一种钛合金无缝气瓶旋压设备及其旋压成型方法与流程

1.本发明涉及旋压成型技术领域，尤其涉及一种钛合金无缝气瓶旋压设备及其旋压成型方法。


背景技术：

2.金属旋压成型是指借助旋轮等成型工具对旋转的金属坯料施加较大的局部接触力，使其沿轴向、径向和切向方向逐渐产生连续的局部塑性变形，最终得到所需回转体零件的金属塑性成型技术。金属旋压成型工艺具有成型面积小、局部应力大、成型后零件的纤维组织连续等特点。与锻钢等黑色金属相比，钛合金材质的塑性较差，其成型较为困难。相关技术表明，对于大口径（400mm~600mm）钛合金无缝管的旋压成型一般采用多道次（大于10个道次）的旋轮旋压成型工艺，即将一端加热后的钛合金管坯装夹至旋压机上以一定转速高速旋转，同时旋压成型工具——旋轮按一定轨迹进行旋转和移动，使得管坯和旋轮接触区产生较大的连续塑性变形，完成一定的缩径成型。旋轮的一次移动称为一个道次，经过多个道次的旋压时方可完成大口径钛合金气瓶的旋压成型。
3.相关技术中对于塑性较好的黑色金属材料如合金钢气瓶，除上述的多道次旋轮旋压成型工艺外，还可采用成型效率更高的板式摩擦块旋压成型方法，即首先对管坯收口端加热至锻造温度，然后将曲面摩擦工具块从旋转管坯径向切入，以工具块凸起的成型面挤压管坯使管壁部逐渐向内缩径变形而收口或封底。该方法进给量较大，但成型时间较短，成型效率较高。
4.对于大口径钛合金无缝气瓶旋压成型而言，目前的旋压设备及其成型方法存在以下不足：
①
现有的大口径旋压成型方法成型时间较长，由于成型过程中管坯高速旋转时与空气发生强烈的热交换，成型时间过长会使得散热严重，故现有工艺一般需要增设补热装置通常为焊炬进行补热，容易造成资源浪费，使成本增加，且补热均匀性不可控、效果差。
②
现有的板式摩擦块旋压成型方法，虽然成型效率较高、成型时间较短、设备维修成本较低，但由于进给量过大，而钛合金材料因塑性较差，成型时易出现裂纹，因此无法完成钛合金气瓶的旋压成型。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种钛合金无缝气瓶旋压设备及其旋压成型方法。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：第一方面，提供一种钛合金无缝气瓶旋压设备，包括机架、主轴、夹具和板式摩擦块，主轴固定设置在机架上，夹具设置在主轴上，夹具用于夹持固定管坯，主轴用于带动夹具转动，机架延伸向管坯的另一端，板式摩擦块转动连接在支架上，板式摩擦块沿管坯周向均匀间隔设置有至少两个，至少两个板式摩擦块通过安装于机架上的驱动机构提供驱使板式摩擦块转动的转矩。
7.进一步的，板式摩擦块上用于接触管坯的成型面与管坯外壁的接触点不与板式摩擦块的转动轴线共线通过驱动机构驱使两个板式摩擦块相对于管坯同步同向转动，当两个板式摩擦块远离转动轴的一端转动至正对时，已将管坯包络出封头或瓶底。
8.进一步的，两块板式摩擦块相对管坯中轴线的距离可调，当两块板式摩擦块之间的最小距离不小于管坯厚度时，两块板式摩擦块之间的间距为气瓶的瓶嘴直径，当两块板式摩擦块之间的最小距离小于管坯厚度时，此时两块板式摩擦块转动后为管坯收底旋压成型为气瓶的瓶底。
9.进一步的，板式摩擦块用于接触管坯的成型面上开设有油槽，板式摩擦块内设置有油道，油槽内开设有与油道连通的油孔，油道远离油槽的一端外接供油管路。
