CN102489596B - 钛合金矩形环轧件热胀形成形为异形环件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金矩形环轧件热胀形成形为异形环件的方法，其步骤为：把加热的钛合金矩形环轧件套装在胀形机内经预热的胀形块外围，启动胀形机使胀形块从环轧件的内圆周表面沿径向挤压环轧件并变形10％～12％后成为异形环坯，完成第一次胀形，再使异形环坯沿中心轴线旋转45°完成第一次旋转；之后，再按上述操作对异形环坯进行变形量为0.9％～1.5％的第二次胀形及第二次旋转，变形量为0.9％～1.5％的第三次胀形及第三次旋转，以及变形量为0.5％～1％的第四次胀形后得到异形环件。所述异形环件的尺寸精度可达相应尺寸的1‰～2‰，该异形环件主要用于航空航天等领域使用的筒形壳体等回转体零部件。

Description

钛合金矩形环轧件热胀形成形为异形环件的方法

技术领域

本发明涉及一种环件的胀形方法，特别是涉及了钛合金矩形环轧件热胀形成形为异形环件的方法。

背景技术

钛合金矩形环轧件(指纵截面是矩形截面的环轧件)或异形环轧件(指纵截面是非矩形截面的环轧件)采用环轧机轧制后，由于受轧制工艺及设备局限性的影响，其尺寸精度一般不高；只有在环轧件形状较理想和设备性能较优异的情况下，其尺寸精度才能达到相应尺寸的3‰～5‰(千分之三至千分之五)，而且轧制后的环轧件由于应力较大，在后续加工工序中如果控制不好易产生翘曲、变形甚至开裂等缺陷。

2009年2月18日公开的中国发明专利说明书CN101367104A公开了一种汽轮发电机护环外补液液压胀形强化工艺，该工艺方法通过外设高压泵并使其产生的高压液体通过高压缸内的通道，然后经由模具部分中的减力柱内的通道注入固定的上锥模与移动的下锥模及护环形成的封闭空间，使护环在液体压力的作用下发生塑性变形来胀形护环，以达到强化护环、提高护环成形精度的目的，从该专利说明书附图可以看出所述护环即矩形环件。该方法由于是靠液体与环件的内圆周面的柔性接触来冷胀形矩形环件，因此，只能适合一些变形抗力小材料，其主要作用是强化环件，对于变形抗力较大的材料例如钛合金及把矩形环件胀形成异形环件则不适用；并且该方法对于如何通过胀形来提高环件的尺寸精度也未详细披露，只是笼统地得出可以达到提高护环成形精度的目的，即该方法不能解决现有技术中存在的环轧件尺寸精度低的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种采用胀形块来实现钛合金矩形环轧件热胀形成形为异形环件的方法，该方法通过一次大变形和连续三次小变形对所述钛合金矩形环轧件进行胀形，获得了尺寸精度高的胀形异形环件。

为解决上述技术问题，本发明所述钛合金矩形环轧件热胀形成形为异形环件的方法，其技术方案包括以下步骤：

提供胀形机，该胀形机主要由芯轴滑块、径向滑块、胀形块、工作台及导轨组成；所述芯轴滑块呈圆锥形并套装在径向滑块内与径向滑块的锥形内圆周面配合，并且能在径向滑块内沿轴向上下移动挤压径向滑块；所述径向滑块是12块分开的扇形块，安装在胀形机的导轨上并可沿导轨径向来回移动，各扇形块的外圆周面上分别固定安装有胀形块，各扇形块合拢时与胀形块一起形成一个圆环形状；当所述芯轴滑块在所述径向滑块内沿轴向向下移动时能使各径向滑块沿径向同步移动扩散使胀形块达到胀形环件的目的，当所述芯轴滑块在径向滑块内沿轴向向上移动时胀形机可驱动各径向滑块沿径向同步移动合拢使胀形块脱离胀形后的环件；在该胀形机的工作台上还有可驱动环件在该工作台上沿中心轴线旋转的导辊；

