關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，帶有典型性能優勢，在較強的耐熱、耐腐蝕狀態下，于航空航天、石油化工、生物醫學等領域，發揮自身科技價值。為了使這一材料的實用性得到優化與補充，需通過試驗設計，對其旋壓加工工藝進行分析。對此，本文設計了鈦合金管坯試驗，在對其旋壓處理效果作出分析的同時，完成技術開發。

1 試驗條件

試驗材料使用中，通過對于真空自耗電極弧凝殼爐的應用，完成鈦合金管坯的澆筑。在材料型號上，管坯內徑φ115mm，管壁厚5mm-18mm。試驗分析中，選用臥式雙旋輪數控旋壓機完成技術操作。旋輪形狀上，設置雙錐面結構，并將Cr12MoV作為基本材質，使其硬度滿足HRC55標準。

2 試驗工藝與參數

影響鈦合金筒形結構的因素有很多，可以在旋壓方向、壁厚減薄率、進給比、芯模轉速、旋模參數等多方面內容中，都需要形成具體的技術工藝，并通過試驗分析，確定具體的工藝參數。

2.1 旋壓方向

正旋、反旋在應用效果上，表現出明顯的差異化。正旋狀態下，可以維持較低的旋轉壓力數值；而在反旋技術處理中，可以使材料處在三向壓力的最佳應力塑性狀態下，且保證較短的輪行距離，完成生產效率的優化，降低設備材料生產的成本消耗條件。

2.2 壁厚減薄率

壁厚的減薄率數值，會對其工件材料變形狀態造成影響。在流動旋壓的處理中，如果其中的道次減薄率數值較大，則會造成工件材料的畸形，并表現出鼓包、裂縫等問題。相反，如果道次減薄率相對較低，則會出現厚度不均勻的問題，降低工件的精度質量，嚴重時，還會導致由材料結構不均而引起的裂縫。對此，需要對材料的壁厚數值進行控制，使其道次減薄率維持在20%-30%的數值區間內。

2.3 進給比

進給比，是芯模完成一周旋轉后，沿母線產生的移動距離參數。在流動旋壓處理過程中，進給比對于工件直徑狀態有明顯影響，并由此引發了擴徑與縮徑狀態。通常情況下，為了實現進給比的控制與調整，通常采用較小的進給比數值，來適應較大的減薄率狀態。實踐處理中，可將0.3-2.5mm/r作為流動旋壓比的數據選擇區間，并在根據旋壓道次的壓下量，對工作運行數值進行調整。

2.4 芯模轉速

增加芯模的轉速水平，是提高生產速率的直接途徑。但是，如果將芯轉速調整到較高的工作狀態，則會增加機床發生震動的概率。由此需要根據實際經驗，在結合機床設備實際運行條件的基礎上，使其芯模轉速始終維持在100-200r/min區間內，以保證整體質量的控制狀態。

2.5 旋輪運行參數

旋輪運行過程中，其中的旋輪半徑數值，對于旋壓力度、內徑精度、表面質量等內容，有較為深遠的影響。實踐操作中，對于筒型件的旋壓處理需要在設備參數上，將工作圓半角徑的取值進行控制，并按照公式R=（0.4—1.0）t0完成取值設計。

生產實踐中發現，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，導致擴徑增大。在筒型件的處理中，需要需針對不同材料的硬度狀態，對工件的工作角進行調整，以此保證結構參數的使用狀態，維護技術應用的合理性，避免出現材料使用問題。

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，這種間隙應限制在壁厚數值以內，以此保證結構的穩定性。而在旋壓工藝系統中，在旋壓處理的影響下，勢必會出現結構彈性變形的問題，并產生旋輪向芯模反方向的退讓。同時，當旋壓件出現減薄變形之后，也會憑借自身的結構，實現一定程度的彈性恢復。對此，每道芯模與旋輪之間，都要根據其機床性能，進行以實際機床設備為基礎的經驗性現場生產調節，以此保證間隙結構的有效性。

2.7 多輪旋壓錯距

多輪結構中，錯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，過高或過低的錯距參數，都會對旋件的質量狀態造成影響。如果錯距數值過高，則會出現多頭螺紋的旋轉軌跡。反之，如果錯距水平較低，則會在各輪的干涉條件下，使其無法承受相應的旋壓狀態，降低旋壓力的平衡狀態。對此，可以針對正旋或反旋的旋轉形式，調整輪間錯距數值，并在獲得標準錯距量的前提下，提高設備使用效果。

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條件。在坯料溫度逐漸升高的條件下，會使其變形抗力狀態不斷降低，并逐漸提高其伸長率數值，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，由于鈦合金的導熱性能相對較差，則會在工件的內外表面，形成過高的溫差，并伴隨著初夏密集型裂紋。對此，需要對旋壓溫度進行控制，在保證旋壓處理正常推進的前提下，避免對材料造成負面損傷。

3 試驗結論分析

3.1 表面質量

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進行調整，在避免出現旋壓缺陷問題的同時，保證技術管理有效性，并對表面質量問題的產生條件進行控制。

裂紋問題的處理，應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上，提高工藝參數的合理性。尤其在工藝處理中，應當將道次變形率作為控制的核心，在避免出現塑性材料裂紋的同時，使工件的加工處理可以在合理化的溫度區間內完成操作，防止熱應力環境對材料產生破壞。而對于起皮問題的控制，則需將工作重點放在對于魚鱗狀毛刺的控制上。通過對壁厚減薄率、進給比、旋輪工作角、加熱溫度等多方面應用數值的控制，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，應將最高溫度限定在750℃，由此避免旋輪前部產生的堆積問題，降低出現起皮問題的概率條件。

3.2 溫度管理

對于加熱溫度的分析，需要單獨進行說明，并重視其在旋壓結構中的影響效果，通過技術的細化、全面管理，保證整體旋壓控制溫度的管理狀態。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。但如果溫度數據超出了一定數值區間，不僅會增加各種旋壓問題的發生概率，甚至還會對旋壓材料的使用壽命造成影響。實際問題不僅包含了上文提到的起皮現象，也會對其材料結構造成危害。而在實際管理中可以通過紅外線測溫儀設備，補充材料的管理狀態，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量得到保障。實際操作中，針對第一道旋壓處理，其溫度應盡可能地控制在600℃-700℃的區間內，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，放置在顯微鏡下進行纖維組織觀察。在縱向截面的組織結構中，晶體顆粒被壓扁，并形成細長狀態下的纖維組織。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，產生了這一壓扁拉長狀態下的鑄態晶粒結構。尤其當減薄率數值調整到42%以后，其粗大的鑄態晶體會被完全壓碎，并形成纖維組織結構。而在橫向取樣中，晶粒結構會沿著切向結構被拉長，并在徑向狀態上，表現出明顯的被擠壓狀態。產生這一現象，主要是由于旋壓減結構受到輪向力作用的影響，在周向上，表現出明顯的剪切變形狀態。

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

4 總結

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。在旋壓處理過程中，需要對各項技術參數進行管理，以此保證旋壓技術的應用效果，并在試驗分析中，確定技術處理的各項核心數值，完成對于類型材料的技術性開發。