63 MN鈦合金正向雙動擠壓機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李正利，荊云海，高朋昌，董曉娟，郭永安

(1.金屬擠壓/鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018;2.寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014)

0 前言

鈦合金由因其具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空和海洋工程領(lǐng)域[1]。擠壓是鈦合金的一種主要塑性成形方法[2-3]。擠壓通過施加三向壓應(yīng)力可以實(shí)現(xiàn)對鈦合金比較大的塑性變形，提高擠壓制品的綜合性能，通過穿孔擠壓還可以實(shí)現(xiàn)鈦合金大尺寸無縫管材的制備，并可結(jié)合后續(xù)的軋制和拉拔工藝實(shí)現(xiàn)高尺寸精度無縫鈦合金管材的生產(chǎn)。隨著玻璃潤滑擠壓技術(shù)的發(fā)展和成熟，擠壓已經(jīng)成為制備鈦合金管材、棒材和型材最有前途的方法[4]。

目前，我國用于鈦合金生產(chǎn)的擠壓機(jī)主要有寶雞鈦業(yè)31.5 MN和西部新鋯45 MN擠壓機(jī)等。這些擠壓機(jī)噸位都比較小，無法滿足我國在石油勘探、海洋工程和飛機(jī)制造等領(lǐng)域?qū)Υ蟪叽绺咂焚|(zhì)鈦合金管材、型材和棒材的需求。這也使得我國鈦合金制品的尺寸規(guī)格和品質(zhì)與國外同類產(chǎn)品存在較大差距[5]。因此，我國亟待研發(fā)專用于鈦合金管、棒和型材擠壓的大型擠壓機(jī)組。

不僅如此，我國的鈦合金專用擠壓機(jī)多是從國外引進(jìn)的，尚沒有自主設(shè)計(jì)制造的大噸位鈦合金擠壓機(jī)的能力?；谏鲜鲂袠I(yè)背景，中國重型機(jī)械研究院股份公司和寶雞鈦業(yè)股份有限公司合作開發(fā)了63 MN正向雙動鈦合金專用擠壓機(jī)并工業(yè)化應(yīng)用。本文主要介紹63 MN正向雙動鈦合金擠壓機(jī)的主要結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)以及適合生產(chǎn)的典型鈦合金制品的尺寸規(guī)格。

1 鈦合金的特點(diǎn)和熱擠壓工藝流程

鈦合金具有加熱易氧化，熱變形過程中變形抗力大、變形溫度高及塑性比較差等特點(diǎn)[6]，這些特點(diǎn)決定了鈦合金的擠壓需要采取比較特殊的擠壓方式，即采用包套潤滑或者涂抹玻璃潤滑劑[7-8]后進(jìn)行擠壓。包套潤滑或者涂抹玻璃潤滑劑的方法既有隔熱作用,避免擠壓工模具被錠坯加熱軟化，又可以起到潤滑和防止鈦合金氧化的作用，同時(shí)防止鈦合金與模具發(fā)生粘結(jié)。包套潤滑和玻璃潤滑擠壓增加擠前包套或玻璃潤滑工序，以及后續(xù)的噴丸或酸堿洗工序。其典型的工藝流程如圖1所示。

圖1 鈦及鈦合金熱擠壓工藝流程

潤滑雖然能夠較好的避免鈦合金擠壓過程中工模具的升溫和軟化，但鈦合金的擠壓仍需要在較快的速度下進(jìn)行，通過縮短擠壓時(shí)間，盡可能的防止錠坯降溫與工模具的升溫。鈦合金的擠壓溫度一般在600～1 200℃[9]；擠壓速度一般取80～130 mm/s；擠壓比在3～30范圍內(nèi)。這種工藝[10-16]特點(diǎn)決定要實(shí)現(xiàn)鈦合金的擠壓需要專用擠壓設(shè)備機(jī)組：兼?zhèn)浒?、玻璃潤滑擠壓，需要有較大的功率以及比較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性來實(shí)現(xiàn)高速擠壓并保證擠壓制品精度，還要考慮過熱因素以防工模具的失效損壞。

