一种难变形材料大直径超薄壁管材的加工方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属加工成形技术领域，具体涉及一种难变形材料高质量大直径超薄壁无缝管材加工方法，得到径厚比(直径与壁厚之比)为1000以上的大直径超薄壁高精度管材。
【背景技术】
[0002]镍基合金、高强钢、钛合金、锆合金、钨合金以及非连续增强金属基复合材等难变形材料使用性能优秀，具有出色和独特的使用性能，因此在航空、航天、兵器、船舶、核工业等诸领域应用十分广泛，是现代先进装备的物质基础。难变形材料大直径薄壁管材及异形管件在航空、航天、兵器、船舶、核工业等诸多领域的军、民品上具有良好的应用前景，其使用工况环境苛刻，随着先进装备的升级换代，对产品的可靠性、稳定性和使用寿命等方面提出更高的要求。为了满足先进装备发展的需要，中国发明专利说明书CN103170797A (申请号:201110432450.4)公开了一种难变形材料高质量大直径管(环)坯制备新方法，在此基础上提出了一种大直径薄壁管材及异形管件制备加工方法(申请号:201210524792.3)，该发明专利制备加工难变形材料大直径薄壁管材的主要流程为真空冶炼、快锻开坯、预制空心坯料、省力等温/热模复合挤压和强力变薄旋压，管材的壁厚为0.5mm?1.5_，直径为300mm?1000mm，该发明专利为高质量、高性能、大直径薄壁管材制备加工提供了新途径。
[0003]强力旋压(强旋)是制备加工大直径薄壁管材中最主要、最关键的工序之一，但强旋生产效率低，高精度大直径超薄壁管材旋压后，表面必须抛光处理，方可使用。由于管材的直径大，壁薄，其刚度低，旋压时易失稳，引起鼓包等缺陷，抛光时容易变形，使其变椭，稍有不慎，管材精度超差，极易导致产品报废，旋压大直径超薄壁管材表面处理问题非常棘手；壁厚越薄(径厚比越大)，精确控制产品尺寸精度和形位精度难度越大。
[0004]滚珠旋压是加工中小直径(3mm?150mm)超薄壁管材最有效的方法之一,其加工管材壁厚最小可达0.04mm (马振平，张涛.滚珠旋压成形技术，冶金工业出版社，2011 )，超出滚珠旋压适宜加工的范围(3mm?150mm)，生产的管材尺寸和直线度等易超差，采用滚珠旋压成形直径大于300mm的高精度超薄壁管材，鲜有报道。
[0005]扩径拉拔是制备加工大直径管材的有效方法之一，中国发明专利说明书CN101070931A公开了一种利用扩径拉伸与缩径拉伸相结合的方法制作大直径白铜管，可以制备出直径大于300_，壁厚为2.5mm的大直径白铜管。大直径紫铜管生产表明，紫铜管可连续多遍扩径，扩径后管坯的壁厚减薄，长度减短，壁厚偏心率增加(杨海丽.扩径法在大口径铜管生产中的应用.有色金属加工，2010，39(1):40-41)。目前扩径拉拔主要采用卧式液压拉床，扩径芯头的直径远远大于管材壁厚，由于重力的作用，扩径芯头和管材的同心度难以保证，壁厚偏心率较大，采用传统扩径拉拔工艺难以保证薄壁管材的尺寸精度。王仲仁给出了扩径拉拔(锥面胀管)厚向应变计算公式(王仲仁.塑性加工力学基础，国防工业出版社，1989),米用扩径拉拔将直径为Φ500ι?πι,壁厚为Imm的薄壁管材，扩径到Φ520ι?πι,利用厚向应变计算公式和有限元数值模拟计算分析，可得管材壁厚减薄量分别为0.02_和0.018mm左右，壁厚减薄量很小，扩径拉拔过程中，主要沿着管材圆周方向伸长，沿着管材长度方向缩短或少量伸长，限制了壁厚的减薄量，特别是薄壁管材扩径拉拔时，壁厚减薄量更小。采用传统扩径拉拔方法，加工大直径薄壁管材，壁厚减薄量受限，多道次拉拔后，壁厚偏差较大，易超差，难以加工出大直径超薄壁管材。
