Διεξήχθησαν δοκιμές συμπίεσης σταθερής θερμοκρασίας και σταθερού ρυθμού παραμόρφωσης στη μηχανή θερμικής προσομοίωσης Gleeble-3800, αποδίδοντας ένα καταστατικό μοντέλο για το κράμα τιτανίου Ti-46531 με βάση τη θερμοκρασία, τον ρυθμό παραμόρφωσης και το μέγεθος παραμόρφωσης. Τα κράματα τιτανίου τύπου β συνήθως σφυρηλατούνται σε θερμοκρασίες 20–50 °C κάτω από το σημείο μετάβασης φάσης, με ρυθμούς παραμόρφωσης που κυμαίνονται από 0,001 έως 1,0 s⁻¹. Συνεπώς, οι δοκιμές θερμικής συμπίεσης πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασίες 720, 750, 780, 810, 840, 870 και 900 °C με ρυθμούς παραμόρφωσης 0,001, 0,01, 0,1 και 1,0 s⁻¹.
Οι καμπύλες πραγματικής τάσης-πραγματικής παραμόρφωσης του κράματος τιτανίου Ti-46531 υπό διάφορες συνθήκες παραμόρφωσης φαίνονται στο Σχήμα 1. Όπως απεικονίζεται, η ρεολογική τάση μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας και αυξάνεται με την αύξηση του ρυθμού παραμόρφωσης. Τόσο ο ρυθμός παραμόρφωσης όσο και η θερμοκρασία παραμόρφωσης επηρεάζουν σημαντικά τη ρεολογική τάση. Στον ίδιο ρυθμό παραμόρφωσης, η ρεολογική τάση στους 700 °C είναι 2-3 φορές μεγαλύτερη από αυτή στους 900 °C. Στην ίδια θερμοκρασία, η τάση ροής σε ρυθμό παραμόρφωσης 1,0 s⁻¹ είναι 3-5 φορές μεγαλύτερη από αυτή στα 0,001 s⁻¹. Η υψηλή ευαισθησία της τάσης ροής του Ti-46531 στη θερμοκρασία παραμόρφωσης και τον ρυθμό παραμόρφωσης αυξάνει σημαντικά τη δυσκολία της επεξεργασιμότητας σφυρηλάτησης.
2. Σχεδιασμός διαδικασίας σφυρηλάτησης
Η τυπική δομή σφυρηλάτησης του κράματος τιτανίου Ti-46531 φαίνεται στο Σχήμα 2. Το σφυρήλατο ζυγίζει 8,0 kg και έχει εξωτερικές διαστάσεις 447 mm × 117 mm × 74 mm. Παρουσιάζει συμμετρική διαμόρφωση από πάνω προς τα κάτω, με το επίπεδο συμμετρίας να χρησιμεύει ως η μέγιστη επιφάνεια προβολής του περιγράμματός του. Έτσι, αυτό το επίπεδο επιλέχθηκε ως η γραμμή διαχωρισμού. Οι επιτρεπόμενες διαστάσεις είναι οι εξής: 5 mm στην εξωτερική πλευρά των δακτυλιοειδών δομών και στα δύο άκρα, 10,5 mm για τον κεντρικό ιστό και 8 mm για όλες τις άλλες περιοχές. Η γωνία εκτίναξης είναι 7°. η ακτίνα λοξοτομής για την κεντρική αυλάκωση είναι 20 mm, ενώ αυτή για το προεξέχον τμήμα είναι 8 mm. για όλες τις άλλες περιοχές, η ακτίνα λοξοτομής είναι 5 mm.
