旋轉(zhuǎn)反彎矯直技術(shù)在鈦合金精鍛棒材生產(chǎn)中的應(yīng)用

文／楊亞明，帖姍姍·寶雞鈦業(yè)股份有限公司

1940 年克羅爾完善了“鎂還原四氯化鈦”提煉鈦的方法，大地之子泰坦(Titans)開(kāi)始從試驗(yàn)室投身于工業(yè)化生產(chǎn)之中，之后鈦及鈦合金工業(yè)化生產(chǎn)得到了迅猛發(fā)展。近年來(lái)，世界鈦工業(yè)和鈦材加工技術(shù)已經(jīng)日臻成熟，海綿鈦、變形鈦合金和鈦合金加工材的生產(chǎn)和消費(fèi)都達(dá)到了很高的水平。在航空航天領(lǐng)域、艦艇及兵器等軍品制造中的應(yīng)用日益廣泛，在汽車、化學(xué)和能源等行業(yè)也有著巨大的應(yīng)用潛力。

由于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需要，鈦材生產(chǎn)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出各種類型：鈦棒、鈦板、鈦絲、鈦帶、鈦管、鈦箔等。其中，小規(guī)格的鈦合金棒材生產(chǎn)已經(jīng)初具規(guī)模，這類棒材具有規(guī)格小、支數(shù)多的特點(diǎn)，一般用精鍛機(jī)來(lái)生產(chǎn)可以保證生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的穩(wěn)定性。我公司擁有SXP-13 精鍛機(jī)一臺(tái)，JBLR-130 矯直機(jī)一臺(tái)，以及相應(yīng)的加熱設(shè)備，年生產(chǎn)精鍛棒材600t 左右。

棒材矯直的理論與發(fā)展

古語(yǔ)云“矯枉過(guò)正”，然而在金屬矯直領(lǐng)域，矯枉則必須過(guò)正，傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單反彎矯直法就是運(yùn)用了這種理論。如圖1 所示，我們定義條材ab 的原始彎曲狀態(tài)的曲率半徑為ρ0，矯直時(shí)所用的反彎半徑為ρ1，反彎達(dá)到a’b’狀態(tài)，此時(shí)解除外力，條材自由彈復(fù)到a”b”狀態(tài)，若a”b”是一條直線，則達(dá)到矯直的目的。不過(guò)，反彎量與原始彎曲量之間是非線性關(guān)系，而且受到材料塑性和斷面形狀的影響，所以實(shí)際生產(chǎn)中的矯直往往是通過(guò)多次反彎來(lái)減小條材的彎曲狀態(tài)，使其達(dá)到要求。

圖1 反彎矯直法原理圖

在簡(jiǎn)單反彎矯直法的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出旋轉(zhuǎn)反彎矯直理論。如圖2 所示，用于小規(guī)格管棒材矯直的斜輥式矯直機(jī)就是采用這種旋轉(zhuǎn)矯直理論。斜輥式矯直機(jī)矯輥表面為雙曲線繞軸旋轉(zhuǎn)而成的雙曲面，矯直時(shí)，棒材在矯輥摩擦帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，棒材軸向纖維經(jīng)受較大的彈塑性變形以后，彈復(fù)能力逐漸趨于一致。即使原始彎曲狀態(tài)不同，但由于各條纖維都經(jīng)過(guò)多次由小變大再由大變小的擠壓變形，棒材最終的彈復(fù)能力趨于一致，這種變形反復(fù)次數(shù)越多，彈復(fù)能力越接近，矯直效果越好。研究證明，斜輥式矯直機(jī)的矯直效果與以下條件有關(guān)：創(chuàng)造彎曲區(qū)的點(diǎn)數(shù)，至少為四點(diǎn)，即產(chǎn)生兩個(gè)有效的矯直反彎區(qū)；彎曲區(qū)的曲線長(zhǎng)度越長(zhǎng)矯直效果越好；矯輥斜角、輥距、輥縫之間必須保持合理的幾何關(guān)系。

圖2 旋轉(zhuǎn)反彎矯直原理圖

鈦合金精鍛棒材矯直技術(shù)的探究與改善

試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)分為兩組：試驗(yàn)一重點(diǎn)討論相同規(guī)格不同牌號(hào)的鈦合金精鍛棒材矯直效果與矯輥斜角之間的關(guān)系，試驗(yàn)二探索曲率長(zhǎng)度對(duì)鈦合金精鍛棒材矯直效果的影響。矯直后的棒材用校正平臺(tái)和塞尺進(jìn)行結(jié)果判定：校正后棒材的彎曲度不大于3mm/1000mm，則記為合格，彎曲度不大于1mm/1000mm，則記為優(yōu)秀。

