王 兵 周世杰 王恒強(qiáng) 劉 飛 李金祥 劉 東 胡 陽 文 帥

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2A14鋁合金異形件軋制成形工藝研究

王 兵1周世杰1王恒強(qiáng)1劉 飛1李金祥1劉 東2胡 陽2文 帥1

（1. 首都航天機(jī)械公司，北京 100076；2. 西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072）

研究和分析了鋁合金的環(huán)軋成形工藝，制定了某異形截面殼體結(jié)構(gòu)的制造工藝，采用數(shù)值模擬的方法分析了成形過程中溫度和等效應(yīng)變的分布，通過物理實(shí)驗(yàn)軋制的方式生產(chǎn)出力學(xué)性能穩(wěn)定、產(chǎn)品一致性高的鋁合金異形截面殼體零件。

鋁合金環(huán)件；環(huán)軋成形；數(shù)值模擬；物理實(shí)驗(yàn)

1 引言

環(huán)件軋制是機(jī)械、車輛、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域中環(huán)形類零件制造的先進(jìn)技術(shù)[1，2]。環(huán)件軋制技術(shù)是一種生產(chǎn)無縫環(huán)件的特種加工工藝，其生產(chǎn)過程是借助環(huán)軋機(jī)使環(huán)件坯料壁厚減小，直徑增大，截面輪廓成形的工藝技術(shù)[3，4]。環(huán)件的軋制成形技術(shù)與環(huán)件自由鍛方式相比，具有對成形設(shè)備噸位需求小、投資少；環(huán)件加工余量小、材料利用率高；環(huán)件精度高，內(nèi)部質(zhì)量好；生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)[5～7]。目前國內(nèi)在黑色金屬和鈦合金金屬環(huán)件軋制方面的研究較多，工程化應(yīng)用程度高[8]，但在鋁合金環(huán)件，特別是異形截面鋁合金環(huán)軋研究方面，相關(guān)的研究報(bào)道較少，幾乎為零，主要原因是對鋁合金異形截面環(huán)件的使用要求較少。近些年來，隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，大型鋁合金環(huán)件的使用需求越來越高，對產(chǎn)品性能一致性和穩(wěn)定性的要求越來越高，對環(huán)件產(chǎn)品的成形工藝提出了更高的要求，而環(huán)軋成形工藝能保證零件內(nèi)部組織致密、晶粒細(xì)小、纖維沿圓周方向分布，環(huán)軋成形工藝是成形航天產(chǎn)品所需零件的重要方法[9]。本文以鋁合金異形截面環(huán)件為研究對象，對其成形工藝進(jìn)行研究分析，并采用異形環(huán)件的方式生產(chǎn)出了某航空航天型號產(chǎn)品上的重要零部件。

2 研究對象及工藝分析

某型號中的殼體零件選用2A14材料制造，殼體零件直徑2m，高度800mm，最小壁厚30mm，最大壁厚90mm，殼體鍛結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)計(jì)選用要求需保證零件達(dá)到一定的性能指標(biāo)，常規(guī)的生產(chǎn)方式難以保證零件的力學(xué)性能指標(biāo)，需要通過塑性成形的生產(chǎn)方式以保證零件力學(xué)性能指標(biāo)，對于此類結(jié)構(gòu)的大形筒體類鍛件，為保證質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性、材料的利用率和后續(xù)生產(chǎn)制造周期，選用異形環(huán)軋的方式對其進(jìn)行生產(chǎn)制造。對于此類高度與壁厚比值較大的環(huán)件，在軋制成形中徑向變形量遠(yuǎn)大于軸向變形量，可視為筒段類結(jié)構(gòu)件，大型筒段結(jié)構(gòu)件的塑性成形主要工序?yàn)椋鹤杂慑戦_坯—環(huán)軋成形—熱處理。

