CN109013816B - 一种集群钢球半模均匀旋压钛合金板材成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集群钢球半模均匀旋压钛及钛合金板材成形工艺，是在旋压机上对钛及钛合金板坯料进行旋压加工，所述的钛及钛合金板坯料通过旋压集群钢球及液压顶起的模具在旋压机上安装，用液压顶住模具接触钛合金板坯料和电机带动搅拌轮对集群钢球搅拌对钛及钛合金板坯料进行旋压成形。本发明解决单点旋轮旋压对钛合金板坯料成形精度低和质量差的问题，同时提高钛及钛合金的机械性能和实现了钛合金的冷成形工艺，得到贴合度高且成型精度高的钛及钛合金成品。

Description

一种集群钢球半模均匀旋压钛合金板材成形工艺

技术领域

本发明涉及金属材料冷成形加工工艺技术领域，具体涉及一种集群钢球半模均匀旋压钛合金板材成形工艺。

背景技术

钛及钛合金是密度较小的结构金属材料，具有强度高和比强度大的特点，因而可以很大程度减轻重量，此外断裂韧性好、疲劳强度高、抗裂纹扩展能力强、低温使用条件下的韧性良好，耐腐蚀性能优异、耐热性能好、在低温时性能也比较好、同时热导率小和无磁等诸多优点。是理想的工业金属材料。钛及钛合金最早用于航空工业的飞机和发动机。后来随着技术的发展，各种钛及钛合金的成形加工方法的发展和完善，使钛及钛合金应用于船舶、化工、生物医疗、建筑、化工等等各个方面。

由于钛及钛合金强度大，形状记忆和储氢等一系列重要的特性因此在钛及钛合金制造领域，近年来使用的成型工艺主要是铸造，如冷坩埚离子浇铸技术、真空吸铸和真空压铸技术等多种方法。其特点是可以直接制造形状复杂的零件免去大量的机械加工工序，提高材料利用率，一般铸件的利用率在45％左右，而精密铸造的利用率能到75％～90％。铸造的钛也有很多难题，由于钛合金化学活性高，在熔融状态下能与几乎所有的耐火材料和气体发生反应，大大增加了铸造的困难同时铸造法得到的铸件晶粒粗大、组织疏松、成分偏析严重,易于产生各种铸造缺陷,如裂纹、气孔等，从而导致铸件性能较差。另外铸造法难制造小部件和精度高的部件。从而限制了钛合金在一些领域应用的要求。除了铸造技术还有激光成形技术、金属粉末注塑成形技术、锻造技术、热氢处理技术等。板材的加工主要是轧制，分为冷轧和热轧，冷扎时加工硬化比一般金属更为显著，变形抗力大。在轧制过程中，对轧辊的磨损大、易产生不均匀变形造成板材裂边和尺寸不均匀。热轧时温度高，抗变形力小，道次下压量大，生产效率高。但高温下钛合金易被有害气体污染，形成脆性的表面吸气层，易造成表面开裂。近几年，钛合金板材成品也用旋压和锻造。现在的钛合金成形工艺大多处于研究开发阶段，部分产品己经产业化，但加工产品种类较少，生产工艺还存在较大局限性、稳定性有待进一步提高。

现有的钛合金板材旋压成形工艺是利用单点渐进旋压成形，其最终靠单点与旋转的板坯料与模具贴合。对于单点旋压钛合金板而言，由于钛合金的室温难发生塑性变形，且塑性变形时回弹大。而旋压又是在相应的模具上进行，因此成形过程中钛合金板坯料容易起皱，并且单点旋压的接触方式也会造成钛合金板材表面出现划痕和严重的回弹现象。因此发明用一种新颖的多点旋压的成形方式对钛合金板材进行成形。

发明内容

本发明的目的是提供一种集群钢球半模均匀旋压钛合金板材成形工艺，解决单点旋轮旋压对钛合金板坯料成形精度低和质量差的问题，同时提高钛及钛合金的机械性能和实现了钛合金的冷成形工艺，得到贴合度高且成型精度高的钛及钛合金成品。

