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济南瑞力得数控机械工程有限公司是集科研、开发、生产为一体的高科技企业,主要生产D46系列双辊楔横轧机和D47系列平板楔横轧机。公司自成立以来,秉承“质量是根本,创新求发展“的办厂原则,努力将公司打造成我国近净成型工艺研究与设备生产的一流企业。公司广纳圣材建立了较完善的人才梯队,既有几十年专业从事楔横轧工艺和设备研究的行业带头人;也有多名设计经验丰富的高级工程师,还有充满活力的年轻俊才。

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钛合金楔横轧成形工艺的模拟与实验研究

更新时间:2017-05-23 15:48:24 点击数:2243

山东建筑大学  王雷

济南瑞力得数控机械工程有限公司   袁廷香 张世成 李强

摘要:本文应用计算机模拟技术与实验相结合的方法对钛合金材料的楔横轧工艺进行了研究。得到了不同于普通碳钢的楔横轧工艺参数,从而为钛合金轴类零件的生产提供了又一不同的生产工艺技术。

关键字:钛合金 楔横轧

1 前言

钛合金因其较高的比强度,被广泛应用于航空航天业;由于其特殊的物理特性又广泛的应用到医疗行业。众所周知,钛合金是一种难加工材料,由于材料的固有强度高及热传导性差,因此难以塑性成形。

楔横轧工艺是近年来各国大力推广的一种高效的金属塑性成形技术,是轴类零件塑性成形新工艺。其广泛应用于汽车、内燃机等轴类零件毛坯的生产中,还可以用它为模锻件提供比其它锻造方法更精确的预制毛坯。

楔横轧的工作原理如图1所示。两个带楔形模具的轧辊以相同的方向旋转,从而带动轧件旋转,轧件在楔形模具的作用下,产生径向压缩而轴向延伸的塑形变形,并在轧辊旋转一周过程中,最终将轧件轧制成和模具型腔相同的所需的轴类零件。

图1楔横轧的工作原理图

楔横轧工艺有以下特点:1)具有高的生产效率:生产效率可达10件/分钟;2)材料利用率高:材料利用率可达90%以上; 3)模具寿命高:模具寿命是模锻工艺模具寿命的10倍以上;4)产品质量好:产品精度可达钢质模锻件国家标准中的精密级,直径方向可达±0.3mm长度方向±0.5mm。

本文就是采用楔横轧工艺对钛合金材料的塑形变形进行计算机模拟并进行实验研究。

2 计算机模拟

本文应用Deform软件共对钛合金材料进行了不同楔横轧工艺参数下的三次模拟研究。

第一次模拟,考虑到钛合金难以成形,所以选用小变形模具。所用模具如图3所示

图3 第一次模拟所用模具

模拟的轧制结果如图4,5所示。图4为轧制力最大时的模拟结果图,图5为轧制完成时的模拟图。

 图4 钛合金的楔横轧轧件1

图5 钛合金楔横轧轧件1的最终成形结果

总体来看,模拟结果较好,并且轧制力和钢件轧制力没有太大差距。

第二次模拟,第一次模拟采用小变形模具所得结果比较满意,第二次选用变形量较大的模具。所用模具如图6所示。

  图6 第二次模拟所用模具

模拟的轧制结果如图7,8所示。图7为轧制力最大时的模拟结果图。图8轧件发生滑动,无法再继续模拟,只能停止。

图7 钛合金的楔横轧轧件2

图8 钛合金楔横轧轧件2的最终成形结果

从模拟轧制来看,轧制钛合金的轧制力远大于轧制钢件的轧制力,这和实际中对钛合金的了解相似。并且,从轧制结果图中可以看出,钛合金件发生滑动,说明轧制过程中不再满足旋转条件。这样,轧制钛合金件不仅对模具提出了更为苛刻的要求,并且对设备的整体刚度也提出了相应的要求。

第三次模拟,本次模拟从模具的工艺参数上做了一定修改,所用模具如图9所示。

 图9. 第三次模拟所用模具

模拟的轧制结果如图10所示。图10为轧制力最大时的模拟结果图。

图10. 钛合金的楔横轧轧件3

从模拟轧制中可以看出,轧件的成形较高能够满足要求,但是相比于轧制钢件,轧制力明显变大,这样对设备提出了更高的要求。

3 楔横轧轧制实验

本轧制实验采用D46-1000型楔横轧机,考虑到钛合金难成形,借助以前的轧制经验,将钛合金棒料和模具都加热,同时模具加热也考虑到轧制最后阶段钛合金件容易脱模。

模具温度200。C,钛合金坯料的加热温度为850。C,料长170mm(仅用了理论长度的一半,因为考虑到浪费的因素,并且前几次轧制发生滑动的可能性较大,故采用一半长度进行了相应实验),轧机转速2.4r/min。最终轧件的照片如图11所示。

 图11. 第一次轧制钛合金件照片

从轧件图可以看出,轧件在模具前段轧制比较顺利,但在后面的轧制过程中发生滑动,导致轧件不再能够成形。发生滑动的因素主要有两个,一个是摩擦小,在轧制后面的部分不再满足轧制过程中的旋转条件;另一个是坯料加热温度低,轧制中所需轧制力大,而现有的楔横轧机不能满足,从而发生滑动。

模具温度300。C,钛合金件的加热温度为920。C,料长170mm,轧机转速4.8r/min。轧制照片如图12所示。

图12. 第二次轧制钛合金件照片

从轧件图可以看出,本次轧制结果较好,轧件的表面质量也能够满足设计要求,但是在图12中轧件的右端发生了滑动,出现这种现象的原因可能是这样的,在轧制后期,因为模具的摩擦不能满足轧件的旋转条件,就可能出现右端的滑动和缩颈。

4 结论

根据所做的模拟实验与轧制实验,证明了无论从理论上还是从实际中,楔横轧轧制钛合金是可行的,但是钛合金的轧制和钢件的轧制确实存在很大的不同。当轧件的变形量较小时,从模拟结果来看,钛合金的成形效果能够满足要求;但是当轧件变形量较大时,钛合金的成形就变得复杂,模拟时出现的问题也相应变多。

实际轧制过程中,当轧制速度较大时,轧制效果明显好于轧制速度较小的情况。所以,轧制速度也是影响楔横轧轧制钛合金的重要因素。


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