专利名称：钛合金高筒环锻件的辗轧成形方法
技术领域：
本发明涉及一种环形锻件的轧制成形方法，特别是涉及了钛合金高筒环锻件的辗 轧成形方法。
背景技术：
采用钛合金制造的航空航天等领域使用的回转体零部件，如筒形壳体锻件等，由 于锻件的壁厚较薄，高度较高，再加上锻件尺寸精度、性能及组织要求也较高，增加了轧制 成形的难度。2008年10月8日公开的中国发明专利说明书CN 101279345A公开了一种钛合金 异形环锻件的辗轧成形方法，该方法把按规格下料的合金棒料经镦粗、冲孔、两次轧环制坯 (不使用辗轧模具)，再把坯料装进轧环机辗轧模具内辗轧成形，通过在连续两次轧环制坯 过程中采取小变形量成形的方式和在各工艺步骤中控制准确的变形量，轧制出了组织和性 能良好的异形环锻件。采用该方法轧制壁厚较薄的钛合金高筒环锻件时，由于主辊的转动 方向与预轧坯的转动方向不一致，轧制时辗轧模具的孔型与预轧坯之间产生激烈的摩擦不 仅使轧制过程非常不稳定对生产造成影响，而且还容易导致预轧坯温度升高对合金的组织 和性能产生影响，如出现组织变异、晶粒粗大等缺陷。在采用上述方法及直接使用轧环机的主辊和芯辊轧制(如上述方法中的轧环制 坯)薄壁的钛合金高筒环锻件时，由于受轧环机的主辊等部件刚度的影响，加上薄壁高筒 环锻件的结构刚度较差和加工余量较小，轧制过程中易导致预轧坯出现塑性失稳而产生轧 扁、喇叭口等现象，造成环锻件形状和尺寸达不到设计使用或机加工要求而报废，这对价格 昂贵的钛合金材料来说损失较大。而且，由于轧制时上、下锥辊及两个抱辊要随预轧坯的径 向展宽而外移，增加了设备操作和控制的难度。辗轧过程中，预轧坯刚开始轧制时由于先向其转动方向一侧的抱辊偏移，再向另 一侧的抱辊偏移，使预轧坯在轧制过程中有朝其两侧的抱辊左右摆动的现象，受抱辊扶持 产生的反作用力影响，环锻件容易被轧扁而报废。而且由于轧环机的抱辊尺寸是一定的，其 高度一般没有高筒环锻件的高度高，因此轧制过程中受抱辊的反作用力在环锻件的外周面 易出现由于抱辊的“辅轧”而形成台阶痕迹，对环锻件的形状及尺寸精度造成不良影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种采用随动模套来实现钛合金高筒环锻件的 辗轧成形方法，采用该方法能够轧制出薄壁并具有优良组织和性能的高筒环锻件。为解决上述技术问题，本发明所述钛合金高筒环锻件的辗轧成形方法，其技术方 案包括以下步骤预热随动模套到250°C 300°C的温度，并加热钛合金预轧坯到相变点以下30°C 的变形温度；把所述随动模套和预轧坯装进轧环机，使随动模套套住预轧坯、预轧坯套住芯辊并且沿主辊和芯辊的中心距方向随动模套与主辊的外周面之间、随动模套的内环面与预轧 坯的外周面之间、以及预轧坯的内环面与芯辊的外周面之间分别相切接触，随动模套被两 个抱辊在其外周面扶持，上锥辊和下锥辊沿随动模套和预轧坯的上、下端面夹持该两个工 件；启动轧环机使其主辊旋转并驱动随动模套、预轧坯、芯辊和两个抱辊转动，同时由 轧环机驱动上锥辊和下锥辊夹持住随动模套和预轧坯一起转动，芯辊沿径向朝主辊方向作 进给运动并与主辊一起以200KN 4000KN的轧制力在随动模套内辗轧预轧坯，预轧坯以 5mm/s 10mm/S的速度沿径向展宽，壁厚逐渐减小，其变形量达25% 45%后被辗轧成高 筒环锻件，辗轧时上、下锥辊及两个抱辊不随预轧坯的径向展宽而外移。在采用上述方法辗轧不同截面形状的高筒环锻件时，所述随动模套的内环面形状 是可以依高筒环锻件的外周面形状来调整的。并且，所述随动模套在设计时，其最小壁厚按下式计算D0 = L-D1-R1-R2式中 为随动模套的最小壁厚；L为主辊与芯辊的最小中心距；D1为高筒环锻件的径向最小壁厚；R1为主辊的半径；&为芯辊的半径。