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任公司，江蘇214161；2.成都航空職業技術學院航空制造工程系，四川610100；3.成都航空職業技術學院航空維修工程系，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任公司，江蘇214161；2.成都航空職業技術學院航空制造工程系，四川610100；3.成都航空職業技術學院航空維修工程系，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孔和芯軸拔長的開坯工藝方案，在立式碾環機上進行碾環生產，生產出了滿足力學性能要求的鍛件。

2A14鋁合金；筒體鍛件；十字鐓拔；碾環

2A14是一種可熱處理強化的變形鋁合金，屬于Al-Cu-Mg-Si系，具有較高的強度和熱塑性，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域[1]。對于大規格筒體類鍛件制造，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象，采用常規鍛造方法成形，存在難以鍛透的問題，鍛件質量難以保證。

通過鍛造開坯對鑄錠施加大的塑性變形，以改善微觀組織、細化晶粒，從而提高材料的綜合力學性能，獲得組織優良的碾環材料，然后采用碾環工藝生產，可以獲得滿足力學性能要求的鍛件。我公司在自有深筒形鍛件輾環技術的基礎上，結合鋁合金材料的自身工藝特性，總結了一套適用于鋁合金筒體成形的開坯工藝，采用國內最大的立式碾環機生產，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有限公司提供的2A14鑄錠，原材料化學成分見表1。交貨狀態為T6(固溶+人工時效)。力學性能要求見表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

筒體鍛件傳統制造方法是采用自由鍛成形，大規格棒材很難做到組織細小而均勻，需要在開坯時采用足夠程度的塑性變形，以將鑄態組織轉變為適合后續鍛壓加工的均勻細小的組織，從而改善材料的綜合力學性能。因此如何最大限度的增加變形量細化組織，是大規格鋁合金筒體鍛件開坯的關鍵工藝，研究認為大塑性變形方法(SPD)能夠大幅細化晶粒，可以大大提高材料的強度和韌性，但該方法目前尚處于實驗研究階段[2]。對于鋁合金筒體件的成形，張文學等研究了采用多向鍛造對大規格2219鋁合金進行的開坯工藝，鑄件在三個方向上分別進行鐓粗、拔長變形，經馬架擴孔實現了大規格環件坯料的成形[3]。而在工業化生產中，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，提高產品的整體性能，其工藝流程簡單、成本低廉。

表1　原材料化學成分(質量分數，%)

表2　2A14鋁合金筒體鍛件的力學性能要求

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孔和芯軸拔長相結合的開坯方式，增大鍛件鍛造比和縱橫高三個方向的變形量，改善產品的綜合性能。2A14筒體鍛件制造的具體工藝流程是：下料→打磨→制坯→機加內孔→馬架擴孔→芯軸拔長→碾環→熱處理→性能檢測→機械加工。坯料始鍛溫度為470℃，終鍛溫度控制在370℃以上。制坯在36 MN油壓機上采用十字鐓拔方式進行，總體變形量265%。制坯示意圖如圖2。經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常改變，不會造成局部溫度降低過多，因此能夠減小端面產生裂紋的危險性。

十字鐓拔后的環坯冷卻后機加內孔，再次將環坯放入加熱爐加熱，經馬架擴孔(總體變形量10%)和芯軸拔長(總體變形量20%)，制取了碾環的環件材料。然后將材料進行第二次回爐加熱，在2 300 mm立式碾環機上進行碾環，輾環機徑向進給速率為(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試樣進行理化測試，而后機械加工至要求尺寸。

3　2A14筒體鍛件試制結果分析

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、鎂合金產品超聲檢測方法》的要求。在環坯上切取試料，沿軸向、徑向和切向三個方向取樣，取樣位置如圖3。力學性能測試結果如表3～表5，力學性能滿足要求。硬度實測值為130HBW。

4　結論

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

圖2　鍛件的制坯示意圖

圖3　取樣位置示意圖

表3　鍛件切向力學性能檢測結果

表4　鍛件軸向力學性能檢測結果

表5　鍛件徑向力學性能檢測結果

(2)開坯后的的環坯采用國內最大壓力的立式碾環機輾環生產，鍛件的力學性能滿足設計要求，采用碾環工藝可以解決傳統自由鍛制備環件帶來的力學性能不能滿足要求的問題，可以滿足航空航天部件對環件組織性能、組織均勻性及批次穩定性等要求。

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

[2]郭強，嚴紅革，陳振華，等.多向鍛造技術研究進展[J].材料導報，2007，21(2)：106-108.

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

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

[5]門正興，孫燕飛，王海.大型筒體鍛造成形缺陷分析及預防[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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