纯钛薄壁无缝管材矫直分析

2016-05-23杨晓康

锻压装备与制造技术 2016年4期

关键词：压下量直线度外径

杨晓康，蔡军

（1.西部钛业有限责任公司，陕西西安 710201；2.西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安 710055）

纯钛薄壁无缝管材矫直分析

杨晓康1，蔡军2

（1.西部钛业有限责任公司，陕西西安 710201；2.西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安 710055）

针对外径与壁厚比值大于77.5的钛薄壁管材矫直过程中易出现胀径、缩径、扭曲、压扁等现象，从理论上进行分析，根据理论计算，结合公司现有七辊卧式矫直机特点，对ø62mm×0.8mm规格纯钛薄壁管材进行矫直分析。结果表明：合理选择管材送进速度、矫直辊夹角、压下量、反弯量等参数，可有效确保管子在较小胀、缩径条件下，获得良好的直线度及表面质量，达到标准要求。

管材矫直；钛薄壁管；表面质量；参数

随着通信、电子及航空航天工业的快速发展，对薄壁钛管的需求和精度要求日益增加[1，2]。然而，在加热、轧制和热处理等过程中，由于温度和塑性变形分布不均匀，以及剪切、运输和堆放等原因，往往会产生不同程度的弯曲[3－5]。因此，在纯钛薄壁管材生产过程中，矫直是一个非常关键的工艺环节，矫直过程中速度、角度、反弯量、压下量等参数的选择对管材表面质量、尺寸及直线度有较大影响。在生产实践过程中发现：薄壁管材矫直时变径现象严重、表面螺旋压痕明显，造成成品率低。针对薄壁管材的矫直，有资料介绍：在六辊矫直机上，采用弯曲矫直和对辊压扁椭圆矫直相结合的方法能够有效解决薄壁钛管的矫直问题[6]。本文根据公司现有设备特点，结合生产实际，就D/t≥77.5的薄壁管材在七辊矫直机上矫直进行分析，旨在解决规模化生产过程中薄壁管材矫直问题，从而提高管材成品率。

1 实验用料

选用设备：ø40mm～ø90mm七辊卧式矫直机

选用材料：Gr.1

管材规格：ø62mm×0.8mm×L＞8000mm（D/t=77.5）

管材状态：M态

管材数量：8支

2 矫直过程理论分析

2.1 矫直原理

矫直过程中，材料处于弹－塑性变化区间，材料本身仍遵循压力加工中的四大基本定律，即体积不变定律、最小阻力定律、弹－塑性共存定律、最小能量定律。其基本原理是材料在几对与管材前进方向呈一定角度并带有双曲线的辊子之间多次弯曲，使弯曲部分的弯曲度逐渐减小，同时，材料在一边绕自身轴线旋转一边前进的工作过程中，每对辊间的压力对管材圆周进行矫正，使其尺寸精度（椭圆度）得到改善，以达到矫直目的。

2.2 矫直过程速度分析

管材矫直主要受速度、角度、反弯量、压下量等参数影响。在纯钛薄壁管材矫直过程中发现，当改变任一矫直参数时，管材外径都会发生不同程度的变化。针对这种情况，就矫直速度进行如下分析。矫直过程速度分解示意图如图1所示。

图中：ω为矫直辊的角速度方向和大小；V0为矫直辊角速度所对应的线速度大小和方向；V直为管材前进速度和方向；V旋为管材在矫直辊中转动的速度和方向；α为被矫直管材与矫直辊的夹角。

图1 矫直过程速度分解示意图

由图1可得：

从式（1）、（2）可以看出：矫直过程中，管材的前进速度与矫直辊的速度和管材与矫直辊夹角成正比关系。当矫直辊速度V0一定时，V直和α成正比关系。即α越大，V直越大，反之越小。

2.3 矫直过程角度分析

生产中使用的七辊卧式矫直机主体示意图如图2所示。在矫直过程中，为保证管材直线度和表面质量，三对矫直辊（1号、2号、3号）所对应的角度（α1、α2、α3）一致或大致相等，保证坯料与矫直辊无缝隙接触。