采用上述辗轧成形方法轧制成形的高筒环锻件，其壁厚最小值是25mm，高厚比的 最大值是25mm。与现有技术相比，本发明的有益效果如下本发明把经预热的随动模套和加热到变形温度的钛合金预轧坯套装进轧环机定 位后，由其芯辊沿径向朝主辊方向作进给运动并与主辊一起在随动模套内辗轧预轧坯使其 变形成形，获得了薄壁及组织和性能优良的高筒环锻件。辗轧过程中，由于随动模套只进行了预热处理，其在轧制过程中几乎是不会变形 的。尽管轧制时主辊的转动方向与预轧坯的转动方向不一致，但由于在预轧坯和主辊之间 隔了一层随动模套，并且预轧坯在随动模套内与其一起同向转动，克服了预轧坯与随动模 套之间由于产生激烈的摩擦使轧制过程不稳定和易导致预轧坯温度升高的现象，从而有利 于组织生产和获得优质锻件。辗轧过程中，由于预轧坯的外周面紧贴在随动模套的内环面上并与其一起同向、 同步转动，避免了预轧坯与其转向相反的主辊刚性部件的影响，从而避免其出现塑性失稳 而产生轧扁、喇叭口等现象，而且与预轧坯一起同向、同步转动的随动模套还可对预轧坯的 外周面进行整圆防止其轧扁和出现喇叭口等现象，可实现精密轧制成形尺寸精度高的环锻 件，节省贵重的钛合金材料。辗轧过程中，由于预轧坯是套装在随动模套内，是由随动模套的外周面与两个抱 辊的外周面直接接触，因此即使产生摆动现象也不会对随动模套内的预轧坯产生太大影 响，而且也不会由于抱辊的“辅轧”使环锻件的外周面出现台阶痕迹。辗轧过程中，由于上、下锥辊及两个抱辊不随预轧坯的径向展宽而外移，降低了对 设备的控制和操作难度。
以牌号为TC4的变形钛合金为例经检测该合金高筒环锻件的尺寸精度，达到了相应尺寸的3%。(千分之三)。经检测该合金高筒环锻件的室温拉伸性能，其抗拉强度为980MPa IOOOMPa (大 于设计使用要求的895MPa)，伸长率为0. 2%时的屈服强度为945MPa 960MPa (大于设计 使用要求的825MPa)，断后伸长率为11. 5% 13. 5% (大于设计使用要求的10% )，断面收 缩率为43. 5% 47. 5% (大于设计使用要求的20% )。经检测该合金高筒环锻件在400°C的高温拉伸性能，其抗拉强度为635MI^ 660MPa(大于设计使用要求的615MPa)，断后伸长率为13. 5% 16% (大于设计使用要求 的12% )，断面收缩率为47. 5% 58. 5% (大于设计使用要求的40% )。经检测该合金高筒环锻件的持久性能，该合金锻件在试验温度为400°C、试验应力 为570MPa、持续时间达101小时内未断，满足了设计使用要求。经检测该合金高筒环锻件的金相组织并对锻件进行探伤检测，达到了《飞机用TC4 钛合金锻件》(HBMM)航空行业标准的要求。
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是预轧坯的立体结构示意图。图2是随动模套和预轧坯的装机定位及辗轧状态示意图。图3是预轧坯辗轧成高筒环锻件的立体结构示意图。图4是采用本发明所述方法辗轧第一种异形截面高筒环锻件时沿其中 剖面结构状态图。图5是采用本发明所述方法辗轧第二种异形截面高筒环锻件时沿其中 剖面结构状态图。图6是采用本发明所述方法辗轧第三种异形截面高筒环锻件时沿其中 剖面结构状态图。
具体实施例方式实施本发明所述的钛合金高筒环锻件的辗轧成形方法需要提供锻造加热炉、压力 机、轧环机、机械手等设备。下面以我国材料牌号为TC4的变形钛合金为例来详细说明该方 法的
