高精度鋁合金管材熱擠壓設備與工藝的研制

魏征宇，孫德河

(太重(天津)濱海重型機械有限公司，天津 300457)

國內鋁加工廠生產的鋁合金管材精度不高，我國航空航天用的高精度鋁合金管材主要靠進口。為了打破國際壟斷，提高我國精密鋁合金管材制造水平，2013年國家立項自主研發(fā)高精度鋁合金管材熱擠壓生產線，研制國內首臺立式雙動鋁合金擠壓機與熱擠壓工藝，擠壓管材規(guī)格為Φ60 mm×4 mm～Φ150 mm×5 mm，材質為2×××系和7×××系鋁合金，主要用于制造相關飛機的傳動軸和發(fā)射管。

擠壓機與熱擠壓工藝要解決的技術難題就是“高精度”，國家標準GB/T 4436-2012《鋁及鋁合金管材外形尺寸及允許偏差》高精級擠壓無縫管允許偏差為12%[1]，而本項目要求鋁合金擠壓管材壁厚偏差小于5%，大大高于國標標準精度。為此，我們在擠壓設備和擠壓工藝方面研發(fā)了一系列新結構、新技術來保證擠壓管材高精度。

1 擠壓設備與工藝的研制

1.1 立式鑄錠

鋁合金坯錠采用立式進行鑄造，確保坯錠軸向每個橫截面上的材質均一(至少保證每個橫截面的成分軸對稱分布)。

1.2 立式均熱

鋁合金坯錠的升溫方式采用臥式工頻爐加熱+立式電阻爐均熱。臥式工頻加熱速度快，生產效率高；立式均熱確保鋁錠整體溫度均一，特別是在坯錠每個橫截面上的溫度均一。

1.3 立式雙動鋁合金擠壓機

臥式擠壓機與立式擠壓機的特點比較如表1所示。

表1 臥式與立式鋁合金擠壓機特點比較Table 1 Characteristics comparison of horizontal and vertical aluminum alloy extrusion equipment

由于臥式擠壓機噸位大且便于連續(xù)化、自動化生產，近十幾年國內新制的鋁合金擠壓機都是臥式結構。國內的立式擠壓機都為20世紀產品，存在擠壓機噸位小、無獨立動作的穿孔針(單動擠壓機)、配置水平和控制精度低等問題，無法滿足高精度擠壓工藝要求[2]。

本單位為該項目研制了20 MN立式雙動鋁合金擠壓機，如圖1所示。其特點：擠壓機本體采用預應力框架結構，剛性好，穩(wěn)定性高；設置了獨立的穿孔系統(tǒng)，穿孔針的運動控制精度高；擠壓梁和擠壓筒的安裝和工作方式均為豎直狀態(tài)，避免了因重力和導板單向偏磨引起的擠壓管材偏心問題；擠壓桿、穿孔針、擠壓筒設有位移傳感器，對其軸向運動實時檢測和控制，擠壓筒還設有對中傳感器，對其徑向精度實時監(jiān)測；上料機械手可以實現(xiàn)供鋁錠、供擠壓墊、取擠壓墊的機械化和自動化；牽引機保證擠壓管材直線度和壁厚偏差。

圖1 20 MN立式雙動鋁合金擠壓機Fig.1 20 MN vertical double-acting extrusion equipment for aluminum alloys

20 MN立式雙動鋁合金擠壓機主要技術參數(shù)見表2。

表2 20 MN立式雙動鋁合金擠壓機技術參數(shù)Table 2 Technical parameters of 20 MN vertical double-acting extrusion equipment for aluminum alloys

1.4 石墨潤滑墊片

1.4.1 石墨潤滑墊片的位置

立式鋁合金熱擠壓工藝采用石墨墊片，放置于鋁錠的上面。擠壓前后石墨墊片及其他零件的位置狀態(tài)如圖2所示。

圖2 擠壓前后石墨墊片及其他零件的安裝結構和位置Fig.2 Installation structure and position of the graphite gasket and other parts before and after extrousion

1.4.2 石墨潤滑墊片的效果

立式鋁合金熱擠壓工藝采用石墨墊片有以下作用：

1)石墨具有耐高溫、抗腐蝕、自潤滑等特性，是一種良好的固體潤滑劑及潤滑添加劑。在鋁合金管材開始擠壓時，石墨墊片首先碎裂，填充至鋁錠與擠壓筒、穿孔針、模具和擠壓墊之間，減小了鋁錠與工模具之間的摩擦，可以大幅度地減小擠壓力。

2)在鋁錠與模具之間的石墨具有防止鋁錠與模具直接接觸、減少模具表面氧化的作用，從而起到了防粘降摩，提高擠壓管材表面品質的作用。

3)可以獲得組織、性能較均勻的擠壓管材[2]。

4)在鋁合金管材擠壓過程終了時，鋁錠完全被擠出，擠壓筒內、模具和擠壓墊之間留下一層剩余石墨，這樣實現(xiàn)了無壓余擠壓，鋁合金材料擠壓利用率達到了100%，對提高生產效率和降低成本(航空用2×××系、7×××系鋁合金價格很高)的作用很大。

1.5 擠壓工模具

擠壓工模具各零件對中精度，尤其是穿孔針和模具的對中精度，直接決定了擠壓管材的壁厚偏差。

現(xiàn)有技術擠壓機擠壓工模具對中精度都是通過加工裝配精度和導向調節(jié)精度來實現(xiàn)的，例如擠壓梁靠四組導向裝置在本體框架的立柱導軌上導向，靠調節(jié)導向裝置水平和豎直方向導板位置高度來調節(jié)擠壓梁的中心位置；穿孔梁在擠壓梁上導向，同樣靠導向裝置來調節(jié)穿孔梁的中心位置；穿孔針安裝在穿孔梁上，靠加工裝配保證二者同軸度。擠壓工模具對中精度關系如圖3a所示。

