一种不等外径管材挤压成型模子、装置及挤压成型方法与流程

本发明涉及金属管材挤压成型，特别涉及一种不等外径管材挤压成型模子、装置及挤压成型方法。

背景技术：

1、钻探、高压流体输送等领域用的大规格铝合金非等截面管材，为实现端部螺纹连接并减轻重量，多采用全长等内径、两端部外径大而中间外径小的不等外径结构。此类管材通常借助带独立穿孔系统的双动挤压机、采用挤压针法在一次挤压中直接成型：使针尖相对模子沿轴向移动以改变模孔，从而成型出不同外径的管段。

2、为获得不同外径的管段，模子一般设有两级或多级不同直径的定径带及过渡斜面，通过针尖相对模子的前进或后退，使针尖定径带与模子相应定径带配对定径；然而，挤压过程中针尖承受复杂且时变的力，其相对模子的定位精度难以保证。若控制不精准、针尖前进过量，本应处于有效工作工位的模子定径带与针尖定径带的配对会失准，导致对应管段的外径定径失效或超出允许公差。对此，现有方案主要从提高控制系统精度入手，如采用高频响比例伺服阀同步控制以抑制针尖位移超调，但系统复杂、成本高，且仍无法解决针尖定位偏差的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种不等外径管材挤压成型模子、装置及挤压成型方法，旨在解决针尖在成型过程中沿轴向移动时，模子的主定径带因针尖轴向位置偏差与针尖的定径带脱离配合而导致管材外径定径失效的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明第一方面提供一种不等外径管材挤压成型模子，包括模子主体，所述模子主体包括用于对管材外径进行定径的模子定径段，所述模子定径段包括主定径带和第一副定径带，所述第一副定径带沿轴向设置于所述主定径带的一侧，当与所述模子主体配合的针尖沿轴向偏移脱离有效工作工位，致使所述主定径带与所述针尖的定径带脱离配合时，所述第一副定径带能够与所述针尖的定径带进入配合状态；所述第一副定径带的直径不小于所述主定径带的直径，且所述第一副定径带与所述主定径带的直径差不大于与所述主定径带对应的管材目标外径的允许偏差值。

3、通过在模子主体的模子定径段于主定径带轴向相邻处增设第一副定径带，且第一副定径带的直径不小于主定径带的直径，在主定径带与针尖主定径带保持有效配对工位时，第一副定径带不干涉管材的外径；当挤压过程中因针尖受力复杂、控制不精准而导致针尖相对模子沿轴向偏移、使模子主定径带与针尖主定径带脱离有效配对工位、无法对管材外径定径时，由与之相邻的第一副定径带接管对管材外径进行定径；同时，由于第一副定径带与主定径带的直径差不大于与主定径带对应的管材目标外径的允许偏差值，第一副定径带对管材外径进行定径也能够将管材的外径控制在允许偏差值内，降低因针尖定位偏差导致管材报废的风险。

4、通过设置模子第一副定径带，降低了对针尖运动控制的精度要求，从而可简化挤压装备与控制系统，降低设备成本。

5、优选地，所述第一副定径带呈锥形，所述第一副定径带的小径端与所述主定径带连接，且所述小径端的直径与所述主定径带的直径相同，所述第一副定径带的大径端的直径与所述主定径带的直径差不大于与所述主定径带对应的管材目标外径的允许偏差值。

6、第一副定径带呈锥形，其小径端与主定径带连接且直径相同，使第一副定径带与主定径带平滑衔接，金属流动顺畅；第一副定径带与针尖的定径带进入配合状态时，管材外径略大于目标外径，但偏差处于允许范围内，在针尖移动出现偏差时仍能保持定径功能。而且，锥形的第一副定径带使得针尖的轴向移动偏差越小，与针尖的定径带配合的第一副定径带的直径越接近主定径带的直径，成型的管材外径与目标管材外径的偏差越小。

7、优选地，所述主定径带包括第一主定径带和第二主定径带，所述第一主定径带和所述第二主定径带之间连接有第一导流斜面；所述第一主定径带、所述第一导流斜面、所述第二主定径带和所述第一副定径带沿所述模子主体的轴向依次设置；

8、所述第一导流斜面的大径端与所述第二主定径带连接且直径相同，所述第一导流斜面的小径端与所述第一主定径带连接且直径相同；

9、所述第一主定径带的直径小于所述第二主定径带的直径；

10、所述第一副定径带的小径端与所述第二主定径带连接且直径相同。

11、第一主定径带和第二主定径带分别对应管材的小外径段和大外径段，使得针尖在针前位与针后位之间移动时，能够分别与模子的不同主定径带配对成型不同外径的管段，并通过第一导流斜面在针尖移动过程中成型出外径渐变的过渡段，管材各段外径尺寸可控。

12、本发明第二方面提供一种不等外径管材挤压成型装置，包括针座、挤压轴、挤压针、针尖、挤压垫、挤压筒和模组件，所述模组件包括如第一方面所述的不等外径管材挤压成型模子；

13、所述挤压轴穿设在所述挤压筒内，所述挤压轴沿中心轴线设置有通孔，所述挤压针穿设于所述挤压轴的通孔内；

14、所述挤压针的一端与所述针座连接，针尖装配于所述挤压针的另一端；

15、所述模组件设置于所述挤压筒的一端，所述挤压垫设置于所述挤压筒内且位于所述挤压轴与锭坯之间，所述挤压针穿过所述挤压垫伸入所述模组件内；

16、所述挤压针与所述针尖能够相对于所述模组件沿轴向移动，以改变所述针尖与所述模组件的轴向相对位置。

17、针座、挤压轴、挤压针、挤压垫、挤压筒和模组件构成完整的成型结构，挤压针与针尖能够相对于模组件沿轴向移动，使挤压过程中模孔的形状或尺寸能够发生变化，从而直接挤压成型出非等截面管材。

