鋁合金飛機(jī)旋翼型材生產(chǎn)過程控制探索

程仁寨，肖 棟，曹善鵬，付 凱，張涵源

（山東南山鋁業(yè)股份有限公司鋁材公司，龍口265706）

0 前言

旋翼是飛機(jī)的重要部件，在飛行過程中，旋翼起產(chǎn)生升力和拉力的雙重作用。不僅如此，旋翼還起到類似于飛機(jī)副翼、升降舵的作用[1]。旋翼的使用環(huán)境較為苛刻，其槳尖線速度多在200m/s以上，承受較大的離心力；飛行過程中氣流的多變性使其長期處于復(fù)雜的受力狀態(tài)下；高頻率圓周運(yùn)動(dòng)容易造成旋翼材料的疲勞失效；此外極端惡劣天氣對旋翼材料的耐蝕性和抗老化性能也提出了更高的要求。旋翼材料的發(fā)展經(jīng)歷了鋼木混合結(jié)構(gòu)槳葉、金屬槳葉、玻璃鋼復(fù)合材料槳葉、新型復(fù)合材料槳葉的發(fā)展歷程[2]，槳葉壽命也隨著使用材料的變革得到了很大的提升。

隨著國防科工、民用飛機(jī)的發(fā)展、輕量化意識(shí)的提高，鋁制槳葉逐步進(jìn)入人們的視線。鋁合金材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗疲勞、耐蝕、導(dǎo)熱性好，是制作飛機(jī)旋翼的理想材料[3]。加之現(xiàn)代擠壓技術(shù)操作簡單、生產(chǎn)效率高、可生產(chǎn)復(fù)雜形狀的斷面，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)鋁、銅等有色金屬的管材和型材，為鋁合金旋翼型材的制作提供了技術(shù)支持和理論依據(jù)。

目前國外已實(shí)現(xiàn)小型旋翼飛機(jī)用槳葉型材來制作，并已實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。而國內(nèi)關(guān)于一體擠壓成型旋翼型材的相關(guān)報(bào)道較少，主要原因在于槳葉型材斷面復(fù)雜，制程工藝控制嚴(yán)格，技術(shù)要求較高[4]。

本文將針對某槳葉型材進(jìn)行制程工藝的分析，并確定各工藝過程的參數(shù)范圍，分析總結(jié)了生產(chǎn)過程中的難點(diǎn)并提出解決方案，以期可以獲得穩(wěn)定的槳葉生產(chǎn)工藝，保證槳葉型材的批量化生產(chǎn)。

1 槳葉斷面分析及合金選擇

圖1為客戶提供的槳葉斷面圖。該斷面寬度為209.48 mm，高度為25.25 mm，腔體數(shù)量為6，其中最左側(cè)兩腔體設(shè)為連通狀態(tài)（此做法可提高模具壽命，降低擠壓難度）。斷面前緣壁厚為3 mm，后緣壁厚為1.3 mm，壁厚差異大，且壁厚過度較為突兀，擠壓難度大。該型材后期需要進(jìn)行氧化處理。綜合考慮性能要求、型材擠壓難度、氧化難易程度等因素，槳葉鋁合金型材定為6005A-T6狀態(tài)較為合理。該合金具有較高的力學(xué)強(qiáng)度、疲勞性能，可擠壓性較高，陽極氧化工藝易控制，耐蝕性較好，已廣泛應(yīng)用于軌道交通、建筑模板和其他工業(yè)材產(chǎn)品的擠壓生產(chǎn)[5]。

圖1 槳葉斷面圖

2 制程工藝控制

圖2為槳葉型材的試制工藝流程圖。試制過程中的主要關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)包括：合金鑄造、模具設(shè)計(jì)和制造、擠壓、在線淬火和時(shí)效，以及陽極氧化。本節(jié)將從上述四個(gè)方面分別進(jìn)行論述，確定工藝參數(shù)，達(dá)到制程工藝控制的目的。

圖2 槳葉型材工藝制程流程圖

2.1 合金鑄造

本次工作擬采用6005A合金鑄棒進(jìn)行擠壓，其合金成分含量要求見表1。鑄棒狀態(tài)為均火態(tài)，要求鑄棒直徑228 mm，不允許出現(xiàn)明顯的夾雜、冷隔、中心裂紋和彎曲。其他質(zhì)量要求需符合我公司鋁合金圓鑄錠驗(yàn)收規(guī)定。

表1 6005A合金材料成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2.2 模具設(shè)計(jì)和制造

從槳葉斷面型材圖（圖1）中可以看出：該斷面寬度為209.48 mm，高度為25.25 mm，包含6個(gè)腔體，最小腔體直徑為8.4 mm。這種斷面設(shè)計(jì)型材孔洞較多，因此模芯數(shù)量較多，且形狀各不相同，在擠壓過程中極易造成模芯壓力分布不均、模芯偏心的后果，致使型材壁厚控制較差、模具壽命降低甚至報(bào)廢。斷面前緣壁厚為3 mm，后緣壁厚為1.3 mm，壁厚差異大，且壁厚過度較為突兀。這種情況極易導(dǎo)致擠壓制品由于流速不均而出現(xiàn)較大彎曲的情況。此外，多腔體型材存在多條焊合線，在氧化過程中極易顯現(xiàn)出來，影響制品外觀。因此在模具設(shè)計(jì)和制作過程中進(jìn)行了以下把控：