針對鈦合金擠壓的上述特點(diǎn)，對63 MN正向雙動擠壓機(jī)組和擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了制造安裝和調(diào)試。

2 63 MN鈦合金擠壓機(jī)

2.1 擠壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

擠壓桿擠出金屬所必要的力，是擠壓機(jī)能力的基本參數(shù)。它取決于擠壓生產(chǎn)工藝的要求，受變形抗力、擠壓比、錠坯長度、模角、擠壓速度、摩擦條件和擠壓筒溫度等因素影響。擠壓力的計(jì)算一般按下面簡化算式進(jìn)行：

P=βA0σ0lnλ+μσ0π(D+d)L

(1)

式中，P為擠壓力，N；A0為擠壓筒與穿孔針之間的環(huán)形面積，mm2；σ0為與變形速度和溫度有關(guān)的變形抗力[16-18]，MPa；λ為擠壓比；μ為摩擦系數(shù)；D為擠壓筒內(nèi)徑，mm；d為穿孔針直徑，mm；L為填充后的錠坯長度，mm；β為修正系數(shù)，取β=1.3～1.5，其中硬合金取下限，軟合金取上限。

計(jì)算模型確定后，根據(jù)鈦合金的熱擠壓工藝、典型擠壓材料牌號性能(表1)、錠坯尺寸規(guī)格等，對擠壓機(jī)的擠壓力進(jìn)行計(jì)算。

表1 典型擠壓材料牌號性能

錠坯規(guī)格：Φ212 mm、Φ288 mm、Φ348 mm、Φ438 mm，長度500～1 000 mm。

計(jì)算結(jié)果針對不同牌號、不同規(guī)格的制品差異較大，在進(jìn)行合理化分析后，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對計(jì)算結(jié)果的誤差進(jìn)行修正，確定出的擠壓機(jī)公稱擠壓力。同時(shí)，為了適應(yīng)其他一些稀有金屬的擠壓，還將最大擠壓速度調(diào)整為240 mm/s。

擠壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：

公稱擠壓力 63 MN

基礎(chǔ)擠壓速度(泵直傳) 80 mm/s

擠壓速度 5～240 mm/s可調(diào)

動梁空程前進(jìn)速度 250 mm/s

傳動形式 油泵+蓄勢器傳動

穿孔力 10 MN

穿孔針有效行程 1 300 mm

擠壓筒鎖緊力 7.6 MN

擠壓筒長度 1 500 mm

擠壓筒行程 1 550 mm

擠壓筒預(yù)熱溫度 450±25°C可調(diào)

壓機(jī)中心高 1 000 mm

主系統(tǒng)工作壓力 31.5 MPa

輔助系統(tǒng)工作壓力 12～20 MPa

2.2 擠壓機(jī)布局和功能

63 MN鈦合金擠壓機(jī)車間平面布置見圖2，主要由擠壓機(jī)本體、機(jī)組機(jī)械化設(shè)備[19]、機(jī)器人系統(tǒng)、錠坯加熱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機(jī)后出料系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)組成。占地24.5 m×83m(寬×長)，最大設(shè)備高度不超過8 m。整個(gè)機(jī)組裝機(jī)功率5 800 kW(包含坯料加熱)。操作上可實(shí)現(xiàn)調(diào)整制度、手動制度、半自動與自動制度；工藝上可實(shí)現(xiàn)無縫管材擠壓、棒材、型材擠壓和有/無壓余擠壓。

