80 MN海綿鈦電極壓機(jī)開(kāi)發(fā)研制

許海健

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

0 前言

鈦合金具有強(qiáng)度高、重量輕的特點(diǎn)，在各領(lǐng)域的新材料應(yīng)用中將有很大的潛在市場(chǎng)需求，尤其在航天航空領(lǐng)域，更是有不可替代的地位[1]。

鈦合金的原料為含TiO2大于96%的天然金紅石，之后進(jìn)行氯化、還原制成海綿鈦[2-4]。再將海綿鈦、合金元素壓制成電極塊，焊接成為柱狀海綿鈦電極，在自耗爐中冶煉提取得到鈦合金[5]。之后進(jìn)行鍛造、熱軋等工藝制成鈦合金材料[6-9]。

目前海綿鈦電極壓型生產(chǎn)較為先進(jìn)的設(shè)備是俄羅斯及烏克蘭等鈦工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的一些企業(yè)。但是這些海綿鈦電極壓型生產(chǎn)設(shè)備普遍存在重量大，維護(hù)不便等缺點(diǎn)[10]。

隨著國(guó)內(nèi)航天航空工業(yè)的發(fā)展以及軍工、民用產(chǎn)品的需要，對(duì)鈦合金的需求將不斷增長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)研制大噸位的海綿鈦電極壓機(jī)意義重大，因此開(kāi)發(fā)研制80 MN海綿鈦電極壓機(jī)。

1 80 MN海綿鈦電極壓機(jī)開(kāi)發(fā)研制

1.1 概述

80 MN海綿鈦電極壓機(jī)主要用于以海綿鈦為主要原料的自耗電極的壓制成形，從混料機(jī)接料開(kāi)始[11]，由加料裝置將散裝海綿鈦及中間合金送入壓機(jī)模具，壓機(jī)將鈦或鈦合金散狀原料在一定形狀的模腔內(nèi)進(jìn)行壓制成電極塊，經(jīng)過(guò)脫料、推料、去飛邊、稱(chēng)重、旋轉(zhuǎn)拼塊、集料，形成柱狀電極，用于下一道工序繼續(xù)生產(chǎn)。

該設(shè)備由壓機(jī)本體、輔機(jī)、模具、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

80 MN海綿鈦電極壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 80 MN海綿鈦電極壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 預(yù)應(yīng)力框架

80 MN海綿鈦電極壓機(jī)本體采用預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由上橫梁、下橫梁、四個(gè)立柱，通過(guò)四個(gè)拉桿和螺母組成，采用專(zhuān)用高壓預(yù)緊工具，預(yù)緊形成封閉的受力框架，承受壓機(jī)的全部工作載荷。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是零件受力合理、零件壽命長(zhǎng)，機(jī)架剛性強(qiáng)、變形小、精度高[12-13]。

圖1 預(yù)應(yīng)力框架

2.2 活動(dòng)橫梁的導(dǎo)向方式

活動(dòng)橫梁采用四角X-Y導(dǎo)向，穩(wěn)定性高，易于調(diào)節(jié)，如圖2所示。

圖2 活動(dòng)橫梁導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

2.3 關(guān)鍵零部件的加工制造工藝

(1)主缸缸體。主缸缸體材質(zhì)為20MnMo，分三段鍛焊，如圖3所示。鍛件采用電爐進(jìn)行熔煉，并經(jīng)爐外精煉，調(diào)制處理，做力學(xué)性能試驗(yàn)分析和超聲波探傷，焊前進(jìn)行裂縫檢查。缸體焊接采用窄間隙埋弧自動(dòng)焊接方法進(jìn)行焊接，焊接完成后，進(jìn)行消除應(yīng)力處理，焊縫超聲波探傷。機(jī)加工完成后缸底圓角、法蘭圓角做磁粉探傷檢驗(yàn)。

圖3 主缸缸體鍛焊結(jié)構(gòu)

(2)主缸柱塞。主缸柱塞材質(zhì)為35#鍛鋼，分三段鍛焊，如圖4所示。鍛件采用電爐進(jìn)行熔煉，并經(jīng)爐外精煉，調(diào)制處理，做力學(xué)性能試驗(yàn)分析和超聲波探傷，焊前進(jìn)行裂縫檢查。缸體焊接采用窄間隙埋弧自動(dòng)焊接方法進(jìn)行焊接，焊接完成后，進(jìn)行消除應(yīng)力處理，焊縫超聲波探傷。柱塞外圓堆焊2Cr13，堆焊層單邊厚度3～5 mm，表面硬度43～48 HRC[14]。焊接完成后，進(jìn)行消除應(yīng)力處理，柱塞堆焊后進(jìn)行磁粉探傷檢驗(yàn)。柱塞機(jī)加工外圓粗糙度Ra0.4。

圖4 主缸柱塞鍛焊結(jié)構(gòu)

(3)橫梁。上橫梁材質(zhì)為GS20Mn5，結(jié)構(gòu)如圖5所示。鑄件應(yīng)符合DIN17182《焊接結(jié)構(gòu)用低合金鑄鋼》的規(guī)定。鑄件應(yīng)進(jìn)行正火+回火處理。做力學(xué)性能試驗(yàn)分析，力學(xué)性能試驗(yàn)塊在鑄件本體上鑄出。Φ2 540 mm范圍內(nèi)超探，探傷深度150 mm。刀具檢查[15]。

