劉 浩 張文學(xué) 王恒強(qiáng) 魏博深 車(chē)景賓

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

大中型鋁合金高筒薄壁環(huán)件整體軋制成形技術(shù)

劉 浩 張文學(xué) 王恒強(qiáng) 魏博深 車(chē)景賓

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

基于環(huán)軋生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，提出利用徑-軸向軋制技術(shù)成形大中型鋁合金高筒薄壁環(huán)件，通過(guò)合理開(kāi)坯、精確的控制零件軋制及冷卻過(guò)程，成功制備了直徑1230mm，高度818mm的薄壁高筒2A14鋁合金環(huán)件。制件力學(xué)性能優(yōu)良，均勻一致性程度高，遠(yuǎn)優(yōu)于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，環(huán)件外徑誤差2mm，內(nèi)徑誤差3mm，尺寸精度高，滿足了航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件大型化、整體化、輕量化及高可靠性設(shè)計(jì)需求。

鋁合金；高筒環(huán)件；軋制成形

1 引言

鋁合金環(huán)形件由于具有比強(qiáng)度高、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天工業(yè)重要緊固連接件與關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件，隨著航天制造領(lǐng)域輕量化、整體化目標(biāo)的提出，大高徑比的筒形薄壁殼體結(jié)構(gòu)件得以廣泛應(yīng)用。目前，此類(lèi)制件廣泛采用自由鍛造工藝或砂型鑄造工藝生產(chǎn)，尺寸精度低、組織性能較差，無(wú)法達(dá)到使用需求，因此，亟需一種新工藝來(lái)滿足鋁合金高筒薄壁殼體環(huán)件的生產(chǎn)。

環(huán)件徑-軸向數(shù)控軋制工藝是一種先進(jìn)的零件軋制近凈成形技術(shù)[1]，具有設(shè)備噸位小、生產(chǎn)效率高、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，且環(huán)軋成形的零件金屬流線隨形狀分布，力學(xué)性能優(yōu)良，已成為實(shí)現(xiàn)航天領(lǐng)域高性能環(huán)件制造的重要支撐技術(shù)[2]（圖1）。

目前，航天制造領(lǐng)域?qū)Νh(huán)件軋制的研究重點(diǎn)多集中在如何增大環(huán)件直徑（圖2）、異形軋制等方面[4～6]，對(duì)鋁合金薄壁高筒環(huán)件軋制的研究鮮有報(bào)道。鑒于此，本文提出將環(huán)件整體軋制技術(shù)應(yīng)用于大中型高筒薄壁環(huán)件成形。

2 工藝方案設(shè)計(jì)

2.1 零件情況

本文以2A14鋁合金為例，研究筒形件的成形情況。零件尺寸如圖3所示，其中圖3a為軋制成形后環(huán)件的尺寸，圖3b為環(huán)件粗加工后交付時(shí)的尺寸。環(huán)件直徑達(dá)1230mm，屬大中型環(huán)軋件；高度達(dá)818mm，相對(duì)高度大；環(huán)件質(zhì)量近500kg，壁厚僅為59mm。軋制相對(duì)高度如此大的大型薄壁鋁合金筒形件在國(guó)內(nèi)少有先例，無(wú)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)借鑒。

2.2 技術(shù)難點(diǎn)

a.原材料為直徑630mm的鋁合金鑄錠，坯料尺寸大，表層與芯部金屬組織、成分不均勻程度高，若變形過(guò)程不能有效控制，容易出現(xiàn)制件各部位組織、性能差異，甚至力學(xué)性能不合格的現(xiàn)象；

b.該零件屬于大中型薄壁環(huán)件，整體呈弱剛性，環(huán)件容易翹曲、變形，難以保證制件圓度。成形過(guò)程存在多次加熱冷卻，若單純考慮材料的膨脹系數(shù)，得到產(chǎn)品的內(nèi)外徑尺寸往往有較大偏差，尺寸精度控制困難；

c.據(jù)以往環(huán)軋生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，環(huán)件端面極易產(chǎn)生折疊缺陷，造成零件超聲波探傷不合格，本文所述環(huán)件相對(duì)高度較大，若控制不當(dāng)，側(cè)表面容易出現(xiàn)雙鼓肚，發(fā)展為側(cè)表面折疊缺陷。