具体实施例方式该合金的主要化学元素含量(重量百分比)为含Al量5. 5% 6.8%、含V量 3. 5% 4. 5%、含Fe量彡0. 30%、含C量彡0. 10%、含N量彡0. 05%、含H量彡0. 015%, 含0量< 0. 20%、其他元素单个< 0. 10%且总和< 0. 40%、余量为Ti。该合金从棒料到生产出合格的高筒环锻件的工艺步骤如下步骤1 制坯。把按规格下料的TC4合金棒料经加热、镦粗、冲孔、拔长、预轧后制取预轧坯10°， 其形状如图1所示。步骤2:装机。如图2所示，把随动模套4在锻造加热炉内预热到250°C 300°C后装进轧环机并
线的纵 线的纵 线的纵平放在该机的底盘上(图中未示出)，随动模套4套进轧环机的芯辊2，其外周面与轧环机 的主辊1及两个抱辊3的外周面相切接触，两个抱辊3对随动模套4起扶持作用；同时把预 轧坯10°在锻造加热炉内加热到相变点以下30°C的变形温度后装进轧环机套进轧环机的 芯辊2并套在随动模套4内后平放在该机的底盘上(图中未示出)，随动模套4的外周面与 主辊1的外周面之间、预轧坯10°的外周面与随动模套4的内环面之间、及预轧坯10°的 内环面与芯辊2的外周面之间均沿芯辊2和主辊4的中心距方向相切接触；启动轧环机使 其上锥辊5和下锥辊6沿随动模套4和预轧坯10°的上下端面夹持该两个工件，完成该两 个工件的装机定位。装机时工件的装运主要通过机械手操作完成。步骤3:辗轧。启动轧环机使其主辊1按图2所示方向旋转，主辊1驱动随动模套4、预轧坯10°、 芯辊2和两个抱辊3按图2所示的方向转动，同时由轧环机驱动上锥辊5和下锥辊6按图 2所示方向转动并在随动模套4和预轧坯10°轧制过程中夹持该两个工件的上、下端面，使 轧环机的两个抱辊3扶持住随动模套4的外圆周面；芯辊2沿径向朝主辊1方向作进给运 动并与主辊1 一起以200KN 4000KN的轧制力在随动模套4内辗轧预轧坯10°，预轧坯 10°以5mm/s lOmm/s的速度沿径向展宽，其壁厚逐渐减小，上、下锥辊5和6以及两个抱 辊3不随预轧坯10°的径向展宽而外移。预轧坯10°在随动模套4内被辗轧产生连续局部塑性变形，当其变形量达25% 45%后被轧制成形为高筒环锻件10(如图3所示)，关闭轧环机，所有转动部件停止后移开 主辊1、上锥辊5和下锥辊6、两个抱辊3以及压在芯辊2顶部的轧环机悬臂，从芯辊2顶部 取出随动模套4后再取出高筒环锻件10。高筒环锻件10终轧后进行退火处理，即把锻件加热至800°C左右，按壁厚保温后 随炉空冷。在上述步骤1和步骤3中，该合金的终锻或终轧温度不小于850°C ；在本实施例中， 经检测该合金的相变点为980°C。所述变形量的计算方法为变形量=[(预轧坯10°沿中心线的纵截面面积-高 筒环锻件10沿中心线的纵截面面积)/预轧坯10°沿中心线的纵截面面积]X 100%。在上述轧制过程中，为保证随动模套4在轧制过程中不变形和预轧坯10°能够在 该模套内充分变形成形，该模套的最小壁厚按下式进行设计计算D0 = L-D1-R1-R2式中Dq为随动模套4的最小壁厚；L为主辊1与芯辊2的最小中心距；D1为高筒环锻件10的径向最小壁厚；R1为主辊1的半径；&为芯辊2的半径。采用上述辗轧方法轧制的该合金高筒环锻件10，其最小壁厚可达25mm，高厚(指 壁厚)比最大可达25mm。经检测，采用上述方法辗轧成形的TC4钛合金高筒环锻件10具有较高的尺寸精度 和优良的内部组织及性能，完全满足了该合金锻件的设计使用要求。图4示出了采用上述辗轧成形方法辗轧第一种异形截面的钛合金高筒环锻件IO1时沿其中心线的纵剖面结构的状态，图中高筒环锻件IO1的外周面呈鼓包形状，对应该高筒 环锻件IO1的异形截面形状，随动模套41的内环面和芯辊21的外周面形状作了相应的调整。