本发明涉及一种扩管成型用芯模，具体涉及一种钛及钛合金热推制扩管成型用芯模。
背景技术：
大口径钛合金管材可分为有缝管和无缝管，有缝管材采用金属板材金属板作为原材料，通过冲压及卷曲形成一个圆柱状或者两个半圆弧状，然后采用焊接成为带有纵向焊缝的焊管。钛合金无缝管可采用斜轧穿孔+轧制、挤压+轧制或者单一斜轧穿孔、挤压方法制备成钛合金无缝管。对于斜轧穿孔+轧制、挤压+轧制制备的钛合金管材，由于受到轧制设备轧制能力和尺寸的限制，一般只能加工直径小于110mm的钛合金管材。采用斜轧穿孔、挤压方法制备成钛合金无缝管，尺寸可超过110mm以上，尤其斜轧穿孔制备管材适合于加工大批量、厚径比＝0.1左右的钛合金无缝管，挤压方法可生产大尺寸钛合金无缝管，但与挤压设备能力、模具有关，而且挤压钛合金管材的成本相对高，是斜轧穿孔加工管材费用的3～6倍。
热扩钛合金管材的特点是管坯套在依次排列芯杆上，芯杆锁定在固定牌坊等机架上，芯杆前端焊接推制扩管过程中扩径变形用扩管成型芯模，活动牌坊推动推制环、推制管和管坯顺芯杆以一定的速度前进，电磁感应加热线圈和扩管成型芯模为固定模式，电磁感应加热圈加热扩管成型芯模和依次进入加热圈中的管坯，钛合金管通过扩管成型用芯模的锥形扩径变形段扩径到所需外径，再经定径段定径校圆成大口径管，达到钛合金管的最终直径尺寸。管坯在扩管成型芯模处发生连续的周向扩径、轴向压缩的变形。
对于小批量的大口径钛合金管材，可采用现有的无缝管、有缝管采用扩管成型方法制备，而扩管成型方法中扩管成型芯模是扩管的关键，对于扩管壁厚均匀性、管材圆度、表面质量控制起到至关重要的作用。
对于钛合金来说，钛合金的高温强度高，高温强度随温度的变化而产生很大变化，即钛合金的高温敏感性强，加工窗口小。而且钛合金的物理性能热传导系数小，致使导热性差，热加工时容易发粘，管材内表面容易产生划伤，影响管材的内表面质量。而且钛合金热熔小，磁导率低，管坯加热时，容易产生管坯温度不均匀，温度不均匀直接会影响管材的壁厚均匀性，而且，管坯采用电磁感应加热，由于集肤效应的作用，管坯壁厚越薄的部位加热温度越高，壁厚的不均匀性极具恶化。钛合金弹性模量低，弹性性能好，管材端口的圆度控制比较困难，因此，钛合金推制扩管用成型芯模的设计需注意许多细节问题。
在推制式扩管工艺中，热推制扩管成型用芯模中扩径变形锥度是决定产品壁厚精度和均匀性的重要因素，扩径变形锥度太大时，在推制扩管过程中管材扩径变形量较大，所需推制力较大，设备能力要求高，而且，管材发生剧烈变形，壁厚不均匀程度增加；而过度减小扩径变形锥度，管材的扩径变形均匀，但致使锥面长度过长，扩管加工效率降低，扩径锥面与坯料管内壁的接触面积增大，管坯内部和锥面的摩擦力增加，造成管材内部表面质量变差。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种钛及钛合金热推制扩管成型用芯模。该芯模具有合适的扩径变形锥度和芯模外形，可在保证推制力不受影响的条件下，使管坯扩径变形均匀，显著降低壁厚不均匀地程度，保证管材圆度和提高管材内壁光洁度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种钛及钛合金热推制扩管成型用芯模，其特征在于，包括外壁光滑的芯模本体，所述芯模本体由引伸段、扩径变形段和定径段依次连接而成，所述引伸段、扩径变形段和定径段的中轴线重合，所述引伸段和扩径变形段的连接处设置有第一过渡圆弧，所述扩径变形段和定径段的连接处设置有第二过渡圆弧，所述定径段的末端设置有圆弧倒角，所述引伸段和扩径变形段之间的锥度角为10°～30°。
