63 MN鈦合金正向雙動擠壓機的設計與應用

李正利，荊云海，高朋昌，董曉娟，郭永安

(1.金屬擠壓/鍛造裝備技術國家重點實驗室，中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018;2.寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014)

0 前言

鈦合金由因其具有輕質、高強、耐高溫、耐腐蝕的特點被廣泛應用于航空和海洋工程領域[1]。擠壓是鈦合金的一種主要塑性成形方法[2-3]。擠壓通過施加三向壓應力可以實現對鈦合金比較大的塑性變形，提高擠壓制品的綜合性能，通過穿孔擠壓還可以實現鈦合金大尺寸無縫管材的制備，并可結合后續的軋制和拉拔工藝實現高尺寸精度無縫鈦合金管材的生產。隨著玻璃潤滑擠壓技術的發展和成熟，擠壓已經成為制備鈦合金管材、棒材和型材最有前途的方法[4]。

目前，我國用于鈦合金生產的擠壓機主要有寶雞鈦業31.5 MN和西部新鋯45 MN擠壓機等。這些擠壓機噸位都比較小，無法滿足我國在石油勘探、海洋工程和飛機制造等領域對大尺寸高品質鈦合金管材、型材和棒材的需求。這也使得我國鈦合金制品的尺寸規格和品質與國外同類產品存在較大差距[5]。因此，我國亟待研發專用于鈦合金管、棒和型材擠壓的大型擠壓機組。

不僅如此，我國的鈦合金專用擠壓機多是從國外引進的，尚沒有自主設計制造的大噸位鈦合金擠壓機的能力。基于上述行業背景，中國重型機械研究院股份公司和寶雞鈦業股份有限公司合作開發了63 MN正向雙動鈦合金專用擠壓機并工業化應用。本文主要介紹63 MN正向雙動鈦合金擠壓機的主要結構、技術參數以及適合生產的典型鈦合金制品的尺寸規格。

1 鈦合金的特點和熱擠壓工藝流程

鈦合金具有加熱易氧化，熱變形過程中變形抗力大、變形溫度高及塑性比較差等特點[6]，這些特點決定了鈦合金的擠壓需要采取比較特殊的擠壓方式，即采用包套潤滑或者涂抹玻璃潤滑劑[7-8]后進行擠壓。包套潤滑或者涂抹玻璃潤滑劑的方法既有隔熱作用,避免擠壓工模具被錠坯加熱軟化，又可以起到潤滑和防止鈦合金氧化的作用，同時防止鈦合金與模具發生粘結。包套潤滑和玻璃潤滑擠壓增加擠前包套或玻璃潤滑工序，以及后續的噴丸或酸堿洗工序。其典型的工藝流程如圖1所示。

圖1 鈦及鈦合金熱擠壓工藝流程

潤滑雖然能夠較好的避免鈦合金擠壓過程中工模具的升溫和軟化，但鈦合金的擠壓仍需要在較快的速度下進行，通過縮短擠壓時間，盡可能的防止錠坯降溫與工模具的升溫。鈦合金的擠壓溫度一般在600～1 200℃[9]；擠壓速度一般取80～130 mm/s；擠壓比在3～30范圍內。這種工藝[10-16]特點決定要實現鈦合金的擠壓需要專用擠壓設備機組：兼備包套、玻璃潤滑擠壓，需要有較大的功率以及比較高的結構穩定性來實現高速擠壓并保證擠壓制品精度，還要考慮過熱因素以防工模具的失效損壞。

針對鈦合金擠壓的上述特點，對63 MN正向雙動擠壓機組和擠壓機的結構進行了系統的開發設計，實現了制造安裝和調試。

2 63 MN鈦合金擠壓機

2.1 擠壓機主要技術參數

擠壓桿擠出金屬所必要的力，是擠壓機能力的基本參數。它取決于擠壓生產工藝的要求，受變形抗力、擠壓比、錠坯長度、模角、擠壓速度、摩擦條件和擠壓筒溫度等因素影響。擠壓力的計算一般按下面簡化算式進行：

P=βA0σ0lnλ+μσ0π(D+d)L

(1)

式中，P為擠壓力，N；A0為擠壓筒與穿孔針之間的環形面積，mm2；σ0為與變形速度和溫度有關的變形抗力[16-18]，MPa；λ為擠壓比；μ為摩擦系數；D為擠壓筒內徑，mm；d為穿孔針直徑，mm；L為填充后的錠坯長度，mm；β為修正系數，取β=1.3～1.5，其中硬合金取下限，軟合金取上限。

