一种新型TC4钛合金三通管成形的模具

作者：郑晓敏

1概述

  钛及钛合金是一种低密度材料，具有较高的比强度。此外，其在高腐蚀度和高温环境中抗蠕变性能也比较好，且有良好的焊接性能，应用于工业各领域。本文要求成形的钛合金三通管元素组成为Ti-6 Al-4V，简称TC4钛合金，是典型的a+p两相合金，它含有质量分数为6%的a稳定元素Al和质量分数为4%的口稳定元素V。在热压力加工时能够展现出较好的力学性能，并且可以利用淬火和失效进行合金强化；在进行热处理后其强度能够大幅度提高，能相较退火时的强度提高50%～100%;另外，它能够在高温环境(400℃～500℃)中持续工作。

2 TC4钛合金挤压工艺方案的选择

TC4钛合金挤压工件如图1所示。

  根据图1，初步确定以下两种成形方案：

  方案1：径向挤压。将毛坯制成管料，内置弹性介质，放于模膛之中，双向挤压，通过径向挤压的方法挤出第三端，卸料后进行机械加工，制成三通管。

  方案2：三向挤压。将毛坯制成T字形棒料，放于模膛之中，利用三向压力机，通过三向反挤压的方法初步成型，卸料后进行机械加工，制成三通管。

  该三通管材料为TC4，毛坯是用TC4粉末放入模腔中压实后烧结制成。方案1中，通过径向挤压形成第三端时，材料的变形量较大，加工硬化程度高，对设备和模具强度要求都较高。方案2采用三向反挤压，3个端口变形量都相对较小，成型较容易，同时可以有效地保护冲头与模具。经综合考虑，应采用方案2。

3  零件挤压工艺分析

3.1  毛坯热处理方案的确定

TC4是一种在退火状态下使用的钛合金，分别对TC4进行除应力退火、再结晶退火和固溶时效处理，可得到不同相组合的钛合金组织与性能，见表1。

  据此，可对TC4毛坯采用去应力退火550 0C～650℃，空冷；再结晶退火750℃～800。C，空冷或随炉冷却至590℃后，空冷；真空退火790℃～815℃。

3.2挤压时润滑剂的选择

  TC4热挤压成形可采用两种润滑方式：一是采用玻璃粉覆裸体挤压，另一种是采用铜或钢包套挤压。由于，采用铜或钢包套的方式会使金属在挤压筒内流动受阻，还会发生金属粘连现象，使得管材的表面受损，因此本文采用玻璃粉做润滑剂。

3.3  分模面的选择

  由图1可知，可以对三通管成形模具沿中心线进行横向或纵向分模，相比之下，横向分模便于装料和卸料，而纵向分模在卸料时管材易留在模膛中，不易取出，故而选择横向分模。

3.4初始挤压温度、加热方式和加热时间的选择

  随着温度的升高，坯料的变形抗力下降。从TC4合金的变形抗力、允许变形程度随温度变化的规律，以及从减少能量消耗和充分利用合金塑性的角度出发，初始挤压温度愈高愈好，初始挤压温度应为口转变温度(980。C～990℃)以下14 0C～28℃。本文以950℃作为坯料的挤压温度，加热方式采用感应加热，可有效地减少坯料的降温，加热时间选择3 min～5 min。

4坯料原始尺寸及质量的计算

  通过UG7.O绘制工件三维立体图后，由工具“测量体”得出工件体积V=543 821.145 397 477 mm3，坯料长度可按式(1)计算。

其中：L*为坯料长度，mm；S为工件端面面积，mm2，S=7r(R2 -r2)，R和r分别为工件端面外半径和内半径；L为工件长度，mm；D为坯料直径，mm。

  由文献[3]，按式(2)计算机械加工余量Vo( cm3)：

其中：D，、Dz分别为工件左右端、上下端直径，mm；曲，、Ah2分别为左右端、上下端修边余量，mm; L 1、L；分别为坯料左右端、上下端长度。

  将相应数据代入式(2)可得Vo一196 433. 85mm 3。

  考虑到感应加热损耗率，坯料的体积V*( cm3)按公式(3)计算：

其中：d为感应加热损耗率，取艿一1．O%。进而由下式得到坯料质量m(kg)：

其中：p为钛合金TC4的密度，P=4.51×10-6 kg/nm3。

  将相关参数代入式(3)、式(4)，计算可得坯料的体积V+=747 657. 545 mm3、坯料质量m*=3. 37 kg。

5热挤压模具的设计

5.1  凸模工艺设计

结合工件外形，考虑到加工简单，又便于装配与更换，将凸模设计成有斜度的冲头；采用车床加工，与凸凹模固定板的配合按H7／m6，凸模长度L凸一160 mm，材料选用高温合金GH4049。凸模结构如图2所示。

5.2  凹模工艺设计

凹模采用组合凹模，利用铣床和线切割机床对其进行加工。需要注意的是，将凹模安装于模架上时，需要考虑压力中心的数据对其进行定位；此外对凹模轮廓尺寸的设计要考虑其使用时的强度与刚度以及修模量。此处，选用高温合金GH4049制造凹模，淬硬HRC58～HRC62。凹模结构如图3所示。

5.3  下垫板结构设计

下垫板选用的材料为TlOA。其结构如图4所示。

5.4  凸模固定板设计

在装卡时凸模采用凸模固定板，可有效防止凸模在挤压过程中发生偏移，材料采用TlOA，热处理硬度为淬硬HRC55～HRC45，其结构如图5所示。

5.5  上模板设计

上模板要有足够的厚度和重量，具有较大的接触面积，并且能够将作用在模具上的负荷合理地分配到压力机滑块和工作台面上，其结构如图6所示。

5.6  模架及其他零件设计

  因四导柱模架冲压时受力比较均匀平衡，稳定性和导向精度较高，且导柱模结构比较完善，能够满足本次TC4钛合金三通管的设计要求，故选用四导柱模架。导柱与导套材料采用20钢，热处理（渗碳）硬度为HRC58—HRC62。上下模座材料采用HT200。采用柔性卸料板的卸料装置，卸料板边缘与垫板内腔保持间隙，材料选用TlOA，弹性卸料体采用聚氨酯弹性体。

5.7挤压模具装配结构

坯料送进时，由左右起导向作用的卸料板作为导向零件，使得坯料进入模腔，三向压力机同时挤压坯料，反挤压出工件，工件制出后，3个冲头均向后撤离，卸料器将料从凸、凹模中推出，工件取出后，通过机械加工冲透内孔，并使各项数据达到尺寸要求，加工完毕。三通管挤压模具装配结构如图7所示。

6结论

通过对钛合金三通管工件的计算分析，解决了合金管材变形抗力大、加工硬化强烈、易于开裂等的生产难题，完成了钛合金三通管的挤压模具设计，相信可为未来钛合金管材成形模具设计提供参考。

7摘要：通过对TC4钛合金三通管进行工艺计算，分析制定了合理的热挤压成形方案，完成了此三通管多向挤压成形的模具设计，探索了一种钛合金构件多向锻造成形工艺。