10.第二方面，本技术提供一种钛合金无缝气瓶旋压成型方法，采用了如本技术第一方面提供的一种钛合金无缝气瓶旋压设备，包括以下步骤：s01、根据对气瓶进行旋压收口或收底的工作情况，选择合适几何形状的板式摩擦块，调节机架上两块板式摩擦块与管坯中轴线之间的距离，根据管坯的口径、厚度，调节板式摩擦块的旋转速度参数；s02、将管坯的待成型端加热至锻造温度；s03、将管坯装夹至夹具上开始旋转，旋转过程中驱使两个板式摩擦块同步同向旋转以对管坯旋压成型，旋压成型过程中将耐高温润滑油脂经板式摩擦块上的油孔泵送至板式摩擦块与管坯相接触的旋压成型区；s04、两块板式摩擦块各自转动角度为90
°
，以使两块板式摩擦块各自从与管坯外壁接触的状态旋转至最接近管坯旋压端端部的状态时，即可完成管坯一端的旋压成型，并停止旋转；s05、将管坯的一端从夹具上拆卸下，待管坯冷却后对管坯的另一端旋压成型，重复步骤s01~s04，即可完成一个气瓶的两端的旋压成型操作。
11.进一步的，在步骤s01中板式摩擦块的不同几何形状主要区别在于板式摩擦块用于接触管坯外壁的成型面与自身转动轴轴线的夹角不同，板式摩擦块用于接触管坯外壁的成型面与自身转动轴轴线的夹角为27
°
~34
°
。
12.进一步的，管坯的常用口径为400mm~500mm、常用厚度为24mm~32mm，在步骤s01中板式摩擦块的转速为0.11r/min~0.16r/min，板式摩擦块在旋转过程中花费时间为100s~135s。
13.进一步的，在步骤s02中管坯的成型端加热长度为管坯外径的1.25~1.46倍。
14.进一步的，在步骤s02中加热温度为920℃~980℃，其中，先将加热炉炉温调至920℃~980℃，待炉温稳定后，将管坯成型端加热至与炉温相同温度，并保温4min~6min，在步骤s03中管坯加热完成至装夹到夹具上开始旋转，其中时间间隔不超过70s。
15.进一步的，在步骤s03中耐高温润滑油脂采用hotolube高温润滑油脂、克虏伯hp260润滑脂、bostik7810润滑脂中的任意一种。
16.本发明的有益效果为：1、本发明的旋压设备采用了双板式摩擦块设计，当主轴旋转一周时可对管坯完成两次旋压进给运动，因此本成型方法的旋压成型时间短、旋压成型效率高，其成型时间一般
为100s~135s，旋压成型的总时间是同口径管坯多道次旋轮旋压成型时间的1/3左右，此外，两个板式摩擦块的转速可根据成型钛合金的口径大小和管坯厚度进行选择和调整，其使用方便且灵活；2、本发明的两个板式摩擦块呈轴对称分布在钛合金管坯的周围，钛合金管坯旋压一周时可对管坯产生两次塑性变形，两个板式摩擦块中每一个板式摩擦块对管坯的塑性变形量小于单个板式摩擦块的塑性变形量，因此对于塑性较差的钛合金材料而言，其成型过程中不容易产生裂纹，此外，由于两个板式摩擦块的存在，使得旋压过程中材料的塑性变形更均匀且气瓶的残余应力更小，因此，本发明有效解决了口径大、塑性差、变形难、裂纹易产生的大口径钛合金无缝气瓶的旋压成型难题；3、由于本发明的板式摩擦块与旋压管坯之间在旋压过程中不是传统旋压过程的干摩擦而是润滑接触，因此成型后气瓶的表面光滑，较之传统成型方法的气瓶表面质量得到了大大提升；4、本发明的旋压成型只需要一个道次即可完成，即左右两个板式摩擦块沿着旋转轴各自旋转90
°