上述的一种钛及钛合金热推制扩管成型用芯模，其特征在于，当所述芯模用于纯钛热推制扩管成型时，所述引伸段和扩径变形段之间的锥度角为16°～30°；当所述芯模用于两相钛合金或β型钛合金热推制扩管成型时，所述引伸段和扩径变形段之间的锥度角为10°～20°。
上述的一种钛及钛合金热推制扩管成型用芯模，其特征在于，所述第一过渡圆弧的半径为定径段直径的2倍～8倍。
上述的一种钛及钛合金热推制扩管成型用芯模，其特征在于，所述第二过渡圆弧的半径为定径段直径的0.2倍～1.5倍。
上述的一种钛及钛合金热推制扩管成型用芯模，其特征在于，所述圆弧倒角的半径为1mm～10mm。
上述的一种钛及钛合金热推制扩管成型用芯模，其特征在于，所述定径段的长度为定径段的直径的0.1倍～0.4倍。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明钛合金热推制扩管成型用芯模从前至后依次由引伸段、扩径变形段和定径段连接组成，三者依次连贯组成一个外壁光滑过渡的同轴整体件，引伸段和扩径变形段之间的锥度角为10°～30°，并且引伸段和扩径变形段之间通过第一过渡圆弧圆滑过渡，扩径变形段和定径段之间通过第二过渡圆弧圆滑过渡，定径段末端为圆弧倒角半径。
2、本发明由于扩管成型用模具芯头实用于推制扩管方法，扩管成型模具芯头与推制芯杆连接，芯杆直径与引伸段的初始端的直径相同，采用焊接连接在一起，焊接时保证芯杆与芯模保持同轴。扩径变形段锥角大小与推制材料的高温强度有关，对于纯钛来说，强度较两相钛合金和β钛合金的强度低，其扩径变形段的锥度角为16°～30°，对于两相钛合金和β钛合金，其扩径变形段的锥度为10°～20°。为了保证扩径的连续性和均匀性，引伸段和扩径变形段的圆滑过渡半径为定径段直径的2倍～8倍。为了保证钛合金扩径管材的圆度，定径段长度比钢管材芯模的定径段长度长，为定径段的直径的0.1倍～0.4倍。为了保证管材和芯模的紧密粘贴，防止管材翘头，在扩径变形段和定径段之间进行圆弧过渡，圆滑过渡半径为管材直径的0.2～1.5倍。为减小芯模和钛合金管坯内壁之间的摩擦力，防止推制时刮伤钛合金内壁，保证管材内壁光洁度，定径段末端的圆弧倒角半径为1～10mm。
3、本发明的芯模根据数值模拟优化设计和试验，选择合适的扩径变形锥度，可在保证推制力不受影响的条件下显著降低管材壁厚不均匀等恶化程度，使变形更均匀。并且为了保证扩径变形的连续性，在引伸段和扩径变形段之间采用光滑过渡，同时为了保证钛及钛合金管的圆度，较钢管来说，可适当延长定径段的长度，尤其在定径段的末端采用圆滑倒角，使芯模与坯料管内壁的接触从尖锐变圆滑，可减小芯模和钛合金管坯内壁之间的摩擦力，防止推制时刮伤钛合金内壁，再次保证管材内壁光洁度。
4、利用本发明的芯模用于钛及钛合金热推制扩管成型工艺中，所需的推制力较小，设备能力要求较低，而且提高了扩管加工效率，产品的成品率大大提高，满足工业化生产的需要。
下面通过附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
附图标记说明：
1—引伸段；2—扩径变形段；3—定径段。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的一种纯钛热推制扩管成型用芯模，包括外壁光滑的芯模本体，所述芯模本体由引伸段1、扩径变形段2和定径段3依次连接而成，所述引伸段1、扩径变形段2和定径段3的中轴线重合，所述引伸段1和扩径变形段2的连接处设置有第一过渡圆弧，所述扩径变形段2和定径段3的连接处设置有第二过渡圆弧，所述定径段3的末端设置有圆弧倒角，所述引伸段1和扩径变形段2之间的锥度角为20°。
