一种黑色金属管坯制造方法及设备

摘要

一种黑色金属管坯制造工艺及设备，属于黑色金属加工及制造设备技术领域。本发明的特征是将各制坯模具设计成可嵌入式结构，并将各模具同心装配后锁紧在主工作平面上，使得在制坯过程中模具运动方向、管坯成型方向、模具几何中心三者一致，镦粗、穿孔和切压余工位的切换由多工位平台来完成。该方法是对目前国内外常用的制坯模具运动方式的创新，用多工位平台的非主工作方向运动替代模具的非主工作方向运动，使得各制坯模具只在主工作方向上移动。采用这种工艺方法和设备，可以有效解决目前黑色金属管坯制造过程中的“偏心”、材料利用率不高等问题，可为挤压、轧管、机加工等制管工艺提供高质量管坯。

权利要求

1.一种黑色金属管坯制造方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将嵌入式穿孔模具(2b)套装入嵌入式镦粗模具(1b)内，并将嵌入式镦粗模具(1b)固定到主工作平面(12)上，使得嵌入式穿孔模具(2b)既能相对于嵌入式镦粗模具(1b)运动，又能与其同步运动；然后将待加工实心坯料(6)放置在嵌入式镦粗模具(1b)的顶部；

2)将多工位平台(3b)移动到镦粗-穿孔工位区(17)，驱动筒状容器(5)锁死在多工位平台(3b)上，然后主工作平面(12)带动嵌入式穿孔模具(2b)和嵌入式镦粗模具(1b)同步运动，使其在筒状容器(5)和多工位平台(3b)形成的空间内对坯料进行镦粗；

3)镦粗行程结束后，嵌入式镦粗模具(1b)回程，嵌入式穿孔模具(2b)继续运动对坯料进行穿孔；

4)穿孔行程结束后，将多工位平台(3b)移动到切压余工位区(16)，嵌入式穿孔模具(2b)继续运动切压余；

5)多工位平台(3b)、嵌入式穿孔模具(2b)、嵌入式镦粗模具(1b)、筒状容器(5)和主工作平面(12)回到初始位置；模具运动方向(14)、管坯成形方向(13)和模具几何中心三者重合，即满足如下两个条件：其中：模具是指嵌入式穿孔模具、嵌入式镦粗模具和筒状容器；代表嵌入式镦粗模具运动的单位矢量、 代表嵌入式穿孔模具运动的单位矢量、 代表筒状容器运动的单位矢量； 代表管坯成型方向的单位矢量；

β1代表嵌入式镦粗模具的几何中心线、β2代表嵌入式穿孔模具的几何中心线、β3代表筒状容器的几何中心线；βm代表管坯成型的中心线。

2.按照权利要求1所述的一种黑色金属管坯制造方法，其特征在于：所述多工位平台(3b)的切压余工位区(16)上加工出圆形、椭圆或多边形孔。

3.按照权利要求1所述的一种黑色金属管坯制造方法，其特征在于：多工位平台(3b)的运动为直线往复运动或循环回转运动。

4.一种实施如权利要求1所述方法的黑色金属管坯制造设备，其特征在于：该设备包括承载框架(4)、嵌入式镦粗模具(1b)、嵌入式穿孔模具(2b)，多工位平台(3b)、筒状容器(5)和主工作平面(12)；所述的嵌入式镦粗模具(1b)固定在主工作平面(12)上，嵌入式穿孔模具(2b)套装在嵌入式镦粗模具(1b)内；所述的多工位平台(3b)安装在承载框架(4)内，与主工作平面(12)平行布置，并在多工位平台(3b)的切压余工位区(16)上加工有圆形、椭圆或多边形孔；筒状容器(5)与嵌入式镦粗模具(1b)、嵌入式穿孔模具(2b)同轴布置，在多工位平台(3b)上锁死或自由移动。

