带三个内筋的高强轻质2A14铝合金薄壁锥筒环件的成形工艺制造技术

本发明专利技术涉及环件轧制技术领域，尤其是涉及带三个内筋的高强轻质2A14铝合金薄壁锥筒环件的成形工艺。本发明专利技术首先通过开式轧制先将矩形截面坯料成形出异形截面预锻件，之后将异形截面预锻件通过闭式轧制成形出带三个内筋薄壁锥筒锻件。本发明专利技术降低了矩形截面坯料直接成形带三个内筋薄壁锥筒环件的难度，一体化成形能力强，提高材料利用率，最大限度保留轧制形成的完整金属流线，并提高环件的力学性能。并提高环件的力学性能。并提高环件的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
带三个内筋的高强轻质2A14铝合金薄壁锥筒环件的成形工艺


[0001]本专利技术涉及环件轧制
，尤其是涉及带三个内筋的高强轻质2A14铝合金薄壁锥筒环件的成形工艺。

技术介绍

[0002]新型航天装备为了提升运载能力、速度、航程等关键性能指标，其主体结构大量采用轻质高强薄壁带筋整体结构。大型铝合金薄壁带内筋锥筒环件是航天装备的关键主承载构件，其整体化成形有利于航天装备实现大运力远航程的需求。此类构件内壁形状复杂(含上中下三个内筋)，具有壁薄、截面突变且尺寸跨度大的特点(壁厚与筋高、筋宽相差近10倍，壁厚与环件轴向高度相差近60倍，壁厚与外径相差112倍)。同时采用高强度变形铝合金材料，各向力学性能一致性要求高。铝合金薄壁带内筋锥筒环件的极端结构和材料难加工特性使得其制造质量、效率及成本控制难度极大。高性能、高效率、低成本铝合金带筋锥筒制造技术是我国新型航天装备发展的重大需求。
[0003]环件轧制(简称环轧)是无缝环筒类构件先进塑性成形技术，它利用轧辊的旋转驱动与直线进给作用使环坯产生连续局部塑性变形，进而实现整体直径扩大、壁厚减薄和截面轮廓成形。环轧工艺具有成形性能好、精度高、效率高等综合优点，是当前航天轻质高强复杂环件的国际主流制造技术，在航天装备壳段、过渡环、端框等关键构件制造中广泛应用。利用传统环轧工艺直接轧制薄壁带内筋锥筒环件存在以下困难与挑战：
[0004](1)传统环轧过程中，薄壁环件由于刚度较低，极易发生塑性失稳，从而导致其难以稳定轧制成形；
[0005](2)对于截面形状复杂的带筋环件，其轧制过程中必须通过轴向重新分配金属以填充孔型，即大量金属必须沿轴向长距离转移充填型腔才能实现不同位置筋的成形。
[0006]然而，环件轧制过程中金属主要沿周向流动用于直径扩大，而难以轴向长距离流动成形内筋，易出现填不满等缺陷。
[0007]工业上制造铝合金薄壁带内筋锥筒通常采用两种方法：
[0008](1)将铝合金薄板卷起来，再焊接成薄壁圆筒，并将环形筋部通过铆钉或焊接的方式连接到铝合金卷板焊成的圆筒上，得到铝合金薄壁带内筋锥筒。这种加工方式产生的环件在焊接位置容易破裂且加入的铆钉不利于轻量化；
[0009](2)将矩形截面坯料轧制成直径更大的矩形截面环件，再采用切削加工的方法获得复杂截面的环件。这种加工方式存在材料利用率低(不足10％)、加工周期长、轧制形成的完整金属流线被切除，产品性能难以保证的问题。
[0010]目前，针对环件一体化成形技术的研究极少涉及带三个内筋薄壁锥筒环件的近净成形制造。武汉理工韩星会等人提出了一种闭式轧制成形新方法。闭式轧制是在环件外部套一个内外径尺寸固定的环形约束模，使其限制环坯金属的周向流动，限制环件直径的扩大。环件金属的周向流动被约束可促进金属沿轴向流动填充孔型。在变形后期，环坯外表面与约束模内表面相贴合也利于薄壁低刚度的环件稳定轧制成形且成形后的环件外表面圆
度好。韩星会等人针对内台阶筒形件、内深槽环等环筒构件的成形设计出对应的闭式轧制方案(专利技术专利号：ZL201310047365.5、ZL201310047889.4、ZL201711148558.4)。由于锻件截面形状较为简单，只涉及单个筋的孔型填充，利用矩形截面坯料即可成形目标环件；田端阳等(Constraining ring rolling of thin
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walled conical rings with transverse ribs.DOI:10.1016/j.ijmecsci.2022.107394)研究了含上下两筋的小尺寸环件的闭式轧制成形工艺方案及工业试验，通过闭式轧制使矩形截面坯料的金属沿轴向向两端流动以填充上下筋。最近，钱东升等(申请号：CN202110890579.3)针对带上中下三筋的复杂截面薄壁环件(不带锥度)，提出了开式轧制+闭式轧制的复合成形想法：先将矩形截面环坯通过开式轧制获得大直径的矩形截面预锻件，之后将轴向高度较低的矩形截面预锻件通过闭式轧制得到轴向高度更高的目标锻件，期望在闭式轧制过程中，矩形截面预锻件径向壁厚不断降低，轴向高度不断增加，且三筋协同成形。
[0011]但是针对带上中下三筋的复杂截面薄壁锥筒环件，直接采用矩形截面坯料进行成形存在以下问题：
[0012](1)由于金属在轴向上的流动差异，直接采用矩形截面坯料会导致中间筋生长速度高于上下两个筋，无法实现三筋的协同成形；
[0013](2)部分孔型过度填充会导致环件成形力急剧增大，导致无法找到满足成形吨位要求的设备；
[0014](3)由于环件壁薄，且环件顶部存在需要金属填充的上端筋孔型，若预锻件在闭式轧制过程中存在轴向高度的不断增加，轴向生长的薄壁由于刚度差极容易在上端筋的孔型处发生弯折缺陷。
[0015]综上所述，目前环件一体化成形研究尚未涉及带上中下三筋的复杂截面薄壁锥筒环件的成形。面对新型航天装备铝合金带内筋锥筒环件的高性能、高效率、低成本制造发展需求，迫切需要设计适合带三个内筋薄壁锥筒环件的近净轧制成形技术，大幅减少切削加工，保留轧制形成的完整金属流线和细密晶粒组织，从而大幅提高产品性能、制造效率和材料利用率。