本发明的目的通过如下技术方案实现：一种集群钢球半模均匀旋压钛合金板材成形工艺，包括下列步骤，

S1.截取钛合金板材坯料1；

S2.打开模具：使用电磁铁吸住旋压机内需要的大量的钢球2，同时将液压杆5向下移动至最低，固定在液压杆5上端的旋压模具3随之向下移动至最低，所述的钢球的总体积应为旋压机腔的体积减掉模具的体积；

S3.坯料装夹：将步骤S1截取的钛合金板材坯料放置于旋压模具3上，并用压边圈4压紧钛合金板材坯料，之后将电磁铁断电，把钢球释放到旋压机的腔体中，使钢球2压在钛合金板材坯料1的上表面；钛合金板材坯料1的下表面抵靠在旋压模具3的最高点，钛合金板材坯料1被钢球2、旋压模具3和压边圈4夹紧固定；

S4.启动旋压机并旋压成形：启动用于搅拌钢球2的电动机7，电动机7下方连接的搅拌轮6在程序的控制下按输入的旋转参数，所述的旋转参数是随着液压杆的上升顺时针旋转一周和逆时针旋转一周交替周期式运行，电动机带动集群的钢球2进行搅拌，使钢球2随着电动机的搅拌方向做往复式的圆周运动，电动机搅拌方向为顺时针方向一周之后再逆时针方向一周往复运动，集群的钢球2旋转的同时，钛合金板材坯料1下端的旋压模具3在液压杆5的推力作用下向上顶起，靠紧钛合金板材坯料1，即边压边旋，使钢球2能充分的填充旋压时出现的间隙位置，使钢球2给钛合金板材坯料1的正压力增加，最终钛合金板材坯料1与旋压模具3贴合，成形为钛合金半成品；

S5.修整边缘：对步骤S4制得的钛合金半成品的毛边进行修除，得到边缘光整的半成品；

S6.后续加工：对步骤5制得的边缘光整的半成品进行机械加工和表面处理得到成品。

作为本发明更优的技术方案：所述的电动机7为异步电动机。

作为本发明更优的技术方案：所述的旋压模具3的轴线为集群钢球2回转中心。

作为本发明更优的技术方案：所述的钢球2的直径3mm至5mm。

本发明的有益效果如下：

1、对钛合金板材成形能力好：本发明利用多点半模均匀旋压成形技术，相对于传统的单点旋压相比，能让坯料受变形力更均匀，使钛合金板材具有较好的工艺塑性。钛合金板坯料是在常温下进行的，不需要在成形过程中加热，使成形工艺更简单。

2、制造工艺快速，生产效率高：由于成形设备简单化，从而使板材成形也简单化。成形过程不需要额外的对板材进行处理，提前对电动机和液压机设置好参数即可。

3、成形后的产品表面划痕少，毛边废料少利用率高：由于是半模成形，板材另一面类似于多点接触，使板材受力更均匀，随着钢球的旋转，使每点受力呈连续状态，从而使板材塑性变形更均匀，利用率高。

4、成形件的结构小且复杂的曲面：本发明可生产结构复杂的小零部件，且模具更换方便。

5、机械性能显著：由于是常温下冷成形，且为多点旋压，使钛合金板材受力均匀，变形应力释放好，回弹少。同时也产生了加工硬化，特别是强度和硬度大大提高，同时也提高了成形的精度，具有很好的机械性能。

6、采用多点接触降低成形力：钢球与板材在变形区的接触面积小，采用较小的压力，就可以实现板材塑性变形，因此可以采用小吨位的设备实现曲面件的成形。

7、采用滚动摩擦，减小轴向拉应力：金属材料的塑性变形是由许多钢球挤压板材，同时不断地滚动摩擦之下实现的。板材与钢球之间的滚动摩擦，明显小于一般模具冲压时的摩擦，因此集群式钢球旋压变形时板材承受的轴向拉应力要小很多。

