2024鋁合金水滴形管生產(chǎn)工藝研究

曾九生，李曉風(fēng)，劉紅杰

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

在市場開發(fā)過程中，我們了解到2024 鋁合金水滴形管主要應(yīng)用于制造水上飛機(jī)尾翼。凡斷面不是圓形的管材或雖是圓形但沿長度方向直徑或壁厚發(fā)生變化的管材統(tǒng)稱為異形管[1]。水滴形管屬于等壁厚異形管的一種，等壁厚異形管是指具有相同壁厚和非圓形斷面形狀的異形管。由于管材壁厚較薄，無法直接通過擠壓成形，并且擠壓過程中也無法保證尺寸精度要求。目前質(zhì)量要求高的等壁厚異形管主要采用冷拉法進(jìn)行生產(chǎn)。鋁合金異形薄壁管材主要是由圓管毛料通過軋制拉伸成形而獲得。等壁厚異形斷面管材的拉拔都是用圓管作管坯。將管坯的外徑尺寸拉拔到一定程度后，根據(jù)成品管的斷面形狀及尺寸精度要求，經(jīng)過1～2 道次過渡拉拔使其形狀逐漸向成品形狀過渡，最后進(jìn)行一道次成形拉拔出成品；或者直接用成形模一道次拉拔出成品[2]。但由于拉伸成形過程中金屬流動的不均勻性，往往容易出現(xiàn)尺寸超差、平面間隙超差（內(nèi)凹或外凸）、彎曲扭擰嚴(yán)重等缺陷。同時，由于其形狀近似橢圓，管材較薄，彎曲度要求較高，淬火后的精整矯直比較困難，矯直過程中，長、短軸尺寸變化較大，生產(chǎn)難度很大。

1 水滴形管的外形尺寸及技術(shù)要求

水滴形指形狀類似水滴，通過一系列坐標(biāo)點連接的非規(guī)則曲線圖形，整個斷面平滑過渡，具有良好的流線型。水滴形管的合金狀態(tài)為2024-T3，外形尺寸及公差見圖1，壁厚為2.41 mm，彎曲度≤1 mm/m。

圖1 水滴形管的截面圖

2 生產(chǎn)工藝研究

水滴形管的生產(chǎn)工藝路線為：擠壓→輥矯、中斷→軋制退火→蝕洗→軋制→減徑退火→過渡拉伸→成形拉伸→淬火→拉伸矯直→切成品、取樣→成品檢查→包裝交貨。

2.1 管毛料尺寸及工藝計算

結(jié)合水滴形管材的截面圖，我們可以得出：水滴形管周長為278.17 mm，壁厚為2.41 mm，斷面積653 mm2，長軸長119.89 mm，短軸長為50.8 mm。此管材為普通等壁厚異形管。

普通等壁厚異形管是由冷軋管機(jī)軋制的等壁厚圓管通過拉伸成形而獲得[3]。一旦異形管材尺寸確定后，軋制圓管的尺寸按如下方法確定：

成形前圓管的周長為：S0=KL

L為異型管周長，K為系數(shù)，一般取1.02～1.04。當(dāng)K值過小時，成形中型管的角部將嚴(yán)重充不滿。而當(dāng)K 值過大時，成形的管材表面凹陷嚴(yán)重。系數(shù)的大小還與合金性質(zhì)和成品規(guī)格有關(guān)。一般情況下，壁薄而規(guī)格大的管材，取下限，而對壁厚、規(guī)格小的管材，則可取上限。

當(dāng)管材的A/B＜2 時，生產(chǎn)中可直接一次成形。而當(dāng)A/B≥2時，為了保證管材表面平整，要經(jīng)過一次拉伸過渡，再將過渡后的橢圓管加工成形為所要求的管材。

成形前圓管外徑為：

結(jié)合分廠現(xiàn)有軋機(jī)孔型（103 mm×94 mm），管毛料外徑定為φ103 mm，同時，A/B=119.89/50.8=2.36 ＞2，故必須進(jìn)行一次過渡拉伸。

圓管毛料的壁厚：管材拉伸成形時，要將軋制管材拉伸減徑到管材成形前所要求的外徑。因此，確定軋制壁厚時，必須考慮到拉伸減徑時管材壁厚變化。根據(jù)拉伸率大小、合金等因素，準(zhǔn)確確定管材的軋制壁厚。根據(jù)多年生產(chǎn)經(jīng)驗，對于2024 合金，拉伸減徑過程中的壁厚變化規(guī)律為：外徑每減少1 mm，壁厚增加0.015 mm。

水滴形管壁厚為2.41 mm，故管毛料軋制規(guī)格應(yīng)為φ94 mm×2.36 mm。表1為水滴形薄壁管材的生產(chǎn)工藝參數(shù)。

表1 2024合金水滴形管的生產(chǎn)工藝參數(shù)

2.2 拉伸工藝

金屬坯料在拉伸力的作用下，通過截面積逐漸減小的拉伸?？祝@得與?？壮叽纭⑿螤钕嗤闹破返慕饘偎苄猿尚畏椒ǚQ為拉伸。管材常用的拉伸方法可分為帶芯頭拉伸和無芯頭拉伸兩大類。由于該管材壁厚較薄，并且已經(jīng)過軋制工序減薄壁厚了，故我們采用無芯頭拉伸的成形拉伸工藝。成形拉伸是用圓形的管坯料，通過過渡模和成形模，使其形成所需的方形、矩形、六角形、橢圓形等異形斷面的管材。

