Análisis del proceso de conformado de piezas forjadas de cilindros de aleación de aluminio 2A14

Análisis del proceso de conformado de piezas forjadas de cilindros de aleación de aluminio 2A14

En el juicio proceso de producción de piezas forjadas de cilindros de aleación de aluminio 2A14, se adoptó un esquema de proceso de apertura de piezas en bruto de embutición transversal, expansión del armazón del caballo y alargamiento del eje del núcleo. La producción de laminado de anillos se llevó a cabo en una laminadora de anillos vertical, y se produjeron piezas forjadas que cumplían los requisitos de rendimiento mecánico.

La 2A14 es una aleación de aluminio deformable que puede tratarse térmicamente y reforzarse, perteneciente al sistema Al Cu Mg Si. Tiene una gran resistencia y propiedades termoplásticas, y es adecuada para fabricar piezas de gran carga con secciones gruesas. Se utiliza ampliamente en campos como el aeroespacial y el transporte civil. Para la fabricación de piezas forjadas cilíndricas de gran tamaño, debido al fenómeno de microestructura desigual, granos gruesos y segregación de componentes en barras de gran diámetro, se utilizan métodos de forja convencionales para el conformado, lo que plantea dificultades en la forja a través y garantizar la calidad de las piezas forjadas. Aplicando una gran deformación plástica al lingote mediante forja, se puede mejorar la microestructura y el refinamiento del grano, mejorando así las propiedades mecánicas integrales del material y obteniendo un material de anillo de laminación con una microestructura excelente. A continuación, el proceso de anillo de laminación puede utilizarse para producir piezas forjadas que cumplan los requisitos de rendimiento mecánico. Sobre la base de nuestra propia tecnología de laminado de anillos de forja cilíndricos profundos, combinada con las características de proceso inherentes a los materiales de aleación de aluminio, nuestra empresa ha resumido un conjunto de procesos de apertura de piezas en bruto adecuados para el conformado de cilindros de aleación de aluminio. Hemos utilizado la mayor laminadora vertical de anillos de China para producir y fabricar con éxito Aleación de aluminio 2A14 forjas de cilindros con un tamaño de Φ1020mm×Φ900mm×1270mm.

1. Estado del 2A14 piezas forjadas de aleación de aluminio para cilindros

La materia prima para el forjado es el lingote 2A14 proporcionado por Southwest Aluminum Industry Co., Ltd. La composición química de la materia prima se muestra en la tabla 1. El estado de suministro es T6 (solución sólida+envejecimiento artificial). Los requisitos de rendimiento mecánico se muestran en la Tabla 2. Las dimensiones del mecanizado en bruto piezas forjadas se muestran en la figura 1. El peso de forja es relativamente pesado (peso de corte 1250 kg).

2. Análisis del proceso de conformado de piezas forjadas de cilindros de aleación de aluminio 2A14

El método tradicional de fabricación de piezas forjadas cilíndricas consiste en utilizar la conformación por forja libre. Es difícil que las barras de gran tamaño consigan una estructura fina y uniforme, y es necesario utilizar una deformación plástica suficiente durante la apertura de la palanquilla para transformar la estructura tal y como se ha fundido en una estructura uniforme y fina adecuada para el posterior procesamiento de forja, mejorando así las propiedades mecánicas globales del material. Por lo tanto, cómo maximizar la cantidad de deformación y refinar la microestructura es un proceso clave para la apertura de cilindros forjados de aleación de aluminio de gran tamaño. Las investigaciones han demostrado que el método de gran deformación plástica (SPD) puede refinar significativamente el tamaño del grano y mejorar en gran medida la resistencia y la tenacidad del material. Sin embargo, este método se encuentra actualmente en fase de investigación experimental. Para el conformado de piezas cilíndricas de aleación de aluminio, Zhang Wenwen et al. estudiaron el proceso de apertura de piezas en bruto de aleación de aluminio 2219 de gran tamaño mediante forja multidireccional. Las piezas fundidas se sometieron a recalcado y deformación por alargamiento en tres direcciones, y la conformación de piezas en bruto de anillo de gran tamaño se logró mediante la expansión del bastidor de caballo. En la producción industrial, el uso del recalcado transversal y el estirado con deformación suficiente puede eliminar la direccionalidad de la estructura y las propiedades de la aleación de aluminio, mejorar la uniformidad de la estructura y las propiedades, y mejorar el rendimiento general del producto. El proceso es sencillo y el coste bajo.

