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一種新型TC4鈦合金三通管成形的模具

2016-03-05 10:46:38 安裝信息網(wǎng)

作者：鄭曉敏

1概述

鈦及鈦合金是一種低密度材料，具有較高的比強(qiáng)度。此外，其在高腐蝕度和高溫環(huán)境中抗蠕變性能也比較好，且有良好的焊接性能，應(yīng)用于工業(yè)各領(lǐng)域。本文要求成形的鈦合金三通管元素組成為Ti-6 Al-4V，簡稱TC4鈦合金，是典型的a+p兩相合金，它含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的a穩(wěn)定元素Al和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的口穩(wěn)定元素V。在熱壓力加工時能夠展現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，并且可以利用淬火和失效進(jìn)行合金強(qiáng)化；在進(jìn)行熱處理后其強(qiáng)度能夠大幅度提高，能相較退火時的強(qiáng)度提高50%～100%;另外，它能夠在高溫環(huán)境(400℃～500℃)中持續(xù)工作。

2 TC4鈦合金擠壓工藝方案的選擇

TC4鈦合金擠壓工件如圖1所示。

根據(jù)圖1，初步確定以下兩種成形方案：

方案1：徑向擠壓。將毛坯制成管料，內(nèi)置彈性介質(zhì)，放于模膛之中，雙向擠壓，通過徑向擠壓的方法擠出第三端，卸料后進(jìn)行機(jī)械加工，制成三通管。

方案2：三向擠壓。將毛坯制成T字形棒料，放于模膛之中，利用三向壓力機(jī)，通過三向反擠壓的方法初步成型，卸料后進(jìn)行機(jī)械加工，制成三通管。

該三通管材料為TC4，毛坯是用TC4粉末放入模腔中壓實后燒結(jié)制成。方案1中，通過徑向擠壓形成第三端時，材料的變形量較大，加工硬化程度高，對設(shè)備和模具強(qiáng)度要求都較高。方案2采用三向反擠壓，3個端口變形量都相對較小，成型較容易，同時可以有效地保護(hù)沖頭與模具。經(jīng)綜合考慮，應(yīng)采用方案2。

3 零件擠壓工藝分析

3.1 毛坯熱處理方案的確定

TC4是一種在退火狀態(tài)下使用的鈦合金，分別對TC4進(jìn)行除應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火和固溶時效處理，可得到不同相組合的鈦合金組織與性能，見表1。

據(jù)此，可對TC4毛坯采用去應(yīng)力退火550 0C～650℃，空冷；再結(jié)晶退火750℃～800。C，空冷或隨爐冷卻至590℃后，空冷；真空退火790℃～815℃。

3.2擠壓時潤滑劑的選擇

TC4熱擠壓成形可采用兩種潤滑方式：一是采用玻璃粉覆裸體擠壓，另一種是采用銅或鋼包套擠壓。由于，采用銅或鋼包套的方式會使金屬在擠壓筒內(nèi)流動受阻，還會發(fā)生金屬粘連現(xiàn)象，使得管材的表面受損，因此本文采用玻璃粉做潤滑劑。

3.3 分模面的選擇

由圖1可知，可以對三通管成形模具沿中心線進(jìn)行橫向或縱向分模，相比之下，橫向分模便于裝料和卸料，而縱向分模在卸料時管材易留在模膛中，不易取出，故而選擇橫向分模。

3.4初始擠壓溫度、加熱方式和加熱時間的選擇

隨著溫度的升高，坯料的變形抗力下降。從TC4合金的變形抗力、允許變形程度隨溫度變化的規(guī)律，以及從減少能量消耗和充分利用合金塑性的角度出發(fā)，初始擠壓溫度愈高愈好，初始擠壓溫度應(yīng)為口轉(zhuǎn)變溫度(980。C～990℃)以下14 0C～28℃。本文以950℃作為坯料的擠壓溫度，加熱方式采用感應(yīng)加熱，可有效地減少坯料的降溫，加熱時間選擇3 min～5 min。

