CN109127771B - 一种利用多层金属极薄带卷复合制备无缝管的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用多层金属极薄带卷复合制备无缝管的方法，包括以下步骤：(1)根据芯杆粗段直径、极薄带厚度和预缠绕外径，计算并剪裁极薄带；(2)将极薄带按缠绕在芯杆上，固定并压实；(3)将包裹有芯杆的极薄带卷穿过成型辊组的孔型，通过拔制力施加装置对芯杆进行拉拔，极薄带卷在芯杆粗段和成型辊组之间被轧制变形；(4)退火处理；(5)冷拔减壁定径。本发明的方法可以使金属极薄带卷经一次冷成型制成无缝管坯，简化工序并且降低成本；成品可被制造出更多规格，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种利用多层金属极薄带卷复合制备无缝管的方法。
背景技术
金属无缝管是一种具有中空截面、周边没有接缝的长条管材，因其具有中空截面，与等直径的实心圆钢相比具有同样的抗扭强度的同时兼具重量较轻等优点，被广泛的应用于流体运输管、石油钻杆、汽车传动轴、自行车架和钢脚手架等，随着微成型、微制造的发展，小口径无缝管的制备更是逐渐成为研究热点之一；以医疗领域为例，在微创介入医学工程迅速发展的背景下，微创器械与微材料也逐渐蓬勃发展；根据治疗疾病的不同，其可分为心血管介入器械、脑血管介入器械以及外周血管介入器械等；各类支架因需要用于人体软组织的修复和替代，故对所使用的金属管坯在尺寸和性能上都有特别的要求，例如尺寸公差小、平直度要求高、良好的生物相容性、强力支撑性能以及适当的溶解性能。
相比其他类型加工产品如板、棒、条、锻件等，无缝金属管材是一种工序长、加工工艺复杂且加工难度大的产品；现有的无缝管材制备方法包括锻压成型、斜轧穿孔、等径角挤压、径角管材挤压与热挤压相结合等方法；锻压成型是锻造成型和冲压成型的合称，是利用锻压机械的锤头、砧块或冲头通过模具对坯料施加压力，使之产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的制件的成型加工方法；其基本工序主要有墩粗、拔长和冲孔，存在着加工流程长且浪费金属等缺点；斜轧穿孔包括二辊斜轧穿孔与三辊斜轧穿孔等，二辊斜轧穿孔法是利用坯料沿纵向上的拉应力作用，使圆坯轴心区金属产生微裂纹，继而扩展为疏松区，穿孔时顶头的阻力使得内外表面速度不同产生剪切应变，轴心金属出现疏松时顶头参与塑性加工，将实心坯穿成毛管的加工方法；二辊斜轧穿孔存在孔腔中心破裂等问题，三辊斜轧穿孔为消除该问题，在顶头前的管坯的中心部分只承受压应力；但三辊斜轧仍存在着穿孔工艺参数控制复杂，常导致金属流动阻力较大，发生轧卡或穿出毛管偏心严重，管内外表面质量差，顶头磨损严重等问题。等径角挤压或径角管材挤压与热挤压相结合方法是制备组织超细晶化管材的有效方法，但存在加工过程中摩擦过大，工艺参数难以控制，能量消耗大等缺点。
发明内容
针对现有无缝管制备在技术上存在的上述不足，本发明提供一种利用多层金属极薄带卷复合制备无缝管的方法，将卷绕在芯杆上的多层极薄带卷通过辊拔方法，使其通过孔型时产生剧烈塑性变形，在强压力的作用下形成初始复合，然后进行退火处理，在层间界面处形成扩散区，保证了复合界面的冶金结合。简化工序降低成本的同时，获得目标尺寸及性能的无缝管。
本发明的利用多层金属极薄带卷制复合制备无缝管的方法包括以下步骤：
1、制备原料：已知芯杆粗段直径、极薄带厚度和预缠绕外径，计算用于卷制的极薄带的层数、宽度和长度，根据计算结果剪裁获得相应尺寸的极薄带；计算所依据的公式分别为：
