简介概要

新型近β型钛合金TLM细径薄壁小曲率弯管的技术研究

来源期刊：稀有金属2010年第5期

论文作者：袁思波于振涛韩建业刘辉周尧和麻西群

文章页码：668 - 672

关键词：近β型钛合金;弯管;小曲率;细径;薄壁;

摘要：TLM是一种新型近β型钛合金,具有较低弹性模量、中高强度、高疲劳强度、高塑韧性、良好耐磨性以及耐腐蚀性,可以生产各种规格的细径薄壁管材,在交换器、阀门、高压气管、油管等领域有着广阔的应用前景。将其制成弯管,其应用领域还会扩大。而通常的弯管生产方法主要用于相对弯曲半径Rx≥1.5的弯管,对于相对弯曲半径Rx<1.5的弯管(即小曲率弯管),存在着拉应变和压应变变化大,壁厚变化率大,加工过程不容易控制等因素,严重影响着细径薄壁管材的应用。通过对管材弯曲过程受力变形进行分析,控制回弹,设计模具和改进加工工艺,对相对弯曲半径Rx≈1.1的TLM钛合金细径薄壁管材进行90°和180°弯曲,对其外形和其各种参数进行测量。试验结果表明,自行设计的模具可顺利地完成新型近β型钛合金细径薄壁管材的小曲率弯管,为生产提供了一定的参考价值。

稀有金属 2010,34(05),668-672

新型近β型钛合金TLM细径薄壁小曲率弯管的技术研究

于振涛韩建业刘辉皇甫强麻西群

西北有色金属研究院生物材料研究所

西安建筑科技大学冶金工程学院

摘要：

TLM是一种新型近β型钛合金, 具有较低弹性模量、中高强度、高疲劳强度、高塑韧性、良好耐磨性以及耐腐蚀性, 可以生产各种规格的细径薄壁管材, 在交换器、阀门、高压气管、油管等领域有着广阔的应用前景。将其制成弯管, 其应用领域还会扩大。而通常的弯管生产方法主要用于相对弯曲半径Rx≥1.5的弯管, 对于相对弯曲半径Rx<1.5的弯管 (即小曲率弯管) , 存在着拉应变和压应变变化大, 壁厚变化率大, 加工过程不容易控制等因素, 严重影响着细径薄壁管材的应用。通过对管材弯曲过程受力变形进行分析, 控制回弹, 设计模具和改进加工工艺, 对相对弯曲半径Rx≈1.1的TLM钛合金细径薄壁管材进行90°和180°弯曲, 对其外形和其各种参数进行测量。试验结果表明, 自行设计的模具可顺利地完成新型近β型钛合金细径薄壁管材的小曲率弯管, 为生产提供了一定的参考价值。

关键词：

近β型钛合金;弯管;小曲率;细径;薄壁;

中图分类号： TG146.23

作者简介：于振涛, 通讯联系人, (E-mail:xianemail@163.com) ;

收稿日期：2009-11-11

基金：国家自然科学基金 (30770586/C010515) 资助项目;

Technical Research on Small-Radius Bends of Thin-Walled Capillary Tube Made from A New β-Type Titanium Alloy

Abstract：

TLM was a novel near β-type titanium alloys, with a lower elastic modulus, high strength, high fatigue strength, high-plastic toughness, good wear and corrosion resistance, so it could produce all kinds of thin-walled tubing with small diameter, and had broad application prospects in switches, valves, high pressure trachea, tubing and other fields.When it was made to bend, its application fields would be larger.The usual working methods of bends were mainly applied to that with relative bending radius Rx≥1.5, and the bends with relative bending radius less than 1.5 (small R bend) had many uncontrollable factors such as high tensile strain and compressive strain, changing rate of wall thickness, uneasily control of manufacture process, etc., which seriously affected the applications of thin-walled tubes with small diameter.The TLM thin diameter thin-walled titanium tube with Rx≈1.1 was bended of 90° and 180° respectively by analyzing the process of the pipe bend stress conditions, springback control, mold design and improvement of processing technology, then appearance and parameters of the bended tube were measured.The results showed that the small R bend of capillary thin-walled tubes in a novel near β-type titanium alloys could gained by self-designed mould, which also provided a certain reference value for production.