[0006]目前，我国大直径超薄壁管材主要采用卷板焊接的方法加工，但焊缝的存在降低了其综合性能，产品质量较差，难以满足先进装备升级换代的要求。
【发明内容】
[0007]本发明针对上述现有技术中的不足，提供一种难变形材料大径厚比为1000以上的超薄壁高精度管材的制备加工方法，生产的产品尺寸精度和形位精度高。
[0008]本发明的技术方案如下:
[0009]一种难变形材料大直径超薄壁管材的加工方法，具体步骤如下:
[0010](I)清除难变形材料大直径超薄壁管材的表面缺陷，可以通过清洗、打磨、修理来完成;
[0011](2)将管材的一端扩口 ；
[0012](3)将芯杆固定在浮动装置上，定径模安装在立式液压拉拔机的模架上，将扩口后的管材从未扩口一端插入定径模的模孔，然后将扩径芯头安装在芯杆上；此时，扩径芯头位于定径模之上，扩径芯头的定径带与定径模的定径带平行；
[0013](4)通过浮动装置，向下移动扩径芯头，使得扩径芯头的定径带和定径模的定径带保持在同一高度，固定扩径芯头；
[0014](5)采用夹头夹紧管材的扩口端，向上移动夹头，使用立式液压拉拔机对管材进行拉拔，得到成品管材。
[0015]其中:
[0016]步骤(I)中的难变形材料大直径薄壁管材的材料为镍基合金、钛基合金、锆基合金或非连续体增强金属基复合材料，管材壁厚为0.5mm?1.5mm,直径为300mm?1000mm。该管材是在发明专利“一种大直径高质量管(环)坯的制备方法(申请号=201110432450.4)”和“一种大直径管材及异形管件制备加工方法(申请号:201210524792.3)”的基础上制备的，主要流程为真空冶炼、快锻开坯、预制空心坯料、省力等温/热模复合挤压和强力变薄旋压。
[0017]步骤(2)中的扩口在压力机上或旋压机上进行，扩口部分管材的直径增大4mm?20mmo
[0018]步骤(3)中的浮动装置由浮动上模板和浮动下模板组成，浮动上模板与浮动下模板间通过弹簧与紧固螺杆相连；浮动下模板固定在水平面上，浮动上模板可以上下移动；浮动上模板上有紧固螺母，通过紧固浮动上模板上的紧固螺母可以固定浮动上模板。
[0019]步骤(3)中的扩径芯头的锥角为5°?30°，扩径芯头定径带的长度为20mm?50mmo
[0020]步骤(3)中的定径模的模孔尺寸和步骤(I)中管材的直径相同，管材从未扩口一端插入定径模的模孔后，管材的外壁与定径模的模孔紧贴，使得管材的中心线与定径模的中心线重合；该定径模采用柔性体固定，柔性体为橡胶、弹性塑料等柔性体，因此定径模在水平面上具有良好的自由度，当扩径芯头下移时，定径模可以在水平面上移动，使得定径模的中心线与扩径芯头的中心线重合,从而实现管材的中心线、扩径芯头的中心线和定径模的中心线重合。
[0021]步骤(5)中的拉拔为多道次拉拔，拉拔的速度为0.lmm/s?20mm/s，拉拔道次加工率为3%?15%，拉拔总加工率为20%?70%。
[0022]在不同道次拉拔步骤间对管材进行热处理。
[0023]上述热处理为真空退火或真空气淬固溶处理。
[0024]步骤(5)中的成品管材的直径为Φ300ι?πι?ΦΙΟΟΟι?πι,壁厚为0.1mm?Imm,径厚比为 1000-2000。
[0025]本发明的有益效果为:
[0026]1.本专利提出从材料冶炼的源头出发全流程控制产品质量，保证材料的纯净度，严格控制组织的均匀性和细化组织，挖掘材料的成形能力，避免了组织粗大以及夹杂物等冶金缺陷，降低产品质量和引起拉拔过程管材断裂问题；
[0027]2.管材、扩径芯头和定径|旲的中心线、中心能够自动重合、对中，精确定位；且定径模的模孔尺寸和管材直径相同，管材外壁与定径模的模孔紧贴，管材和定径模的中心线与中心重合，定径模在水平面上柔性固定，定径模可以在水平面上移动，自动将其中