計算模型確定后，根據鈦合金的熱擠壓工藝、典型擠壓材料牌號性能(表1)、錠坯尺寸規格等，對擠壓機的擠壓力進行計算。

表1 典型擠壓材料牌號性能

錠坯規格：Φ212 mm、Φ288 mm、Φ348 mm、Φ438 mm，長度500～1 000 mm。

計算結果針對不同牌號、不同規格的制品差異較大，在進行合理化分析后，結合實際工程經驗，對計算結果的誤差進行修正，確定出的擠壓機公稱擠壓力。同時，為了適應其他一些稀有金屬的擠壓，還將最大擠壓速度調整為240 mm/s。

擠壓機主要技術參數：

公稱擠壓力 63 MN

基礎擠壓速度(泵直傳) 80 mm/s

擠壓速度 5～240 mm/s可調

動梁空程前進速度 250 mm/s

傳動形式 油泵+蓄勢器傳動

穿孔力 10 MN

穿孔針有效行程 1 300 mm

擠壓筒鎖緊力 7.6 MN

擠壓筒長度 1 500 mm

擠壓筒行程 1 550 mm

擠壓筒預熱溫度 450±25°C可調

壓機中心高 1 000 mm

主系統工作壓力 31.5 MPa

輔助系統工作壓力 12～20 MPa

2.2 擠壓機布局和功能

63 MN鈦合金擠壓機車間平面布置見圖2，主要由擠壓機本體、機組機械化設備[19]、機器人系統、錠坯加熱系統、液壓系統、機后出料系統及電氣控制系統組成。占地24.5 m×83m(寬×長)，最大設備高度不超過8 m。整個機組裝機功率5 800 kW(包含坯料加熱)。操作上可實現調整制度、手動制度、半自動與自動制度；工藝上可實現無縫管材擠壓、棒材、型材擠壓和有/無壓余擠壓。

圖2 63 MN鈦合金擠壓機車間平面布置

本體設備是整個擠壓機組的核心設備，主要實現熱鑄錠的擠壓、擠壓筒內壓余的清除、擠壓與壓余接收交替工作等功能。由框架、主缸和側缸、穿孔系統、擠壓容室、擠壓工具、移動模架、檢測及潤滑裝置組成(圖3)。機組機械化設備是本體設備進行生產時的輔助設備，主要輔助本體設備完成擠壓前的錠坯內、外表面涂粉潤滑、裝入擠壓墊、裝錠等工作和擠壓后壓余與制品的鋸切分離及壓余與擠壓墊的分離等工作。機器人系統代替人工完成了高溫環境下擠壓前對擠壓筒進行吹掃、潤滑，檢查和對穿孔針進行在線潤滑的工作。機后出料系統則負責完成擠壓制品的傳輸、冷卻工作，保障了擠壓工作的順利進行。在電氣控制系統的程序和液壓系統的邏輯控制下，以上各部分分工合作，緊密配合，生產出擠壓制品。

圖3 擠壓機本體組成

2.3 主要產品規格及應用

具有自主知識產權63 MN油壓雙動臥式鈦合金擠壓機組是目前國內最大噸位的鈦合金擠壓設備。63 MN鈦合金擠壓機組可生產的制品規格見表2。

表2 國內現有鈦合金擠壓機制品對比

在63 MN油壓雙動臥式鈦合金擠壓機組生產的幾種典型材料牌號見表3。

表3 典型擠壓材料牌號及制品應用

3 主要技術特點

(1)由于鈦合金變形抗力大，該擠壓機采用了預應力框架式結構。在前、后梁之間，拉桿始終處于拉應力狀態，疲勞強度高，防松性能好。空心壓套始終處于壓應力狀態且具有較大的抗彎截面。在擠壓過程中拉桿的應力變化范圍只有傳統張力柱結構的約25%，因此在擠壓過程中，機架伸長量僅為傳統結構的25%，且彎曲變形小，框架具有很大的剛度，利于保證制品精度。