圖2 水滴形薄壁管材拉伸方案

本課題擬計劃采用兩種拉伸方案（見圖2）。方案1：圓管毛料→水滴形過渡拉伸→水滴形管成品（整徑模）；方案2：圓管毛料→橢圓形過渡拉伸→水滴形管成品（整徑模）。我們設(shè)計和制造了水滴形過渡拉伸模、橢圓形過渡拉伸模和整徑模。表2為水滴形管成品尺寸公差和拉伸模、整徑模?？自O(shè)計尺寸。

表2 水滴形管材成品尺寸和拉伸模、整徑模?？自O(shè)計尺寸

我們在30 t 拉拔管機(jī)上分別用方案1 和方案2進(jìn)行了試驗，并對拉伸后管材尺寸進(jìn)行了測量和記錄。表3為水滴形管兩種拉伸方案的尺寸記錄。我們從表中可以得出：

（1）無論是水滴形過渡拉伸，還是橢圓形過渡拉伸，拉伸后短軸尺寸都比模具?？自O(shè)計尺寸要小，長軸尺寸都比模具?？自O(shè)計尺寸要大。說明在第一次過渡拉伸過程中，由圓形拉伸成水滴形或橢圓形時，金屬變形劇烈，流動極不均勻，造成長短軸尺寸跟?？自O(shè)計尺寸相差甚遠(yuǎn)。

（2）使用同一套整徑模，用方案1和方案2拉伸后的尺寸有區(qū)別。方案2拉伸后尺寸更接近整徑模?？自O(shè)計尺寸，而方案1管材拉伸后短軸尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模孔的設(shè)計尺寸。分析其原因，就在于第一道次水滴形過渡拉伸時，管材拉伸后的短軸尺寸已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整徑模的?？自O(shè)計尺寸。盡管第二道次拉伸時，管材長軸方向的金屬在壓縮，短軸方向的金屬在擴(kuò)張，但由于摩擦的作用力和金屬的流動不均勻，造成了短軸方向的金屬填充仍然不充分。這也說明管材在拉伸時，長軸方向的金屬流動得更快，金屬填充得更充分。

表3 兩種拉伸方案的水滴形管尺寸對比

2.3 淬火拉伸矯直工藝

水滴形管材的訂貨合金狀態(tài)為2024-T3，故拉伸后管材必須進(jìn)行淬火工序。本管材安排在立式空氣淬火爐內(nèi)進(jìn)行淬火，淬火工藝：497 ℃/40 min。淬火出爐后管材產(chǎn)生較嚴(yán)重的翹曲變形，必須進(jìn)行矯直。由于此管材外形類似水滴形，無法進(jìn)行輥矯，只能進(jìn)行拉伸矯直。在拉伸過程中，管材內(nèi)孔中應(yīng)塞入與之相配套的矯直芯頭，以減小管材頭尾端壓扁變形的長度。拉伸矯直芯頭外形見圖3。

圖3 拉伸矯直芯頭

管材拉伸矯直前應(yīng)仔細(xì)測量斷面尺寸。當(dāng)尺寸接近負(fù)偏差時，應(yīng)注意變形量的控制，防止拉矯后尺寸超負(fù)偏差。當(dāng)尺寸為正偏差時，可適當(dāng)增大變形量。但變形率一般不要超過3%，以防造成表面橘皮或拉斷。對于水滴形管材，因后續(xù)無法進(jìn)行其它工藝矯直，為了保證水滴形管材的彎曲度要求（1 mm/m），我們必須保證拉伸矯直時的效果。根據(jù)生產(chǎn)試驗，我們發(fā)現(xiàn)：只有控制拉伸率在2%以上，管材的彎曲度才能滿足要求。故我們生產(chǎn)時必須將拉伸率控制在2～3%范圍內(nèi)。根據(jù)此拉伸率規(guī)定，我們對拉伸矯直后的管材尺寸進(jìn)行測量和記錄（見表3）。我們發(fā)現(xiàn)：拉伸矯直過程中，水滴形管的長軸尺寸變化較小，而短軸尺寸變化較大。雖然方案1在拉伸后管材尺寸在公差范圍內(nèi)，但是矯直后尺寸卻超出公差下限。試驗證明，方案2（橢圓形過渡）更合理可靠，拉伸成形效果良好。

淬火后的管材，應(yīng)盡可能在其塑性最好的時間內(nèi)矯直完畢，以防自然時效硬化影響矯直效果。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，2024合金管材必須在淬火后2 h 內(nèi)完成拉伸矯直，否則管材拉不直或拉斷。

3 結(jié)論

（1）等壁厚水滴形管可通過冷軋管機(jī)軋制出等壁厚的圓管再經(jīng)拉伸成形而獲得。圓管毛料的外徑根據(jù)異型管的周長計算確定。

（2）當(dāng)水滴形管的長短軸比值≥2時，必須經(jīng)過一次過渡拉伸。橢圓形過渡拉伸成形方法更合理可靠，外形尺寸更能滿足公差要求。

（3）2024 合金水滴形管的拉伸矯直必須在淬火后2 h 內(nèi)完成，拉伸率控制在2%～3%以內(nèi)，這樣既能保證彎曲度，又能保證尺寸滿足公差要求。