專利名稱：智能化無模拉拔成形設(shè)備及其工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬壓力加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種智能化無模拉拔成形設(shè)備及工藝，適合于各種金屬棒線材的加工，尤其是對不銹鋼、鎳鈦形狀記憶合金、高銅鋁合金、高鋁銅合金等難加工線材和棒材的拉拔加工。
背景技術(shù)：
以鎳鈦形狀記憶合金、高銅鋁合金、高鋁銅合金和不銹鋼等為代表的難加工線材和棒材，以其各自特有的優(yōu)異性能，已在航空、航天、汽車、電子、儀表和醫(yī)學等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，在一些特殊使用要求的場合發(fā)揮著極其重要的作用。
利用傳統(tǒng)的有模拉拔工藝對難加工線棒材進行加工時，由于合金的塑性低，單一道次斷面收縮率低，導致拉拔道次多、模具壽命短、拉斷頻率高和能耗大等諸多問題；同時，在拉拔過程中需要進行多次退火，導致工藝流程復雜、表面質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低、材料浪費嚴重、成材率低等問題。無模拉拔成形工藝是一種熱加工工藝，具有許多常規(guī)拉拔工藝所不具備的優(yōu)點不采用模具，工藝柔性度大；材料的變形程度可以在拉拔的過程中隨時間變化，有利于生產(chǎn)實心或空心錐形件及變斷面工件；材料的變形在局部區(qū)域發(fā)生，并且通過局部區(qū)域材料在變形過程中穩(wěn)定擴展，使材料整體變形；材料的變形過程在高溫范圍內(nèi)進行，其原始組織狀態(tài)對變形過程的影響較?。粺峒庸?、無摩擦，能用于高強度及高摩擦材料成形；加工時拉拔力小；單一道次斷面收縮率大；斷面收縮率只取決于運動裝置的移動速度；設(shè)備規(guī)模小，靈活性高，易實現(xiàn)自動控制[黃貞益，王萍，孔維斌，等.無模拉伸工藝及發(fā)展.華東冶金學院學報，2000，17(2)118～120]。因此該工藝特別適合加工一些用常規(guī)有模拉拔很難成形的金屬材料。但是，無模拉拔成形過程中變形溫度、冷熱源距離、送料速度和牽引速度等工藝參數(shù)的合理匹配與精確控制難度大，導致拉拔過程容易產(chǎn)生不穩(wěn)定，成品尺寸均勻性差，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)拉斷等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種智能化無模拉拔成形設(shè)備及工藝，利用智能化技術(shù)對無模拉拔過程進行精確控制，實現(xiàn)對直徑大于或等于2mm的金屬線棒材進行拉拔成形，尤其能對難加工線棒材進行拉拔成形，單道次無模拉拔成形斷面收縮率最高可達30～60％。
本發(fā)明裝置包括智能化自動控制系統(tǒng)、送料和牽引系統(tǒng)、測溫與加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、保護氣體供給系統(tǒng)等幾個組成部分，以下對各系統(tǒng)進行詳細介紹1、智能化自動控制系統(tǒng)利用專家系統(tǒng)，根據(jù)外形尺寸或/和組織性能等控制目標，以及初始加工條件，由計算機在線制定工藝制度，并自動按照所制定的工藝制度進行拉拔；在拉拔過程中利用激光測徑儀對變形區(qū)形貌進行在線測量，并將測量值反饋到計算機；利用各工藝參數(shù)的實測值進行外形尺寸、組織的在線預測，同時將預測值與目標值進行比較，通過遺傳算法運算得到各工藝參數(shù)的調(diào)整量和調(diào)整方向，并驅(qū)動各工藝參數(shù)驅(qū)動器進行調(diào)整，從而實現(xiàn)對拉拔金屬線棒材的外形尺寸或/和組織性能的在線精確控制。
