用于金属管材无模热成形或热处理的装置的制作方法

本发明涉及金属管材热成形技术领域，尤其涉及一种金属管材无模热成形装置，这种装置也可以用于对金属管材(棒材)进行热处理，包括梯度热处理。

背景技术：

金属管材是日常生活和生产中应用较为广泛的零件，在医疗和电子领域中微型金属管材常应用于药物注射和电子器件散热，而注射用微型管材和大规模集成电路中的微型热管的直径一般均小于0.5mm，因此对金属管材的成形精度具有较高要求。

在汽车行业中，径厚比较大的金属波纹管和梯度热处理后的金属厚壁管材常用作车辆碰撞时的缓冲吸能元件；在化工和压力容器行业中，厚壁波纹管也常被用作波纹管换热器，用于传输高压液体。目前金属波纹管的传统成形方式有液压成形法、机械加工法、滚压成形法、焊接成形法和沉积成形法等，对于不同尺寸规格的金属波纹管的加工，需要更换不同的成形模具，而这些工艺方法通常需要大吨位的压力机以及完备的密封系统，成形设备结构复杂，造价高昂。针对该问题，国内外学者提出了无模成形金属波纹管的方法，如公开号为cn106964680a的连续无模成形装置，通过多组夹辊配合实现进给压缩的功能；但装置所需的夹辊结构复杂，对于不同直径的管坯还需要更换相应型号的夹辊，而且夹辊上的辊头以摩擦力的形式提供轴向压缩力，容易造成划痕，降低管坯表面质量。

另外，随着应用场景日益复杂，对于力学性能成梯度分布的异性金属管材的需求也在逐年上升，要实现精确控制的梯度热处理，往往需要专门定制的设备。如公开号为cn109797273a的棒状材料梯度热处理装置，采用加热炉作为热源，通过移动热电偶的方式实现连续测温，但这种方式温度测量反馈速度较慢，且没有调节系统，难以实现较为精确的梯度热处理。

因此，有必要提供一种结构简单，灵活可靠的多功能金属管材无模成形及热处理装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术和装置的不足，提供一种能够实现金属管材无模拉伸、无模压缩以及梯度热处理成形技术的多功能装置。该装置具有运动稳定、反馈调节、装配自由等特点，能够实现灵活可控、高效节能的快速成形和热处理。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于金属管材无模热成形或热处理的装置，包括：

机械驱动模块，具有两块可沿直线运动的机架推板，用于为金属管材的变形或运动提供驱动力；

感应加热模块，用于实现所述金属管材的局部快速加热；

环形冷却模块，用于实现所述金属管材的局部快速冷却；

测量反馈模块，用于监测所述金属管材的温度数据和施加在所述金属管材上的驱动力数据，并基于所述温度数据和驱动力数据对所述机械驱动模块、感应加热模块和环形冷却模块的工作模式进行反馈调节；

支撑固定模块，用于支撑所述机械驱动模块、感应加热模块、环形冷却模块和测量反馈模块。

优选地，所述测量反馈模块包括计算机、以及分别与所述计算机连接的拉压力传感器和红外热像仪。

优选地，所述机械驱动模块还包括与所述计算机连接的驱动控制单元以及与所述驱动控制单元连接的两组驱动机构，每组驱动机构包括动力组件、连接所述动力组件与机架推板的传动组件。

优选地，所述动力组件包括伺服电机，所述传动组件包括转动支撑在所述支撑固定模块上的丝杠、以及安装在所述机架推板上的丝杠螺母，所述丝杠与所述丝杠螺母螺纹配合，一组驱动机构中两根所述丝杠与一台伺服电机通过同步带传动连接。

优选地，所述感应加热模块包括与所述计算机连接的热源控制单元、与所述热源控制单元连接的高频感应加热设备以及连接在所述高频感应加热设备上的感应线圈，所述感应线圈环绕于所述金属管材的加热部位。