把加热到920℃～950℃的钛合金矩形环轧件套装进胀形机，使其内环面套在经预热到260℃～320℃的胀形块的外圆周面外围，所述胀形块的外圆周面具有与最终胀形成形的异形环件的内圆周面相配合一致的形状，此时，径向滑块处于合拢状态；

启动胀形机对芯轴滑块施加轴向拉力F使其沿轴向向下移动并沿所述径向滑块的内孔锥面挤压径向滑块使各径向滑块沿径向同步移动扩散，装在径向滑块外圆周面上的胀形块从矩形环轧件的内圆周表面沿径向挤压该矩形环轧件，矩形环轧件发生内、外径尺寸扩大及壁厚减薄塑性变形为异形环坯，完成第一次胀形；在本次胀形过程中，所述矩形环轧件的胀形温度为920℃～950℃，胀形时间为25s～40s，保压时间为20s～23s，胀形变形量为10％～12％；

胀形机驱动芯轴滑块在径向滑块内沿轴向向上移动，并驱动径向滑块沿径向同步移动合拢使胀形块脱离胀形后的异形环坯，启动胀形机的工作台上的导辊使其驱动所述异形环坯沿中心轴线旋转45°，完成异形环坯的第一次旋转；

按上述第一次胀形的操作对经过第一次胀形后的异形环坯进行第二次胀形，在本次胀形过程中，所述异形环坯的胀形温度为900℃～920℃，胀形时间为15s～25s，保压时间为10s～13s，胀形变形量为0.9％～1.5％；

按上述第一次旋转的操作对经过第二次胀形后的异形环坯进行第二次旋转，本次旋转，所述异形环坯与第一次旋转方向同向再旋转45°；

按上述第一次胀形的操作对经过第二次胀形后的异形环坯进行第三次胀形，在本次胀形过程中，所述异形环坯的胀形温度为870℃～900℃，胀形时间为15s～25s，保压时间为10s～13s，胀形变形量为0.9％～1.5％；

按上述第一次旋转的操作对经过第二次胀形后的异形环坯进行第三次旋转，本次旋转，所述异形环坯与第一次旋转方向同向再旋转45°；

按上述第一次胀形的操作对经过第三次胀形后的异形环坯进行第四次胀形，在本次胀形过程中，所述异形环坯的胀形温度为850℃～870℃，胀形时间为20s～30s，保压时间为15s～18s，胀形变形量为0.5％～1％；

胀形结束后，向上移动芯轴滑块，合拢径向滑块，取出经胀形后的异形环件。

上述钛合金优选材料牌号为TC4的钛合金。

所述胀形机对芯轴滑块施加的轴向拉力F按下式计算确定：

F=ξ×σ_0.2×S

式中：

ξ——胀形机胀形系数，本发明取1.26～1.52；

σ_0.2——胀形温度下钛合金材料的屈服强度(MPa)，TC4合金取270MPa～450MPa；

S——矩形环轧件或异形环坯的纵截面面积(mm²)。

所述异形环件在热态下的胀形尺寸按以下公式计算确定：

D=D₀(1+β_t)+d

式中：

D——异形环件处于热态下的内径尺寸(mm)；

D₀——异形环件处于冷态下的最终产品内径尺寸(mm)；

β_t——合金材料在胀形温度下的温度补偿系数(％)，TC4合金取0.4％～1％；

d——胀形成异形环件后内径尺寸的回弹量(mm)，TC4合金取1mm～5mm。

采用本发明所述方法胀形成形的异形环件，其内径尺寸范围为Φ400mm～Φ4500mm，壁厚为10mm～200mm，高度为40mm～750mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明通过胀形机上的胀形块与钛合金矩形环轧件进行刚性接触来直接胀形成形为异形环件，可以对变形抗力较大的难变形钛合金材料进行胀形，并且可以获得所需要的胀形尺寸和有利于提高尺寸精度。

