专利名称：一种有模/无模一体化集成拉拔工艺与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于金属塑性加工技术领域，特别是提供了一种有模/无模一体化集成 拉拔工艺与装置。
背景技术：
金属管材、棒材、型材、线材及丝材等拉拔制品在国民经济和国防军工中具有广泛 而重要的用途。随着国民经济、国防军工和高新技术的快速发展，对拉拔金属制品的需求量 越来越大，性能要求也越来越高。而且，进入21世纪以来，环境恶化、资源与能源短缺的现 状向制造业提出了新的挑战，要求金属制品的拉拔加工向短流程、近终形、高效率、低成本、 节能降耗的方向发展，提高传统拉拔金属制品的质量，改善难加工金属的拉拔加工性能，开 发高附加值拉拔金属制品成为主要的发展趋势。目前生产金属制品的拉拔工艺包括有模拉拔和无模拉拔两种[温景林，等.有色 金属挤压与拉拔技术[M].北京化学工业出版社，2007]。在有模拉拔生产金属制品中，最常采用的是固定模拉拔工艺。采用该工艺成形金 属制品具有尺寸精确、表面光洁以及拉拔工具与装置简单、维护方便等优点，但存在着拉拔 道次多、道次断面缩减率小、模具寿命短、拉断频率高、制品表面易划伤和产生裂纹、中间退 火次数多、生产周期长、成材率低以及制品质量与性能的一致性与稳定性难以保证等问题， 一些高强度、高摩擦、低塑性的难加工金属制品采用固定模拉拔工艺很难成形，严重制约了 难加工金属制品的开发和应用[Manel Rodriguez Ripoll，et al. Reduction of tensile residual stresses during the drawing process of tungsten wires[J]. Materials Science and Engineering A,2010，527 (13-14) :3064_3072]。为了解决固定模拉拔工艺生产金属制品时存在的问题，相继开发了反张力拉拔、 振动拉拔、辊模拉拔和电塑性拉拔等拉拔新工艺，在降低拉拔力和能源消耗，增加道次断面 缩减率，减少摩擦力，延长模具使用寿命，提高拉拔速度和生产效率，防止咬粘模壁，降低拉 断率，提高制品表面质量和改善力学性能等方面起到了不同程度的积极作用。但是，由于这 些拉拔工艺仍然采用了模具，与固定模拉拔工艺一样，同样存在着道次断面缩减率较小，所 需拉拔力较大，能源和金属消耗较大，生产成本较高等问题。为了克服上述有模拉拔工艺存在的问题，20世纪70年代开发了无模拉拔工艺， 通过采用感应加热器(或电阻丝加热器、激光加热器、介电加热器等方式)将金属局部加热 到高温，以设定的速度拉拔金属，通过喷水(或其他液体和气体)冷却器来冷却控制局部变 形，获得恒截面或变截面的制品[You Huh, et al. Dieless drawing steel wires using a dielectric heating method and modeling the process dynamics[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2010, 210 (13): 1702-1708]。该工艺是一种不使用传 统拉拔模具而进行金属拉拔的柔性加工方法，具有一系列突出的优点属于热加工工艺，拉 拔过程无摩擦、无润滑，特别适用于塑性差、易粘模、高强度、高摩擦、采用常规拉拔工艺很 难加工的金属材料的加工；采用在线加热，成形过程易于控制；所需拉拔力小；单一道次能获得较大的断面缩减率；拉拔后金属表面氧化少；装置规模小，灵活性高，不受模具限制， 具有通用性，易实现自动控制；高效率、低能耗、无污染，无模具消耗，金属利用率高，生产成 本低。