(2)鈦合金擠壓工藝的難點之一就是變形熱效應較大，導熱性較差[20]。為了順利完成擠壓，在采用潤滑的同時，穿孔針內部采用循環水冷卻系統，防止穿孔針因超溫而造成熱處理失效，提高了針的使用壽命和生產效率。在擠壓結束后，通過設置的壓縮空氣通道，用壓縮空氣將穿孔針中存留的水吹出，防止內部生銹。

(3)熱擠壓生產時擠壓筒、穿孔針均保持在450℃左右。而鈦合金的擠壓工藝又決定了必須每次擠壓前對擠壓筒進行吹掃、潤滑、拍照檢查及對穿孔針進行在線潤滑。依賴人工來完成上述工序危險性大且效率低下。63 MN鈦合金擠壓機將機器人應用程序納入擠壓自動程序，用機器人代替人工來完成上述一些工況惡劣、重復度高的工作，降低勞動強度。

(4)對于該63 MN鈦合金擠壓機而言，最高擠壓速度為240 mm/s，此時主、側缸油液流量高達28 800 L/min。若采用泵直接傳動，在31.5 MPa壓力時需要500 ml/r的油泵39臺，功率高、管路復雜且占地面積大。故而采用了泵+蓄勢器傳動方案。液壓罐的容積按一個擠壓周期總液耗量的30%～35%考慮，結合比例變量泵和定量泵組合方式配置，實現擠壓速度的無級調整，只需要同規格的油泵13臺就可實現高速擠壓。這種配比下，基礎擠壓速度為80 mm/s，高于此速度時則采用泵加蓄勢器同時傳動。此狀況下的液壓系統主泵電機裝機容量僅1 200 kW，比泵直接傳動能減少約40%的裝機功率。同時，對于不同的擠壓速度，采用不同的調速方式控制，保證了擠壓速度和精度的控制要求。

(5)兼顧包套和玻璃潤滑兩種潤滑工藝。鈦合金的熱擠壓工藝中，一般采用銅包套擠壓，主要是由于銅在合適的擠壓溫度下不與基體金屬發生合金化學反應生成低熔點共晶體。根據文獻[20]，在擠壓塑性差的金屬時，包套的目的是使擠壓初期形成很強的三向壓應力狀態，包套材料厚度較厚，一般為3～6 mm，前端墊蓋厚度可達20～40 mm。擠壓塑性好的金屬時，包套的目的是防止基體金屬被氣體污染和防止粘結模具，此時包套厚度較薄，一般為外包套0.8～2.0 mm，內包套1.0～2.5 mm。但鈦合金擠壓溫度范圍較寬，在接近或者超過包套材質的熔點時，就需要考慮其他的高溫潤滑材質。玻璃潤滑劑由于其導熱系數小，潤滑性能好且安全環保易清理等優點已被廣泛應用，缺點是當擠壓溫度達不到其使用溫度時很難熔融均勻附著。在63 MN鈦合金擠壓機的機械化設備中，專門設計了外涂粉臺和內涂粉裝置用于涂抹玻璃潤滑劑。

(6)高壓油泵電機采用6 kV高壓交流電源驅動，電機一拖二油泵，電能利用率高，有效減少系統在車間的占地面積。

4 機組應用

根據表4所示為典型鉭、鈮、鋯等金屬及其合金的擠壓工藝，63 MN鈦合金擠壓機組對這些金屬及其合金的管材、棒材、型材在熱狀態下的正向擠壓具有一定的適應性。

表4 典型鉭、鈮、鋯等金屬擠壓工藝

5 結論和展望

(1)我國已具有自主研發、生產制造大型鈦合金擠壓機的能力。為我國鈦合金裝備業的發展奠定了基礎。

(2)63 MN鈦合金擠壓機組的建成，為我國大口徑管材與大截面型材的自主生產提供了工藝裝備。

(3)具有自主知識產權的63 MN鈦合金雙動臥式擠壓機組投產后，能有效緩解我國民用及航空航天領域對于高精度、復雜結構鈦合金型材的需求，降低我國對進口鈦合金制品的依賴性。

(4)63 MN鈦合金擠壓機組還可應用于鉭、鈮、鋯等金屬及其合金的熱態正向擠壓。擠壓機組應用范圍廣泛。

(5)相比于美國活性金屬公司(RMI)配套的200 MN鈦合金擠壓機和美國雷諾公司配套的270 MN鈦合金擠壓機[21]，我國自主生產的高品質、大規格鈦合金擠壓材市場空白，我國的鈦合金擠壓裝備業還有很大的提升空間。