本发明通过把矩形环轧件加热到钛，采用10％～12％的大变形量一次把矩形环轧件胀形变形为异形环坯，再通过三次小变形量把异形环坯胀形成形为异形环件，并且通过选择合适的胀形温度、胀形时间和保压时间等工艺参数，不会对环轧件的组织产生显著影响，不会出现胀裂现象，还可以使每次胀形后环轧件或异形环坯的回弹量较小；并且在胀形过程中通过把所述异形环坯三次同向旋转45°，可以消除胀形块沿径向扩散胀形时相邻胀形块之间的间隙对异形环坯内圆周面形成的痕迹，从而有利于胀形过程的顺利进行和获得尺寸精度较高的胀形异形环件；在整个胀形过程中，由于胀形块可以实时测量异形环坯内径尺寸的变化情况及每次胀形后内径尺寸的回弹量，并把测量数据及时传送到胀形机的显示器上，从而在胀形时可以精确控制异形环轧件的胀形尺寸。综上所述，采用本发明所述方法胀形的异形环轧件可以得到尺寸精度较高的最终产品尺寸。

在胀形过程中，由于胀形机对芯轴滑块施加的轴向拉力F是由胀形机的胀形系数(ξ)、胀形温度下材料的屈服强度(σ_0.2)及矩形环轧件或异形环坯的纵截面面积(S)来确定，因此，可以针对不同的胀形机和不同材料、尺寸的环轧件或异形环坯来确定轴向拉力F的大小，使环轧件在胀形过程中受力比较均匀和合理，能够保证胀形过程的顺利进行，避免用力过大造成胀裂或用力过小造成胀不动的现象发生。

所述胀形后的异形环件的热态胀形内径尺寸(D)由异形环件经胀形后处于冷态下的最终产品内径尺寸(D₀)、合金材料在胀形温度下的温度补偿系数(β_t)及胀形成异形环件后内径尺寸的回弹量(d)来计算确定，从而在胀形时可以精确控制异形环件的热态尺寸，并在胀形后的异形环件冷却后获得尺寸精度高的冷态尺寸即异形环件经胀形后的最终产品尺寸。

以牌号为TC4的钛合金胀形异形环件为例，经检测胀形后的该合金异形环件的冷态尺寸即最终产品尺寸，其内径、壁厚和高度的尺寸精度分别达到了相应尺寸的1‰～2‰；经检测该合金异形环件的内部组织，未发生显著变化，而且无变形、翘曲等缺陷。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是矩形环轧件沿其中心线的纵剖面图。

图2是胀形机的结构简图。

图3是矩形环轧件的装机示意图。

图4是矩形环轧件热胀形成形为异形环件的过程示意图。

图5是胀形块脱离胀形后的异形环件的示意图。

图6是胀形后的异形环件沿其中心线的纵剖面图。

具体实施方式

实施本发明所述的钛合金矩形环轧件热胀形成形为异形环件的方法需要提供胀形机、锻造加热炉、机械手等设备。下面以我国材料牌号为TC4的钛合金为例来详细说明该方法的具体实施方式：

该合金的主要化学元素含量(重量百分比)为：含Al量5.50～6.80％、含V量3.50～4.50％、含Fe量≤0.30％、含C量≤0.10％、含N量≤0.05％、含H量≤0.015％、含O量≤0.20％、其他元素合计≤0.30、余量为Ti。