但是，由于无模拉拔中无模具约束，呈自由变形状态，与有模拉拔工艺相比，存在着工 艺参数波动性较大，成形过程稳定性与一致性难以控制，制品尺寸均勻性差(例如线材表面 沿轴向易产生波浪形或竹节状缺陷)、制品质量不稳定，拉拔过程中易拉断等问题，严重制 ^7^ ΙΛ ^Μ [Μ D Naughton,et al. An experimental analysis of the dieless drawing process (Variant B) using ELI grade Ti_6AL_4V wire alloy[J]· Journal of Engineering Manufacture,2008,222 (2) :225_236]。为了发挥无模拉拔的优势，克服其不足，研究人员开发了无模拉拔和有模拉拔交 替进行的拉拔工艺，通过有模拉拔来解决无模拉拔成形制品出现的尺寸波动乃至竹节状缺 陷[Y Kawaguchi, et al. Applications of dieless drawing to Ti-Ni wire drawing and tapered steel wire manufacturing[J]. Wire Journal International，1991，24 (12) 53-58]；或者将无模拉拔装置和有模拉拔装置作为前后工序布置在一条生产线上，开 发了由进料机构、加热器、冷却器、拉拔模具和牵引机构依次构成的无模拉拔-有模拉拔连
续拉拔工艺与装置[P Tiernan, et al. Dieless wire drawing---an experimental and
numerical analysis[J]. Journal of Materials Processing Technology,2004,155-156 (30) :1178-1183]。这些拉拔工艺与装置在一定程度上解决了金属制品无模拉拔中的一些 工程实际问题，有助于无模拉拔工艺的推广应用，但都是在无模拉拔大变形完成之后，再进 行有模拉拔定型和改善表面质量，未能充分发挥二者的优势，仍然无法从根本上解决无模 拉拔和有模拉拔各自本身存在的问题，制约着高质量金属制品的低成本高效拉拔生产。因此，针对采用现有的拉拔工艺成形金属制品中存在的问题，开发一种生产高质 量金属制品的短流程高效拉拔新工艺与装置，最大限度地缩短现有拉拔生产工艺流程，提 高拉拔成形金属制品的质量和性能，提高成材率和生产效率，降低生产成本，加快拉拔工艺 与装置的发展及推广应用，拓展拉拔制品品种和规格以及应用范围，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明是通过将无模拉拔装置中的冷却器与有模拉拔装置中的拉拔模具进行一 体化集成，构成同时具有无模拉拔冷却功能和有模拉拔定型功能的冷却模具，或者直接将 无模拉拔装置中的冷却器用有模拉拔装置中的不带冷却功能的拉拔模具取代，目的在于在 此基础上开发一种将无模拉拔和有模拉拔两种拉拔工艺合二为一的有模/无模一体化集 成拉拔工艺(又称作“半无模拉拔工艺”)，以及一种有模/无模一体化集成拉拔装置(又称 作“半无模拉拔装置”)，充分利用无模拉拔的余热，确保在无模拉拔成形冷却的同时同步完 成有模温拔定型和改善表面质量，大幅度降低拉拔力，省略传统工艺的中间热处理或加热 工序，减少模具消耗，节约能源，降低生产成本，短流程高效拉拔成形高质量金属制品，兼有 无模拉拔变形量大、有模拉拔尺寸精度高等优点，解决目前有模拉拔工艺和无模拉拔工艺 在生产金属制品时存在的问题，提供一种有模/无模一体化集成拉拔工艺与装置。一种有模/无模一体化集成拉拔工艺为选取的金属坯料(1)为金属管材、棒材、 型材或线材中的一种；将轧尖后的待拉拔金属坯料(1)依次穿过进料机构(2)、加热器(3)、 冷却模具(4)和牵引机构(6);然后，启动进料机构(2)，使坯料以送进速度Vi向前输送；打开加热器(3)将金属坯料(1)加热到其熔点温度Tm (用绝对温度表示，单位K)的0. 4(Γ0. 95 倍之间；在冷却模具(4)的作用下使金属完成拉拔定型和表面质量改善；同时，启动牵引机 构(6)，使金属制品(7)以拉拔速度Vo向前移动。