張 君，侯永超，薛菲菲，黃 勝，周少凡，柴 星

(1. 中國重型機械研究院股份公司金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安710032；2. 西北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710072)

0 前言

高鐵提速的關(guān)鍵是材料的輕質(zhì)化，在“十三五”國家戰(zhàn)略中就有明確提出軌道發(fā)展要朝著智能、綠色、輕量的方向發(fā)展，要不斷的發(fā)展新技術(shù)、新工藝、新材料?！笆奈濉币?guī)劃交通運輸輕量化材料仍將是重要的發(fā)展方向[1-4]。同時為滿足導(dǎo)彈、火箭等航天裝備平臺輕量化、高可靠、高推比等發(fā)展需求[5-7]，目前國內(nèi)外都在大力發(fā)展的高性能輕質(zhì)金屬材料的加工制造，對于新能源汽車、軍工、船舶和核電等行業(yè)，對高性能輕質(zhì)金屬材料的需求和要求也在逐年遞增。

高性能輕質(zhì)鋁型材主要是采用擠壓的方式生產(chǎn)，正向擠壓由于擠壓筒和鋁錠坯的摩擦，金屬流動不均勻，這種不均勻的流動形式致使擠壓產(chǎn)品存在表層與中心、頭部與尾部的組織性能不均勻現(xiàn)象，該現(xiàn)象在無潤滑正向擠壓時尤為嚴重。一般來說在擠壓產(chǎn)品的表層和尾端晶粒粗大，由于表層和尾端易產(chǎn)生粗晶，導(dǎo)致擠壓產(chǎn)品組織性能不均勻。

為了消除摩擦力對鋁擠壓變形過程的影響，反向擠壓逐漸發(fā)展起來。相對于正向擠壓，反向擠壓擠壓筒和鋁錠坯一起移動，這樣擠壓筒內(nèi)表面和鋁錠坯外表面之間就不存在滑動摩擦，從而使得鋁錠坯在擠壓筒內(nèi)的變形均勻性更好，由于摩擦力的消失，對于同樣的鋁錠坯，反向擠壓的擠壓力可以下降25%～30%。反向擠壓由于擠壓筒和鋁錠坯一起運動，擠壓型材要從中空的模軸中擠出，這樣使得擠出產(chǎn)品的外接圓直徑受到限制，比正向擠壓的外接圓直徑小的多。反向擠壓主要是用于生產(chǎn)要求組織和性能均勻、嚴格控制粗晶環(huán)缺陷的硬鋁和超硬鋁合金棒材、型材以及大直徑薄壁無縫鋁合金管材等，不僅可以生產(chǎn)精密無縫鋁管和鋁扁管等機械性能高的擠壓產(chǎn)品，而且可用于生產(chǎn)低溫超導(dǎo)材料[8-10]。

對于航空航天等高性能工業(yè)鋁材來講，粗晶環(huán)和沿長度方向性能的均勻性是一個重要指標[11,12]，而目前的正向擠壓和反向擠壓的產(chǎn)品都在一定程度上會出現(xiàn)粗晶環(huán)，而且擠壓產(chǎn)品尾端低倍組織較多，使擠壓經(jīng)常出現(xiàn)廢品導(dǎo)致成材率較低，西南鋁就出現(xiàn)擠壓的某型號直升機旋翼產(chǎn)品質(zhì)量很難過關(guān)的情況。因此高性能工業(yè)鋁型材擠壓生產(chǎn)需要新的擠壓工藝技術(shù)和裝備，盡可能地消除粗晶環(huán)，提高鋁型材沿長度方向的均勻性。以提高產(chǎn)品性能和成材率。有效摩擦擠壓通過擠壓筒施加與鋁錠坯一個向前的靜擠壓力，促進金屬快速流入模具定徑帶，改善金屬流動形式，從而提高擠壓產(chǎn)品性能。有效摩擦擠壓的鋁型材產(chǎn)品中不再出粗晶環(huán)，產(chǎn)品長度方向的組織結(jié)構(gòu)更均勻，硬度值一致性高、尺寸精度高，可以滿足高性能輕質(zhì)鋁型材擠壓成形的技術(shù)要求。

1 高性能輕質(zhì)鋁型材有效摩擦擠壓新工藝核心技術(shù)

