鋁及鋁合金正反向擠壓關鍵技術研究

2015-04-09 12:36:04侯永超付永濤張宗元

重型機械 2015年4期

張君，侯永超，楊建，付永濤，張宗元

(金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室、中國重型機械研究院股份公司陜西西安 710032)

0 引言

近年來，隨著航空航天、核電、汽車、軍工和船舶工業等的快速發展，對無縫鋁管尤其是高性能特種工業無縫鋁管的需求日益增加，對產品機械性能和組織性能的要求也越來越高［1］。

國外已經對反向擠壓進行了大量的研究，1926 年開始進行了工業上的應用，并在美國、前蘇聯、德國、法國和日本等國家推廣應用［2］。

我國的反向擠壓是從1986 年引進國外設備并開始進入實際應用的，先后引進德國28 MN、36 MN、45 MN 和55 MN 等多臺鋁管棒材反向擠壓機，洛陽銅加工集團引進日本一臺20 MN 銅材反向擠壓機［3］。進入21 世紀，通過引進、消化、吸收和再創新，我國的反向擠壓技術研究步伐加快，已研制出31.5 MN 單動反向銅擠壓機［4］、25 MN 雙動正反向鋁擠壓生產線等。目前，正在研制大型反向鋁擠壓裝備。本文主要介紹了正反向鋁擠壓裝備的關鍵技術［5，6］。

1 金屬正反向聯合擠壓關鍵技術研究

正反向聯合擠壓可以在同一臺擠壓裝備上完成正向擠壓和反向擠壓。反向擠壓過程的主要優點如下［7］:

(1)擠壓力比正向擠壓過程小;

(2)對于同一種規格的鋁型材在同樣名義噸位的設備上進行正向擠壓和反向擠壓來講，反向擠壓可以施加更大的擠壓力，同時，反向擠壓鋁錠坯在模具出口處的溫升小;

(3)在反向擠壓過程中，由于鋁錠坯芯部和周邊沒有相對位移，所以擠壓力和鋁錠坯的長度關系不大，反向擠壓設備的擠壓容室一般比正向擠壓要長;

(4)鋁錠坯表面沒有了和擠壓容室內壁之間摩擦產生的熱量，在擠壓結束時，鋁錠坯尾部沒有溫升，鋁型材表面不易產生裂紋，因此反向擠壓的速度可以高一些;

(5)工模具的壽命長，尤其是擠壓容室的內襯，由于沒有摩擦的影響，壽命比正向擠壓過程顯著增長;

(6)鋁錠坯的流動特性好，不易產生擠壓缺陷和粗晶環;

(7)鋁錠坯表面雜質不會進入鋁錠坯的后部，擠壓容室內部沒有材料的紊流。

反向擠壓方法的缺點是鋁錠坯表面的雜質會進入鋁型材表面，主要是由于此部分雜質既不會由于擠壓容室和鋁錠坯之間的摩擦進入鋁錠坯后部而保留在殘料里，也不會由于脫皮擠壓而存在擠壓殼內［8］。因此，在擠壓之前，就要求對鋁錠坯的表面進行處理，一般進行機械加工。另一方面，由于中空擠壓桿的限制，無法采用象正向擠壓方法用分流模的擠壓方式擠壓截面大的鋁型材，所擠壓的鋁型材截面小，從而使反向擠壓不能用于所有的鋁型材生產。

采用正反聯合擠壓，不僅可以具備反向擠壓的優點，而且可以生產截面尺寸大的鋁型材，克服反向擠壓的缺點，但需要對正反聯合擠壓存在的技術難題進行研究，主要包括:有效摩擦擠壓結構原理和控制技術、雙動擠壓穿孔針機械固定精度控制技術、正反聯合擠壓控制技術和在線駐波淬火冷卻技術。

1.1 有效摩擦擠壓結構原理和控制技術

有效摩擦擠壓是沿金屬流動方向施力于擠壓筒，利用擠壓筒同錠坯之間的高摩擦應力促進金屬流出擠壓模模孔的擠壓方法。擠壓時擠壓筒沿金屬流出方向以高于擠壓桿的速度移動，擠壓筒作用給錠坯的摩擦力的方向與通常正向擠壓時的相反，從而使摩擦力得到有效利用，促進金屬的流動速度。實現有效摩擦擠壓的必要條件是擠壓筒與錠坯之間不能有潤滑劑，以便建立起高的摩擦應力。

圖1 有效摩擦擠壓示意圖Fig.1 Effective friction extrusion sketch

如圖1 所示，在擠壓過程中，擠壓桿1 受到擠壓力Pe的作用，通過擠壓墊3 將擠壓力傳遞到鋁錠坯5 上，同時，擠壓筒在推力Pc的作用下沿著擠壓方向向前運動，對鋁錠坯施加一個有效摩擦力fc，鋁錠坯在擠壓桿和擠壓筒共同的作用下被擠壓變形，由于中間有穿孔針的作用，被擠壓成無縫管材。

