TC4鈦合金連接板精密模鍛工藝開(kāi)發(fā)

文/詹輝，李波，翟宏·中車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司

本連接板屬于某化工設(shè)備重要零件，工作環(huán)境具有強(qiáng)腐蝕性和較高的溫度，對(duì)零件材料性能和尺寸精度提出了較高的要求。根據(jù)鍛件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和鈦合金的工藝特性，開(kāi)發(fā)小組設(shè)計(jì)出四個(gè)工步完成鍛造成形，并采用了預(yù)鍛和精鍛兩次切邊的切邊模結(jié)構(gòu)，合理制定了鈦合金棒料的全過(guò)程工藝規(guī)范，在試制過(guò)程中不斷優(yōu)化鍛模結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)解決鍛件筋板厚度尺寸精度要求和成形難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量完全滿(mǎn)足技術(shù)要求。

由于鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)、耐高溫、抗腐蝕及無(wú)磁性等優(yōu)異的綜合性能，鈦合金鍛件不僅廣泛應(yīng)用于航空、航天制造業(yè)中，并在海洋、化工、汽車(chē)工業(yè)和醫(yī)療器械等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。因此，我們選擇TC4鈦合金作為制造該連接板的理想材料。圖1為該鍛件的三維模型。

工藝難點(diǎn)分析

⑴該鍛件屬于高筋薄壁類(lèi)鍛件(圖2)，中間筋板厚度尺寸5.4±0.5mm，屬于精密級(jí)模鍛件尺寸公差要求。由于鈦合金金屬流動(dòng)性較差，變形抗力大，我們分析該件最大的工藝難點(diǎn)在于筋板厚度尺寸如何打靠。

⑵鍛件左右側(cè)各有3個(gè)薄壁凸臺(tái)，寬度10mm，高度45mm，位于鍛件兩邊及對(duì)角位置，充滿(mǎn)成形相對(duì)困難。

⑶鍛件兩側(cè)邊緣為5.4mm薄板結(jié)構(gòu)，切邊時(shí)容易拉彎變形并產(chǎn)生毛刺。

工藝流程的制定

根據(jù)鈦合金鍛造工藝規(guī)范，初步制定2火次鍛造工藝流程為：下料(鋸床)→車(chē)坯(車(chē)床)→刷涂料(預(yù)熱120℃)→加熱(箱式電爐)→制坯、預(yù)鍛(5000t壓力機(jī))→切邊(1000t油壓機(jī))→噴砂、打磨修傷→刷涂料(預(yù)熱120℃)→加熱(箱式電爐)→終鍛、精鍛(5000t高能螺旋壓力機(jī))→切邊(1000t油壓機(jī))→熱處理(退火)→噴砂、打磨→檢驗(yàn)。

鍛造工藝及工裝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

⑴棒料規(guī)格的選取。通過(guò)三維模型取截面分析可知，鍛件最大截面位于兩端，等效直徑為φ90mm，其余截面等效直徑為φ68mm，鍛件在長(zhǎng)度方向截面尺寸相對(duì)均勻。該鍛件長(zhǎng)度為300mm，根據(jù)我們開(kāi)發(fā)多種類(lèi)似形狀鍛件的經(jīng)驗(yàn)，棒料長(zhǎng)度與鍛件尺寸接近才能保證兩端成形飽滿(mǎn)，因此初步選取棒料長(zhǎng)度為300mm，再按鍛件體積乘以1.25作為棒料體積，計(jì)算出棒料直徑為φ80mm，由此初步得出下料規(guī)格為φ80mm×300mm。

⑵鈦合金棒料準(zhǔn)備。鍛造用的鍛(軋)棒，表面有一層硬脆的α層，模鍛前，需去掉該層，以免鍛造時(shí)引起坯料表面開(kāi)裂。直徑大于50mm時(shí)，一般車(chē)削去掉5mm。車(chē)削后，如個(gè)別部位仍有缺陷，須打磨予以消除，打磨深度不大于0.5mm。棒料兩端倒R5圓角，以免鍛造時(shí)坯料開(kāi)裂。

⑶設(shè)備選擇。該鍛件計(jì)算打擊力為4000t。鈦合金熱導(dǎo)率低，室溫時(shí)是鋁的1/15，鐵的1/5，鍛錘鍛造鈦合金速度較快時(shí)中心熱效應(yīng)易產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象，對(duì)鍛件性能影響較大，而壓力機(jī)產(chǎn)生的變形熱不明顯。根據(jù)鍛件精度要求和我廠設(shè)備實(shí)際情況，選擇5000t高能螺旋壓力機(jī)作為鍛造設(shè)備。

⑷坯料潤(rùn)滑。坯料預(yù)熱溫度120±30℃，在預(yù)熱爐中預(yù)熱20min，均勻噴涂玻璃潤(rùn)滑劑，坯料表面潤(rùn)滑劑烘干后才能裝爐。

⑸加熱規(guī)范。按標(biāo)準(zhǔn)確定TC4鈦合金始鍛溫度為960℃，終鍛溫度為800℃，保溫時(shí)間0.8min/mm。鈦合金的熱傳導(dǎo)率低，為防止過(guò)熱氧化和吸氫，新?tīng)t子和長(zhǎng)時(shí)間不使用的爐子先要空燒除去水分再使用，電爐溫度場(chǎng)精度±10℃。溫度過(guò)高，組織粗化，晶粒粗大；溫度過(guò)低，變形抗力大，易產(chǎn)生裂紋等鍛造缺陷。制定加熱曲線如圖3所示。