圖3 擠壓工模具對中精度關系對照Fig.3 Comparison of alignment precision relationship between extrusion tools and dies

從圖3a中可以看出，現(xiàn)有技術穿孔針和模具之間的對中精度(同軸度)要通過多個零件之間加工裝配精度和導向調節(jié)精度來實現(xiàn)，導致穿孔針和模具的對中精度很差。

本項目通過零件結構實現(xiàn)擠壓工模具之間定位(見圖3b)，模具結構如圖4所示。模具上部外側的錐面定位帶A與擠壓筒下部內側的錐面相互定位，使擠壓筒與模具達到同心要求。另外在模具定徑帶D上方是平面B，平面支承坯錠，平面與定徑帶之間是斜面C，可以存儲碎裂的石墨顆粒，在擠壓過程中不斷補充到鋁錠和模具之間，起到潤滑的作用。

圖4 模具Fig.4 A die

擠壓墊結構如圖5所示。擠壓墊外徑上下兩段定位帶E一次加工到位，與擠壓筒內徑相定位，使擠壓墊與擠壓筒達到同心要求；擠壓墊內徑上下兩段定位帶F一次加工到位，與穿孔針外徑相定位，使穿孔針與擠壓墊達到同心要求；另外上下兩段定位帶F的上方分別是導入角G和H，便于穿孔針下降(穿孔)時順利進入和穿過擠壓墊。

圖5 擠壓墊Fig.5 An extrusion pad

在設備安裝調試時，擠壓梁、擠壓筒外殼和針支承的導向裝置間隙調節(jié)的偏大些，允許擠壓梁、擠壓筒外殼、針支承隨著擠壓桿、擠壓筒和穿孔針進行位置對中補償隨動。

擠壓桿、擠壓墊、擠壓筒、穿孔針和模具的安裝位置和工作過程均為豎直狀態(tài)，避免了臥式擠壓工模具中各零件因重力原因導致的偏心現(xiàn)象，從而保證了擠壓管材的壁厚偏差精度。

通過擠壓工模具零件上的定位帶結構，模具、擠壓筒、擠壓墊、穿孔針達到了對中要求，由于零件之間的定位全部是靠加工精度保證，對中精度很高。

1.6 內脹式牽引機

現(xiàn)有牽引機為外側夾鉗式，設置在橫梁出口以外，擠壓生產的鋁合金管材前段先穿過模具和橫梁才能施加牽引，這樣在開頭約2 m的長度上無法施加牽引，擠壓管材彎曲變形非常嚴重，無法保證壁厚偏差值。為此本項目開發(fā)了內脹式牽引機[3]，如圖6所示，內脹頭可以穿過下橫梁，深入到模具出口處，管材前端部一旦脫離模具出口即可套入內脹頭，施加牽引，確保整個擠壓管材全長范圍均可施加統(tǒng)一的牽引力，擠壓管材不會發(fā)生彎曲變形，精度很高。

圖6 內脹式牽引機Fig.6 An internal expansion tractor

另外，國內外同規(guī)格擠壓機的牽引機的牽引力最大3.5 kN[4]，而我們開發(fā)的內脹式牽引機的牽引力最大可以達到20 kN，充分保證將鋁合金管材拉直引正，最終保證了擠壓管材直線度和壁厚偏差精度。

2 鋁合金管材擠壓試車

2015年在擠壓機車間進行了試車生產和工藝試驗，擠壓規(guī)格為Φ150 mm×5 mm(2A12鋁合金)、Φ60 mm×4 mm(2A12鋁合金)、Φ60 mm×4 mm(7475鋁合金)等管材，設備運行正常，擠壓管材各項指標都達到了技術要求，特別是現(xiàn)場實測的鋁合金管材壁厚偏差為2%～3%，精度遠高于國內現(xiàn)有技術水平。試車生產的鋁合金管材如圖7、圖8所示。

圖7 Φ150 mm×5 mm 2A12鋁合金管材Fig.7 Φ150 mm×5 mm 2A12 aluminum alloy tubes

圖8 Φ60 mm×4 mm 7475鋁合金管材Fig.8 Φ60 mm×4 mm 7475 aluminum alloy tubes

3 結 論

20 MN立式雙動鋁合金擠壓機采用了一系列新結構、新裝置來確保鋁合金管材的壁厚偏差和直線度。

1)采用立式鑄錠和臥式工頻爐加熱+立式電阻爐均熱，保證坯錠軸向每個橫截面上的材質和溫度均一。

2)擠壓機本體采用預應力框架結構，設置了獨立的穿孔系統(tǒng)，擠壓梁和擠壓筒的安裝和工作方式均為豎直狀態(tài)，保證了擠壓機高精度。

3)研制立式鋁合金管材牽引機和擠壓模具，保證擠壓管材直線度和壁厚偏差。

4)采用石墨潤滑，提高擠壓管材質量，實現(xiàn)了無壓余擠壓，鋁合金材料擠壓利用率達到了100%。

20 MN立式雙動鋁合金擠壓機正式投產后鋁合金管材壁厚偏差保持在2%以下，提高了我國精密鋁合金管材制造水平，該項目已經通過驗收。20 MN立式雙動鋁合金擠壓機的研制打破了國外限制，推動了我國航空航天事業(yè)的發(fā)展。