CN102941261B - α相钛合金闪光焊薄壁环件的型材弯曲制坯方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种α相钛合金闪光焊薄壁环件的型材弯曲制坯方法，其步骤为：把按规格下料的α相钛合金型材分成mn、no、op、pq及qw五段并加热至720℃±20℃后装进弯曲机定位。先弯曲op段，所述弯曲机的上辊和两个下辊的旋转线速度为2400mm/min，两个下辊向上移动的速度为7.5mm/min，重复弯曲4次，此时，op圆弧段达到预定的曲率半径；再弯曲no段和pq段，所述上辊和两个下辊的旋转线速度为1200mm/min，两个下辊向上移动的速度为9.5mm/min，重复弯曲4次，此时，no和pq圆弧段达到预定的曲率半径。所述型材弯曲变形成为“D”字型的环坯，该环坯的两条直边与圆弧部通过过渡圆弧段连接，消除了两条直边与圆弧部的连接产生折角和在环坯表面产生压痕的现象。

Description

α相钛合金闪光焊薄壁环件的型材弯曲制坯方法

技术领域

本发明涉及一种型材的弯曲方法，特别是涉及了α相钛合金闪光焊薄壁环件的型材弯曲制坯方法。

背景技术

随着航空、航天、船舶、燃气轮机、风能、核能及轴承等行业对环件需求的增加，采用传统轧制方法成形的环件由于机械加工余量大、材料利用率低，不仅浪费大量的材料，而且还使环件的成本居高不下。而采用闪光焊接工艺生产的环件，机加余量少，材料利用率高，成本也随之大大降低，有利于使环件成形朝着精密成形技术方向发展。闪光焊环坯的制备技术是生产闪光焊环件的关键技术之一。

现有技术中对于闪光焊环坯的制备主要采用以下方法：先将型材装入弯曲机上弯曲成近似的圆形，并在型材两端头部位各留一段直边；再在校型机上将型材的直边部分与圆弧部分弯曲成一折角，使型材两端的直边相互对齐，便于闪光对焊机对环坯的夹持并进行焊接。采用上述方法制备的闪光焊环坯，在环坯的圆弧部分和两端直边部分的连接处会产生折角，在环坯的表面容易产生压痕；所述环坯经闪光焊成形为环件后，需要进行胀形校圆处理，胀形时折角处容易产生应力集中被胀裂而导致环件报废，校圆时，需要花费大量的工时和能耗对折角进行修整，而且不能被完全消除，校圆后环件整体椭圆度较大；由于闪光焊环件的加工余量较小，环件椭圆度较大及表面存在压痕都会影响环件的尺寸精度，造成尺寸精度低，不利于获得少无余量加工的闪光焊环件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在弯曲机上对型材进行分段弯曲的方法来实现α相钛合金闪光焊薄壁环件型材的弯曲制坯，该方法能消除弯曲α相钛合金型材时所产生的折角和压痕，有利于提高闪光焊环件尺寸精度和加工质量。

为解决上述技术问题，本发明所述α相钛合金闪光焊薄壁环件的型材弯曲制坯方法，其技术方案包括以下步骤：

把按规格下料的α相钛合金型材分成mn、no、op、pq及qw五段，所述各段的比值为mn：no：op：pq：qw＝1.0：2.0～2.5：7.0～8.0：2.0～2.5：1.0，再把所述型材加热至720℃±20℃；

把所述型材装进弯曲机，由弯曲机的上辊和两个下辊对其进行定位，使所述型材的中心与所述上辊的中心对齐，所述上辊和两个下辊位于所述型材的op段；

操控所述上辊沿逆时针方向旋转、两个下辊沿顺时针方向旋转，驱动型材向其右端方向移动，同时对两个下辊加载176KN的力使其向上移动顶压型材，当左下辊与型材的o点接触时，改变上辊和两个下辊的旋转方向，驱动型材向其左端方向移动；当右下辊与型材的p点接触时，再一次改变上辊和两个下辊的旋转方向，驱动型材向其右端方向移动，直到上辊与型材op段的中点接触；弯曲过程中两个下辊始终一直向上移动顶压型材；所述上、下辊的旋转线速度均为2400mm/min，所述两个下辊向上移动的速度均为7.5mm/min；重复上述操作4次，此时，op圆弧段达到预定的曲率半径；

