鋁合金楔橫軋軋制技術研究現狀

李 濤

（山東建筑大學，山東 濟南250101）

0 引言

鋁合金以其質量輕、比強度高、塑性好、導熱性能好等優點，在金屬產品應用中僅次于鋼鐵。隨著航空航天、汽車工業的快速發展，石油化工、機械電器、電子通信、醫療器械等新型行業的迅速崛起，鋁合金材料的應用急劇增加，在國民經濟中的地位越來越重要[1]。

隨著社會經濟的發展，環境污染、能源與資源的缺乏等問題日益嚴峻，如何在金屬加工中提高材料利用率、節約能源和資源成為新的研究方向。楔橫軋技術作為一種近凈成形工藝越來越受到關注。與傳統的軸類零件生產方法相比，楔橫軋工藝在材料利用率和生產效率方面有著顯著提高。

1 楔橫軋技術的發展

楔橫軋技術最早出現于二十世紀初，由于當時的技術和生產水平落后，一直沒有投入到實際生產中。直到六十年代初，捷克將楔橫軋技術應用于小型汽車的零件制作中，開始得到廣泛重視，逐漸成為眾所周知的軸類零件塑性成形新工藝技術。

我國最早在二十世紀六十年代開始對楔橫軋技術進行探討和實驗，經過幾十年的研究和實踐，我國的楔橫軋技術無論在設備還是工藝方面都取得了極大進步，已位列國際領先地位，并成為世界上研發和投產楔橫軋技術最多的國家之一，為我國在節能、節材、高效生產中發揮了重要作用。

楔橫軋技術在汽車行業的應用最為廣泛，如汽車變速箱的傳動軸，汽車半軸，發動機凸輪軸，油泵齒輪軸等。由于楔橫軋工藝的高效性以及質量好、耗材少等優點，在實際生產中逐漸替代了傳統的沖壓鍛造和車削工藝。如火車車軸每年需求量達30 萬根，目前國內的主要加工方法是自由鍛和精鍛，具有耗材高、質量低、產品缺陷多等弊端，采用楔橫軋技術則可以很好地解決這些問題。

2 鋁合金楔橫軋技術

2.1 鋁合金楔橫軋技術的研究意義

工業純鋁由于質脆、塑性差，在楔橫軋加工中易破碎，并且在實際中用處不大，更多地被鋁合金所代替。鋁合金具有4 個特征[2]：

（1）質量輕。鋁的密度為2.79g/cm3，約為鋼的1/3，在滿足相同機械性能要求的條件下，鋁件比鋼件減重70%。

（2）抗沖撞、抗彎曲，耐腐蝕，具有可靠的安全系數。在相撞事故中，鋁比鋼多吸收50%的能量。

（3）能耗低。由于鋁的熔點低，在加工中不需要耗費更多的能量，這在與其他金屬的經濟比較中應該考慮。

（4）具有良好的再回收能力。

楔橫軋技術對鋼鐵件的軋制工藝已較成熟，但由于鋼與鋁合金的組織結構、材料的塑形變形性能都有明顯差異，楔橫軋技術對鋁合金件的軋制工藝的研究還比較少，因此，對鋁合金件的楔橫軋工藝進行分析研究是十分必要的。

2.2 楔橫軋工藝參數的研究現狀

模具設計是楔橫軋工藝的核心之一，主要有上、下模具和擋板的設計，成形角α、展寬角β 和斷面收縮率φ 是模具設計的主要工藝參數。楔橫軋模具的設計能夠使得軋件正常旋轉，是楔橫軋軋制的前提條件，工藝參數的選擇一般滿足以下關系：[3]

圖1 模具工藝參數示意圖

式中：dk——軋件的滾動直徑；

d1——軋制成形后的直徑；

D1——軋輥模具的滾動直徑。

從上式可知，摩擦系數的增大可大大改善軋件的旋轉，同時也受斷面收縮率的影響。因此，為保證軋件的正常旋轉，在楔面上刻畫平行于軸線的條紋，來增加模具的摩擦系數，還要考慮斷面收縮率的取值。

隨著斷面收縮率的增加，軋件發生頸縮和拉斷的幾率大大增加，為確定大斷面收縮率對軋制工藝質量的加工極限，賈震[5]等對一次軋制大斷面收縮率的軋件的心部質量進行了深入研究，得出了大斷面收縮率的軋件的心部質量要優于一般斷面收縮率軋件的軋制，并揭示了其原因：其在軋制過程中金屬的瞬時軸向流動量大，心部剩余金屬少，以致不能滿足曲線的發展空間等。