优选地，所述环形冷却模块包括喷嘴、与所述计算机连接的冷却调节控制单元、以及与所述冷却调节控制单元连接的加压泵和调节阀。

优选地，所述环形冷却模块还包括六角移动支架组件，六角移动支架组件包括高度调节杆、安装于所述高度调节杆上的高度调节块、固定于所述高度调节块上的六角移动支架以及安装于所述六角移动支架上的径向调节片，所述喷嘴设置于所述径向调节片上。

优选地，所述两块机架推板上设有用于夹持所述金属管材的夹具，两块机架推板上的夹具均为薄型三爪卡盘；或者其中一块机架推板上的夹具为薄型三爪卡盘，另一块机架推板上的夹具为顶针。

优选地，所述支撑固定模块包括一机架，所述机架包括两块机架侧板和多根直线导向杆，所述多根直线导向杆相互平行地固定在两块机架侧板之间，所述两块机架推板可滑动地穿设在所述直线导向杆上。

优选地，所述机架还包括设置于所述机架侧板下的机架底板、连接于所述机架侧板之间的后侧板和前侧板、设置在所述机架底板上的集水盒以及设置在所述机架底板下的工作平台。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

应用本发明的金属管材无模热成形或热处理的装置，可以实现金属管材的无模拉伸、无模压缩、局部热处理、梯度热处理等工艺，以实现多种功能的快速无模热成形和热处理。具体地，本发明装置通过伺服电机对丝杠的控制实现机架推板的稳定直线运行，设置多种直线运动方式；通过将高频感应加热设备作为热源，实现金属管材地局部快速加热；通过将环形冷却模块设置为可沿管材轴向和径向移动，以调节金属管材的冷却速率和冷却效果；通过红外热像仪对金属管材的温度变化进行实时监测，以及通过拉压力传感器实时记录成形力的变化，能够有效地防止装置过热或过载；同时本发明装置设置多个控制单元，根据红外热像仪和拉压力传感器传送的温度数据和成形力数据进行反馈调节，改变机架推板的运动速度、运动位移等运动参数和加热功率、加热时间等加热参数，以及冷却介质流量等冷却参数，实现精确可靠的工艺参数控制。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了本发明用于金属管材无模热成形或热处理的装置的整体结构示意图；

图2示出了本发明中机械驱动模块的结构示意图；

图3为本发明各主要功能模块的示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是六角移动支架组件的结构示意图；

其中，1-机械驱动模块，101-伺服电机，102-减速器，103-同步带，104-同步带轮，105-张紧块，106-直线导向杆，107-丝杠，108-张紧轮，109-丝杠固定座，110-丝杠螺母，111-丝杠支撑座，112-机架推板，113-直线轴承，114-薄型三爪卡盘，115-顶针；

2-感应加热模块，201-高频感应加热设备，202-感应线圈；

3-环形冷却模块，301-高度调节块，302-高度调节杆，303-六角移动支架，304-径向调节片，305-喷嘴；

4-测量反馈模块，401-拉压力传感器，402-红外热像仪；

5-支撑固定模块，501-工作平台，502-机架，503-机架侧板，504-机架底板，505-后侧板，506-前侧板，507-集水盒，508-热像仪支架，509-冷源支架杆，510-导向杆紧固螺母。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

参考图1-3所示，本发明一种用于金属管材无模热成形或热处理的装置包括机械驱动模块1、感应加热模块2、环形冷却模块3、测量反馈模块4和支撑固定模块5。

机械驱动模块1用于为金属管材的变形或运动提供驱动力，具有两块可沿直线运动的机架推板112，两块机架推板112上设有用于夹持金属管材的夹具，在图4所示的实施例中，其中一块机架推板上的夹具为薄型三爪卡盘114，另一块机架推板上的夹具为顶针115，这种夹具可以用于金属管材的无模压缩热成形；如果用于金属管材的无模拉伸热成形，可以将两块机架推板上的夹具均设为薄型三爪卡盘114。

