黃和鑾，李 輝，羅銘強，林麗熒

（廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528137）

常規(guī)鋁合金熱擠壓生產(chǎn)中，金屬溫度、變形存在分布不均勻的情況，極易導致擠壓成品尺寸、形狀、組織、性能等存在缺陷。通過應用等溫擠壓技術，可減少乃至消除此類缺陷與不足，生產(chǎn)的成品具有表里溫度均勻、變形均勻、流線合理、組織性能優(yōu)異等特點，生產(chǎn)的材料利用率高、效率高，尤其是適用于生產(chǎn)成形力要求較低的薄壁、高筋等形狀復雜的構(gòu)件。因此，加強此技術研究具有重要意義。

1 鋁合金等溫擠壓技術的提出

早在20世紀40年代，等溫鍛造構(gòu)想被提出，并經(jīng)20年的研究逐步成型，早期等溫鍛造理念主要用于生產(chǎn)鈦合金葉片，后期逐漸運用于各種金屬加工中。鋁合金等溫擠壓技術是基于等溫鍛造理念發(fā)展而來，此方法要求將模具、金屬坯料加熱至變形溫度，然后進行擠壓生產(chǎn)，成形前、后的坯料溫度維持不變，由此保證金屬變形抗力與流動均勻性[1]。

從鋁合金熱擠壓生產(chǎn)過程來看，金屬坯料在擠壓筒內(nèi)存在劇烈的塑性變形情況，且與筒內(nèi)表面、模具表面產(chǎn)生劇烈摩擦，90%～95%塑性變形功、摩擦功均會轉(zhuǎn)化為熱量，使得模具?？字苓吔饘僮冃螀^(qū)溫度、?？壮隹谔幮筒臏囟瘸掷m(xù)增高?；诖饲闆r，極易因溫度變化導致金屬型材頭尾的組織性能存在差異，并且，為防止擠壓后期模孔出口處型材溫度過高，往往需對擠壓速度進行控制，這也影響了實際生產(chǎn)效率。而等溫擠壓技術的優(yōu)勢在于擠壓成型過程中?？赘浇冃螀^(qū)內(nèi)金屬溫度近乎恒定，有效解決了熱擠壓面臨的諸多問題，具體優(yōu)點可歸納如下：①變形速率低、溫度穩(wěn)定，防止局部過熱，可有效保證變形均勻性，成品微觀組織、綜合性能具有較高的一致性；②金屬毛坯冷卻與變形速度降低，變形抗力相應下降；③減小了模具激冷、材料應變硬化的影響，變形載荷減小，對設備噸位的要求降低，整個產(chǎn)品成形過程更為簡化；④通過建立等溫條件，可使鋁合金在最優(yōu)熱力學條件下實現(xiàn)變形，且可精準控制加工參數(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量良好，適用于復雜結(jié)構(gòu)擠壓件制作[2]。

2 鋁合金等溫快速擠壓技術原理與方法

2.1 技術原理

鋁合金等溫擠壓工藝制定參考擠壓極限圖，如下圖1所示，左側(cè)為擠壓能力曲線、右側(cè)為表面質(zhì)量曲線。當擠壓溫度過低或是擠壓速度較慢時，擠壓過程難以實現(xiàn)；當擠壓速度過快或是溫度過高時，將導致成品表面出現(xiàn)裂紋、粘接等缺陷。而傳統(tǒng)擠壓區(qū)與等溫擠壓區(qū)相比，雖然能夠保證成品質(zhì)量，但是擠壓效率相對較低，當參數(shù)取值為兩條曲線交點時，等溫擠壓能夠?qū)崿F(xiàn)理論上的最大擠壓速度與最佳出口溫度。

圖1 擠壓極限圖

2.2 技術方法

目前，實現(xiàn)鋁合金等溫快速擠壓的技術方法主要有以下幾種[3]。

2.2.1 梯溫鑄棒擠壓技術

此方法主要是利用前、后有溫差的棒料進行擠壓生產(chǎn)，棒料前端溫度高于后端，可有效抵消擠壓過程中型材出口溫度的升高，由此可在不降低擠壓速度的同時實現(xiàn)等溫擠壓，提升了整體生產(chǎn)效率。從鑄棒梯溫的實現(xiàn)方法來看，主要分為兩種：一是梯溫加熱（圖2（a）），梯度加熱爐主要采用線圈工頻加熱方法，加熱快、無污染，且節(jié)約能源。為進一步提高鑄棒溫度過渡的均勻性，增加可控加熱段數(shù)，并在各段裝設熱電偶進行溫度檢測，由此獲得預設的溫度梯度分布。二是梯溫冷卻，主要方法有棒料端淬法（圖2（b））、進行式單環(huán)冷卻（圖2（c））、固定式多環(huán)冷卻（圖2（d））。無論是采用梯溫加熱還是梯溫冷卻的方法，關鍵在于合理設計鑄棒溫度梯度，這兩種方法的優(yōu)勢為設備簡單、成本低。