图5示出了采用上述辗轧成形方法辗轧第二种异形截面的钛合金高筒环锻件IO2 时沿其中心线的纵剖面结构的状态，图中在高筒环锻件IO2的下端面与其外周面相交处有 一突起环，对应该高筒环锻件IO2的异形截面形状，随动模套42的内环面形状作了相应的调 整，为清楚起见，对应标注了芯辊22的附图标记。图6示出了采用上述辗轧成形方法辗轧第三种异形截面的钛合金高筒环锻件IO3 时沿其中心线的纵剖面结构的状态，图中在高筒环锻件IO3的下端面与其外周面相交处有 一突起环并在其外周面的中上部也有一突起环，对应该高筒环锻件IO3的异形截面形状，随 动模套43的内环面形状作了相应的调整，为清楚起见，并对应标注了芯辊23的附图标记。采用本发明提供的上述辗轧成形方法并不限于上述实施方式，对于不同截面形状 的高筒环锻件，只需对应改变随动模套和芯辊的形状，按照上述方法便可辗轧出不同截面 形状的高筒环锻件。
权利要求
1.一种钛合金高筒环锻件的辗轧成形方法，其特征在于，包括以下步骤预热随动模套到250°c 300°C的温度，并加热钛合金预轧坯到相变点以下30°C的变 形温度；把所述随动模套和预轧坯装进轧环机，使随动模套套住预轧坯、预轧坯套住芯辊并且 沿主辊和芯辊的中心距方向随动模套与主辊的外周面之间、随动模套的内环面与预轧坯的 外周面之间、以及预轧坯的内环面与芯辊的外周面之间分别相切接触，随动模套被两个抱 辊在其外周面扶持，上锥辊和下锥辊沿随动模套和预轧坯的上、下端面夹持该两个工件；启动轧环机使其主辊旋转并驱动随动模套、预轧坯、芯辊和两个抱辊转动，同时由轧环 机驱动上锥辊和下锥辊夹持住随动模套和预轧坯一起转动，芯辊沿径向朝主辊方向作进给 运动并与主辊一起以200KN 4000KN的轧制力在随动模套内辗轧预轧坯，预轧坯以5mm/ s 10mm/S的速度沿径向展宽，壁厚逐渐减小，其变形量达25% 45%后被辗轧成高筒环 锻件，辗轧时上、下锥辊及两个抱辊不随预轧坯的径向展宽而外移。
2.根据权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于所述随动模套的内环面形状是 可以依高筒环锻件的外周面形状来调整的。
3.根据权利要求1或2所述的辗轧成形方法，其特征在于所述随动模套的最小壁厚 按下式进行设计计算D0 = L-D1-R1-R2式中 为随动模套的最小壁厚；L为主辊与芯辊的最小中心距；D1为高筒环锻件的径向最小壁厚；R1为主辊的半径；R2为芯辊的半径。
4.根据权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于所述高筒环锻件的壁厚最小值 是25mm，高厚比的最大值是25mm。
全文摘要
本发明公开了一种钛合金高筒环锻件的辗轧成形方法，为轧制成形薄壁及组织和性能优良的高筒环锻件，其技术方案为先把经预热的随动模套和加热到变形温度的钛合金预轧坯套装进轧环机，由轧环机的主辊、芯辊、抱辊和上、下锥辊对该两个工件进行定位；再启动轧环机，由其芯辊沿径向朝主辊方向作进给运动并与主辊一起以200KN～4000KN的轧制力在随动模套内辗轧预轧坯，使其以5mm/s～10mm/s的速度沿径向展宽，壁厚逐渐减小，其变形量达25％～45％后被辗轧成高筒环锻件，辗轧时上、下锥辊及两个抱辊不随预轧坯的径向展宽而外移。采用该方法轧制成形的钛合金高筒环锻件的壁厚最小值是25mm，高厚比的最大值是25mm，该锻件主要用于航空航天等领域使用的筒形壳体等回转体零部件。
文档编号B21H1/06GK102085548SQ20101058195
公开日2011年6月8日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者刘峰, 刘清, 周丹伟, 张衡, 杨勇, 王超, 邹伟, 魏志坚 申请人:贵州安大航空锻造有限责任公司