關(guān)于鑄造鈦合金管坯的旋壓成形及性能研究

李益生 范 翰

寶雞鈦業(yè)股份有限公司 陜西 寶雞 721014

引言

鈦合金材料，帶有典型性能優(yōu)勢，在較強(qiáng)的耐熱、耐腐蝕狀態(tài)下，于航空航天、石油化工、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，發(fā)揮自身科技價(jià)值。為了使這一材料的實(shí)用性得到優(yōu)化與補(bǔ)充，需通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對其旋壓加工工藝進(jìn)行分析。對此，本文設(shè)計(jì)了鈦合金管坯試驗(yàn)，在對其旋壓處理效果作出分析的同時(shí)，完成技術(shù)開發(fā)。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)材料使用中，通過對于真空自耗電極弧凝殼爐的應(yīng)用，完成鈦合金管坯的澆筑。在材料型號上，管坯內(nèi)徑φ115mm，管壁厚5mm-18mm。試驗(yàn)分析中，選用臥式雙旋輪數(shù)控旋壓機(jī)完成技術(shù)操作。旋輪形狀上，設(shè)置雙錐面結(jié)構(gòu)，并將Cr12MoV作為基本材質(zhì)，使其硬度滿足HRC55標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)工藝與參數(shù)

影響鈦合金筒形結(jié)構(gòu)的因素有很多，可以在旋壓方向、壁厚減薄率、進(jìn)給比、芯模轉(zhuǎn)速、旋模參數(shù)等多方面內(nèi)容中，都需要形成具體的技術(shù)工藝，并通過試驗(yàn)分析，確定具體的工藝參數(shù)。

2.1 旋壓方向

正旋、反旋在應(yīng)用效果上，表現(xiàn)出明顯的差異化。正旋狀態(tài)下，可以維持較低的旋轉(zhuǎn)壓力數(shù)值；而在反旋技術(shù)處理中，可以使材料處在三向壓力的最佳應(yīng)力塑性狀態(tài)下，且保證較短的輪行距離，完成生產(chǎn)效率的優(yōu)化，降低設(shè)備材料生產(chǎn)的成本消耗條件。

2.2 壁厚減薄率

壁厚的減薄率數(shù)值，會對其工件材料變形狀態(tài)造成影響。在流動旋壓的處理中，如果其中的道次減薄率數(shù)值較大，則會造成工件材料的畸形，并表現(xiàn)出鼓包、裂縫等問題。相反，如果道次減薄率相對較低，則會出現(xiàn)厚度不均勻的問題，降低工件的精度質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)，還會導(dǎo)致由材料結(jié)構(gòu)不均而引起的裂縫。對此，需要對材料的壁厚數(shù)值進(jìn)行控制，使其道次減薄率維持在20%-30%的數(shù)值區(qū)間內(nèi)。

2.3 進(jìn)給比

進(jìn)給比，是芯模完成一周旋轉(zhuǎn)后，沿母線產(chǎn)生的移動距離參數(shù)。在流動旋壓處理過程中，進(jìn)給比對于工件直徑狀態(tài)有明顯影響，并由此引發(fā)了擴(kuò)徑與縮徑狀態(tài)。通常情況下，為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)給比的控制與調(diào)整，通常采用較小的進(jìn)給比數(shù)值，來適應(yīng)較大的減薄率狀態(tài)。實(shí)踐處理中，可將0.3-2.5mm/r作為流動旋壓比的數(shù)據(jù)選擇區(qū)間，并在根據(jù)旋壓道次的壓下量，對工作運(yùn)行數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。

2.4 芯模轉(zhuǎn)速

增加芯模的轉(zhuǎn)速水平，是提高生產(chǎn)速率的直接途徑。但是，如果將芯轉(zhuǎn)速調(diào)整到較高的工作狀態(tài)，則會增加機(jī)床發(fā)生震動的概率。由此需要根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在結(jié)合機(jī)床設(shè)備實(shí)際運(yùn)行條件的基礎(chǔ)上，使其芯模轉(zhuǎn)速始終維持在100-200r/min區(qū)間內(nèi)，以保證整體質(zhì)量的控制狀態(tài)。

2.5 旋輪運(yùn)行參數(shù)

