CN111644466B - 钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置与方法，包括沿着水平方向依次设置的液压缸、套筒组件、固定机架、回转转盘和芯棒，轧辊辊形曲线和芯棒结构经过合理设计和布置，斜轧辊的截面直径从中间向两侧递减，具有一定的送进角、较大的入口锥角和较小的出口锥角，固定于回转转盘上的三个斜轧辊配合芯棒从而实现管坯的挤轧缩径过程。本发明综合了斜轧穿孔、行星轧制和挤压的结构和运动特征，可大幅度缩减生产制备周期，实现金属管坯的大塑性变形，构建晶粒破碎、动态再结晶晶粒细化所需复杂应力状态，进而提高管材的综合性能。

Description

钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置与方法

技术领域

本发明涉及钛合金高效短流程成型工艺技术领域，具体而言涉及一种钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置与方法。

背景技术

钛合金凭借比强度高、耐腐蚀、耐高温、抗蠕变、可加工等特性正取代传统钢制材料，受到广泛关注和研究应用，如飞机制造业中常常将飞机结构件中钛合金所占比例作为衡量一个国家飞机生产制造水平的重要依据。

对钛合金无缝管材的制备工艺上，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，衔接管材轧制以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，再通过管材轧制以制备成相应的管材。

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、流程繁琐冗长、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生产制造过程中很低的时间、经济成本利用率，严重限制了钛合金管材在国防军工、海洋、航空相关领域的应用。

发明内容

本发明目的在于提供一种通过挤轧大塑性变形以改善管材的微观组织结构和宏观力学性能的钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置和快速挤轧缩径成型方法。

根据本发明的第一方面目的钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置，包括沿着水平方向依次设置的液压组件、套筒组件、固定机架、回转转盘和芯棒；

所述套筒组件、回转转盘和芯棒共中心轴地布置；

所述套筒组件的纵长方向的内腔构成钛合金管坯通过的第一通道；

两个回转转盘之间等角度地布置多个斜轧辊，多个斜轧辊构成斜轧辊组，水平并可转动地支撑在回转转盘之间；所述多个斜轧辊围成的中心位置构成允许钛合金管坯通过的第二通道，所述芯棒位于第二通道内；

所述多个斜轧辊在回转转盘带动下绕钛合金管坯转动，在斜轧辊与钛合金管坯之间摩擦力作用下，斜轧辊绕自身轴线被动自转；

所述斜轧辊的截面直径从中间向两侧呈递减的趋势，并且在钛合金管坯朝向芯棒运动的轨迹方向上，使得钛合金管坯的入口锥角大于出口锥角；

所述第一通道、第二通道形成的连续路径构成钛合金管坯挤轧路径，所述液压组件被设置成用于将钛合金管坯从第一通道顶入第二通道；

所述芯棒具有倾斜前端和棒身，所述倾斜前端被设置成用以对从第一通道进入第二通道的钛合金管坯进行挤压扩内孔，通过芯棒对钛合金管坯内圆表面施加约束，减小液压缸阻力，并配合斜轧辊构成的环形孔型实现对钛合金管坯的挤轧缩径。

优选地，所述芯棒至少部分地越过斜轧辊的喉径处(即最大截面直径处)，使得从套筒组件传递的钛合金管坯在经过挤轧缩径后，先脱离芯棒，再脱离斜轧辊。

优选地，液压组件设置在第一通道的入口位置，被设置成用于通过顶杆将钛合金管坯从第一通道顶入第二通道。

优选地，还包括电机，所述电机用于驱动所述回转转盘转动。

优选地，所述电机通过其输出端驱动套筒组件转动，所述套筒组件与回转转盘固定连接，所述斜轧辊的两端通过轧辊轴支撑到两个回转转盘上。

优选地，所述电机的输出端设置有一减速机，减速机的齿轮输出端与套筒组件的输入端的斜齿轮啮合，驱动所述套筒组件转动。

优选地，所述芯棒采用合金材料一体成型。

根据本发明的第一方面还提出一种钛合金管坯快速挤轧缩径成型方法，包括以下步骤：

通过液压组件推动钛合金管坯从第一通道进入第二通道；

在所述第二通道内，芯棒与斜轧辊组配合形成变截面环状孔形，回转的斜轧辊组配合芯棒实现挤轧缩径；

通过液压组件推动钛合金管坯进入后续管坯加工阶段，管坯进入变截面环形孔形后先脱离所述芯棒，后脱离所述斜轧辊组。

由以上本发明的技术方案可见，与现有技术相比，本发明显著的有益效果在于：

(1)结合了斜轧穿孔、行星轧制和挤压的结构和运动特征，通过挤轧大塑性变形构建晶粒破碎、再结晶细化所需的复杂压应力状态，实现钛合金管坯的变形储能的逐渐累积，为动态再结晶提供更多形核位点，促进细化晶粒，提高产品综合性能，实现“成形”和“成性”的良好协调；