可成功制备气瓶，省去了传统多道次成型过程中不同道次之间的成型工具的回程时间，因此，本发明的成型道次少、成型时间短、成型效率高；5、与传统的多道次旋轮旋压机相比，本发明的成型设备具有结构简单、维修方便的优点，本成型设备和成型方法的工艺参数较少，更便于对成型过程的控制，本方法成型时的摩擦热略大于与空气的散热，故无需添加补热装置，节约了能源，降低了钛合金气瓶的制造成本。本发明的旋压采用了设有油孔和油槽的板式摩擦块，通过外接供油管路按照需求提供润滑脂，有利于成型区金属的流动和减少板式摩擦块的磨损，延长了主轴和板式摩擦块的使用寿命，使得钛合金气瓶旋压成型的经济性大幅提高；6、本发明旋压过程中采用的特殊高温润滑脂且持续通过外接供油管路向油槽中提供润滑脂，不但在旋压过程中可大大减少板式摩擦块与钛合金管坯之间的摩擦，易于钛合金管坯的塑性变形，而且在旋压过程中因自身气化形成一层相对密度较大的油气层附着在成型区周围，可隔绝高温状态下的钛合金与空气的直接接触，不但成型过程中散热少，而且能够防止高温成型过程中成型端的氧化，因此显著提高了钛合金气瓶的成型质量。
附图说明
17.图1为本技术实施例一的旋压成型设备的整体结构示意图。
18.图2为本技术实施例一的板式摩擦块的整体结构示意图。
19.图3为本技术实施例二的旋压成型工艺的步骤流程示意图。
20.图4为本技术实施例二的旋压温度为920℃、950℃、980℃时气瓶封头的温度场分布云图及所选取点的位置示意图(a)、(b)、(c)。
21.图5为本技术实施例二的旋压温度为920℃、950℃、980℃时选取点位置的温度随时间的变化曲线示意图(d)、(e)、(f)。
22.其中，1、机架；2、主轴；3、夹具；4、管坯；5、板式摩擦块；51、油槽；52、油孔；501、第一接触面；502、第二接触面；503、第三接触面；53、传动臂；11、连接臂；6、驱动箱。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.相关技术中，工人通过将管坯安装在机床上的夹具上，利用机床中电机驱动夹具转动，以带动管坯旋转，再借助旋轮、板式摩擦块等工具，对管坯外壁施加挤压，以使得管坯沿轴向、径向和切向方向逐渐产生连续的局部塑性形变。但对于大口径钛合金无缝气瓶的旋压工艺来说，由于管坯的每个旋转周期中与空气接触的时间长，会使得管坯在旋压成型过程中散失了大量的热，需要额外增设对管坯进行加热、补热的装置，造成资源浪费、成本增加，且现有的通过板式摩擦块人工推压成型的方法，进给量过大且不易控制，对钛合金材料塑形过程中容易造成钛合金材料表面出现裂缝，成型的钛合金产品质量较差。
25.有鉴于此，本发明实施例提供一种钛合金无缝气瓶旋压设备及其旋压成型方法。
26.实施例一参照图1，示出了本发明一实施例提出的一种钛合金无缝气瓶旋压设备，应用于一种钛合金无缝气瓶旋压成型方法，包括机架1、主轴2、夹具3和板式摩擦块5。机架1内设有动力电机，动力电机的输出轴与主轴2连接，主轴2转动安装在机架1上。夹具3可采用三爪卡盘，可以夹持不同外径的管坯4，夹具3与机架1上的主轴2同轴，夹具3可随主轴2一起转动。管坯4的非旋压端通过夹具3夹持，使管坯4的轴线水平且与主轴2同轴。机架1上设有延伸向管坯4旋压端并为板式摩擦块5提供安装基础的连接臂11。板式摩擦块5沿管坯4的周向均匀间隔分布有至少两个，每个板式摩擦块5均与机架1转动连接，且通过机架1提供用于驱使板式摩擦块5转动的转矩。驱动机构包括驱动箱6和安装在驱动箱6内的旋压电机，板式摩擦块5的传动臂53固定套于转动轴上，转动轴与旋压电机的输出轴通过联轴器等方式传动连接，使得旋压电机能够驱动板式摩擦块5绕着转动轴转动。在本技术实施例中，旋压电机独立驱动对应的板式摩擦块5旋转。旋压电机优选伺服电机或步进电机。驱动箱6安装于连接臂11上且驱动箱6能够沿着管坯的径向移动，以调节圆周均布的板式摩擦块5之间的间距。各个板式摩擦块5上的转动轴轴线均与管坯4的中心轴线相垂直且与管坯4的径向平行。且各个板式摩擦块5沿管坯4中轴线呈中心对称布置。
