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      關(guān)于鑄造鈦合金管坯的旋壓成形及性能研究

      2019-02-19 04:07:18李益生
      關(guān)鍵詞:旋輪薄率芯模

      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)。

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