Tabla.1 Composición química de las materias primas (fracción másica,%)

Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Ni	Zn	Ti	Al
1	0.3	4.22	0.79	0.57	0.02	0.08	0.03	Permitaance

Tabla.2 Requisitos de las propiedades mecánicas de las piezas forjadas de los cilindros de aleación de aluminio 2A14

	Rm/MPa	A( %)	HBW
Retrato	≥410	≥8	≥120
Transverse	≥355	≥4
Radial	≥335	≥3

Figura.1 Dibujo dimensional de piezas forjadas
En el proceso de producción de prueba de las piezas forjadas de cilindros 2A14, se utilizó una combinación de estirado transversal, expansión del armazón de caballo y alargamiento del mandril para aumentar la relación de forja y la deformación en las tres direcciones de altura vertical y horizontal, mejorando así el rendimiento integral del producto. El flujo de proceso específico para la fabricación de piezas forjadas de cilindros 2A14 es el siguiente: corte → rectificado → fabricación de tochos → mecanizado del orificio interior → orificio de expansión del armazón de caballo → alargamiento del mandril → laminado de anillos → tratamiento térmico → pruebas de rendimiento → procesamiento mecánico. La temperatura inicial de forja del tocho es de 470 ℃, y la temperatura final de forja se controla por encima de 370 ℃. El tocho se fabricó utilizando un método de estirado transversal recalcado en una prensa hidráulica de 36MN, con una deformación total de 265%. El diagrama esquemático de la producción de tochos se muestra en la figura 2. La deformación por recalcado cruzado aumenta el grado de deformación del lingote, garantizando la uniformidad de la deformación del lingote. Durante el proceso de forja, la superficie de contacto entre el tocho y la cabeza del martillo y el yunque inferior cambia a menudo, lo que no provocará una reducción excesiva de la temperatura local, reduciendo así el riesgo de grietas en la cara extrema.
Tras el recalcado transversal y la embutición de la pieza en bruto del anillo, ésta se enfría y se mecaniza con un orificio interior. A continuación, la pieza en bruto del anillo se coloca en un horno de calentamiento para calentarla, y el material para laminar el anillo se fabrica ampliando el agujero en un bastidor de caballo (con una deformación total de 10%) y alargando el eje del núcleo (con una deformación total de 20%). A continuación, el material se recalienta por segunda vez y se lamina en una laminadora de anillos vertical de 2300 mm. La velocidad de avance radial de la laminadora de anillos es de (0,6-0,7) mm/s, y la deformación es de 49%. El tratamiento térmico adopta el tratamiento T6 (solución sólida+envejecimiento artificial), y el método específico es: aislamiento a 500 ℃ durante 4 horas, refrigeración por agua; aislamiento a 160 ℃ durante 7 horas, refrigeración por aire. Se sierra una muestra de 120 mm en un extremo del cilindro para realizar pruebas físicas y químicas, y luego se mecaniza al tamaño requerido.

3. Análisis de los resultados de la producción de prueba de las piezas forjadas del cilindro 2A14

Las dimensiones externas de la prueba de forja de cilindros producida según el plan de proceso anterior cumplen los requisitos de procesamiento, y los resultados de la inspección cumplen los requisitos de los Métodos de ensayo por ultrasonidos para productos de aleación de aluminio y magnesio forjados (GB/T6519-2013). Corte el material de prueba del anillo en bruto y tome muestras en tres direcciones: axial, radial y tangencial. Las posiciones de muestreo se muestran en la figura 3. Los resultados de las pruebas de rendimiento mecánico se muestran en las tablas 3 a 5, y las propiedades mecánicas cumplen los requisitos. El valor de dureza medido es de 130HBW.

4. Conclusión

(1) El esquema del proceso de estirado transversal, expansión del bastidor del caballo y alargamiento del mandril para la forja cilíndrica de aleación de aluminio 2A14 tiene suficiente deformación, lo que favorece el perfeccionamiento de la estructura, la mejora de las propiedades mecánicas del material en diferentes direcciones y la obtención de buenas piezas brutas de anillo de laminación.

Figura.2 Diagrama esquemático del tocho de forja

Figura.3 Diagrama esquemático del lugar de muestreo

Tabla.3 Resultados de las pruebas de las propiedades mecánicas tangenciales de las piezas forjadas

	Ubicación y dirección del muestreo	Rm/MPa	Rp0.2/MPa	A(%)
Valor estándar	Retrato	≥410	-	8-14
Valor de prueba	Longitudinal 0 °	435	330	13. 5
	Longitudinal 90 °	430	330	8. 5
	Vertical 180 °	420	295	11
	Vertical 270 °	420	300	10

Tabla.4 Resultados de las pruebas de las propiedades mecánicas axiales de las piezas forjadas

	Lugar y dirección del muestreo	Rm/MPa	A(%)
Valor estándar	Horizontal por anchura (axial)	≥355	4-14
Valor de prueba	Axial 0 °	425	11
	Axial 90 °	430	12
	Axial 180 °	415	11.5
	Axial 270 °	415	10

Tabla.5 Resultados de la inspección de las propiedades mecánicas radiales de las piezas forjadas

	Lugar y dirección del muestreo	Rm/MPa	A(%)
Valor estándar	Horizontal por espesor (radial)	≥335	3-14
Valor de prueba	Radial 0 °	385	4
	Radial 90 °	390	4
	Radial 180 °	365	4.5
	Radial 270 °	375	4.5

(2) La pieza en bruto de anillo después de la apertura se produce con la laminadora vertical de anillos con mayor presión de China. Las propiedades mecánicas del forjado cumplen los requisitos de diseño. El uso de la tecnología de laminado en anillo puede resolver el problema de las propiedades mecánicas que no pueden cumplir los requisitos aportados por la tradicional libre anillo de forja piezas, y puede satisfacer los requisitos de los componentes aeroespaciales en cuanto a rendimiento de la estructura del anillo, uniformidad y estabilidad del lote.

Autor: Liu Zhi