本实施例中，所述第一过渡圆弧的半径r1为定径段3直径的5倍。
本实施例中，所述第二过渡圆弧的半径r2为定径段3直径的0.5倍。
本实施例中，所述圆弧倒角的半径r3为6mm。
本实施例中，所述定径段3的长度为定径段3的直径的0.3倍。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：所述引伸段1和扩径变形段2之间的锥度角为22°；所述第一过渡圆弧的半径r1为定径段3直径的8倍；所述第二过渡圆弧的半径r2为定径段3直径的0.3倍；所述圆弧倒角的半径r3为5mm；所述定径段3的长度为定径段3的直径的0.1倍。
本实施例中，其余部分的连接关系和安装位置与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于：所述引伸段1和扩径变形段2之间的锥度角为30°；所述第一过渡圆弧的半径r1为定径段3直径的2倍；所述第二过渡圆弧的半径r2为定径段3直径的0.2倍；所述圆弧倒角的半径r3为3mm；所述定径段3的长度为定径段3的直径的0.25倍。
本实施例中，其余部分的连接关系和安装位置与实施例1相同。
实施例1～实施例3的芯模用于纯钛热推制扩管成型的步骤为：
步骤一、芯模的芯头与推制芯杆连接，芯杆直径与引伸段的初始端的直径相同，采用焊接连接在一起，焊接时保证芯杆与本实施例的芯模同轴；
步骤二、纯钛坯内壁和外壁均涂刷抗氧化涂层，再在纯钛管坯的内壁和芯模的表面涂刷润滑剂mos2涂料，管坯套在依次排列芯杆上，芯杆锁定在固定牌坊等机架上，电磁感应加热线圈环绕在芯模的周围，活动牌坊推动推制环、推制管和管坯顺芯杆以一定的速度前进，管坯加热至735℃，推制速度为5mm/s，纯钛管坯依次通过芯模的引伸段、扩径变形段和定径段，扩径成外径为110mm的纯钛圆管。
步骤三、喷砂去除纯钛圆管表面的氧化涂层和润滑剂涂料。
由于纯钛管坯扩径变形均匀，因此通过上述方法制成的纯钛圆管的壁厚均匀，管材外径允许偏差为±0.3，管材壁厚偏差小于2.5％，圆度接近于0，制得的纯钛圆管壁厚的允许偏差小于《gb/t3624-2010钛及钛合金无缝管》中规定的外径≥100mm管材允许偏差±0.85mm和管材允许壁厚偏差12.5％，不圆度和壁厚不均不超过外径和壁厚的允许偏差，并且纯钛圆管的内壁光洁。
实施例4
如图1所示的一种tc4钛合金热推制扩管成型用芯模，包括外壁光滑的芯模本体，所述芯模本体由引伸段1、扩径变形段2和定径段3依次连接而成，所述引伸段1、扩径变形段2和定径段3的中轴线重合，所述引伸段1和扩径变形段2的连接处设置有第一过渡圆弧，所述扩径变形段2和定径段3的连接处设置有第二过渡圆弧，所述定径段3的末端设置有圆弧倒角，所述引伸段1和扩径变形段2之间的锥度角为15°。
本实施例中，所述第一过渡圆弧的半径r1为定径段3直径的7倍。
本实施例中，所述第二过渡圆弧的半径r2为定径段3直径的0.35倍。
本实施例中，所述圆弧倒角的半径r3为2mm。
本实施例中，所述定径段3的长度为定径段3的直径的0.4倍。
实施例5
本实施例与实施例4的不同之处在于：所述引伸段1和扩径变形段2之间的锥度角为20°；所述第一过渡圆弧的半径r1为定径段3直径的8倍；所述第二过渡圆弧的半径r2为定径段3直径的0.2倍；所述圆弧倒角的半径r3为3mm；所述定径段3的长度为定径段3的直径的0.4倍。
本实施例中，其余部分的连接关系和安装位置与实施例5相同。
实施例4和实施例5的芯模用于tc4钛合金热推制扩管成型的过程为：
