CN110883124A - 钛合金连铸管坯的挤轧一体化成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钛合金连铸管坯的挤轧一体化成形方法，其包括挤轧成形工艺和挤轧成形装备，挤轧成形工艺分为两个工艺步骤，即挤压扩径和轧制缩径，两个工艺步骤衔接构成挤轧一体化成形工艺。挤轧成形装备包括机架、轴向驱动装置、挤压外模、挡块、轧辊组和组合芯棒，机架包括左机架、中机架和右机架，轧辊组包括若干对轧辊，轴向驱动装置包括左驱动和右驱动，组合芯棒包括拉杆段、扩径段以及轧制限动段。本发明解决了由钛合金连铸管坯生产成品管时的成形/成性技术难题，在保证管材性能和规格的基础上，大幅降低了钛合金管材制备加工成本和加工周期，实现钛合金管材加工流程的变革，形成了高效短流程钛合金连铸坯管材制备新技术。

Description

钛合金连铸管坯的挤轧一体化成形方法

技术领域

本发明涉及一种高效短流程成形工艺，具体说是一种钛合金连铸管坯的挤轧一体化成形方法，属于机械加工技术领域。

背景技术

钛及钛合金因具有密度小、比强度高、蠕变性能好、热膨胀系数低、耐腐蚀等特点，被誉为“现代金属”和“战略金属”，是国防先进武器装备不可或缺的重要战略材料，广泛应用于各种武器装备，包括军用飞机、航空发动机、导弹、各种舰艇、核反应堆、轻型火炮和装甲车辆等。

钛合金无缝管材的制备上，传统的制造工艺流程主要有两种，分为钻孔挤压和斜轧穿孔。钻孔挤压工艺需要将锻造的钛合金铸坯钻孔后在较大吨位的挤压机上挤压，然后通过轧制等工艺技术，制备成不同规格的管材；斜轧穿孔工艺需将锻造的钛合金铸坯穿孔，再通过轧制等工艺技术，制备成相应的管材。虽然钛合金管材制备工艺已基本成熟，但是钛合金管材的生产难度较大、设备复杂、周期长、成品率低，而且各阶段具有比较大的物料损失和无形损耗，这些因素都导致钛合金管材在生产过程中成本过高，严重限制了钛合金管材在军事相关领域的迫切需求。为了能够从根本上大幅降低钛合金无缝管材的成本，研究和开发基于短流程的钛合金管材制备新工艺显得尤为迫切。

发明内容

本发明提供了一种加工钛合金连铸管坯的挤轧一体化成形方法。该发明工艺流程短且高效，能大幅降低钛合金管材制备加工成本和加工周期，并提高产品的综合性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种钛合金连铸管坯的挤轧一体化成形方法，其包括连铸管坯的短流程挤轧成形装备和短流程挤轧成形工艺，所述短流程挤轧成形装备包括机架、轴向驱动装置、挤压外模、挡块、轧辊组和组合芯棒；所述机架包括左机架、中机架和右机架，所述左机架与所述右机架通过长杆及锁紧螺母连接，所述中机架与所述右机架通过短杆及锁紧螺母连接；所述组合芯棒包括拉杆段、扩径段和轧制限动段，所述轴向驱动装置包括左驱动和右驱动，所述左驱动固定于所述左机架上，并与所述拉杆段相连，所述右驱动与所述轧制限动段相连；所述挡块固连于所述中机架中，所述挡块的中心设有通孔，所述挡块的侧面与所述挤压外模相连，连铸坯的端面与所述挡块相接触，连铸坯的内侧面与所述组合芯棒相接触，连铸坯的外侧面与所述挤压外模的内侧面相接触；所述短流程挤轧成形工艺包括挤压扩径和轧制缩径两个工序。优选地，所述短流程挤轧成形工艺包括以下步骤：S1、将连铸坯置于所述挤压外模中并高频加热，将所述组合芯棒插入连铸坯通孔内，所述左驱动带动所述拉杆段向左移动，对连铸坯管件进行挤压扩径；S2、将所述左驱动与所述组合芯棒脱开连接，所述右驱动与所述组合芯棒进行连接；S3、所述右驱动驱动所述组合芯棒向右运动，将连铸坯拉入所述轧辊组进行轧制缩径。