通过控制拉拔速度Vo与坯料送进速度Vi 之比(其中1 < Vo/Vi < 4)得到断面收缩率最高可达到70%的表面光洁度好、尺寸精度高 的高质量金属管材、棒材、型材、线材及丝材等制品。一种有模/无模一体化集成拉拔装置，其特征在于，拉拔装置构成为由进料机构 (2)、加热器(3)、冷却模具(4)和牵引机构(6)组成；金属坯料(1)在进料机构(2)的作用 下，以送进速度Vi向前输送；沿着坯料拉拔方向在进料机构(2)后面安装加热器(3)，对坯 料进行加热；沿着坯料拉拔方向在加热器(3)后面安装冷却模具(4)，完成坯料的拉拔定型 和表面质量改善；沿着坯料拉拔方向在冷却模具(4)后面安装牵引机构(6)，控制拉拔速度 Vo大于送进速度Vi，保证金属坯料在加热器(3)和冷却模具(4)之间产生无模拉拔成形，以 及在冷却模具(4)中完成有模拉拔成形，同时实现金属制品(7)的连续拉拔。所述的一种有模/无模一体化集成拉拔装置可以将冷却模具(4)用有模拉拔装置 中的不带冷却功能的拉拔模具(5)取代，装置由进料机构(2)、加热器(3)、拉拔模具(5)和 牵引机构(6)组成。所述加热器(3)为电阻丝加热器、气体加热器、等离子加热器、感应加热器、液体加 热器、介电加热器或激光加热器中的一种。所述冷却模具(4)内部通入冷却介质对冷却模具(4)进行循环冷却或在冷却模具 (4)的外部安装冷却装置对冷却模具(4)进行冷却，同时通过冷却模具(4)对金属进行快速 冷却。所述冷却介质为水、油、空气、惰性气体、氮气、二氧化碳或浆液中的一种。所述的一种有模/无模一体化集成拉拔装置可以安装智能化或自动化在线检测 和闭环反馈控制系统，实现智能化或自动化有模/无模一体化集成拉拔。所述的一种有模/无模一体化集成拉拔装置可以安装保护气体供给系统，防止拉 拔成形过程中金属表面发生氧化。本发明的主要优点在于
1.有模/无模一体化集成拉拔工艺可以改善金属制品拉拔成形工艺条件，大幅度降 低拉拔力，增大道次断面缩减率，缩短拉拔道次，提高生产效率和产品质量，减小模具和金 属消耗，省略传统有模拉拔工艺的中间热处理或加热工序，节约能源，降低生产成本。2.有模/无模一体化集成拉拔工艺应用范围广泛，可以用于黑色金属和有色金 属，也可用于此类金属的层状复合材料、梯度复合材料以及均质复合材料的拉拔成形，而且 可以短流程、近终形高效拉拔生产金属管材、棒材、型材、线材及丝材等制品，尤其适用于难 加工金属材料的拉拔成形。3.有模/无模一体化集成拉拔工艺与装置具有极大的推广价值，只要将无模拉 拔装置的冷却器改为冷却模具或现有的任何一种拉拔模具，都可开发出相应的有模/无模 一体化集成拉拔工艺与装置。4.有模/无模一体化集成拉拔装置结构简单、操作维修方便、生产效率高、适用 范围广，在一台装置上可以生产多种品种与规格的制品，能够批量工业化生产表面光洁度 好、尺寸精度高的高质量金属制品。
图1为本发明的一种采用冷却模具的有模/无模一体化集成拉拔装置配置示意 图。其中(1)为金属坯料；(2)为进料机构；(3)为加热器；(4)为冷却模具；(6)为牵引机 构；(7)为金属制品。图2为本发明的一种采用不带冷却功能拉拔模具的有模/无模一体化集成拉拔 装置配置示意图。其中(1)为金属坯料；(2)为进料机构；(3)为加热器；(5)为拉拔模具； (6)为牵引机构；(7)为金属制品。
具体实施例方式以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对 本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可 以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。结合附图对本发明的有模/无模一体化集成拉拔装置具体说明如下
