一種超寬薄壁帶筋板船用型材的研究和開(kāi)發(fā)

胡 焱

（中鋁薩帕特種鋁材（重慶）有限公司，重慶 401326）

0 前言

近年來(lái)，隨著人們節(jié)能減排意識(shí)的不斷提高，交通工具輕量化兼具美觀大方的審美需求成為時(shí)代發(fā)展的必然。以鋁代木、以鋁代鋼、可回收和循環(huán)利用等熱議話(huà)題推動(dòng)材料研發(fā)設(shè)計(jì)端與產(chǎn)品營(yíng)運(yùn)使用端上下聯(lián)動(dòng)，極大地拓展了鋁型材的應(yīng)用廣度和深度。除汽車(chē)、軌道交通、航空航天領(lǐng)域外，艦船、游艇等船體結(jié)構(gòu)也逐步用上了鋁合金型材?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，鋁合金材料的推廣應(yīng)用將是未來(lái)交通工具輕量化發(fā)展的主線。

本文針對(duì)一種用于鋁合金觀光船內(nèi)部的頂板（天花板）開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)，供同行借鑒及參考。

1 型材擠壓難度及可行性分析

型材的斷面如圖1所示。

圖1 型材斷面圖

1.1 難度分析

一是型材超寬。按照有關(guān)資料對(duì)大斷面型材的界定[1]，該型材的寬度達(dá)到700㎜，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)大斷面型材的定義標(biāo)準(zhǔn)；二是型材的寬厚比極大。型材的寬厚比是表征型材扁寬化和薄壁化的重要指標(biāo)，也是反映型材擠壓生產(chǎn)難易程度的重要指標(biāo)。若總寬/壁厚＞130時(shí)，就可能因成形困難、斷面和形位精度難以保證而使產(chǎn)品質(zhì)量大大降低、生產(chǎn)率和成品率急劇下降，成本大大提高[1]。該型材寬厚比為700/3=233，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)驗(yàn)值；三是型材平面間隙要求高。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14846-2014，該型材的平面間隙達(dá)到了高精級(jí)的要求；四是合金難擠壓、淬火敏感性高。出于耐腐蝕和強(qiáng)度的需要，該船用型材采用了6×××系中較難擠壓的6082合金。該合金化學(xué)成分如表1所示。

表1 6082合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

1.2 可行性分析

結(jié)合現(xiàn)有的120 MN擠壓設(shè)備及457/533 mm兩種鑄棒規(guī)格，計(jì)算出擠壓系數(shù)分別是57和78，而對(duì)應(yīng)的比壓（擠壓機(jī)的全壓力/擠壓筒內(nèi)孔的斷面積）分別是701 MPa和518 MPa?？紤]到533 mm筒上的單位擠壓力（比壓）更低而變形程度（擠壓比）更大，綜合型材斷面自身難度研判，認(rèn)為采用457 mm鑄棒進(jìn)行寬展擠壓更為合適。

據(jù)相關(guān)資料介紹，采用寬展模擠壓時(shí)，寬展變形率一般在30%左右，寬展角一般在30°左右。寬展擠壓時(shí)的壓擠系數(shù)不宜過(guò)大，一般以30左右為宜。用寬展擠壓可以生產(chǎn)比圓擠壓筒直徑大10%～30%的產(chǎn)品[2]。而本例型材無(wú)論是擠壓系數(shù)還是寬度與擠壓筒直徑之比（700/467=1.5），都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)驗(yàn)值。此船用型材采用常規(guī)寬展模擠壓會(huì)帶來(lái)3個(gè)問(wèn)題：一是模具外形尺寸大，本例需采用全尺寸模具（1 042 mm×500 mm），模具的采購(gòu)成本以及生產(chǎn)過(guò)程中的維護(hù)成本（模具堿洗和氮化）高；其二，全尺寸模具由于無(wú)模套保護(hù)，直接與模座接觸，熱損失更快，對(duì)模孔尺寸的影響更大，進(jìn)而增加了型材壁厚和平面間隙控制難度，亦使得生產(chǎn)的連續(xù)性難以保證；其三，不符合工模具標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的管理要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，模具的裝配厚度為500 mm，若按照“寬展模+模面+墊”的結(jié)構(gòu)，考慮到兩側(cè)供料實(shí)際，匡算出寬展角仍大于30°。本例若采用常規(guī)的寬展模具方案，綜合金屬流動(dòng)、模具寬展角的一般經(jīng)驗(yàn)，如果把模具寬展角控制在30°左右，那么模具的裝配厚度將遠(yuǎn)超現(xiàn)有的厚度標(biāo)準(zhǔn)，不利于模具標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的管理需求。

2 工模具方案設(shè)計(jì)

查閱現(xiàn)有薄壁扁寬型材開(kāi)發(fā)案例，均是采用寬展?；?qū)Я靼宓慕Y(jié)構(gòu)形式[3-4]。根據(jù)前述可行性分析研判，決定本例型材的開(kāi)發(fā)避開(kāi)全尺寸模具而采用一種全新結(jié)構(gòu)[5]。該結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮模套的作用，將鑄棒的寬展變形由模套完成，模具本身不作任何寬展，并置身于模套內(nèi)，如圖2所示。

圖2 模具與模套裝配圖

這樣就解決了型材擠壓難度及可行性分析所述的前兩個(gè)問(wèn)題。另外為了降低寬展模套內(nèi)的含鋁量，降低鑄錠頭尾焊合形成的幾何報(bào)廢，對(duì)模套進(jìn)行極限寬展，見(jiàn)圖3。