Keyword：

near β-type titanium alloy;bend;small curvature radians;small diameter;thin-walled;

Received： 2009-11-11

钛及钛合金材料以其比重小、强度高、耐腐蚀等优异的特性, 每年以较快的增长趋势应用于各个行业。为了满足各个行业的不同使用要求, 针对某些特殊用途, 开发新的钛合金, 来改善现有钛合金的使用性能。 Ti- (1.5～4.5) Zr - (0.5～5.5) Sn- (1.5～4.4) Mo- (23.5～26.5) Nb (TLM) 钛合金是由西北有色金属研究院自主研发的一种新型近β型钛合金, 具有较低弹性模量、中高强度、高疲劳强度、高塑韧性、良好的耐磨性以及耐腐蚀性等优良特性, 可以加工出Φ3 mm以下钛合金细径薄壁管材, 弥补了多数钛合金难加工、不能加工细径薄壁无缝管材的问题, 作为耐高温、耐高压、耐腐蚀的气管或油管, 在航空航海、石油、化工、轻工、医疗等行业中, 有着广泛的应用前景 ^[1,2,3] 。

通常小R_x弯管是指管材的弯曲半径r与管材外径D_w之比 (即相对弯曲半径R_x) 小于等于1.5的弯管。弯管是在实际应用中不可或缺的零部件。目前弯管成型的方法很多, 如扩径推制法、压制法、压片法、隧道法、轨道法和滚压法 ^[4,5] 等。但是传统的方法都适应于相对弯曲半径R_x>1.5的弯管, 对于小R弯管, 上述方法都无法得到满意的产品。因此, 设计一种适合细径薄壁管材、相对弯曲半径R_x≤1.5的弯管技术十分必要。本文通过对弯管过程中管材受力情况的分析, 自行设计了一套满足相对弯曲半径R_x≤1.5的细径薄壁弯管装置, 为编制TLM钛合金薄壁管材合理的加工工艺提供依据。

1 实验

由西北有色金属研究院提供Ti- (1.5～4.5) Zr- (0.5～5.5) Sn- (1.5～4.4) Mo- (23.5～26.5) Nb (TLM) 合金管材, 外径Φ2.4 mm, 壁厚0.2 mm。

钛合金一般具有较高强度和较低延展性, 常温下压制加工很困难, 成品率低, 尤其是α和α+β合金, 常温下延展性低且回弹大。 TLM近β型钛合金通过采取不同热处理工艺后, 调整材料的强度、弹性模量、延伸率等, 进而改善其塑性及加工性能 ^[6,7,8] 。选用表1所示各种热处理制度, 可以较好地调整细径薄壁管材的塑性。从图1可知, 热处理后材料组织晶粒细致均匀, 比较适合小曲率管材弯曲的要求。弯曲选用5A02合金管做对比试验。

表1热处理后材料力学性能

Table 1Mechanical property after heat treatments

Materials	Specification/ mm	Heat treatment system	R_m/ MPa	R_p0.2/ MPa	E/ GPa	A₅/ %
TLM	Φ2.4×0.2	AT	858	651	60.1	16.0
TLM	Φ2.4×0.2	ST	776	510	68.3	25.0
5A02	Φ2.4×0.2		176	-	84.0	18.5

图1 不同热处理后材料的金相图

Fig.1 Microstructures after different heat treatments (a) AT; (b) ST

2 管材弯曲过程分析、回弹控制及模具设计

2.1受力变形分析

管材弯制是一个很复杂的塑性变形和弹性变形的过程 ^[9,10,11] 。在管材弯曲变形时, 如图2所示, 管内弧受压应力, 产生压应变, 管内弧内壁变厚; 管外弧受拉应力, 产生拉应变, 管外弧壁厚变薄。最大的弯曲应变发生在弯管的最外表面, 以管材Φ2.4 mm×0.2 mm, r=2.6 mm为例, 其相对弯曲半径为:

