专利名称：一种用于管材拉拔成形的模具的制作方法
技术领域：
本发明涉及铝、铜、钢等金属管材的成形领域，具体是ー种用于管材拉拔成形的模具。
背景技术：
在航空、航天、汽车和机械设备等领域无不涉及管件和管套的使用。以飞机为例，管路系统是飞机的生命线，它的性能好坏直接影响到飞机的整体性能，如果把发动机比作 飞机的心脏，那么管路就像是飞机的血管。因此提高管路系统的技术水平，对提高飞机性能
非常重要。目前市场上用于管路系统的金属管多采用传统的成形方式，并多为无缝管(包钢科技，2002，2:21)。这种管材的特点是壁厚越厚，它就越具有经济性和实用性，壁厚越薄，它的加工成本就会大幅度上升，且在使用过程中易开裂。从国际和国内两个市场来看，无缝管的现有生产能力均已大于需求，所以，如何发挥现有机组的生产能力，开发出高強度等级、高性能的管类零件，以满足科研和生产需求是材料研究所面临的前沿挑战和发展急需。作为无缝管的制造方法，多采用穿孔轧制，即通过穿孔机对圆坯料进行穿孔扎制之后，通过芯棒式无缝管扎机、芯棒扎管机等进行延伸扎制，再通过定径机等进行定径扎制得到无缝管。这种传统方式生产出来的管材内外表面会存在一些缺陷，对于航空液压用管材，由于承受高压力，如果存在微小米粒状的缺陷，则管就会以缺陷为起点破裂，存在引发大事故等的危险性。目前已有很多发明针对无缝管的制造方法进行研究，以提高穿孔扎制管材的内外表面特性来抑制其缺陷，日本住友金属エ业株式会在公开号为CN101980802A的专利申请中提出的一种无缝管的制造方法，以及金龙精密铜管集团股份有限公司在公开号为CN101569893的专利申请中提出的ー种铝或铝合金无缝管的制造方法，都是通过改进穿孔轧制的方式来制造无缝管。这些方式在一定程度上可以提高管材的性能，但其设备较为复杂，成形不易，成本较高且对管材性能的改善程度不太明显。这些研究只是针对于改善管材的制造エ艺，而未从管材的后续成形方式上进行探索，所以对已成形好的管材很难进行进ー步的エ艺设计，其エ业应用受到一定的限制。现有很多发明技术针对棒材、线材进行挤压、拉拔、扭转等后续加工以达到细化晶粒，提高性能的目的。西北エ业大学在公开号为CN201371172的专利申请中提出的ー种变通道挤压模具，和公开号为CN201711480U的专利申请中提出的ー种用于长轴类锻件制坯的胎模，以及公开号为CN201862645U的专利申请中提出的一种制备变通道超细晶铜铝线材的装置，都是采用由圆截面变为椭圆截面，再由椭圆截面变为圆截面的变截面扭转式模具型腔成形预制エ件，具有结构简单、载荷小、成本低和效率高的特点，能广泛应用于钢铁和有色金属的棒材及线材生产，以及大型轴类零件、高速钢和粉末冶金等难变形材料的制坯，但目前还未有人采用这种简便的后续加工方法用于管材。上述传统的制管エ艺难以满足日益发展的航空エ业需求，由于强度不够和变形织构的影响在使用过程中会出现开裂现象，严重时会影响到飞机管路的安全及可靠性。本发明提出了一种用于改善管材性能的变截面型芯拉拔成形方法及其成形模具，能够应用于高強度、高性能金属管成形的科研和生产领域。
发明内容为克服现有技术中存在的出现开裂的不足，本发明提出了一种用于管材拉拔成形的模具。本发明包括入口端面盖板、垫片、聚氨酯填充层、型芯、下模套、出口端面盖板和上模套。其中聚氨酯填充层位于模套的内表面。聚氨酯填充层的内径与所成形管材的直径相同。变截面型芯位于管材内。入口端面盖板和出口端面盖板分别固定在模套的入口端的端面上和出口端的端面上。所述的模套由两个半圆环形的上模套和下模套对合而成，该模套的内径为管材直径的I. 6 2. 0倍，该模套的外径为管材直径的2. 8 3. 2倍，该模套的长