試驗(yàn)設(shè)備為寶雞鈦業(yè)股份有限公司JBLR-130(2-2-2)式矯直機(jī)，試驗(yàn)材料為φ45mm 的TA2、TC4和Ti55511 鈦合金精鍛棒材。TA2、TC4 和Ti55511鈦合金精鍛棒材的力學(xué)性能見(jiàn)表1，常規(guī)退火工藝見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)材料力學(xué)性能

表2 試驗(yàn)材料的熱處理制度

試驗(yàn)一選擇φ45mm的TA2、TC4和Ti55511精鍛棒材，矯直機(jī)調(diào)節(jié)三組輥縫和矯輥斜角(輥縫φ44 ～φ44.5mm，矯輥斜角37.0°；輥縫φ44.5～φ45mm，矯輥斜角37.2°；輥縫φ43.5 ～φ44mm，矯輥斜角36.8°)進(jìn)行矯直，記錄矯直效果。

試驗(yàn)二選取φ45mm 的TC4 精鍛棒材進(jìn)行單次矯直。按進(jìn)料順序把2-2-2 式矯直機(jī)的三對(duì)矯輥依次定義為矯輥1、矯輥2、矯輥3。試驗(yàn)中，矯輥1和矯輥2 的斜角采用試驗(yàn)一中的最優(yōu)數(shù)據(jù)，適量增大矯輥3 的斜角和輥縫以增大第二個(gè)矯直反彎區(qū)的曲率半徑，記錄矯直效果。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)

⑴試驗(yàn)一第一次數(shù)據(jù)：輥縫φ44 ～φ44.5mm，矯輥斜角37.0°，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)一第一次數(shù)據(jù)

⑵試驗(yàn)一第二次數(shù)據(jù)：輥縫φ44.5 ～φ45mm，矯輥斜角37.2°，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)一第二次數(shù)據(jù)

⑶試驗(yàn)一第三次數(shù)據(jù)：輥縫φ43.5 ～φ44mm，矯輥斜角36.8°，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)一第三次數(shù)據(jù)

⑷試驗(yàn)二矯輥1、矯輥2 角度選擇試驗(yàn)一中矯直效果最好的37.0°，適當(dāng)增大矯輥3的角度進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表6。

表6 試驗(yàn)二矯輥3 角度放大的試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累

試驗(yàn)分析

通過(guò)試驗(yàn)一中三次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)分析可以看出：不同牌號(hào)的鈦合金精鍛棒材矯直效果與矯直機(jī)矯輥的輥縫和矯輥斜角有密切的關(guān)系，經(jīng)分析矯輥斜角為影響矯直效果的主導(dǎo)因素，輥縫則更多地影響矯直棒材的表面質(zhì)量。在試驗(yàn)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)矯直效果與坯料通過(guò)矯直機(jī)時(shí)所形成的旋彎曲線有關(guān)，從TA2到TC4 再到Ti55511，隨著材料塑性變差，硬度增大，要想達(dá)到矯直所需要的旋彎曲線，就必須減小矯直斜角。所以即便是規(guī)格相同的坯料，要想達(dá)到良好的矯直效果，必須考慮坯料自身塑性、硬度的影響。

通過(guò)試驗(yàn)二數(shù)據(jù)我們可以看出適當(dāng)?shù)脑黾映C輥3的斜角，使得第二個(gè)矯直反彎區(qū)的反彎半徑變大，相應(yīng)地增大了反彎區(qū)的曲線長(zhǎng)度，可以改善矯直效果。然而當(dāng)矯輥3 的斜角超過(guò)某一極限角度時(shí)，矯直質(zhì)量將急劇下降，分析原因?yàn)槌C輥3 的斜角過(guò)度增大時(shí)不能形成有效的矯直反彎區(qū)，不能保證矯直效果。

結(jié)論

⑴鈦合金精鍛棒材矯直時(shí)，矯輥斜角與棒材直徑?jīng)]有形成嚴(yán)格的線性關(guān)系，考慮到材料塑性、硬度對(duì)矯直反彎曲線的影響，對(duì)于塑性差，硬度大的牌號(hào)要適當(dāng)減小矯輥斜角，以保證矯直所需的反彎曲線。

⑵對(duì)于(2-2-2)式管棒矯直機(jī)，適當(dāng)?shù)脑黾映C輥的斜角，使得反彎半徑增大，改善矯直效果。但是角度過(guò)大時(shí)，則不能形成有效的矯直反彎區(qū)，矯直效果急劇下降。