鋁合金楔橫軋軋制技術(shù)研究現(xiàn)狀

李 濤

（山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南250101）

0 引言

鋁合金以其質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、塑性好、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點，在金屬產(chǎn)品應(yīng)用中僅次于鋼鐵。隨著航空航天、汽車工業(yè)的快速發(fā)展，石油化工、機(jī)械電器、電子通信、醫(yī)療器械等新型行業(yè)的迅速崛起，鋁合金材料的應(yīng)用急劇增加，在國民經(jīng)濟(jì)中的地位越來越重要[1]。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染、能源與資源的缺乏等問題日益嚴(yán)峻，如何在金屬加工中提高材料利用率、節(jié)約能源和資源成為新的研究方向。楔橫軋技術(shù)作為一種近凈成形工藝越來越受到關(guān)注。與傳統(tǒng)的軸類零件生產(chǎn)方法相比，楔橫軋工藝在材料利用率和生產(chǎn)效率方面有著顯著提高。

1 楔橫軋技術(shù)的發(fā)展

楔橫軋技術(shù)最早出現(xiàn)于二十世紀(jì)初，由于當(dāng)時的技術(shù)和生產(chǎn)水平落后，一直沒有投入到實際生產(chǎn)中。直到六十年代初，捷克將楔橫軋技術(shù)應(yīng)用于小型汽車的零件制作中，開始得到廣泛重視，逐漸成為眾所周知的軸類零件塑性成形新工藝技術(shù)。

我國最早在二十世紀(jì)六十年代開始對楔橫軋技術(shù)進(jìn)行探討和實驗，經(jīng)過幾十年的研究和實踐，我國的楔橫軋技術(shù)無論在設(shè)備還是工藝方面都取得了極大進(jìn)步，已位列國際領(lǐng)先地位，并成為世界上研發(fā)和投產(chǎn)楔橫軋技術(shù)最多的國家之一，為我國在節(jié)能、節(jié)材、高效生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。

楔橫軋技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用最為廣泛，如汽車變速箱的傳動軸，汽車半軸，發(fā)動機(jī)凸輪軸，油泵齒輪軸等。由于楔橫軋工藝的高效性以及質(zhì)量好、耗材少等優(yōu)點，在實際生產(chǎn)中逐漸替代了傳統(tǒng)的沖壓鍛造和車削工藝。如火車車軸每年需求量達(dá)30 萬根，目前國內(nèi)的主要加工方法是自由鍛和精鍛，具有耗材高、質(zhì)量低、產(chǎn)品缺陷多等弊端，采用楔橫軋技術(shù)則可以很好地解決這些問題。

2 鋁合金楔橫軋技術(shù)

2.1 鋁合金楔橫軋技術(shù)的研究意義

工業(yè)純鋁由于質(zhì)脆、塑性差，在楔橫軋加工中易破碎，并且在實際中用處不大，更多地被鋁合金所代替。鋁合金具有4 個特征[2]：

（1）質(zhì)量輕。鋁的密度為2.79g/cm3，約為鋼的1/3，在滿足相同機(jī)械性能要求的條件下，鋁件比鋼件減重70%。

（2）抗沖撞、抗彎曲，耐腐蝕，具有可靠的安全系數(shù)。在相撞事故中，鋁比鋼多吸收50%的能量。

（3）能耗低。由于鋁的熔點低，在加工中不需要耗費更多的能量，這在與其他金屬的經(jīng)濟(jì)比較中應(yīng)該考慮。

（4）具有良好的再回收能力。

楔橫軋技術(shù)對鋼鐵件的軋制工藝已較成熟，但由于鋼與鋁合金的組織結(jié)構(gòu)、材料的塑形變形性能都有明顯差異，楔橫軋技術(shù)對鋁合金件的軋制工藝的研究還比較少，因此，對鋁合金件的楔橫軋工藝進(jìn)行分析研究是十分必要的。

2.2 楔橫軋工藝參數(shù)的研究現(xiàn)狀

模具設(shè)計是楔橫軋工藝的核心之一，主要有上、下模具和擋板的設(shè)計，成形角α、展寬角β 和斷面收縮率φ 是模具設(shè)計的主要工藝參數(shù)。楔橫軋模具的設(shè)計能夠使得軋件正常旋轉(zhuǎn)，是楔橫軋軋制的前提條件，工藝參數(shù)的選擇一般滿足以下關(guān)系：[3]

圖1 模具工藝參數(shù)示意圖

式中：dk——軋件的滾動直徑；

d1——軋制成形后的直徑；

D1——軋輥模具的滾動直徑。

從上式可知，摩擦系數(shù)的增大可大大改善軋件的旋轉(zhuǎn)，同時也受斷面收縮率的影響。因此，為保證軋件的正常旋轉(zhuǎn)，在楔面上刻畫平行于軸線的條紋，來增加模具的摩擦系數(shù)，還要考慮斷面收縮率的取值。

