程仁寨，肖 棟，曹善鵬，付 凱，張涵源

（山東南山鋁業(yè)股份有限公司鋁材公司，龍口265706）

0 前言

旋翼是飛機(jī)的重要部件，在飛行過程中，旋翼起產(chǎn)生升力和拉力的雙重作用。不僅如此，旋翼還起到類似于飛機(jī)副翼、升降舵的作用[1]。旋翼的使用環(huán)境較為苛刻，其槳尖線速度多在200m/s以上，承受較大的離心力；飛行過程中氣流的多變性使其長(zhǎng)期處于復(fù)雜的受力狀態(tài)下；高頻率圓周運(yùn)動(dòng)容易造成旋翼材料的疲勞失效；此外極端惡劣天氣對(duì)旋翼材料的耐蝕性和抗老化性能也提出了更高的要求。旋翼材料的發(fā)展經(jīng)歷了鋼木混合結(jié)構(gòu)槳葉、金屬槳葉、玻璃鋼復(fù)合材料槳葉、新型復(fù)合材料槳葉的發(fā)展歷程[2]，槳葉壽命也隨著使用材料的變革得到了很大的提升。

隨著國(guó)防科工、民用飛機(jī)的發(fā)展、輕量化意識(shí)的提高，鋁制槳葉逐步進(jìn)入人們的視線。鋁合金材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗疲勞、耐蝕、導(dǎo)熱性好，是制作飛機(jī)旋翼的理想材料[3]。加之現(xiàn)代擠壓技術(shù)操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、可生產(chǎn)復(fù)雜形狀的斷面，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)鋁、銅等有色金屬的管材和型材，為鋁合金旋翼型材的制作提供了技術(shù)支持和理論依據(jù)。

目前國(guó)外已實(shí)現(xiàn)小型旋翼飛機(jī)用槳葉型材來制作，并已實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。而國(guó)內(nèi)關(guān)于一體擠壓成型旋翼型材的相關(guān)報(bào)道較少，主要原因在于槳葉型材斷面復(fù)雜，制程工藝控制嚴(yán)格，技術(shù)要求較高[4]。

本文將針對(duì)某槳葉型材進(jìn)行制程工藝的分析，并確定各工藝過程的參數(shù)范圍，分析總結(jié)了生產(chǎn)過程中的難點(diǎn)并提出解決方案，以期可以獲得穩(wěn)定的槳葉生產(chǎn)工藝，保證槳葉型材的批量化生產(chǎn)。

1 槳葉斷面分析及合金選擇

圖1為客戶提供的槳葉斷面圖。該斷面寬度為209.48 mm，高度為25.25 mm，腔體數(shù)量為6，其中最左側(cè)兩腔體設(shè)為連通狀態(tài)（此做法可提高模具壽命，降低擠壓難度）。斷面前緣壁厚為3 mm，后緣壁厚為1.3 mm，壁厚差異大，且壁厚過度較為突兀，擠壓難度大。該型材后期需要進(jìn)行氧化處理。綜合考慮性能要求、型材擠壓難度、氧化難易程度等因素，槳葉鋁合金型材定為6005A-T6狀態(tài)較為合理。該合金具有較高的力學(xué)強(qiáng)度、疲勞性能，可擠壓性較高，陽極氧化工藝易控制，耐蝕性較好，已廣泛應(yīng)用于軌道交通、建筑模板和其他工業(yè)材產(chǎn)品的擠壓生產(chǎn)[5]。

圖1 槳葉斷面圖

2 制程工藝控制

圖2為槳葉型材的試制工藝流程圖。試制過程中的主要關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)包括：合金鑄造、模具設(shè)計(jì)和制造、擠壓、在線淬火和時(shí)效，以及陽極氧化。本節(jié)將從上述四個(gè)方面分別進(jìn)行論述，確定工藝參數(shù)，達(dá)到制程工藝控制的目的。

圖2 槳葉型材工藝制程流程圖

2.1 合金鑄造

本次工作擬采用6005A合金鑄棒進(jìn)行擠壓，其合金成分含量要求見表1。鑄棒狀態(tài)為均火態(tài)，要求鑄棒直徑228 mm，不允許出現(xiàn)明顯的夾雜、冷隔、中心裂紋和彎曲。其他質(zhì)量要求需符合我公司鋁合金圓鑄錠驗(yàn)收規(guī)定。

表1 6005A合金材料成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2.2 模具設(shè)計(jì)和制造

從槳葉斷面型材圖（圖1）中可以看出：該斷面寬度為209.48 mm，高度為25.25 mm，包含6個(gè)腔體，最小腔體直徑為8.4 mm。這種斷面設(shè)計(jì)型材孔洞較多，因此模芯數(shù)量較多，且形狀各不相同，在擠壓過程中極易造成模芯壓力分布不均、模芯偏心的后果，致使型材壁厚控制較差、模具壽命降低甚至報(bào)廢。斷面前緣壁厚為3 mm，后緣壁厚為1.3 mm，壁厚差異大，且壁厚過度較為突兀。這種情況極易導(dǎo)致擠壓制品由于流速不均而出現(xiàn)較大彎曲的情況。此外，多腔體型材存在多條焊合線，在氧化過程中極易顯現(xiàn)出來，影響制品外觀。因此在模具設(shè)計(jì)和制作過程中進(jìn)行了以下把控：

（1）合理分配分流孔尺寸，針對(duì)壁厚較大的前緣部位，給予較大的分流，同時(shí)盡量保證其他分流孔尺寸的均勻性。

（2）合理設(shè)計(jì)焊合室和工作帶長(zhǎng)度，保證制品流速均勻。該部分工作需通過試模情況對(duì)模具進(jìn)行適當(dāng)微調(diào)，使模具達(dá)到最佳狀態(tài)。