圖2 63 MN鈦合金擠壓機(jī)車間平面布置

本體設(shè)備是整個(gè)擠壓機(jī)組的核心設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)熱鑄錠的擠壓、擠壓筒內(nèi)壓余的清除、擠壓與壓余接收交替工作等功能。由框架、主缸和側(cè)缸、穿孔系統(tǒng)、擠壓容室、擠壓工具、移動模架、檢測及潤滑裝置組成(圖3)。機(jī)組機(jī)械化設(shè)備是本體設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)的輔助設(shè)備，主要輔助本體設(shè)備完成擠壓前的錠坯內(nèi)、外表面涂粉潤滑、裝入擠壓墊、裝錠等工作和擠壓后壓余與制品的鋸切分離及壓余與擠壓墊的分離等工作。機(jī)器人系統(tǒng)代替人工完成了高溫環(huán)境下擠壓前對擠壓筒進(jìn)行吹掃、潤滑，檢查和對穿孔針進(jìn)行在線潤滑的工作。機(jī)后出料系統(tǒng)則負(fù)責(zé)完成擠壓制品的傳輸、冷卻工作，保障了擠壓工作的順利進(jìn)行。在電氣控制系統(tǒng)的程序和液壓系統(tǒng)的邏輯控制下，以上各部分分工合作，緊密配合，生產(chǎn)出擠壓制品。

圖3 擠壓機(jī)本體組成

2.3 主要產(chǎn)品規(guī)格及應(yīng)用

具有自主知識產(chǎn)權(quán)63 MN油壓雙動臥式鈦合金擠壓機(jī)組是目前國內(nèi)最大噸位的鈦合金擠壓設(shè)備。63 MN鈦合金擠壓機(jī)組可生產(chǎn)的制品規(guī)格見表2。

表2 國內(nèi)現(xiàn)有鈦合金擠壓機(jī)制品對比

在63 MN油壓雙動臥式鈦合金擠壓機(jī)組生產(chǎn)的幾種典型材料牌號見表3。

表3 典型擠壓材料牌號及制品應(yīng)用

3 主要技術(shù)特點(diǎn)

(1)由于鈦合金變形抗力大，該擠壓機(jī)采用了預(yù)應(yīng)力框架式結(jié)構(gòu)。在前、后梁之間，拉桿始終處于拉應(yīng)力狀態(tài)，疲勞強(qiáng)度高，防松性能好?？招膲禾资冀K處于壓應(yīng)力狀態(tài)且具有較大的抗彎截面。在擠壓過程中拉桿的應(yīng)力變化范圍只有傳統(tǒng)張力柱結(jié)構(gòu)的約25%，因此在擠壓過程中，機(jī)架伸長量僅為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的25%，且彎曲變形小，框架具有很大的剛度，利于保證制品精度。

(2)鈦合金擠壓工藝的難點(diǎn)之一就是變形熱效應(yīng)較大，導(dǎo)熱性較差[20]。為了順利完成擠壓，在采用潤滑的同時(shí)，穿孔針內(nèi)部采用循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，防止穿孔針因超溫而造成熱處理失效，提高了針的使用壽命和生產(chǎn)效率。在擠壓結(jié)束后，通過設(shè)置的壓縮空氣通道，用壓縮空氣將穿孔針中存留的水吹出，防止內(nèi)部生銹。

(3)熱擠壓生產(chǎn)時(shí)擠壓筒、穿孔針均保持在450℃左右。而鈦合金的擠壓工藝又決定了必須每次擠壓前對擠壓筒進(jìn)行吹掃、潤滑、拍照檢查及對穿孔針進(jìn)行在線潤滑。依賴人工來完成上述工序危險(xiǎn)性大且效率低下。63 MN鈦合金擠壓機(jī)將機(jī)器人應(yīng)用程序納入擠壓自動程序，用機(jī)器人代替人工來完成上述一些工況惡劣、重復(fù)度高的工作，降低勞動強(qiáng)度。