旋輪運(yùn)行過程中，其中的旋輪半徑數(shù)值，對于旋壓力度、內(nèi)徑精度、表面質(zhì)量等內(nèi)容，有較為深遠(yuǎn)的影響。實(shí)踐操作中，對于筒型件的旋壓處理需要在設(shè)備參數(shù)上，將工作圓半角徑的取值進(jìn)行控制，并按照公式R=（0.4—1.0）t0完成取值設(shè)計(jì)。

生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，如果旋輪工作角度較大，則工件的貼膜效果也相對較好，可以保持較高的精度條件，但也容易出現(xiàn)材料隆起的問題；如果旋輪工作角校對較小，則會降低貼膜狀態(tài)，導(dǎo)致擴(kuò)徑增大。在筒型件的處理中，需要需針對不同材料的硬度狀態(tài)，對工件的工作角進(jìn)行調(diào)整，以此保證結(jié)構(gòu)參數(shù)的使用狀態(tài)，維護(hù)技術(shù)應(yīng)用的合理性，避免出現(xiàn)材料使用問題。

2.6 旋輪間隙

筒型件的旋壓處理中，會在芯模與旋輪之間存在間隙條件。通常情況下，這種間隙應(yīng)限制在壁厚數(shù)值以內(nèi)，以此保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。而在旋壓工藝系統(tǒng)中，在旋壓處理的影響下，勢必會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)彈性變形的問題，并產(chǎn)生旋輪向芯模反方向的退讓。同時(shí)，當(dāng)旋壓件出現(xiàn)減薄變形之后，也會憑借自身的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一定程度的彈性恢復(fù)。對此，每道芯模與旋輪之間，都要根據(jù)其機(jī)床性能，進(jìn)行以實(shí)際機(jī)床設(shè)備為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)性現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)節(jié)，以此保證間隙結(jié)構(gòu)的有效性。

2.7 多輪旋壓錯(cuò)距

多輪結(jié)構(gòu)中，錯(cuò)距旋壓可以在完成一次旋壓行程之后，獲得具體的壁厚減薄率，過高或過低的錯(cuò)距參數(shù)，都會對旋件的質(zhì)量狀態(tài)造成影響。如果錯(cuò)距數(shù)值過高，則會出現(xiàn)多頭螺紋的旋轉(zhuǎn)軌跡。反之，如果錯(cuò)距水平較低，則會在各輪的干涉條件下，使其無法承受相應(yīng)的旋壓狀態(tài)，降低旋壓力的平衡狀態(tài)。對此，可以針對正旋或反旋的旋轉(zhuǎn)形式，調(diào)整輪間錯(cuò)距數(shù)值，并在獲得標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)距量的前提下，提高設(shè)備使用效果。

2.8 旋壓溫度

旋壓溫度，也是鈦合金旋壓處理中的重要參數(shù)條件。在坯料溫度逐漸升高的條件下，會使其變形抗力狀態(tài)不斷降低，并逐漸提高其伸長率數(shù)值，使其更易于完成旋壓處理。然而，如果溫度過高，并超出了一定的閾值，則會在坯料與芯模之間，形成較大的溫度差異，由于鈦合金的導(dǎo)熱性能相對較差，則會在工件的內(nèi)外表面，形成過高的溫差，并伴隨著初夏密集型裂紋。對此，需要對旋壓溫度進(jìn)行控制，在保證旋壓處理正常推進(jìn)的前提下，避免對材料造成負(fù)面損傷。

3 試驗(yàn)結(jié)論分析

3.1 表面質(zhì)量

鈦合金材料在旋壓處理中，由于受到坯料、工藝等多方面因素的影響，容易發(fā)生起皮、裂紋的缺陷性問題。對此，在確定坯料的前提下，需要對材料的工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在避免出現(xiàn)旋壓缺陷問題的同時(shí)，保證技術(shù)管理有效性，并對表面質(zhì)量問題的產(chǎn)生條件進(jìn)行控制。