停机检测所述型材的温度，若大于或等于520℃时继续弯曲操作，若小于520℃，回炉加热至720℃±20℃后再继续弯曲no段；

把所述型材的no段定位在弯曲机上使其中点与上辊的中心对齐；操控上辊沿顺时针方向旋转、两个下辊沿逆时针方向旋转，驱动型材向其左端方向移动，同时对两个下辊加载257KN的力使其向上移动顶压型材；当右下辊与型材的o点接触时，改变上辊和两个下辊的旋转方向，驱动型材向其右端方向移动；当左下辊与型材的n点接触时，再一次改变上辊和两个下辊的旋转方向，驱动型材向其左端方向移动，直到上辊与型材的no段的中点相接触；弯曲过程中两个下辊始终一直向上移动顶压型材；所述上、下辊的旋转线速度均为1200mm/min，所述两个下辊向上移动的速度均为9.5mm/min；重复上述操作4次，此时，no圆弧段达到预定的曲率半径；

按上述弯曲no段的步骤弯曲pq段，直到弯曲后的pq圆弧段达到预定的曲率半径，所述型材的mn段和qw段对齐。

优选地，所述各弯曲圆弧段的曲率半径由下式确定：

$R=\frac{a^2}{8\mathrm{\δ}}+\frac{1}{2}\mathrm{\δ}-r-d$

式中：

R——弯曲后对应圆弧段的曲率半径(mm)；

a——两个下辊之间的中心距离(mm)；

δ——弯曲对应圆弧段时下辊上升的距离(mm)；

r——下辊的半径(mm)；

d——型材的厚度(mm)。

优选地，所述下辊向上移动的速度与所述上、下辊的旋转线速度由下式确定：

$V_2=\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{n\πR}}{V}_1$

式中：

V₂——弯曲对应圆弧段时下辊向上移动的速度(mm/min)；

V₁——弯曲对应圆弧段时上辊或下辊的旋转线速度(mm/min)；

R——弯曲后对应圆弧段的曲率半径(mm)；

δ——弯曲对应圆弧段时下辊上升的距离(mm)；

n——对应圆弧段重复弯曲的次数(次)。

优选地，所述弯曲机加载给下辊使其能向上移动顶压型材的最小力由下式确定：

$F\frac{8\mathrm{EJ}(a^2+4{\mathrm{\δ}}^2)}{a^2(a^2-4{\mathrm{\δ}}^2)}\arcsin \frac{4\mathrm{a\δ}}{a^2+4{\mathrm{\δ}}^2}$

式中：

F——弯曲机加载给下辊使其能向上移动顶压型材的最小力(N)；

EJ——棒材的刚度，其中，E为弹性模量(GPa)，J为棒材的截面惯矩(cm⁴)；

a——两个下辊之间的中心距离(mm)；

δ——下辊向上移动的距离(mm)。

优选地，所述α相钛合金是TA7。

优选地，所述环件的轴向截面尺寸最大是65mm×30mm。

采用所述方法弯曲成形的闪光焊薄壁环件的环坯呈“D”字型，由两条直边、圆弧部及连接所述直边和圆弧部的过度圆弧段组成，在两条直边之间端部相对的位置处具有开口。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明所述α相钛合金闪光焊薄壁环件的型材弯曲制坯方法，在弯曲过程中把所述型材分成mn、no、op、pq及qw五段，所述各段的比值为mn：no：op：pq：qw＝1.0：2.0～2.5：7.0～8.0：2.0～2.5：1.0，使弯曲后op段的曲率半径大于no或pq段的曲率半径，有利于弯曲变形及获得呈“D”字型的环坯。并且弯曲后环坯的两条直边与圆弧部通过过渡圆弧段连接，消除了两条直边与圆弧部的连接产生折角和在环坯表面产生压痕的现象，不仅使制坯过程易于进行，并且还避免了焊接成形的闪光焊环件在后续胀形校圆工艺中折角处容易产生应力集中而胀裂导致环件报废的问题；同时，也使得胀形校圆过程易于进行，可以节省大量的工时和能耗，消除椭圆度，提高环件的尺寸精度和加工质量，获得少无余量加工的闪光焊环件。