Το σχέδιο διαδικασίας σφυρηλάτησης που αναπτύχθηκε με βάση τη δομή και τις ιδιότητες του υλικού της σφυρηλάτησης φαίνεται στο Σχήμα 3. Η συγκεκριμένη διαδικασία έχει ως εξής: Αρχικά, κόβουμε την κυκλική ράβδο σε ένα ακατέργαστο τεμάχιο και λοξοτμούμε και τα δύο άκρα. Στη συνέχεια, διαμορφώνουμε γρήγορα το ακατέργαστο τεμάχιο χρησιμοποιώντας μια μηχανή σφυρηλάτησης με σφύρα, ακολουθούμενη από λείανση για την αφαίρεση των επιφανειακών ελαττωμάτων. Τέλος, εκτελούμε συμπίεση μονού περάσματος είτε σε ηλεκτρική κοχλιωτή πρέσα 8000 τόνων είτε σε υδραυλική πρέσα 5000 τόνων.
3. Προσομοίωση και Ανάλυση Σφυρηλάτησης
3.1 Ρυθμίσεις παραμέτρων προσομοίωσης
Οι ηλεκτρικές κοχλιοπρέσες και οι υδραυλικές πρέσες χρησιμοποιούνται συνήθως για τη διαμόρφωση σύνθετων σφυρήλατων υλικών από μέταλλα που είναι δύσκολο να παραμορφωθούν, καθένα από τα οποία προσφέρει ξεχωριστά πλεονεκτήματα στα χαρακτηριστικά διαμόρφωσης, στις μεθόδους ελέγχου και στην προσαρμοστικότητα της διαδικασίας. Για να προσδιοριστεί ο βέλτιστος εξοπλισμός διαμόρφωσης για τυπικά σφυρήλατα υλικά από κράμα τιτανίου Ti-46531, εφαρμόστηκαν τεχνικές αριθμητικής προσομοίωσης που χρησιμοποιούνται ευρέως στη διαμόρφωση μεταλλικών πλαστικών για να μοντελοποιηθούν οι διαδικασίες διαμόρφωσης αυτών των σφυρήλατων υλικών τόσο σε υδραυλικές όσο και σε ηλεκτρικές κοχλιοπρέσες χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις υπολογιστή. Διεξήχθη συγκριτική ανάλυση σε βασικές τεχνικές παραμέτρους - συμπεριλαμβανομένης της απόδοσης πλήρωσης, των πεδίων παραμόρφωσης και των πεδίων θερμοκρασίας - για να προσδιοριστεί ο καταλληλότερος εξοπλισμός διαμόρφωσης.
Οι ρυθμίσεις των παραμέτρων προσομοίωσης σφυρηλάτησης παρουσιάζονται στον Πίνακα 2. Οι παράμετροι προσομοίωσης για την ηλεκτρική πρέσα με κοχλία και την υδραυλική πρέσα είναι ουσιαστικά πανομοιότυπες: μετά την αποκόλληση, το τεμάχιο επαναθερμαίνεται με αρχική θερμοκρασία σφυρηλάτησης 780°C. η θερμοκρασία προθέρμανσης της μήτρας είναι 350°C και ο συντελεστής τριβής μεταξύ του τεμαχίου και της μήτρας είναι 0,3. Η άνω ταχύτητα συμπίεσης της μήτρας στην υδραυλική πρέσα είναι περίπου 10 mm·s⁻¹. Για να αποφευχθεί η υπερβολική πτώση της θερμοκρασίας του τεμαχίου, αυτό συνήθως τυλίγεται με μονωτικό υλικό, με αποτέλεσμα συντελεστή μεταφοράς θερμότητας μεταξύ του τεμαχίου και της μήτρας 1 N·(s·mm·°C)⁻¹. Για την ηλεκτρική πρέσα με κοχλία, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας μεταξύ της μήτρας και του τεμαχίου κατά τη διαμόρφωση είναι 5 N·(s·mm·°C)⁻¹ και η ταχύτητα διαμόρφωσης ελέγχεται από την εισαγόμενη ενέργεια. Οι συγκεκριμένες ρυθμίσεις παραμέτρων κίνησης παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.
