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钛合金热旋压技术及轧辊磨损分析

来源:钛板,钛棒,钛管,钛丝,钛设备,钛合金,钛材 发布时间:2015-11-10 13:44:29
近几年来,随着计算机模拟技术的发展,数值模拟已广泛应用于金属部件旋压成形过程的分析。航天材料及工艺研究所对TC4钛合金筒形件进行了计算机模拟,分析了旋轮攻角、旋轮运动轨迹、普旋道次等工艺参数对旋压成形的影响规律,成功旋制了高深径比的TC4 钛筒。尽管钛合金精密旋压技术为航天领域提供了各类钛合金普旋成形高深径比旋压件,但从零件的工程化应用和旋压成形的复杂性分析,还需进一步加强。总的来说,旋压技术在国内航天工业获得广泛应用,但大直径、薄壁整体钛合金热旋压成形工艺尚无应用实例,直径2.25 m 贮箱箱底整体旋压技术、直径5 m 低温贮箱箱底瓜瓣成形、钛合金及高温合金复杂结构件成形等技术还处在工艺摸索阶段。
 
旋压成形技术制造的薄壁回转体壳体构件解决了在车削加工时存在的刚度低、颤动大、加工精度低等技术问题或根本无法加工的技术难题,应用于航天领域具有诸多优势。美国强力旋压生产的φ3900mm大型导弹壳体,径向尺寸精度达到0.05mm,表面粗糙度R a 为1.6~3.2um,壁厚差≤0.03mm。美国钛设备公司采用1.5m 立式旋压机旋压Φ1524mm 的Ti-6Al-4V钛合金导弹压力容器封头,每个封头的旋压时间为5min。民兵洲际导弹第二级固体发动机壳体采用了Ti-6Al-4V 钛合金,并用强力旋压成形,成形后的钛合金壳体重量减轻30%。围绕航天型号对轻质、高强、大型化航天需求,德国MT 宇航公司采用旋压工艺制备出Φ 1905 mm 的高强Ti-15V-3Cr合金推进系统贮箱,并应用于欧洲阿尔法通信卫星巨型平台,实现了卫星平台的大幅度减重、增加有效载荷。我国的旋压工艺与设备的研究源于60 年代初期,钛合金的旋压研究始于上世纪70 年代,经过40 多年来的发展,基本形成了从设备的研制到工艺开发一套成熟的体系。国内航天所用钛合金及旋压制品,如火箭发动机外壳、叶片罩、陀螺仪导向罩、内蒙皮等,Ti8Al1Mo1V 高钛合金用于发动机叶片热处理强化钛合金旋压成形;TB2 钛合金用于小型喷管旋压等。www.hvw00.com所采用普旋与强旋相结合的技术,以TC3、TC4 2 种钛合金板材为坯料,热旋压制备出了2 种钛合金半球形(Φ 内522mmx2.0mm)、圆柱形储箱壳体(Φ 163mmx2.0mm&x200mm 的杯形件Φ163mmx2.0mmx360mm 及Φ112mmx6.0mmx1000mm 的筒形件),国内最大直径的钛合金筒形件;通过正反2 道次普旋翻边成功旋压出Φ 500mm 的薄壁半圆钛管,零件用于空间飞行器微动力姿态调整。
 
针对斜轧穿孔开坯过程中轧辊出现的磨损、变形等缺陷,分析了原因,使用经渗氮和未渗氮的同规格轧辊,作了连续对比轧制钛管的试验,并发现轧辊的磨损是钛管材在开坯连轧过程中产生擦伤、划道、折叠等表面缺陷的主要原因。运用渗氮热处理的方法,可提髙轧辊的使用寿命3倍以上,保证了钛管连轧时的表面质量。 分析认为,磨大的乳槽减径段尺寸比原始尺寸增大3mm左右,局部点增大5mm,是被钛管上硬的氧化皮磨损导致。由图1可以看到,在变形的乳辊上,轧槽在减径段被磨大,并形成一个直径突变的锥形区段;在轧辊轧槽减壁段的开始段,还出现了一个波纹状台阶。波纹状台阶是由于乳槽在减壁段承受的压力最大,并且由于前后滑区的存在,乳槽表层的金属在高应力下发生了塑性流动所致。开坯管的表面光滑,表面光洁度Ra达1.6pm,外径尺寸偏差为±0.05mm,管材的变形锥体圆滑,表明轧親轧槽曲线没有受到渗氮热处理的影响。相比使用未渗氮处理的轧辊,连续轧制钦开坯管,12h后乳出的钛开坯管表面连续出现擦伤、划道,局部管表已有起皮、深度划伤的缺陷,这时钛管材可以判定不合格。检査乳辊时,已见乳槽出现弧形的磨损带,局部区段巳严重磨损。再继续试乳,16h后检査乳辊,此时乳槽出现波纹状的台阶。通过测量,发现轧辊上的缺陷部位与管材锥体上出现的缺陷部位一一对应,表明轧辑出现缺陷是造成管材表面缺陷的主要原因。实验所用轧机型号为LG60-H型,管坯材质为TA2,管坯规格为批0mmx8mm,开坯后规格为抑3mmX5mm。用渗氮处理的乳辊试乳,经过36h以后,连轧成的合格钛开坯管支数是未渗氮乳辊连轧支数的3倍。此时,轧槽表面光滑,仅局部侧边开口处有轻微粘点。粘点只需手工抛光,又可连乳。
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