所述的有模/无模一体化集成拉拔装置构成为由进料机构(2)、加热器(3)、冷却模具 (4)和牵引机构(6)组成。金属坯料(1)在进料机构(2)的作用下，以送进速度Vi向前输 送；沿着坯料拉拔方向在进料机构(2)后面安装加热器(3)，对坯料进行加热；沿着坯料拉 拔方向在加热器(3)后面安装冷却模具(4)，完成坯料的拉拔定型和表面质量改善；沿着坯 料拉拔方向在冷却模具(4)后面安装牵引机构(6)，控制拉拔速度Vo大于送进速度Vi，保证 金属坯料在加热器(3)和冷却模具(4)之间产生无模拉拔成形，以及在冷却模具(4)中完成 有模拉拔成形，同时实现金属制品(7)的连续拉拔。所述的一种有模/无模一体化集成拉拔装置可以将冷却模具(4)用有模拉拔装置 中的不带冷却功能的拉拔模具(5)取代，装置由进料机构(2)、加热器(3)、拉拔模具(5)和 牵引机构(6)组成。所述加热器(3)为电阻丝加热器、气体加热器、等离子加热器、感应加热器、液体加 热器、介电加热器或激光加热器中的一种。所述冷却模具(4)内部通入冷却介质对冷却模具(4)进行循环冷却或在冷却模具 (4)的外部安装冷却装置对冷却模具(4)进行冷却，同时通过冷却模具(4)对金属进行快速 冷却。所述冷却介质为水、油、空气、惰性气体、氮气、二氧化碳或浆液中的一种。所述的一种有模/无模一体化集成拉拔装置可以安装智能化或自动化在线检测 和闭环反馈控制系统，实现智能化或自动化有模/无模一体化集成拉拔装置。所述的一种有模/无模一体化集成拉拔装置可以安装保护气体供给系统，防止拉 拔成形过程中金属表面发生氧化。实施例1
选取直径6mm的YL12铝合金线材为坯料，轧尖后依次穿过进料机构(2)、加热器(3)、 冷却模具(4)和牵引机构(6);然后，打开加热器(3)将其加热到833K (为其熔点温度Tm的 0. 95倍)；同时启动进料机构(2 )和牵引机构(6 )，在拉拔速度Vo与坯料送进速度Vi的比值 Vo/Vi=2. 1的条件下，通过冷却模具(4)的作用完成有模/无模一体化集成拉拔；得到直径 4mm、表面光洁度好、尺寸精度高的YL12铝合金线材。实施例2:选取外径10 mm、壁厚2 mm的BFelO-I-I合金管材为坯料，轧尖后依次穿过进料机构
(2)、加热器(3)、冷却模具(4)和牵引机构(6);然后，打开加热器(3)将其加热到1123K (为 其熔点温度Tm的0. 81倍)；同时启动进料机构(2)和牵引机构(6)，在拉拔速度Vo与坯料 送进速度Vi的比值Vo/Vi=l. 3的条件下，通过冷却模具(4)的作用完成有模/无模一体化 集成拉拔；得到外径7. 7 mm、壁厚1.5 mm、表面光洁度好、尺寸精度高的BFelO-I-I合金管 材。实施例3
选取直径6mm的304不锈钢线材为坯料，轧尖后依次穿过进料机构(2)、加热器(3)、冷 却模具(4)和牵引机构(6)；然后，打开加热器(3)将其加热到1369K (为其熔点温度Tm的 0. 80倍)；同时启动进料机构(2)和牵引机构(6)，在拉拔速度Vo与坯料送进速度Vi的比 值Vo/Vi=3的条件下，通过冷却模具(4)的作用完成有模/无模一体化集成拉拔；得到直径 3. 6mm、表面光洁度好、尺寸精度高的304不锈钢线材。实施例4
选取直径6 mm的纯铜线材为坯料，轧尖后依次穿过进料机构(2)、加热器(3)、拉拔模 具(5)和牵引机构(6);然后，打开加热器(3)将其加热到678 K (为其熔点温度Tm的0. 50 倍)；同时启动进料机构(2)和牵引机构(6)，在拉拔速度Vo与坯料送进速度Vi的比值Vo/ Vi=2. 9的条件下，通过拉拔模具(5)的作用完成有模/无模一体化集成拉拔；得到直径3. 6 mm、表面光洁度好、尺寸精度高的纯铜线材。实施例5
选取直径6 mm的Cu-12wt%Al合金线材为坯料，轧尖后依次穿过进料机构(2)、加热器
(3)、拉拔模具(5)和牵引机构(6);然后，打开加热器(3)将其加热到873K (为其熔点温度 Tm的0. 67倍)；同时启动进料机构(2)和牵引机构(6)，在拉拔速度Vo与坯料送进速度Vi 的比值Vo/Vi=2. 7的条件下，通过拉拔模具(5)的作用完成有模/无模一体化集成拉拔；得 到直径3. 6 mm、表面光洁度好、尺寸精度高的Cu_12wt%Al合金线材。