18、优选地，所述针尖包括针尖定径段，所述针尖定径段包括第三主定径带，所述第三主定径带用于对所述管材的内径进行定径。

19、第三主定径带对管材的内径进行定径，管材的内径尺寸由第三主定径带确定，与模子的各主定径带相配合，管材的外径尺寸和内径尺寸分别确定，成型尺寸可控。

20、优选地，所述针尖定径段还包括第二副定径带，所述第二副定径带沿轴向设置于所述第三主定径带的一侧，所述第三主定径带沿轴向偏移脱离有效工作工位时，所述第二副定径带能够进入所述有效工作工位；所述第二副定径带的直径不大于所述第三主定径带的直径，且所述第二副定径带与所述第三主定径带的直径差不大于与所述第三主定径带对应的管材目标内径的允许偏差值。

21、第二副定径带沿轴向设置于第三主定径带的一侧，第三主定径带脱离有效工作工位时，第二副定径带能够进入有效工作工位继续对管材内径进行定径，使得针尖轴向移动位置存在偏差时管材内径仍能够获得定径约束，管材内径尺寸偏差能够控制在允许范围内。

22、优选地，所述针尖还包括导流段，所述导流段沿轴向依次设置有第二导流斜面、导流直面和第三导流斜面；

23、所述第二导流斜面的大径端用于与所述挤压针的工作段对接，所述第二导流斜面的小径端与所述导流直面连接；

24、所述第三导流斜面的大径端与所述第三主定径带连接，所述第三导流斜面的小径端与所述导流直面连接，所述导流直面的直径小于所述第三主定径带的直径；

25、当所述针尖的第三主定径带与所述模子的第二主定径带配合形成模孔时，所述导流直面与所述模子的第一主定径带径向相对，所述导流直面与所述模子的第一主定径带之间的环形间隙的径向宽度大于所述模孔的径向宽度，以使所述模孔对所述管材的内径和外径起决定作用。

26、导流段将锭坯金属导向至第三主定径带处，导流直面充分缩径，成型大外径段时导流直面与模子的第一主定径带之间的环形间隙的径向宽度大于模孔的径向宽度，模子的第一主定径带不会对金属形成约束，模孔对管材的内径和外径起决定作用，管材各段尺寸稳定。

27、优选地，所述模组件还包括模套和模垫；

28、所述模子主体和所述模垫装配于所述模套内，所述模套用于支撑所述模子主体和所述模垫；所述模垫位于所述模子主体远离所述挤压筒的一侧，用于对所述模子主体进行轴向限位。

29、模子主体和模垫装配于模套内并由模套支撑，有利于保持模子主体的刚性，模垫对模子主体进行轴向限位，使模子主体在挤压过程中位置稳定，有利于保持模孔尺寸稳定，提高管材外径尺寸的一致性。

30、优选地，所述模子主体的内孔沿轴向还设置有第一空刀和第二空刀，所述第一空刀和所述第二空刀位于所述第一副定径带的出料侧且沿轴向依次布置；

31、所述第一空刀的直径大于所述第一副定径带的大径端的直径，所述第二空刀的直径大于所述第一空刀的直径。

32、第一空刀和第二空刀位于第一副定径带的出料侧，且直径逐级增大，在使得模子主体具有足够的轴向长度以保证模子主体的刚度和强度的同时，为管材通过模子主体提供避让空间，降低了管材与模子主体之间的摩擦，有利于管材顺利通过模子主体。

33、本发明第三方面提供一种不等外径管材的挤压成型方法，采用如第二方面所述的挤压成型装置，包括以下步骤：

34、将锭坯放入挤压筒内，将模组件贴靠于所述挤压筒的一端，将挤压垫从所述挤压筒的另一端装入，将装配有所述针尖的挤压针穿过所述挤压垫和所述锭坯，并使所述针尖伸入所述模组件内至针前位；

35、保持所述针尖位于所述针前位，使所述针尖的第三主定径带与所述模子的第二主定径带配合形成模孔，挤压轴推动所述挤压垫对所述锭坯进行挤压，锭坯金属经所述模孔流出，成型出第一大外径段；

36、所述第一大外径段的长度达到预设长度时，所述挤压轴停止挤压，将所述针尖沿挤压方向的反方向后退至针后位，所述针尖后退过程中，所述针尖的第三主定径带与所述模子的第一导流斜面配合形成尺寸逐渐变化的模孔，成型出第一过渡段；

37、保持所述针尖位于所述针后位，使所述针尖的第三主定径带与所述模子的第一主定径带配合形成模孔，所述挤压轴继续挤压成型出小外径段；

38、当所述小外径段的长度达到预设长度时，保持所述挤压轴持续挤压，将所述针尖沿挤压方向前进至所述针前位，所述针尖前进过程中，所述针尖的第三主定径带与所述模子的第一导流斜面配合形成尺寸逐渐变化的模孔，成型出第二过渡段；

39、保持所述针尖位于所述针前位，使所述针尖的第三主定径带与所述模子的第二主定径带配合形成模孔，所述挤压轴持续挤压，成型出第二大外径段；

40、其中，所述第一大外径段和所述第二大外径段的外径大于所述小外径段的外径，所述第一过渡段和所述第二过渡段的外径沿轴向渐变。

41、上述方法在挤压过程中移动针尖，改变针尖与模子的相对位置，使模孔尺寸分段变化，依次成型出第一大外径段、第一过渡段、小外径段、第二过渡段和第二大外径段，直接获得两端外径大、中间外径小的不等外径非等截面管材，无需对管材进行机加工，减少了金属浪费和加工成本。