⑹制坯。目的在于對(duì)金屬進(jìn)行合理分配，本產(chǎn)品需將金屬聚集到鍛件兩側(cè)和兩端，制坯形狀的設(shè)計(jì)對(duì)預(yù)鍛和終鍛成形效果至關(guān)重要。為避免變形量過(guò)大造成坯料開(kāi)裂，制坯變形量≤60%，制坯外形設(shè)計(jì)如圖4所示。

⑺鍛模型腔設(shè)計(jì)。第1火完成制坯和預(yù)鍛，第2火完成終鍛和精鍛。預(yù)鍛后切邊、噴砂、打磨，一方面清除鍛件表面缺陷，提高鍛件終鍛后的表面質(zhì)量；另一方面，切邊后可減小金屬成形阻力，有利于鍛件厚度尺寸打靠。型腔設(shè)計(jì)為四個(gè)型腔(圖5)：制坯(左上)→預(yù)鍛(右上)→終鍛(右下)→精鍛(左下)。設(shè)計(jì)精鍛型腔的目的在于提高模具壽命和鍛件尺寸精度。為了鍛件成形飽滿(mǎn)，鍛件相對(duì)復(fù)雜和較深的型腔放在上模。變形量控制：制坯模筋板厚度設(shè)計(jì)為21.5mm，預(yù)鍛后筋板厚度設(shè)計(jì)尺寸為12mm，終鍛筋板厚度為5.2mm，終鍛變形量大于30%，否則易造成鍛件晶粒粗大，性能下降。模具預(yù)熱溫度：200℃～300℃。

⑻切邊模設(shè)計(jì)。切邊模設(shè)計(jì)有2個(gè)型腔(圖6)，右側(cè)為預(yù)鍛后切邊，切邊時(shí)保留部分飛邊用作終鍛時(shí)頂料，左側(cè)型腔為終鍛后切邊型腔。為了保證切邊精度，切邊上下模間隙設(shè)計(jì)為0.8mm，設(shè)計(jì)導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)用于切邊模裝配定位和控制上下模間隙尺寸精度。

⑼鍛件冷卻和熱處理。鍛件空冷后，完成退火熱處理。

⑽鈦合金在鍛造過(guò)程中的污染及清理。坯料加熱前應(yīng)清理干凈，不得有油污、鐵屑、氯化品，不允許殘留指紋；電爐內(nèi)不得殘留氧化皮，不得有鋼坯料，爐底襯板以鑄造不銹鋼為好；坯料上涂玻璃潤(rùn)滑劑，或在保護(hù)氣氛中加熱。

樣件試制及工藝改進(jìn)

我們分別采用長(zhǎng)度305mm、300mm、295mm三種規(guī)格試制，確定最佳規(guī)格為φ80mm×305mm。制坯效果符合預(yù)期(圖7)，預(yù)鍛成形較飽滿(mǎn)，切邊毛刺小(圖8)。終鍛和精鍛(圖9)后，實(shí)測(cè)中央筋板厚度尺寸值為8.2～8.8mm，超上差2.1～ 2.9mm，因此，后期改進(jìn)工作重點(diǎn)在于控制鍛件厚度尺寸精度。

改進(jìn)措施：⑴預(yù)鍛型腔和終鍛型腔減淺2mm，精鍛型腔減淺1mm；⑵減小終鍛型腔的橋部寬度尺寸以減小變形阻力；⑶適當(dāng)加大預(yù)鍛、終鍛型腔橋部圓角，對(duì)型腔進(jìn)行拋光提高鍛模型腔光潔度，既改善了金屬的流動(dòng)性，又能提高鍛件表面質(zhì)量。采取以上措施后，再次試制后檢測(cè)，鍛件厚度尺寸達(dá)到5.4～5.8mm，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

熱處理

鍛件單層擺放，退火溫度：730±10℃，保溫時(shí)間90分鐘，出爐后空冷。按取樣圖做室溫拉伸，低倍、高倍組織，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)范要求。

結(jié)論

⑴對(duì)于鈦合金鍛件，棒料需通過(guò)車(chē)坯清除表面缺陷，兩端倒角。

⑵為了獲得高等級(jí)的外觀質(zhì)量，玻璃潤(rùn)滑劑需涂抹均勻，爐膛和鍛模型腔要清理干凈，預(yù)鍛后需清除坯料表面缺陷再終鍛，生產(chǎn)操作過(guò)程中盡量避免磕碰、污染。

⑶鍛造加熱質(zhì)量對(duì)于鍛件最終性能至關(guān)重要，既要保證電爐設(shè)備精度，又要控制鍛造變形量和打擊速度，防止鍛件因變形發(fā)熱升溫過(guò)高影響性能。

⑷調(diào)整預(yù)鍛型腔深度，預(yù)鍛后切邊，減小終鍛型腔橋部寬度、適當(dāng)加大口部圓角，減小變形抗力，有利于鍛件厚度尺寸打靠。為確保鍛件難成形部位充滿(mǎn)，可在鍛模相應(yīng)部位設(shè)置阻力凸臺(tái)。

⑸對(duì)于鍛件薄板部位的切邊，應(yīng)減小切邊上下模間隙，精鍛時(shí)保留足夠的飛邊寬度，有利于減小切邊毛刺和局部變形，提高切邊質(zhì)量。

⑹此產(chǎn)品為我公司第一次開(kāi)發(fā)的鈦合金鍛件。由于前期工藝準(zhǔn)備工作較為充分，完全按照鈦合金相關(guān)工藝規(guī)范編制鍛造和熱處理工藝，制定的制坯和模鍛工步合理可行。在試制過(guò)程中，針對(duì)厚度尺寸打靠和筋板局部成形的工藝難點(diǎn)進(jìn)行了有效的優(yōu)化改進(jìn)。經(jīng)小批量生產(chǎn)驗(yàn)證，連接板鍛件的尺寸精度、表面質(zhì)量、性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求(圖10)。