2、送料和牽引系統(tǒng)送料伺服電機12、齒輪減速箱20和蝸輪蝸桿減速器13逐個連接，蝸輪蝸桿減速器13驅(qū)動送料輥1，送料輥1與送料輥2之間利用同步帶14進行傳動；送料輥1和送料輥4之間用齒輪15和齒輪16進行傳動；送料輥2與送料輥3之間用齒輪連接進行傳動。牽引伺服電機26、齒輪減速箱19和牽引輥5逐個連接；牽引輥5與牽引輥6之間利用同步帶21進行傳動；牽引輥5和牽引輥7之間以及牽引輥6與牽引輥8之間用齒輪連接進行傳動。根據(jù)坯料直徑的不同在送料輥和牽引輥上開不同大小的孔型，實現(xiàn)對直徑大于或等于2mm的金屬線棒材連續(xù)拉拔成形。
3、測溫與加熱系統(tǒng)本發(fā)明裝置加熱設(shè)備為全固態(tài)感應(yīng)加熱器，感應(yīng)加熱線圈9置于送料輥1、4所組成的孔型和牽引輥5、7所組成的孔型之間；紅外測溫儀18對準變形區(qū)的中央，鏡頭與坯料距離15～35cm放置，對變形區(qū)溫度進行在線測量，同時將溫度信號送至PLC，與目標溫度進行比較。在PLC程序中利用PID運算方法計算出對感應(yīng)加熱器加熱電流的調(diào)整量，再通過PLC模擬量輸出端口將電流的調(diào)整量反饋到感應(yīng)加熱器的功率控制器，從而實現(xiàn)變形區(qū)溫度的控制。
4、冷卻系統(tǒng)冷卻水環(huán)10中的冷卻介質(zhì)為自來水，沿坯料運行方向(從附圖的右邊向左邊運行)看，冷卻水環(huán)10位于感應(yīng)加熱線圈9之后，冷卻水環(huán)10與感應(yīng)加熱線圈9之間的距離即是變形區(qū)的長度，范圍在1～10cm。利用步進電機驅(qū)動絲桿傳動方式，驅(qū)動冷卻水環(huán)10沿坯料軸向位置上移動，移動范圍1～10cm，實現(xiàn)變形區(qū)長度在線調(diào)整。感應(yīng)加熱器的內(nèi)部電路和感應(yīng)加熱線圈的冷卻介質(zhì)為循環(huán)水。
5、保護氣體供給系統(tǒng)保護氣體從儲氣罐流出，經(jīng)減壓閥到流量計，最終流到玻璃管17中；玻璃管17的外徑與感應(yīng)加熱線圈9的內(nèi)徑相同，套在感應(yīng)加熱線圈9內(nèi)。坯料從玻璃管17的中心穿過，玻璃管17的一端通入保護氣體，另一端緊靠冷卻水環(huán)10。
本發(fā)明的拉拔工藝為首先松開自動壓下裝置22、23、24、25，將待拉拔棒料依次穿過送料輥2、3、1、4，玻璃管17，冷卻水環(huán)10和牽引輥5、7、6、8，啟動自動壓下裝置22、23、24、25壓緊棒料；啟動計算機控制程序后棒料在四個送料輥1、2、3、4的作用下，以速度Vi向前移動；同時，棒料在四個牽引輥5、6、7、8作用下，以速度Vo向前移動，在感應(yīng)加熱線圈9和冷卻水環(huán)10噴射的冷卻水的作用下，將位于兩者之間的棒料部分加熱到其熔點溫度的0.5～0.9倍之間，使棒料11上張力所引起的塑性變形集中在加熱區(qū)域中。通過控制Vo與Vi之比，其中1＜Vo/Vi＜2.5，在各工藝參數(shù)的合理匹配下得到預期的斷面收縮率，最高可達到60％。