3.2 Ανάλυση Αποτελεσμάτων Προσομοίωσης
Η διαδικασία διαμόρφωσης του χυτού εξαρτήματος απεικονίζεται στο Σχήμα 4, με τα Σχήματα 4α και 4β να δείχνουν τις διαδικασίες διαμόρφωσης του κοντού σπαθιού υπό υδραυλική πρέσα και ηλεκτρική κοχλιοπρέσα, αντίστοιχα.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 4, το τεμάχιο είναι τοποθετημένο με ακρίβεια μέσα στη μήτρα. Καθώς η άνω μήτρα κινείται προς τα κάτω, και τα δύο άκρα του τεμαχίου έρχονται ταυτόχρονα σε επαφή με τη μήτρα χωρίς άκαμπτη μετατόπιση, εξασφαλίζοντας μια σταθερή διαδικασία διαμόρφωσης. Καθώς η άνω μήτρα συνεχίζει να κινείται προς τα κάτω, η άνω επιφάνεια του τεμαχίου σταδιακά προσαρμόζεται στην κοιλότητα της μήτρας, με όλα τα μέρη της σφυρηλάτησης να σχηματίζονται σχεδόν ταυτόχρονα, οπότε αρχίζει να σχηματίζεται η λάμψη. Όταν η πίεση στην άνω μήτρα μειώνεται κατά 2 mm, η σφυρηλάτηση γεμίζει πλήρως με ελάχιστη λάμψη και παρουσιάζει υψηλή αξιοποίηση υλικού. Μια ολοκληρωμένη ανάλυση της διαδικασίας διαμόρφωσης σφυρηλάτησης αποκαλύπτει ότι υπάρχουν ελάχιστες διαφορές μεταξύ των διαδικασιών διαμόρφωσης σε υδραυλικές πρέσες και ηλεκτρικές κοχλιωτές πρέσες.
Η κατανομή θερμοκρασίας του σφυρηλατημένου εξαρτήματος μετά τη σφυρηλάτηση φαίνεται στο Σχήμα 5 (η ευθεία γραμμή υποδεικνύει τη θέση της διατομής· τα Σχήματα 5α και 5β απεικονίζουν τις κατανομές θερμοκρασίας κατά τη διαμόρφωση με υδραυλική πρέσα και την ηλεκτρική κοχλιωτή πρέσα, αντίστοιχα). Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, η περιοχή ανάφλεξης εμφανίζει υψηλότερες θερμοκρασίες, ενώ η θερμοκρασία επιφάνειας είναι χαμηλότερη με ελάχιστη διακύμανση στο κέντρο. Κατά τη διαμόρφωση με υδραυλική πρέσα, η ελάχιστη θερμοκρασία φτάνει τους 456°C και η μέγιστη φτάνει τους 845°C· ενώ κατά τη διαμόρφωση με ηλεκτρική κοχλιωτή πρέσα, η ελάχιστη θερμοκρασία είναι 783°C και η μέγιστη φτάνει τους 1090°C. Η σύγκριση αποκαλύπτει διακριτά πρότυπα θερμοκρασίας: στη διαμόρφωση με υδραυλική πρέσα, η θερμοκρασία του σώματος μειώνεται προοδευτικά από το εσωτερικό προς το εξωτερικό, με τις θερμοκρασίες επιφάνειας να πέφτουν κάτω από τους 732°C και τις κεντρικές θερμοκρασίες να υπερβαίνουν τους 796°C, κυρίως συγκεντρωμένες μεταξύ 700–812°C· στη διαμόρφωση με ηλεκτρική κοχλιωτή πρέσα, οι θερμοκρασίες αυξάνονται σε διαφορετικές περιοχές—με τις περιοχές ανάφλεξης να υπερβαίνουν τους 885°C και το κύριο εύρος θερμοκρασίας του σώματος να είναι 780–840°C. Συνολικά, η διαμόρφωση με ηλεκτρική κοχλιοπρεσσα έχει ως αποτέλεσμα μια πιο ομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας σε όλο το σφυρήλατο εξάρτημα.
