Procesy rdzeniowe głębokiej obróbki tytanu: gięcie, tłoczenie, przędzenie i rozszerzanie rur

Głęboka obróbka przekształca tytanową płytę, arkusz, rurę i pręt w gotowe komponenty, takie jak kolanka rurowe, kanały, głowice zbiorników ciśnieniowych, arkusze rur wymienników ciepła i obudowy wirowane. Tytan jest trudniejszy w formowaniu niż stal czy aluminium, dlatego każdy proces musi być dostosowany do stanu stopu, grubości ścianki i wymaganej geometrii końcowej. W tym artykule omówiono cztery podstawowe procesy-głębokiego przetwarzania - gięcia, tłoczenia, przędzenia i rozszerzania rur - wraz z parametrami i kontrolami decydującymi o powodzeniu.

1. Dlaczego tytan jest trudny w formowaniu

Trzy właściwości materiału dominują w zachowaniu tytanu podczas formowania. Po pierwsze, moduł sprężystości wynosi około 103-114 GPa, mniej więcej o połowę mniej niż w przypadku stali, co powoduje duży powrót sprężysty (sprężynowanie) po formowaniu. Po drugie, stosunek plastyczności-do wytrzymałości na rozciąganie jest wysoki, więc zakres przeróbki plastycznej jest wąski, a małe błędy w geometrii narzędzia przekładają się na duże błędy kształtu. Po trzecie, tytan szybko reaguje z tlenem i azotem w temperaturze powyżej około 600°C, tworząc kruchą obudowę alfa, której należy unikać lub którą należy usunąć. Praktyczne konsekwencje: narzędzia do gięcia i tłoczenia wymagają naddatku na wygięcie, formowanie na gorąco musi odbywać się w kontrolowanej atmosferze lub przy wąskich oknach procesowych, a smarowanie musi zapobiegać zacieraniu się pomiędzy częścią a powierzchnią narzędzia.

2. Gięcie rur i profili tytanowych

Gięcie rur łączy w sobie odkształcenie sprężyste i plastyczne; ściana zewnętrzna staje się cieńsza, a ściana wewnętrzna gęstnieje, podczas gdy oś neutralna przesuwa się na zewnątrz. W przypadku rur tytanowych minimalny promień zgięcia wynosi zazwyczaj 2–3 razy średnica rury przy gięciu trzpieniowym, a sprężynowanie wynoszące 5-15 stopni musi być kompensowane przez wygięcie narzędzia. Gięcie na zimno jest praktyczne w przypadku rur o średnicy zewnętrznej poniżej około 50 mm i grubości ścianek, które pozwalają uniknąć wyboczenia; po gięciu na zimno zaleca się-wyżarzanie odprężające w temperaturze 480-650 C w celu przywrócenia ciągliwości i ustabilizowania wymiarów. Gięcie na gorąco, wykonywane jako gięcie obrotowe lub gięcie pchające w temperaturze 600-800 C, znacznie zmniejsza granicę plastyczności i sprężynowanie oraz umożliwia uzyskanie mniejszych promieni i grubszych ścianek, ale wymaga zabezpieczenia przed utlenianiem. Gięcie rozciągające (rozciągające) jest preferowane w przypadku profili o dużym promieniu, gdzie należy zminimalizować odkształcenie przekroju poprzecznego.

3. Tłoczenie i formowanie blachy tytanowej

Tłoczenie blachy tytanowej jest trudniejsze niż w przypadku stali węglowej lub aluminium ze względu na wymagany większy promień zgięcia (zwykle 2-4-krotność grubości blachy w przypadku zgięcia pod kątem 90-stopni w klasie 2, więcej w przypadku-stopów o wysokiej wytrzymałości) i dużą kierunkowość walcowanej blachy. W praktyce stosowane są trzy metody: tłoczenie na zimno cienkich blach (do ok. 3 mm) z niewielkim odkształceniem i umiarkowaną precyzją; formowanie na gorąco w temperaturze 600-800 C dla grubych blach i dużych części, gdzie mniejsze naprężenia płynięcia umożliwiają głębokie tłoczenie; i wstępne formowanie, a następnie prostowanie na gorąco, które łączy w sobie dokładność obróbki na zimno z plastycznością pracy na gorąco w przypadku skomplikowanych kształtów. Głębokie tłoczenie tytanu wymaga starannej kontroli siły docisku półfabrykatu, dużych promieni naroży i skutecznego smarowania; w przypadku ciągnienia wieloetapowego często potrzebne jest wyżarzanie pośrednie.

4. Przędzenie (formowanie rotacyjne)

Przędzenie lub przędzenie metalu stopniowo odkształca obracający się półfabrykat na trzpieniu za pomocą rolek. Proces łączy w sobie elementy kucia, wytłaczania, rozciągania i gięcia i jest wysoce wydajny w przypadku części osiowosymetrycznych, takich jak stożki, kopuły, cylindry i dysze. W porównaniu z formowaniem tłocznym, przędzenie tytanu zapewnia oszczędność materiału o 20–50%, ponieważ półfabrykat początkowy może mieć kształt zbliżony do ostatecznego, opracowanego, wysoką jakość wykończenia powierzchni i dokładność wymiarową w przypadku średnic +/-0,5 mm lub większych. Przędzenie ze ścinaniem (formowanie przepływowe) może celowo zmniejszać grubość ścianki, tworząc bezszwowe stożkowe i cylindryczne powłoki o wyrafinowanej strukturze ziaren i ulepszonych właściwościach mechanicznych. Części tytanowe produkowane metodą przędzenia obejmują kanały lotnicze, głowice zbiorników chemicznych, obudowy silników rakietowych i wirówki.

