1、引言

隨著航空航天、兵器等工業(yè)的發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)件具有重量輕、強(qiáng)度高、耐熱耐蝕等性能的要求越來(lái)越強(qiáng)烈。TC4鈦合金是一種中等強(qiáng)度的α-β型雙相鈦合金，具有密度小、比強(qiáng)度及比剛度高、耐熱耐蝕性能好等優(yōu)異的綜合性能，適應(yīng)了航空航天、兵器、船舶等工業(yè)發(fā)展的需要，在航空航天、兵器等工業(yè)中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

但TC4鈦合金在常溫下強(qiáng)度高、塑性低、加工硬化強(qiáng)烈，易開裂，不利于室溫條件下旋壓成形，給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)很大的困難。據(jù)相關(guān)資料指出，美國(guó)制管技術(shù)公司曾于20世紀(jì)80年代發(fā)表文章指出TC4鈦合金冷旋是可行的，變形量可達(dá)38％；但同時(shí)又宣布，因許多因素未搞清楚，不具備工業(yè)生產(chǎn)條件。截止目前，國(guó)內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金進(jìn)行商業(yè)化冷旋生產(chǎn)的報(bào)道。可見，TC4鈦合金的冷旋成形是非常困難的。同時(shí)，TC4鈦合金導(dǎo)熱率低，對(duì)變形溫度十分敏感，使得該合金薄壁筒形件的熱旋成形難度很大，急需開展相關(guān)研究。為此，本文以TC4鈦合金薄壁筒形件為對(duì)象，開展了熱旋成形工藝及優(yōu)化研究，成形出了質(zhì)量合格的一端帶內(nèi)法蘭的TC4鈦合金筒形件，為 類似鈦合金筒形件旋壓提供了參考。

2、熱旋方案設(shè)計(jì)

2.1 零件要求

本文研究的TC4鈦合金筒形件的形狀、尺寸及主要技術(shù)要求如圖1所示，室溫機(jī)械性能要求如表1所示。由圖l可知，該制件是一端帶內(nèi)法蘭的筒形件，對(duì)幾何形狀和尺寸精度要求非常嚴(yán)格。由表1可知，該制件的機(jī)械性能要求很高，需要通過(guò)塑性變形和固溶時(shí)效熱處理才能獲得。

2.2坯料設(shè)計(jì)

根據(jù)圖l所示制件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該制件采用正向加熱旋壓工藝成形。同時(shí)根據(jù)TC4鈦合金各種溫度下的拉伸機(jī)械性能參數(shù)和所使用的旋壓機(jī)床技術(shù)參數(shù)，參考我公司成旋壓成形的TB2鈦合金筒形件、TC11鈦合金筒形件等相關(guān)鈦合金殼體的旋壓工藝，并考慮到熱旋氧化的影響，進(jìn)行了旋壓坯料的設(shè)計(jì)?。坯料結(jié)構(gòu)如圖2所示。該坯料尺寸包括了成品機(jī)械加工余量及去氧化皮余量的要求。實(shí)驗(yàn)證明是合理的。

2.3模具設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的TC4鈦合金旋壓成形用芯模的工作部分尺寸及要求如圖3所示，芯模用材料選用H13(4Cr5Movlsi)中耐熱韌性熱作模具鋼，采用整體熱處理以保證芯模的硬度53～56HRC，并防止熱旋過(guò)程中芯模因組織性能不一致而發(fā)生變形、開裂等現(xiàn)象。為了保證制件內(nèi)表面粗糙度要求，對(duì)芯模外表面工作部分進(jìn)行了拋光處理。

旋輪的形狀、幾何尺寸及精度要求如圖4所示。

旋輪工作部分的幾何參數(shù)是根據(jù)TC4鈦合金高溫性能、變形方式和旋壓工藝參數(shù)，并參考TB2鈦合金、TC11鈦合金殼體旋壓工藝而確定的。旋輪用材料選用高耐熱熱作模具鋼，采用整體熱處理以保證旋輪硬度50～54HRC，并對(duì)旋輪工作型面進(jìn)行了拋光處理。

