2A14鋁合金筒體鍛件成形工藝分析

劉　智　岳太文　劉旭輝

(1.無錫派克重型鑄鍛有限責(zé)任公司，江蘇214161；2.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程系，四川610100；3.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空維修工程系，四川610100)

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2A14鋁合金筒體鍛件成形工藝分析

劉智1岳太文2劉旭輝3

(1.無錫派克重型鑄鍛有限責(zé)任公司，江蘇214161；2.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程系，四川610100；3.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空維修工程系，四川610100)

在2A14鋁合金筒體鍛件試制過程中，采用十字鐓拔加馬架擴(kuò)孔和芯軸拔長的開坯工藝方案，在立式碾環(huán)機(jī)上進(jìn)行碾環(huán)生產(chǎn)，生產(chǎn)出了滿足力學(xué)性能要求的鍛件。

2A14鋁合金；筒體鍛件；十字鐓拔；碾環(huán)

2A14是一種可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金，屬于Al-Cu-Mg-Si系，具有較高的強(qiáng)度和熱塑性，適用于制造截面較厚的高載荷零件，廣泛用于航空航天和民用交通工具等領(lǐng)域[1]。對(duì)于大規(guī)格筒體類鍛件制造，由于大直徑棒材存在組織不均勻、晶粒粗大和成分偏析的現(xiàn)象，采用常規(guī)鍛造方法成形，存在難以鍛透的問題，鍛件質(zhì)量難以保證。

通過鍛造開坯對(duì)鑄錠施加大的塑性變形，以改善微觀組織、細(xì)化晶粒，從而提高材料的綜合力學(xué)性能，獲得組織優(yōu)良的碾環(huán)材料，然后采用碾環(huán)工藝生產(chǎn)，可以獲得滿足力學(xué)性能要求的鍛件。我公司在自有深筒形鍛件輾環(huán)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合鋁合金材料的自身工藝特性，總結(jié)了一套適用于鋁合金筒體成形的開坯工藝，采用國內(nèi)最大的立式碾環(huán)機(jī)生產(chǎn)，成功制造了尺寸為?1 020 mm×?900 mm×1 270 mm的2A14鋁合金筒體鍛件。

1　2A14鋁合金筒體鍛件情況

鍛件原材料采用西南鋁業(yè)有限公司提供的2A14鑄錠，原材料化學(xué)成分見表1。交貨狀態(tài)為T6(固溶+人工時(shí)效)。力學(xué)性能要求見表2。粗加工鍛件尺寸如圖1。鍛件重量較重(下料重1 250 kg)。

2　2A14鋁合金筒體鍛件成形工藝分析

筒體鍛件傳統(tǒng)制造方法是采用自由鍛成形，大規(guī)格棒材很難做到組織細(xì)小而均勻，需要在開坯時(shí)采用足夠程度的塑性變形，以將鑄態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合后續(xù)鍛壓加工的均勻細(xì)小的組織，從而改善材料的綜合力學(xué)性能。因此如何最大限度的增加變形量細(xì)化組織，是大規(guī)格鋁合金筒體鍛件開坯的關(guān)鍵工藝，研究認(rèn)為大塑性變形方法(SPD)能夠大幅細(xì)化晶粒，可以大大提高材料的強(qiáng)度和韌性，但該方法目前尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段[2]。對(duì)于鋁合金筒體件的成形，張文學(xué)等研究了采用多向鍛造對(duì)大規(guī)格2219鋁合金進(jìn)行的開坯工藝，鑄件在三個(gè)方向上分別進(jìn)行鐓粗、拔長變形，經(jīng)馬架擴(kuò)孔實(shí)現(xiàn)了大規(guī)格環(huán)件坯料的成形[3]。而在工業(yè)化生產(chǎn)中，采用十字鐓拔和足夠大的變形程度可以消除鋁合金組織和性能的方向性，提高組織和性能的均勻性，提高產(chǎn)品的整體性能，其工藝流程簡單、成本低廉。

表1　原材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2　2A14鋁合金筒體鍛件的力學(xué)性能要求

