純鈦薄壁無縫管材矯直分析

楊曉康，蔡 軍

（1.西部鈦業(yè)有限責任公司，陜西 西安 710201；2.西安建筑科技大學 冶金工程學院，陜西 西安 710055）

純鈦薄壁無縫管材矯直分析

楊曉康1，蔡 軍2

（1.西部鈦業(yè)有限責任公司，陜西 西安 710201；2.西安建筑科技大學 冶金工程學院，陜西 西安 710055）

針對外徑與壁厚比值大于77.5的鈦薄壁管材矯直過程中易出現(xiàn)脹徑、縮徑、扭曲、壓扁等現(xiàn)象，從理論上進行分析，根據(jù)理論計算，結合公司現(xiàn)有七輥臥式矯直機特點，對?62mm×0.8mm規(guī)格純鈦薄壁管材進行矯直分析。結果表明：合理選擇管材送進速度、矯直輥夾角、壓下量、反彎量等參數(shù)，可有效確保管子在較小脹、縮徑條件下，獲得良好的直線度及表面質(zhì)量，達到標準要求。

管材矯直；鈦薄壁管；表面質(zhì)量；參數(shù)

隨著通信、電子及航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，對薄壁鈦管的需求和精度要求日益增加[1，2]。然而，在加熱、軋制和熱處理等過程中，由于溫度和塑性變形分布不均勻，以及剪切、運輸和堆放等原因，往往會產(chǎn)生不同程度的彎曲[3－5]。因此，在純鈦薄壁管材生產(chǎn)過程中，矯直是一個非常關鍵的工藝環(huán)節(jié)，矯直過程中速度、角度、反彎量、壓下量等參數(shù)的選擇對管材表面質(zhì)量、尺寸及直線度有較大影響。在生產(chǎn)實踐過程中發(fā)現(xiàn)：薄壁管材矯直時變徑現(xiàn)象嚴重、表面螺旋壓痕明顯，造成成品率低。針對薄壁管材的矯直，有資料介紹：在六輥矯直機上，采用彎曲矯直和對輥壓扁橢圓矯直相結合的方法能夠有效解決薄壁鈦管的矯直問題[6]。本文根據(jù)公司現(xiàn)有設備特點，結合生產(chǎn)實際，就D/t≥77.5的薄壁管材在七輥矯直機上矯直進行分析，旨在解決規(guī)模化生產(chǎn)過程中薄壁管材矯直問題，從而提高管材成品率。

1 實驗用料

選用設備：?40mm～?90mm七輥臥式矯直機

選用材料：Gr.1

管材規(guī)格：?62mm×0.8mm×L＞8000mm（D/t=77.5）

管材狀態(tài)：M態(tài)

管材數(shù)量：8支

2 矯直過程理論分析

2.1 矯直原理

矯直過程中，材料處于彈－塑性變化區(qū)間，材料本身仍遵循壓力加工中的四大基本定律，即體積不變定律、最小阻力定律、彈－塑性共存定律、最小能量定律。其基本原理是材料在幾對與管材前進方向呈一定角度并帶有雙曲線的輥子之間多次彎曲，使彎曲部分的彎曲度逐漸減小，同時，材料在一邊繞自身軸線旋轉一邊前進的工作過程中，每對輥間的壓力對管材圓周進行矯正，使其尺寸精度（橢圓度）得到改善，以達到矯直目的。

2.2 矯直過程速度分析

管材矯直主要受速度、角度、反彎量、壓下量等參數(shù)影響。在純鈦薄壁管材矯直過程中發(fā)現(xiàn)，當改變?nèi)我怀C直參數(shù)時，管材外徑都會發(fā)生不同程度的變化。針對這種情況，就矯直速度進行如下分析。矯直過程速度分解示意圖如圖1所示。

圖中：ω為矯直輥的角速度方向和大小；V0為矯直輥角速度所對應的線速度大小和方向；V直為管材前進速度和方向；V旋為管材在矯直輥中轉動的速度和方向；α為被矯直管材與矯直輥的夾角。

圖1 矯直過程速度分解示意圖

由圖1可得：

從式（1）、（2）可以看出：矯直過程中，管材的前進速度與矯直輥的速度和管材與矯直輥夾角成正比關系。當矯直輥速度V0一定時，V直和α成正比關系。即α越大，V直越大，反之越小。

2.3 矯直過程角度分析

生產(chǎn)中使用的七輥臥式矯直機主體示意圖如圖2所示。在矯直過程中，為保證管材直線度和表面質(zhì)量，三對矯直輥（1號、2號、3號）所對應的角度（α1、α2、α3）一致或大致相等，保證坯料與矯直輥無縫隙接觸。