度为管材长度与两个垫片厚度之和。所述型芯分为导引段、变形段和定型段。在所述型芯的各段中导引段为变直径的柱体。导引段端面处直径为管材内径的0.9倍，导引段与变形段相邻处的直径与管材内径相同。导引段的长度为管材直径的0. 5倍。变形段为变截面，包括圆-椭圆过渡段、椭圆扭转过渡段和椭圆-圆过渡段。所述的圆-椭圆过渡段与导引段光滑过渡衔接，并且圆-椭圆过渡段型芯的椭圆形截面的面积等同于圆形截面的面积。圆-椭圆过渡段椭圆形截面的长短轴为I. I I 2.0 1，长度为0. 5 0. 8倍管材直径。所述的椭圆扭转过渡段一端与圆-椭圆过渡段相接，另一端与椭圆-圆过渡段相接。椭圆扭转过渡段型芯的截面为椭圆形，并且所述椭圆扭转过渡段与椭圆-圆过渡段相接处的椭圆截面长轴相对椭圆扭转过渡段型芯与圆-椭圆过渡段相接处椭圆截面的长轴，沿同方向绕型芯的中心线扭转了 90°。椭圆扭转过渡段的长度为管材直径的I I. 6倍。所述的椭圆-圆过渡段与定型段光滑过渡衔接，并且圆形截面的面积与椭圆-圆过渡段型芯的椭圆形截面的面积相同。椭圆-圆过渡段的长度为管材直径的0. 5 0. 8 倍。定型段的直径与管材内径相同。定形段的长度为管材直径的0.5倍。在入口端面盖板和出口端面盖板与由聚氨酯填充层和管材组成的两端端面之间均有垫片。所述垫片的内径分别与入口端面盖板的内径和出口端面盖板的内径相同，垫片的外径与上模套和下模套组合体的内径相同，厚度为管材直径的0. I 0. 15倍。所述入口端面盖板和出ロ端面盖板的厚度为管材直径的0. 3 0. 5倍。本发明发挥现有技术的优势，通过变截面扭转的型芯，将内通道模腔挤压的方式变为外截面型芯挤胀的方式，即通过变截面扭转的型芯挤胀管壁使其产生塑性变形，由于这种变形方式的特点是外部变形较大，心部变形小，所以更适用于管材，使管材变形更加均匀，并在管壁外部套上聚氨酯橡胶，以对变形的管材起到弹性缓冲和变形拘束的作用，在管材变形的同时保证其回复形，使得管材在成形前后的直径和壁厚保持不变。本发明提出的这种用于管材的变截面型芯拉拔装置可细化金属晶粒，较大程度的改变管材内部的应力、应变分布，改善变形织构，提高制件的強度和力学性能。本发明结合了扭转剪切变形、挤胀和拉拔变形的变形方法，具有变形效果好，速度快，效率高等优点，极大地改善了材料内部的应变分布、应カ分布和形变织构，同时达到提高性能，消除原始管坯变形织构的目的。本发明设计合理可靠，具有成形方法简单，载荷小，操作简便等优点，有利于降低生产成本，提高生产效率，实现生产自动化。
附图I是变截面型芯拉拔装置示意图；附图2是型芯形状示意图；附图3是型芯变形段的形状示意图；附图4是附图3中a-a截面的形状示意图；附图5是附图3中b-b截面的形状示意图；附图6是附图3中c-c截面的形状示意图；附图7是附图3中d-d截面的形状示意图；附图8是附图3中e-e截面的形状示意图。图中I.入口端盖板2.螺钉3.垫片4.上模套5.聚氨酯填充层6.管材7.型芯8.下模套9.出口端盖板10.拉杆11.导引段12.变形段13.定型段14.圆-椭圆过渡段15.椭圆扭转过渡段16.椭圆-圆过渡段a-a为导引段与圆-椭圆过渡段衔接处的剖面示意图b-b为扭转角为45°的椭圆扭转过渡段的剖面示意图c-c为扭转角为90°的椭圆扭转过渡段的剖面示意图d-d为扭转角为135°的椭圆扭转过渡段的剖面示意图e-e为椭圆-圆过渡段与定型段衔接处的剖面示意图
具体实施方式
本实施例是ー种用于管材变截面型芯拉拔成形模具，包括入口端面盖板I、垫片3、上模套4、聚氨酯填充层5、型芯7、下模套8和出ロ端面盖板9。上模套4和下模套8均为同径的半圆形壳体。将两个半圆形的上模套4和下模套8对合成圆形的模套。模套的内径为管材6直径的I. 6 2. 0倍，模套的外径为管材6直径的2. 8 3. 2倍，模套的长度为管材6长度与两个垫片3厚度之和；本实施例中，模套的内径为管材6直径的I. 8倍，模套的外径为管材6直径的3倍。聚氨酯填充层5位于模套的内表面；聚氨酯填充层5的内径与所成形管材6的直径相同；聚氨酯填充层5的长度与所成形管材6的长度相同。变截面的型芯7位于管材内。