4坯料原始尺寸及質(zhì)量的計算

通過UG7.O繪制工件三維立體圖后，由工具“測量體”得出工件體積V=543 821.145 397 477 mm3，坯料長度可按式(1)計算。

其中：L*為坯料長度，mm；S為工件端面面積，mm2，S=7r(R2 -r2)，R和r分別為工件端面外半徑和內(nèi)半徑；L為工件長度，mm；D為坯料直徑，mm。

由文獻(xiàn)[3]，按式(2)計算機(jī)械加工余量Vo( cm3)：

其中：D，、Dz分別為工件左右端、上下端直徑，mm；曲，、Ah2分別為左右端、上下端修邊余量，mm; L 1、L；分別為坯料左右端、上下端長度。

將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入式(2)可得Vo一196 433. 85mm 3。

考慮到感應(yīng)加熱損耗率，坯料的體積V*( cm3)按公式(3)計算：

其中：d為感應(yīng)加熱損耗率，取艿一1．O%。進(jìn)而由下式得到坯料質(zhì)量m(kg)：

其中：p為鈦合金TC4的密度，P=4.51×10-6 kg/nm3。

將相關(guān)參數(shù)代入式(3)、式(4)，計算可得坯料的體積V+=747 657. 545 mm3、坯料質(zhì)量m*=3. 37 kg。

5熱擠壓模具的設(shè)計

5.1 凸模工藝設(shè)計

結(jié)合工件外形，考慮到加工簡單，又便于裝配與更換，將凸模設(shè)計成有斜度的沖頭；采用車床加工，與凸凹模固定板的配合按H7／m6，凸模長度L凸一160 mm，材料選用高溫合金GH4049。凸模結(jié)構(gòu)如圖2所示。

5.2 凹模工藝設(shè)計

凹模采用組合凹模，利用銑床和線切割機(jī)床對其進(jìn)行加工。需要注意的是，將凹模安裝于模架上時，需要考慮壓力中心的數(shù)據(jù)對其進(jìn)行定位；此外對凹模輪廓尺寸的設(shè)計要考慮其使用時的強(qiáng)度與剛度以及修模量。此處，選用高溫合金GH4049制造凹模，淬硬HRC58～HRC62。凹模結(jié)構(gòu)如圖3所示。

5.3 下墊板結(jié)構(gòu)設(shè)計

下墊板選用的材料為TlOA。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

5.4 凸模固定板設(shè)計

在裝卡時凸模采用凸模固定板，可有效防止凸模在擠壓過程中發(fā)生偏移，材料采用TlOA，熱處理硬度為淬硬HRC55～HRC45，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

5.5 上模板設(shè)計

上模板要有足夠的厚度和重量，具有較大的接觸面積，并且能夠?qū)⒆饔迷谀＞呱系呢?fù)荷合理地分配到壓力機(jī)滑塊和工作臺面上，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

5.6 模架及其他零件設(shè)計

因四導(dǎo)柱模架沖壓時受力比較均勻平衡，穩(wěn)定性和導(dǎo)向精度較高，且導(dǎo)柱模結(jié)構(gòu)比較完善，能夠滿足本次TC4鈦合金三通管的設(shè)計要求，故選用四導(dǎo)柱模架。導(dǎo)柱與導(dǎo)套材料采用20鋼，熱處理（滲碳）硬度為HRC58—HRC62。上下模座材料采用HT200。采用柔性卸料板的卸料裝置，卸料板邊緣與墊板內(nèi)腔保持間隙，材料選用TlOA，彈性卸料體采用聚氨酯彈性體。

5.7擠壓模具裝配結(jié)構(gòu)

坯料送進(jìn)時，由左右起導(dǎo)向作用的卸料板作為導(dǎo)向零件，使得坯料進(jìn)入模腔，三向壓力機(jī)同時擠壓坯料，反擠壓出工件，工件制出后，3個沖頭均向后撤離，卸料器將料從凸、凹模中推出，工件取出后，通過機(jī)械加工沖透內(nèi)孔，并使各項數(shù)據(jù)達(dá)到尺寸要求，加工完畢。三通管擠壓模具裝配結(jié)構(gòu)如圖7所示。