5.按照权利要求4所述的黑色金属管坯制造设备，其特征在于：所述的多工位平台(3b)在承载机架(4)内的安装形式为水平、竖直或倾斜安装。

说明书

一种黑色金属管坯制造方法及设备

技术领域

[0001] 本发明属于黑色金属加工及制造设备技术领域，特别涉及一种黑色金属管坯制造方法及设备。

背景技术

[0002] 随着，我国工业的快速发展，在核电、火电、军工等领域对于黑色金属管的需求量越来越大，而管坯质量的好坏直接影响着最终成品管的优劣。目前，主要的黑色金属制管工艺，有轧制、离心铸造、机械加工、拉拔、挤压等，不管采用何种工艺都需要预先制坯。国内外最主要制坯方法为镦粗-穿孔法，如图1所示。由于该方法能够有效打碎大尺度的树枝状晶体，细化晶粒，且在制坯过程中金属为三向压应力状态，因此其得到了普遍应用。该方法首先对八角或圆柱实心锭进行闭式、半闭式或开式镦粗，然后再将制坯模具换位以穿孔，最后对管坯的余料进行切除(也可机加工、液压剪或圆盘锯切除余料等)。

[0003] 上述传统黑色金属管坯制造方法，主要由三个工步组成：镦粗、穿孔和切压余。这三个工步在操作过程中是通过变换模具的位置来实现的。独立式镦粗模具1a、独立式穿孔模具2a固定在移动平台3a上，通过移动平台3a的运动带动两个模具的换位，其模具运动方向14虽然与管坯成型方向13都在模具运动平面11内，但它们相互垂直并不同心，且各模具本身的轴线虽然平行但不同轴，如图2所示。采用这种方法和设备，需要在每个制坯周期中循环变换模具的位置，定位精度只能通过液压控制或机械限位来保证。这种结构的定位受传感器灵敏度或机械配合精度决定，定位精度有限，且随着使用时间的延长，其定位精度会越来越差。另外，受闭环反馈时间的限制，很难适应快速制坯的工艺要求，当反馈时间过慢，会导致热态的金属冷却甚至无法制坯。因此，总的来看采用该工艺，管坯同心度不高，切压余不便，材料成品率低下，造成产品很大的浪费，最终影响黑色金属管的质量。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对当前黑色金属管坯同心度不高，材料利用率低等问题，提出的一种用于提高工艺水平的黑色金属管坯制造方法及相应设备。

[0005] 为实现上述目的，本发明主要采用下面的技术方案：

[0006] 一种黑色金属管坯制造方法及设备，其特征在于该方法包括如下步骤：

[0007] 1)将嵌入式穿孔模具2b套装入嵌入式镦粗模具1b内，并将嵌入式镦粗模具1b固定到主工作平面12上，使得嵌入式穿孔模具2b既能相对于嵌入式镦粗模具1b运动，又能与其同步运动；然后将待加工实心坯料6放置在嵌入式镦粗模具1b的顶部；

[0008] 2)将多工位平台3b移动到镦粗-穿孔工位区17，并使筒状容器5锁死在多工位平台3b上，然后主工作平面12带动嵌入式穿孔模具2b和嵌入式镦粗模具1b同步运动，使其在筒状容器5和多工位平台3b形成的空间内对坯料进行镦粗；

[0009] 3)镦粗行程结束后，嵌入式镦粗模具1b回程，嵌入式穿孔模具2b继续运动对坯料进行穿孔；

[0010] 4)穿孔行程结束后，将多工位平台3b移动到切压余工位区16，嵌入式穿孔模具2b继续运动切压余；

[0011] 5)多工位平台3b、嵌入式穿孔模具2b、嵌入式镦粗模具1b、筒状容器5和主工作平面12回到初始位置；模具运动方向14、管坯成形方向13和模具几何中心三者重合，即满足如下两个条件：

[0012]

[0013] 其中： 代表各模具运动的单位矢量；

[0014] 代表管坯成型方向的单位矢量；

[0015] β1、β2、β3......βi代表各模具的几何中心线；

[0016] βm代表管坯成型的中心线。

[0017] 本发明的技术特征还在于：所述多工位平台3b的切压余工位区16上加工出圆形、方形、椭圆或多边形孔。多工位平台3b的运动为直线往复运动或循环回转运动。所述的模具运动方向14与管坯成型方向13相同或相反。

[0018] 本发明提供的一种黑色金属管坯制造设备，其特征在于：该设备包括承载框架4、嵌入式镦粗模具1b、嵌入式穿孔模具2b，多工位平台3b、筒状容器5和主工作平面12；所述的嵌入式镦粗模具1b固定在主工作平面12上，嵌入式穿孔模具2b套装在嵌入式镦粗模具1b内；所述的多工位平台3b安装在承载框架4内，与主工作平面12平行布置，并在多工位平台3b的切压余工位区16上加工有圆形、方形、椭圆或多边形孔；筒状容器5与多工位平台3b平行布置，在多工位平台3b上锁死或自由移动。