t＝D0/2H0-D1/2H0， (1)
L＝πt D1+π(t+1)tH0， (2)
和
W0＝L3+50mm； (3)
式中：t为需卷制极薄带层数；D0为预缠绕外径，单位为mm；D1为芯杆粗段直径，单位为mm；H0为极薄带厚度，单位为mm；L为需裁剪极薄带长度，单位为mm；W0为需裁剪极薄带宽度，单位为mm；L3为芯杆粗段的长度，单位为mm；所述的芯杆包括芯杆粗段、芯杆细段及两者之间的芯杆过渡段，并且芯杆细段一侧的端部设有螺纹段；将剪裁后的极薄带清洗去除油污，然后打磨至表面为毛面，再清洗去除表面碎屑；所述的极薄带的材质选用锌合金、铝合金或纯铜；将芯杆表面清理干净；
2、卷制极薄带卷：将极薄带按设定层数沿长度方向紧密缠绕在芯杆上并固定，其中极薄带的一个侧边与芯杆粗段的端部对齐；然后对极薄带进行压实处理，使芯杆细段和芯杆过渡段与极薄带贴合在一起，再用胶带将极薄带外表面粘接固定，使极薄带形成极薄带卷；
3、拔制复合：将内部包裹有芯杆的极薄带卷穿过成型辊组的孔型，芯杆细段与芯杆过渡段的交界处位于孔型内部，芯杆的螺纹段与装卡机构装配在一起；通过拔制力施加装置带动装卡机构对芯杆进行拉拔，使芯杆粗段通过孔型，带动极薄带卷穿过孔型，极薄带卷在芯杆粗段和成型辊组之间被轧制变形完成拔制复合，形成无缝管坯；
4、退火处理：将无缝管坯与芯杆分离后进行退火处理，获得退火管；
5、冷拔减壁定径：利用固定模拉拔装置对退火管进行减径减壁，然后在定径机上进行轧制，制成所需尺寸的无缝管。
上述的极薄带的厚度为10～300μm；芯杆粗段直径为3～12mm，芯杆细段直径为芯杆粗段直径的1/2～9/10。
上述方法中，极薄带卷的层数为2～40层。
上述方法中，当极薄带的材质为锌合金时，步骤4退火处理是先加热到300～380℃，保温0.1～2小时，随炉冷却至常温；当极薄带的材质为铝合金时，步骤4退火处理是先加热到350～500℃，保温2～8小时，随炉冷却至常温；当极薄带的材质为纯铜时，步骤4退火处理是先加热到600～700℃，保温1～2小时，随炉冷却至常温。
上述的步骤3中，极薄带卷被拉拔后的变形量在50～60％，根据拉拔前后极薄带卷的变形量设定孔型的直径。
上述的步骤3中，进行拔制复合采用的装置为辊拔成型装置，该装置包括成型辊组、固定与调整装置、装卡机构、拔制力施加装置和平台装置；所述的成型辊组由多个孔型辊组成，各孔型辊围成的空隙构成孔型；固定与调整装置包括牌坊和卡槽，成型辊组的各孔型辊的轴承装配在牌坊的轴承座上，牌坊的两侧固定在卡槽内；卡槽通过螺栓固定在平台装置的一侧，平台装置的另一侧固定有拔制力施加装置；所述的拔制力施加装置为卷筒装置或液压缸装置；所述的卷筒装置由三相异步电动机、减速机和卷筒装配在一起组成；所述的液压缸装置由缸体、前端盖和活塞杆装配在一起组成；装卡机构位于拔制力施加装置和成型辊组之间，所述的装卡机构由卡环和双螺纹孔连接头组成，所述的卡环由圆环部分和螺杆部分构成一体结构，所述的双螺纹孔连接头两端均设有内螺纹；进行拔制复合时，卡环与拔制力施加装置装配在一起，卡环的螺杆部分与双螺纹孔连接头通过螺纹连接，双螺纹孔连接头与芯杆通过螺纹连接，启动拔制力施加装置带动装卡机构移动，进而带动芯杆移动对极薄带卷进行拔制复合。
上述方法中，当拔制力施加装置为卷筒装置时，卷筒与装卡机构之间设有导向辊，导向辊上设有钢丝绳，钢丝绳的一端装配在卷筒上，另一端与滑动吊钩的前端固定连接，滑动吊钩的后端与卡环套在一起；进行拔制复合时，通过卷筒拉动钢丝绳向卷筒方向移动，带动极薄带卷移动。