综上：本发明采用集群钢球多点旋压的成形工艺相对于单点旋压而言成形更好，对钛合金表面划痕更小，由于是多点的旋压，更好的解决了钛合金板材的塑性变形过程中卸载后的回弹问题，使钛合金成形工艺性能提高，塑性变形后能储存轴向的应力，产生表面的加工硬化，从而减小回弹量，使成形精度提高。

附图说明

下面是对本说明书各幅附图所表达的内容和图中的标记的简单说明：

图1为本发明提供的成形工艺的流程框图；

图2为本发明提供的成形工艺使用的设备图；

图3为本发明所述的装夹固定好钛合金板材的结构示意图；

图4为本发明所述的钛合金板材旋压加工机构示意图；

图5为本发明所述的钛合金板材半成品图；

图6为本发明所述的装夹后板材、压边圈、集群钢球的结构图；

图7为本发明提供的成形工艺的旋压后的板材与模具的尺寸数据的曲线图；

图中标记的名称：1、钛合金板材坯料，2、钢球，3、旋压模具，4、压边圈，5、液压杆，6、搅拌轮，7、电动机。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实例的描述，对本发明的具体实施方式，比如涉及的各个构件的形状，结构，各部分之间的相互位置及连接关系，各部分的作用及工作原理、制造方法工艺及操作方法等作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、更准确的深入了解。

针对在本说明书的背景技术部分涉及的现有技术存在的问题和缺陷，为了更好的进一步扩展钛合金的应用空间，特别是在小部件、高性能、高精度方面的应用，本发明从钛合金板材结构性能分析出发，结合塑性加工方式即旋压工艺特点，设计了一条合理、可行的加工工艺流程，并针对此工艺流程进行具体的实验验证。实验证明，此工艺是合理可行的，并且适于批量生产。

本发明从理论上对钛合金材料组织性能进行了分析，并进一步分析了钛合金板材的组织性能，再结合旋压工艺的成形特点，设计合理的钛合金板材旋压成形工艺，并采用实验进行验证：塑性是金属材料的重要力学性能指标之一，特别是材料在进行塑性变形时。塑性具有结构敏感性，与材料的组织和结构密切相关。要进行材料的塑性加工，制定合理的塑性加工工艺，首先要从材料的组织结构的角度进行分析。在金属材料中，材料的晶体结构主要有面心立方(fcc)结构，如铜、γ-Fe、等；体心立方(bcc)结构，如：锂、δ-Fe、α-Fe等；密排六方(hcp)结构，如：钛、镁等。其中面心立方和体心立方金属由于滑移系和滑移方向较多，因此有较好的塑性变形能力。而在密排六方(hcp)结构的金属晶体中，通常滑移面为(0001)基面，滑移方向为比较稳定；同时密排六方金属中的原子排列情况还受值的影响，因此，各晶面的面间距及滑移面均与值有关。当值大于或者接近理想密排堆积比值时，其密排面和滑移面为(0001)基面；而当的值小于1.633时，基面间距缩小，滑移面为柱面或锥面钛和大部分钛合金具有密排六方结构，的值接近理想密排堆积值1.633，滑移系少。在室温下只有一个滑移面(0001)面，滑移面上有三个密排大方向和室温下只有基面上的三个滑移系，所以钛合金室温塑性较差，塑性变形困难。这就是钛合金室温下塑性加工困难的本质原因。但当采用多点均匀旋压工艺时，随着边压边旋的方式，钛合金非基面滑移系开动所需的切应力大大降低，因而很容易激活棱面和锥面滑移，使钛合金呈现明显的延性转变，塑性此时就显著提高了。所以，在多点旋压状态下，钛合金的塑性变形比较容易发生。

