CN102700668B - 一种钛合金无缝变壁厚管材及其径向锻造成形机构和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钛合金无缝变壁厚管材及其径向锻造成形机构和方法。本发明的有益效果是采用一种简单的径向锻造工艺，通过芯棒和径向锻造成形机构，可以制备出各种变壁厚无缝钛合金薄壁管材，制备的管材尺寸精度高，表面质量好，可以满足自行车架及零部件的使用要求，在不降低车架结构强度的基础上，减轻车架重量，达到提高车速的目的。

Description

一种钛合金无缝变壁厚管材及其径向锻造成形机构和方法
技术领域
本发明专利涉及钛合金管材制造领域，尤其是钛合金自行车架及其零部件产品要求的变壁厚薄壁无缝管材及其径向锻造成形机构和方法。
背景技术
钛合金变壁厚无缝管材是变径管材的一种产品，不但可用于管路系统改变管道流量，同时，根据承受外载荷不同，还可作为结构承力件使用，尤其是采用钛合金管材焊接制造自行车架。
以前自行车架用变壁厚管、内变径管大都采用冷轧制或冷拉拔(即抽管技术)工艺制造，材料主要涉及冷加工塑性好的铬钼钢、铝合金等。但是对于加工难度较大的钛合金薄壁管材，虽然冷轧制工艺可以制备变壁厚管材，但是加工方法复杂，且不能制备两端壁厚厚，中间壁厚薄的管材；同时由于钛合金塑性低，道次变形量小，采用抽管技术也很难加工出变壁厚薄壁钛合金不等壁管。因此，目前国内钛合金自行车架基本上都采用了等壁厚钛合金管材。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钛合金无缝变壁厚管材，其中外径或内径尺寸保持不变，管体壁厚根据承受载荷分布特点进行设置，最大壁厚为1.5mm至2.5mm，其余部分管体壁厚比最大壁厚少0.5mm至2.0mm；优选地，最大壁厚为2.0mm；优选地，最大壁厚设置于管材两端和/或者中间。
本发明的又一目的在于提供一种制备钛合金无缝变壁厚管材的径向锻造成形机构，其由6～8块锻锤组成，每块锻锤型面为圆弧的一部分，延轴向分为前锥角、定径段、后锥角三部分，6～8块锻锤共同组成圆弧型面，圆弧直径与锻造成品管材直径一致。
本发明的又一目的在于提供一种钛合金无缝变壁厚管材的径向锻造方法，包括：
(1)采用外径为D1、内径d1、壁厚为2～2.5mm钛合金管坯，将径向锻造成形机构张开，预先将制备管体的薄壁部分放入模具中，将芯棒深入管材内部(芯棒外径与管材内径为间隙配合)；
(2)开启径向锻造成形机构，使径向锻造成形机构沿管体径向对管壁进行塑性变形，使管体壁厚减薄的同时延轴向伸长，而管体厚壁部分不参与成形；(3)当管体薄壁部分壁厚达到要求后，开启径向锻造成形机构，取出变形后的管体，并将芯棒抽出，形成内径相等、两端壁厚厚、中间壁厚薄的钛合金不等壁管结构；
其中，所述径向锻造成形机构由6到8块锻锤组成，每块锻锤型面为圆弧的一部分，延轴向分为前锥角、定径段、后锥角三部分，6到8块锻锤共同组成圆弧型面，圆弧直径与锻造成品管材直径一致；优选地，径向锻造成形机构是由液压系统控制模具压下行程，同时在电机带动下延轴向高速旋转，转速100～300转/分钟；优选地，在成形前对钛合金管坯和芯棒进行加热；优选地，加热的温度为温度600℃。