上述方法中，当拔制力施加装置为液压缸装置时，活塞杆的前端装配有滑轮，滑轮上的钢丝绳一端固定连接在卡环上，钢丝绳绕过滑轮后另一端固定在钢丝绳固定座上；进行拔制复合时，通过液压缸装置的活塞杆向缸体方向移动，带动滑轮以及极薄带卷移动。
上述方法中，卡槽通过螺栓在平台装置上固定，平台装置上设有若干螺栓孔，通过将卡槽安装在不同的螺栓孔上，调节卡槽在平台装置上的位置。
本发明的方法可以使金属极薄带卷经一次冷成型制成无缝管坯，简化工序并且降低成本；退火处理目的是增强金属极薄带间的结合度，因随温度升高，界面两侧元素扩散加剧有利于复合；原料为满足使用性能的金属极薄带材，更容易加工和获取；成品可被制造出更多规格，具有良好的应用前景。
附图说明
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍；对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的利用多层金属极薄带卷复合制备无缝管的方法流程示意图；
图2为本发明实施例1中的辊拔成型装置结构示意图；
图3为图2的俯视图；
图4为本发明实施例2中的辊拔成型装置结构示意图；
图5为本发明实施例1中的辊拔成型装置中成型辊组部分结构示意图；
图6为图5的A-A向剖面结构示意图；
图7为本发明实施例2中的辊拔成型装置中成型辊组部分结构示意图；
图8为本发明实施例中的备料过程中计算极薄带尺寸的等价示意图；
图9为本发明实施例中的芯杆结构示意图；
图10为本发明实施例1中的卷制极薄带卷过程示意图；图中白色曲线箭头指示方向为芯杆转动方向；白色直线箭头指示方向为流程进行步骤；
图11为本发明实施例中1拔制复合过程中极薄带卷变形过程示意图；
图中：1、卷筒，2、减速机，3、钢丝绳，4、导向辊，5、滑轮吊钩，6、卡环，7、双螺纹孔连接头，8、芯杆(套有极薄带卷)，9、三辊牌坊，10、三辊成型辊组，11、卡槽，12、操作平台，13、螺栓，14、支架，15、垫块，16、拔制装置固定座，17、键，18、三相异步电动机，19、缸体，20、前端盖，21、活塞杆，22、滑轮，23、钢丝绳固定座，24、四辊牌坊，25、四辊成型辊组，26、轴承座，27、螺栓孔，28、中间层，29、极薄带，30、极薄带卷，31、孔型辊，32、无缝管坯，L0、螺纹段长度，L1、芯杆细段长度，L2、芯杆过渡段长度，L3、芯杆粗段长度。
具体实施方式
本发明的芯杆的材质选用304不锈钢。
本发明实施例中将极薄带打磨是采用砂纸或打磨机。
本发明实施例中为便于拔制后使极薄带卷与芯杆脱离，在制备极薄带卷前，先用石墨纸将芯杆包裹，然后卷制极薄带卷；所述的石墨纸为市购产品，厚度0.1mm。
本发明实施例中支架选用角钢制作而成。
本发明实施例中钢丝绳直径为6mm，且为防旋转类型。
本发明实施例中芯杆的结构如图9所示，芯杆粗段的长度L3为170mm，芯杆细段的长度L1为90mm，芯杆过渡段的长度L2为40mm，螺纹段的长度L0为10/20mm。
本发明实施例中芯杆表面清理是采用酒精擦洗。
本发明实施例中采用的锌合金的成分按质量百分比为Zn 99.3％，Mg/0.272％，Mn0.03％，Al<0.01％。
本发明实施例中采用的铝合金的成分按质量百分比为Si 0.25％，Cu 0.015％，Mg0.01％，Zn 0.07％，Mn 0.01％，Ti 0.01％，Fe 0.32％，V 0.03％，余量为Al。
本发明实施例中采用的纯铜为T2纯铜。
本发明实施例中固定模拉拔设备为可将退火管减径减壁，最终加工为接近目标产品尺寸的一组拥有不同模孔直径的固定模的拉拔设备。
