关于铸造钛合金管坯的旋压成形及性能研究

2019-02-19李益生

城市建设理论研究（电子版） 2019年13期

李益生范翰

宝鸡钛业股份有限公司陕西宝鸡 721014

引言

钛合金材料，带有典型性能优势，在较强的耐热、耐腐蚀状态下，于航空航天、石油化工、生物医学等领域，发挥自身科技价值。为了使这一材料的实用性得到优化与补充，需通过试验设计，对其旋压加工工艺进行分析。对此，本文设计了钛合金管坯试验，在对其旋压处理效果作出分析的同时，完成技术开发。

1 试验条件

试验材料使用中，通过对于真空自耗电极弧凝壳炉的应用，完成钛合金管坯的浇筑。在材料型号上，管坯内径φ115mm，管壁厚5mm-18mm。试验分析中，选用卧式双旋轮数控旋压机完成技术操作。旋轮形状上，设置双锥面结构，并将Cr12MoV作为基本材质，使其硬度满足HRC55标准。

2 试验工艺与参数

影响钛合金筒形结构的因素有很多，可以在旋压方向、壁厚减薄率、进给比、芯模转速、旋模参数等多方面内容中，都需要形成具体的技术工艺，并通过试验分析，确定具体的工艺参数。

2.1 旋压方向

正旋、反旋在应用效果上，表现出明显的差异化。正旋状态下，可以维持较低的旋转压力数值；而在反旋技术处理中，可以使材料处在三向压力的最佳应力塑性状态下，且保证较短的轮行距离，完成生产效率的优化，降低设备材料生产的成本消耗条件。

2.2 壁厚减薄率

壁厚的减薄率数值，会对其工件材料变形状态造成影响。在流动旋压的处理中，如果其中的道次减薄率数值较大，则会造成工件材料的畸形，并表现出鼓包、裂缝等问题。相反，如果道次减薄率相对较低，则会出现厚度不均匀的问题，降低工件的精度质量，严重时，还会导致由材料结构不均而引起的裂缝。对此，需要对材料的壁厚数值进行控制，使其道次减薄率维持在20%-30%的数值区间内。

2.3 进给比

进给比，是芯模完成一周旋转后，沿母线产生的移动距离参数。在流动旋压处理过程中，进给比对于工件直径状态有明显影响，并由此引发了扩径与缩径状态。通常情况下，为了实现进给比的控制与调整，通常采用较小的进给比数值，来适应较大的减薄率状态。实践处理中，可将0.3-2.5mm/r作为流动旋压比的数据选择区间，并在根据旋压道次的压下量，对工作运行数值进行调整。

2.4 芯模转速

增加芯模的转速水平，是提高生产速率的直接途径。但是，如果将芯转速调整到较高的工作状态，则会增加机床发生震动的概率。由此需要根据实际经验，在结合机床设备实际运行条件的基础上，使其芯模转速始终维持在100-200r/min区间内，以保证整体质量的控制状态。

2.5 旋轮运行参数

旋轮运行过程中，其中的旋轮半径数值，对于旋压力度、内径精度、表面质量等内容，有较为深远的影响。实践操作中，对于筒型件的旋压处理需要在设备参数上，将工作圆半角径的取值进行控制，并按照公式R=（0.4—1.0）t0完成取值设计。

生产实践中发现，如果旋轮工作角度较大，则工件的贴膜效果也相对较好，可以保持较高的精度条件，但也容易出现材料隆起的问题；如果旋轮工作角校对较小，则会降低贴膜状态，导致扩径增大。在筒型件的处理中，需要需针对不同材料的硬度状态，对工件的工作角进行调整，以此保证结构参数的使用状态，维护技术应用的合理性，避免出现材料使用问题。

2.6 旋轮间隙

筒型件的旋压处理中，会在芯模与旋轮之间存在间隙条件。通常情况下，这种间隙应限制在壁厚数值以内，以此保证结构的稳定性。而在旋压工艺系统中，在旋压处理的影响下，势必会出现结构弹性变形的问题，并产生旋轮向芯模反方向的退让。同时，当旋压件出现减薄变形之后，也会凭借自身的结构，实现一定程度的弹性恢复。对此，每道芯模与旋轮之间，都要根据其机床性能，进行以实际机床设备为基础的经验性现场生产调节，以此保证间隙结构的有效性。