权利要求
1.一种有模/无模一体化集成拉拔工艺，其特征在于选取的金属坯料(1)为金属管材、 棒材、型材或线材中的一种；将轧尖后的待拉拔金属坯料(1)依次穿过进料机构(2)、加热 器(3)、冷却模具(4)和牵引机构(6)；然后，启动进料机构(2)，使坯料以送进速度Vi向前 输送；打开加热器(3)将金属坯料(1)加热到其熔点温度Tm的0. 4(Γ0. 95倍之间，Tm用绝 对温度表示，单位K ；在冷却模具(4)的作用下使金属完成拉拔定型和表面质量改善；同时， 启动牵引机构(6)，使金属制品(7)以拉拔速度Vo向前移动；通过控制拉拔速度Vo与坯料 送进速度Vi之比得到断面收缩率最高可达到70%的高质量金属管材、棒材、型材、线材及丝 材制品，其中1 < Vo/Vi < 4。
2.一种采用权利要求1所述有模/无模一体化集成拉拔工艺的有模/无模一体化集成 拉拔装置，其特征在于，拉拔装置由进料机构(2)、加热器(3)、冷却模具(4)和牵引机构(6) 组成；金属坯料(1)在进料机构(2)的作用下，以送进速度Vi向前输送；沿着坯料拉拔方向 在进料机构(2 )后面安装加热器(3 )，对坯料进行加热；沿着坯料拉拔方向在加热器(3 )后 面安装冷却模具(4)，完成坯料的拉拔定型和表面质量改善；沿着坯料拉拔方向在冷却模 具(4)后面安装牵引机构(6)，控制拉拔速度Vo大于送进速度Vi，保证金属坯料在加热器(3)和冷却模具(4)之间产生无模拉拔成形，以及在冷却模具(4)中完成有模拉拔成形，同 时实现金属制品(7)的连续拉拔。
3.如权利要求2所述一种有模/无模一体化集成拉拔装置，其特征在于所述冷却模具(4)用有模拉拔装置中的不带冷却功能的拉拔模具(5)取代，装置由进料机构(2)、加热器(3)、拉拔模具(5)和牵引机构(6)组成。
4.如权利要求2和权利要求3所述一种有模/无模一体化集成拉拔装置，其特征在于 所述加热器(3)为电阻丝加热器、气体加热器、等离子加热器、感应加热器、液体加热器、介 电加热器或激光加热器中的一种。
5.如权利要求2和权利要求3所述一种有模/无模一体化集成拉拔装置，其特征在于 有模/无模一体化集成拉拔装置安装有智能化或自动化在线检测和闭环反馈控制系统，实 现智能化或自动化有模/无模一体化集成拉拔。
6.如权利要求2和权利要求3所述一种有模/无模一体化集成拉拔装置，其特征在于 所述的有模/无模一体化集成拉拔装置安装保护气体供给系统，防止拉拔成形过程中金属 表面发生氧化。
7.如权利要求2所述一种有模/无模一体化集成拉拔装置，其特征在于所述冷却模具(4)内部通入冷却介质对冷却模具(4)进行循环冷却或在冷却模具(4)的外部安装冷却装 置对冷却模具(4)进行冷却，同时通过冷却模具(4)对金属进行快速冷却；所述冷却介质为 水、油、空气、惰性气体、氮气、二氧化碳或浆液中的一种。
全文摘要
本发明属于金属塑性加工技术领域，特别是提供了一种有模/无模一体化集成拉拔工艺与装置。其特征是通过将无模拉拔装置中的冷却器与有模拉拔装置中的拉拔模具进行一体化集成，构成同时具有无模拉拔冷却功能和有模拉拔定型功能的冷却模具，或者直接将无模拉拔装置中的冷却器用有模拉拔装置中的不带冷却功能的拉拔模具取代，充分利用无模拉拔的余热，确保在无模拉拔成形冷却的同时同步完成有模温拔定型和改善表面质量。本发明大幅度降低拉拔力，省略传统工艺的中间热处理或加热工序，减少模具消耗，节约能源，降低生产成本，短流程高效拉拔成形高质量金属制品，兼有无模拉拔变形量大、有模拉拔尺寸精度高等优点。
文档编号B21C3/00GK102133583SQ20111011440
公开日2011年7月27日 申请日期2011年5月4日 优先权日2011年5月4日
发明者刘雪峰, 张野, 秦芳, 谢建新 申请人:北京科技大学