胡 焱

（中鋁薩帕特種鋁材（重慶）有限公司，重慶 401326）

0 前言

近年來，隨著人們節(jié)能減排意識的不斷提高，交通工具輕量化兼具美觀大方的審美需求成為時代發(fā)展的必然。以鋁代木、以鋁代鋼、可回收和循環(huán)利用等熱議話題推動材料研發(fā)設(shè)計(jì)端與產(chǎn)品營運(yùn)使用端上下聯(lián)動，極大地拓展了鋁型材的應(yīng)用廣度和深度。除汽車、軌道交通、航空航天領(lǐng)域外，艦船、游艇等船體結(jié)構(gòu)也逐步用上了鋁合金型材?？梢灶A(yù)見的是，鋁合金材料的推廣應(yīng)用將是未來交通工具輕量化發(fā)展的主線。

本文針對一種用于鋁合金觀光船內(nèi)部的頂板（天花板）開發(fā)過程進(jìn)行了總結(jié)，供同行借鑒及參考。

1 型材擠壓難度及可行性分析

型材的斷面如圖1所示。

圖1 型材斷面圖

1.1 難度分析

一是型材超寬。按照有關(guān)資料對大斷面型材的界定[1]，該型材的寬度達(dá)到700㎜，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對大斷面型材的定義標(biāo)準(zhǔn)；二是型材的寬厚比極大。型材的寬厚比是表征型材扁寬化和薄壁化的重要指標(biāo)，也是反映型材擠壓生產(chǎn)難易程度的重要指標(biāo)。若總寬/壁厚＞130時，就可能因成形困難、斷面和形位精度難以保證而使產(chǎn)品質(zhì)量大大降低、生產(chǎn)率和成品率急劇下降，成本大大提高[1]。該型材寬厚比為700/3=233，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)驗(yàn)值；三是型材平面間隙要求高。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14846-2014，該型材的平面間隙達(dá)到了高精級的要求；四是合金難擠壓、淬火敏感性高。出于耐腐蝕和強(qiáng)度的需要，該船用型材采用了6×××系中較難擠壓的6082合金。該合金化學(xué)成分如表1所示。

表1 6082合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 可行性分析

結(jié)合現(xiàn)有的120 MN擠壓設(shè)備及457/533 mm兩種鑄棒規(guī)格，計(jì)算出擠壓系數(shù)分別是57和78，而對應(yīng)的比壓（擠壓機(jī)的全壓力/擠壓筒內(nèi)孔的斷面積）分別是701 MPa和518 MPa。考慮到533 mm筒上的單位擠壓力（比壓）更低而變形程度（擠壓比）更大，綜合型材斷面自身難度研判，認(rèn)為采用457 mm鑄棒進(jìn)行寬展擠壓更為合適。

據(jù)相關(guān)資料介紹，采用寬展模擠壓時，寬展變形率一般在30%左右，寬展角一般在30°左右。寬展擠壓時的壓擠系數(shù)不宜過大，一般以30左右為宜。用寬展擠壓可以生產(chǎn)比圓擠壓筒直徑大10%～30%的產(chǎn)品[2]。而本例型材無論是擠壓系數(shù)還是寬度與擠壓筒直徑之比（700/467=1.5），都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)驗(yàn)值。此船用型材采用常規(guī)寬展模擠壓會帶來3個問題：一是模具外形尺寸大，本例需采用全尺寸模具（1 042 mm×500 mm），模具的采購成本以及生產(chǎn)過程中的維護(hù)成本（模具堿洗和氮化）高；其二，全尺寸模具由于無模套保護(hù)，直接與模座接觸，熱損失更快，對模孔尺寸的影響更大，進(jìn)而增加了型材壁厚和平面間隙控制難度，亦使得生產(chǎn)的連續(xù)性難以保證；其三，不符合工模具標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的管理要求。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，模具的裝配厚度為500 mm，若按照“寬展模+模面+墊”的結(jié)構(gòu)，考慮到兩側(cè)供料實(shí)際，匡算出寬展角仍大于30°。本例若采用常規(guī)的寬展模具方案，綜合金屬流動、模具寬展角的一般經(jīng)驗(yàn)，如果把模具寬展角控制在30°左右，那么模具的裝配厚度將遠(yuǎn)超現(xiàn)有的厚度標(biāo)準(zhǔn)，不利于模具標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的管理需求。