裂紋問題的處理，應(yīng)從基本材料缺陷入手，盡可能地提高材料的均勻度，并在消除管坯材料氣孔、疏松度等問題的基礎(chǔ)上，提高工藝參數(shù)的合理性。尤其在工藝處理中，應(yīng)當(dāng)將道次變形率作為控制的核心，在避免出現(xiàn)塑性材料裂紋的同時(shí)，使工件的加工處理可以在合理化的溫度區(qū)間內(nèi)完成操作，防止熱應(yīng)力環(huán)境對材料產(chǎn)生破壞。而對于起皮問題的控制，則需將工作重點(diǎn)放在對于魚鱗狀毛刺的控制上。通過對壁厚減薄率、進(jìn)給比、旋輪工作角、加熱溫度等多方面應(yīng)用數(shù)值的控制，完成對于起皮問題的管理，以此保證鈦合金表面的平整度水平。例如，在旋壓處理溫度上，應(yīng)將最高溫度限定在750℃，由此避免旋輪前部產(chǎn)生的堆積問題，降低出現(xiàn)起皮問題的概率條件。

3.2 溫度管理

對于加熱溫度的分析，需要單獨(dú)進(jìn)行說明，并重視其在旋壓結(jié)構(gòu)中的影響效果，通過技術(shù)的細(xì)化、全面管理，保證整體旋壓控制溫度的管理狀態(tài)。管坯加熱處理過程中，可以提高材料的可塑性水平，并降低旋壓過程中的變形抗力條件。但如果溫度數(shù)據(jù)超出了一定數(shù)值區(qū)間，不僅會增加各種旋壓問題的發(fā)生概率，甚至還會對旋壓材料的使用壽命造成影響。實(shí)際問題不僅包含了上文提到的起皮現(xiàn)象，也會對其材料結(jié)構(gòu)造成危害。而在實(shí)際管理中可以通過紅外線測溫儀設(shè)備，補(bǔ)充材料的管理狀態(tài)，并在提高工件溫度控制水平的條件下，使其旋壓加工處理的質(zhì)量得到保障。實(shí)際操作中，針對第一道旋壓處理，其溫度應(yīng)盡可能地控制在600℃-700℃的區(qū)間內(nèi)，以保證旋壓處理的有效性。

3.3 組件性能

對于組件性能的分析，需對不同減薄率的旋壓管材料中進(jìn)行取樣，并分別在縱向與橫向的界面中，完成磨光、拋光、浸蝕等處理。然后，將完成采樣的取樣，放置在顯微鏡下進(jìn)行纖維組織觀察。在縱向截面的組織結(jié)構(gòu)中，晶體顆粒被壓扁，并形成細(xì)長狀態(tài)下的纖維組織。在減薄率不斷加大的條件下，這種纖維組織的視覺狀態(tài)越具有特殊性。在旋壓處理過程中，材料向軸向方向的伸長，并在徑向受力壓力的影響下，產(chǎn)生了這一壓扁拉長狀態(tài)下的鑄態(tài)晶粒結(jié)構(gòu)。尤其當(dāng)減薄率數(shù)值調(diào)整到42%以后，其粗大的鑄態(tài)晶體會被完全壓碎，并形成纖維組織結(jié)構(gòu)。而在橫向取樣中，晶粒結(jié)構(gòu)會沿著切向結(jié)構(gòu)被拉長，并在徑向狀態(tài)上，表現(xiàn)出明顯的被擠壓狀態(tài)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象，主要是由于旋壓減結(jié)構(gòu)受到輪向力作用的影響，在周向上，表現(xiàn)出明顯的剪切變形狀態(tài)。

在旋壓件微觀組織的不斷變化中，其力學(xué)性能也產(chǎn)生了一定變化。在不同減薄率狀態(tài)的影響下，其力學(xué)性能也會隨之發(fā)生改變。通常情況下，完成旋壓處理之后，旋壓件材料的強(qiáng)度指標(biāo)會明顯提升，并伴隨著出現(xiàn)可塑性指標(biāo)下降的數(shù)值變化。在端面收縮與伸長條件上，整體數(shù)值狀態(tài)可提高近30%。

4 總結(jié)

綜上，鑄造鈦合金管坯，帶有較好的可塑性，在多次施加旋壓的條件下，依然可以保證材料的使用狀態(tài)。在旋壓處理過程中，需要對各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行管理，以此保證旋壓技術(shù)的應(yīng)用效果，并在試驗(yàn)分析中，確定技術(shù)處理的各項(xiàng)核心數(shù)值，完成對于類型材料的技術(shù)性開發(fā)。