图2示出了本发明中机械驱动模块的结构示意图，机械驱动模块安装在支撑固定模块的机架502上。机架502包括两块机架侧板503和四根直线导向杆106，这四根直线导向杆106分成上下两排、相互平行地固定在两块机架侧板之间，两端由导向杆紧固螺母510(见图3)锁紧。而两块机架推板112则可滑动地穿设在这四根直线导向杆106上，机架推板112上设有直线轴承113与直线导向杆106相配合，保证机架推板112可以沿直线导向杆106平稳地直线运动。机架推板112和机架侧板503均呈矩形。参考图2所示，具体地，机械驱动模块1包括驱动控制单元(未图示)以及与驱动控制单元连接的两组驱动机构，整个机械驱动模块1呈对称分布，两组驱动机构安装在装置的左右两侧。每组驱动机构均包括动力组件、连接在动力组件与机架推板112之间的传动组件，传动组件可以将动力组件的驱动力传递给机架推板112。更进一步地，动力组件包括伺服电机101，传动组件包括丝杠107及固定在机架推板112上的丝杠螺母110，丝杠107与丝杠螺母110螺纹配合，实现丝杠传动。四根平行的丝杠107分成上下两排，每根丝杠107的两端分别设有丝杠固定座109和丝杠支撑座111，丝杠固定座109和丝杠支撑座111均固定在机架侧板503上，丝杠固定座109和丝杠支撑座111均为轴承座，用于将丝杠107可转动地支承在机架502上。四根丝杠107按对角线分成两组，位于一条对角线上的两根丝杠107的左端固定有同步带轮104，并通过同步带103与左侧的一台伺服电机101传动连接，因此伺服电机101可以同时带动这两根丝杠107转动，而位于左侧的一块机架推板112上设有两个丝杠螺母110分别与这两根丝杠107配合，而位于右侧的一块机架推板112上设有通孔供这两根丝杠107穿过，因此，这两根丝杠107转动可以带动左侧的一块机架推板112直线运动。对称地，位于另一条对角线上的两根丝杠107的右端固定有同步带轮104，并通过同步带103与右侧的一台伺服电机101传动连接，并可以带动右侧的一块机架推板112直线运动。为了增大输出扭矩，伺服电机101可以连接减速器102。两块机架推板112上的夹具设置在中心位置，保证沿对角线布置的两丝杠107提供的合力与要加工的金属管材轴线重合，最大限度提高机架推板112的承载能力，防止推板侧翻。

进一步地，机架侧板503上固定有张紧块105，在张紧块105上安装有张紧轮108，张紧轮108位置可调节地安装在张紧块105上，用于调节同步带103的张力，保证同步带103的正常传动。

测量反馈模块4包括计算机(未图示)、拉压力传感器401和红外热像仪402。如图4所示，拉压力传感器401可以设置在夹具与机架推板之间，用于测量金属管材受到的拉力或压力，拉压力传感器401与所述计算机相连接。如图3所示，红外热像仪402可以通过热像仪支架508安装在待加工金属管材的附近，用于采集金属管材的温度数据，红外热像仪402也与所述计算机相连接。

需要说明的是，上述驱动控制单元也与测量反馈模块4中的计算机连接，可同时带动多组驱动机构，实现本装置中两组驱动机构的独立可编程控制，支持多种运动模式的定义，可分别控制两块机架推板112运行，满足无模成形和梯度热处理中金属管材的运动控制需求。同时驱动控制单元可通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机101进行控制，具有快速响应、低速大转距、过载能力强、可靠性高等特点，能够实现高精度的运动和定位。