有效摩擦擠壓就是在反向擠壓的基礎(chǔ)上，擠壓筒主動向前運動，施加給變形鋁錠坯一個向前的有效摩擦力，改變鋁錠坯擠壓過程的流動特性。有效摩擦擠壓工藝要求擠壓筒和擠壓桿分別驅(qū)動并在擠壓過程中同向單獨運動，采用雙擠壓桿的擠壓機結(jié)構(gòu)形式，一個擠壓桿安裝在移動橫梁上，一個擠壓桿(前端安裝模具，也叫模軸)安裝在模架上，擠壓筒通過速度和力量的控制，實現(xiàn)在擠壓過程中和擠壓桿同向主動運動，同時與鋁錠坯產(chǎn)生相對運動的趨勢，進而施加給鋁錠坯一個沿擠壓方向向前的有效摩擦力，有效摩擦擠壓方法可以改進鋁錠坯變形的一致性，擠壓的鋁型材產(chǎn)品中不再出粗晶環(huán)，產(chǎn)品長度方向的組織結(jié)構(gòu)更均勻。

1.1 有效摩擦擠壓過程理論分析和數(shù)值模擬

1.1.1 有效摩擦擠壓新工藝數(shù)值模擬模型的建立

對于正向擠壓、反向擠壓和有效摩擦擠壓，三個擠壓過程中摩擦力的大小和方向不同，據(jù)此可以對三個擠壓過程進行理論分析，在理論分析的基礎(chǔ)上進行數(shù)值模擬?？紤]到擠壓過程的特點，可以將三個擠壓過程簡化為軸對稱問題進行數(shù)值模擬，建立三個擠壓過程的數(shù)值分析模型并進行有限元網(wǎng)格劃分，如圖1所示。

對于三個擠壓過程，可以采用同樣尺寸的擠壓模具、變形鋁錠坯、擠壓筒和擠壓墊，變形材料的合金成分也一致，這樣可以定量的對比分析。正向擠壓過程中，擠壓筒不動，擠壓墊推著變形鋁錠坯向前移動，從擠壓模具口處擠壓成形；反向擠壓過程中，擠壓筒和變形鋁錠坯以一樣的速度向前移動，擠壓墊推著鋁錠坯從擠壓模具口處擠壓成形；有效摩擦擠壓過程中，擠壓筒以比變形鋁錠坯略大一些的速度向前移動，擠壓墊推著鋁錠坯從擠壓模具口處擠壓成形。

圖1 三個擠壓過程網(wǎng)格劃分后的有限元分析模型

1.1.2 有效摩擦擠壓變形規(guī)律

經(jīng)過有限元模擬分析，可以得到三個不同擠壓過程的擠壓力、擠壓筒受力和擠壓行程曲線如圖2所示。

圖2 三個擠壓過程擠壓力、擠壓筒受力與擠壓行程曲線

圖2a為三個擠壓過程的擠壓力和擠壓行程曲線，圖2b為三個擠壓過程的擠壓筒受力和擠壓行程曲線。從擠壓力和擠壓行程曲線可以看出：對于正向擠壓過程，和常規(guī)的擠壓力與行程曲線一致，開始階段擠壓力上升很快，在材料突破之后擠壓力逐漸下降，這主要是鋁錠坯表面和擠壓筒內(nèi)表面擠出的長度在縮短，摩擦阻力下降所致，而在最后階段，由于材料都到了擠壓死區(qū)，擠壓力急劇上升直到達到擠壓殘料位置；在反向擠壓過程，擠壓機開始也是上升很快，達到突破力之后逐漸平穩(wěn)，突破時的擠壓力比正向擠壓時的擠壓力，約低20%左右，突破后擠壓力維持不變，這主要是鋁錠坯表面和擠壓筒內(nèi)表面無摩擦力所致，在擠壓最后階段，由于材料進入死區(qū)，擠壓力也是急劇上升的；在有效摩擦擠壓過程中，擠壓力變化和反向擠壓類似，但擠壓力的數(shù)值比反向擠壓更低。圖2b顯示：三個擠壓過程中，在鋁錠坯擠壓突破之前，擠壓筒的受力上升很快，正向擠壓擠壓筒受力比反向擠壓大了57%，有效摩擦擠壓擠壓筒受力比反向擠壓略大一些，這主要是正向擠壓摩擦力較大，反向擠壓基本無摩擦力，而有效摩擦擠壓有一個向前運動的趨勢，有一定向前的摩擦力。在擠壓結(jié)束時，三個擠壓過程擠壓筒受力均很快下降。