优选地，所述拉杆段、所述扩径段、所述轧制限动段的轴线均与所述挤压外模的轴线重合，所述拉杆段的直径小于所述轧制限动段的直径，所述的扩径段芯棒直径逐渐递增。

优选地，所述轧辊组包括成对的轧辊，相邻的两对轧辊，其轴线相互垂直。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)通过挤压扩径和连轧缩径实现钛合金变形量的逐渐累积，进一步消除了连铸坯铸态组织缺陷、细化晶粒组织。提高了产品综合性能，达到“成形”和“成性”的双重目的；

(2)工艺流程短且高效，大幅降低了钛合金管材制备加工成本和加工周期；

(3)降低设备复杂程度、没有物料损失和损耗，节约资源，大大降低了生产能耗。

附图说明

图1为挤/轧成形装备三维模型图；

图2为挤/轧一体成形简化模型图；

图3为挤/轧一体成形原理示意图；

图4为组合芯棒结构图；以及

图5为连铸坯应变随时间变化曲线示意图。

图中：

1.左机架；2.中机架；3.右机架；4.长杆；5.短杆；6.左驱动；7.右驱动；8.锁紧螺母；9.组合芯棒；10.挡块；11.连铸坯；12.挤压外模；13.轧辊组；

91.拉杆段；92.扩径段；93.轧制限动段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。为便于读者理解，依据图1中的方位，对短流程挤轧成形工艺和短流程挤轧成形装备进行描述。

如图1～图4所示，一种钛合金连铸管坯的挤轧一体化成形方法，分为两个工艺步骤，即挤压扩径和轧制缩径，所使用的短流程挤轧挤轧成形装备包括机架、轴向驱动装置、挤压外模12、轧辊组13、挡块10和组合芯棒9。

机架包括左机架1、中机架2和右机架3，左机架1与右机架3通过长杆4连接，中机架2与右机架3通过短杆5连接，由锁紧螺母8紧定。轴向驱动装置包括左驱动6和右驱动7，左驱动6固定于左机架1，且左驱动6通过销钉与组合芯棒9的左端连接，右驱动7与组合芯棒9的右端连接。

挤压外模12通过锁紧螺母8与右机架3连接，挡块10置于挤压外模12左端，紧贴挤压外模12，挡块10固定于中机架2中。挤压外模12中设有加热层，采用感应加热方式可以快捷、有效地对连铸坯11进行预热，提高预热温度场的分布均匀性，促进金属流动，防止连铸坯11表面出现冷裂纹；挤压外模12中，在加热层外侧还设有隔热层，以有效隔绝热量损耗；挤压外模12中还设有润滑剂输送通道，以降低连铸坯11外表面与挤压外模12内壁的摩擦阻力，挤压外模12可采用复合管结构，以实现加热层、隔热层以及润滑剂输送通道的集成。

在进行挤压过程时，从挤压外模12另一端将连铸坯11置于挤压外模12内部，然后将组合芯棒9细端插入连铸坯11内，按一定速度向挡块10一端移动，对连铸坯管件进行挤压扩径。挤压扩径完成后，将挤压外模12卸掉，挡块1推动扩径后的连铸坯11，将连铸坯11推入两个轧辊组13间进行轧制缩径过程，经过一道次或两道次轧制后，达到所需尺寸要求，形成最终的符合生产要求的管材。

轧辊组13位于右机架3与右驱动7之间，包括若干对轧辊，具体数量根据生产实际来确定，相邻的两对轧辊，其轴线相互垂直设置。

组合芯棒9包括拉杆段91、扩径段92以及轧制限动段93，扩径段92芯棒直径逐渐递增，弧线控制要求由具体生产决定，扩径段92在扩径阶段起到挤压内模的作用。

实例一

某钛合金连铸坯尺寸(直径×壁厚)为Φ100×30mm，要求最终产品尺寸为Φ100×9mm。为了使终轧产品的综合性能达到研究目标的要求，设计钛合金连铸管坯挤/轧一体化的高效成形装备，通过有限元软件DEFORM模拟整个工艺过程，分析本发明提供的技术路线的可行性。

具体工艺过程如下：

将连铸坯11置于挤压外模12中，对连铸坯11高频加热，由左驱动6驱动组合芯棒9向左运动，对连铸坯11进行挤压扩径，经过挤压过程的强塑性变形，使其尺寸变为Φ120×16mm；