本发明实施例中定径机是将接近目标尺寸的产品进行定径轧制，得到目标尺寸外形的最终成品的孔型轧机。
本发明实施例中在定径机上进行轧制后精整入库。
本发明实施例中当减径减壁后出现加工硬化时，对减径减壁后的退火管进行二次退火，二次退火的参数与步骤4的退火处理参数相同，使无缝管晶粒再长大，防止缺陷出现和后续工序困难的问题。
本发明实施例中计算层数时按整数计算。
本发明制备的无缝管产品符合相应国家标准中的无缝管的要求。
实施例1
流程如图1所示；
采用厚度H0＝0.2mm的锌合金极薄带；采用的芯杆结构如图9所示，其中芯杆粗段的直径D1＝7.35mm，芯杆粗段的长度L3＝170mm；芯杆细段直径为芯杆粗段直径的4/5；
设定预缠绕外径D0＝10.35mm，根据公式(1)，需卷制极薄带层数t＝10.35/0.4-7.35/0.4＝7.5，取整为8层；
根据公式(2)，所需极薄带的长度L＝π×8×7.35+π×(8+1)×8×0.2＝230mm；
根据公式(3)，所需极薄带的宽度W0＝170+50＝220mm；
备料过程中计算极薄带尺寸的等价计算方式如图8所示；
按上述尺寸裁剪所需尺寸极薄带；将极薄带清洗去除油污，然后打磨至表面为毛面，再清洗去除表面碎屑；
将芯杆表面清理干净；
卷制极薄带卷过程如图10所示；先用石墨纸包裹芯杆8，在芯杆8外构成中间层28；将极薄带29按设定层数沿长度方向紧密缠绕在芯杆8上并固定，其中极薄带29的一个侧边与芯杆粗段的端部对齐；然后对极薄带29进行压实处理，使芯杆细段和芯杆过渡段与极薄带29贴合在一起，再用胶带将极薄带29的外表面粘接固定，使极薄带形成极薄带卷；
准备辊拔成型装置，该装置结构如图2所示，俯视图如图3所示，包括成型辊组、固定与调整装置、装卡机构、拔制力施加装置和平台装置；成型辊组是由三个孔型辊组成的三辊成型辊组10，各孔型辊围成的空隙构成孔型，结构如图5所示，A-A向剖面结构如图6所示；固定与调整装置包括三辊牌坊9和卡槽11，三辊成型辊组10的各孔型辊的轴承装配在三辊牌坊9的轴承座上，三辊牌坊9的两侧固定在卡槽11内；
平台装置包括操作平台12，操作平台12的下方设有支架14，支架14的底部设有垫块15；
卡槽11通过螺栓13固定在平台装置的操作平台12的一侧，平台装置的操作平台12的另一侧固定有拔制力施加装置；
拔制力施加装置为卷筒装置，由三相异步电动机18、减速机2和卷筒1装配在一起组成；拔制力施加装置设置在拔制装置固定座16上，装置固定座16通过螺栓固定在操作平台12上；
装卡机构位于拔制力施加装置和成型辊组之间，由卡环6和双螺纹孔连接头7组成，卡环6由圆环部分和螺杆部分构成一体结构，双螺纹孔连接头7两端均设有内螺纹；进行拔制复合时，卡环6与拔制力施加装置装配在一起，卡环6的螺杆部分与双螺纹孔连接头7通过螺纹连接，双螺纹孔连接头7与芯杆8通过螺纹连接，启动拔制力施加装置带动装卡机构移动，进而带动芯杆8移动对极薄带卷进行拔制复合；
卷筒1与装卡机构之间设有导向辊4，导向辊4通过导向辊4固定在操作平台12上，导向辊4上设有钢丝绳3，钢丝绳3的一端固定在卷筒1上，另一端与滑动吊钩5的前端固定连接，卷筒1通过健17与电机轴装配在一起，滑动吊钩5的后端与卡环6套在一起；进行拔制复合时，通过卷筒1旋转拉动钢丝绳3向卷筒1方向移动，带动芯杆8上的极薄带卷30移动；
操作平台12上设有若干螺栓孔，通过将卡槽11安装在不同的螺栓孔上，调节卡槽11在平台装置上的位置；