本發(fā)明裝置的優(yōu)點是1、采用智能化在線閉環(huán)控制方式，對拉拔金屬線棒材的形狀尺寸或/和組織性能進行在線精確控制，可以防止竹節(jié)、拉斷等非穩(wěn)定變形的發(fā)生，有利于實現(xiàn)大斷面壓縮率的穩(wěn)定連續(xù)成形。
2、利用激光測徑儀、各工藝參數(shù)傳感器、控制計算機和各工藝參數(shù)調(diào)整驅(qū)動器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，能有效地對線棒材直徑進行在線控制，顯著提高拉拔制品的外形尺寸精度，實現(xiàn)金屬線棒材組織性能均勻性的控制。
3、采用蝸輪蝸桿減速器對送料伺服電機進行減速，可利用蝸輪蝸桿的自鎖功能，防止棒料對送料輥的拉力傳送到送料伺服電機12，避免在拉力作用下送料電機12發(fā)生前滑，從而實現(xiàn)送料速度的精確控制。
4、采用兩對送料輥(1、4和2、3)和兩對牽引輥(5、7和6、8)對棒料進行送料和牽引，每一對輥所需要提供給棒料的摩擦力為拉拔所需變形抗力的二分之一，既可有效地防止棒料與輥之間打滑，也能減小由于輥與棒料之間的正壓力所造成的軋制變形，更好地保證成品的真圓度。
5、同一對驅(qū)動輥上開不同的孔型，可使同一套送料輥或同一套牽引輥可對應(yīng)較大尺寸規(guī)格范圍的棒料成形，減少送料輥或牽引輥用量。
6、變形溫度受加熱功率、冷卻速率、送料和牽引速度等諸多因素的影響，極易發(fā)生波動，利用紅外測溫儀18和PLC以及感應(yīng)加熱器所組成的閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，能對外界干擾造成的溫度突變進行及時調(diào)整，從而提高了無模拉拔過程中變形區(qū)溫度的穩(wěn)定性，變形區(qū)溫度控制精度可達±2℃。
7、采用冷卻水環(huán)位置在線調(diào)節(jié)方式，可實現(xiàn)變形區(qū)長度在線控制。
8、保護氣體供給系統(tǒng)能使棒料高溫變形區(qū)始終在保護氣體的包圍下，有效防止氧化的發(fā)生，同時也能有助于將冷卻所產(chǎn)生的水霧排出，避免水霧對變形區(qū)溫度的影響和對紅外線測溫儀進行溫度測量的影響。
9、本發(fā)明不僅能對短尺線棒材進行非連續(xù)無模拉拔成形，同時也能實現(xiàn)較長線棒材的連續(xù)無模拉拔成形。適合于各種金屬線棒材的高效加工，尤其是對不銹鋼、鎳鈦形狀記憶合金、高銅鋁銅合金等難加工線棒材的拉拔加工。


圖1是本發(fā)明的智能化無模拉拔成形裝置正視圖。其中，送料輥1、2、3、4，牽引輥5、6、7、8，感應(yīng)加熱線圈9、冷卻水環(huán)10、坯料11、同步帶14、21，玻璃管17，自動壓下裝置22、23、24、25。
圖2是本發(fā)明的智能化無模拉拔成形裝置俯視圖。其中，送料伺服電機12、牽引伺服電機26、蝸輪蝸桿減速器13、齒輪減速箱19、20，紅外測溫儀18。
圖3是本發(fā)明的智能化無模拉拔成形裝置剖視圖。其中，齒輪15、16。
具體實施例方式
實施例1選用含Ni49at％、Ti51at％的鎳鈦形狀記憶合金線材作為坯料，直徑為6mm，軋制狀態(tài)，表面光潔。松開壓下裝置22、23、24、25，將待拉拔坯料依次穿過發(fā)明裝置的送料輥2、3、1、4，玻璃管17，冷卻水環(huán)10和牽引輥5、7、6、8。