1、引言

隨著航空航天、兵器等工業(yè)的發(fā)展，對結(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)帶來很大的困難。據(jù)相關(guān)資料指出，美國制管技術(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)的報道。可見，TC4鈦合金的冷旋成形是非常困難的。同時，TC4鈦合金導(dǎo)熱率低，對變形溫度十分敏感，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

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，需要通過塑性變形和固溶時效熱處理才能獲得。

2.2坯料設(shè)計

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?。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

設(shè)計的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，啟動主軸，使坯料隨芯模一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。同時采用2把氧一乙炔噴槍對坯料及芯模進(jìn)行加熱，采用紅外測溫儀進(jìn)行在線溫度測量和控制，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溫儀測量的坯料表面加熱溫度。在旋壓成形過程中，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，TC4鈦合金管坯的壁厚減薄率累計達(dá)到40％時，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，旋壓過程中，材料易發(fā)生堆積而造成旋壓無法進(jìn)行。同時，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過多而造成旋壓無法繼續(xù)進(jìn)行。

TC4鈦合金筒形件旋壓過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)給比增大至1.7ram／轉(zhuǎn)時，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)給比的降低會提高工件表面質(zhì)量，但會引起工件擴(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，旋壓制件出現(xiàn)明顯的扭曲現(xiàn)象。經(jīng)測量，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TC4鈦合金筒形件進(jìn)行旋壓成形。旋壓過程中，材料變形穩(wěn)定；旋壓成形后，經(jīng)檢測制件的直線度、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)力旋壓時道次減薄率過大會造成工件畸變增大，精度下降，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，道次減薄率過小則會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，制件內(nèi)表面因變形不充分而造成拉裂，如圖7b所示。通過試驗(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，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。