其应弯ε_max值为:

图2 弯管受力分析

Fig.2 Stress analysis of bending pipe

设弯曲时体积不变, 并假设忽略周向应变, 则管子外侧的最大壁厚减薄率为46.15%。此值大大地超过了JB/T 1611标准中r/D_w≤1.8的弯管最大壁厚减薄率不得超过20%的规定, 这是常规方法难以达到的。弯管的塑性变形和弹性变形的关键在于变形区域材料内部的应力和应变, 弯曲时受力的方向、大小、位置等因素都能使应力应变产生复杂的变化。所以对管材弯曲过程受力变形进行深刻分析是解决小曲率弯管技术难点的重要途径。

2.2回弹控制

管材弯制过程中不仅存在着是塑性变形, 也存在着弹性变形。当外力撤掉后, 弯曲管材将产生一定的回弹, 使弯曲半径增大, 弯曲角度变小, 从而影响成形精度 ^{[12,13,14,15]} 。因此, 应该设计合理的弯管模具, 并且在操作中, 掌握合适的回弹前弯曲角。而回弹前弯曲角的大小可根据如下公式 ^[14] 计算:

式中C′为回弹前弯曲角 (°) ; C为回弹后弯曲角 (即成品弯曲角) (°) ; E为弹性模量MPa; σ_s为屈服强度 MPa; K₀为材料强压系数; K₁为管材截面形状系数; R_x为相对弯曲半径

针对TLM合金的特性, 冷加工状态下强度偏高, 采用热处理可以大幅度减小回弹, 在弯管模具中补偿模压尺寸, 根据回弹前弯曲角的大小确定限位装置的位置, 准确控制管材回弹变形, 保证管材弯曲的成形精度。

2.3模具设计

管材弯曲的方法很多, 通常R_x≥1.5的管件可以在内孔里设计芯杆、芯轴、芯套或细砂、塑料橡胶、石蜡等配合外部弯曲约束力共同实现弯曲, 而对于细径薄壁管材的弯曲, 要通过芯杆或灌砂等方法协助弯曲实现难度很大, 并且弯曲后不容易取出, 生产效率也低。

细径薄壁小曲率管材弯曲是局部塑性大变形弯曲, 影响其成型的主要因素有: (1) 细径: 直径小于6 mm的管材称细径管材。细径管由于总面积小, 内孔直径小, 无法将管外受力和管内受力同时施加于管材, 达到完成管材弯曲的目的; (2) 薄壁: 管材在弯管变形中, 管外弧受拉应力, 产生拉应变, 管外弧壁厚变薄, 在此容易产生开裂或缺陷; (3) 小曲率: 相对弯曲半径的大小直接影响到应变的大小, 在对R_x<1.5的管材进行弯曲时局部应变会更大, 控制不好会出现管材的开裂、扁平等。

图3为自行设计的小曲率弯管装置。可宏观地将管材分为AB, BC, CD三个区域, BC为弯曲变形区域, 弯曲时BC段的弯曲变形弧长尺寸是恒定的。目前对于细径薄壁管材弯曲从局部几何变形可分为两大类: 一种是单一BC段弯曲, 即AB段固定, 只对BC段施加外力, 使其产生塑性变形, 进而进行弯曲, 在整个弯曲过程中AB段不产生任何位移, 这种方法适用于管壁较厚、 R_x较大的管材; 另一种是AB段部分参与BC段弯曲, AB段由压力F限制管材的晃动, 使其只能沿长度方向运动, 弯曲外力施加后, BC段开始弯曲并对AB段产生拉力F, 使AB段B端部部分与BC段渐进弯曲, 增大弯曲的局部变形量, 使参与弯曲的几何尺寸增大, 外弧壁厚减薄量减小。