（1）合理分配分流孔尺寸，針對壁厚較大的前緣部位，給予較大的分流，同時(shí)盡量保證其他分流孔尺寸的均勻性。

（2）合理設(shè)計(jì)焊合室和工作帶長度，保證制品流速均勻。該部分工作需通過試模情況對模具進(jìn)行適當(dāng)微調(diào)，使模具達(dá)到最佳狀態(tài)。

（3）在模具制造過程中，型材薄壁部分走上差，厚壁部分走下差并留有適當(dāng)調(diào)修余量，盡量減小因壁厚差異大、冷卻速度不均勻而出現(xiàn)彎曲的情況。

（4）適當(dāng)增大焊合室深度，減小分流橋厚度，保證制品的焊合質(zhì)量，為后續(xù)氧化表面創(chuàng)造基礎(chǔ)。

2.3 擠壓、在線淬火和時(shí)效

鑒于該斷面的尺寸、形狀特點(diǎn)，我們制訂了相關(guān)技術(shù)參數(shù)，如表2所示。

表2 槳葉型材生產(chǎn)工藝參數(shù)

采用表2所述工藝參數(shù)進(jìn)行擠壓試制。值得注意的是，該斷面形狀復(fù)雜，壁厚差異大，在擠壓過程中極易發(fā)生薄壁部分堵模、制品流速不均、冷卻彎曲大、薄壁塌陷、起浪等缺陷，因此需要對擠壓工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制，通過一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證找到最佳工藝參數(shù)。

2.4 陽極氧化

該槳葉制品表面需經(jīng)過陽極氧化處理，要求膜厚大于15μm以上。同時(shí)由于該斷面空腔數(shù)量多，氧化后容易顯現(xiàn)焊合線。因此，為保證制品表面質(zhì)量，我們擬采用硫酸陽極氧化工藝，對槽液濃度、溫度、各道工序時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格把控，控制膜厚在18μm，偏差±1μm。

3 主要問題描述和解決措施

（1）制品流速不均、側(cè)彎嚴(yán)重、起浪。初次上機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)制品流速不均、大幅度彎曲、起浪等缺陷。從圖3的型材料頭照片可以看出，型材薄壁部分嚴(yán)重偏向厚壁部分，說明薄壁部分流速較快，此種情況極容易造成型材大幅度彎曲，如圖3（b）所示。此外，由于薄壁部分流速較快，還可造成型材起浪缺陷，如圖3（c）所示。上述情況的主要解決辦法如下：（a）適當(dāng)增加厚壁部分分流孔尺寸；（b）增加后壁部分供料的平順性；（c）適當(dāng)減小后壁部分工作帶尺寸。

圖3 擠壓制品缺陷實(shí)物圖

（2）側(cè)彎嚴(yán)重。針對在線淬火冷卻側(cè)彎問題，主要原因是冷卻強(qiáng)度分布不合理。在相同的冷卻條件下，壁厚較大的前緣冷卻速度明顯低于壁厚較小的后緣，從而造成型材側(cè)彎。此種情況下需要對型材的冷卻進(jìn)行合理分配，主要手段為（a）降低薄壁部分冷卻速度；（b）增大后壁部分冷卻速度。

（3）氧化黑線明顯。在鋁合金熱擠壓過程中，工件與模具界面的摩擦對模具磨損、擠壓載荷、產(chǎn)品表面質(zhì)量等具有重要的影響[6]。如上文所述，該斷面空腔較多，擠壓過程中容易出現(xiàn)焊合質(zhì)量差的現(xiàn)象，焊合位置相對于其他位置其摩擦變形程度、溫度、冷卻速度等均有較大差異，造成制品焊合位置的晶粒尺寸、元素含量、強(qiáng)化相分布和數(shù)量與其他位置不同。在陽極氧化后，這些差別表現(xiàn)出來即為氧化黑線。

控制氧化黑線需要分別從模具、擠壓、氧化三方面入手進(jìn)行過程控制：（a）模具方面需適當(dāng)增加焊合室深度，減小分流橋厚度并進(jìn)行拋光，以此來增加焊合，減少摩擦；（b）在擠壓工藝方面，適當(dāng)提高鑄棒溫度至520℃，降低制品流速至2.0m/min，以此來增加焊合程度；（c）適當(dāng)降低陽極氧化過程中的氧化電流密度，延長氧化時(shí)間使氧化過程更加穩(wěn)定，膜層厚度控制在18μm，偏差±1μm。

4 結(jié)論

綜上所述，本工作首先對旋翼槳葉型材進(jìn)行了斷面分析和合金選擇，并在此基礎(chǔ)上對模具設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行了過程把控，制定了相關(guān)擠壓參數(shù)。通過多次修模，并配合調(diào)整擠壓工藝和氧化工藝，最終成功實(shí)現(xiàn)旋翼槳葉型材的試制?？v觀整個(gè)試制過程，得出以下結(jié)論：

（1）模具設(shè)計(jì)過程中盡量放大厚壁分流孔尺寸、平順各區(qū)域供料、平衡厚壁和薄壁區(qū)域工作帶長度，可保證制品流速均勻，避免出現(xiàn)嚴(yán)重側(cè)彎、起浪等缺陷；增加焊合室深度、減小分流橋厚度并拋光，可減輕制品焊合不良的現(xiàn)象。

（2）擠壓過程中盡量選擇高溫低速的擠壓工藝對制品進(jìn)行過程控制，可保證型材焊合質(zhì)量，減輕氧化黑線。

（3）淬火過程中合理分配冷卻速度，可減輕制品因冷卻速度不均而產(chǎn)生彎曲的現(xiàn)象。

（4）氧化過程中適當(dāng)降低氧化電流密度、增加氧化時(shí)間可以遮蓋部分氧化黑線。