用于实施本发明所述热胀形方法的胀形机的结构简图如图2所示，该胀形机主要由芯轴滑块1、径向滑块2、胀形块3、工作台4及导轨5组成。芯轴滑块1呈圆锥形并套装在径向滑块2内与径向滑块2的锥形内圆周面配合，芯轴滑块1可由胀形机的液压缸带动在径向滑块2内沿轴向上下移动并挤压径向滑块2；径向滑块2安装在胀形机的导轨5上并可沿导轨5径向来回移动，径向滑块2从图2俯视方向看是12块分开的扇形块形状，各扇形块的外圆周面上分别固定安装有胀形块3，各扇形块合拢时与胀形块3一起可以形成一个圆环形状；当芯轴滑块1在径向滑块2内沿轴向向下移动时可使各径向滑块2沿径向同步移动扩散使胀形块3达到胀形环件的目的，当芯轴滑块1在径向滑块2内沿轴向向上移动时胀形机可驱动各径向滑块2沿径向同步移动合拢使胀形块3脱离胀形后的环件，胀形块3在胀形过程中具有实时测量环件内径尺寸并把测量数据传送到胀形机的显示器上的功能；此外，在该胀形机的工作台4上还有可驱动环件在该工作台上沿中心轴线旋转的导辊(图中未示出)。

该合金从矩形环轧件热胀形成形为异形环件的工艺步骤如下：

步骤1：装机。

如图3所示，先把胀形机上的胀形块3预热到260℃～320℃，再把如图1所示的TC4合金矩形环轧件10加热到920℃～950℃后套装进胀形机，使其内环面套在胀形块3的外圆周面外围，胀形块3的外圆周面具有与如图6所示最终胀形成形的异形环件20的内圆周面相配合一致的形状，其底面平放在工作台4的上面，此时，径向滑块2处于合拢状态。装机时工件的装运主要通过机械手操作完成。

步骤2：第一次胀形。

如图4所示，启动胀形机使其芯轴滑块1沿其轴向向下移动，芯轴滑块1在径向滑块2内沿其锥形面挤压径向滑块2使各径向滑块2沿径向同步移动扩散，径向滑块2上的胀形块3的外圆周面沿矩形环轧件10的内圆周表面挤压矩形环轧件10，使矩形环轧件10从内圆周表面到外圆周表面受到来自胀形块3的径向挤压力，导致矩形环轧件10的内圆周面沿径向扩大，矩形环轧件10发生内、外径尺寸扩大，壁厚减薄的塑性变形，矩形环轧件10被胀形块3第一次胀形变形为异形环坯15。胀形时胀形机的液压缸对芯轴滑块1施加轴向拉力F，矩形环轧件10的胀形温度为920℃～950℃，胀形时间为25s～40s，保压时间为20s～23s，矩形环轧件10的胀形变形量为10％～12％。

所述胀形时间是指矩形环轧件10从一开始被胀形到胀形结束后的时间；所述保压时间是指矩形环轧件10被胀形达变形量后不再发生变形并一直保持到胀形结束的时间。

步骤3：第一次旋转。

如图5所示，使胀形机驱动芯轴滑块1在径向滑块2内沿轴向向上移动，并驱动径向滑块2沿径向同步移动合拢使胀形块3脱离胀形后的异形环坯15，启动胀形机的工作台4上的导辊使其驱动异形环坯15在该工作台上沿中心轴线顺时针或逆时针旋转45°，从而完成异形环坯15的第一次旋转。

步骤4：第二次胀形。

重复步骤1的胀形过程使胀形块3对异形环坯15进行第二次胀形，胀形时胀形机的液压缸对芯轴滑块1施加轴向拉力F，异形环坯15的胀形温度为900℃～920℃，胀形时间为15s～25s，保压时间为10s～13s，异形环坯15的胀形变形量为0.9％～1.5％。

步骤5：第二次旋转。

重复步骤3，使胀形机的导辊驱动环轧件10与第一次旋转方向同向再旋转45°，从而完成异形环坯15的第二次旋转。

步骤6：第三次胀形。

重复步骤1的胀形过程使胀形块3对异形环坯15进行第三次胀形，胀形时胀形机的液压缸对芯轴滑块1施加轴向拉力F，异形环坯15的胀形温度为870℃～900℃，胀形时间为15s～25s，保压时间为10s～13s，异形环坯15的胀形变形量为0.9％～1.5％。