感应加热模块2用于实现金属管材的局部快速加热。

具体地，感应加热模块2包括热源控制单元、与热源控制单元连接的高频感应加热设备201以及连接在高频感应加热设备201上的感应线圈202，感应线圈202环绕于金属管材的加热部位。热源控制单元与测量反馈模块4中的计算机连接，以实现测量反馈模块4对感应加热模块2工作模式的调控。且热源控制单元可通过计算机编程，自定义加热功率、加热时间、保温功率和保温时间等参数，满足多种加热模式的设计需求。高频感应加热设备201利用导体在高频磁场作用下产生感应电流原理进行加热，具有加热迅速，节能高效等特点，并且该设备具有计时加热的功能。高频感应加热设备201可与多个规格的感应线圈202配套使用，感应线圈202的匝数和内径根据加工管材所需的加热宽度和外径进行选择替换，线圈与高频感应加热设备通过螺纹连接，方便安装拆卸。感应加热模块2还包括与高频感应加热设备201配套的水泵和冷却水箱，水泵和冷却水箱通过循环水带走高频感应加热设备201中的热量，避免高频感应加热设备201过热受损。感应加热模块2安装在支撑固定模块5上。

环形冷却模块3用于实现金属管材的局部快速冷却，改变金属管材轴线方向温度分布，控制高温区宽度，支持多种冷却介质的使用，同时还可根据工艺需求改变冷却速率。更进一步地，环形冷却模块3包括喷嘴、冷却调节控制单元、分别与冷却调节控制单元连接的调压阀和加压泵，加压泵、调压阀和喷嘴通过管道依次连接，用于向金属管材喷射冷却介质(液体或气体)。冷却调节控制单元与测量反馈模块4中的计算机连接，以实现测量反馈模块4对环形冷却模块3工作模式的调控，调节气体或液体冷却介质的压力、流量，改变喷射介质的速度和颗粒大小。加压泵为冷却介质提供喷射压力，储液箱用于储存液体冷却介质。环形冷却模块3也安装在支撑固定模块5上。

更近一步地，所述环形冷却模块还包括环绕金属管材的六角移动支架组件，如图5所示，六角移动支架组件包括高度调节杆302、安装于高度调节杆302上的高度调节块301、安装于高度调节块301上的六角移动支架303以及安装于六角移动支架303上的径向调节片304，喷嘴305设置于径向调节片304上。六角移动支架组件优选为两组，分别设置于感应线圈202两侧，高度调节杆302的上端可以挂在冷源支架杆509(见图3)上，使六角移动支架组件可在金属管材轴线方向上自由移动，方便改变冷源与热源之间的距离，从而控制金属管材轴线方向上的温度场分布。六角移动支架303上最多可均匀布置12个喷嘴305，以实现管材周向的均匀冷却，喷嘴305数量可根据冷却需求确定。喷嘴305为可更换零件，根据工序需求选择好不同的冷却介质之后替换成喷射相应冷却介质的喷嘴305，具体支持喷气/喷雾/喷液等多种功能。高度调节块301可以基于金属管材的粗细，调节高度调节杆302的长度，从而调节六角移动支架303的高度；径向调节片304可以调节在半径方向上喷嘴305离管材表面的距离，从而改变冷却速率。环形冷却模块3还可以包括过滤器，过滤器可以过滤掉冷却介质中的杂质，避免喷嘴堵塞。

测量反馈模块4用于监测金属管材在成形过程中或热处理过程中的温度数据和施加在金属管材上的驱动力数据，并基于温度数据和驱动力数据对机械驱动模块1、感应加热模块2和环形冷却模块3的工作模式进行反馈调节。

红外热像仪402可记录金属管材表面的温度分布变化，拉压力传感器401可记录管件进给时轴向拉力或者压力的变化。在本装置工作时，红外热像仪402和拉压力传感器401将温度数据和压力数据传送至数据采集卡中，数据采集卡将采集的数据传输给计算机。计算机实时记录保存实验数据，便于后续工艺分析和优化。计算机根据接收到的温度数据和压力数据，按照预定工艺需求进行实时反馈调节，向驱动控制单元、热源控制单元以及冷却调节控制单元发送命令调整伺服电机101、高频感应加热设备201以及加压泵的工作参数，从而逐步趋近预定工艺参数，实现金属管材的无模热成形和热处理的精确控制。测量反馈模块4也安装在支撑固定模块5上。