(4)對于該63 MN鈦合金擠壓機(jī)而言，最高擠壓速度為240 mm/s，此時(shí)主、側(cè)缸油液流量高達(dá)28 800 L/min。若采用泵直接傳動，在31.5 MPa壓力時(shí)需要500 ml/r的油泵39臺，功率高、管路復(fù)雜且占地面積大。故而采用了泵+蓄勢器傳動方案。液壓罐的容積按一個(gè)擠壓周期總液耗量的30%～35%考慮，結(jié)合比例變量泵和定量泵組合方式配置，實(shí)現(xiàn)擠壓速度的無級調(diào)整，只需要同規(guī)格的油泵13臺就可實(shí)現(xiàn)高速擠壓。這種配比下，基礎(chǔ)擠壓速度為80 mm/s，高于此速度時(shí)則采用泵加蓄勢器同時(shí)傳動。此狀況下的液壓系統(tǒng)主泵電機(jī)裝機(jī)容量僅1 200 kW，比泵直接傳動能減少約40%的裝機(jī)功率。同時(shí)，對于不同的擠壓速度，采用不同的調(diào)速方式控制，保證了擠壓速度和精度的控制要求。

(5)兼顧包套和玻璃潤滑兩種潤滑工藝。鈦合金的熱擠壓工藝中，一般采用銅包套擠壓，主要是由于銅在合適的擠壓溫度下不與基體金屬發(fā)生合金化學(xué)反應(yīng)生成低熔點(diǎn)共晶體。根據(jù)文獻(xiàn)[20]，在擠壓塑性差的金屬時(shí)，包套的目的是使擠壓初期形成很強(qiáng)的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，包套材料厚度較厚，一般為3～6 mm，前端墊蓋厚度可達(dá)20～40 mm。擠壓塑性好的金屬時(shí)，包套的目的是防止基體金屬被氣體污染和防止粘結(jié)模具，此時(shí)包套厚度較薄，一般為外包套0.8～2.0 mm，內(nèi)包套1.0～2.5 mm。但鈦合金擠壓溫度范圍較寬，在接近或者超過包套材質(zhì)的熔點(diǎn)時(shí)，就需要考慮其他的高溫潤滑材質(zhì)。玻璃潤滑劑由于其導(dǎo)熱系數(shù)小，潤滑性能好且安全環(huán)保易清理等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用，缺點(diǎn)是當(dāng)擠壓溫度達(dá)不到其使用溫度時(shí)很難熔融均勻附著。在63 MN鈦合金擠壓機(jī)的機(jī)械化設(shè)備中，專門設(shè)計(jì)了外涂粉臺和內(nèi)涂粉裝置用于涂抹玻璃潤滑劑。

(6)高壓油泵電機(jī)采用6 kV高壓交流電源驅(qū)動，電機(jī)一拖二油泵，電能利用率高，有效減少系統(tǒng)在車間的占地面積。

4 機(jī)組應(yīng)用

根據(jù)表4所示為典型鉭、鈮、鋯等金屬及其合金的擠壓工藝，63 MN鈦合金擠壓機(jī)組對這些金屬及其合金的管材、棒材、型材在熱狀態(tài)下的正向擠壓具有一定的適應(yīng)性。

表4 典型鉭、鈮、鋯等金屬擠壓工藝

5 結(jié)論和展望

(1)我國已具有自主研發(fā)、生產(chǎn)制造大型鈦合金擠壓機(jī)的能力。為我國鈦合金裝備業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

(2)63 MN鈦合金擠壓機(jī)組的建成，為我國大口徑管材與大截面型材的自主生產(chǎn)提供了工藝裝備。

(3)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的63 MN鈦合金雙動臥式擠壓機(jī)組投產(chǎn)后，能有效緩解我國民用及航空航天領(lǐng)域?qū)τ诟呔?、?fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金型材的需求，降低我國對進(jìn)口鈦合金制品的依賴性。

(4)63 MN鈦合金擠壓機(jī)組還可應(yīng)用于鉭、鈮、鋯等金屬及其合金的熱態(tài)正向擠壓。擠壓機(jī)組應(yīng)用范圍廣泛。

(5)相比于美國活性金屬公司(RMI)配套的200 MN鈦合金擠壓機(jī)和美國雷諾公司配套的270 MN鈦合金擠壓機(jī)[21]，我國自主生產(chǎn)的高品質(zhì)、大規(guī)格鈦合金擠壓材市場空白，我國的鈦合金擠壓裝備業(yè)還有很大的提升空間。