有限元模擬分析得到擠壓過程中材料流動規(guī)律的對比如圖3所示。

圖3 正向擠壓和有效摩擦擠壓金屬流動速度變化圖

圖3所示為有限元模擬分析得到的擠壓過程中材料流動規(guī)律的對比。圖3a為正向擠壓金屬流動速度分布圖，圖3b為有效摩擦擠壓金屬流動速度圖。從兩個圖的對比可以看出，圖3a模具口的鋁錠坯流動速度和擠壓筒角落的鋁錠坯流動速度相差很大，顯示出有一個變形死區(qū)的存在，而在圖3b中，模具口的鋁錠坯流動速度和擠壓筒角落的鋁錠坯流動速度相差，金屬流動形式得到了很大的改善。

1.1.3 有效摩擦擠壓過程擠壓力的計算公式

根據(jù)對有效摩擦擠壓過程的理論分析和數(shù)值模擬，可以建立有效摩擦擠壓過程的擠壓力和擠壓筒受力之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 有效摩擦擠壓過程力學(xué)分析示意圖

按照有效摩擦擠壓過程，可以分析鋁錠坯在擠壓過程中的受力情況，對于鋁錠坯來說，按照力平衡的原則可以建立公式：

Pe+fc=Pm

(1)

式中，Pe為有效摩擦擠壓時的擠壓力；fc為擠壓筒施加在鋁錠坯上的有效摩擦力；Pm為模具施加在鋁錠坯上的支撐力。

按照受力分析，可得公式

Pe=βA0σ0lnλ-0.577σ0πDL

(2)

fc=0.577σ0πDL

(3)

(4)

式中，A0為擠壓筒內(nèi)的環(huán)形面積，mm2；σ0為與變形速度和溫度有關(guān)的鋁錠坯的變形抗力，MPa；λ為擠壓比；D為擠壓筒直徑,mm；L為鐓粗后的變形鋁錠坯長度,mm；β為修正系數(shù)，取β=1.3～1.5，硬合金取下限，軟合金取上限；d為模具內(nèi)徑,mm；μ為鋁錠坯和模具之間的熱摩擦系數(shù)。

從有效摩擦擠壓過程中擠壓力和有效摩擦力的理論計算公式可以看出，有效摩擦擠壓過程摩擦力減少了擠壓力的值。

1.2 雙軸式有效摩擦擠壓裝備

有效摩擦擠壓的關(guān)鍵技術(shù)難點在于擠壓筒的力量和速度控制，其力量需要與鋁錠坯的變形自適應(yīng)匹配，其速度需要和擠壓速度高度貼合，如果速度過快會導(dǎo)致擠壓筒和鋁錠坯之間無靜摩擦力，無法消除粗晶環(huán)；如果速度過慢，擠壓筒和鋁錠坯間的摩擦力形成了阻力，其效果類似于正向擠壓，為此，提出了帶有擠壓桿和模軸的雙軸式有效摩擦擠壓裝備如圖5所示。

圖5 帶有擠壓桿和模軸的雙頂桿有效摩擦擠壓裝置

有效摩擦擠壓把擠壓筒和鋁錠坯之間的摩擦力作為動力施加于鋁錠坯上，改變了材料流動特性。其關(guān)鍵技術(shù)難點在于擠壓筒的力量和速度協(xié)調(diào)控制，如果速度過快會導(dǎo)致擠壓筒和鋁錠坯逐漸分離，如果速度過慢，擠壓筒和鋁錠坯的摩擦力無法成為動力，只有擠壓筒和鋁錠坯的速度和力量精準協(xié)調(diào)控制，才能形成有效摩擦力、徹底消除粗晶環(huán)。雙軸式擠壓機主機結(jié)構(gòu)的一個擠壓桿Ⅰ安裝在移動橫梁上，一個擠壓桿Ⅱ安裝在模架上，通過采用對擠壓筒速度和力雙閉環(huán)控制策略，實現(xiàn)在擠壓過程中和擠壓桿Ⅰ同向運動并和鋁錠坯產(chǎn)生相對運動的趨勢進而施加給鋁錠坯一個沿擠壓方向的有效摩擦力，進而實現(xiàn)有效摩擦擠壓。