材料的力学性能主要是由微观组织结构决定的，但是由于钛及钛合金具有熔点高，无磁性、热膨胀系数低等特点，给钛及钛合金加热一定的温度其塑性变形能力也不会有太明显的改善，国外对钛及钛合金的加工主要是精密铸造、激光成形、锻造等成形工艺，因为钛合金硬脆的特性不适合冲压模具塑性成形，因此本发明想到了一种新颖的多点旋压的加工工艺，这样可以解决钛合金板材在成形过程中难成形的特点。旋压成形具有柔型好，成本低，工艺简单等优点，适用于加工多种金属板材，是一种经济、快速成形薄壁回转体零件的方法；旋压成形可以大量节省材料，在某种情况下，材料的节约量高达90％，所需的成形时间短，产品的品质好尺寸精度较高；旋压属于局部连续塑性加工，瞬间的变形区域小，所需总的变形力较小，加工设备要求简单，模具费用低好更换；变形区域大部分处于压应力状态，变形条件较好，易于加工形状复杂或者高强度难边形的材料零件。旋压过程中材料的变形是局部的，同时变形力方向不断变化，这样能够明显改变材料的组织状态，明显细化晶粒，从而使零件具有更高的力学性能。基于旋压成形的特点本发明采用类似于多点的旋压工艺，让板坯料接触的点更多，受力更均匀，解决了以前单点旋压受力不均的缺点，这样使板材成形更容易，主要是针对钛及钛合金。

如图1表达本发明的工艺流程图，本发明是在旋压机上对钛合金板坯料1进行旋压加工，所述的钛合金板坯料1通过旋压集群钢球2及液压顶起的模具3在旋压机上安装，用液压顶住模具接触钛合金板坯料和电动机带动搅拌轮对集群钢球搅拌对钛合金板坯料1进行旋压成形。

实施例1

通过上面理论分析和实验验证，如图2至6所示，本发明提供一种集群钢球半模均匀旋压钛合金板材成形工艺，下面结合具体的材料要求提供相应的实例，它包括下列步骤：

S1.截取钛合金板材坯料1：该钛合金板坯料1为变形钛合金板材TA2，厚度为1mm，经过成形制品的形状大小经过计算后面积为100×100mm²

S2.打开模具：使用电磁铁吸住旋压机内需要的大量的钢球2，同时将液压杆5向下移动至最低，固定在液压杆5上端的旋压模具3随之向下移动至最低，所述的钢球的总体积应为旋压机腔的体积减掉模具的体积；所述的钢球2的直径3mm至5mm；

S3.坯料装夹：将步骤S1截取的钛合金板材坯料放置于旋压模具3上，并用压边圈4压紧钛合金板材坯料，之后将电磁铁断电，把钢球释放到旋压机的腔体中，使钢球2压在钛合金板材坯料1的上表面；钛合金板材坯料1的下表面抵靠在旋压模具3的最高点，钛合金板材坯料1被钢球2、旋压模具3和压边圈4夹紧固定；所述的旋压模具3的轴线为集群钢球2回转中心；

S4.启动旋压机并旋压成形：启动用于搅拌钢球2的电动机7，电动机7下方连接的搅拌轮6在程序的控制下按输入的旋转参数，所述的旋转参数是随着液压杆的上升顺时针旋转一周和逆时针旋转一周交替周期式运行，电动机带动集群的钢球2进行搅拌，使钢球2随着电动机的搅拌方向做往复式的圆周运动，电动机搅拌方向为顺时针方向一周之后再逆时针方向一周往复运动，集群的钢球2旋转的同时，钛合金板材坯料1下端的旋压模具3在液压杆5的推力作用下向上顶起，靠紧钛合金板材坯料1，即边压边旋，使钢球2能充分的填充旋压时出现的间隙位置，使钢球2给钛合金板材坯料1的正压力增加，最终钛合金板材坯料1与旋压模具3贴合，成形为钛合金半成品；所述的电动机7为异步电动机。