入口端面盖板I和出口端面盖板9分别固定在模套的入口端的端面上和出ロ端的端面上。在入口端面盖板I和出ロ端面盖板9与由聚氨酯填充层5和管材6组成的两端端面之间均有垫片3。所述型芯7为实心柱体，分为导引段11、变形段12和定型段13 ;型芯7的导引段11为变直径的柱体，该段端面处直径为0. 9倍管材6内径，与变形段12相邻处的直径等同于管材6内径；导引段11的长度为0. 5倍管材6直径；型芯7的变形段12为变截面，包括圆-椭圆过渡段14、椭圆扭转过渡段15和椭圆-圆过渡段16。圆-椭圆过渡段14与导引段11之间光滑过渡，图4所示的a-a剖面为导引段11与圆-椭圆过渡段14衔接处型芯7的剖面示意图。并且圆-椭圆过渡段14型芯的椭圆形截面的面积等同于圆形截面的面积；圆-椭圆过渡段14椭圆形截面的长短轴为I. I I 2.0 1，长度为0.5 0.8倍管材6直径。本实施例中，圆-椭圆过渡段14椭圆形截面的长短轴为I. 5 : 1，长度为0. 6倍管材6直径。椭圆扭转过渡段15的一端与圆-椭圆过渡段14相接并光滑过渡，另一端与椭圆-圆过渡段16相接井光滑过渡。椭圆扭转过渡段15型芯的截面为椭圆形，并且所述椭圆扭转过渡段15与椭圆-圆过渡段16相接处的椭圆截面长轴相对椭圆扭转过渡段15型芯与圆-椭圆过渡段14相接处椭圆截面的长轴，沿同方向绕型芯的中心线扭转了 90°。椭圆扭转过渡段15与圆-椭圆过渡段14相接端的截面形状为图5所示的b-b剖面；.b-b剖面中，椭圆扭转过渡段15的截面形状为椭圆形，并且该椭圆形截面的扭转角为45°。椭圆扭转过渡段15与椭圆-圆过渡段16相接端的截面形状为图7所示的d-d剖面；该d-d剖面中，椭圆扭转过渡段15的截面形状为椭圆形，并且该椭圆形截面的扭转角为135。。当椭圆扭转过渡段15的截面形状为图6所示的c-c剖面时，椭圆扭转过渡段15截面椭圆形截面的扭转角为90°。椭圆扭转过渡段15的长度为I I. 6倍管材6直径，本实施例中，椭圆扭转过渡段15的长度为I. 2倍管材6直径在椭圆-圆过渡段16，型芯7的截面形状逐渐由椭圆形向圆形过渡变化，并且椭圆-圆过渡段16与定型段13之间光滑过渡。图8所示的e-e剖面为椭圆-圆过渡段16与定型段13衔接处的型芯7的剖面示意图。所述e-e剖面所示的圆形截面的面积与椭圆_圆过渡段16型芯的椭圆形截面的面积相同。椭圆-圆过渡段16的长度为0. 5 0. 8倍管材6直径，本实施例中，椭圆-圆过渡段16的长度为0. 6倍管材6直径，型芯的定型段13为等直径的柱体，直径等同于管材6内径；定形段13的长度为0. 5倍管材6直径。垫片3内径等同于入口端面盖板I或出口端面盖板9内径，外径等同于上模套4和下模套8组合体内径，厚度为0. I 0. 15倍管材6直径；本实施例中，垫片3的厚度为0. 15倍管材6直径。垫片3放置在管材6和聚氨酯填充层5的两端，起到密封、改善聚氨酯承载特性的作用。所述聚氨酯填充层5为筒体，聚氨酯填充层5内径等同于管材6直径，外径等同于上模套4和下模套8组合体的内径，长度等同于管材6长度；聚氨酯填充层5压入上模套4和下模套8内，并套在管材6タト，对变形的管材6起到弹性缓冲和变形拘束的作用。所述入口端面盖板I和出ロ端面盖板9为形状相同的圆盘,入口端面盖板I和出ロ端面盖板9外径等同于上模套4和下模套8组合体外径，内径大于型芯7变形段12椭圆 的长径，小于管材6直径，以保证生产牵引型芯7过程中，模腔内聚氨酯填充层5不会脱出，且型芯7顺利通过；入口端面盖板I和出ロ端面盖板9厚度为0. 3 0. 5倍管材6直径；本实施例中，入口端面盖板I和出ロ端面盖板9厚度为0. 4倍管材6直径。入口端面盖板I和出ロ端面盖板9分别用12个螺钉2固定于上模套4和下模套8的两端面上。