5. Rozszerzanie rur i łączenie rur-z-blachami rurowymi

Rozszerzanie rur to mechaniczna metoda łączenia, która odkształca ściankę rury promieniowo w rowki lub w kierunku otworu w arkuszu rurowym, tworząc{{0}szczelne i nośne-połączenie, powszechnie stosowane w płaszczowych-i-rurowych wymiennikach ciepła, skraplaczach i chłodnicach. Powszechne są trzy techniki: walcowanie mechaniczne, podczas którego stożkowe rolki rozszerzają rurę pod kontrolowanym momentem obrotowym; rozszerzanie hydrauliczne lub elastyczne, które wykorzystuje ciśnienie cieczy lub elastyczny pęcherz w celu równomiernego rozszerzania na długich odcinkach; i wybuchowe rozszerzanie, w którym ładunek detonujący niemal natychmiast rozszerza rurę, co jest odpowiednie dla grubych arkuszy rur i trudnych materiałów. Stopień rozszerzania musi być dokładnie kontrolowany - zazwyczaj 3-8% redukcji ściany w zależności od projektu złącza - ponieważ nieszczelności przy-rozszerzeniu i nadmierne-rozszerzanie powodują ścieńczenie ścianek, utwardzanie przez zgniot i podatność na korozję naprężeniową. Po rozprężeniu koniec rury jest często rozszerzany lub przyspawany do arkusza rury w celu uzyskania mocniejszego uszczelnienia, a złącze poddawane jest próbie ciśnieniowej zgodnie z obowiązującymi normami.

6. Wybór procesu i kontrola jakości

Wybierz proces według geometrii: osiowosymetryczne puste części sprzyjają wirowaniu; części pryzmatyczne lub przypominające pudełko- sprzyjają tłoczeniu; rury i profile sprzyjają zginaniu; połączenia rury-z-płytą rurową sprzyjają rozszerzaniu. Niezależnie od trasy, sprawdź stan stopu (wyżarzany,-obrobiony na zimno lub-obrobiony sosem), kontroluj temperaturę formowania w określonym przedziale czasu, zastosuj odpowiednie smary i sprawdź pod kątem pęknięć powierzchni, skórki pomarańczowej,-przecienienia ścianek poza tolerancją i stanu alfa po każdej obróbce na gorąco. Kontrole wymiarowe,-testy penetracyjne barwnika w podejrzanych obszarach oraz weryfikacja twardości lub rozciągania na odcinkach testowych uzupełniają pakiet akceptacji. Formowane komponenty tytanowe są zwykle dostarczane według tych samych standardów materiałowych, co produkt wyjściowy, na przykład ASTM B338 lub ASME SB338 w przypadku rur, a proces formowania jest udokumentowany w dokumentacji produkcyjnej.

7. Często zadawane pytania

P1: Jaki jest minimalny promień zgięcia rury tytanowej?

W przypadku gięcia trzpieniowego rur wyżarzanych-o małej średnicy, powszechnym minimum jest promień linii środkowej wynoszący 2-3 razy średnica rury; węższe promienie wymagają gięcia na gorąco, specjalnego oprzyrządowania lub innego stanu stopu.

P2: Czy tytan sprężynuje bardziej niż stal?

Tak, znacznie. Ponieważ moduł sprężystości tytanu jest o połowę mniejszy niż w przypadku stali, sprężynowanie jest około dwa do trzech razy większe; oprzyrządowanie musi uwzględniać kompensację wygięcia, zweryfikowaną poprzez próbne formowanie.

P3: Czy blachę tytanową można głęboko tłoczyć?

Tak, z ograniczeniami. Arkusze klasy 1 i 2 dobrze ciągną się, gdy promienie naroży są duże, siła docisku jest kontrolowana i smarowanie jest skuteczne; stopy o wysokiej-wytrzymałości, takie jak klasa 5, zwykle wymagają formowania na gorąco lub wyżarzania pośredniego w celu głębokiego tłoczenia.

P4: Jaka jest zaleta przędzenia w porównaniu z tłoczeniem tytanu?

Przędzenie wykorzystuje mniejsze siły formujące, wymaga tańszego oprzyrządowania i pozwala zaoszczędzić 20–50% materiału na części osiowosymetryczne, jednocześnie uzyskując dobre wykończenie powierzchni i kontrolowaną grubość ścianki poprzez przędzenie ze ścinaniem.

P5: W jaki sposób kontrolowany jest stopień rozszerzania podczas rozszerzania rur?

Kontrolując moment obrotowy w przypadku walcowania mechanicznego, ciśnienie w przypadku rozszerzania hydraulicznego lub wielkość ładunku w przypadku rozszerzania wybuchowego i weryfikując je za pomocą pomiarów ścianek rur i testów{{0}wyciągania lub prób ciśnieniowych na przykładowych złączach.

P6: Jakie wady należy sprawdzić po formowaniu tytanu na gorąco?

Sprawdź, czy nie ma obudowy alfa (-bogatej w tlen, kruchej warstwy powierzchniowej), odbarwień spowodowanych nieodpowiednim ekranowaniem, pęknięć w rogach, nadmiernego pocienienia ścianek i zniekształceń. Przed serwisowaniem zdjąć obudowę alfa poprzez obróbkę skrawaniem lub trawienie.