鋁及鋁合金正反向擠壓關(guān)鍵技術(shù)研究

張 君，侯永超，楊 建，付永濤，張宗元

(金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國重型機(jī)械研究院股份公司 陜西 西安 710032)

0 引言

近年來，隨著航空航天、核電、汽車、軍工和船舶工業(yè)等的快速發(fā)展，對無縫鋁管尤其是高性能特種工業(yè)無縫鋁管的需求日益增加，對產(chǎn)品機(jī)械性能和組織性能的要求也越來越高［1］。

國外已經(jīng)對反向擠壓進(jìn)行了大量的研究，1926 年開始進(jìn)行了工業(yè)上的應(yīng)用，并在美國、前蘇聯(lián)、德國、法國和日本等國家推廣應(yīng)用［2］。

我國的反向擠壓是從1986 年引進(jìn)國外設(shè)備并開始進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的，先后引進(jìn)德國28 MN、36 MN、45 MN 和55 MN 等多臺(tái)鋁管棒材反向擠壓機(jī)，洛陽銅加工集團(tuán)引進(jìn)日本一臺(tái)20 MN 銅材反向擠壓機(jī)［3］。進(jìn)入21 世紀(jì)，通過引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新，我國的反向擠壓技術(shù)研究步伐加快，已研制出31.5 MN 單動(dòng)反向銅擠壓機(jī)［4］、25 MN 雙動(dòng)正反向鋁擠壓生產(chǎn)線等。目前，正在研制大型反向鋁擠壓裝備。本文主要介紹了正反向鋁擠壓裝備的關(guān)鍵技術(shù)［5，6］。

1 金屬正反向聯(lián)合擠壓關(guān)鍵技術(shù)研究

正反向聯(lián)合擠壓可以在同一臺(tái)擠壓裝備上完成正向擠壓和反向擠壓。反向擠壓過程的主要優(yōu)點(diǎn)如下［7］:

(1)擠壓力比正向擠壓過程小;

(2)對于同一種規(guī)格的鋁型材在同樣名義噸位的設(shè)備上進(jìn)行正向擠壓和反向擠壓來講，反向擠壓可以施加更大的擠壓力，同時(shí)，反向擠壓鋁錠坯在模具出口處的溫升小;

(3)在反向擠壓過程中，由于鋁錠坯芯部和周邊沒有相對位移，所以擠壓力和鋁錠坯的長度關(guān)系不大，反向擠壓設(shè)備的擠壓容室一般比正向擠壓要長;

(4)鋁錠坯表面沒有了和擠壓容室內(nèi)壁之間摩擦產(chǎn)生的熱量，在擠壓結(jié)束時(shí)，鋁錠坯尾部沒有溫升，鋁型材表面不易產(chǎn)生裂紋，因此反向擠壓的速度可以高一些;

(5)工模具的壽命長，尤其是擠壓容室的內(nèi)襯，由于沒有摩擦的影響，壽命比正向擠壓過程顯著增長;

(6)鋁錠坯的流動(dòng)特性好，不易產(chǎn)生擠壓缺陷和粗晶環(huán);

(7)鋁錠坯表面雜質(zhì)不會(huì)進(jìn)入鋁錠坯的后部，擠壓容室內(nèi)部沒有材料的紊流。

反向擠壓方法的缺點(diǎn)是鋁錠坯表面的雜質(zhì)會(huì)進(jìn)入鋁型材表面，主要是由于此部分雜質(zhì)既不會(huì)由于擠壓容室和鋁錠坯之間的摩擦進(jìn)入鋁錠坯后部而保留在殘料里，也不會(huì)由于脫皮擠壓而存在擠壓殼內(nèi)［8］。因此，在擠壓之前，就要求對鋁錠坯的表面進(jìn)行處理，一般進(jìn)行機(jī)械加工。另一方面，由于中空擠壓桿的限制，無法采用象正向擠壓方法用分流模的擠壓方式擠壓截面大的鋁型材，所擠壓的鋁型材截面小，從而使反向擠壓不能用于所有的鋁型材生產(chǎn)。