根据细径薄壁小R_x管材弯曲的特性分析, 在弯曲时, BC段弯曲外弧受拉应力会产生拉应变, 很容易拉裂或出现缺陷, 如果能增大材料变形区域, 减小单元变形尺寸即可大幅度提高弯管尺寸精度和弯曲效率。经过分析, 自行设计了一套旋压保压法弯管模具 (图3) , 本装置的优点在于, 设计了活动导轮2, 并在其与管材之间安装保护装置, 通过旋转导轮2, 对BC段进行动态均匀施压, 可以牵制AB段B端和CD段C端管材参与BC段弯曲变形, 增加了变形区域, 减小了单元变形尺寸, 可合理解决细径薄壁小曲率管材弯曲。

图3 小R弯管装置示意图

Fig.3 Schematic illustration of pipe bending device

3 弯曲成型

将设计的模具底座固定在基台上, 由导轮1活动安装在底座上, 选用Φ2.6 mm的弯曲导轮, 导轮2活动安装在动力轴上, 导轮1和导轮2圆周处有Φ2.4 mm的圆弧槽, 分别对管材的内弧和外弧进行约束, 动力轴活动安装在底座上, 通过滑动销连接配合, 在底座和导轮1连接的端面处由螺钉固定住动压头; 限位装置由限位柱和限位槽组成。将管材按尺寸放置在模具上, 并用限位装置固定, 计算回弹数据, 调整回弹限位, 通过旋转导轮2, 对BC段管材进行动态均匀施压, 进行弯管。弯曲过程中, AB段和CD段部分管材受变形拉力影响会自动微调变形区域尺寸, BC段均匀受压, 单元变形小, 整体变形均衡。管材在变形时从起始变形点至终了变形点受压一致, 导轮1和导轮2以内圆弧相配合, 约束管坯的外径尺寸塑性变形。使变形区域拉应变变形致密, 拉应变、压应变变形均匀变形比较小, 减少裂纹、缺陷的出现, 保证成品的椭圆度, 可以完成各种规格细径薄壁小曲率管材的弯曲, 且操作方便、效率高、质量稳定。

根据前期对TLM合金的性能研究, 分别选用两种热处理制度 (表1) , 对管坯进行热处理, 调整合金的强度、弹性模量以及延伸率。用自行设计的模具分别弯曲TLM合金管和5A02合金管, 得到尺寸为Φ2.4 mm×0.2 mm、弯曲角分别为90°和180°的弯管产品, 如图4所示。以弯管中间的横截面为测量对象, 抽检弯管的椭圆率和减薄率, 其公式分别为 ^[5] :

椭圆率:

D_max为弯曲处最大外径, D_min为弯曲处最小外径。

减薄率:

S为管材的实际壁厚, S′为弯头上壁厚减薄最大处的壁厚;

结果见表2。通过以上分析可知, 在对细径薄壁TLM合金管材经过一定的热处理之后采用旋压保压法可以得到合格的小曲率弯管产品。

图4 弯曲管件示意图 (a: 90°; b: 180°) 和实物图 (c)

Fig.4 Schematic illustration of pipe bending (a: 90°; b: 180°) and photo (c)

表2管件弯曲实测数据

Table 2Measured data of pipe bending

Materials	State	Specification/mm	Bend radius/mm	Bend angle	a/%	b/%
TLM pipe	AT	Φ2.4×0.2	2.6	90°	9.7	10.0
TLM pipe	ST	Φ2.4×0.2	2.6	90°	10.6	10.5
5A02 pipe	O	Φ2.4×0.2	2.6	90°	10.4	10.5
TLM pipe	AT	Φ2.4×0.2	2.6	180°	12.7	17.5
TLM pipe	ST	Φ2.4×0.2	2.6	180°	13.1	18.0
5A02 pipe	O	Φ2.4×0.2	2.6	180°	13.4	17.5

4 结论

通过对管材弯曲过程受力分析及回弹控制, 自行设计了细径薄壁小曲率弯管装置, 可以有效控制AB段和CD段的参与变形, 解决了弯管局部变形过大问题, 可以完成钛及钛合金、有色金属等不同强度水平的细径薄壁小曲率管材的弯曲, 且通过调整导轮和限位, 能完成不同弯曲角、圆弧角以及不同直径的管件, 弯曲管件时不需要添加润滑剂, 成本低, 弯曲处变形均匀, 操作方便、灵活, 适合批量化生产。