2A12硬铝合金锥形壳体件近净锻造成形数值模拟与实验研究

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高性能高强度铝合金锥形壳体是某弹体的关键结构件之一,其成形效果对弹体的整体使用性能起着决定性作用。当前,高强铝合金锥形壳体零件正面临精密成形和良好成性的调控难题。本项目所研究的2A12硬铝合金锥形壳体件包括圆弧状锥体和薄壁型壳体两部分,在弹体上起着承载、连接、密封的重要作用,是一个需要批量化生产的零件。采用传统的机械切屑加工方法存在生产效率低、材料浪费严重、机加工件使用性能不足等工程问题。随着兵器弹药产业对零部件成形质量和使用性能的要求日益提高,机械切屑加工方法不再适宜于该零件的生产。近净锻造成形技术是指锻件经少量加工或不再加工便达到或接近成品零件的形状和尺寸,可用作机械构件的锻造成形技术,它是“新工艺+新材料+新装备+新技术”的综合集成技术。精密热模锻作为一种精密的锻造成形方法,能够实现2A12高强度铝合金零件的近净成形。通过对锥形壳体件的精密热模锻成形过程进行数值模拟及成形工艺试验研究,获得可行且可靠的近净锻造成形工艺方案,对该锥形壳体件以及同类零件的实际生产具有指导性意义。本论文针对某弹体用2A12硬铝合金锥形壳体件的精密热模锻成形过程,采用有限元数值模拟、锻造工艺试验、金属流线分析、显微组织观察、显微硬度测试等手段对锥形壳体件的热模锻成形规律以及相应的组织性能进行研究。主要工作与结论如下:(1)根据2A12硬铝合金锥形壳体件的结构特点及尺寸,进行了成形工艺分析、工艺方案设计、数值模拟试验。结果表明:采用工艺路线为Φ50 mm棒料带锯下料→热正挤压制坯→热复合挤压制坯→热反挤压预成形→热镦挤成形的优化方案,能够有效地防止褶皱、破坏、飞边等缺陷的出现。同时,优化方案所需要的成形载荷低,模具使用寿命提高,锥形壳体锻件的成形质量优异。(2)根据成形工艺方案,进行了模具设计与制造、锻造工艺试验。结果表明:按照优化方案进行锻造工艺试验,成功制得金属充型饱满,主要尺寸达到设计要求的锥形壳体锻件。在锥形壳体精密热模锻成形的工艺试验中,各工序所需要的最大成形力与数值模拟试验得到的成形力较为接近。(3)通过对成形锻件进行金属流线分析、金相显微分析以及显微硬度测试。分析表明:锥形壳体锻件具有良好的金属流线,较高的组织致密度,且硬度的平均提升幅度达到了39.5%,因此采用精密热模锻能够获得力学性能优异的2A12硬铝合金锥形壳体锻件。(4)通过对比分析表明,采用精密热模锻的方法加工锥形壳体件,材料的利用率达到了85.8%,实现了2A12硬铝合金锥形壳体件的近净锻造成形;相较于机械切屑加工的方法,其材料的利用率提高了52.3%,生产效率提高了25倍。
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