圖1 異形截面鍛件結(jié)構(gòu)示意圖

3 成形過程數(shù)值模擬研究分析

3.1 成形過程分析

有限元仿真是研究環(huán)件軋制成形技術(shù)的主要方式之一[10]。如圖2所示軋制模型示意圖，通過自由鍛方式成形的毛坯經(jīng)加熱后置于徑軸向環(huán)軋機(jī)上平臺上，主軋輥在設(shè)備電機(jī)的作用下以恒定速度自轉(zhuǎn)，抱輥控制軋制過程的穩(wěn)定性，錐輥所在高度略有少許變化，在本研究中，型膛為開式結(jié)構(gòu)，坯料在高度方向尺寸上有一定的長高。軋制過程中，坯料在芯軸的水平作用下向主軋輥方向移動，當(dāng)芯輥帶動坯料與主軋輥貼合時，芯輥與坯料隨之轉(zhuǎn)動，隨著芯輥的移動，坯料長大至零件尺寸。根據(jù)軋制過程中坯料的尺寸變化狀態(tài)，可將整個成形過程分為三個階段：貼合階段、成形前期階段、成形后期階段和整圓階段。

1—主軋輥 2—抱輥 3—芯軸 4—毛坯 5—錐輥

3.2 軋制成形溫度場分析

圖3為環(huán)件軋制過程中截面溫度分布云圖及軋制結(jié)束時環(huán)件整體的溫度分布云圖。可以看出，在整個軋制過程中，環(huán)件的溫度呈整體均勻下降的趨勢。從咬入階段開始，由于軋制初期一方面環(huán)件中部先與模具接觸，而另一方面變形使得上下兩端并未與模具完全接觸，使得環(huán)件在高度方向上，心部的溫度略低，而上下兩端的溫度反而更高。當(dāng)型腔填滿之后，環(huán)件進(jìn)入穩(wěn)定軋制階段，環(huán)件整體都與模具接觸，整體呈溫度均勻下降趨勢，截面溫度分布逐漸呈現(xiàn)相對均勻的趨勢，在軋制結(jié)束時，環(huán)件整體溫度分布相對均勻，大致在340～380℃之間。

a 貼合階段???????b 成形前期

c 成形后期???????d 整圓階段

圖3 環(huán)件軋制過程溫度分布云圖

3.3 軋制成形等效應(yīng)變分析

a 貼合階段???????b 成形前期

c 成形后期???????d 整圓階段

圖4 環(huán)件軋制過程等效應(yīng)變分布云圖

圖4為環(huán)件軋制過程中截面等效應(yīng)變分布云圖及軋制結(jié)束時環(huán)件整體的等效應(yīng)變分布云圖?？梢钥闯?，軋制過程中，變形最先出現(xiàn)在與芯輥首先接觸的內(nèi)外環(huán)面中部，再逐漸向上下端面擴(kuò)散。軋制結(jié)束時，環(huán)件整體的等效應(yīng)變分布為沿徑向方向，外環(huán)面應(yīng)變最大，內(nèi)環(huán)面應(yīng)變次之，心部應(yīng)變最小。沿軸向方向，心部應(yīng)變最大，越接近上下端面，應(yīng)變越小。軋制結(jié)束時，環(huán)件整體等效應(yīng)變分布大致在0.7～4.0之間。

4 成形實(shí)驗(yàn)及產(chǎn)品性能檢測

圖5 軋制成形

圖6 產(chǎn)品實(shí)物圖

表1 力學(xué)性能檢測值

在上述工藝分析優(yōu)化的基礎(chǔ)上，開展軋制成形實(shí)驗(yàn)研究。成形所用設(shè)備為3000mm級徑軸向數(shù)控環(huán)軋機(jī)，設(shè)備額定噸位250t/200t。軋制用坯料選用2A14鋁合金鑄錠，經(jīng)自由鍛開坯成形成筒形結(jié)構(gòu)毛坯，在軋制中使用專用成形芯軸模具。將坯料加熱至始鍛溫度，通過環(huán)軋機(jī)的作用軋制成形至鍛件圖尺寸，軋制過程如圖5所示。軋制完成后，經(jīng)過固溶和時效處理以保證零件的力學(xué)性能指標(biāo)，熱處理完成后經(jīng)機(jī)械加工后采用超聲波無損探傷檢測，檢測結(jié)果表明，產(chǎn)品本體滿足GJB1580A—2004中A級檢測要求，產(chǎn)品實(shí)物如圖6所示。在產(chǎn)品上端處切取取樣環(huán)進(jìn)行力學(xué)性能檢測，在取樣環(huán)的4個象限內(nèi)，各切取試棒四組，每組徑、軸向試棒各一根，合計(jì)共8根試棒進(jìn)行常溫力學(xué)性能檢測，檢測結(jié)果如表1所示，從表中可以得到，產(chǎn)品力學(xué)性能檢測結(jié)果符合航天標(biāo)準(zhǔn)QJ502A—2001要求，各點(diǎn)性能指標(biāo)值波動較小，產(chǎn)品性能一致性良好，產(chǎn)品力學(xué)性能值呈現(xiàn)一定的方向性，徑向性能優(yōu)于軸向，這一特性與環(huán)件纖維方向沿圓周方向分布的規(guī)律相符合。