支撑固定模块5用于支撑机械驱动模块1、感应加热模块2、环形冷却模块3和测量反馈模块4。

如图2-4所示，机架502还包括设置于机架侧板503下的机架底板504、连接于两机架侧板503之间的前侧板506和后侧板505、设置在机架底板504上的集水盒507以及设置在机架底板504下的工作平台501。其中工作平台501内可以放置上述计算机、加压泵、水泵和冷却水箱等。集水盒507用于收集废水废液，并装有排水管直接排放到装置外。前侧板506和后侧板505可由防溅玻璃构成，防止喷射的液体介质喷溅到周围污染环境，从而保护操作人员。

以下通过具体实施方式对本发明的装置用于无模热压缩工艺的工作方式进行详细的说明。

首先，根据需求选取金属管材无模热成形装置中合适的可选取零件，并安装好待加工金属管材。

具体为了便于装夹，金属管材夹具选取薄型三爪卡盘114和圆锥形顶针115；通过薄型三爪卡盘114和圆锥形顶针115夹紧金属管材(对于较薄的管材，可在金属管材端部塞入跟金属管材内径匹配的装夹芯轴，防止夹持变形)。同时根据加工管材的直径和所需加热宽度，选择合适大小的感应线圈202。

其次，设置成形工艺参数。

具体按照工艺需求通过计算机在热源控制单元上设定加热功率、工作时间、保温功率、保温时间以及临界点温度等感应加热参数；通过计算机在驱动控制单元上设定好两块机架推板112的运动方向、运动速度和运动位移；并在计算机上设定报警的最大压力，当拉压力传感器401监测到金属管材轴向压力达到该数值时，计算机可通过驱动控制单元驱使伺服电机101停止转动，防止发生过度压缩，导致装置过载。

最后，对金属管材进行无模热压缩成形。

计算机控制热源控制单元，驱动高频感应设备开始工作，与感应线圈202对应的金属管材加热部位温度迅速上升，红外热像仪402照射捕捉金属管材的加热部位表面的温度变化，并将监测到的温度数据通过测量反馈控制单元传输到计算机中。当金属管材加热部位的温度超过预设的临界点温度时，计算机通过驱动控制单元向伺服电机101发送启动命令，随后伺服电机101开始运转，通过减速器102降低转速，提高输出扭矩；依次通过同步带103和丝杠107传动，驱动机架推板112的直线运动，两个伺服电机101各控制一块机架推板112的运动。

需要说明的是，两块机架推板112运动参数可在计算机中预先编程设定好，如设定左侧机架推板的运动速度为v1，右侧机架推板的速度为v2，其中v1>v2，方向相同，则金属管材在感应线圈202内部快速加热的同时会受到连续挤压，成形出连续的波纹；同时还可设定左侧机架推板在0～t时间段内速度为v1，右侧机架推板在0～0.5t时间段内速度为0，0.5t～t时间段内速度为v1，实现“加热-挤压-平移”的无模成形步骤。

感应线圈202对应的金属管材加热部位加热后迅速软化，在机架推板112轴向压力的作用下发生向外屈曲，产生横向波纹。由于两侧机架推板112同向运动，所以金属管材处于持续移动中，产生波纹区域的管材在变形之后会进入环形冷却工作区，在多个环形布置的喷嘴305的作用下，变形部分的管材迅速冷却定形，强度上升不再发生变形。两个六角移动支架组件可以在冷源支架杆509上沿管材轴线方向设置，通过其调整喷嘴与感应线圈202之间的距离，可以控制高温区宽度大小及温度分布。同时通过调整径向调节片304的位置，可以改变标准喷嘴305距离管材表面之间的距离，从而调节冷却速率。另外计算机通过冷却调节控制单元控制调节阀来改变冷却介质流量也可以调节冷却速率。

当喷嘴305采用喷水喷嘴时，为了防止飞液喷溅，在装置的前侧和后侧各安装了防溅玻璃板，其中前侧玻璃板设计成活动门和门槛的组合，当金属管材装夹和卸载时打开活动门即可正常操作，工件成形过程中必须关闭活动门，并且锁死，保障操作人员人身安全。在机架推板112的底部和机架底板504之间安装了一个集水盒507，集水盒507尺寸与前、后侧板和机架侧板503围成的底部空间基本一致，机架底板504上开设了一个通孔，集水盒507底部有排水管通过该孔将废水及时排出。