圖2 鑄棒梯溫實現(xiàn)方法

2.2.2 擠壓參數(shù)的熱—力耦合仿真

基于鋁合金型材出口溫度與擠壓速度的關系，通過摩擦與熱傳導等因素進行分析，對擠壓速度、溫度參數(shù)進行熱—力耦合仿真，獲得相應的溫度—速度曲線，并由此控制擠壓速度，進而實現(xiàn)近似等溫擠壓。基于此技術方法，鋁合金型材出口溫度波動小，但是相應的擠壓速度也有所降低。因此，需要加強控制系統(tǒng)的開發(fā)，有效保證擠壓速度，提高鋁合金生產(chǎn)效率。

2.2.3 溫度與擠壓速度閉環(huán)控制

通過準確測量鋁合金型材出口溫度，并與目標溫度對比，利用PLC控制系統(tǒng)修正速度。若是實際溫度高于目標，則閉環(huán)控制系統(tǒng)自動降低擠壓速度；反之，將自動加快擠壓速度，維持出口溫度達到設定目標，實現(xiàn)等溫擠壓[4]。由此為等溫擠壓技術的應用提供了有利條件，實現(xiàn)較好的生產(chǎn)效率及成品質(zhì)量。

3 工程案例

3.1 結(jié)構(gòu)件情況

本次采用7A04鋁合金生產(chǎn)大型車用輪輞，輪輞生產(chǎn)尺寸如下：口部、底部直徑600mm、508mm，壁厚12mm，屬于薄壁復雜結(jié)構(gòu)件。傳統(tǒng)熱擠壓成形技術采用直徑500mm鑄坯，基于420℃坯料溫度下進行反復熱擠壓，成形力最大40000kN。試制過程中，由于結(jié)構(gòu)件尺寸大，散熱相對較快，并且采用的是超硬鋁合金，較難成形，易出現(xiàn)變形量過大的問題。在成品探傷時顯示存在缺陷，線切割剖開后在內(nèi)腔底部發(fā)現(xiàn)擠壓裂紋。

3.2 等溫擠壓技術方案

為保證擠壓成品質(zhì)量，決定對坯料與擠壓技術進行全面優(yōu)化，具體如下：

（1）選用直徑300mm鑄坯，鐓粗成直徑520mm的圓餅坯料，采取反擠壓沖連皮、車削底部的方法，制得內(nèi)外徑分別為390mm、520mm的管料坯，并進行多次反擠壓、壓底、口部翻邊以及壓型操作。

（2）輪輞穿孔等溫擠壓，采用如下圖3所示的模具。擠壓過程中，模具與坯料的接觸面積減小，成型過程中擠壓力得到了控制，同時改善了模具受力。等溫擠壓過程中，坯料、模具分別加熱至450℃、420℃，保溫2h～3h，使用油基石墨潤滑，配置16000kN四柱油壓機，工作速率5mm/s。在整個成形過程中，關鍵是溫度控制，本次配置的是雙回路反饋串級溫控系統(tǒng)，保證模具與坯料始終維持恒溫狀態(tài)。

圖3 輪輞穿孔等溫擠壓示意圖

3.3 等溫擠壓成形效果

本次采用的穿孔等溫擠壓技術，輪輞成形效果良好，經(jīng)檢查充型飽滿，外表面無裂縫，底部內(nèi)腔也未發(fā)現(xiàn)擠壓裂紋。經(jīng)由微觀檢查顯示，成品具備鍛件組織特征，再結(jié)晶充分，經(jīng)大變形破碎后縱向組織呈明顯方向性。綜合來看，輪輞擠壓件尺寸、質(zhì)量均滿足技術要求。

4 結(jié)語

隨著鋁合金型材使用的日益廣泛，各種復雜、大尺寸構(gòu)件生產(chǎn)越加常見，這對鋁合金擠壓技術提出了更高的要求，為滿足型材形狀、尺寸以及組織性能等方面的要求，做好技術改進十分關鍵。通過等溫擠壓技術的應用，有效解決了傳統(tǒng)熱擠壓技術在生產(chǎn)效率、成品質(zhì)量方面的問題。在實際生產(chǎn)作業(yè)中，根據(jù)實際情況合理選擇等溫技術方法，并在條件允許的情況下引進一些先進的系統(tǒng)設備，以期全面提高鋁合金生產(chǎn)效益。