2.3 工藝性分析

a.考慮到鋁合金鑄錠變形所需載荷與坯料尺寸，選用7000T自由鍛造液壓機(jī)進(jìn)行環(huán)坯制備，保證坯料成形過(guò)程中足夠的變形量，進(jìn)而得到細(xì)小均勻的組織。結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果，采用250t環(huán)軋機(jī)進(jìn)行筒形環(huán)件軋制成形；

b.根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)環(huán)件在加熱與冷卻時(shí)尺寸的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)合理的熱態(tài)加工尺寸，得到冷態(tài)尺寸精度高的產(chǎn)品。此外，通過(guò)控制加熱冷卻速度，調(diào)控構(gòu)件內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布，防止不同部位出現(xiàn)較大的冷熱不均現(xiàn)象，減小尺寸變形。

c.環(huán)件質(zhì)量約500kg，在自重作用下，容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定軋制，可避免爬輥、軋制失穩(wěn)問(wèn)題的發(fā)生，因此，可采用“高度長(zhǎng)大”的方式軋制成形。錐輥隨環(huán)件長(zhǎng)大而抬高，始終與端面接觸但不嚴(yán)重制約軸向坯料流動(dòng)，環(huán)件在高度方向上受力較小。通過(guò)主動(dòng)利用和控制材料的不均勻變形，端面凹槽不易發(fā)展成折疊缺陷，制件側(cè)表面也不會(huì)出現(xiàn)鼓肚現(xiàn)象，可避免折疊缺陷的形成。

2.4 工藝流程制定

高筒環(huán)件制造主要由環(huán)坯制備與軋制成形兩部分組成（圖4），其中，圖4a至圖4d為環(huán)坯制備過(guò)程，圖4e為軋制過(guò)程。鋁合金鑄錠加熱后需反復(fù)墩拔變形，再經(jīng)沖孔、芯軸拔長(zhǎng)與擴(kuò)孔工藝，初步成形出軋制所用環(huán)坯（圖4d）。在軋制成形過(guò)程中，環(huán)軋機(jī)6個(gè)軋輥協(xié)同作用，使環(huán)坯直徑長(zhǎng)大，并控制合理的直徑增大速率，最終得到滿足要求的構(gòu)件，如圖4e所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 制坯

表1 晶粒度檢測(cè)結(jié)果

原材料晶粒度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)，鑄錠表層晶粒度級(jí)別為較低的1級(jí)，鑄錠芯部晶粒度達(dá)到了較高的2.5級(jí)，各部位晶粒度不均勻，制坯時(shí)應(yīng)采取多次墩粗與拔長(zhǎng)的方式制備餅料，保證鑄錠足夠的變形量，得到均勻細(xì)小的組織。此外，開(kāi)坯過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，坯料會(huì)有大的降溫，制坯過(guò)程應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)坯料溫度變化，在坯料達(dá)到終鍛溫度前進(jìn)行回爐保溫，防止鑄錠因變形溫度過(guò)低出現(xiàn)開(kāi)裂，圖5為開(kāi)坯后的環(huán)坯。

3.2 軋制成形

軋制過(guò)程較重要的是軋制曲線的設(shè)定，首先根據(jù)環(huán)件在加熱與冷卻時(shí)尺寸的變化規(guī)律計(jì)算出高筒環(huán)件的熱態(tài)尺寸，其次設(shè)定初軋、穩(wěn)定軋制、終軋的直徑長(zhǎng)大速率，控制徑向與軸向變形配比，最終完成軋制曲線的設(shè)定。

錐輥?zhàn)鰹橹鲃?dòng)輥，隨環(huán)件長(zhǎng)大向后運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在高度方向做出相應(yīng)調(diào)整，是環(huán)軋機(jī)輥系中運(yùn)動(dòng)最復(fù)雜的部分，若控制不當(dāng)，會(huì)影響環(huán)件的軋制，造成折疊缺陷的產(chǎn)生。因此本文采取環(huán)件“高度長(zhǎng)大”的方式軋制，錐輥隨環(huán)件長(zhǎng)大而抬高，抬高速率根據(jù)體積不變?cè)泶_定。

高筒環(huán)件軋制過(guò)程如圖6所示，經(jīng)較短時(shí)間的初軋后，順利進(jìn)入穩(wěn)定軋制階段，未出現(xiàn)爬輥、晃動(dòng)等軋制失穩(wěn)現(xiàn)象。最終成形出表面質(zhì)量較好的筒形環(huán)件（圖7），制件端面存有較淺的凹槽（圖8），但凹槽未發(fā)展成閉合的折疊缺陷，側(cè)表面未出現(xiàn)鼓肚現(xiàn)象，軋制缺陷得到了較好的控制。

4 結(jié)果分析

4.1 組織分析

圖9所示為環(huán)件金相圖，檢測(cè)結(jié)果表明，環(huán)件組織無(wú)過(guò)燒，晶粒均勻，無(wú)粗晶、混晶出現(xiàn)，軋制環(huán)件變形組織較明顯。超聲波探傷檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，缺陷當(dāng)量等級(jí)符合GB/T 6519標(biāo)準(zhǔn)中A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 力學(xué)性能分析