（3）在模具制造過程中，型材薄壁部分走上差，厚壁部分走下差并留有適當(dāng)調(diào)修余量，盡量減小因壁厚差異大、冷卻速度不均勻而出現(xiàn)彎曲的情況。

（4）適當(dāng)增大焊合室深度，減小分流橋厚度，保證制品的焊合質(zhì)量，為后續(xù)氧化表面創(chuàng)造基礎(chǔ)。

2.3 擠壓、在線淬火和時(shí)效

鑒于該斷面的尺寸、形狀特點(diǎn)，我們制訂了相關(guān)技術(shù)參數(shù)，如表2所示。

表2 槳葉型材生產(chǎn)工藝參數(shù)

采用表2所述工藝參數(shù)進(jìn)行擠壓試制。值得注意的是，該斷面形狀復(fù)雜，壁厚差異大，在擠壓過程中極易發(fā)生薄壁部分堵模、制品流速不均、冷卻彎曲大、薄壁塌陷、起浪等缺陷，因此需要對(duì)擠壓工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制，通過一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證找到最佳工藝參數(shù)。

2.4 陽極氧化

該槳葉制品表面需經(jīng)過陽極氧化處理，要求膜厚大于15μm以上。同時(shí)由于該斷面空腔數(shù)量多，氧化后容易顯現(xiàn)焊合線。因此，為保證制品表面質(zhì)量，我們擬采用硫酸陽極氧化工藝，對(duì)槽液濃度、溫度、各道工序時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格把控，控制膜厚在18μm，偏差±1μm。

3 主要問題描述和解決措施

（1）制品流速不均、側(cè)彎嚴(yán)重、起浪。初次上機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)制品流速不均、大幅度彎曲、起浪等缺陷。從圖3的型材料頭照片可以看出，型材薄壁部分嚴(yán)重偏向厚壁部分，說明薄壁部分流速較快，此種情況極容易造成型材大幅度彎曲，如圖3（b）所示。此外，由于薄壁部分流速較快，還可造成型材起浪缺陷，如圖3（c）所示。上述情況的主要解決辦法如下：（a）適當(dāng)增加厚壁部分分流孔尺寸；（b）增加后壁部分供料的平順性；（c）適當(dāng)減小后壁部分工作帶尺寸。

圖3 擠壓制品缺陷實(shí)物圖

（2）側(cè)彎嚴(yán)重。針對(duì)在線淬火冷卻側(cè)彎問題，主要原因是冷卻強(qiáng)度分布不合理。在相同的冷卻條件下，壁厚較大的前緣冷卻速度明顯低于壁厚較小的后緣，從而造成型材側(cè)彎。此種情況下需要對(duì)型材的冷卻進(jìn)行合理分配，主要手段為（a）降低薄壁部分冷卻速度；（b）增大后壁部分冷卻速度。

（3）氧化黑線明顯。在鋁合金熱擠壓過程中，工件與模具界面的摩擦對(duì)模具磨損、擠壓載荷、產(chǎn)品表面質(zhì)量等具有重要的影響[6]。如上文所述，該斷面空腔較多，擠壓過程中容易出現(xiàn)焊合質(zhì)量差的現(xiàn)象，焊合位置相對(duì)于其他位置其摩擦變形程度、溫度、冷卻速度等均有較大差異，造成制品焊合位置的晶粒尺寸、元素含量、強(qiáng)化相分布和數(shù)量與其他位置不同。在陽極氧化后，這些差別表現(xiàn)出來即為氧化黑線。

控制氧化黑線需要分別從模具、擠壓、氧化三方面入手進(jìn)行過程控制：（a）模具方面需適當(dāng)增加焊合室深度，減小分流橋厚度并進(jìn)行拋光，以此來增加焊合，減少摩擦；（b）在擠壓工藝方面，適當(dāng)提高鑄棒溫度至520℃，降低制品流速至2.0m/min，以此來增加焊合程度；（c）適當(dāng)降低陽極氧化過程中的氧化電流密度，延長(zhǎng)氧化時(shí)間使氧化過程更加穩(wěn)定，膜層厚度控制在18μm，偏差±1μm。

4 結(jié)論

綜上所述，本工作首先對(duì)旋翼槳葉型材進(jìn)行了斷面分析和合金選擇，并在此基礎(chǔ)上對(duì)模具設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行了過程把控，制定了相關(guān)擠壓參數(shù)。通過多次修模，并配合調(diào)整擠壓工藝和氧化工藝，最終成功實(shí)現(xiàn)旋翼槳葉型材的試制。縱觀整個(gè)試制過程，得出以下結(jié)論：

（1）模具設(shè)計(jì)過程中盡量放大厚壁分流孔尺寸、平順各區(qū)域供料、平衡厚壁和薄壁區(qū)域工作帶長(zhǎng)度，可保證制品流速均勻，避免出現(xiàn)嚴(yán)重側(cè)彎、起浪等缺陷；增加焊合室深度、減小分流橋厚度并拋光，可減輕制品焊合不良的現(xiàn)象。

（2）擠壓過程中盡量選擇高溫低速的擠壓工藝對(duì)制品進(jìn)行過程控制，可保證型材焊合質(zhì)量，減輕氧化黑線。

（3）淬火過程中合理分配冷卻速度，可減輕制品因冷卻速度不均而產(chǎn)生彎曲的現(xiàn)象。

（4）氧化過程中適當(dāng)降低氧化電流密度、增加氧化時(shí)間可以遮蓋部分氧化黑線。