常規正向和反向的擠壓力計算公式如下［9］:

式中，Psh為正向擠壓時的擠壓力，N;A0為擠壓或擠壓筒與穿孔針之間的環形面積，mm2;σ0為與變形速度和溫度有關的變形抗力，MPa;λ為擠壓比;D為擠壓筒直徑，mm;L為鐓粗后的錠坯長度，mm;β為修正系數，取β=1.3～1.5，硬合金取下限，軟合金取上限;Pf為反向擠壓時的擠壓力，N。

正向擠壓摩擦力是阻力，反向擠壓無摩擦力，而有效摩擦擠壓摩擦力是動力，因此可以得到有效摩擦擠壓的擠壓力計算公式如下:

式中，Pe為有效摩擦擠壓時的擠壓力，N;Pc為施加在擠壓筒上驅動力，N。

由公式(3)和(4)可以看出:摩擦力和鋁錠坯的長度成正比例，隨著擠壓過程的進行，鋁錠坯長度減短，有效摩擦力逐漸下降，擠壓力略為上升。

有效摩擦擠壓的關鍵是控制擠壓筒和擠壓桿同步運動，在同步運動的同時，擠壓筒向鋁錠坯施加靜摩擦力fc。因此，在控制擠壓筒的運動時，不僅要控制擠壓筒移動油缸的壓力，而且要控制移動速度，是速度和力量的協調控制，速度環和力量環均實現閉環控制，在力量環飽和的情況下調整速度環。

由前面摩擦力的計算公式可得擠壓筒移動油缸液壓系統壓力計算公式如下:

式中，n為擠壓筒移動油缸數量;d為擠壓筒移動油缸活塞直徑，mm。

擠壓筒移動缸的流量由以下公式確定:

式中，Vc為擠壓筒移動油缸液體流量，mm3;D1為擠壓機主油缸注塞直徑，mm;D2為擠壓機兩側缸活塞直徑，mm;V為擠壓機主側缸液體總流量，mm3。

根據以上的計算公式提出控制依據，在有效摩擦擠壓過程中，首先保證擠壓筒移動油缸活塞腔的系統壓力按照以上計算結果設定，然后根據擠壓桿的擠壓速度來確定擠壓筒的速度，使得擠壓筒的速度略大于擠壓桿的速度，同時通過對二者相對位移的反饋來修正擠壓筒的速度，從而使得在擠壓過程中沿擠壓方向產生較高的有效摩擦力，擠壓桿和擠壓筒的移動趨于同步。

1.2 雙動擠壓穿孔針固定精度控制技術

雙動反向擠壓機主要用于生產高質量的無縫管材，擠壓無縫鋁管材多采用固定針擠壓工藝，其關鍵就是穿孔針固定精度控制技術［10］。

中小型雙動擠壓機的穿孔裝置多采用內置式穿孔系統，穿孔缸為活塞缸，缸體為主柱塞的內孔，供油系統采用伸縮油管結構。穿孔活塞設在主柱塞的內孔后部，其它部件均安裝在主柱塞的內孔前部和移動橫梁內，穿孔針的定針方式有機械定針和液壓定針兩種［11］。

液壓定針方法是對穿孔針油缸進行控制，通過采用高頻響的比例閥、快速反應的PLC 和檢測元件，提高穿孔針油缸的響應速度，提高固定穿孔針的定針精度，進而提高管材的內表面質量。目前比較好的液壓定針方法固定針精度可以達到±1 mm，震蕩精度可以達到±0.1 mm［12］。

對于液壓定針來說，由于擠壓過程穿孔針受力變化，擠壓過程穿孔油缸的液壓系統壓力要隨之變化，但由于液壓系統和電氣系統的反應速度較慢，導致固定針精度實際較低。

針對此，提出一種內置式液壓系統、后端機械固定的解決方案，如圖2 所示。

此種結構的雙動擠壓機，液壓系統內置，而機械定針裝置安裝在主油缸的后端，通過連桿和穿孔系統的活塞連接。當進行穿孔擠壓時，機械定針裝置根據程序設定的位置調整，內置式的穿孔系統驅動穿孔針前進通過鋁錠坯進入模具內一段距離，此時，機械定針裝置接觸主油缸后部而停止前進，穿孔針位置即被機械固定，之后的穿孔擠壓為固定針擠壓。