3、熱旋工藝試驗(yàn)

根據(jù)TC4鈦合金筒形件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求，分析并研究了TC4鈦合金的機(jī)械性能及熱處理工藝參數(shù)對(duì)其機(jī)械性能的影響規(guī)律，擬定了成形工藝：擠壓坯料-->下料-->固溶處理-->機(jī)械加工旋壓坯料-->加熱旋壓-->固溶處理-->加熱旋壓-->時(shí)效處理-->機(jī)械加工定尺。

TC4鈦合金筒形件的加熱旋壓成形試驗(yàn)在我公司PS-SXYl650CNC型雙滑臺(tái)雙旋輪數(shù)控旋壓機(jī)上進(jìn)行的，該旋壓機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)過(guò)程中，將芯模預(yù)熱至350℃以上，在電爐內(nèi)將坯料升溫至500℃并保溫5min；然后將坯料套進(jìn)芯模上，頂上尾頂塊，啟動(dòng)主軸，使坯料隨芯模一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)采用2把氧一乙炔噴槍對(duì)坯料及芯模進(jìn)行加熱，采用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行在線溫度測(cè)量和控制，到溫后即進(jìn)行旋壓成形試驗(yàn)。

4、試驗(yàn)結(jié)果及分析

TC4鈦合金筒形件加熱旋壓試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的芯模及旋輪是合適的，旋壓道次和芯模轉(zhuǎn)速(在不發(fā)生共振條件下)對(duì)旋壓成形的影響很小，可不予考慮。影響旋壓成形的主要工藝參數(shù)為加熱溫度、旋輪進(jìn)給比、道次壁厚減薄率和總壁厚減薄率。

4.1加熱溫度的影響

加熱旋壓的目的是提高TC4鈦合金的可旋性，降低其變形抗力，試驗(yàn)中所記錄的溫度是用紅外測(cè)溫儀測(cè)量的坯料表面加熱溫度。在旋壓成形過(guò)程中，由于坯料與芯模、旋輪接觸后，溫度很快降低，變形區(qū)的實(shí)際溫度遠(yuǎn)低于所觀測(cè)的坯料加熱溫度。從試驗(yàn)結(jié)果看，當(dāng)坯料的加熱溫度低于5500C時(shí)，TC4鈦合金管坯的壁厚減薄率累計(jì)達(dá)到40％時(shí)，就發(fā)生了嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象，如圖5a所示。這是由于坯料溫度過(guò)低(變形區(qū)實(shí)際變形溫度可能低于500℃)，材料塑性偏低造成的。當(dāng)坯料的加熱溫度高于800。C時(shí)，旋壓過(guò)程中，材料易發(fā)生堆積而造成旋壓無(wú)法進(jìn)行。同時(shí)，溫度越高，TC4鈦合金氧化越嚴(yán)重。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定旋壓加熱溫度為600℃~750℃，在該 溫度條件下，旋壓成形順利進(jìn)行，旋壓成形的管件如圖5b所示。

4.2旋輪進(jìn)給比的影響

旋輪進(jìn)給比是指芯模每旋轉(zhuǎn)一周，旋輪沿工件母線的進(jìn)給量，進(jìn)給比對(duì)工件直徑的脹縮和工件質(zhì)量有著顯著影響。進(jìn)給比的增大有助于工件的縮徑，但過(guò)大的進(jìn)給比將引起旋輪前材料堆積嚴(yán)重，甚至?xí)虿牧隙逊e過(guò)多而造成旋壓無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。

TC4鈦合金筒形件旋壓過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)給比增大至1.7ram／轉(zhuǎn)時(shí)，材料堆積嚴(yán)重，旋壓后制件表面產(chǎn)生嚴(yán)重的疊皮現(xiàn)象，如圖6a所示。經(jīng)打磨觀察發(fā)現(xiàn)，該疊皮厚度達(dá)2ram，造成制件厚度不均，滿足不了制件的技術(shù)要求。

