大中型鋁合金高筒薄壁環(huán)件整體軋制成形技術

劉 浩 張文學 王恒強 魏博深 車景賓

（首都航天機械公司，北京 100076）

大中型鋁合金高筒薄壁環(huán)件整體軋制成形技術

劉 浩 張文學 王恒強 魏博深 車景賓

（首都航天機械公司，北京 100076）

基于環(huán)軋生產(chǎn)經(jīng)驗，提出利用徑-軸向軋制技術成形大中型鋁合金高筒薄壁環(huán)件，通過合理開坯、精確的控制零件軋制及冷卻過程，成功制備了直徑1230mm，高度818mm的薄壁高筒2A14鋁合金環(huán)件。制件力學性能優(yōu)良，均勻一致性程度高，遠優(yōu)于相關標準要求，環(huán)件外徑誤差2mm，內徑誤差3mm，尺寸精度高，滿足了航天產(chǎn)品結構件大型化、整體化、輕量化及高可靠性設計需求。

鋁合金；高筒環(huán)件；軋制成形

1 引言

鋁合金環(huán)形件由于具有比強度高、加工性能好等優(yōu)點，廣泛應用于航天工業(yè)重要緊固連接件與關鍵承力結構件，隨著航天制造領域輕量化、整體化目標的提出，大高徑比的筒形薄壁殼體結構件得以廣泛應用。目前，此類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，無法達到使用需求，因此，亟需一種新工藝來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的零件軋制近凈成形技術[1]，具有設備噸位小、生產(chǎn)效率高、材料利用率高等優(yōu)點，且環(huán)軋成形的零件金屬流線隨形狀分布，力學性能優(yōu)良，已成為實現(xiàn)航天領域高性能環(huán)件制造的重要支撐技術[2]（圖1）。

目前，航天制造領域對環(huán)件軋制的研究重點多集中在如何增大環(huán)件直徑（圖2）、異形軋制等方面[4～6]，對鋁合金薄壁高筒環(huán)件軋制的研究鮮有報道。鑒于此，本文提出將環(huán)件整體軋制技術應用于大中型高筒薄壁環(huán)件成形。

2 工藝方案設計

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)件粗加工后交付時的尺寸。環(huán)件直徑達1230mm，屬大中型環(huán)軋件；高度達818mm，相對高度大；環(huán)件質量近500kg，壁厚僅為59mm。軋制相對高度如此大的大型薄壁鋁合金筒形件在國內少有先例，無相關經(jīng)驗借鑒。

2.2 技術難點

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，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)件相對高度較大，若控制不當，側表面容易出現(xiàn)雙鼓肚，發(fā)展為側表面折疊缺陷。

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自由鍛造液壓機進行環(huán)坯制備，保證坯料成形過程中足夠的變形量，進而得到細小均勻的組織。結合生產(chǎn)經(jīng)驗與數(shù)值模擬結果，采用250t環(huán)軋機進行筒形環(huán)件軋制成形；

b.根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，總結環(huán)件在加熱與冷卻時尺寸的變化規(guī)律，設計合理的熱態(tài)加工尺寸，得到冷態(tài)尺寸精度高的產(chǎn)品。此外，通過控制加熱冷卻速度，調控構件內部溫度場的分布，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)件質量約500kg，在自重作用下，容易實現(xiàn)穩(wěn)定軋制，可避免爬輥、軋制失穩(wěn)問題的發(fā)生，因此，可采用“高度長大”的方式軋制成形。錐輥隨環(huán)件長大而抬高，始終與端面接觸但不嚴重制約軸向坯料流動，環(huán)件在高度方向上受力較小。通過主動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，制件側表面也不會出現(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)坯制備過程，圖4e為軋制過程。鋁合金鑄錠加熱后需反復墩拔變形，再經(jīng)沖孔、芯軸拔長與擴孔工藝，初步成形出軋制所用環(huán)坯（圖4d）。在軋制成形過程中，環(huán)軋機6個軋輥協(xié)同作用，使環(huán)坯直徑長大，并控制合理的直徑增大速率，最終得到滿足要求的構件，如圖4e所示。

3 實驗驗證

3.1 制坯

表1 晶粒度檢測結果

原材料晶粒度檢測結果見表1，可見，鑄錠表層晶粒度級別為較低的1級，鑄錠芯部晶粒度達到了較高的2.5級，各部位晶粒度不均勻，制坯時應采取多次墩粗與拔長的方式制備餅料，保證鑄錠足夠的變形量，得到均勻細小的組織。此外，開坯過程時間較長，坯料會有大的降溫，制坯過程應實時監(jiān)測坯料溫度變化，在坯料達到終鍛溫度前進行回爐保溫，防止鑄錠因變形溫度過低出現(xiàn)開裂，圖5為開坯后的環(huán)坯。

3.2 軋制成形

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

錐輥做為主動輥，隨環(huán)件長大向后運動，同時在高度方向做出相應調整，是環(huán)軋機輥系中運動最復雜的部分，若控制不當，會影響環(huán)件的軋制，造成折疊缺陷的產(chǎn)生。因此本文采取環(huán)件“高度長大”的方式軋制，錐輥隨環(huán)件長大而抬高，抬高速率根據(jù)體積不變原理確定。

高筒環(huán)件軋制過程如圖6所示，經(jīng)較短時間的初軋后，順利進入穩(wěn)定軋制階段，未出現(xiàn)爬輥、晃動等軋制失穩(wěn)現(xiàn)象。最終成形出表面質量較好的筒形環(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 結果分析

4.1 組織分析

圖9所示為環(huán)件金相圖，檢測結果表明，環(huán)件組織無過燒，晶粒均勻，無粗晶、混晶出現(xiàn)，軋制環(huán)件變形組織較明顯。超聲波探傷檢測后發(fā)現(xiàn)，缺陷當量等級符合GB/T 6519標準中A級標準要求。

4.2 力學性能分析

在環(huán)件圓周上均布取3組試樣，每組切向、軸向力學性能試樣各1個，力學性能實測值見表2，可見，性能遠遠優(yōu)于QJ502A—2001《鋁合金、銅合金鍛件技術條件》的標準值要求。此外，無論切向性能還是軸向性能，抗拉強度最大值與最小值的差別僅為5MPa，延伸率僅相差2%，說明環(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 力學性能檢測值

4.3 尺寸精度分析

在環(huán)件圓周方向均布取3對測量點，測量環(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)件冷卻過稱中徑向尺寸約收縮10mm，環(huán)件內外徑冷態(tài)尺寸與目標尺寸較接近，外徑尺寸與目標尺寸最大差別為2mm，內徑為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 結束語

a.采用徑-軸向數(shù)控軋制工藝成形的制件，表面質量好，尺寸精度高，性能符合相關標準要求。生產(chǎn)實踐證明，該工藝可用來生產(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)開創(chuàng)了新的道路；

b.采取“高度長大”的軋制方式，可以合理分配材料在徑、軸向的變形比例，主動利用和控制環(huán)件軋制過程中的不均勻變形，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.零件軋制技術的現(xiàn)狀與展望[J].航空制造技術，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].航空學報，2015，36(8)：2798～2799

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

4 周廣.大型環(huán)件徑軸向軋制成形工藝理論研究[D].武漢理工大學，2011

5 齊會萍，李永堂，華林，等.環(huán)形零件輾擴成形工藝研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機械工程學報，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和原理[M].北京：科學出版社，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，材料加工工程專業(yè)；研究方向：金屬材料塑性成形及熱處理。

2017-01-06