(2)通过电机驱动与套筒驱动机构的结合与优化设计，实现短流程、小空间占用，缩短加工生产线的长度，利于工业自动化和批量生产；

(3)斜轧辊组的入口锥角与出口锥角的设计，更加有效的实现钛合金管坯的挤压扩内孔，芯棒可对管坯内圆表面施加约束，减小液压缸阻力，并配合斜轧辊构成的环形孔型实现对钛合金管坯的挤轧缩径；

(4)大幅削减冗余加工所占比例，降低钛合金管材制备加工成本和周期；

(5)降低设备生产制造成本，大幅减少物料损失和损耗，保质/保量、成形/成性良好协调的前提下实现高效短流程的钛合金管材制备，提高经济效益。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置的结构示意图；

图2是本发明的钛合金管坯快速挤轧缩径成型过程的原理示意图；

图3是本发明的钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置和方法的实施例中连铸坯截面应变随时间变化曲线示意图。

图中：1.液压组件；2.电机；3.减速器；4.回转转盘；5.芯棒；6.锥齿轮组件； 7.套筒组件；8.斜轧辊；9.管坯。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1、2所示，根据本发明的示例性实施例的钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置，旨在实现对钛合金管材的高效短流程短成型，以大幅降低钛合金管材制备加工成本和加工周期，同时通过变路径大变形形变来大大改善管材的微观组织结构和宏观力学性能，实现保质/保量、成形/成性与低成本短流程制备的协调。

如图1所示的钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置包括沿着水平方向依次设置的液压组件 1、套筒组件7、固定机架、回转转盘4、斜轧辊组8和芯棒5。套筒组件7、回转转盘4和芯棒5三者共中心轴地布置，以保证在挤轧缩径过程中的钛合金管坯的同心度和一致性。

结合图2，套筒组件7的纵长方向的内腔构成钛合金管坯9通过的第一通道。

两个回转转盘4之间等角度地布置多个斜轧辊8，多个斜轧辊8构成斜轧辊组，水平并可转动地支撑在回转转盘之间。如图示的实施例以三个斜轧辊为例，相互之间形成120°角度的布置为例进行说明。

三个斜轧辊8的中心位置构成允许钛合金管坯通过的第二通道。

如图1，第一通道的入口位置还设置液压组件，例如液压缸组件，通过推杆，将钛合金管坯从第一通道推向第二通道。

回转转盘4的中心轴线位置设置有芯棒5，芯棒5具有朝向套筒组件7的倾斜前端以及位于后端的棒身。倾斜前端构成前端鼻部，棒身向斜轧辊组出口方向延伸。

可选地，芯棒5的截面直径从前端鼻部向顶杆方向逐渐增加，芯棒5优选地采用高硬度的合金材料制备。

结合图1所示，斜轧辊8的两端分别设置有转盘4，斜轧辊8通过轧辊轴安装到两个转盘4之间。

可选地的实施过程中，通过电机的输出端驱动套筒组件7转动，套筒组件与回转转盘4 固定连接，斜轧辊的两端通过轧辊轴支撑到两个回转转盘上，从而通过电机驱动回转转盘围绕芯棒5公转。

在可选的实施例中，回转转盘4(例如包含交叉120°布置的三个斜轧辊8)由电机2驱动。例如，电机2通过减速机3进行扭矩输出，减速机3的输出端通过锥齿轮组件6连接到套筒组件7上，通过齿轮传动驱动套筒组件7转动，套筒组件7与回转转盘4连接，从而驱动斜轧辊组8的转动。

其中的回转转盘4通过轴承与装置的机架连接。

如图1、2所示的示例中斜轧辊组包括3个斜轧辊8，采用相同的结构设计，其截面的直径，从斜轧辊8的中间到两边呈渐变减小的趋势。

结合图1、2，第一通道与第二通道形成的连续路径构成钛合金管坯的挤轧路径。

芯棒5被设置成用以对从第一通道进入第二通道的钛合金管坯进行穿管扩内径，并配合斜轧辊组8对钛合金管坯9进行挤轧缩外径，完成挤轧缩径和减壁。

优选地，芯棒5至少部分地越过斜轧辊8的最大直径位置，使得从套筒组件7传送的钛合金管坯9在经过挤轧缩径后，先脱离芯棒5，再脱离斜轧辊组8。

如此，从套筒组件7的入口一侧将钛合金管坯9置于套筒组件内部，在液压驱动1下推动钛合金管坯9向右端运动，由斜轧辊8与芯棒5配合形成的变截面环形孔形。在斜轧辊组8和芯棒5的共同作用下实现连铸管坯9的大变形挤轧缩径。继续推动向右端运动后，经变截面环形孔形滚压缩径后的钛合金管坯9先脱离芯棒5，后脱离斜轧辊组8，来实现连铸管坯 9挤轧缩径后的定径。

在另外的实施例中，斜轧辊组还可以设计成具有更多适合的斜轧辊。

【实施例一】

钛合金连铸管坯尺寸(直径×壁厚)为Φ88×40mm，要求最终产品尺寸为Φ86×56mm。

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快速挤轧缩径成型装置，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：

