2A14铝合金气缸锻件的成型工艺分析

2A14铝合金气缸锻件的成型工艺分析

在审判中 2A14 铝合金气缸锻件的生产工艺采用了横镦拉伸、马架扩张和芯轴伸长的毛坯开模工艺方案。在立式辗环机上进行辗环生产，生产出符合机械性能要求的锻件。

2A14 是一种可热处理和强化的可变形铝合金，属于 Al Cu Mg Si 系。它具有高强度和热塑性，适用于制造厚截面的高负荷零件。它广泛应用于航空航天和民用运输等领域。对于大型圆柱锻件的制造，由于其微观结构不均匀、晶粒粗大、成分偏析等现象，因此在生产过程中会产生许多问题。 大直径棒材由于采用了传统的锻造方法，因此在锻造时很难穿透，而且锻造过程也很困难。 确保锻件质量.通过锻造对钢锭施加大的塑性变形，可以改善微观结构和晶粒细化，从而提高材料的综合机械性能，获得微观结构优异的轧环材料。然后，再利用轧环工艺生产出满足机械性能要求的锻件。我公司在自有深圆柱锻造轧环工艺的基础上，结合铝合金材料固有的工艺特点，总结出一套适合铝合金圆柱成形的开坯工艺。我们采用国内最大的立式轧环机生产并成功制造出了 2A14 铝合金 气缸锻件 大小为 Φ1020mm×Φ900mm×1270mm.

1.2A14 的状况 铝合金气缸锻件

锻造原材料为西南铝业有限公司提供的 2A14 铝锭。原材料的化学成分如表 1 所示。交货状态为 T6（固溶+人工时效）。机械性能要求见表 2。粗加工尺寸 冲压件 如图 1 所示。锻造重量相对较重（切削重量为 1250 千克）。

2.2A14 铝合金气缸锻件成型工艺分析

气缸锻件的传统制造方法是采用自由锻造成形。大型棒材很难达到精细均匀的结构，需要在开坯过程中利用充分的塑性变形，将铸坯结构转变为适合后续锻造加工的均匀精细结构，从而提高材料的综合力学性能。因此，如何最大限度地提高变形量并细化微观结构是大型铝合金缸体锻件开坯的关键工序。研究表明，大塑性变形法（SPD）可以显著细化晶粒尺寸，大大提高材料的强度和韧性。不过，这种方法目前还处于实验研究阶段。针对铝合金气缸零件的成形，张文文等人研究了采用多向锻造的大型 2219 铝合金的开坯工艺。铸件经三个方向的镦粗和伸长变形，通过马架扩径实现了大尺寸环形毛坯的成形。在工业生产中，采用充分变形的交叉镦粗和拉拔，可以消除铝合金结构和性能的方向性，提高结构和性能的均匀性，改善产品的综合性能。工艺简单，成本低。

表 1 原料的化学成分（质量分数，%）

矽	羽毛	銅	Mn	镁	尼	锌	Ti	ǞǞǞ
1	0.3	4.22	0.79	0.57	0.02	0.08	0.03	允许阳离子

表 2 2A14 铝合金气缸锻件的机械性能要求

	Rm/MPa	A( %)	HBW
肖像	≥410	≥8	≥120
Transver见	≥355	≥4
径向	≥335	≥3

图 1 锻件尺寸图
在2A14缸体锻件试制过程中，采用了横镦拉伸、马架扩径、芯轴拉伸相结合的方法，增加了锻造比和纵横高三个方向的变形量，从而提高了产品的综合性能。制造 2A14 缸体锻件的具体工艺流程为：下料→磨削→制坯→加工内孔→马架扩孔→芯轴拉伸→环轧→热处理→性能检测→机械加工。坯料的初锻温度为 470 ℃，终锻温度控制在 370 ℃ 以上。坯料在 36MN 液压机上采用交叉镦拉法生产，整体变形量为 265%。方坯生产示意图如图 2 所示。十字交叉镦粗变形增加了钢锭的变形度，保证了钢锭变形的均匀性。在锻造过程中，钢坯与锤头和下砧的接触面经常发生变化，不会造成局部温度过度降低，从而降低了端面出现裂纹的风险。
环坯经横向镦粗和拉伸后，冷却并加工出内孔。然后将环坯放入加热炉中加热，并通过在马架上扩孔（整体变形量为 10%）和拉长芯轴（整体变形量为 20%）制成轧制环的环材料。然后，对材料进行第二次加热，并在 2300mm 立式轧环机上进行轧制。轧环机的径向进给速度为 (0.6-0.7) mm/s，变形量为 49%。热处理采用 T6（固溶+人工时效）处理，具体方法为：500 ℃保温 4 小时，水冷；160 ℃保温 7 小时，空冷。在圆柱体的一端锯出 120mm 的试样，进行物理和化学测试，然后加工成所需尺寸。

3.2A14 缸体锻件试制结果分析

按上述工艺方案试制的气缸锻件外形尺寸符合加工要求，检测结果符合《锻造铝镁合金产品超声波检测方法》（GB/T6519-2013）的要求。从环坯料上切割测试材料，在轴向、径向和切向三个方向取样。取样位置如图 3 所示。机械性能测试结果如表 3 至表 5 所示，机械性能符合要求。测得的硬度值为 130HBW。

4.结论

(1）2A14铝合金圆柱锻造的横镦拉拔、马架膨胀、芯轴伸长工艺方案变形充分，有利于细化结构，提高材料不同方向的力学性能，获得良好的轧制环坯。

图 2 锻坯示意图

图 3 采样地点示意图

表 3 锻件切向力学性能的测试结果

	采样地点和方向	Rm/MPa	Rp0.2/MPa	A（%）
标准值	肖像	≥410	-	8-14
测试值	纵向 0 °	435	330	13. 5
	纵向 90 °	430	330	8. 5
	垂直 180 °	420	295	11
	垂直 270 °	420	300	10

表 4 锻件轴向机械性能的测试结果

	采样地点和方向	Rm/MPa	A(%)
标准值	水平宽度（轴向）	≥355	4-14
测试值	轴向 0 °	425	11
	轴向 90 °	430	12
	轴向 180 °	415	11.5
	轴向 270 °	415	10

表.5 锻件径向机械性能的检测结果

	采样地点和方向	Rm/MPa	A（%）
标准值	水平厚度（径向）	≥335	3-14
测试值	径向 0 °	385	4
	径向 90	390	4
	径向 180 °	365	4.5
	径向 270 °	375	4.5

(2) 开口后的环坯由国内压力最高的立式轧环机生产。锻件的力学性能满足设计要求。采用辗环技术可以解决传统自由锻带来的机械性能无法满足要求的问题。 锻造环 部件，并能满足航空航天部件对环形结构性能、均匀性和批次稳定性的要求。

作者：刘志刘智