1.3 有效摩擦擠壓新工藝產(chǎn)品組織性能研究

對反向擠壓和有效摩擦擠壓產(chǎn)品的組織性能進行了對比研究，試驗研究了有效摩擦擠壓和反向擠壓對2A12鋁合金擠壓管材力學(xué)性能和粗晶環(huán)的影響。試驗在25 MN雙軸雙動有效摩擦擠壓設(shè)備進行了試驗。試驗材料及主要參數(shù)見表1。

表1 試驗材料及主要參數(shù)

試驗結(jié)果：擠壓出的φ60×7的無縫管材產(chǎn)品如圖7a所示，將兩組擠壓成形的無縫管材進行取樣觀測，取樣位置的示意圖6b所示。

圖6 有效摩擦擠壓和反向擠壓無縫管材實驗及結(jié)果

從實驗試樣金相組織分析(圖6c～圖6f)可以看出：

(1)在本實驗工藝下，反向擠壓在管材的內(nèi)表面和外表面均產(chǎn)生了厚度約為80 μm的粗晶區(qū)，且粗晶區(qū)在制備金相試樣的過程中均出現(xiàn)了不同程度的沿晶裂紋。另外從軸向和徑向的金相組織可以看出經(jīng)歷大擠壓比擠壓的2A12合金動態(tài)再結(jié)晶效果明顯，再結(jié)晶晶粒為細小等軸晶，晶粒尺寸≤5 μm。

(2) 擠壓工藝參數(shù)不變，加入2.9 MN(17.5 MPa)擠壓筒有效摩擦力，與反向擠壓相比，在管材的近外表面未出現(xiàn)粗晶區(qū)，內(nèi)表面區(qū)出現(xiàn)粗晶區(qū)，但是粗晶區(qū)范圍減薄，不大于30 μm。從軸向和徑向的金相組織可以看出經(jīng)歷大擠壓比擠壓的2A12合金動態(tài)再結(jié)晶效果明顯，再結(jié)晶晶粒為細小等軸晶，晶粒尺寸≤5 μm。

(3) 顯微硬度分析結(jié)果表明：與反向擠壓相比，有效摩擦擠壓對管材的頭部、中部具有一定的加工硬化現(xiàn)象，金相分析表明由于有效摩擦改善了金屬在擠壓過程中的流動性，應(yīng)力分布和坯料的動態(tài)再結(jié)晶過程更為均勻，細小等軸晶尺寸也更加均勻。

擠壓成形的鋁合金無縫管材的顯微硬度分析結(jié)果見表2。

表2 擠壓管材顯微硬度分析結(jié)果

從表2得出：有效摩擦擠壓產(chǎn)品硬度均勻性更好些，硬度平均值更高，產(chǎn)品性能更好。

1.4 擠壓筒與擠壓桿同向運動的雙閉環(huán)數(shù)控技術(shù)

要實現(xiàn)有效摩擦擠壓，除了采用有擠壓桿和模軸的雙軸式結(jié)構(gòu)，還需要按照擠壓筒運動控制的基礎(chǔ)控制擠壓筒和擠壓桿同向運動，使擠壓筒能夠給鋁錠坯施加有效摩擦力。按照這個要求，提出了擠壓筒和擠壓桿的各自由單獨油泵分別驅(qū)動，擠壓桿和擠壓筒的速度也由比例變量泵調(diào)整，擠壓筒的驅(qū)動力由比例溢流閥調(diào)整，通過對擠壓筒進行速度和力量的各自閉環(huán)調(diào)整，擠壓筒在這兩個閉環(huán)調(diào)整的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)和擠壓桿的同向運動并施加鋁錠坯摩擦力，如圖7所示。

圖7 有效摩擦擠壓裝置擠壓筒控制技術(shù)路線

從圖7可以看出：擠壓筒控制是速度環(huán)飽和的情況下調(diào)整力量環(huán)，即先用比例變量泵調(diào)整擠壓筒的速度，速度滿足的情況下，采用比例溢流閥調(diào)整驅(qū)動力量，實現(xiàn)擠壓筒和擠壓桿的同向運動。

1.5 超大擠壓比鋁管有效摩擦擠壓生產(chǎn)方法

超大擠壓比鋁管要實現(xiàn)有效摩擦擠壓，除應(yīng)用擠壓筒與擠壓桿同向運動的雙閉環(huán)數(shù)控技術(shù)，穿孔針在擠壓過程中還需要固定不動。