Η ισοδύναμη κατανομή παραμόρφωσης της σφυρηλάτησης μετά τη σφυρηλάτηση φαίνεται στο Σχήμα 6 (η ευθεία γραμμή στο Σχήμα 6 υποδεικνύει τη θέση της διατομής). Τα Σχήματα 6α και 6β απεικονίζουν τις ισοδύναμες κατανομές παραμόρφωσης κατά τη διαμόρφωση με υδραυλική πρέσα και τη διαμόρφωση με ηλεκτρική κοχλιωτή πρέσα, αντίστοιχα. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 6, η ελάχιστη ισοδύναμη παραμόρφωση κατά τη διαμόρφωση με υδραυλική πρέσα είναι 0,08, ενώ η μέγιστη είναι 19,900. Κατά τη διαμόρφωση με ηλεκτρική κοχλιωτή πρέσα, η ελάχιστη ισοδύναμη παραμόρφωση είναι 0,12 και η μέγιστη είναι 9,070. Η ισοδύναμη παραμόρφωση είναι υψηλότερη στην περιοχή ανάφλεξης και χαμηλότερη στην επιφάνεια, με τιμές που κυμαίνονται από 0,25 έως 0,5 στην κεντρική περιοχή. Η ισοδύναμη κατανομή πεδίου παραμόρφωσης κατά τη διαμόρφωση με ηλεκτρική κοχλιωτή πρέσα είναι πιο ομοιόμορφη από αυτή κατά τη διαμόρφωση με υδραυλική πρέσα.
Η κατανομή θερμοκρασίας της κάτω μήτρας φαίνεται στο Σχήμα 7, με τα Σχήματα 7α και 7β να απεικονίζουν τις κατανομές θερμοκρασίας κατά τη διαμόρφωση με υδραυλική πρέσα και τη διαμόρφωση με ηλεκτρική κοχλιωτή πίεση, αντίστοιχα. Όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 7, η ελάχιστη θερμοκρασία της κάτω μήτρας κατά τη διαμόρφωση με υδραυλική πρέσα κυμαίνεται από 349 °C έως 619 °C, ενώ κατά τη διαμόρφωση με ηλεκτρική κοχλιωτή πίεση κυμαίνεται από 349 °C έως 448 °C. Με βάση τις τάσεις κατανομής θερμοκρασίας, η κάτω κοιλότητα της μήτρας παρουσιάζει παρόμοια χαρακτηριστικά και στις δύο μεθόδους διαμόρφωσης.
Οι θερμοκρασίες αυξήθηκαν σε ποικίλους βαθμούς, με μέση άνοδο περίπου 150 °C. Κατά τη διαμόρφωση με ηλεκτρική κοχλιοπρέσα, η αύξηση της θερμοκρασίας στην κάτω κοιλότητα του καλουπιού ήταν περιορισμένη, με μόνο τοπικές αυξήσεις θερμοκρασίας περίπου 100 °C και στα δύο άκρα της κοιλότητας. Η θερμοκρασία του καλουπιού είναι ένας κρίσιμος παράγοντας που επηρεάζει τη διάρκεια ζωής του. Οι υπερβολικά υψηλές θερμοκρασίες μπορούν να προκαλέσουν σκλήρυνση και μαλάκυνση του υλικού, να επιταχύνουν την παραμόρφωση ερπυσμού και κατά συνέπεια να μειώσουν τη διάρκεια ζωής του. Επομένως, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η χρήση ηλεκτρικής κοχλιοπρέσας έχει ως αποτέλεσμα σχετικά χαμηλότερες θερμοκρασίες καλουπιού, παρατείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του καλουπιού.
Τα φορτία διαμόρφωσης που εφαρμόζονται στα σφυρήλατα υλικά απεικονίζονται στο Σχήμα 8, όπου τα Σχήματα 8α και 8β δείχνουν τις καμπύλες χρόνου φόρτισης για τη διαμόρφωση με υδραυλική πρέσα και την ηλεκτρική κοχλιοπρέσα, αντίστοιχα. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 8, η διαδικασία της υδραυλικής πρέσας διήρκεσε 5,83 δευτερόλεπτα με τελικό φορτίο διαμόρφωσης 4,0 × 10⁴ kN, ενώ η ηλεκτρική κοχλιοπρέσα χρειάστηκε μόνο 0,16 δευτερόλεπτα με μέγιστο φορτίο διαμόρφωσης 6,1 × 10⁴ kN. Αν και ο χρόνος διαμόρφωσης για την ηλεκτρική κοχλιοπρέσα είναι σημαντικά μικρότερος, το φορτίο διαμόρφωσης είναι περίπου 50% υψηλότερο από αυτόν της υδραυλικής πρέσας.
