一种矩形截面深筒薄壁金属制件拉拔模具及其加工工艺的制作方法

1.本发明涉及金属容器加工技术领域，特别是涉及矩形截面深筒薄壁金属制件拉拔模具及其加工工艺。


背景技术：

2.金属容器在汽车、消防、医疗、军工等各个领域有着极其广泛的应用，该产品具有典型的圆截面深筒薄壁特征，其成形方法一般有旋压成形、钢管焊接和拉拔成形三种技术。随着技术的进步、工业产品的发展，某些场合要求产品具有方形截面和矩形截面深筒薄壁特征，比如某些特殊的高压容器、特殊的弹体等。
3.对于圆形截面深筒薄壁的加工，目前主要采用刚性模圈拉拔成形，通过多道次拉拔逐渐减薄壁厚、增加高度，以达到最终的尺寸要求；如中国专利(cn204934331u)公开了一种无缝钢瓶拉伸模具，包括从上至下设置的两道以上拉拔模圈、三道以上辊轮模具和一道定径模圈，两道拉拔模圈由上至下的孔径逐渐减小、每层辊轮模具中辊轮沿轴线围成一个封闭的辊轮模孔，各层的辊轮模孔同轴，且由上至下孔径逐渐减小，定径模圈和最后一道辊轮模具中辊轮沿轴线围成一个封闭的辊轮模孔直径相同，除最后一道辊轮模孔以外，其他各道辊轮围成的辊轮模孔为圆形；又如中国专利(cn201632556u)公开了一种无缝钢瓶拉伸模具，包括两层以上的辊轮模，每层辊轮模至少由两个辊轮组成，每层辊轮模中的辊轮母线围成一个基本封闭的辊轮模孔；各层的辊轮模孔同轴，且沿着无缝钢瓶的加工方向从头到尾，各层的辊轮模孔的孔径逐渐减小，除最后一层的辊轮模孔外，沿着无缝钢瓶的加工方向从头到尾，其它各层的辊轮模孔逐渐趋于圆形；最后一层的辊轮模孔是圆形。
4.但是，对于方形截面深筒薄壁的加工，由于是非圆截面，旋压技术必然不适用于这种产品的成形；采用方截面钢管焊接是一种加工思路，但是瓶体和瓶底之间存在接痕缺陷，且生产效率低；所以，采用拉拔成形的思路设计一种新技术有望解决该类产品制备难题。
5.因此，针对现有技术中存在的上述技术问题，有必要基于拉拔成形的思路设计一种针对矩形截面深筒薄壁金属制件的拉拔模具及加工工艺。


