旋轉反彎矯直技術在鈦合金精鍛棒材生產中的應用

文／楊亞明，帖姍姍·寶雞鈦業股份有限公司

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)開始從試驗室投身于工業化生產之中，之后鈦及鈦合金工業化生產得到了迅猛發展。近年來，世界鈦工業和鈦材加工技術已經日臻成熟，海綿鈦、變形鈦合金和鈦合金加工材的生產和消費都達到了很高的水平。在航空航天領域、艦艇及兵器等軍品制造中的應用日益廣泛，在汽車、化學和能源等行業也有著巨大的應用潛力。

由于現代化工業生產的需要，鈦材生產已經開發出各種類型：鈦棒、鈦板、鈦絲、鈦帶、鈦管、鈦箔等。其中，小規格的鈦合金棒材生產已經初具規模，這類棒材具有規格小、支數多的特點，一般用精鍛機來生產可以保證生產效率和產品的穩定性。我公司擁有SXP-13 精鍛機一臺，JBLR-130 矯直機一臺，以及相應的加熱設備，年生產精鍛棒材600t 左右。

棒材矯直的理論與發展

古語云“矯枉過正”，然而在金屬矯直領域，矯枉則必須過正，傳統的簡單反彎矯直法就是運用了這種理論。如圖1 所示，我們定義條材ab 的原始彎曲狀態的曲率半徑為ρ0，矯直時所用的反彎半徑為ρ1，反彎達到a’b’狀態，此時解除外力，條材自由彈復到a”b”狀態，若a”b”是一條直線，則達到矯直的目的。不過，反彎量與原始彎曲量之間是非線性關系，而且受到材料塑性和斷面形狀的影響，所以實際生產中的矯直往往是通過多次反彎來減小條材的彎曲狀態，使其達到要求。

圖1 反彎矯直法原理圖

在簡單反彎矯直法的基礎上，又發展出旋轉反彎矯直理論。如圖2 所示，用于小規格管棒材矯直的斜輥式矯直機就是采用這種旋轉矯直理論。斜輥式矯直機矯輥表面為雙曲線繞軸旋轉而成的雙曲面，矯直時，棒材在矯輥摩擦帶動下旋轉前進，棒材軸向纖維經受較大的彈塑性變形以后，彈復能力逐漸趨于一致。即使原始彎曲狀態不同，但由于各條纖維都經過多次由小變大再由大變小的擠壓變形，棒材最終的彈復能力趨于一致，這種變形反復次數越多，彈復能力越接近，矯直效果越好。研究證明，斜輥式矯直機的矯直效果與以下條件有關：創造彎曲區的點數，至少為四點，即產生兩個有效的矯直反彎區；彎曲區的曲線長度越長矯直效果越好；矯輥斜角、輥距、輥縫之間必須保持合理的幾何關系。

圖2 旋轉反彎矯直原理圖

鈦合金精鍛棒材矯直技術的探究與改善

試驗方法

本次試驗分為兩組：試驗一重點討論相同規格不同牌號的鈦合金精鍛棒材矯直效果與矯輥斜角之間的關系，試驗二探索曲率長度對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和塞尺進行結果判定：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，則記為優秀。

試驗設備為寶雞鈦業股份有限公司JBLR-130(2-2-2)式矯直機，試驗材料為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性能見表1，常規退火工藝見表2。

表1 試驗材料力學性能

表2 試驗材料的熱處理制度

試驗一選擇φ45mm的TA2、TC4和Ti55511精鍛棒材，矯直機調節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°)進行矯直，記錄矯直效果。

試驗二選取φ45mm 的TC4 精鍛棒材進行單次矯直。按進料順序把2-2-2 式矯直機的三對矯輥依次定義為矯輥1、矯輥2、矯輥3。試驗中，矯輥1和矯輥2 的斜角采用試驗一中的最優數據，適量增大矯輥3 的斜角和輥縫以增大第二個矯直反彎區的曲率半徑，記錄矯直效果。

試驗數據

⑴試驗一第一次數據：輥縫φ44 ～φ44.5mm，矯輥斜角37.0°，試驗數據見表3。

表3 試驗一第一次數據

⑵試驗一第二次數據：輥縫φ44.5 ～φ45mm，矯輥斜角37.2°，試驗數據見表4。

表4 試驗一第二次數據

⑶試驗一第三次數據：輥縫φ43.5 ～φ44mm，矯輥斜角36.8°，試驗數據見表5。

表5 試驗一第三次數據

⑷試驗二矯輥1、矯輥2 角度選擇試驗一中矯直效果最好的37.0°，適當增大矯輥3的角度進行試驗，數據記錄見表6。

表6 試驗二矯輥3 角度放大的試驗數據積累

試驗分析

通過試驗一中三次試驗統計的數據分析可以看出：不同牌號的鈦合金精鍛棒材矯直效果與矯直機矯輥的輥縫和矯輥斜角有密切的關系，經分析矯輥斜角為影響矯直效果的主導因素，輥縫則更多地影響矯直棒材的表面質量。在試驗過程中我們發現矯直效果與坯料通過矯直機時所形成的旋彎曲線有關，從TA2到TC4 再到Ti55511，隨著材料塑性變差，硬度增大，要想達到矯直所需要的旋彎曲線，就必須減小矯直斜角。所以即便是規格相同的坯料，要想達到良好的矯直效果，必須考慮坯料自身塑性、硬度的影響。

通過試驗二數據我們可以看出適當的增加矯輥3的斜角，使得第二個矯直反彎區的反彎半徑變大，相應地增大了反彎區的曲線長度，可以改善矯直效果。然而當矯輥3 的斜角超過某一極限角度時，矯直質量將急劇下降，分析原因為矯輥3 的斜角過度增大時不能形成有效的矯直反彎區，不能保證矯直效果。

結論

⑴鈦合金精鍛棒材矯直時，矯輥斜角與棒材直徑沒有形成嚴格的線性關系，考慮到材料塑性、硬度對矯直反彎曲線的影響，對于塑性差，硬度大的牌號要適當減小矯輥斜角，以保證矯直所需的反彎曲線。

⑵對于(2-2-2)式管棒矯直機，適當的增加矯輥的斜角，使得反彎半徑增大，改善矯直效果。但是角度過大時，則不能形成有效的矯直反彎區，矯直效果急劇下降。