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鈦合金熱旋壓技術及軋輥磨損分析

來源:鈦板,鈦棒,鈦管,鈦絲,鈦設備,鈦合金,鈦材 發布時間:2015-11-10 13:44:29
近幾年來,隨著計算機模擬技術的發展,數值模擬已廣泛應用于金屬部件旋壓成形過程的分析。航天材料及工藝研究所對TC4鈦合金筒形件進行了計算機模擬,分析了旋輪攻角、旋輪運動軌跡、普旋道次等工藝參數對旋壓成形的影響規律,成功旋制了高深徑比的TC4 鈦筒。盡管鈦合金精密旋壓技術為航天領域提供了各類鈦合金普旋成形高深徑比旋壓件,但從零件的工程化應用和旋壓成形的復雜性分析,還需進一步加強。總的來說,旋壓技術在國內航天工業獲得廣泛應用,但大直徑、薄壁整體鈦合金熱旋壓成形工藝尚無應用實例,直徑2.25 m 貯箱箱底整體旋壓技術、直徑5 m 低溫貯箱箱底瓜瓣成形、鈦合金及高溫合金復雜結構件成形等技術還處在工藝摸索階段。
 
旋壓成形技術制造的薄壁回轉體殼體構件解決了在車削加工時存在的剛度低、顫動大、加工精度低等技術問題或根本無法加工的技術難題,應用于航天領域具有諸多優勢。美國強力旋壓生產的φ3900mm大型導彈殼體,徑向尺寸精度達到0.05mm,表面粗糙度R a 為1.6~3.2um,壁厚差≤0.03mm。美國鈦設備公司采用1.5m 立式旋壓機旋壓Φ1524mm 的Ti-6Al-4V鈦合金導彈壓力容器封頭,每個封頭的旋壓時間為5min。民兵洲際導彈第二級固體發動機殼體采用了Ti-6Al-4V 鈦合金,并用強力旋壓成形,成形后的鈦合金殼體重量減輕30%。圍繞航天型號對輕質、高強、大型化航天需求,德國MT 宇航公司采用旋壓工藝制備出Φ 1905 mm 的高強Ti-15V-3Cr合金推進系統貯箱,并應用于歐洲阿爾法通信衛星巨型平臺,實現了衛星平臺的大幅度減重、增加有效載荷。我國的旋壓工藝與設備的研究源于60 年代初期,鈦合金的旋壓研究始于上世紀70 年代,經過40 多年來的發展,基本形成了從設備的研制到工藝開發一套成熟的體系。國內航天所用鈦合金及旋壓制品,如火箭發動機外殼、葉片罩、陀螺儀導向罩、內蒙皮等,Ti8Al1Mo1V 高鈦合金用于發動機葉片熱處理強化鈦合金旋壓成形;TB2 鈦合金用于小型噴管旋壓等。www.yukain.com.cn所采用普旋與強旋相結合的技術,以TC3、TC4 2 種鈦合金板材為坯料,熱旋壓制備出了2 種鈦合金半球形(Φ 內522mmx2.0mm)、圓柱形儲箱殼體(Φ 163mmx2.0mm&x200mm 的杯形件Φ163mmx2.0mmx360mm 及Φ112mmx6.0mmx1000mm 的筒形件),國內最大直徑的鈦合金筒形件;通過正反2 道次普旋翻邊成功旋壓出Φ 500mm 的薄壁半圓鈦管,零件用于空間飛行器微動力姿態調整。
 
針對斜軋穿孔開坯過程中軋輥出現的磨損、變形等缺陷,分析了原因,使用經滲氮和未滲氮的同規格軋輥,作了連續對比軋制鈦管的試驗,并發現軋輥的磨損是鈦管材在開坯連軋過程中產生擦傷、劃道、折疊等表面缺陷的主要原因。運用滲氮熱處理的方法,可提髙軋輥的使用壽命3倍以上,保證了鈦管連軋時的表面質量。 分析認為,磨大的乳槽減徑段尺寸比原始尺寸增大3mm左右,局部點增大5mm,是被鈦管上硬的氧化皮磨損導致。由圖1可以看到,在變形的乳輥上,軋槽在減徑段被磨大,并形成一個直徑突變的錐形區段;在軋輥軋槽減壁段的開始段,還出現了一個波紋狀臺階。波紋狀臺階是由于乳槽在減壁段承受的壓力最大,并且由于前后滑區的存在,乳槽表層的金屬在高應力下發生了塑性流動所致。開坯管的表面光滑,表面光潔度Ra達1.6pm,外徑尺寸偏差為±0.05mm,管材的變形錐體圓滑,表明軋親軋槽曲線沒有受到滲氮熱處理的影響。相比使用未滲氮處理的軋輥,連續軋制欽開坯管,12h后乳出的鈦開坯管表面連續出現擦傷、劃道,局部管表已有起皮、深度劃傷的缺陷,這時鈦管材可以判定不合格。檢査乳輥時,已見乳槽出現弧形的磨損帶,局部區段巳嚴重磨損。再繼續試乳,16h后檢査乳輥,此時乳槽出現波紋狀的臺階。通過測量,發現軋輥上的缺陷部位與管材錐體上出現的缺陷部位一一對應,表明軋輯出現缺陷是造成管材表面缺陷的主要原因。實驗所用軋機型號為LG60-H型,管坯材質為TA2,管坯規格為批0mmx8mm,開坯后規格為抑3mmX5mm。用滲氮處理的乳輥試乳,經過36h以后,連軋成的合格鈦開坯管支數是未滲氮乳輥連軋支數的3倍。此時,軋槽表面光滑,僅局部側邊開口處有輕微粘點。粘點只需手工拋光,又可連乳。
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