将左驱动6与驱动组合芯棒9脱开连接，右驱动7与组合芯棒9进行连接；

由右驱动7驱动组合芯棒9向右运动，组合芯棒9带动连铸坯11向右运动直接进入轧辊组13进行限动芯棒缩径轧制，经第1道次轧制后管坯尺寸变为Φ110×12mm，经过2道次轧制后达到最终尺寸Φ100×9mm。

整个工艺过程可分为四个阶段：挤压镦粗、挤压扩径、第1道次轧制、第2道次轧制。沿连铸坯横截面半径方向由内向外的依次取三个点P1、P2、P3，追踪三个点在整个工艺过程中随时间的应变值，得到应变随时间的变化规律曲线，如图5所示。

如图5可知，在第一阶段，沿连铸坯横截面半径方向由内向外的依次的三个点P1、P2和P3应变值均为负值，连铸坯处于挤压镦粗阶段；从1s附近开始，应变值变为正值并且急剧增长，此阶段连铸坯在挤压作用下，长度增加，内外径均增大，管壁厚度减小；挤压过程结束后，在进入第1道次轧辊前，应变值基本不变，进入第1道次轧辊后，P2、P3点应变值变大，P1点应变值基本不变，此阶段连铸坯内径基本不变，外径在轧制作用下变小，连铸坯外表面发生塑性变形，因此靠近外表面的点应变值变大，第1道次轧制完成后，应变值基本稳定，保持不变；连铸坯进入第2道次轧辊后，三个点应变值均增大，并在轧制完成后稳定在一个数值，且三个点的应变差值小于第1道次，最大差值小于0.05。

通过分析，挤/轧成形工艺实现了钛合金管坯沿径向、切向和轧向的大应变塑性变形，涉及挤压扩径过程和轧制缩径过程的协同作用，通过对管坯的扩径和缩径，实现了材料的反复定向和剪切变形，在大变形量条件下获得均匀细化的晶粒组织。因此，连铸坯管材的高效短流程连铸连轧技术是可行的。

以上所述各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应该理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种钛合金连铸管坯的挤轧一体化成形方法，其包括连铸管坯的短流程挤轧成形装备和短流程挤轧成形工艺，其特征在于，

所述短流程挤轧成形装备包括机架、轴向驱动装置、挤压外模、挡块、轧辊组和组合芯棒；

所述机架包括左机架、中机架和右机架，所述左机架与所述右机架通过长杆及锁紧螺母连接，所述中机架与所述右机架通过短杆及锁紧螺母连接；

所述组合芯棒包括拉杆段、扩径段和轧制限动段，所述轴向驱动装置包括左驱动和右驱动，所述左驱动固定于所述左机架上，并与所述拉杆段相连，所述右驱动与所述轧制限动段相连；

所述挡块固连于所述中机架中，所述挡块的中心设有通孔，所述挡块的侧面与所述挤压外模相连，连铸坯的端面与所述挡块相接触，连铸坯的内侧面与所述组合芯棒相接触，连铸坯的外侧面与所述挤压外模的内侧面相接触；

所述短流程挤轧成形工艺包括挤压扩径和轧制缩径两个工序。

2.根据权利要求1所述的钛合金连铸管坯的挤轧一体化成形方法，其特征在于，所述短流程挤轧成形工艺包括以下步骤：

S1、将连铸坯置于所述挤压外模中并高频加热，将所述组合芯棒插入连铸坯通孔内，所述左驱动带动所述拉杆段向左移动，对连铸坯管件进行挤压扩径；

S2、将所述左驱动与所述组合芯棒脱开连接，所述右驱动与所述组合芯棒进行连接；

S3、所述右驱动驱动所述组合芯棒向右运动，将连铸坯拉入所述轧辊组进行轧制缩径。

3.根据权利要求2所述的钛合金连铸管坯的挤轧一体化成形方法，其特征在于，所述拉杆段、所述扩径段、所述轧制限动段的轴线均与所述挤压外模的轴线重合，所述拉杆段的直径小于所述轧制限动段的直径，所述的扩径段芯棒直径逐渐递增。

4.根据权利要求2所述的钛合金连铸管坯的挤轧一体化成形方法，其特征在于，所述轧辊组包括成对的轧辊，相邻的两对轧辊，其轴线相互垂直。

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