在成形过程中，拉压力传感器401和红外热像仪402记录了整个过程中的压力和温度变化，并将数据传送到计算机中，用于后续的数据分析与工艺调整。

本实施例描述的是无模热压缩工艺，但该装置同样可用于无模热拉伸工艺，将金属管材夹具中的顶针115也换成薄型三爪卡盘114，然后再按照工艺需求调整两推板的运动速度(使v1<v2)和加热冷却模式即可，成形过程与热压缩类似。

以下再通过具体实施方式对本发明的装置用于梯度热处理工艺的工作方式进行详细的说明。

梯度热处理工艺的工作步骤和无模热压缩工艺大致相同，其与无模热压缩工艺不同之处如下。

梯度热处理工艺中在设置两机械推板的运动参数时，应保持两推板的运动方向、运动速度以及运动位移相同，将金属管材平移至感应线圈202内合适的位置后停止电机转动。感应线圈202的规格同样根据管材的尺寸和加热宽度来选定，并将环形冷却模块3的喷嘴固定在管材端部的合适位置。

计算机需预先设置好需要加热到的目标温度th和保温时间t。当感应加热模块2对金属管材的加热部位进行加热过程中，红外热像仪402监测金属管材加热部位的表面温度变化，并将温度数据传输到计算机中。当计算机识别到金属管材实际表面温度t1达到目标温度th后，通过热源控制单元向高频感应加热设备201发送命令调整加热功率随即进入保温模式。之后计算机通过冷却调节控制单元控制加压泵开启，通过调节阀调整冷却介质流量达到预设值，对金属管材端部未加热部位进行喷水或喷气降温至冷却目标温度tl。此时感应加热模块2和环形冷却模块3均处于开启状态，使金属管材轴线方向的温度场呈梯度分布。

在整个梯度热处理过程中，红外热像仪402和计算机一直处于工作状态，实时监测金属管材表面的温度分布并按照程序进行自动反馈调节。加压泵开启后，金属管材表面的温度会整体下降，当红外热像仪402监测到高温区的温度t1低于设定的加热目标温度th时，计算机通过热源控制单元向高频感应加热设备201发送命令，增大功率来提高感应电流，使高温区的温度t1趋近于th。当红外热像仪402监测到管材端部的低温区温度t2高于设定的冷却目标温度tl时，计算机通过冷却调节控制单元会向调节阀发送调整命令，增大水流量或气流量来提高冷却速率，使管材端部温度逐步接近tl。由此该装置可以通过红外热像仪402监测传送的温度数据进行自动反馈调节，调整高频感应加热设备201和调节阀的工作状态，从而控制加热和冷却效果，使得金属管材高温区和端部冷却区的温度均稳定保持在目标温度，实现梯度热处理工艺。

应用本发明提供的用于金属管材无模热成形或热处理的装置，可用于金属管材的无模拉伸、无模压缩、局部热处理、梯度热处理等工艺，以实现多种功能的快速无模热成形和热处理。具体地，本发明装置通过伺服电机对丝杠的控制实现机架推板的稳定直线运行；通过将高频感应加热设备201作为热源，实现金属管材的局部快速加热；通过将环形冷却模块3设置为可沿金属管材轴向和径向移动，以调节金属管材的冷却速率和冷却效果；通过红外热像仪402对金属管材的温度变化进行实时监测，以及通过拉压力传感器401实时记录成形力的变化，能够有效地防止装置过热或过载；同时本发明装置设置多个控制单元，根据红外热像仪402和拉压力传感器401传送的温度数据和成形力数据进行反馈调节，改变机架推板的运动速度、运动位移等运动参数和热源的加热功率、加热时间等加热参数，以及冷却介质流量等冷却参数，实现精确可靠的工艺参数控制。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。