隨著斷面收縮率的增加，軋件發(fā)生頸縮和拉斷的幾率大大增加，為確定大斷面收縮率對軋制工藝質(zhì)量的加工極限，賈震[5]等對一次軋制大斷面收縮率的軋件的心部質(zhì)量進(jìn)行了深入研究，得出了大斷面收縮率的軋件的心部質(zhì)量要優(yōu)于一般斷面收縮率軋件的軋制，并揭示了其原因：其在軋制過程中金屬的瞬時軸向流動量大，心部剩余金屬少，以致不能滿足曲線的發(fā)展空間等。

在楔橫軋的模具設(shè)計中，軋齊曲線是一個很重要的設(shè)計內(nèi)容，設(shè)計人員經(jīng)過多年的理論設(shè)計和實際生產(chǎn)積累了豐富的經(jīng)驗，并提出了很多軋齊曲線的算法和公式。胡發(fā)國[6]等提出了一種計算螺旋錐體體積的新算法，得到的軋齊曲線形式簡潔、便于實際應(yīng)用，通過DEFORM 軟件進(jìn)行了模擬仿真，驗證了其正確性。

2.3 鋁合金楔橫軋技術(shù)的研究現(xiàn)狀

楔橫軋成形過程不同于傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨等去除金屬的加工方法，楔橫軋成形是一個非常復(fù)雜的大彈塑性變形過程，軋制過程比較短，但軋制速度比較快，軋件成形過程非常復(fù)雜，影響其變形過程的工藝參數(shù)很多。任何工藝參數(shù)的改變都可能直接或間接影響軋制工藝的正常運行。

在楔橫軋加工過程中會出現(xiàn)一些缺陷，分為外部和內(nèi)部缺陷。外部缺陷包括表面折迭、表面螺旋壓痕、彎曲變形、縮頸、表面有深坑（壓痕）和未充滿等；內(nèi)部缺陷包括中心疏松和空洞。李世磊總結(jié)了實際生產(chǎn)中產(chǎn)生各種缺陷的原因并給出解決方法，可以針對性地對模具進(jìn)行修模，降低軋件廢品率[8]。

在軋制過程中可能同時具有壓縮、拉伸、彎曲、剪切等變形方式，心部金屬在拉應(yīng)力的作用下隨著軋件旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到一定的變形量后，產(chǎn)生塑性疏松，形成裂紋，其產(chǎn)生的機(jī)理需要從內(nèi)部材料在變形過程中的變形溫度、變形速率以及應(yīng)變應(yīng)力場的分布和演化規(guī)律著手進(jìn)行深入研究，目前計算機(jī)技術(shù)及有限元模擬技術(shù)的發(fā)展為此提供了有效的研究手段。

隨著楔橫軋技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中越來越廣泛的應(yīng)用，對楔橫軋工藝的要求越來越高，希望能夠得到質(zhì)量更好、力學(xué)性能更高的產(chǎn)品。在軋制過程中，材料的微觀組織將隨著金屬的溫度和變形進(jìn)行變化，如動態(tài)、靜態(tài)再結(jié)晶和晶粒長大等一系列的變化，而這些變化將影響著產(chǎn)品最終的力學(xué)性能和質(zhì)量。

楔橫軋加工屬于塑性大變形加工，不同于質(zhì)量變化的加工如車、削、刨、磨等，材料加工完畢后要發(fā)生晶粒的變化。趙培峰等對6061 鋁合金楔橫軋塑性成形顯微組織進(jìn)行了分析，確立了亞晶粒直徑與Zener-Hollomon 參數(shù)z 之間的關(guān)系[9]。

鋁合金軋制時，由于鋁的粘性大，摩擦較大，容易引起粘鋁；但使用潤滑劑又比較容易引起打滑，軋件不轉(zhuǎn)，因此必須選擇合理的潤滑劑和潤滑方法。伍太賓[10]等在軋制鋁合金連桿的臺階軸類毛坯時采用了豬油作為潤滑劑，潤滑方式采用噴淋法，在軋輥轉(zhuǎn)動過程中，模具始終處于被豬油包圍的狀態(tài)下。在軋制過程中對模具進(jìn)行加熱，可以減輕鋁件粘連現(xiàn)象。

3 總結(jié)語

（1）隨著楔橫軋技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁合金楔橫軋技術(shù)越來越受到關(guān)注，國內(nèi)相關(guān)單位的聯(lián)合攻關(guān)已取得一定進(jìn)展，但要解決體積成形生產(chǎn)和應(yīng)用中的各種問題，形成我國的專有技術(shù)和創(chuàng)新成果，尚有大量的技術(shù)工作有待深入進(jìn)行。

（2）在研究鋁合金楔橫軋工藝的同時，探討各種金屬（如銅、鎳、鈦等）的楔橫軋加工中的思路，為它們的實際生產(chǎn)做技術(shù)、知識準(zhǔn)備，具有研究的可行性和必要性。

[1]中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會，中國機(jī)械工程學(xué)會.機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展報告[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

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[9]趙培峰.6061 鋁合金楔橫軋塑性成形顯微組織分析[J].特種鑄造及有色合金，2008：414-416.

[10]伍太賓，等.鋁合金連桿的臺階軸類毛坯楔型橫軋成型加工工藝[J].汽車技術(shù)，2007：56-59.

[11]袁文生，王忠雷.基于Delphi 的楔橫軋模具輔助設(shè)計系統(tǒng)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，40（6）：93-95.