采用正反聯(lián)合擠壓，不僅可以具備反向擠壓的優(yōu)點(diǎn)，而且可以生產(chǎn)截面尺寸大的鋁型材，克服反向擠壓的缺點(diǎn)，但需要對正反聯(lián)合擠壓存在的技術(shù)難題進(jìn)行研究，主要包括:有效摩擦擠壓結(jié)構(gòu)原理和控制技術(shù)、雙動(dòng)擠壓穿孔針機(jī)械固定精度控制技術(shù)、正反聯(lián)合擠壓控制技術(shù)和在線駐波淬火冷卻技術(shù)。

1.1 有效摩擦擠壓結(jié)構(gòu)原理和控制技術(shù)

有效摩擦擠壓是沿金屬流動(dòng)方向施力于擠壓筒，利用擠壓筒同錠坯之間的高摩擦應(yīng)力促進(jìn)金屬流出擠壓模?？椎臄D壓方法。擠壓時(shí)擠壓筒沿金屬流出方向以高于擠壓桿的速度移動(dòng)，擠壓筒作用給錠坯的摩擦力的方向與通常正向擠壓時(shí)的相反，從而使摩擦力得到有效利用，促進(jìn)金屬的流動(dòng)速度。實(shí)現(xiàn)有效摩擦擠壓的必要條件是擠壓筒與錠坯之間不能有潤滑劑，以便建立起高的摩擦應(yīng)力。

圖1 有效摩擦擠壓示意圖Fig.1 Effective friction extrusion sketch

如圖1 所示，在擠壓過程中，擠壓桿1 受到擠壓力Pe的作用，通過擠壓墊3 將擠壓力傳遞到鋁錠坯5 上，同時(shí)，擠壓筒在推力Pc的作用下沿著擠壓方向向前運(yùn)動(dòng)，對鋁錠坯施加一個(gè)有效摩擦力fc，鋁錠坯在擠壓桿和擠壓筒共同的作用下被擠壓變形，由于中間有穿孔針的作用，被擠壓成無縫管材。

常規(guī)正向和反向的擠壓力計(jì)算公式如下［9］:

式中，Psh為正向擠壓時(shí)的擠壓力，N;A0為擠壓或擠壓筒與穿孔針之間的環(huán)形面積，mm2;σ0為與變形速度和溫度有關(guān)的變形抗力，MPa;λ為擠壓比;D為擠壓筒直徑，mm;L為鐓粗后的錠坯長度，mm;β為修正系數(shù)，取β=1.3～1.5，硬合金取下限，軟合金取上限;Pf為反向擠壓時(shí)的擠壓力，N。

正向擠壓摩擦力是阻力，反向擠壓無摩擦力，而有效摩擦擠壓摩擦力是動(dòng)力，因此可以得到有效摩擦擠壓的擠壓力計(jì)算公式如下:

式中，Pe為有效摩擦擠壓時(shí)的擠壓力，N;Pc為施加在擠壓筒上驅(qū)動(dòng)力，N。

由公式(3)和(4)可以看出:摩擦力和鋁錠坯的長度成正比例，隨著擠壓過程的進(jìn)行，鋁錠坯長度減短，有效摩擦力逐漸下降，擠壓力略為上升。

有效摩擦擠壓的關(guān)鍵是控制擠壓筒和擠壓桿同步運(yùn)動(dòng)，在同步運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，擠壓筒向鋁錠坯施加靜摩擦力fc。因此，在控制擠壓筒的運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅要控制擠壓筒移動(dòng)油缸的壓力，而且要控制移動(dòng)速度，是速度和力量的協(xié)調(diào)控制，速度環(huán)和力量環(huán)均實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，在力量環(huán)飽和的情況下調(diào)整速度環(huán)。