圖1　鍛件尺寸圖

在2A14筒體鍛件試制過程中，采用十字鐓拔加馬架擴(kuò)孔和芯軸拔長相結(jié)合的開坯方式，增大鍛件鍛造比和縱橫高三個(gè)方向的變形量，改善產(chǎn)品的綜合性能。2A14筒體鍛件制造的具體工藝流程是：下料→打磨→制坯→機(jī)加內(nèi)孔→馬架擴(kuò)孔→芯軸拔長→碾環(huán)→熱處理→性能檢測→機(jī)械加工。坯料始鍛溫度為470℃，終鍛溫度控制在370℃以上。制坯在36 MN油壓機(jī)上采用十字鐓拔方式進(jìn)行，總體變形量265%。制坯示意圖如圖2。經(jīng)十字交叉鐓拔變形加大了鑄錠的變形程度，保證鑄錠變形的均勻性，鍛造過程中坯料與錘頭和下砧的接觸面經(jīng)常改變，不會(huì)造成局部溫度降低過多，因此能夠減小端面產(chǎn)生裂紋的危險(xiǎn)性。

十字鐓拔后的環(huán)坯冷卻后機(jī)加內(nèi)孔，再次將環(huán)坯放入加熱爐加熱，經(jīng)馬架擴(kuò)孔(總體變形量10%)和芯軸拔長(總體變形量20%)，制取了碾環(huán)的環(huán)件材料。然后將材料進(jìn)行第二次回爐加熱，在2 300 mm立式碾環(huán)機(jī)上進(jìn)行碾環(huán)，輾環(huán)機(jī)徑向進(jìn)給速率為(0.6～0.7)mm/s，變形量為49%。熱處理采用T6(固溶+人工時(shí)效)處理，具體方法是：500℃保溫4 h，水冷；160℃保溫7 h，空冷。在筒體一端頭鋸切120 mm試樣進(jìn)行理化測試，而后機(jī)械加工至要求尺寸。

3　2A14筒體鍛件試制結(jié)果分析

按上述工藝方案試制出的筒體鍛件，外形尺寸滿足加工要求，檢測符合GB/T 6519—2013《變形鋁、鎂合金產(chǎn)品超聲檢測方法》的要求。在環(huán)坯上切取試料，沿軸向、徑向和切向三個(gè)方向取樣，取樣位置如圖3。力學(xué)性能測試結(jié)果如表3～表5，力學(xué)性能滿足要求。硬度實(shí)測值為130HBW。

4　結(jié)論

(1)2A14鋁合金筒形鍛造的十字鐓拔加馬架擴(kuò)孔和芯軸拔長的開坯工藝方案，變形程度充分，有利于細(xì)化組織，提高材料在不同方向的力學(xué)性能，獲取良好的碾環(huán)坯料。

圖2　鍛件的制坯示意圖

圖3　取樣位置示意圖

表3　鍛件切向力學(xué)性能檢測結(jié)果

表4　鍛件軸向力學(xué)性能檢測結(jié)果

表5　鍛件徑向力學(xué)性能檢測結(jié)果

(2)開坯后的的環(huán)坯采用國內(nèi)最大壓力的立式碾環(huán)機(jī)輾環(huán)生產(chǎn)，鍛件的力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求，采用碾環(huán)工藝可以解決傳統(tǒng)自由鍛制備環(huán)件帶來的力學(xué)性能不能滿足要求的問題，可以滿足航空航天部件對(duì)環(huán)件組織性能、組織均勻性及批次穩(wěn)定性等要求。

[1]付佳，晉會(huì)錦，吳素君，等.熱處理對(duì)2A14 鋁合金組織和性能的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2016，37(1)：189-194.

[2]郭強(qiáng)，嚴(yán)紅革，陳振華，等.多向鍛造技術(shù)研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2007，21(2)：106-108.

[3]張文學(xué)，徐坤和，陽代軍，等.大規(guī)格 2219 鋁合金圓鑄錠鍛造開坯與質(zhì)量分析[J].航天制造技術(shù)，2015(6)：7-14.

[4]劉東亮.多向鍛造2A14鋁合金組織與力學(xué)性能研究[D].中南大學(xué)，2014.

[5]門正興，孫燕飛，王海.大型筒體鍛造成形缺陷分析及預(yù)防[J].大型鑄鍛件，2011(5)：15-20.

編輯杜青泉

Analysis on Forming Process of 2A14 Aluminum Alloy Cylinder Forgings

Liu Zhi, Yue Taiwen, Liu Xuhui

During the trial-production process of 2A14 aluminum alloy cylinder forgings, the production has been performed on the vertical ring rolling machine with a cogging process of cross upsetting and rolling, saddle forging and mandrel drawing-out. Meanwhile, the mechanical properties of manufactured forging have satisfied the requirements.

2A14 aluminum alloy; cylinder forgings; cross upsetting and rolling; ring rolling

2016—05—13

劉智(1982—)，男，工程師，主要研究方向：難變形材料鍛造成形工藝。

TG316

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