2.7 多轮旋压错距

多轮结构中，错距旋压可以在完成一次旋压行程之后，获得具体的壁厚减薄率，过高或过低的错距参数，都会对旋件的质量状态造成影响。如果错距数值过高，则会出现多头螺纹的旋转轨迹。反之，如果错距水平较低，则会在各轮的干涉条件下，使其无法承受相应的旋压状态，降低旋压力的平衡状态。对此，可以针对正旋或反旋的旋转形式，调整轮间错距数值，并在获得标准错距量的前提下，提高设备使用效果。

2.8 旋压温度

旋压温度，也是钛合金旋压处理中的重要参数条件。在坯料温度逐渐升高的条件下，会使其变形抗力状态不断降低，并逐渐提高其伸长率数值，使其更易于完成旋压处理。然而，如果温度过高，并超出了一定的阈值，则会在坯料与芯模之间，形成较大的温度差异，由于钛合金的导热性能相对较差，则会在工件的内外表面，形成过高的温差，并伴随着初夏密集型裂纹。对此，需要对旋压温度进行控制，在保证旋压处理正常推进的前提下，避免对材料造成负面损伤。

3 试验结论分析

3.1 表面质量

钛合金材料在旋压处理中，由于受到坯料、工艺等多方面因素的影响，容易发生起皮、裂纹的缺陷性问题。对此，在确定坯料的前提下，需要对材料的工艺参数进行调整，在避免出现旋压缺陷问题的同时，保证技术管理有效性，并对表面质量问题的产生条件进行控制。

裂纹问题的处理，应从基本材料缺陷入手，尽可能地提高材料的均匀度，并在消除管坯材料气孔、疏松度等问题的基础上，提高工艺参数的合理性。尤其在工艺处理中，应当将道次变形率作为控制的核心，在避免出现塑性材料裂纹的同时，使工件的加工处理可以在合理化的温度区间内完成操作，防止热应力环境对材料产生破坏。而对于起皮问题的控制，则需将工作重点放在对于鱼鳞状毛刺的控制上。通过对壁厚减薄率、进给比、旋轮工作角、加热温度等多方面应用数值的控制，完成对于起皮问题的管理，以此保证钛合金表面的平整度水平。例如，在旋压处理温度上，应将最高温度限定在750℃，由此避免旋轮前部产生的堆积问题，降低出现起皮问题的概率条件。

3.2 温度管理

对于加热温度的分析，需要单独进行说明，并重视其在旋压结构中的影响效果，通过技术的细化、全面管理，保证整体旋压控制温度的管理状态。管坯加热处理过程中，可以提高材料的可塑性水平，并降低旋压过程中的变形抗力条件。但如果温度数据超出了一定数值区间，不仅会增加各种旋压问题的发生概率，甚至还会对旋压材料的使用寿命造成影响。实际问题不仅包含了上文提到的起皮现象，也会对其材料结构造成危害。而在实际管理中可以通过红外线测温仪设备，补充材料的管理状态，并在提高工件温度控制水平的条件下，使其旋压加工处理的质量得到保障。实际操作中，针对第一道旋压处理，其温度应尽可能地控制在600℃-700℃的区间内，以保证旋压处理的有效性。

3.3 组件性能

对于组件性能的分析，需对不同减薄率的旋压管材料中进行取样，并分别在纵向与横向的界面中，完成磨光、抛光、浸蚀等处理。然后，将完成采样的取样，放置在显微镜下进行纤维组织观察。在纵向截面的组织结构中，晶体颗粒被压扁，并形成细长状态下的纤维组织。在减薄率不断加大的条件下，这种纤维组织的视觉状态越具有特殊性。在旋压处理过程中，材料向轴向方向的伸长，并在径向受力压力的影响下，产生了这一压扁拉长状态下的铸态晶粒结构。尤其当减薄率数值调整到42%以后，其粗大的铸态晶体会被完全压碎，并形成纤维组织结构。而在横向取样中，晶粒结构会沿着切向结构被拉长，并在径向状态上，表现出明显的被挤压状态。产生这一现象，主要是由于旋压减结构受到轮向力作用的影响，在周向上，表现出明显的剪切变形状态。

在旋压件微观组织的不断变化中，其力学性能也产生了一定变化。在不同减薄率状态的影响下，其力学性能也会随之发生改变。通常情况下，完成旋压处理之后，旋压件材料的强度指标会明显提升，并伴随着出现可塑性指标下降的数值变化。在端面收缩与伸长条件上，整体数值状态可提高近30%。