步骤7：第三次旋转。

重复步骤3，使胀形机的导辊驱动异形环坯15与第二次旋转方向同向再旋转45°，从而完成异形环坯15的第三次旋转。

步骤6：第四次胀形。

重复步骤1的胀形过程使胀形块3对异形环坯15进行第四次胀形使其最终变形成形为异形环件20，胀形时胀形机的液压缸对芯轴滑块1施加轴向拉力F，异形环坯15的胀形温度为850℃～870℃，胀形时间为20s～30s，保压时间为15s～18s，异形环坯15的胀形变形量为0.5％～1％。

四次胀形结束后，向上移动芯轴滑块1，合拢径向滑块2并使胀形块3脱离异形环件20，用机械手取出异形环件20从而完成胀形过程。

所述矩形环轧件10或异形环坯15在胀形过程中，所述轴向拉力F按下式计算：

F=ξ×σ_0.2×S

式中：

ξ——胀形机胀形系数，本发明取1.26～1.52；

σ_0.2——胀形温度下钛合金材料的屈服强度(MPa)，本发明取270MPa～450MPa；

S——矩形环轧件10或异形环坯15的纵截面面积(mm²)；

所述矩形环轧件10的胀形变形量的计算方法为：胀形变形量={[胀形后矩形环轧件10(或异形环坯15)的中径尺寸-胀形前矩形环轧件10(或异形环坯15)的中径尺寸)]／胀形前环轧件10(或异形环坯15)的中径尺寸}×100％。

所述矩形环轧件10(或异形环坯15)的中径尺寸=(矩形环轧件10(或异形环坯15)的内径尺寸+矩形环轧件10(或异形环坯15)的外径尺寸)÷2

为保证矩形环轧件10经胀形成形异形环件20后能够得到产品要求的最终尺寸，异形环件20在热态下的胀形尺寸按以下公式计算：

D=D₀(1+β_t)+d

式中：

D——异形环件20处于热态下的内径尺寸(mm)；

D₀——异形环件20经处于冷态下的最终产品内径尺寸(mm)；

β_t——合金材料在胀形温度下的温度补偿系数(％)，对于不同的材料在不同温度下的温度补偿系数不同，本发明取0.4％～1％；

d——胀形成异形环件20后内径尺寸的回弹量(mm)，本发明取1mm～5mm。

上述尺寸在计算时以变形最大的尺寸为准，对于本发明而言计算时的尺寸是指矩形环轧件10或异形环坯15的大头端面即底端面的尺寸

采用上述方法胀形的钛合金异形环件，其内径尺寸范围为：Φ400mm～Φ4500mm，壁厚为10mm～200mm，高度为40mm～750mm。

本发明并不限于上述异形环轧件20，对于不同截面的异形环轧件只要对应把胀形块3的外圆周面形状加工成与异形环轧件的内圆周面的形状相一致的形状，采用本发明所述的方法便可胀形出不同截面的异形环轧件。

Claims (5)

1.一种钛合金矩形环轧件热胀形成形为异形环件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供胀形机，该胀形机主要由芯轴滑块、径向滑块、胀形块、工作台及导轨组成；所述芯轴滑块呈圆锥形并套装在径向滑块内与径向滑块的锥形内圆周面配合，并且能在径向滑块内沿轴向上下移动挤压径向滑块；所述径向滑块是12块分开的扇形块，安装在胀形机的导轨上并可沿导轨径向来回移动，各扇形块的外圆周面上分别固定安装有胀形块，各扇形块合拢时与胀形块一起形成一个圆环形状；当所述芯轴滑块在所述径向滑块内沿轴向向下移动时能使各径向滑块沿径向同步移动扩散使胀形块达到胀形环件的目的，当所述芯轴滑块在径向滑块内沿轴向向上移动时胀形机可驱动各径向滑块沿径向同步移动合拢使胀形块脱离胀形后的环件；在该胀形机的工作台上还有可驱动环件在该工作台上沿中心轴线旋转的导辊；