拔制复合过程如图11所示，将内部包裹有芯杆8的极薄带卷30穿过三辊成型辊组10的孔型，芯杆细段与芯杆过渡段的交界处位于孔型内部，芯杆的螺纹段与装卡机构装配在一起；通过拔制力施加装置带动装卡机构对芯杆8进行拉拔，使芯杆粗段通过孔型，带动极薄带卷30穿过孔型，极薄带卷30在芯杆粗段和孔型辊31之间被轧制变形完成拔制复合，形成无缝管坯32；
将无缝管坯与芯杆分离后进行退火处理，退火处理后随炉冷却至室温，获得退火管；
利用固定模拉拔装置对退火管进行减径减壁，然后在定径机上进行轧制，制成所需尺寸的无缝管；
其中退火处理的加热温度为350℃，保温时间2小时，随炉冷却至常温；极薄带卷被拉拔后的变形量55％，根据拉拔前后极薄带卷的变形量设定孔型的直径。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
(1)采用厚度H0＝0.09mm的纯铜极薄带；设定预缠绕外径D0＝12mm；芯杆粗段的直径D1＝8mm，芯杆细段直径为芯杆粗段直径的3/4；需卷制极薄带层数t＝23；所需极薄带的长度L＝734mm；卷制极薄带卷时不包裹石墨纸；
(2)准备辊拔成型装置结构如图4所示，其中成型辊组是由四个孔型辊组成的四辊成型辊组25，各孔型辊围成的空隙构成孔型，结构如图7所示；固定与调整装置包括四辊牌坊24和卡槽11，四辊成型辊组25的各孔型辊的轴承装配在四辊牌坊24的轴承座上，四辊牌坊24的两侧固定在卡槽11内；
(3)所述的拔制力施加装置为液压缸装置，由缸体19、前端盖20和活塞杆21装配在一起组成；不设置导向辊，活塞杆21的前端装配有滑轮22，滑轮22上的钢丝绳3一端固定连接在卡环6上，钢丝绳3绕过滑轮22后另一端固定在钢丝绳固定座23上，钢丝绳固定座23位于成型辊组一侧；进行拔制复合时，通过液压缸装置的活塞杆21向缸体19方向移动，带动滑轮22以及极薄带卷移动穿过孔型；
(4)退火处理的加热温度为650℃，时间,5小时，极薄带卷被拉拔后的变形量60％.
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
(1)极薄带材质为铝合金；卷制极薄带卷时不包裹石墨纸；
(2)极薄带卷被拉拔后的变形量50％。
Claims (8)
1.一种利用多层金属极薄带卷复合制备无缝管的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)制备原料：已知芯杆粗段直径、极薄带厚度和预缠绕外径，计算用于卷制的极薄带的层数、宽度和长度，根据计算结果剪裁获得相应尺寸的极薄带；计算所依据的公式分别为：
t＝D0/2H0-D1/2H0， (1)
L＝πt D1+π(t+1)tH0， (2)
和
W0＝L3+50mm； (3)
式中：t为需卷制极薄带层数；D0为预缠绕外径，单位为mm；D1为芯杆粗段直径，单位为mm；H0为极薄带厚度，单位为mm；L为需裁剪极薄带长度，单位为mm；W0为需裁剪极薄带宽度，单位为mm；L3为芯杆粗段的长度，单位为mm；所述的芯杆包括芯杆粗段、芯杆细段及两者之间的芯杆过渡段，并且芯杆细段一侧的端部设有螺纹段；将剪裁后的极薄带清洗去除油污，然后打磨至表面为毛面，再清洗去除表面碎屑；所述的极薄带的材质选用锌合金、铝合金或纯铜；将芯杆表面清理干净；
(2)卷制极薄带卷：将极薄带按设定层数沿长度方向紧密缠绕在芯杆上并固定，其中极薄带的一个侧边与芯杆粗段的端部对齐；然后对极薄带进行压实处理，使芯杆细段和芯杆过渡段与极薄带贴合在一起，再用胶带将极薄带外表面粘接固定，使极薄带形成极薄带卷；