2 工模具方案設(shè)計(jì)

查閱現(xiàn)有薄壁扁寬型材開發(fā)案例，均是采用寬展?；?qū)Я靼宓慕Y(jié)構(gòu)形式[3-4]。根據(jù)前述可行性分析研判，決定本例型材的開發(fā)避開全尺寸模具而采用一種全新結(jié)構(gòu)[5]。該結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮模套的作用，將鑄棒的寬展變形由模套完成，模具本身不作任何寬展，并置身于模套內(nèi)，如圖2所示。

圖2 模具與模套裝配圖

這樣就解決了型材擠壓難度及可行性分析所述的前兩個問題。另外為了降低寬展模套內(nèi)的含鋁量，降低鑄錠頭尾焊合形成的幾何報(bào)廢，對模套進(jìn)行極限寬展，見圖3。

圖3 寬展模套詳圖

采用寬展模套，意味著打破常規(guī)由模具與擠壓筒內(nèi)襯密封的形式，改為由模套與擠壓筒內(nèi)襯密封。尤其需要注意的是寬展模套對擠壓筒鎖緊力的負(fù)面影響。根據(jù)常規(guī)擠壓筒與模具密封的經(jīng)驗(yàn)，擠壓時擠壓筒與模子的端面緊貼在一起。在擠壓開始時，由于鑄錠很長，填充擠壓后，鑄錠緊貼擠壓筒襯套內(nèi)壁，擠壓軸向前推進(jìn)時所產(chǎn)生的摩擦力大大增強(qiáng)了擠壓筒對模子端面的鎖緊力。但當(dāng)擠壓軸推進(jìn)到與模子端面只有一定距離時，上述摩擦力大大降低，同時在擠壓筒與模子之間形成的所謂“死角”的金屬受擠壓力作用而出現(xiàn)紊流現(xiàn)象。這時被擠壓的金屬傳遞給擠壓筒的后推力逐漸與擠壓筒的鎖緊力相接近（如果鎖緊力太小，便會相互抵消或超過鎖緊力）。當(dāng)后推力超過鎖緊力時，被擠壓的金屬便會從擠壓筒與模子之間大量泄出，形成“大帽”[6]。采用寬展模套，情況亦然。當(dāng)出現(xiàn)悶車、堵模等極端情形，擠壓力可達(dá)到極值。此時如果模套的“寬展面積”大于鑄錠對模套的“壓緊面積”而擠壓筒的鎖緊壓力又太小的話，這時“寬展面積”處產(chǎn)生的鑄錠對模套的后推力可能會大于擠壓筒對模套的鎖緊力，從而造成“大帽”，見圖4。

圖4 模套“寬展面積”與鑄錠“壓緊面積”示意圖

以寬展模套為受力體，當(dāng)擠壓機(jī)壓力處于極值時：

鑄錠對模套的后推力計(jì)算如下：

模套端面受到鑄錠的壓緊力如下：

其中：P比為擠壓機(jī)的全壓力與擠壓筒內(nèi)孔的斷面積之比。

注意正向擠壓有一個缺點(diǎn)，即因鑄錠表面和擠壓筒內(nèi)襯內(nèi)壁發(fā)生激烈摩擦，使消耗的總擠壓力高達(dá)30%～40%[7]。本例計(jì)算按40%的擠壓力用于克服鑄錠與擠壓筒內(nèi)壁摩擦做功，剩余60%的擠壓力由擠壓筒內(nèi)的鑄錠傳遞到模套端面，形成鑄錠對模套的壓緊。

一般情況下，F(xiàn)后＜F鎖+F壓。若忽略擠壓筒對模套端面鎖緊力的影響，通常要求F后＜F壓。因此設(shè)計(jì)寬展模套時，需要對模套的“寬展面積”與鑄錠對模套的“壓緊面積”進(jìn)行計(jì)算，原則上應(yīng)滿足“寬展面積SB”＜“壓緊面積SA×0.6”。經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，457 mm鑄錠的擠壓筒直徑為467 mm，鑄錠作用在模套端面的面積SA=121 029 mm2，寬展面積SB=48 764 mm2。48 764＜121 029×0.6，符合上述“寬展面積SB”＜“壓緊面積SA×0.6”原則。換言之，即使存在堵模、悶車等情形，鑄錠對模套的后推力不足以造成“大帽”發(fā)生。