27.在本技术实施例中，板式摩擦块5具体设有两个，两个板式摩擦块5在圆周方向上间距180
°
，为了调节间距方便，两个板式摩擦块5水平分布于管坯的两侧并通过对应设置在两侧的连接臂11支撑。
28.相比于传统的一个板式摩擦块5，两个板式摩擦块5在旋压过程中不但可以更好地平衡管坯4的倾覆力矩，可减小主轴2负载、延长主轴2寿命，而且材料的塑性流动变形更均匀、旋压过程产生的残余应力更小、可有效预防塑性较差的材料在旋压过程中因进给量过大而产生裂纹，这种结构与方式对于大口径钛合金无缝管坯4这种管径较大、塑性较差的材料的旋压成型尤其适合。
29.摩擦块主体上还设有用于接触管坯4并对管坯4进行旋压的成型面，成型过程中，成型面与管坯外壁接触点不与摩擦块主体的转动轴共线。在本技术实施例中，板式摩擦块5的转动方向所指的是从管坯4安装位置向板式摩擦块5方向观测到的板式摩擦块5的转动方
向。在两块板式摩擦块5转动至初始位置时，两块板式摩擦块5上的成型面分别与管坯4的上半部和下半部接触。进入工作状态时，板式摩擦块5的成型面向管坯4的旋压端转动。
30.机架1内的驱动机构可以为位于连接臂上的伺服电机，伺服电机的输出轴与所在连接臂对应的板式摩擦块5上转动轴传动连接，在其他实施例中，驱动机构也可以为其他单独驱动或联动驱动的机构，用以驱使板式摩擦块5顺畅正转、反转。
31.根据管坯4外径和厚度计算管坯4的加热长度、定位长度以及板式摩擦块5转速，按计算结果，将管坯4进行加热、定位和装夹。管坯4装夹至夹具3上随主轴2一起高速旋转，转速为450r/min~560r/min，此时两板式摩擦块5同时以0.11r/min~0.15r/min的转速同频率缓慢旋转90
°
，板式摩擦块5和管坯4接触区产生较大的接触应力，使得管坯4成型端发生连续的塑性变形，最终包络出封头或瓶底。
32.传统无缝气瓶在热旋压过程中，板式摩擦块通常是在旋转中的钢管的一侧的较为扁平的空间范围内逐渐移动靠近钢管，通过板式摩擦块5逐渐运动到与钢管接触，随后利用摩擦块对接触管壁施加一定的压力而使管坯4产生塑性变形并逐渐成型。本发明中，左右两个板式摩擦块5在旋压过程中会沿着自身轴线进行缓慢旋转，旋压过程中总共旋转90
°
的角度，且旋压成型过程中两个板式摩擦块5始终在钛合金管坯4轴线的左右两端并呈轴对称分布。这种成型方式有利于钛合金产生更加均匀的塑性流变、抵消旋压过程中产生的拉应力、总的塑性变形更快但塑性流变更均匀。
33.两板式摩擦块5之间的最小距离即为气瓶瓶嘴的直径，可通过调整两者之间的距离设置不同的气瓶瓶嘴直径。当两者之间的距离远小于管坯4厚度时，旋压成型后无瓶嘴生成，此时为管坯4收底旋压成型。在本技术实施例中，机架1上两块板式摩擦块5相对管坯4中轴线的距离可调。具体的，机架1上可通过安装双向螺杆，配合两个连接臂上的螺纹套筒，以驱使两个连接臂上的板式摩擦块5同步靠近或远离。在其他实施例中，机架1上还可在两个连接臂处分别安装气缸，通过气缸以驱使连接臂移动。
34.参照图2，板式摩擦块5成型面上均设有油槽51和油孔52，油槽51由特定的曲线和直线段构成。板式摩擦块5内设置有油道，油道远离油槽51的一端外接供油管路，供油管路用于向油道中提供耐高温润滑油脂。旋压成型过程中，板式摩擦块5成型面与管坯4的接触区和油槽51之间有2mm~5mm的间隙，且油槽51位于管坯4待成型区。成型过程中，由油孔52泵出的耐高温润滑脂经油槽51作用，较为均匀的涂抹至管坯4成型位置，有利于成型区金属的流动和减少板式摩擦块5的磨损。另一方面，在旋压过程中的高温作用下，部分高温润滑脂发生气化，并形成一层相对密度较大的油气附着在成型区，隔绝了高温状态下的钛合金与空气的直接接触，可防止成型端的氧化。