技术实现要素：

6.本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种矩形截面深筒薄壁金属制件拉拔模具及其加工工艺，通过采用直角辊轮组合模圈和弧线辊轮组合模圈的巧妙设计和交替布局，在保证加工质量的基础上，实现了对矩形截面工件的加工。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.方案一：提供一种矩形截面深筒薄壁金属制件的拉拔组件，包括按拉拔工艺顺序竖向排布的直角辊轮组合模圈和弧线辊轮组合模圈，其中，直角辊轮组合模圈包括至少由四个直角辊轮围成一个矩形拉拔通道的组合模具；弧线辊轮组合模圈包括至少由四个弧线辊轮围成一个矩形拉拔通道的组合模具；直角辊轮组合模圈和弧线辊轮组合模圈中的矩形拉拔通道相对应。
9.作为优选的，通过改变直角辊轮的尺寸，用以改变矩形截面的大小；通过在直角辊轮之间对应的增/减额外的直线辊轮，用以改变矩形截面的大小和/或形状。
10.作为优选的，通过改变相对设置的弧线辊轮的尺寸，用以改变矩形截面的大小和/或形状。
11.作为优选的，弧线辊轮为内凹弧线辊轮。
12.还提供一种矩形截面深筒薄壁金属制件拉拔模具，包括模杆、套设在模杆上的坯料和组合拉拔模具，其中，组合拉拔模具包括刚性定径模圈、刚性整形模圈和竖向布置在刚性定径模圈和刚性整形模圈之间的至少一组如方案一中的拉拔组件，且拉拔组件中的矩形拉拔通道与刚性定径模圈和刚性整形模圈上的矩形截面开口相对应。
13.作为优选的，由下至上刚性定径模圈、组合拉拔模具和刚性整形模圈中的矩形截面面积依次减小。
14.作为优选的，刚性定径模圈和刚性整形模圈的开口与其所在底面开圆角。
15.作为优选的，刚性定径模圈和刚性整形模圈的开口由底面至顶面逐渐缩小，且刚性整形模圈与最终零件加工尺寸一致。
16.作为优选的，拉拔组件按拉拔工艺顺序竖向布置两组。
17.基于方案二中的拉拔模具，提供一种矩形截面深筒薄壁金属制件拉拔模具的加工工艺，具体步骤如下：
18.步骤一、制坯，先将方形坯料加热至锻造温度，再经冲孔液压机反向挤压，预成型为带底的厚壁方形筒待成形坯料；
19.步骤二、选型，根据设计工艺要求，对组合拉拔模具中所需直角辊轮、弧线辊轮和直线辊轮进行选配；
20.步骤三、成型，将待成形坯料套设在模杆上，通过刚性定径模圈开口送入组合拉拔模具中；在组合拉拔模具中，待成形坯料首先通过直角辊轮围成的矩形拉拔通道，之后再通过弧线辊轮围成的矩形拉拔通道，若拉拔组件设置有多组，则依然按照上述拉拔工序依次通过拉拔通道，进行挤压拉拔成形，最终将待成形坯料加工成形为壁厚均匀的矩形截面深筒薄壁金属制件。
21.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
22.(1)本发明采用辊轮组合模圈代替刚性模圈，针对传统刚性模圈拉拔工艺，变滑动摩擦为滚动摩擦，解决了摩擦阻力大的问题，同时相对滚动运动有利于促进金属流动，既提高了成形质量，又提高了模具寿命；
23.(2)本发明采用直角辊轮组合模圈和弧线辊轮组合模圈的巧妙设计，可以实现非轴对称截面深筒薄壁制件的拉拔成形工艺，从而解决了辊轮组合拉拔模具仅局限于圆形截面工件加工的问题；
24.(3)本发明采用直角辊轮组合模圈和弧线辊轮组合模圈交替布置的结构设计，可以保证成形质量和壁厚均匀性；其一，直角辊轮组合模圈对坯料的作用，可以保证截面角部的成形质量，但是直壁段由于模具间隙容易产生凸棱；在直壁段采用弧形辊轮模圈对坯料进行成形，在成形的同时附带整形的作用，因此这两种模圈交替作用，可同时保证角部和直壁段的成形质量；其二，直角辊轮组合模圈对坯料成形时，由于辊轮直角处和边缘处线速度不一样，造成截面上材料的流动速度不一样，即截面直角处流动慢，直壁段中心处流动快，
最终导致从直角处到直壁段中心的壁厚分布为逐渐变薄，因此直壁段辊轮采用弧线辊轮的设计，使得弧形辊轮组合模圈对坯料成形时，直壁段材料流动慢，直角处材料流动快，正好与直角辊轮组合模圈的作用形成了互补，从而保证了壁厚的均匀性。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明实施例一立体结构图；
27.图2为本发明实施例一平面主视图；
28.图3为图2各段截面图；
29.图4为本发明实施例二立体结构图；
30.图5为本发明实施例二平面主视图；
31.图6为图5各段截面图；
32.图7为本发明直角辊轮结构受力图；
33.图8为本发明弧线辊轮结构受力图；
34.其中，1
‑
模杆，2
‑
坯料，3
‑
组合拉拔模具，3
‑1‑
刚性定位模圈；3
‑2‑
直角辊轮组合模圈；3
‑3‑
弧线辊轮组合模圈；3
‑4‑
直角辊轮；3
‑5‑
弧线辊轮；3
‑6‑
刚性整形模圈。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.本发明的目的是提供一种矩形截面深筒薄壁金属制件拉拔模具及其加工工艺，通过采用直角辊轮组合模圈和弧线辊轮组合模圈的巧妙设计和交替布局，在保证加工质量的基础上，实现了对矩形截面工件的加工。