由前面摩擦力的計(jì)算公式可得擠壓筒移動(dòng)油缸液壓系統(tǒng)壓力計(jì)算公式如下:

式中，n為擠壓筒移動(dòng)油缸數(shù)量;d為擠壓筒移動(dòng)油缸活塞直徑，mm。

擠壓筒移動(dòng)缸的流量由以下公式確定:

式中，Vc為擠壓筒移動(dòng)油缸液體流量，mm3;D1為擠壓機(jī)主油缸注塞直徑，mm;D2為擠壓機(jī)兩側(cè)缸活塞直徑，mm;V為擠壓機(jī)主側(cè)缸液體總流量，mm3。

根據(jù)以上的計(jì)算公式提出控制依據(jù)，在有效摩擦擠壓過程中，首先保證擠壓筒移動(dòng)油缸活塞腔的系統(tǒng)壓力按照以上計(jì)算結(jié)果設(shè)定，然后根據(jù)擠壓桿的擠壓速度來確定擠壓筒的速度，使得擠壓筒的速度略大于擠壓桿的速度，同時(shí)通過對二者相對位移的反饋來修正擠壓筒的速度，從而使得在擠壓過程中沿?cái)D壓方向產(chǎn)生較高的有效摩擦力，擠壓桿和擠壓筒的移動(dòng)趨于同步。

1.2 雙動(dòng)擠壓穿孔針固定精度控制技術(shù)

雙動(dòng)反向擠壓機(jī)主要用于生產(chǎn)高質(zhì)量的無縫管材，擠壓無縫鋁管材多采用固定針擠壓工藝，其關(guān)鍵就是穿孔針固定精度控制技術(shù)［10］。

中小型雙動(dòng)擠壓機(jī)的穿孔裝置多采用內(nèi)置式穿孔系統(tǒng)，穿孔缸為活塞缸，缸體為主柱塞的內(nèi)孔，供油系統(tǒng)采用伸縮油管結(jié)構(gòu)。穿孔活塞設(shè)在主柱塞的內(nèi)孔后部，其它部件均安裝在主柱塞的內(nèi)孔前部和移動(dòng)橫梁內(nèi)，穿孔針的定針方式有機(jī)械定針和液壓定針兩種［11］。

液壓定針方法是對穿孔針油缸進(jìn)行控制，通過采用高頻響的比例閥、快速反應(yīng)的PLC 和檢測元件，提高穿孔針油缸的響應(yīng)速度，提高固定穿孔針的定針精度，進(jìn)而提高管材的內(nèi)表面質(zhì)量。目前比較好的液壓定針方法固定針精度可以達(dá)到±1 mm，震蕩精度可以達(dá)到±0.1 mm［12］。

對于液壓定針來說，由于擠壓過程穿孔針受力變化，擠壓過程穿孔油缸的液壓系統(tǒng)壓力要隨之變化，但由于液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的反應(yīng)速度較慢，導(dǎo)致固定針精度實(shí)際較低。

針對此，提出一種內(nèi)置式液壓系統(tǒng)、后端機(jī)械固定的解決方案，如圖2 所示。

此種結(jié)構(gòu)的雙動(dòng)擠壓機(jī)，液壓系統(tǒng)內(nèi)置，而機(jī)械定針裝置安裝在主油缸的后端，通過連桿和穿孔系統(tǒng)的活塞連接。當(dāng)進(jìn)行穿孔擠壓時(shí)，機(jī)械定針裝置根據(jù)程序設(shè)定的位置調(diào)整，內(nèi)置式的穿孔系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)穿孔針前進(jìn)通過鋁錠坯進(jìn)入模具內(nèi)一段距離，此時(shí)，機(jī)械定針裝置接觸主油缸后部而停止前進(jìn)，穿孔針位置即被機(jī)械固定，之后的穿孔擠壓為固定針擠壓。