在所述型材弯曲过程中，当各弯曲圆弧段的曲率半径满足下辊向上移动的速度与上辊、下辊的旋转线速度满足时，能使各弯曲圆弧段之间顺利圆滑过渡和弯曲成形。

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是采用现有技术制取的闪光焊薄壁环件的环坯示意图。

图2是弯曲机的结构示意图。

图3是α相钛合金型材的分段示意图。

图4是α相钛合金型材的装机示意图。

图5是α相钛合金型材op段的弯曲过程示意图。

图6是α相钛合金型材no段的弯曲过程示意图。

图7是α相钛合金型材弯曲结束后的状态示意图。

图8是采用本发明制取的α相钛合金闪光焊薄壁环件的环坯示意图。

具体实施方式

实施本发明所述的α相钛合金闪光焊薄壁环件的型材弯曲制坯方法需要提供型材弯曲机、加热炉、机械手等设备。

图1示出了采用现有技术生产的α相钛合金闪光焊薄壁环件的环坯10的示意图，该环坯10由两条直边11和圆弧部13组成，在两条直边之间具有开口14，在两条直边11分别和圆弧部13之间的交接处形成折角12。

图2示出了弯曲机的示意图，所述弯曲机1具有上辊2和两个下辊3，所述上辊2固定装在支座5上，所述两个下辊3分别装在两个曲柄4上并可上、下移动，所述上辊2和两个下辊3呈三角形分布并可沿顺时针或逆时针方向转动；该弯曲机1还具有调节上辊2、两个下辊3的转动速度和两个下辊3上、下移动速度的控制装置；所述上辊2和两个下辊3的半径均为200mm，两下辊3的中心距离为450mm。

下面以我国材料牌号为TA7的钛合金为例来详细说明本发明所述α相钛合金闪光焊薄壁环件的型材弯曲制坯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4.0％～6.0％、含Sn量2.0％～3.0％、含Fe量≤0.50％、含C量≤0.10％、含N量≤0.05％、含H量≤0.015％、含O量≤0.20％、余量为Ti、其他元素总和≤0.40。

具体弯曲制坯的工艺步骤如下：

步骤1：下料。如图3所示，把截面为长方形的TA7钛合金材料按规格下料成型材20，该型材20的长度根据焊接环件的直径尺寸确定，其最大截面积为65mm(宽度)×30mm(厚度)。该型材20由m、n、o、p、q、w将其分成mn、no、op、pq及qw五段，为使弯曲后op段的曲率半径大于no或pq段的曲率半径及获得呈“D”字型的环坯，各段的比值为mn：no：op：pq：qw＝1.0：2.0～2.5：7.0～8.0：2.0～2.5：1.0，分段时可以在型材20上采取划线标记等方法将各段区分开。

步骤2：加热。把型材20加热至720℃±20℃，保温时间为6min/10mm～8min/10mm，保温总时间小于2h。

步骤3：装机。如图4所示，把型材20装进弯曲机1，装机后型材20平放在两个下辊3的上面，其中心与上辊2的中心对齐，所述上辊2和两个下辊3位于型材20的op段，操控曲柄4推动两个下辊3向上移动，直到型材20与上辊2接触，由上辊2和两个下辊3把型材20定位在弯曲机1上。