圖5 上橫梁結(jié)構(gòu)

(4)拉桿。拉桿材質(zhì)為30Cr2Ni2Mo，結(jié)構(gòu)如圖6所示。鍛件用鋼采用電爐進(jìn)行熔煉，并經(jīng)爐外精練和真空除氣處理，四根拉柱采用同一爐材料制作。調(diào)制處理，做力學(xué)性能試驗(yàn)分析和超聲波探傷。對(duì)R3、R1.98裂紋檢查。

圖6 拉桿結(jié)構(gòu)

2.4 浮動(dòng)壓制

鈦電極塊壓制生產(chǎn)工藝流程：先將鈦原料顆粒以及一定比例的合金添加劑加注到下模和外模之間的容腔內(nèi)，然后上模下降，加壓，將松散的原料壓制成整體電極塊。之后的工藝是拼裝、焊接成整個(gè)柱狀電極。

傳統(tǒng)壓制方式的缺點(diǎn)是：鈦電極塊壓制過(guò)程中，底部的原料得不到充分壓實(shí)，特別是高度較大時(shí)，上、下表面密度差較大，下表面密度達(dá)不到要求(3.3～3.5 g/cm3)，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)工藝中出現(xiàn)掉塊等問(wèn)題。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本文研發(fā)一種浮動(dòng)壓制裝置，一、下模設(shè)計(jì)為凸臺(tái)式；二、外模下部安裝頂模缸。加料前頂模缸先將外模頂升起一定的高度S，然后開(kāi)始加料，如圖7所示；加料完畢后上模下降，加壓；上模加壓過(guò)程中，頂模缸始終施加向上的頂模力N，隨著原料的不斷壓縮，其變形抗力也越來(lái)越大(越來(lái)越難被壓縮)，上模壓力F也越來(lái)越大，當(dāng)上模壓力F>頂模力N+摩擦力f時(shí)，外模開(kāi)始下降；繼續(xù)壓制一段距離，外模與下模接觸，繼續(xù)壓制；壓制到制定高度(或者壓力)時(shí)，停止壓制，原料被壓制成整體電極塊[16-17]。浮動(dòng)壓制方式解決了傳統(tǒng)壓制方式電極塊上、下表面密度差較大的問(wèn)題。

圖7 傳統(tǒng)壓制方式與浮動(dòng)壓制方式的對(duì)比

2.5 旋轉(zhuǎn)拼塊裝置

海綿鈦電極壓機(jī)將海綿鈦原料顆粒壓制成具有一定形狀和強(qiáng)度的塊體(海綿鈦電極塊)后，將海綿鈦電極塊堆垛拼接(兩塊/一對(duì))，然后將若干對(duì)海綿鈦電極塊依次連接，焊接形成一個(gè)整體海綿鈦電極。

傳統(tǒng)設(shè)備沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的電極塊堆垛拼接裝置，主要靠人工手動(dòng)完成，效率低[18]。因此本文專(zhuān)門(mén)研發(fā)了一種電極壓機(jī)的堆垛裝置，如圖8所示。

圖8 旋轉(zhuǎn)拼塊裝置

工藝動(dòng)作過(guò)程：第一塊海綿鈦電極塊壓制成型，進(jìn)入前運(yùn)輸輥道，第一塊電極塊由前推頭推著水平移動(dòng)，進(jìn)入轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)部橫板上，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)180°，由導(dǎo)輥承載第一塊電極塊隨之轉(zhuǎn)動(dòng)180°，第二塊海綿鈦電極塊壓制成型，進(jìn)入前運(yùn)輸輥道，第二塊電極塊由前推頭推著水平移動(dòng)，進(jìn)入轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)部橫板上，平臺(tái)下降，第一塊電極塊到達(dá)上部位置，第二塊電極塊到達(dá)下部位置后推頭將上下兩塊電極塊一同推動(dòng)，經(jīng)過(guò)渡板裝置，推至后運(yùn)輸輥道上，(第二塊電極塊脫離橫板后，由第一塊電極塊支承，)第一、二電極塊位置分別到達(dá)輥道上下位置。

第一、二電極塊組成第一對(duì)電極塊，之后的電極塊依次連接，焊接[19-20]，形成柱狀的海綿鈦電極產(chǎn)品，進(jìn)入下一道生產(chǎn)工序。

3 結(jié)束語(yǔ)

80 MN海綿鈦電極壓機(jī)在用戶(hù)車(chē)間安裝調(diào)試，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到了技術(shù)要求。壓制生產(chǎn)了443 mm×227 mm×400 mm、515 mm×257 mm×400 mm、591 mm×295 mm×400 mm等規(guī)格的電極塊產(chǎn)品，產(chǎn)品密度3.4～3.5 g/cm3，外表面光滑整齊，在后續(xù)冶煉過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)掉塊的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)了一年多的生產(chǎn)，電極壓機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，達(dá)到了研發(fā)效果。