曾九生，李曉風(fēng)，劉紅杰

（西南鋁業(yè)（集團）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?？?，獲得與模孔尺寸、形狀相同的制品的金屬塑性成形方法稱為拉伸。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 拉拔管機上分別用方案1 和方案2進行了試驗，并對拉伸后管材尺寸進行了測量和記錄。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?？椎脑O(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)小于整徑模的模孔設(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行淬火工序。本管材安排在立式空氣淬火爐內(nèi)進行淬火，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，必須進行矯直。由于此管材外形類似水滴形，無法進行輥矯，只能進行拉伸矯直。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。