步骤4：弯曲型材20的op段。如图5所示，操控上辊2沿逆时针方向旋转、两个下辊3沿顺时针方向旋转，驱动型材20向其右端方向移动，所述上、下辊2和3的旋转线速度均为2400mm/min，同时，对两个下辊3加载176KN的力使其以7.5mm/min的速度向上移动顶压型材20；当左下辊3与型材20的o点接触时，改变上辊2和两个下辊3的旋转方向，驱动型材20向其左端方向移动，并保证上辊2和两个下辊3的旋转线速度不变以及两个下辊3向上移动的速度不变；当右下辊3与型材20的p点接触时，再一次改变上辊2和两个下辊3的旋转方向，驱动型材20向其右端方向移动，并保证上辊2和两个下辊3的旋转线速度不变以及两个下辊3向上移动的速度不变，直到上辊2与型材20的op段的中点相接触。弯曲过程中两个下辊3始终一直向上移动顶压型材20。重复上述操作4次，此时，op圆弧段达到预定的曲率半径。

步骤5：停机检测型材20的温度，若大于或等于520℃时继续弯曲操作，若小于520℃，再按步骤2回炉加热至720℃±20℃后再继续弯曲no段，保温时间减半。

步骤6：弯曲型材20的no段。如图6所示，将型材20的no段放在弯曲机1的两下辊3上，no段的中点和上辊2的中心对齐；操控曲柄4推动型材20向上移动，直到型材20与上辊2接触，由上辊2和两个下辊3把型材20定位在弯曲机1上。操控上辊2沿顺时针方向旋转、两个下辊3沿逆时针方向旋转，驱动型材20向其左端方向移动，所述上辊2和两个下辊3的旋转线速度均为1200mm/min，同时，对两个下辊3加载257KN的力使其以9.5mm/min的速度向上移动顶压型材；当右下辊3与型材20的o点接触时，改变上辊2和两个下辊3的旋转方向，驱动型材20向其右端方向移动，并保证上辊2和两个下辊3的旋转线速度不变以及两个下辊3向上移动的速度不变；当左下辊3与型材20的n点接触时，再一次改变上辊2和两个下辊3的旋转方向，驱动型材20向其左端方向移动，并保证上辊2和两个下辊3的旋转线速度不变以及两个下辊3向上移动的速度不变，直到上辊2与型材20的no段的中点相接触。弯曲过程中两个下辊3始终一直向上移动顶压型材20。重复上述操作4次，此时，no圆弧段达到预定的曲率半径。

步骤7：弯曲型材20的pq段。其操作过程同步骤6，直到弯曲后的pq圆弧段达到预定的曲率半径。图7为型材20弯曲结束时的状态示意图，此时，型材20的mn段和qw段对齐。所述pq圆弧段曲率半径＝no圆弧段的曲率半径。

图8示出了采用本发明所述方法弯曲成形的TA7合金闪光焊薄壁环件的环坯20的示意图，该环坯20呈“D”字型，由两条直边21、圆弧部23及连接所述直边21和圆弧部23的过度圆弧段22组成，在两条直边之间端部相对的位置处具有开口24。

Claims (7)

1.一种α相钛合金闪光焊薄壁环件的型材弯曲制坯方法，其特征在于，包括以下步骤： 

把按规格下料的α相钛合金型材分成mn、no、op、pq及qw五段，所述各段的比值为mn：no：op：pq：qw＝1.0：2.0～2.5：7.0～8.0：2.0～2.5： 1.0，再把所述型材加热至720℃±20℃； 

把所述型材装进弯曲机，由弯曲机的上辊和两个下辊对其进行定位，使所述型材的中心与所述上辊的中心对齐，所述上辊和两个下辊位于所述型材的op段； 

操控所述上辊沿逆时针方向旋转、两个下辊沿顺时针方向旋转，驱动型材向其右端方向移动，同时对两个下辊加载176KN的力使其向上移动顶压型材，当左下辊与型材的o点接触时，改变上辊和两个下辊的旋转方向，驱动型材向其左端方向移动；当右下辊与型材的p点接触时，再一次改变上辊和两个下辊的旋转方向，驱动型材向其右端方向移动，直到上辊与型材op段的中点接触；弯曲过程中两个下辊始终一直向上移动顶压型材；所述上、下辊的旋转线速度均为2400mm/min，所述两个下辊向上移动的速度均为7.5mm/min；重复上述操作4次，此时，op圆弧段达到预定的曲率半径； 