這種機(jī)械定針精度比較高，除去穿孔系統(tǒng)受力的彈性變形，機(jī)械定針的精度趨于零，震蕩精度也是趨于零。

機(jī)械固定針擠壓對于直針來說，穿孔系統(tǒng)控制比較簡單，但對于“瓶針”來講，由于穿孔力變化比較大，因此在擠壓末端對穿孔針會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和擠壓方向相反的力，這就需要在穿孔系統(tǒng)的活塞腔施加一個(gè)和擠壓方向相同的力來平衡，即需要給活塞腔通壓力油。

通過以上解決方案，可以極大地提高穿孔系統(tǒng)固定針精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1.3 正反聯(lián)合擠壓控制技術(shù)

正反聯(lián)合擠壓機(jī)不僅可以進(jìn)行正向擠壓，而且可以完成反向擠壓，擠壓機(jī)具備完整的正向和反向擠壓所需的裝置，而且可以快速的在正反向功能之間進(jìn)行切換。

研究提出了如圖3 所示的擠壓裝置，以實(shí)現(xiàn)正反聯(lián)合擠壓。

圖2 內(nèi)置液壓系統(tǒng)、后端機(jī)械定針雙動(dòng)擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 Built-in hydraulic system and trailing end setscrew extrusion sketch

圖3 正反聯(lián)合擠壓裝置示意圖Fig.3 Direct and indirect double-action extrusion sketch

圖3 中，正反聯(lián)合擠壓機(jī)不僅有正向使用安裝在前梁上的主剪刀6，而且配備安裝在擠壓筒上的反向使用主剪刀3，采用目前先進(jìn)的雙軸反向擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)，擠壓筒單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)有效摩擦擠壓。對于正向擠壓，則是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的長行程擠壓結(jié)構(gòu)。

為了實(shí)現(xiàn)正反向之間的快速更換，提出了雙動(dòng)正反向擠壓機(jī)用新型模具快換方法，即正向、雙動(dòng)反向擠壓過程共用一個(gè)快換模裝置，將正向擠壓模座位和雙動(dòng)反向模座位分別設(shè)置在移動(dòng)模架的兩個(gè)位置，靠后梁內(nèi)側(cè)為反向擠壓模座位，靠后梁外側(cè)為正向擠壓換模位，正向擠壓時(shí)，正向擠壓模座在拉模缸帶動(dòng)下從正向擠壓模座位進(jìn)入擠壓位，模具鎖緊缸鎖緊模座進(jìn)行擠壓，反向擠壓時(shí)，拉模缸將正向擠壓模座推到正向擠壓模座位，將反向擠壓模座位的反向擠壓模座拉入擠壓位，模座鎖緊缸鎖緊模座進(jìn)行擠壓，從而就實(shí)現(xiàn)了正反向之間的快速切換。

1.4 在線駐波淬火冷卻技術(shù)

通常的鋁擠壓淬火中，牽引出來的鋁料的冷卻是通過風(fēng)冷卻、水霧冷卻和風(fēng)冷+水霧冷卻。一般情況下，反向鋁擠壓機(jī)擠壓出的鋁料壁厚，風(fēng)冷卻時(shí)，鋁料通過淬火區(qū)后，溫度仍然較高，這直接影響鋁料后續(xù)處理;水霧冷卻時(shí)，由于噴頭布置和噴灑角度的影響，鋁料冷卻不均勻，導(dǎo)致淬火后鋁料彎曲嚴(yán)重［13］。因此就需要冷卻速率更高的淬火裝置。

在線駐波淬火技術(shù)是一種新型反向鋁擠壓機(jī)用淬火方法，其技術(shù)方案是淬火區(qū)內(nèi)設(shè)置水槽，水槽底部沿?cái)D壓方向分布有托輥，水槽兩側(cè)側(cè)壁分布有噴嘴，水槽底部鋁料進(jìn)、出口位置分別設(shè)置噴水管道，管道面對面布置，與水槽底成40°角，在淬火區(qū)水槽底部鋁料出口位置設(shè)有回水管道。