圖2 七輥臥式矯直機主體示意圖

矯直時，當壓下量和反彎量一定時，改變角度，使α1＞α2＞α3，從式（1）V直＝V0×sinα可以得出：V直1＞V直2>V直3，即：被矯直的管材在與各矯直對輥接觸點之間形成速度差，在1號接觸點和2號接觸點之間形成一對與矯直軸線平行的拉力（圖3），在這種拉力作用下，管材被拉長，根據(jù)壓力加工四大定律中體積不變和最小阻力定律，外徑會有變小的趨勢，同樣在2號接觸點和3號接觸點之間也會有外徑變小的趨勢，即“縮徑”。

圖3 相鄰兩對矯直輥之間的力學關系

同理，當α1<α2<α3時，在1號對輥、2號對輥和3號對輥之間會有V直1

圖4 相鄰兩對矯直輥之間的力學關系

2.4 矯直過程反彎量、壓下量分析

反彎量的調(diào)整與管材外徑、壁厚、σs、E等因素成正比或反比關系；壓下量的調(diào)整和坯料的橢圓度成正比關系。反彎量過大容易造成管子扭曲，壓下量過大管子容易壓扁。在生產(chǎn)中對于薄壁鈦管材矯直反彎量選擇3mm～5mm，壓下量選擇0.4mm～0.6mm較為合適。

3 實例分析與討論

從生產(chǎn)中某批料隨機抽取8支?62mm×0.8mm×8000mm成品管材（M態(tài)），分為4組，每組2支，在每支管材上每隔1000mm標記一個點，測量該點的外徑尺寸，同時測量每支管子的直線度。測量結果如表1所示。

由表1中測試結果可以看出，當V直、反彎量、壓下量一定時，若α1>α2>α3，經(jīng)矯直的管材直線度差，測量管子同一部位外徑尺寸，發(fā)現(xiàn)較矯直前減小，出現(xiàn)“縮徑”現(xiàn)象；若α1<α2<α3，經(jīng)矯直的管材直線度差，測量管子同一部位外徑尺寸，發(fā)現(xiàn)較矯直前增大，出現(xiàn)“脹徑”現(xiàn)象；若α1=α2=α3，經(jīng)矯直的管材直線度較好，測量管子同一部位外徑尺寸基本無變化，實際測量結果有效驗證了理論分析。在實際生產(chǎn)過程中，矯直輥的夾角對薄壁管的矯直有很大影響。經(jīng)實踐測試分析，矯直輥選擇35°或40°夾角、壓下量0.5mm、反彎量4mm、管材進給速度0.1m/s，管材無壓扁、表面無壓痕、直線度好。

[1]張宏亮，許樹勤，張曉燕，等.TA2管材平錐模熱擠壓成形過程的有限元模擬[J].鍛壓裝備與制造技術，2009，44（6）：88-92.

[2]吳建軍，張 萍，何朝陽.大直徑薄壁彎管回彈的有限元模擬[J].鍛壓裝備與制造技術，2009，44（1）：79-81.

[3]王曉波.鈦及鈦合金小規(guī)格棒材的熱矯直方法探討[J].特鋼技術，2015，21（2）：54-56.

[4]吳建軍，何朝陽，張 萍.大直徑薄壁鈦管加熱彎曲成形的數(shù)值模擬[J].鍛壓技術，2008，33（4）：150-153.

[5]賴興濤，劉玉文.管材矯直輥輥型的設計方法[J].焊管，2001，24（4）：35-37.

[6]林 橋，楊英麗，郭荻子，等.薄壁鈦管的矯直[J].稀有金屬快報，2006，25（4）：25-27.

Straightening analysis of thin wall seamless pipe in pure titanium

YANG Xiaokang1,CAI Jun2
（1.Western Titanium Technologies Co.,Ltd.,Xi'an 710201,Shaanxi China; 2.School of Metallurgical Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,Shanxi China）

The defects including expanding diameter,reducing diameter,distortion and flattening have been occurred in the straightening process of thin wall seamless pipe in pure titanium with which the outer diameter and wall ratio is bigger than77.5.Based on the theoretical analysis and equipment characteristics of seven-roll horizontal straightener,the straightening analysis has been carried out toΦ62×0.8mmthin wall seamless titanium pipe.The results show that reasonable selection of parameters including feeding speed,angle of straightening roll,press-down volume and reverse amount can obtain good straightness and surface quality with lower expanding and reducing diameters,which can meet the standard requirement.

Thin wall titanium pipe;Straightening;Surface quality

表1 ?62mm×0.8mm×8000mm管材矯直情況

TG333.2+3

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.030

1672－0121（2016）04－0102－03

2016－03－20；

2016－05－30

西部材料創(chuàng)新基金項目（XBCL－3－19）；陜西省自然科學基金項目（2014JM6230）

楊曉康（1982－），男，工程師，從事鈦合金管材、板材成形工藝研究。E－mail：caijun＠xauat.edu.cn