将经加热的连铸管坯9置于套筒组件7中，由左侧液压组件1驱动连铸管坯9向右运动进入套筒组件7所围成的第一通道，以及斜轧辊组8和芯棒5所围成的第二通道，对连铸坯9进行挤轧缩径，经过挤轧过程的强塑性变形，使其尺寸变为Φ86×56mm。

如此，在进行挤轧缩径过程中，电机通过减速器3输出转矩，并通过锥齿轮连接6将转矩传递给转盘4，转盘4带动斜轧辊组8同步转动，斜轧辊组8在变形阻力下可沿轧辊轴自由转动。

整个工艺过程主要包含挤压镦粗和挤轧缩径两个阶段。沿连铸坯横截面半径方向由外向内依次取4个点P1、P2、P3和P4，追踪四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3所示。

由图3可知，在挤轧缩径过程中，管坯截面上的4个点的应变值基本呈现线性增加的趋势，且具有明显的壁厚分布梯度，由内向外，应变累积越来越大，且所得挤轧缩径后的管坯尺寸精度较高。

通过上述分析，挤轧缩径成型工艺可实现钛合金管坯沿各个方向的大塑性变形的累积，涉及挤压过程和轧制缩径过程的协同作用，通过对管坯的挤轧缩径，实现了材料的反复定向和剪切变形，在大变形条件下获得均匀细化的晶粒组织。

由此，通过结合斜轧穿孔、行星轧制和挤压的结构和运动特征来制备大塑性变形的钛合金管坯，实现管坯的变形储能的逐渐累积，为动态再结晶提供更多形核位点，促进细化晶粒，提高产品综合性能，实现“成形”和“成性”的协调，降低钛合金管材制备加工成本和周期，实现短流程和高效的钛合金管材的制备。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置，其特征在于，包括沿着水平方向依次设置的液压组件、套筒组件、固定机架、回转转盘和芯棒；

所述套筒组件、回转转盘和芯棒共中心轴地布置；

所述套筒组件的纵长方向的内腔构成钛合金管坯通过的第一通道；

两个回转转盘之间等角度地布置多个斜轧辊，多个斜轧辊构成斜轧辊组，水平并可转动地支撑在回转转盘之间；所述多个斜轧辊围成的中心位置构成允许钛合金管坯通过的第二通道，所述芯棒位于第二通道内；

所述多个斜轧辊在回转转盘带动下绕钛合金管坯转动，在斜轧辊与钛合金管坯之间摩擦力作用下，斜轧辊绕自身轴线被动自转；

所述斜轧辊的截面直径从中间向两侧呈递减的趋势，并且在钛合金管坯朝向芯棒运动的轨迹方向上，使得钛合金管坯的入口锥角大于出口锥角；

所述第一通道、第二通道形成的连续路径构成钛合金管坯挤轧路径，所述液压组件被设置成用于将钛合金管坯从第一通道顶入第二通道；

所述芯棒具有倾斜前端和棒身，所述倾斜前端被设置成用以对从第一通道进入第二通道的钛合金管坯进行挤压扩内孔，通过芯棒对钛合金管坯内圆表面施加约束，并配合斜轧辊构成的环形孔型实现对钛合金管坯的挤轧缩径。

2.根据权利要求1所述的钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置，其特征在于，所述芯棒至少部分地越过斜轧辊的喉径处，使得从套筒组件传递的钛合金管坯在经过挤轧缩径后，先脱离芯棒，再脱离斜轧辊。

3.根据权利要求1所述的钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置，其特征在于，所述液压组件设置在第一通道的入口位置，被设置成用于通过顶杆将钛合金管坯从第一通道顶入第二通道。

4.根据权利要求1所述的钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置，其特征在于，还包括电机，所述电机用于驱动所述回转转盘转动。

5.根据权利要求4所述的钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置，其特征在于，所述电机通过其输出端驱动套筒组件转动，所述套筒组件与回转转盘固定连接，所述斜轧辊的两端通过轧辊轴支撑到两个回转转盘上。

6.根据权利要求4或5所述的钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置，其特征在于，所述电机的输出端设置有一减速机，减速机的齿轮输出端与套筒组件的输入端的斜齿轮啮合，驱动所述套筒组件转动。

7.根据权利要求1所 述的钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置，其特征在于，所述芯棒一体成型。

8.根据权利要求1-7中任意一项的钛合金管坯快速挤轧缩径成型装置的钛合金管坯快速挤轧缩径成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过液压组件推动钛合金管坯从第一通道进入第二通道；

在所述第二通道内，芯棒与斜轧辊组配合形成变截面环状孔形，回转的斜轧辊组配合芯棒实现挤轧缩径；

通过液压组件推动钛合金管坯进入后续管坯加工阶段，管坯进入变截面环形孔形后先脱离所述芯棒，后脱离所述斜轧辊组。

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