步骤一、扩管成型用的芯模的芯头与推制芯杆连接，芯杆直径与引伸段的初始端的直径相同，采用焊接连接在一起，焊接时保证芯杆与本实施例的芯模同轴；
步骤二、tc4钛合金管坯内壁和外壁均涂刷抗氧化涂层，再在tc4钛合金管坯的内壁和芯模的表面涂刷润滑剂mos2涂料，管坯套在依次排列芯杆上，芯杆锁定在固定牌坊等机架上，电磁感应加热线圈环绕在扩管成型芯模的周围，活动牌坊推动推制环、推制管和管坯顺芯杆以一定的速度前进，管坯加热至880℃，推制速度为2mm/s，tc4钛合金管坯依次通过芯模的引伸段、扩径变形段和定径段，扩径成外径为120mm的tc4钛合金圆管。
步骤三、喷砂去除tc4钛合金圆管表面的氧化涂层和润滑剂涂料。
由于tc4钛合金管坯扩径变形均匀，因此通过上述方法制成的tc4钛合金圆管的壁厚均匀，管材外径允许偏差为±0.3，管材壁厚偏差小于2.5％，圆度接近于0，制得的tc4钛合金圆管壁厚的允许偏差小于《gb/t3624-2010钛及钛合金无缝管》中规定的外径≥100mm管材允许偏差±0.85mm和管材允许壁厚偏差12.5％，不圆度和壁厚不均不超过外径和壁厚的允许偏差，并且tc4钛合金圆管的内壁光洁。
实施例6
如图1所示的一种tb5钛合金热推制扩管成型用芯模，包括外壁光滑的芯模本体，所述芯模本体由引伸段1、扩径变形段2和定径段3依次连接而成，所述引伸段1、扩径变形段2和定径段3的中轴线重合，所述引伸段1和扩径变形段2的连接处设置有第一过渡圆弧，所述扩径变形段2和定径段3的连接处设置有第二过渡圆弧，所述定径段3的末端设置有圆弧倒角，所述引伸段1和扩径变形段2之间的锥度角为12°。
本实施例中，所述第一过渡圆弧的半径r1为定径段3直径的8倍。
本实施例中，所述第二过渡圆弧的半径r2为定径段3直径的1.5倍。
本实施例中，所述圆弧倒角的半径r3为10mm。
本实施例中，所述定径段3的长度为定径段3的直径的0.4倍。
实施例7
本实施例与实施例6的不同之处在于：所述引伸段1和扩径变形段2之间的锥度角为18°；所述第一过渡圆弧的半径r1为定径段3直径的7倍；所述第二过渡圆弧的半径r2为定径段3直径的0.5倍；所述圆弧倒角的半径r3为3mm；所述定径段3的长度为定径段3的直径的0.3倍。
本实施例中，其余部分的连接关系和安装位置与实施例6相同。
实施例6和实施例7的芯模用于tb6钛合金热推制扩管成型的过程为：
步骤一、扩管成型用的芯模的芯头与推制芯杆连接，芯杆直径与引伸段的初始端的直径相同，采用焊接连接在一起，焊接时保证芯杆与本实施例的芯模同轴；
步骤二、tb6钛合金管坯内壁和外壁均涂刷抗氧化涂层，再在tb6钛合金管坯的内壁和芯模的表面涂刷润滑剂mos2涂料，管坯套在依次排列芯杆上，芯杆锁定在固定牌坊等机架上，电磁感应加热线圈环绕在扩管成型芯模的周围，活动牌坊推动推制环、推制管和管坯顺芯杆以一定的速度前进，管坯加热至770℃，推制速度为1.5mm/s，tb6钛合金管坯依次通过芯模的引伸段、扩径变形段和定径段，扩径成外径为150mm的tb6钛合金圆管。
步骤三、喷砂去除tb6钛合金圆管表面的氧化涂层和润滑剂涂料。
由于tb6钛合金管坯扩径变形均匀，因此通过上述方法制成的tb6钛合金圆管的壁厚均匀，管材外径允许偏差为±0.3，管材壁厚偏差小于2.5％，圆度接近于0，制得的tb6钛合金圆管壁厚的允许偏差小于《gb/t3624-2010钛及钛合金无缝管》中规定的外径≥100mm管材允许偏差±0.85mm和管材允许壁厚偏差12.5％，不圆度和壁厚不均不超过外径和壁厚的允许偏差，并且tb6钛合金圆管的内壁光洁。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。