本发明的又一目的在于提供一种钛合金无缝变壁厚管材的径向锻造方法，包括用内径相等、两端壁厚厚、中间壁厚薄的钛合金不等壁管为管坯，管体内部不插入芯棒，直接在径向锻造成形机构中进行变形，因管体内部没有芯棒支撑，径向锻造成形机构沿管体径向对整个管体进行塑性变形，只改变管体的外径，最终制备出外径相等、两端壁厚厚、中间壁厚薄的钛合金不等壁管结构，其中所述径向锻造成形机构由6到8块锻锤组成，每块锻锤型面为圆弧的一部分，延轴向分为前锥角、定径段、后锥角三部分，6到8块锻锤共同组成圆弧型面，圆弧直径与锻造成品管材直径一致；优选地，径向锻造成形机构是由液压系统控制模具压下行程，同时在电机带动下延轴向高速旋转，转速100～300转/分钟；优选地，在成形前对钛合金管坯和芯棒进行加热；优选地，加热的温度为600℃。
本发明内容具体采用的技术方案是：
(1)采用外径为D1、内径d1、壁厚为2～2.5mm钛合金管坯，先将径向锻造成形机构张开，预先将制备管体的薄壁部分2放入模具中，将芯棒4深入管材内部(芯棒外径与管材内径为间隙配合)，然后开启径向锻造成形机构模具3，使模具3沿管体径向对管壁进行塑性变形，使管体壁厚减薄的同时延轴向伸长，而管体厚壁部分1不参与成形。当管体薄壁部分2壁厚达到要求后(自行车架用管材一般为0.9mm)，开启径向锻造成形机构模具3，取出变形后的管体，并将芯棒4抽出，形成图1所示内径相等，两端壁厚厚，中间壁厚薄的钛合金不等壁管结构。
(2)用图1中钛合金不等壁管为管坯，管体内部不插入芯棒，直接在径向锻造成形机构3中进行变形，因管体内部没有芯棒支撑，模具4沿管体径向对整个管体进行塑性变形，只改变管体的外径，最终制备出图2所示外径相等，两端壁厚厚，中间壁厚薄的钛合金不等壁管结构。
(3)采用上述(1)和(2)的制备方法，还可根据外部载荷分布特点，制备出如图3所示三段钛合金不等壁管，可以是内径相等或外径相等的不等壁管结构。
(4)同时，根据所述加工的钛合金管材性能，为了提高材料的塑性和道次加工率，该径向锻造方法还在成形前对钛合金管坯和芯棒进行加热，进行热加工。
本发明的有益效果是采用一种简单的径向锻造工艺，通过芯棒和径向成形机构，可以制备出各种变壁厚无缝钛合金薄壁管材，制备的管材尺寸精度高，表面质量好，可以满足自行车架及零部件的使用要求，在不降低车架结构强度的基础上，减轻车架重量，达到提高车速的目的。不但可以高效低成本的生产加工性能较差的钛合金无缝变径管，还可根据外载荷承力部位不同，控制变壁厚管材厚壁部分的位置，从而达到最大化发挥材料潜能的目的。尤其适合加工钛合金自行车架、车把及前插等承力部件，在不降低车架整体强度的前提下，减轻车架重量。
附图说明
图1为钛合金内径相等两段式不等壁管剖视图。
图2为钛合金外径相等两段式不等壁管剖视图。
图3(a)为钛合金内径相等三段式不等壁管剖视图。
图3(b)为钛合金外径相等三段式不等壁管剖视图。
图4(a)为径向锻造工艺制备钛合金不等壁管剖视图。
图4(b)为径向锻造工艺制备钛合金不等壁管主视图。
具体实施方式
实施例一钛合金内径相等两段式不等壁管TA18的制备
采用钛合金管坯(φ42mm×2mm内径φ38mm)，先将径向锻造成形机构张开，预先将制备管体的薄壁部分2放入模具中，将芯棒4(φ37.8mm)深入管材内部(芯棒外径与管材内径为间隙配合)，然后开启径向锻造成形机构模具3，使模具3沿管体径向对管壁进行塑性变形，使管体壁厚减薄的同时延轴向伸长，而管体厚壁部分1不参与成形。当管体薄壁部分2壁厚达到0.9mm，开启径向锻造成形机构模具3，取出变形后的管体，并将芯棒4抽出，形成图1所示内径相等，两端壁厚厚，中间壁厚薄的钛合金不等壁管结构。