調(diào)整壓下裝置22、23、24、25壓緊坯料，啟動電腦并運行控制程序，輸入目標直徑，點擊開始拉拔按鈕，此時設(shè)備將按程序設(shè)計執(zhí)行初始程序，即首先根據(jù)目標直徑與實測坯料直徑設(shè)計合理匹配的工藝參數(shù)，開啟保護氣體閥門，排出玻璃管17中的空氣，然后啟動送料伺服電機12和牽引伺服電機26使坯料以相同的速度Vi移動，同時開啟冷卻水環(huán)的冷卻水和感應(yīng)加熱器，待拉拔溫度達到工藝參數(shù)中的溫度T時，牽引伺服電機26開始加速直至達到工藝參數(shù)設(shè)計中的Vo；程序進入穩(wěn)定拉拔階段，根據(jù)激光測徑儀所測的變形區(qū)末端的直徑變化情況，計算機在線對工藝參數(shù)進行調(diào)整，實現(xiàn)穩(wěn)定的拉拔。當檢測到坯料被拉斷、坯料已用完或手動點擊控制界面中的停止按鈕時，開始執(zhí)行停機程序，首先關(guān)閉感應(yīng)加熱器，牽引伺服電機26速度從Vo逐漸降到Vi，使坯料以Vi的速度一直前進，直到變形區(qū)全部冷卻，牽引和送料伺服電機停止運轉(zhuǎn)，關(guān)閉冷卻水、保護氣體。此時松開壓下裝置22、23、24、25，取出線材，一道次拉拔結(jié)束。整個無模拉拔過程穩(wěn)定，斷面收縮率達到60％，成品尺寸穩(wěn)定。
實施例2坯料選用擠壓態(tài)的高銅鋁銅合金焊絲，初始直徑6.1mm，表面光潔。采用與具體實施方式
1相同的操作過程，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的無模拉拔過程，斷面收縮率達到22.5％，成品尺寸穩(wěn)定，直徑波動范圍±0.1mm。
實施例3坯料選用304不銹鋼線材，初始直徑6mm，表面光潔。采用與具體實施方式
1相同的操作過程，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的無模拉拔過程，斷面收縮率達到40％，成品尺寸穩(wěn)定，直徑波動范圍±0.1mm。
權(quán)利要求
1.一種智能化無模拉拔成形設(shè)備，包括智能化自動控制系統(tǒng)、送料和牽引系統(tǒng)、測溫與加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、保護氣體供給系統(tǒng)；其特征在于a、智能化自動控制系統(tǒng)利用專家系統(tǒng)，根據(jù)外形尺寸或/和組織性能等控制目標，以及初始加工條件，由計算機在線制定工藝制度，并自動按照所制定的工藝制度進行拉拔；在拉拔過程中利用激光測徑儀對變形區(qū)形貌進行在線測量，并將測量值反饋到計算機；利用各工藝參數(shù)的實測值進行外形尺寸、組織的在線預測，同時將預測值與目標值進行比較，通過遺傳算法運算得到各工藝參數(shù)的調(diào)整量和調(diào)整方向，并驅(qū)動各工藝參數(shù)驅(qū)動器進行調(diào)整，從而實現(xiàn)對拉拔金屬線棒材的外形尺寸和組織性能的在線精確控制；b、送料和牽引系統(tǒng).送料伺服電機(12)、齒輪減速箱(20)和渦輪蝸桿減速器(13)逐個連接，渦輪蝸桿減速器(13)驅(qū)動送料輥(1)，送料輥(1)與送料輥(2)之間利用同步帶(14)進行傳動；送料輥(1)和送料輥(4)之間用齒輪(15)和齒輪(16)進行傳動；送料輥(2)與送料輥(3)之間用齒輪連接進行傳動；牽引伺服電機(26)、齒輪減速箱(19)和牽引輥(5)逐個連接；牽引輥(5)與牽引輥(6)之間利用同步帶(21)進行傳動；牽引輥(5)和牽引輥(7)之間用齒輪進行傳動；牽引輥(6)與牽引輥(8)之間用齒輪連接進行傳動；根據(jù)坯料直徑的變化在送料輥(1、2、3、4)和牽引輥(5、6、7、8)上開相應(yīng)的孔型；c、測溫與加熱系統(tǒng)該裝置的加熱設(shè)備為全固態(tài)感應(yīng)加熱器，感應(yīng)加