在对管材6实施变形之前，成形模具安装顺序为将管材6内壁和外壁涂抹润滑齐U，然后套入聚氨酯填充层5，将管材6和聚氨酯填充层5 —起放到下模套8内，两端放入垫片3，然后将上模套4放在下模套8上，上模套4和下模套8的分型面紧密扣合，管材6和聚氨酯填充层5的两端面对齐，上模套4和下模套8的两端面对齐，管材6、聚氨酯填充层5、垫片3、上模套4和下模套8的轴线重合，最后将入口端面盖板I和出ロ端面盖板9分别用12个螺钉2固定于上模套4和下模套8的两端面上，以保证上模套4和下模套8与管材6、聚氨酯填充层5、垫片3在入口端面盖板I和出ロ端面盖板9的作用下紧密配合，拉杆10牵引型芯7从管材6入口端向管材6出ロ端移动并且绕轴线匀速转动。 所述管材6为铝、铜、钢等金属管材，直径适用范围为(plO 20mm，壁厚为I 5mm，长度为10 50_。
权利要求1.一种用于管材拉拔成形的模具，其特征在于包括入口端面盖板、垫片、聚氨酯填充层、型芯、下模套、出口端面盖板和上模套；其中 a.聚氨酯填充层位于模套的内表面；聚氨酯填充层的内径与所成形管材的直径相同；入口端面盖板和出口端面盖板分别固定在模套的入口端的端面上和出口端的端面上；所述的模套由两个半圆环形的上模套和下模套对合而成，该模套的内径为管材直径的I. 6 2.O倍，该模套的外径为管材直径的2. 8 3. 2倍，该模套的长度为管材长度与两个垫片厚度之和； b.所述型芯分为导引段、变形段和定型段；在所述型芯的各段中 导引段为变直径的柱体；导引段端面处直径为管材内径的0. 9倍，导引段与变形段相邻处的直径与管材内径相同；导引段的长度为管材直径的0. 5倍； 变形段为变截面，包括圆-椭圆过渡段、椭圆扭转过渡段和椭圆-圆过渡段；所述的圆-椭圆过渡段与导引段光滑过渡衔接，并且圆-椭圆过渡段型芯的椭圆形截面的面积等同于圆形截面的面积；圆-椭圆过渡段椭圆形截面的长短轴为I. I : I 2.0 : 1，长度为0.5 0. 8倍管材直径；所述的椭圆扭转过渡段一端与圆-椭圆过渡段相接，另一端与椭圆-圆过渡段相接；椭圆扭转过渡段型芯的截面为椭圆形，并且所述椭圆扭转过渡段与椭圆-圆过渡段相接处的椭圆截面长轴相对椭圆扭转过渡段型芯与圆-椭圆过渡段相接处椭圆截面的长轴，沿同方向绕型芯的中心线扭转了 90° ;椭圆扭转过渡段的长度为管材直径的I I. 6倍；所述的椭圆-圆过渡段与定型段光滑过渡衔接，并且圆形截面的面积与椭圆-圆过渡段型芯的椭圆形截面的面积相同；椭圆-圆过渡段的长度为管材直径的0. 5 0.8 倍; 定型段的直径与管材内径相同；定形段的长度为管材直径的0. 5倍。
2.如权利要求I所述一种用于管材拉拔成形的模具，其特征在于，在入口端面盖板和出口端面盖板与由聚氨酯填充层和管材组成的两端端面之间均有垫片；所述垫片的内径分别与入口端面盖板的内径和出口端面盖板的内径相同，垫片的外径与上模套和下模套组合体的内径相同，厚度为管材直径的0. I 0. 15倍。
3.如权利要求I所述一种用于管材拉拔成形的模具，其特征在于，所述入口端面盖板和出口端面盖板的厚度为管材直径的0. 3 0. 5倍。
专利摘要一种用于管材拉拔成形的模具，聚氨酯填充层位于模套的内表面。聚氨酯填充层的内径与所成形管材的直径相同。入口端面盖板和出口端面盖板分别固定在模套的入口端的端面上和出口端的端面上。型芯分为导引段、变形段和定型段。导引段为变直径的柱体；变形段为变截面，包括圆-椭圆过渡段、椭圆扭转过渡段和椭圆-圆过渡段。定型段的直径与管材内径相同。本实用新型采取通过拉拔扭转变截面型芯对管材内壁进行挤胀，使管材的挤胀成形由相当于在横截面上扭转剪切变形以及镦拔变形组成，实现了一次成形过程多种变形模式的组合，具有变形效果好、速度快和效率高的特点。
文档编号B21C3/02GK202398639SQ20112046849
公开日2012年8月29日 申请日期2011年11月22日 优先权日2011年11月22日
发明者李付国, 汪程鹏, 薛凤梅, 袁战伟 申请人:西北工业大学