1.5.1 有效摩擦擠壓中固定針控制技術(shù)

超大擠壓比鋁管有效摩擦擠壓過程中的固定針工藝就是穿孔針在模具口處固定不動，就需要和擠壓桿一樣的速度后退，但受到速度精度的影響，有時還需前進或快速后退進行微調(diào)，使得穿孔針和模具的相對位置精度在1 mm以內(nèi)。而在擠壓過程中，由于鋁錠坯長度在不斷縮短，穿孔針的受力在一直減小，也是不斷變化的，因此需要對穿孔針進行受力和速度的精確控制，才能保證穿孔針位置的準確性，實現(xiàn)固定針工藝，工業(yè)實際中常采用內(nèi)置式的穿孔系統(tǒng)，穿孔針采用液壓固定，實現(xiàn)穿孔針受力和速度兩個閉環(huán)控制。

根據(jù)穿孔針精度控制的要求，采用高頻響的比例閥控制穿孔針前腔的進油和排油。比例閥的響應(yīng)頻率小于20 ms。穿孔針的位置通過位移傳感器檢測，穿孔針的前腔設(shè)有比例溢流閥。如果檢測到穿孔針的位置靠前，則給穿孔針前腔供液，使其向后移動，如果檢測到穿孔針的位置靠后，則對穿孔針的前腔排液，使其向前移動，這樣就能使穿孔針和模具口的位置相對不動，實現(xiàn)固定針工藝，提高鋁管內(nèi)表面質(zhì)量。由于比例閥的快速響應(yīng)、位移傳感器的精確檢測和比例溢流閥壓力的準確控制，可以保證固定針的控制精度。

1.5.2 超長無縫鋁管有效摩擦擠壓生產(chǎn)方法

擠壓超長無縫鋁管需要在較大的雙動有效摩擦擠壓機上，采用“瓶針”進行擠壓，將較大較長的鋁錠坯擠壓成超長的無縫鋁管，如圖8所示。

圖8 超長無縫鋁管擠壓過程示意圖

在60 MN雙動有效摩擦鋁擠壓機上建立超長無縫鋁管有效摩擦擠壓生產(chǎn)工藝路線擠出的超長無縫管如圖9所示，采用穿孔針控制方法和偏心率減少方法，擠出的超長無縫管內(nèi)表面質(zhì)量穩(wěn)定，偏心率均在5%以下，達到國際先進水平。

圖9 有效摩擦擠壓的超長無縫鋁管

2 高性能輕質(zhì)鋁型材有效摩擦擠壓應(yīng)用

研制了雙軸式有效摩擦雙動擠壓生產(chǎn)線，包括5 MN雙動有效摩擦擠壓生產(chǎn)線，25 MN雙動有效摩擦擠壓生產(chǎn)線和60 MN雙動有效摩擦擠壓生產(chǎn)線，所有設(shè)備不僅實現(xiàn)了反向擠壓，而且實現(xiàn)了有效摩擦擠壓新工藝，進行了工業(yè)化生產(chǎn)；采用此項技術(shù)改造升級了125 MN雙動鋁擠壓生產(chǎn)線，不僅增加了反向擠壓功能，也實現(xiàn)了有效摩擦擠壓。125 MN雙動有效摩擦擠壓機生產(chǎn)的高性能輕質(zhì)鋁型材，主要用于航空航天和軍工，如圖10所示。

圖10 125 MN雙動擠壓機生產(chǎn)的高性能精密工業(yè)鋁材

3 結(jié)論

(1)有效摩擦擠壓可以徹底消除高性能輕質(zhì)鋁型材的粗晶環(huán)、提高擠壓產(chǎn)品成材率、降低能耗，解決了產(chǎn)品沿長度方向機械性能和組織性能不穩(wěn)定、尾端低倍組織長度長的難題。

(2)采用雙擠壓桿的擠壓機結(jié)構(gòu)形式，通過擠壓桿和擠壓筒單獨驅(qū)動，可以實現(xiàn)有效摩擦擠壓。

(3)提出的擠壓筒與擠壓桿同向運動的雙閉環(huán)數(shù)控方法和研制的適用于有效摩擦擠壓裝備的自動控制策略及其計算機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了有效摩擦擠壓力按照工藝要求的無級可調(diào)。