熱線圈(9)置于送料輥(1、4)所組成的孔型和牽引輥(5、7)所組成的孔型之間；紅外測溫儀(18)對準變形區(qū)的中央，鏡頭與坯料距離15～35cm放置，對變形區(qū)溫度進行在線測量，同時將溫度信號送置PLC，與目標溫度進行比較；在PLC程序中利用PID運算方法計算出對感應(yīng)加熱器加熱電流的調(diào)整量，再通過PLC模擬量輸出端口將電流的調(diào)整量反饋到感應(yīng)加熱器的功率控制器，實現(xiàn)變形區(qū)溫度的控制；d、冷卻系統(tǒng)冷卻水環(huán)(10)位于感應(yīng)加熱線圈(9)之后，冷卻水環(huán)(10)與感應(yīng)加熱線圈(9)之間的距離在1～10cm；利用步進電機驅(qū)動的絲桿進行傳動，驅(qū)動冷卻水環(huán)(10)沿坯料軸向位置上移動，實現(xiàn)變形區(qū)長度在線調(diào)整；感應(yīng)加熱器的內(nèi)部電路和感應(yīng)加熱線圈的冷卻介質(zhì)為循環(huán)水；e、保護氣體供給系統(tǒng)保護氣體從儲氣罐流出，經(jīng)減壓閥到流量計，最終流到玻璃管(17)中，玻璃管(17)外徑與感應(yīng)加熱線圈(9)的內(nèi)徑相同，套在感應(yīng)加熱線圈(9)內(nèi)；坯料從玻璃管(17)中心穿過，玻璃管17的一端通入保護氣體，另一端緊靠冷卻水環(huán)(10)。
2.一種采用權(quán)利要求1所述設(shè)備進行智能化無模拉拔成形的工藝；其特征在于，工藝步驟為首先松開自動壓下裝置(22、23、24、25)，將待拉拔線棒料依次穿過送料輥(2、3、1、4)，玻璃管(17)，冷卻水環(huán)(10)和牽引輥(5、7、6、8)；然后，啟動壓下裝置(22、23、24、25)壓緊坯料；啟動計算機控制程序后，線棒料在兩對送料輥(1、2、3、4)的作用下，以速度Vi向前移動；同時，線棒料在兩對牽引輥(5、6、7、8)作用下，以速度Vo向前移動，在感應(yīng)加熱線圈(9)和冷卻水環(huán)(10)噴射的冷卻水的作用下，將位于兩者之間的坯料部分加熱，溫度保持在熔點溫度的0.5～0.9倍之間，使坯料(11)上張力所引起的塑性變形集中在加熱區(qū)域中；通過控制Vo與Vi之比為1＜Vo/Vi＜2.5，得到預期的斷面收縮率，最高達到60％。
全文摘要
一種智能化無模拉拔成形設(shè)備及其工藝，屬于金屬壓力加工技術(shù)領(lǐng)域。設(shè)備包括智能化自動控制系統(tǒng)、送料和牽引系統(tǒng)、測溫與加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、保護氣體供給系統(tǒng)。工藝為首先松開自動壓下裝置，將待拉拔棒料依次穿過送料輥、感應(yīng)加熱線圈、玻璃管、冷卻水環(huán)和牽引輥；然后，啟動自動壓下裝置壓緊坯料；啟動計算機控制程序后坯料在兩對送料輥的作用下，以速度Vi向前移動；同時，坯料在兩對牽引輥地作用下，以速度Vo向前移動，通過控制Vo與Vi之比為1＜Vo/Vi＜2.5，得到預期的斷面收縮率。采用智能控制，能有效防止拉斷、竹節(jié)等不穩(wěn)定過程的產(chǎn)生；顯著提高線棒材外形尺寸的精確性；適合于各種金屬線棒材的高效加工。
文檔編號B21D43/04GK101020197SQ200610113610
公開日2007年8月22日 申請日期2006年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月9日
發(fā)明者謝建新, 何勇, 劉雪峰 申請人:北京科技大學