35.实施例二参照图3，基于同一发明构思，本发明还提供了一种钛合金无缝气瓶旋压成型方法，采用了本发明实施例一提供的一种钛合金无缝气瓶旋压设备，包括以下步骤：s01、根据对气瓶进行旋压收口或收底的工作情况，选择合适几何形状的板式摩擦块5，调节机架1上两块板式摩擦块5与管坯4中轴线之间的距离，根据管坯4的口径、厚度，调节板式摩擦块5的旋转速度参数；其中，当两块所述板式摩擦块5之间的最小距离不小于管坯4厚度时，两块所述板式摩擦块5之间的间距为气瓶的瓶嘴直径；
当两块所述板式摩擦块5之间的最小距离小于管坯4厚度时，此时两块所述板式摩擦块5转动后为管坯4收底旋压成型为气瓶的瓶底；板式摩擦块5转速选择依据以下经验公式：ln是自然对数，v为转速，m、n为常数，且满足m+n=1，m取值范围为0.25~0.64；d、t分别为管坯4的口径、厚度，最终所得转速的单位为r/min。对于常用口径和厚度分别为400mm~500mm、24mm~32mm的钛合金管坯4，板式摩擦块5转速为0.11r/min~0.15r/min，对应的成型时间为135s~100s。
36.s02、将管坯4的待成型端加热至锻造温度；其中，管坯4的成型端加热长度为管坯4外径的1.25~1.46倍，加热温度为920℃~980℃，其中，先将加热炉炉温调至920℃~980℃，待炉温稳定后，将管坯4成型端加热至与炉温相同温度，并保温4min~6min。
37.s03、将管坯4装夹至夹具3上开始旋转，管坯4加热完成至装夹到夹具3上开始旋转，其中时间间隔不应超过70s；旋转过程中驱使两个板式摩擦块5同步同向旋转以对管坯4旋压成型，旋压成型过程中将耐高温润滑油脂经板式摩擦块5上的油孔52泵送至板式摩擦块5与管坯4相接触的旋压成型区，耐高温润滑油脂可采用hotolube高温润滑油脂、克虏伯hp260润滑脂、bostik7810润滑脂等中的任意一种。
38.s04、两块板式摩擦块5各自转动角度为90
°
，以使两块板式摩擦块5各自从与管坯外壁接触的状态旋转至最接近管坯旋压端端部的状态时，即可完成管坯4一端的旋压成型，并停止旋转；s05、将管坯4的一端从夹具3上拆卸下，待管坯4冷却后对管坯4的另一端旋压成型，重复步骤s01~s04，即可完成一个气瓶的两端的旋压成型操作。
39.为了进一步验证本方案中的旋压设备旋压成型过程中气瓶封头的温度变化规律，利用deform-3d（有限元系统模拟）后处理中的点追踪功能，可观察气瓶在旋压过程中任意点的温度值随旋压成型时间的变化规律。在模拟软件中根据实际管坯4尺寸建立模型，管坯4实际的长度、直径、厚度分别为3060mm、456mm、27mm，模拟时为减少不必要的计算可将长度减小为800mm，直径和厚度不变，将对称的板式摩擦块5简化为一个。在deform-3d前处理中将夹具3与管坯4的运动关系设置为“粘连”，两者间采用剪切摩擦，摩擦系数取1，将板式摩擦块5与管坯4间的几何关系设置为“干涉”，干涉参数取默认的0.0001，两者间采用库伦摩擦，根据生产经验，摩擦系数取0.25。采用四面体单元对管坯4进行网格划分，单元数设置为100000，最小边界尺寸为5.63mm，时间步长设置为0.1。对夹具3施加某一转速，使其沿自身轴旋转，可保证在旋转过程中管坯4和夹具3不会脱落；对板式摩擦块5也施加某一转速，使其沿自身旋转轴旋转90
°
，实现板式摩擦块5的进给运动，即可完成高压气瓶旋压收口工序。模拟时采用的工艺参数如表1所示。