(3)拔制复合：将内部包裹有芯杆的极薄带卷穿过成型辊组的孔型，芯杆细段与芯杆过渡段的交界处位于孔型内部，芯杆的螺纹段与装卡机构装配在一起；通过拔制力施加装置带动装卡机构对芯杆进行拉拔，使芯杆粗段通过孔型，带动极薄带卷穿过孔型，极薄带卷在芯杆粗段和成型辊组之间被轧制变形完成拔制复合，形成无缝管坯；
(4)退火处理：将无缝管坯与芯杆分离后进行退火处理，获得退火管；
(5)冷拔减壁定径：利用固定模拉拔装置对退火管进行减径减壁，然后在定径机上进行轧制，制成所需尺寸的无缝管。
2.根据权利要求1所述的一种利用多层金属极薄带卷复合制备无缝管的方法，其特征在于所述的极薄带的厚度为10～300μm，芯杆粗段直径为3～12mm，芯杆细段直径为芯杆粗段直径的1/2～9/10。
3.根据权利要求1所述的一种利用多层金属极薄带卷复合制备无缝管的方法，其特征在于所述的极薄带卷的层数为2～40层。
4.根据权利要求1所述的一种利用多层金属极薄带卷复合制备无缝管的方法，其特征在于当极薄带的材质为锌合金时，步骤(4)退火处理是先加热到300～380℃，保温0.1～2小时，随炉冷却至常温；当极薄带的材质为铝合金时，步骤(4)退火处理是先加热到350～500℃，保温2～8小时，随炉冷却至常温；当极薄带的材质为纯铜时，步骤(4)退火处理是先加热到600～700℃，保温1～2小时，随炉冷却至常温。
5.根据权利要求1所述的一种利用多层金属极薄带卷复合制备无缝管的方法，其特征在于步骤(3)中，极薄带卷被拉拔后的变形量在50～60％，根据拉拔前后极薄带卷的变形量设定孔型的直径。
6.根据权利要求1所述的一种利用多层金属极薄带卷复合制备无缝管的方法，其特征在于步骤(3)中，进行拔制复合采用的装置为辊拔成型装置，该装置包括成型辊组、固定与调整装置、装卡机构、拔制力施加装置和平台装置；所述的成型辊组由多个孔型辊组成，各孔型辊围成的空隙构成孔型；固定与调整装置包括牌坊和卡槽，成型辊组的各孔型辊的轴承装配在牌坊的轴承座上，牌坊的两侧固定在卡槽内；卡槽通过螺栓固定在平台装置的一侧，平台装置的另一侧固定有拔制力施加装置；所述的拔制力施加装置为卷筒装置或液压缸装置；所述的卷筒装置由三相异步电动机、减速机和卷筒装配在一起组成；所述的液压缸装置由缸体、前端盖和活塞杆装配在一起组成；装卡机构位于拔制力施加装置和成型辊组之间，所述的装卡机构由卡环和双螺纹孔连接头组成，所述的卡环由圆环部分和螺杆部分构成一体结构，所述的双螺纹孔连接头两端均设有内螺纹；进行拔制复合时，卡环与拔制力施加装置装配在一起，卡环的螺杆部分与双螺纹孔连接头通过螺纹连接，双螺纹孔连接头与芯杆通过螺纹连接，启动拔制力施加装置带动装卡机构移动，进而带动芯杆移动对极薄带卷进行拔制复合。
7.根据权利要求6所述的一种利用多层金属极薄带卷复合制备无缝管的方法，其特征在于当拔制力施加装置为卷筒装置时，卷筒与装卡机构之间设有导向辊，导向辊上设有钢丝绳，钢丝绳的一端装配在卷筒上，另一端与滑动吊钩的前端固定连接，滑动吊钩的后端与卡环套在一起；进行拔制复合时，通过卷筒拉动钢丝绳向卷筒方向移动，带动极薄带卷移动。
8.根据权利要求6所述的一种利用多层金属极薄带卷复合制备无缝管的方法，其特征在于当拔制力施加装置为液压缸装置时，活塞杆的前端装配有滑轮，滑轮上的钢丝绳一端固定连接在卡环上，钢丝绳绕过滑轮后另一端固定在钢丝绳固定座上；进行拔制复合时，通过液压缸装置的活塞杆向缸体方向移动，带动滑轮以及极薄带卷移动。
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