37.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
38.实施例一：
39.如图1和图2所示，本实施例提供一种矩形截面深筒薄壁金属制件拉拔模具，包括模杆1、套设在模杆1上的坯料2和组合拉拔模具3，其中，组合拉拔模具3包括刚性定径模圈3
‑
1、刚性整形模圈3
‑
6和竖向布置在刚性定径模圈3
‑
1和刚性整形模圈3
‑
6之间的拉拔组件，本实施例中，在竖向布置在刚性定径模圈3
‑
1和刚性整形模圈3
‑
6之间按拉拔工艺顺序竖向布置有两组拉拔组件。
40.拉拔组件包括按拉拔工艺顺序竖向排布的直角辊轮组合模圈3
‑
2和弧线辊轮组合模圈3
‑
3，其中，如图3所示，直角辊轮组合模圈3
‑
2包括由四个直角辊轮3
‑
4围成一个矩形拉拔通道的组合模具；弧线辊轮组合模圈3
‑
3包括由四个弧线辊轮3
‑
5围成一个矩形拉拔通道
的组合模具；直角辊轮组合模圈3
‑
2和弧线辊轮组合模圈3
‑
3中的矩形拉拔通道相对应，拉拔组件中的矩形拉拔通道与刚性定径模圈3
‑
1和刚性整形模圈3
‑
2上的矩形截面开口相对应。
41.上述拉拔模具在成形过程中所运用的原理如下：
42.如图7所示，当待成形坯料2经刚性定位模圈3
‑
1进入第一道次的直角辊轮组合模圈3
‑
2后，直角辊轮组合模圈3
‑
2中的直角辊轮3
‑
4上距离旋转轴线较远的a(a’)点的线速度要大于距离辊轮旋转轴线较近的b点的线速度，这导致在成形过程中a(a’)点出的金属流动速度要大于b点的金属流动速度，同时由于模杆1在挤压工件进入直角辊轮组合模圈3
‑
2时，工件会对直角辊轮3
‑
4产生中f所示的作用力，该作用力会使辊轮产生一定的弯曲变形，a(a’)点向靠近工件方向移动，b点向远离工件方向移动，上述两种原因导致工件在直角辊轮组合模圈3
‑
2进行成形加工时，会产生矩形截面四个拐角区域壁厚而各边中心区域壁薄的情况，因此需要搭配弧线辊轮组合模圈3
‑
3，即内凹式的弧线辊轮3
‑
5对工件进行补偿式的成形加工过程。
43.如图8所示，在成形过程中工件施加给辊轮的力f’导致辊轮中心区域向远离工件方向移动，辊轮两边区域向靠近工件方向，此时结合弧线辊轮3
‑
5外表面的内凹弧线mm’上各点的线速度差(即两边线速度大，中间线速度小，此时工件四个拐角区域处金属流动速度大，直壁区域金属流动速度小)，会将经过上一道次直角辊轮组合模圈3
‑
2成形加工产生的不均匀壁厚加工至均匀状态，直角辊轮组合模圈3
‑
2和弧线辊轮组合模圈3
‑
3这两种类别的辊轮组合模圈形成互补，保证了成形壁厚的均匀性，经过多道次加工后最终通过刚性整形模圈3
‑
6，完成整个成形过程。
44.实施例二：
45.如图2所示，基于实施例一，本实施例提供的矩形截面深筒薄壁金属制件拉拔模具与实施例一的区别在于，本实施例所针对的是一种矩形截面为长方形的深筒薄壁金属制件，对此，对组合拉拔模具3进行调整。
46.如图4和图5所示，刚性定径模圈3
‑
1和刚性整形模圈3
‑
6上的截面开口为长方形。
47.如图6所示，在拉拔组件中，在位于直角辊轮组合模圈3
‑
2两个对边上的直角辊轮3
‑
4之间分别增加额外的直线辊轮，以此围成长方形拉拔通道；将弧线辊轮组合模圈3
‑
3中两个对边上的弧线辊轮3
‑
5替换为长度更长的弧线辊轮3
‑
5，以此围成长方形拉拔通道；其中，直角辊轮组合模圈3
‑
2和弧线辊轮组合模圈3
‑
3中的长方形拉拔通道相对应，拉拔组件中的长方形拉拔通道与刚性定径模圈3
‑
1和刚性整形模圈3
‑
2上的长方形截面开口面相对应。
48.进一步的，也就是说，可以通过改变直角辊轮的尺寸，用以改变矩形截面的大小；通过在直角辊轮之间对应的增/减额外的直线辊轮，用以改变矩形截面的大小和/或形状；可以通过改变相对设置的弧线辊轮的尺寸，用以改变矩形截面的大小和/或形状。
49.实施例三：
50.基于实施例一和实施例二中提供的矩形截面深筒薄壁金属制件拉拔模具，本实施例提供一种矩形截面深筒薄壁金属制件拉拔模具，具体步骤如下：
51.步骤一、制坯，先将方形坯料2加热至锻造温度，再经冲孔液压机反向挤压，预成型为带底的厚壁方形筒待成形坯料2。
52.步骤二、选型，根据设计工艺要求，对组合拉拔模具中所需直角辊轮3
‑
4、弧线辊轮3
‑
5和直线辊轮进行选配。
53.具体的，如果所需加工的为正方形截面的深筒薄壁金属制件，则采用实施例一中的辊轮组合模式；如果所需加工的为长方形截面的深筒薄壁金属制件，则采用实施例二中的辊轮组合模式。
54.步骤三、成型，将待成形坯料2套设在模杆1上，通过刚性定径模圈开口3
‑
1送入组合拉拔模具3中；在组合拉拔模具3中，待成形坯料2首先通过直角辊轮3
‑
4围成的矩形拉拔通道，之后再通过弧线辊轮3
‑
5围成的矩形拉拔通道，若拉拔组件设置有多组，则依然按照上述拉拔工序依次通过各道次拉拔通道，进行挤压拉拔成形，最终将待成形坯料2加工成形为壁厚均匀的矩形截面深筒薄壁金属制件。
55.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。