[0019] 本发明所述的多工位平台3b在承载机架4内的安装形式为水平、竖直或倾斜安装。

[0020] 本发明与传统黑色金属制坯工艺方法和设备相比，具有如下的优点及突出效果：①本发明改善了黑色金属制坯的工艺水平，提高了管坯的同心度；②本发明提高了产品的利用率，降低了生产中的废品数量，对于后续制管提供了可靠的质量保证；③本发明简化了结构，降低了系统对控制的要求，提高了生产效率。

附图说明

[0021] 图1为传统黑色金属管坯制造结构示意图。

[0022] 图2为传统模具空间位置及运动形式示意图。

[0023] 图3为本发明的模具空间位置及运动形式示意图。

[0024] 图4a多工位平台倾斜放置示意图。

[0025] 图4b多工位平台垂直放置示意图。

[0026] 图4c多工位平台水平放置示意图。

[0027] 图5a直线往返式多工位平台示意图。

[0028] 图5b回转式多工位平台示意图。

[0029] 图6a本发明制坯方法的准备阶段示意图。

[0030] 图6b本发明制坯方法的预制阶段示意图。

[0031] 图6c本发明制坯方法的镦粗工步示意图。

[0032] 图6d本发明制坯方法的穿孔工步示意图。

[0033] 图6e本发明制坯方法的切压余工步示意图。

[0034] 图6f本发明制坯方法的制坯结束示意图。

[0035] 图中：1a-独立式镦粗模具；1b-嵌入式镦粗模具；2a-独立式穿孔模具；2b-嵌入式穿孔模具；3a-移动平台；3b-多工位平台；4-承载框架；5-筒状容器；6-实心坯料；7-管坯；8-压余；9-穿孔模具几何中心；10-镦粗模具几何中心；11-模具运动平面；12-主工作平面；13-管坯成型方向；14-模具运动方向；15-多工位平台运动方向；16-切压余工位区；17-镦粗-穿孔工位区；18-工位分割面；19-压余孔。

具体实施方式

[0036] 本发明所提供的黑色金属管坯制造设备，包括承载框架4、嵌入式镦粗模具1b、嵌入式穿孔模具2b，多工位平台3b、筒状容器5和主工作平面12；所述的嵌入式镦粗模具1b固定在主工作平面12上，嵌入式穿孔模具2b套装在嵌入式镦粗模具1b内；所述的多工位平台3b安装在承载框架4内，与主工作平面平行布置，在多工位平台上的切压余工位区16加工有圆形、方形、椭圆或多边形孔；筒状容器与多工位平台平行布置，并能够锁死在多工位平台上或自由移动。

[0037] 多工位平台3b在承载机架4内的安装形式为水平、竖直或倾斜安装，如图4a、4b、4c所示。

[0038] 本发明通过模具的嵌入式结构设计和同心装配，改变其运动形式，将穿孔模具几何中心9和镦粗模具几何中心10、管坯成型方向13、模具运动方向14统一，其中所述模具运动方向14可与管坯成型方向13相同或相反。通过驱动装置(液压、气压、机械、电机驱动等皆可)驱动多工位平台3b，使其在承载框架4上直线往返或回转运动来完成不同工位的切换(如图5a、5b所示)。

[0039] 1)模具的嵌入式结构设计

[0040] 通过三维结构设计和数字化分析方法确定嵌入式模具设计的可行性及相关的尺寸。需要注意两点：嵌入式穿孔模具、嵌入式镦粗模具应具有足够的强度和刚度，以维持模具的基本使用要求；各模具相互之间能够导向顺畅，即在模具配合面上截面形状和尺寸保持不变，截面形状包括圆形、方形、矩形、椭圆以及多边形等。另外，通过螺纹连接、液压缸、楔键等将嵌入式穿孔模具2b、嵌入式镦粗模具1b在镦粗时锁紧在主工作平面12上同步运动，而在穿孔和切压余时二者能够灵活切换，以完成相对运动。