实施例二钛合金内径相等两段式不等壁管TA2的制备
方法参照实施例一，不同之处在于将钛合金管坯变为φ63mm×2.5mm、内径φ58mm，将芯棒4变为φ57.8mm。
实施例三钛合金内径相等两段式不等壁管TC4的制备
方法参照实施例一，不同之处在于将钛合金管坯变为φ22mm×1.5mm、内径φ19mm，将芯棒4变为φ18.8mm，同时，为了提高材料的塑性和道次加工率，在径向锻造过程中对钛合金管坯和芯棒进行加热，温度为600℃。
实施例四钛合金外径相等两段式不等壁管的制备
用实施例一、二或三制备的钛合金不等壁管为管坯，管体内部不插入芯棒，直接在径向锻造成形机构3中进行变形，因管体内部没有芯棒支撑，模具4沿管体径向对整个管体进行塑性变形，只改变管体的外径，最终制备出图2所示外径相等，两端壁厚厚，中间壁厚薄的钛合金不等壁管结构。
实施例五钛合金三段式不等壁管的制备
采用上述实施例一和四的制备方法，根据外部载荷分布特点，制备出如图3所示三段钛合金不等壁管。以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种钛合金无缝变壁厚管材的径向锻造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）采用外径为D1、内径为d1、壁厚为2～2.5mm钛合金管坯，将径向锻造成形机构张开，预先将制备管体的薄壁部分放入径向锻造成形机构中，将芯棒深入管材内部，芯棒外径与管材内径为间隙配合；
（2）开启径向锻造成形机构，使径向锻造成形机构沿管体径向对管壁进行塑性变形，使管体壁厚减薄的同时延轴向伸长，而管体厚壁部分不参与成形；
（3）当管体薄壁部分壁厚达到要求后，开启径向锻造成形机构，取出变形后的管体，并将芯棒抽出，形成内径相等、两端壁厚厚、中间壁厚薄的钛合金不等壁管结构；
其中，所述径向锻造成形机构由6到8块锻锤组成，每块锻锤型面为圆弧的一部分，延轴向分为前锥角、定径段、后锥角三部分，6到8块锻锤共同组成圆弧型面，圆弧直径与锻造成品管材直径一致。
2.一种钛合金无缝变壁厚管材的径向锻造方法，其特征在于，使用内径相等、两端壁厚厚、中间壁厚薄的钛合金不等壁管为管坯，管体内部不插入芯棒，直接在径向锻造成形机构中进行变形，因管体内部没有芯棒支撑，径向锻造成形机构沿管体径向对整个管体进行塑性变形，只改变管体的外径，最终制备出外径相等、两端壁厚厚、中间壁厚薄的钛合金不等壁管结构；
所述径向锻造成形机构由6到8块锻锤组成，每块锻锤型面为圆弧的一部分，延轴向分为前锥角、定径段、后锥角三部分，6到8块锻锤共同组成圆弧型面，圆弧直径与锻造成品管材直径一致。
3.根据权利要求1或2所述的钛合金无缝变壁厚管材的径向锻造方法，其特征在于：所述的径向锻造成形机构是由液压系统控制模具压下行程，同时在电机带动下延轴向高速旋转，转速100～300转/分钟。
4.根据权利要求1或2所述的钛合金无缝变壁厚管材的径向锻造方法，其特征在于：在成形前对钛合金管坯和芯棒进行加热。
5.根据权利要求4所述的钛合金无缝变壁厚管材的径向锻造方法，其特征在于：所述加热的温度为600℃。
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