把加热到920℃～950℃的钛合金矩形环轧件套装进胀形机，使其内环面套在经预热到260℃～320℃的胀形块的外圆周面外围，所述胀形块的外圆周面具有与最终胀形成形的异形环件的内圆周面相配合一致的形状，此时，径向滑块处于合拢状态；

启动胀形机对芯轴滑块施加轴向拉力F使其沿轴向向下移动并沿所述径向滑块的内孔锥面挤压径向滑块使各径向滑块沿径向同步移动扩散，装在径向滑块外圆周面上的胀形块从矩形环轧件的内圆周表面沿径向挤压该矩形环轧件，矩形环轧件发生内、外径尺寸扩大及壁厚减薄塑性变形为异形环坯，完成第一次胀形；在本次胀形过程中，所述矩形环轧件的胀形温度为920℃～950℃，胀形时间为25s～40s，保压时间为20s～23s，胀形变形量为10％～12％；

胀形机驱动芯轴滑块在径向滑块内沿轴向向上移动，并驱动径向滑块沿径向同步移动合拢使胀形块脱离胀形后的异形环坯，启动胀形机的工作台上的导辊使其驱动所述异形环坯沿中心轴线旋转45°，完成异形环坯的第一次旋转；

按上述第一次胀形的操作对经过第一次胀形后的异形环坯进行第二次胀形，在本次胀形过程中，所述异形环坯的胀形温度为900℃～920℃，胀形时间为15s～25s，保压时间为10s～13s，胀形变形量为0.9％1.5％；

按上述第一次旋转的操作对经过第二次胀形后的异形环坯进行第二次旋转，本次旋转，所述异形环坯与第一次旋转方向同向再旋转45°；

按上述第一次胀形的操作对经过第二次胀形后的异形环坯进行第三次胀形，在本次胀形过程中，所述异形环坯的胀形温度为870℃～900℃，胀形时间为15s～25s，保压时间为10s～13s，胀形变形量为0.9％～1.5％；

按上述第一次旋转的操作对经过第二次胀形后的异形环坯进行第三次旋转，本次旋转，所述异形环坯与第一次旋转方向同向再旋转45°；

按上述第一次胀形的操作对经过第三次胀形后的异形环坯进行第四次胀形，在本次胀形过程中，所述异形环坯的胀形温度为850℃～870℃，胀形时间为20s～30s，保压时间为15s～18s，胀形变形量为0.5％～1％；

胀形结束后，向上移动芯轴滑块，合拢径向滑块，取出经胀形后的异形环件。

2.根据权利要求1所述的矩形环轧件热胀形成形为异形环件的方法，其特征在于：所述钛合金是TC4。

3.根据权利要求2所述的矩形环轧件热胀形成形为异形环件的方法，其特征在于：所述胀形机对芯轴滑块施加的轴向拉力F按下式计算确定：

F=ξ×σ_0.2×S

式中：

ξ—胀形机胀形系数，取1.26～1.52；

σ_0.2—胀形温度下钛合金材料的屈服强度MPa，TC4合金取270MPa～450MPa；

S—矩形环轧件或异形环坯的纵截面面积mm²。

4.根据权利要求2所述的矩形环轧件热胀形成形为异形环件的方法，其特征在于：所述异形环件在热态下的胀形尺寸按以下公式计算确定：

D=D₀(1+β_t)+d

式中：

D—异形环件处于热态下的内径尺寸mm；

D₀—异形环件处于冷态下的最终产品内径尺寸mm；

β_t—合金材料在胀形温度下的温度补偿系数％,TC4合金取0.4％～1％；

d—胀形成异形环件后内径尺寸的回弹量mm，TC4合金取1mm～5mm。

5.根据权利要求1或2所述的矩形环轧件热胀形成形为异形环件的方法，其特征在于：所述胀形成形的异形环件，其内径尺寸范围为Φ400mm～Φ4500mm，壁厚为10mm～200mm，高度为40mm～750mm。

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