5 結(jié)束語

a. 分析了某航天型號用異形截面零件的軋制成形工藝，采用數(shù)值模擬的方法分析了環(huán)軋成形過程中溫度場和等效應(yīng)變場的分布情況。研究結(jié)果表明，環(huán)件中部位置的溫升和應(yīng)變最大。

b. 通過環(huán)軋機(jī)軋制成形所需零件，零件的外形尺寸結(jié)構(gòu)滿足要求，環(huán)件內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)秀，符合GJB1580A—2004中A級探傷檢測要求，環(huán)件各處力學(xué)性能指標(biāo)分布均勻，縱向指標(biāo)優(yōu)于軸向指標(biāo)，呈現(xiàn)一定的各向異性。

1 華林. 環(huán)件軋制成形原理和技術(shù)設(shè)計(jì)方法[D]. 西安：西安交通大學(xué)，2000

2 姜中原. 某異形環(huán)件軋制工藝中的殘余應(yīng)力研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2014

3 華林，黃興高，朱春林. 環(huán)件軋制理論和技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001

4 韓靜濤，陳領(lǐng)，張琳. 環(huán)件徑-軸向軋制模擬試驗(yàn)軋機(jī)的開發(fā)[C]// 鍛壓設(shè)備. 第十三屆全國塑性工程學(xué)術(shù)年會暨第五屆全球華人塑性技術(shù)研討會論文集. 武漢，2013：296～297

5 李昶. 環(huán)件軋制中導(dǎo)向輥對環(huán)件圓度誤差影響規(guī)律研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2007

6 萬自永. 難變形材料環(huán)件軋制過程的三維有限元數(shù)值模擬[D]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007

7 錢東升，華林，張志強(qiáng). 一種環(huán)件復(fù)合軋制成形新技術(shù)[C]// 武漢理工大學(xué)，第十二界全國塑性工程學(xué)術(shù)年會暨第四屆全球華人塑性加工技術(shù)研討會論文集. 重慶，2011：503～506

8 蔣濤. 環(huán)件軋制的工藝參數(shù)分析及過程模擬[D]. 長沙：中南大學(xué)，2013

9 李斌. Ti40合金環(huán)件徑軸向軋制過程數(shù)值模擬及其工藝優(yōu)化[D]. 南昌：南昌航空大學(xué)，2011

10 邱玉龍. 環(huán)件剛度模型的力學(xué)分析及其在環(huán)軋數(shù)值分析中的應(yīng)用[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2013

Research on Rolling Forming Process of 2A14 Aluminum Alloy Shaped Pieces

Wang Bing1Zhou Shijie1Wang Hengqiang1Liu Fei1Li Jinxiang1Liu Dong2Hu Yang2Wen Shuai1

(1. Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076; 2. Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072)

The aluminum alloy ring rolling forming technology is researched and analyzed, and the manufacturing process of a profiled shell structure is developed. The distribution of temperature and equivalent strain is analyzed by adopting the method of numerical simulation for the forming process. At last, the aluminum alloy profiled shell parts with stable mechanical properties and excellent consistency are produced by means of physical experiment.

aluminum alloy ring pieces；ring rolling forming；numerical simulation；physical experiment

王兵（1986），工程師，材料加工專業(yè)；研究方向：鍛造。

2017-04-25