淬火時(shí)，鋁料的壁厚較小，可采用水槽兩側(cè)噴嘴進(jìn)行淬火冷卻，如果鋁料壁厚較大或?yàn)楣馨舨臅r(shí)，淬火水槽底部進(jìn)、出口噴水管將高壓水注入水槽，由于兩管道面對面成40°角布置，因而在水槽內(nèi)會(huì)形成一定高度的水體，鋁料淬火時(shí)將從水中穿過進(jìn)行駐波水冷卻，這樣鋁料不僅在水中得到快速冷卻，并且鋁料冷卻過程變形均勻。圖4為在線駐波淬火裝置示意圖。

圖4 在線駐波淬火裝置示意圖Fig.4 Online standing wave quenching unit sketch

如圖4 所示，反向擠壓過程中，擠出鋁料的壁厚較小時(shí)，鋁料通過托輥2 時(shí)，淬火水槽7 兩側(cè)壁噴嘴6 噴水冷卻鋁料;擠壓出鋁料的壁厚較大時(shí)，鋁料通過托輥2 時(shí)，水槽7 上蓋板5 在液壓缸帶動(dòng)下蓋在水槽上方，同時(shí)，淬火水槽7 底部進(jìn)、出口噴水管1 和3 將高壓水注入水槽，由于兩管道面對面成40°角布置，因而在水槽7 內(nèi)會(huì)形成一定高度的水體，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定水位后，調(diào)整進(jìn)水流量使出水管4 流量和進(jìn)水管1 和3 流量總和相同，淬火時(shí)，鋁料將從水中穿過，這樣鋁料不僅在水中得到快速冷卻，并且鋁料冷卻過程變形均勻。

在線駐波淬火技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)鋁料的壁厚大小，選取水霧或駐波水冷卻，淬火冷卻后，不僅使溫度下降到要求范圍，又可以使鋁料淬火后機(jī)械性能均勻和變形量小。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過以上關(guān)鍵技術(shù)的研制和創(chuàng)新，開發(fā)了25 MN 雙動(dòng)正反向擠壓生產(chǎn)線，其主要技術(shù)參數(shù)如下:

25 MN 擠壓生產(chǎn)線(圖5)2013 年投入使用，不僅擠出了鋁型材，而且擠出了高質(zhì)量無縫鋁管(圖6)，是中國首臺(tái)(套)正反向擠壓設(shè)備。

圖5 25 MN 雙動(dòng)正反向擠壓機(jī)ig.525 MN direct and indirect double-action extrusion sketch

圖6 25 MN 雙動(dòng)正反向擠壓機(jī)擠壓無縫鋁管Fig.6 25 MN direct and indirect double-action extrusion extrude seamless aluminum pipe

在此擠壓生產(chǎn)線上進(jìn)行了有效摩擦擠壓，試驗(yàn)擠壓力明顯比反向擠壓力小，提出的有效摩擦擠壓控制技術(shù)切實(shí)可行;采用內(nèi)置式穿孔系統(tǒng)、機(jī)械固定針工藝提高了定針精度和產(chǎn)品質(zhì)量;正反聯(lián)合擠壓裝置功能齊全，功能切換方便;在線駐波淬火實(shí)現(xiàn)了各種不同鋁產(chǎn)品的快速冷卻，產(chǎn)品性能良好。

3 結(jié)論

通過關(guān)鍵技術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以得到以下結(jié)論:

(1)有效摩擦擠壓可以減少擠壓力，提出的雙閉環(huán)控制技術(shù)切實(shí)可行;

(2)提出的后端機(jī)械固定、內(nèi)置式穿孔系統(tǒng)的方案有效地提高固定針的精度;

(3)正反聯(lián)合擠壓結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了正反向擠壓功能，是一個(gè)高度集成、功能切換快捷有效的方案;

(4)在線駐波淬火技術(shù)可以滿足正反向各種鋁擠壓產(chǎn)品不同速度快速冷卻的技術(shù)要求，提高了產(chǎn)品性能。

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