在環(huán)件圓周上均布取3組試樣，每組切向、軸向力學(xué)性能試樣各1個(gè)，力學(xué)性能實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2，可見(jiàn)，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于QJ502A—2001《鋁合金、銅合金鍛件技術(shù)條件》的標(biāo)準(zhǔn)值要求。此外，無(wú)論切向性能還是軸向性能，抗拉強(qiáng)度最大值與最小值的差別僅為5MPa，延伸率僅相差2%，說(shuō)明環(huán)件各處性能均勻性較好。但不可忽略的是，切向性能明顯優(yōu)于軸向性能，其中延伸率的差別較大。

表2 力學(xué)性能檢測(cè)值

4.3 尺寸精度分析

在環(huán)件圓周方向均布取3對(duì)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量環(huán)件軋制完成后冷、熱兩種狀態(tài)尺寸，如表3所示，因環(huán)件采取“高度長(zhǎng)大”的方式軋制，上下端面存有凹槽，環(huán)件高度方向尺寸不予討論。

表3顯示，環(huán)件冷卻過(guò)稱(chēng)中徑向尺寸約收縮10mm，環(huán)件內(nèi)外徑冷態(tài)尺寸與目標(biāo)尺寸較接近，外徑尺寸與目標(biāo)尺寸最大差別為2mm，內(nèi)徑為3mm，圓度可控制在4mm左右，產(chǎn)品尺寸精度較高。

表3 環(huán)件冷、熱態(tài)尺寸

5 結(jié)束語(yǔ)

a.采用徑-軸向數(shù)控軋制工藝成形的制件，表面質(zhì)量好，尺寸精度高，性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。生產(chǎn)實(shí)踐證明，該工藝可用來(lái)生產(chǎn)高度較大的薄壁環(huán)件，為大中型高筒薄壁鋁合金環(huán)件的生產(chǎn)開(kāi)創(chuàng)了新的道路；

b.采取“高度長(zhǎng)大”的軋制方式，可以合理分配材料在徑、軸向的變形比例，主動(dòng)利用和控制環(huán)件軋制過(guò)程中的不均勻變形，可避免折疊缺陷的形成；

c.軋制環(huán)件變形組織較明顯，導(dǎo)致軸向延伸率與切向延伸率存在一定差異，如何提高軋制鋁合金環(huán)件各向性能一致性尚需研究。

1 胡正寰，劉晉平.零件軋制技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].航空制造技術(shù)，2004，3：49～51

2 郭良剛，楊合，邸偉佳.TC4鈦合金薄壁帶筋錐形環(huán)輾軋充填規(guī)律[J].航空學(xué)報(bào)，2015，36(8)：2798～2799

3 賀佳陽(yáng)，王雷剛，黃瑤，等.環(huán)件軋制過(guò)程鼓形毛坯變化規(guī)律及塌邊缺陷分析[J].鍛壓技術(shù)，2014，39(3)：48

4 周廣.大型環(huán)件徑軸向軋制成形工藝?yán)碚撗芯縖D].武漢理工大學(xué)，2011

5 齊會(huì)萍，李永堂，華林，等.環(huán)形零件輾擴(kuò)成形工藝研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，14：81～86

6 楊合.局部加載控制不均勻變形與精確塑性成形技術(shù)和原理[M].北京：科學(xué)出版社，2014.396～398

Technology of Large and Medium ThinAluminumAlloy Ring Rolling

Liu Hao Zhang Wenxue Wang Hengqiang Wei Boshen Che Jingbin
(CapitalAerospace Machinery Company,Beijing 100076)

Based on ring rolling production experience,a method to forming large and medium thin aluminum alloy ring by radial-axial NC ring rolling was put forward in this paper.By reasonable manufacturing of blanks and accurate controlling of ring rolling and cooling process,a high and thin 2A14 aluminum alloy ring was manufactured,of which the diameter was about 1200mm and the height reached 818mm.The mechanical properties of the ring were excellent and uniform,which were far better than the relevant standards.The dimensional accuracy of the ring was very high,the outer diameter error was just 2mm and the inner diameter error was just 3mm.These could meet the large-scale, integration,lightweight and high reliability of the design requirements of the aerospace products.

aluminum；cylindrical ring；ring rolling

劉浩（1989-），碩士，材料加工工程專(zhuān)業(yè)；研究方向：金屬材料塑性成形及熱處理。

2017-01-06