停机检测所述型材的温度，若大于或等于520℃时继续弯曲操作，若小于520℃，回炉加热至720℃±20℃后再继续弯曲no段； 

把所述型材的no段定位在弯曲机上使其中点与上辊的中心对齐；操控上辊沿顺时针方向旋转、两个下辊沿逆时针方向旋转，驱动型材向其左端方向移动，同时对两个下辊加载257KN的力使其向上移动顶压型材；当右下辊与型材的o点接触时，改变上辊和两个下辊的旋转方向，驱动型材向其右端方向移动；当左下辊与型材的n点接触时，再一次改变上辊和两个下辊的旋转方向，驱动型材向其左端方向移动，直到上辊与型材的no段的中点相接触；弯曲过程中两个下辊始终一直向上移动顶压型材；所述上、下辊的旋转线速度均为1200mm/min，所述两个下辊向上移动的速度均为9.5mm/min；重复上述操作4次，此时，no圆弧段达到预定的曲率半径； 

按上述弯曲no段的步骤弯曲pq段，直到弯曲后的pq圆弧段达到预定的曲率半径，所述型材的mn段和qw段对齐。 

2.根据权利要求1所述的α相钛合金闪光焊薄壁环件的型材弯曲制坯方法，其特征在于：所述各弯曲圆弧段的曲率半径由下式确定： 

式中： 

R——弯曲后对应圆弧段的曲率半径(mm)； 

a——两个下辊之间的中心距离(mm)； 

δ——弯曲对应圆弧段时下辊上升的距离(mm)； 

r——下辊的半径(mm)； 

d——型材的厚度(mm)。 

3.根据权利要求1所述的α相钛合金闪光焊薄壁环件的型材弯曲制坯方法，其特征在于：所述下辊向上移动的速度与所述上、下辊的旋转线速度的配合关系由下式确定： 

式中： 

V₂——弯曲对应圆弧段时下辊向上移动的速度(mm/min)； 

V₁——弯曲对应圆弧段时上辊或下辊的旋转线速度(mm/min)； 

R——弯曲后对应圆弧段的曲率半径(mm)； 

δ——弯曲对应圆弧段时下辊上升的距离(mm)； 

n——对应圆弧段重复弯曲的次数(次)。 

4.根据权利要求1所述的α相钛合金闪光焊薄壁环件的型材弯曲制坯方法，其特征在于：所述弯曲机加载给下辊使其能向上移动顶压型材的最小力由下式确定： 

式中： 

F——弯曲机加载给下辊使其能向上移动顶压型材的最小力(N)； 

EJ——棒材的刚度，其中，E为弹性模量(GPa)，J为棒材的截面惯矩(cm⁴)； 

a——两个下辊之间的中心距离(mm)； 

δ——下辊向上移动的距离(mm)。 

5.根据权利要求1至4中任一项所述的α相钛合金闪光焊薄壁环件的型材弯曲制坯方法，其特征在于：所述α相钛合金是TA7。 

6.根据权利要求1至4中任一项所述的α相钛合金闪光焊薄壁环件的型材弯曲制坯方法，其特征在于：所述环件的轴向截面尺寸最大是65mm×30mm。 

7.根据权利要求1至4中任一项所述的α相钛合金闪光焊薄壁环件的型材弯曲制坯方法，其特征在于：采用所述方法弯曲成形的闪光焊薄壁环件的环坯呈“D”字型，由两条直边、圆弧部及连接所述直边和圆弧部的过渡圆弧段组成，在两条直边之间端部相对的位置处具有开口。