Μια σύγκριση των διαδικασιών διαμόρφωσης τυπικών σφυρήλατων προϊόντων από κράμα τιτανίου Ti-46531 σε υδραυλικές και ηλεκτρικές κοχλιοπρέσες αποκαλύπτει: (1) Οι διαδικασίες πλήρωσης είναι σχεδόν πανομοιότυπες, με όλα τα σφυρήλατα προϊόντα να επιτυγχάνουν πλήρη πλήρωση. (2) Κατά τη διαμόρφωση σε ηλεκτρική κοχλιοπρέσα, το πεδίο θερμοκρασίας και η ισοτροπική κατανομή του πεδίου παραμόρφωσης είναι πιο ομοιόμορφα. (3) Λόγω της υψηλότερης ταχύτητας διαμόρφωσης και της χαμηλότερης αύξησης της θερμοκρασίας του καλουπιού, η ηλεκτρική κοχλιοπρέσα προσφέρει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής του καλουπιού. Λαμβάνοντας υπόψη αυτούς τους παράγοντες, επιλέχθηκε μια ηλεκτρική κοχλιοπρέσα 8000 τόνων ως ο εξοπλισμός δοκιμών για τη σφυρηλάτηση σφυρήλατων προϊόντων από κράμα τιτανίου Ti-46531.
4. Πειραματικά Αποτελέσματα
Η τυπική σφυρηλάτηση δοκιμάστηκε σε ηλεκτρική πρέσα κοχλία 8000 τόνων, με τα αποτελέσματα να φαίνονται στο Σχήμα 9. Όπως αποδεικνύεται από το φυσικό δείγμα στο Σχήμα 9, η σφυρηλάτηση γεμίστηκε πλήρως χωρίς ρωγμές αναδίπλωσης, επιβεβαιώνοντας την εγκυρότητα των αποτελεσμάτων προσομοίωσης.
Σύναψη
(1) Μέσω πειραμάτων, προσδιορίστηκαν οι φυσικές παράμετροι του κράματος τιτανίου Ti-46531 —συμπεριλαμβανομένης της ειδικής θερμοχωρητικότητας, της θερμικής αγωγιμότητας και του συντελεστή γραμμικής διαστολής— και δημιουργήθηκε ένα καταστατικό μοντέλο για το Ti-46531 με βάση τη θερμοκρασία, τον ρυθμό παραμόρφωσης και την παραμόρφωση.
(2) Σχεδιάστηκε ένα τυπικό εξάρτημα σφυρηλάτησης και η διαδικασία σφυρηλάτησής του για κράμα τιτανίου Ti-46531. Χρησιμοποιώντας αριθμητική ανάλυση προσομοίωσης, συγκρίθηκαν οι διαδικασίες διαμόρφωσης αυτού του εξαρτήματος σφυρηλάτησης σε υδραυλικές πρέσες και ηλεκτρικές κοχλιοπρέσες και ο βέλτιστος εξοπλισμός σφυρηλάτησης προσδιορίστηκε ως μια ηλεκτρική κοχλιοπρέσα 8000 τόνων.
(3) Οι τελικές δοκιμές σφυρηλάτησης διεξήχθησαν στην ηλεκτρική πρέσα κοχλία 8000 τόνων, με τα αποτελέσματα να πληρούν τις προδιαγραφές σχεδιασμού. Τα σφυρήλατα κομμάτια παρουσίασαν πλήρη πλήρωση χωρίς ελαττώματα όπως δίπλωση ή ρωγμές.
Ώρα δημοσίευσης: 22 Ιουλίου 2026