40.表1模拟时采用的工艺参数
模拟时做如下假设：（1）将管坯4定义为塑性体，忽略管坯4的弹性变形，将夹具3和板式摩擦块5定义为刚体；（2）假设管坯4为理想情况，即各项同性；（3）模拟时假设管坯4不氧化，不考虑重力和惯性的影响。
41.在不同旋压温度时最终成型的管坯4封头部位选取5个点p1、p2、p3、p4和p5。参照图4，示出了在旋压温度为920℃、950℃、980℃时，气瓶封头的温度场分布云图及所选取点的位置。参照图5，示出了旋压温度为920℃、950℃、980℃下5个点的温度随时间的变化曲线，对比图5的（d）、（e）、（f）三图可知，当旋压温度在一定范围内时，气瓶封头通过板式摩擦块5旋压成型时的温度变化规律类似，说明在旋压成型过程中封头部位温度变化规律受旋压温度的影响不大。图5中5个点的温度变化规律都是先稍有下降再不同程度地上升，到达某一最大值后又不断降低。总体来说温度下降是因为管坯4和空气发生了热交换，温度上升是因为板式摩擦块5和管坯4之间产生的摩擦热大于管坯4向空气散发的热量。由于在旋压成型时，板式摩擦块5与管坯4的接触位置是不断发生变化的，当某时刻所追踪点所在位置和板式摩擦块5接触时，图5中曲线出现最大值。
42.将板式摩擦块5用于接触管坯4的成型面，按成型气瓶封头的部位分为第一接触面501、第二接触面502和第三接触面503。比较图5中点p1~p5的温度变化图，在旋压成型中后期时，点p4、点p3温度明显高于其他各点，即靠近过渡处的瓶颈部位和过渡处的温度最高。主要原因是气瓶在板式摩擦块5旋压成型过程中，第一接触面501、第二接触面502参与成型的时间最长，两者分别对应气瓶封头颈部和过渡处，故在该部位产生的摩擦热也最多，而颈部远离过渡处一端与气瓶瓶体发生着强烈的热交换，导致瓶颈处的温度沿过渡处向瓶身方向依次递减，在图5中三幅图中表现为点p4温度高于点p5，点p4、点p3温度高于其他各点；又因为板式摩擦块5第一接触面501和管坯4的接触面大于第二接触面502和管坯4的接触面，所以在气瓶封头颈部位产生的摩擦热大于在过渡处产生的，即点p4的温度高于点p3温度。位于瓶嘴端部的p1点温度在第30s以后急剧降低且明显低于其他各点，主要原因是第30s时瓶嘴端部已经成型，此后板式摩擦块5第三接触面503对其正压力不大，产生的摩擦热远低于向空气散发的热量，故其温度在30s以后远低于封头其他部位。
[0043] 本发明的工作过程为：在将管坯4的一端夹持在夹具3上后，驱使管坯4转动，接着，驱使两个位于管坯4两侧的板式摩擦块5同步转动，利用板式摩擦块5上的成型面推动挤压管坯4待成型端表面的金属发生连续塑性变形。由于管坯4在转动过程中同时与两块板式摩擦块5发生摩擦接触，从而在提高对管坯4的塑形效率的同时，还能在对管坯4塑形过程中不断加热，维持管坯4待成型端的温度，节约成本。在旋压过程中板式摩擦块5表面有耐高温
润滑油脂泵出，并借助管坯4旋转时附近空气的流动和板式摩擦块5上油槽均匀涂抹在管坯4外壁，从而减小管坯4和板式摩擦块5的摩擦力，减少了板式摩擦块5的磨损，可延长板式摩擦块5的使用寿命。
43.本领域内的技术人员应明白，尽管已经描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性的概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围内的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。