反之，進(jìn)給比的降低會(huì)提高工件表面質(zhì)量，但會(huì)引起工件擴(kuò)徑，甚至?xí)鹨恍┐嘈圆牧系谋砻娈a(chǎn)生魚鱗狀起皮現(xiàn)象。TC4鈦合金筒形件旋壓進(jìn)給比取0.3ram／轉(zhuǎn)時(shí)，旋壓制件出現(xiàn)明顯的扭曲現(xiàn)象。經(jīng)測(cè)量，制件擴(kuò)徑量達(dá)到2.5ram左右。擴(kuò)徑是導(dǎo)致制件扭曲及直線度差的主要因素。

經(jīng)分析研究后，取進(jìn)給比為1.1mmft4專，對(duì)TC4鈦合金筒形件進(jìn)行旋壓成形。旋壓過(guò)程中，材料變形穩(wěn)定；旋壓成形后，經(jīng)檢測(cè)制件的直線度、內(nèi)徑和壁厚均達(dá)到了試驗(yàn)方案提出的要求。旋壓成形的筒形件表面如圖6b所示。

4.3壁厚減薄率的影響

減薄率反映工件的變形程度。筒形件強(qiáng)力旋壓時(shí)道次減薄率過(guò)大會(huì)造成工件畸變?cè)龃螅认陆?，表面出現(xiàn)波紋、折疊、疊皮等疵病，甚至?xí)?dǎo)致工件發(fā)生破裂現(xiàn)象。TC4鈦合金筒形件旋壓試驗(yàn)中，當(dāng)?shù)来螠p薄率達(dá)到40％1t寸，隨著旋壓成形的不斷進(jìn)行，工件開始出現(xiàn)扭曲，扭曲不斷加劇，最后造成工件破裂，如圖7a所示。反之，道次減薄率過(guò)小則會(huì)增加工件厚度上的變形不均勻性而使制件精度變差，甚至使工件內(nèi)表面因變形不充分而造成拉裂現(xiàn)象。TC4鈦合金筒形件旋壓試驗(yàn)中，當(dāng)?shù)来螠p薄率僅為15％時(shí)，制件內(nèi)表面因變形不充分而造成拉裂，如圖7b所示。通過(guò)試驗(yàn)，確定TC4鈦合金的道次減薄率為30％～20％。在此范圍內(nèi)，旋壓成形穩(wěn)定，材料沿壁 厚方向組織均勻，工件形狀及尺寸精度均達(dá)到圖紙要求。

5、結(jié)論

(1)采用擠壓坯料，經(jīng)加熱旋壓成形TC4鈦合金筒形件的工藝是可行的，按照該工藝方案試制的筒形件符合制件技術(shù)條件的要求。

(2)加熱溫度為600℃～750℃、旋輪進(jìn)給比為0.8～1.2mm/轉(zhuǎn)、道次減薄率為30％～20％時(shí)，TC4鈦合金筒形件旋壓成形穩(wěn)定。

(3)采用加熱旋壓_固溶處理_加熱旋壓一時(shí)效處理的順序進(jìn)行TC4鈦合金筒形件的加工成形是合理的，避免了制件的熱處理變形，省去了熱處理后的精密整形工序，既保證了制件的形狀和尺寸精度，又達(dá)到了制件技術(shù)條件規(guī)定的機(jī)械性能要求。

(4)TC4鈦合金簡(jiǎn)形件加熱旋壓成形工藝的成功為開展大批量的鈦質(zhì)薄壁筒形件及管材生產(chǎn)提供了參考，促進(jìn)了鈦及鈦合金在航空航天、兵器、船舶等工業(yè)中的應(yīng)用。

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第一作者簡(jiǎn)介：汪發(fā)春，男，1977年生，漢族，工程師，碩士，從事金屬材料旋壓成形及熱處理工藝技術(shù)研究。