[0041] 2)多工位平台的设计

[0042] 由于多工位平台3b为力能传递链上的一环，先根据镦粗力、穿孔力初步确定多工位平台3b的尺寸。由于多工位平台3b在制坯过程中需要不断循环运动，其导向部位的选择，应注意避开力能传递部位。对于多工位平台3b的镦粗-穿孔工位区17的设计，要求其轮廓尺寸应大于管坯7外径的尺寸，该工位区的定位精度不高；切压余工位区16的设计，要求其外轮廓大于管坯7外径尺寸，内孔尺寸等于或略大于管坯7内孔尺寸，切压余工位区16定位精度略高，要求与穿孔模具几何中心9对中。在多工位平台3b上切压余工位区根据工艺要求加工有圆形、方形、椭圆或多边形孔。

[0043] 3)管坯制造方法如下：

[0044] 1)将嵌入式穿孔模具2b套装入嵌入式镦粗模具1b内，并将嵌入式镦粗模具1b固定到主工作平面12上，使得嵌入式穿孔模具2b既能相对于嵌入式镦粗模具1b运动，又能与其同步运动；然后将待加工实心坯料6放置在嵌入式镦粗模具1b的顶部；

[0045] 2)将多工位平台3b移动到镦粗-穿孔工位区17，驱动筒状容器5锁死在多工位平台3b上，然后主工作平面12带动嵌入式穿孔模具2b和嵌入式镦粗模具1b同步运动，使其在筒状容器5和多工位平台3b形成的空间内对坯料进行镦粗；

[0046] 3)镦粗行程结束后，嵌入式镦粗模具1b回程，嵌入式穿孔模具2b继续运动对坯料进行穿孔；

[0047] 4)穿孔行程结束后，将多工位平台3b移动到切压余工位区16，嵌入式穿孔模具2b继续运动切压余；

[0048] 5)多工位平台3b、嵌入式穿孔模具2b、嵌入式镦粗模具1b、筒状容器5和主工作平面12回到初始位置；模具运动方向14、管坯成形方向13和模具几何中心三者重合，即满足如下两个条件：

[0049]

[0050] 其中： 代表各模具运动的单位矢量；

[0051] 代表管坯成型方向的单位矢量；

[0052] β1、β2、β3......βi代表各模具的几何中心线；

[0053] βm代表管坯成型的中心线。

[0054] 下面结合图6a～6f对本发明的操作过程做进一步的说明。

[0055] 驱动多工位平台3b，使其镦粗-穿孔工位区17落在承载框架4的中心(如图6a所示)，将实心坯料6封闭在由多工位平台3b、嵌入式镦粗模具1b、嵌入式穿孔模具2b以及筒状容器5形成的空间内(如图6b所示)，嵌入式镦粗模具1b、嵌入式穿孔模具2b同步运动对实心坯料6进行镦粗工步(如图6c所示)；根据工艺要求，镦粗行程结束后，嵌入式穿孔模具2b单独对实心坯料6进行穿孔工步(如图6d所示)；穿孔行程结束后，将多工位平台3b、嵌入式镦粗模具1b、嵌入式穿孔模具2b、筒形容器5形成的空间打开，驱动多工位平台3b到切压余工位区16，嵌入式穿孔模具2b继续进行切压余工步(如图6e所示)；最终将管坯7、压余8取走，完成一个制坯周期(如图6f所示)。

[0056] 本发明的关键点是模具在一个管坯制造周期中，其运动方向始终与管坯成型方向保持一致，模具并没有偏离成型方向的多余动作，且使得各个模具的几何中心线在一条直线上，不同工步的实现通过多工位平台的工位切换来完成。

[0057] 各模具的单位运动矢量 可作为判别本发明工艺与其他传统黑色金属制坯工艺的判据。当符合本发明所述工艺时，各模具的单位运动矢量皆相等，且等于管坯成型方向。如下式所示：

[0058]

[0059] 其中 代表各模具运动方向单位矢量；

[0060] 代表管坯成型方向单位矢量；

[0061] 上述条件规定了模具运动所造成的误差。为了保持管坯的同心度，还应消除模具位置不同心所造成的误差，即应保证各模具的几何中心在一条直线上。用下式规定：

[0062] β1∩β2∩β3......∩βi＝βm

[0063] 其中β1、β2、β3......βi代表各模具的几何中心线；

[0064] βm代表管坯成型的中心线。