模具被置于寬展模套內(nèi)且不作任何寬展，不需承受來自擠壓筒的壓緊力（鎖緊力），模具強(qiáng)度得到顯著改善，模具結(jié)構(gòu)也變得十分簡單，即采用“模面+墊”的形式，見圖5。模面和墊分別按?850 mm×100 mm和?850 mm×250 mm設(shè)計(jì)，其外形及厚度都可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，解決了型材擠壓難度和可行性分析中提到的第三個問題，因此可推廣應(yīng)用到所有薄壁扁寬實(shí)心型材的開發(fā)。

圖5 模面與模墊裝配圖

此外，由于本例型材超寬，左右邊緣的模具寬度只有50 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上下邊緣的模具寬度。需要在上下方各增加一個淬火孔，減少模具在加工熱處理過程中開裂的風(fēng)險以及熱擠壓過程中由于模具溫度損失的不一致造成左右兩側(cè)受到附加拉應(yīng)力而引起的型材壁厚的變化。

3 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)與試制

結(jié)合120 MN擠壓機(jī)比壓大、在線淬火系統(tǒng)冷卻速率高的優(yōu)勢，擠壓工藝參數(shù)按照中溫高速強(qiáng)風(fēng)冷卻進(jìn)行設(shè)置。相關(guān)工藝參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 擠壓工藝參數(shù)

首次試制料頭情況見圖6（模具在模套內(nèi)旋轉(zhuǎn)了180°，即筋在上，平面在下）。

圖6 首次試模料頭

該型材首次試制的主要問題點(diǎn)及原因分析：兩側(cè)供料明顯不足；壁板部位呈波浪狀。通過對料頭進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)模具左右兩側(cè)的前置室偏小，是造成兩側(cè)流速明顯偏慢的主因。另外，在如此大的寬展角度下，金屬沿寬展模套徑向流動的不確定性增加，常規(guī)的模具工作帶取值經(jīng)驗(yàn)不適用于此超寬薄壁的型材模具方案。壁板部位工作帶與左右兩側(cè)工作帶相比差異值偏小，是造成壁板波浪的原因。

改善方案：通過修模，擴(kuò)大兩側(cè)前置室，使遠(yuǎn)離中心的兩側(cè)有足夠的供料，解決兩端供料不足的主要矛盾；同時減小左右兩側(cè)工作帶，并在中心部位作阻礙角，解決中心大面的波浪問題。并將模具恢復(fù)為初始狀態(tài)（筋在下方，平面在上方）以便于在線檢測平面間隙。

從第二次試模情況看，料頭流速的一致性較好，擠出的型材基本滿足圖紙要求，見圖7。

圖7 修模后實(shí)物（左）及第二次試制（右）

該型材經(jīng)鋸切定尺后立即進(jìn)行175℃/8 h時效。質(zhì)檢結(jié)果表明，其機(jī)械性能符合EN 755-2的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

在開發(fā)該超寬薄壁帶筋板型材過程中，從型材生產(chǎn)難度及可行性、工模具方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化、工藝參數(shù)制定等方面，進(jìn)行了科學(xué)合理的論證，并針對大角度寬展帶來的成型問題進(jìn)行了有針對性的修模，最終滿足了圖紙要求。

（1）這類超寬薄壁產(chǎn)品在開發(fā)實(shí)踐中需要平衡寬展量（寬展角度）和切頭去尾的關(guān)系。

（2）寬展角度大，模套內(nèi)含鋁量相應(yīng)少，型材幾何報(bào)廢率減少，但金屬的流動不均勻性增大，擠壓成形和模具設(shè)計(jì)（如模具導(dǎo)流坑形狀和工作帶的設(shè)計(jì)）、修模的難度增加。

（3）寬展角度小，意味著模套寬展變形的深度增加，從而導(dǎo)致模具的裝配厚度相應(yīng)變薄，模具本身的強(qiáng)度受到極大影響，型材出口的溫升也會增加，進(jìn)而影響型材精度和生產(chǎn)連續(xù)性。

該超寬薄壁帶筋板型材的開發(fā)避開了常規(guī)的工模具結(jié)構(gòu)帶來的一系列問題，采用了全新的寬展模套結(jié)構(gòu)。該寬展模套的應(yīng)用對減少模具及生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)工模具規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化系列化帶來諸多利好，是一種值得推廣的小機(jī)擠大料的模式。