這種機械定針精度比較高，除去穿孔系統受力的彈性變形，機械定針的精度趨于零，震蕩精度也是趨于零。

機械固定針擠壓對于直針來說，穿孔系統控制比較簡單，但對于“瓶針”來講，由于穿孔力變化比較大，因此在擠壓末端對穿孔針會產生一個和擠壓方向相反的力，這就需要在穿孔系統的活塞腔施加一個和擠壓方向相同的力來平衡，即需要給活塞腔通壓力油。

通過以上解決方案，可以極大地提高穿孔系統固定針精度，提高產品質量。

1.3 正反聯合擠壓控制技術

正反聯合擠壓機不僅可以進行正向擠壓，而且可以完成反向擠壓，擠壓機具備完整的正向和反向擠壓所需的裝置，而且可以快速的在正反向功能之間進行切換。

研究提出了如圖3 所示的擠壓裝置，以實現正反聯合擠壓。

圖2 內置液壓系統、后端機械定針雙動擠壓機結構Fig.2 Built-in hydraulic system and trailing end setscrew extrusion sketch

圖3 正反聯合擠壓裝置示意圖Fig.3 Direct and indirect double-action extrusion sketch

圖3 中，正反聯合擠壓機不僅有正向使用安裝在前梁上的主剪刀6，而且配備安裝在擠壓筒上的反向使用主剪刀3，采用目前先進的雙軸反向擠壓機結構，擠壓筒單獨驅動，可以實現有效摩擦擠壓。對于正向擠壓，則是傳統結構的長行程擠壓結構。

為了實現正反向之間的快速更換，提出了雙動正反向擠壓機用新型模具快換方法，即正向、雙動反向擠壓過程共用一個快換模裝置，將正向擠壓模座位和雙動反向模座位分別設置在移動模架的兩個位置，靠后梁內側為反向擠壓模座位，靠后梁外側為正向擠壓換模位，正向擠壓時，正向擠壓模座在拉模缸帶動下從正向擠壓模座位進入擠壓位，模具鎖緊缸鎖緊模座進行擠壓，反向擠壓時，拉模缸將正向擠壓模座推到正向擠壓模座位，將反向擠壓模座位的反向擠壓模座拉入擠壓位，模座鎖緊缸鎖緊模座進行擠壓，從而就實現了正反向之間的快速切換。

1.4 在線駐波淬火冷卻技術

通常的鋁擠壓淬火中，牽引出來的鋁料的冷卻是通過風冷卻、水霧冷卻和風冷+水霧冷卻。一般情況下，反向鋁擠壓機擠壓出的鋁料壁厚，風冷卻時，鋁料通過淬火區后，溫度仍然較高，這直接影響鋁料后續處理;水霧冷卻時，由于噴頭布置和噴灑角度的影響，鋁料冷卻不均勻，導致淬火后鋁料彎曲嚴重［13］。因此就需要冷卻速率更高的淬火裝置。

在線駐波淬火技術是一種新型反向鋁擠壓機用淬火方法，其技術方案是淬火區內設置水槽，水槽底部沿擠壓方向分布有托輥，水槽兩側側壁分布有噴嘴，水槽底部鋁料進、出口位置分別設置噴水管道，管道面對面布置，與水槽底成40°角，在淬火區水槽底部鋁料出口位置設有回水管道。

淬火時，鋁料的壁厚較小，可采用水槽兩側噴嘴進行淬火冷卻，如果鋁料壁厚較大或為管棒材時，淬火水槽底部進、出口噴水管將高壓水注入水槽，由于兩管道面對面成40°角布置，因而在水槽內會形成一定高度的水體，鋁料淬火時將從水中穿過進行駐波水冷卻，這樣鋁料不僅在水中得到快速冷卻，并且鋁料冷卻過程變形均勻。圖4為在線駐波淬火裝置示意圖。

圖4 在線駐波淬火裝置示意圖Fig.4 Online standing wave quenching unit sketch

如圖4 所示，反向擠壓過程中，擠出鋁料的壁厚較小時，鋁料通過托輥2 時，淬火水槽7 兩側壁噴嘴6 噴水冷卻鋁料;擠壓出鋁料的壁厚較大時，鋁料通過托輥2 時，水槽7 上蓋板5 在液壓缸帶動下蓋在水槽上方，同時，淬火水槽7 底部進、出口噴水管1 和3 將高壓水注入水槽，由于兩管道面對面成40°角布置，因而在水槽7 內會形成一定高度的水體，當到達一定水位后，調整進水流量使出水管4 流量和進水管1 和3 流量總和相同，淬火時，鋁料將從水中穿過，這樣鋁料不僅在水中得到快速冷卻，并且鋁料冷卻過程變形均勻。

在線駐波淬火技術的優點是可以根據鋁料的壁厚大小，選取水霧或駐波水冷卻，淬火冷卻后，不僅使溫度下降到要求范圍，又可以使鋁料淬火后機械性能均勻和變形量小。