加部件50限制另一端32，在圆筒状素管30的轴方向施予张力，所述的张5力附件部件50为一拉杆，图3(A)是圆筒状素管与张力附加部件50配合的一端32内侧加工成缘状，拉杆夹紧内侧缘状部分，然后朝与旋压部件20轴向移动方向相反的方向移动。图3(B)是圆筒状素管底部内壁为直筒形，外壁加工成缘状33，拉杆夹紧外壁上的缘状部分33，然后朝与旋压部件20轴向移动方向相反的方向移动。旋压部件20挤压圆筒状素管30壁面的同时，在与拉抻张力方向相反的方向移动。圆筒状素管30通过圆筒状素管控制部件15被限制，因此，在塑性加工减厚的圆筒体朝图中的右方向伸展。图3(C)所示结构与图3(B)基本相同，只是张力附件部件50不是夹紧外壁缘状部分33，而是直接扣住缘状部分33朝与旋压部件20轴向移动方向相反的方向移动。图3(D)用素管控制部件15限制圆筒状素管30的一端，用贯通芯轴10中心部的张力附加部件50给圆筒状素管30的另一端施予张力，同时边旋转芯轴10和圆筒状素管30，用旋压部件20挤压圆筒状素管30的壁面，素管控制部15移向图的右方。另外，该图示中，张力附加部件50贯通芯轴10的轴中心部施予张力，折回圆筒状素管30的端部形状，在加工的外侧缘碰撞张力附加部件，也可以从圆筒状素管30的外周侧施予张力。上述图1图3都是芯轴10与圆筒状素管30—同旋转，旋压部件20制作只作自转不作公转。图4为芯轴10和圆筒状素管30都不转动，而旋压部件20既作自转又作公转对圆筒状素管30外壁进行旋压加工的情况。二、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1、冲模2和压边3，冲头1内设有液冷通道4，而冲模2内设有加热元件5，模具的冲头肩部半径为3mm，冲模肩部半径为4mm，再拉伸率(再拉伸冲头直径/初级冲头直径X100)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5X以下是10mm/min。测试温度为2(TC，100°C，150°C。机械性能与温度依赖性如图6所示。15(TC下的拉伸强度，与2(TC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，冲头直径小60mm，拉伸比(初期坯料直径/初级拉伸冲头直径)为2.0，2.4以及2.6三种。初级拉伸的成型条件如表l所示。表1初级拉伸成型条件<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>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70200°C，冲头温度为_720°C。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FerriteScope分析仪进行测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，冲头头部的板厚减少了。而且因为试验材料的各向异性的性质，所以冲头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°C)下成形成形品的结果。差温拉伸的成形品是它的冲头要进行冷却的。还会降低冲头肩部的极限板厚，因此冲头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io，任何一个成形，它们的冲头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，在冲模压边和冲头温度为30°C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12(TC，压边温度为8(TC，冲头温度为2(rC时，极限再拉伸率提高到60%。再者，当冲模以及压边温度为20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<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>在再拉伸捋加工的过程中，因过度地减少板厚导致冲头肩部破裂。为了提高容易破裂的冲头肩部的强度，冲头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/(再拉伸冲头直径+板材壁厚X2))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ll所示。再拉伸捋加工以后，冲头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冲头肩部，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，冲头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的冲头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的冲头肩部相变量为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°C，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)45%〇XX再50%〇〇〇拉55%60%伸65%率70%80%成型条初级拉伸拉伸比2.02.42.6冲模温度150°C压边温度150±1°C冲头温度-4±1°C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15(TC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，冲头底部的加工诱起马氏体相变量为0.5%，冲头肩部的为0.74%。并且极限再拉伸率为55%，冲模跟压边温度必需为200°C。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9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。通过冲头冷却提高容易破裂的冲头肩部强度，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0-10(TC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9(TC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，把冲头的温度设置为80°C，冲模以及压边温度为22t:，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冲头肩部，它的相变量降为0%。表4初级拉伸成型条件<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表5初级拉伸成型品的冲头肩部的加工诱起马氏体相变量<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>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。本发明中的拉伸捋加工工序具有以下优点(1)为了运用差温拉伸技术来达到縮短工序的目的，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，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。权利要求薄壁金属圆筒体的制造方法，包括以下工艺步骤①把金属板材加工成圆筒状素管；②将圆筒状素管套于旋压加工设备的芯轴上，进行旋压加工得到初级薄壁金属圆筒体；③对步骤②得到的初级薄壁金属圆筒体进行差温拉伸捋加工，制得主体厚度为0.1mm以下的管件；④把经差温捋加工后的管件两端切除，保留中部管体，最终制得所需薄壁金属圆筒体。2.根据权利要求l所述的薄壁金属圆筒体的制造方法，其特征在于在旋压加工时，旋压的同时对工件施以轴向张力。3.根据权利要求1所述的薄壁金属圆筒体的制造方法，其特征在于差温拉伸捋加工的步骤是把装有初级薄壁金属圆筒体的冲头压进冲模内一次，压进的过程同时对冲头进行冷却，对捋加工冲模进行加热。4.根据权利要求3所述的薄壁金属圆筒体的制造方法，其特征在于对冲头冷却温度控制在_7°C2(TC，对捋加工冲模的加热温度控制在70°C200°C。5.根据权利要求3所述的薄壁金属圆筒体的制造方法，其特征在于冲头压进冲模的加工速度为101000mm/秒。全文摘要本发明公开一种薄壁金属圆筒体的制造方法，包括以下工艺步骤①把金属板材加工成圆筒状素管；②将圆筒状素管套于旋压加工设备的芯轴上，进行旋压加工得到初级薄壁金属圆筒体；③对步骤②得到的初级薄壁金属圆筒体进行差温拉伸捋加工，制得主体厚度为0.1mm以下的管件；④把经差温捋加工后的管件两端切除，保留中部管体，最终制得薄壁金属圆筒体。本技术的优点是，先利用旋压加工生产出薄壁金属圆筒预制品，再利用差温拉伸捋加工工艺，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，对冲头进行冷却，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。文档编号B21D51/10GK101786126SQ20101013240公开日2010年7月28日申请日期2010年3月23日优先权日2010年3月23日发明者刘江申请人:刘江