图2 七辊卧式矫直机主体示意图

矫直时，当压下量和反弯量一定时，改变角度，使α1＞α2＞α3，从式（1）V直＝V0×sinα可以得出：V直1＞V直2>V直3，即：被矫直的管材在与各矫直对辊接触点之间形成速度差，在1号接触点和2号接触点之间形成一对与矫直轴线平行的拉力（图3），在这种拉力作用下，管材被拉长，根据压力加工四大定律中体积不变和最小阻力定律，外径会有变小的趋势，同样在2号接触点和3号接触点之间也会有外径变小的趋势，即“缩径”。

图3 相邻两对矫直辊之间的力学关系

同理，当α1<α2<α3时，在1号对辊、2号对辊和3号对辊之间会有V直1

图4 相邻两对矫直辊之间的力学关系

2.4 矫直过程反弯量、压下量分析

反弯量的调整与管材外径、壁厚、σs、E等因素成正比或反比关系；压下量的调整和坯料的椭圆度成正比关系。反弯量过大容易造成管子扭曲，压下量过大管子容易压扁。在生产中对于薄壁钛管材矫直反弯量选择3mm～5mm，压下量选择0.4mm～0.6mm较为合适。

3 实例分析与讨论

从生产中某批料随机抽取8支ø62mm×0.8mm×8000mm成品管材（M态），分为4组，每组2支，在每支管材上每隔1000mm标记一个点，测量该点的外径尺寸，同时测量每支管子的直线度。测量结果如表1所示。

由表1中测试结果可以看出，当V直、反弯量、压下量一定时，若α1>α2>α3，经矫直的管材直线度差，测量管子同一部位外径尺寸，发现较矫直前减小，出现“缩径”现象；若α1<α2<α3，经矫直的管材直线度差，测量管子同一部位外径尺寸，发现较矫直前增大，出现“胀径”现象；若α1=α2=α3，经矫直的管材直线度较好，测量管子同一部位外径尺寸基本无变化，实际测量结果有效验证了理论分析。在实际生产过程中，矫直辊的夹角对薄壁管的矫直有很大影响。经实践测试分析，矫直辊选择35°或40°夹角、压下量0.5mm、反弯量4mm、管材进给速度0.1m/s，管材无压扁、表面无压痕、直线度好。

[1]张宏亮，许树勤，张晓燕，等.TA2管材平锥模热挤压成形过程的有限元模拟[J].锻压装备与制造技术，2009，44（6）：88-92.

[2]吴建军，张萍，何朝阳.大直径薄壁弯管回弹的有限元模拟[J].锻压装备与制造技术，2009，44（1）：79-81.

[3]王晓波.钛及钛合金小规格棒材的热矫直方法探讨[J].特钢技术，2015，21（2）：54-56.

[4]吴建军，何朝阳，张萍.大直径薄壁钛管加热弯曲成形的数值模拟[J].锻压技术，2008，33（4）：150-153.

[5]赖兴涛，刘玉文.管材矫直辊辊型的设计方法[J].焊管，2001，24（4）：35-37.

[6]林桥，杨英丽，郭荻子，等.薄壁钛管的矫直[J].稀有金属快报，2006，25（4）：25-27.

Straightening analysis of thin wall seamless pipe in pure titanium

YANG Xiaokang1,CAI Jun2
（1.Western Titanium Technologies Co.,Ltd.,Xi'an 710201,Shaanxi China; 2.School of Metallurgical Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,Shanxi China）

The defects including expanding diameter,reducing diameter,distortion and flattening have been occurred in the straightening process of thin wall seamless pipe in pure titanium with which the outer diameter and wall ratio is bigger than77.5.Based on the theoretical analysis and equipment characteristics of seven-roll horizontal straightener,the straightening analysis has been carried out toΦ62×0.8mmthin wall seamless titanium pipe.The results show that reasonable selection of parameters including feeding speed,angle of straightening roll,press-down volume and reverse amount can obtain good straightness and surface quality with lower expanding and reducing diameters,which can meet the standard requirement.

Thin wall titanium pipe;Straightening;Surface quality