S5.修整边缘：对步骤S4制得的钛合金半成品的毛边进行修除，得到边缘光整的半成品；

S6.后续加工：对步骤5制得的边缘光整的半成品进行机械加工和表面处理得到成品。

经过上述工艺流程，得到符合要求的钛合金板材旋压件。相对单点旋轮旋压钛合金板材成形的工艺而言，多点旋压能始终保持钛合金表面都有钢球接触，加载时要比单点接触时受力均匀，在钛合金板坯料变形过程中变形均匀，起皱较单点旋压明显减少。在单点旋轮旋压成形过程中由于旋轮接触钛合金表面，接触点只有一处，导致受力点始终都有一处，造成局部变形较大，或局部起皱现象，且最终与模具的贴合度不高，多点旋压钛合金板材最终与模具的贴合度高，即成形精度好。由于钛合金本身强度高、比强度大、难成形的特点，所以单点旋压成形也比较困难，而集群的钢球受力具有各向异性，每个接触点的受力比较均匀，使钛合金板材成形更好。由于单点旋轮的旋压方式要对钛及钛合金进行加热，否则钛及钛合金的成形效果不好，而本发明采用的集群钢球多点旋压成形工艺不需要对钛合金进行加热，是一种冷成形的工艺，因此成形出来的钛合金成品机械性能会更好，强度会更高。如图7所示，实施例1制得的成品与模具的贴合度好，成形精度高。

相对于单点旋轮旋压或其他的钛合金板材成形工艺，多点旋压使钛合金表面加工硬化储存的应力更大，机械性能更好，单点旋压在表面产生加工硬化是钛及钛合金的强度增加到大约700MPa左右，而多点旋压成形工艺使钛及钛合金的强度能达到800MPa左右，机械性能有明显的提升。同时钢球的尺寸也对成形精度和机械性能有较大的影响，经实验分析得出最优的钢球尺寸为3mm至5mm，这种尺寸的钢球对钛合金板材成形旋压效果最好。

Claims (4)

1.一种集群钢球半模均匀旋压钛合金板材成形工艺，其特征在于：包括下列步骤，S1.截取钛合金板材坯料；S2.打开模具：使用电磁铁吸住旋压机内需要的大量的钢球，同时将液压杆（5）向下移动至最低，固定在液压杆（5）上端的旋压模具随之向下移动至最低，所述的钢球的总体积应为旋压机腔的体积减掉模具的体积；S3.坯料装夹：将步骤S1截取的钛合金板材坯料放置于旋压模具上，并用压边圈压紧钛合金板材坯料，之后将电磁铁断电，把钢球释放到旋压机的腔体中，使钢球压在钛合金板材坯料的上表面；钛合金板材坯料的下表面抵靠在旋压模具的最高点，钛合金板材坯料被钢球、旋压模具和压边圈夹紧固定；S4.启动旋压机并旋压成形：启动用于搅拌钢球的电动机，电动机下方连接的搅拌轮在程序的控制下按输入的旋转参数，所述的旋转参数是随着液压杆的上升顺时针旋转一周和逆时针旋转一周交替周期式运行，电动机带动集群的钢球进行搅拌，使钢球随着电动机的搅拌方向做往复式的圆周运动，电动机搅拌方向为顺时针方向一周之后再逆时针方向一周往复运动，集群的钢球旋转的同时，钛合金板材坯料下端的旋压模具在液压杆（5）的推力作用下向上顶起，靠紧钛合金板材坯料，即边压边旋，使钢球能充分的填充旋压时出现的间隙位置，使钢球给钛合金板材坯料的正压力增加，最终钛合金板材坯料与旋压模具贴合，成形为钛合金半成品；S5.修整边缘：对步骤S4制得的钛合金半成品的毛边进行修除，得到边缘光整的半成品；S6.后续加工：对步骤S5制得的边缘光整的半成品进行机械加工和表面处理得到成品。

2.如权利要求1所述的一种集群钢球半模均匀旋压钛合金板材成形工艺，其特征在于：所述的电动机为异步电动机。

3.如权利要求1所述的一种集群钢球半模均匀旋压钛合金板材成形工艺，其特征在于：所述的旋压模具的轴线为集群钢球回转中心。

4.如权利要求1所述的一种集群钢球半模均匀旋压钛合金板材成形工艺，其特征在于：所述的钢球的直径3mm至5mm。

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