在楔橫軋的模具設計中，軋齊曲線是一個很重要的設計內容，設計人員經過多年的理論設計和實際生產積累了豐富的經驗，并提出了很多軋齊曲線的算法和公式。胡發國[6]等提出了一種計算螺旋錐體體積的新算法，得到的軋齊曲線形式簡潔、便于實際應用，通過DEFORM 軟件進行了模擬仿真，驗證了其正確性。

2.3 鋁合金楔橫軋技術的研究現狀

楔橫軋成形過程不同于傳統的車、銑、刨、磨等去除金屬的加工方法，楔橫軋成形是一個非常復雜的大彈塑性變形過程，軋制過程比較短，但軋制速度比較快，軋件成形過程非常復雜，影響其變形過程的工藝參數很多。任何工藝參數的改變都可能直接或間接影響軋制工藝的正常運行。

在楔橫軋加工過程中會出現一些缺陷，分為外部和內部缺陷。外部缺陷包括表面折迭、表面螺旋壓痕、彎曲變形、縮頸、表面有深坑（壓痕）和未充滿等；內部缺陷包括中心疏松和空洞。李世磊總結了實際生產中產生各種缺陷的原因并給出解決方法，可以針對性地對模具進行修模，降低軋件廢品率[8]。

在軋制過程中可能同時具有壓縮、拉伸、彎曲、剪切等變形方式，心部金屬在拉應力的作用下隨著軋件旋轉，當達到一定的變形量后，產生塑性疏松，形成裂紋，其產生的機理需要從內部材料在變形過程中的變形溫度、變形速率以及應變應力場的分布和演化規律著手進行深入研究，目前計算機技術及有限元模擬技術的發展為此提供了有效的研究手段。

隨著楔橫軋技術在工業生產中越來越廣泛的應用，對楔橫軋工藝的要求越來越高，希望能夠得到質量更好、力學性能更高的產品。在軋制過程中，材料的微觀組織將隨著金屬的溫度和變形進行變化，如動態、靜態再結晶和晶粒長大等一系列的變化，而這些變化將影響著產品最終的力學性能和質量。

楔橫軋加工屬于塑性大變形加工，不同于質量變化的加工如車、削、刨、磨等，材料加工完畢后要發生晶粒的變化。趙培峰等對6061 鋁合金楔橫軋塑性成形顯微組織進行了分析，確立了亞晶粒直徑與Zener-Hollomon 參數z 之間的關系[9]。

鋁合金軋制時，由于鋁的粘性大，摩擦較大，容易引起粘鋁；但使用潤滑劑又比較容易引起打滑，軋件不轉，因此必須選擇合理的潤滑劑和潤滑方法。伍太賓[10]等在軋制鋁合金連桿的臺階軸類毛坯時采用了豬油作為潤滑劑，潤滑方式采用噴淋法，在軋輥轉動過程中，模具始終處于被豬油包圍的狀態下。在軋制過程中對模具進行加熱，可以減輕鋁件粘連現象。

3 總結語

（1）隨著楔橫軋技術的不斷發展，鋁合金楔橫軋技術越來越受到關注，國內相關單位的聯合攻關已取得一定進展，但要解決體積成形生產和應用中的各種問題，形成我國的專有技術和創新成果，尚有大量的技術工作有待深入進行。

（2）在研究鋁合金楔橫軋工藝的同時，探討各種金屬（如銅、鎳、鈦等）的楔橫軋加工中的思路，為它們的實際生產做技術、知識準備，具有研究的可行性和必要性。

[1]中國科學技術協會，中國機械工程學會.機械工程學科發展報告[M].北京：中國科學技術出版社，2009.

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[5]賈 振，等.楔橫軋一次楔大斷面收縮率成形機理[J].北京科技大學學報，2009，（8）：1046-1050.

[6]胡發國，等.楔橫軋橢圓軸直角臺階軋齊曲線[J].北京科技大學學報，2010，（4）：520-524.

[7]張國杰.楔橫軋軋齊曲線參數方程求解及應用[J].鍛壓裝備與制造技術，2013，48（3）：93-95.

[8]李世磊.楔橫軋軋件缺陷分析及解決方法[J].金屬鑄鍛焊技術，2010，（8）：188-190.

[9]趙培峰.6061 鋁合金楔橫軋塑性成形顯微組織分析[J].特種鑄造及有色合金，2008：414-416.

[10]伍太賓，等.鋁合金連桿的臺階軸類毛坯楔型橫軋成型加工工藝[J].汽車技術，2007：56-59.

[11]袁文生，王忠雷.基于Delphi 的楔橫軋模具輔助設計系統[J].鍛壓裝備與制造技術，2005，40（6）：93-95.