技术实现思路

[0016]为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供带三个内筋的高强轻质2A14铝合金薄壁锥筒环件的成形工艺。本专利技术首先通过开式轧制先将矩形截面坯料成形出异形截面预锻件，之后将异形截面预锻件通过闭式轧制成形出带三个内筋薄壁锥筒锻件。本专利技术降低了矩形截面坯料直接成形三筋薄壁锥筒环件的难度，一体化成形能力强，提高材料利用率，最大限度保留轧制形成的完整金属流线，并提高环件的力学性能。
[0017]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0018]本专利技术提供一种带三个内筋的高强轻质2A14铝合金薄壁锥筒环件的成形工艺，包括以下步骤：
[0019](1)将利用高强轻质2A14铝合金预制的矩形截面坯料套在开式轧制芯辊上，控制辗环机使开式轧制主辊与矩形截面坯料相接触，完成一次装配；
[0020](2)启动辗环机驱动开式轧制主辊朝开式轧制芯辊方向作直线进给运动，且开式轧制主辊进行自转运动；矩形截面坯料和开式轧制芯辊在摩擦力的带动下分别绕其轴线自
转，利用上锥辊和下锥辊控制矩形截面坯料的轴向高度，开式轧制过程中，开式轧制主辊对矩形截面坯料施加压力，使矩形截面坯料与开式轧制芯辊外周面逐渐接触，直至矩形截面坯料完全填充主辊与芯辊构成的型腔；完成开式轧制，获得上端筋和下端筋预成型的异形截面预锻件；
[0021](3)将异形截面预锻件约束于约束辊的内部型腔中，将异形截面预锻件和约束辊加热后套在闭式轧制芯辊上；启动辗环机使闭式轧制主辊和约束辊的外周面贴合，闭式轧制芯辊的外周面与异形截面预锻件的内周面相贴合，完成二次装配；
[0022](4)启动辗环机驱动闭式轧制主辊朝闭式轧制芯辊方向作直线进给运动，且闭式轧制主辊进行自转运动；闭式轧制主辊与约束辊之间所产生的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带三个内筋的高强轻质2A14铝合金薄壁锥筒环件的成形工艺，其特征在于，包括以下步骤：(1)将利用高强轻质2A14铝合金预制的矩形截面坯料套在开式轧制芯辊上，控制辗环机使开式轧制主辊与矩形截面坯料相接触，完成一次装配；(2)启动辗环机驱动开式轧制主辊朝开式轧制芯辊方向作直线进给运动，且开式轧制主辊进行自转运动；开式轧制主辊对矩形截面坯料施加压力，利用上锥辊和下锥辊控制矩形截面坯料的轴向高度，使矩形截面坯料与开式轧制芯辊外周面逐渐接触，直至矩形截面坯料完全填充主辊与芯辊构成的型腔；完成开式轧制，获得上端筋和下端筋预成型的异形截面预锻件；(3)将异形截面预锻件约束于约束辊的内部型腔中，后处理后将其套在闭式轧制芯辊上；启动辗环机使闭式轧制主辊和约束辊的外周面贴合，闭式轧制芯辊的外周面与异形截面预锻件的内周面相贴合，完成二次装配；(4)启动辗环机驱动闭式轧制主辊朝闭式轧制芯辊方向作直线进给运动，且闭式轧制主辊进行自转运动；闭式轧制主辊推动约束辊对异形截面预锻件施加压力，使异形截面预锻件与闭式轧制芯辊外周面逐渐接触，直至异形截面预锻件完全填充满约束辊与闭式轧制芯辊构成的型腔，完成闭式轧制；后处理得到上端筋、终端筋和下端筋成型的薄壁锥筒环件，也即带三个内筋的高强轻质2A14铝合金薄壁锥筒环件。2.根据权利要求1所述的一种带三个内筋的高强轻质2A14铝合金薄壁锥筒环件的成形工艺，其特征在于，步骤(1)中，所述高强轻质2A14铝合金中各物质重量百分比如下：含Si量0.85％、含Fe量0.35％、含Cu量4.45％、含Mn量0.7％、含Mg量0.5％、含Cr量0.05％、含Zn量0.125％、含Ti量0.075％、含Zr量0.025％、余量为Al。3.根据权利要求2所述的一种带三个内筋的高强轻质2A14铝合金薄壁锥筒环件的成形工艺，其特征在于，矩形截面坯料的预制方法具体如下：(1.1)将高强轻质2A14铝合金棒料加热至变形温度，保温后开坯、冲孔获得初始坯料...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈飞，田笑，王贺，张恒，王恒强，刘飞，宫成，孙宏波，袁德勇，王兵，崔振山，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：