圖3 寬展模套詳圖

采用寬展模套，意味著打破常規(guī)由模具與擠壓筒內(nèi)襯密封的形式，改為由模套與擠壓筒內(nèi)襯密封。尤其需要注意的是寬展模套對(duì)擠壓筒鎖緊力的負(fù)面影響。根據(jù)常規(guī)擠壓筒與模具密封的經(jīng)驗(yàn)，擠壓時(shí)擠壓筒與模子的端面緊貼在一起。在擠壓開(kāi)始時(shí)，由于鑄錠很長(zhǎng)，填充擠壓后，鑄錠緊貼擠壓筒襯套內(nèi)壁，擠壓軸向前推進(jìn)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力大大增強(qiáng)了擠壓筒對(duì)模子端面的鎖緊力。但當(dāng)擠壓軸推進(jìn)到與模子端面只有一定距離時(shí)，上述摩擦力大大降低，同時(shí)在擠壓筒與模子之間形成的所謂“死角”的金屬受擠壓力作用而出現(xiàn)紊流現(xiàn)象。這時(shí)被擠壓的金屬傳遞給擠壓筒的后推力逐漸與擠壓筒的鎖緊力相接近（如果鎖緊力太小，便會(huì)相互抵消或超過(guò)鎖緊力）。當(dāng)后推力超過(guò)鎖緊力時(shí)，被擠壓的金屬便會(huì)從擠壓筒與模子之間大量泄出，形成“大帽”[6]。采用寬展模套，情況亦然。當(dāng)出現(xiàn)悶車(chē)、堵模等極端情形，擠壓力可達(dá)到極值。此時(shí)如果模套的“寬展面積”大于鑄錠對(duì)模套的“壓緊面積”而擠壓筒的鎖緊壓力又太小的話(huà)，這時(shí)“寬展面積”處產(chǎn)生的鑄錠對(duì)模套的后推力可能會(huì)大于擠壓筒對(duì)模套的鎖緊力，從而造成“大帽”，見(jiàn)圖4。

圖4 模套“寬展面積”與鑄錠“壓緊面積”示意圖

以寬展模套為受力體，當(dāng)擠壓機(jī)壓力處于極值時(shí)：

鑄錠對(duì)模套的后推力計(jì)算如下：

模套端面受到鑄錠的壓緊力如下：

其中：P比為擠壓機(jī)的全壓力與擠壓筒內(nèi)孔的斷面積之比。

注意正向擠壓有一個(gè)缺點(diǎn)，即因鑄錠表面和擠壓筒內(nèi)襯內(nèi)壁發(fā)生激烈摩擦，使消耗的總擠壓力高達(dá)30%～40%[7]。本例計(jì)算按40%的擠壓力用于克服鑄錠與擠壓筒內(nèi)壁摩擦做功，剩余60%的擠壓力由擠壓筒內(nèi)的鑄錠傳遞到模套端面，形成鑄錠對(duì)模套的壓緊。

一般情況下，F(xiàn)后＜F鎖+F壓。若忽略擠壓筒對(duì)模套端面鎖緊力的影響，通常要求F后＜F壓。因此設(shè)計(jì)寬展模套時(shí)，需要對(duì)模套的“寬展面積”與鑄錠對(duì)模套的“壓緊面積”進(jìn)行計(jì)算，原則上應(yīng)滿(mǎn)足“寬展面積SB”＜“壓緊面積SA×0.6”。經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，457 mm鑄錠的擠壓筒直徑為467 mm，鑄錠作用在模套端面的面積SA=121 029 mm2，寬展面積SB=48 764 mm2。48 764＜121 029×0.6，符合上述“寬展面積SB”＜“壓緊面積SA×0.6”原則。換言之，即使存在堵模、悶車(chē)等情形，鑄錠對(duì)模套的后推力不足以造成“大帽”發(fā)生。

模具被置于寬展模套內(nèi)且不作任何寬展，不需承受來(lái)自擠壓筒的壓緊力（鎖緊力），模具強(qiáng)度得到顯著改善，模具結(jié)構(gòu)也變得十分簡(jiǎn)單，即采用“模面+墊”的形式，見(jiàn)圖5。模面和墊分別按?850 mm×100 mm和?850 mm×250 mm設(shè)計(jì)，其外形及厚度都可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，解決了型材擠壓難度和可行性分析中提到的第三個(gè)問(wèn)題，因此可推廣應(yīng)用到所有薄壁扁寬實(shí)心型材的開(kāi)發(fā)。

圖5 模面與模墊裝配圖

此外，由于本例型材超寬，左右邊緣的模具寬度只有50 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上下邊緣的模具寬度。需要在上下方各增加一個(gè)淬火孔，減少模具在加工熱處理過(guò)程中開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)以及熱擠壓過(guò)程中由于模具溫度損失的不一致造成左右兩側(cè)受到附加拉應(yīng)力而引起的型材壁厚的變化。

3 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)與試制

結(jié)合120 MN擠壓機(jī)比壓大、在線淬火系統(tǒng)冷卻速率高的優(yōu)勢(shì)，擠壓工藝參數(shù)按照中溫高速?gòu)?qiáng)風(fēng)冷卻進(jìn)行設(shè)置。相關(guān)工藝參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 擠壓工藝參數(shù)

首次試制料頭情況見(jiàn)圖6（模具在模套內(nèi)旋轉(zhuǎn)了180°，即筋在上，平面在下）。

圖6 首次試模料頭

該型材首次試制的主要問(wèn)題點(diǎn)及原因分析：兩側(cè)供料明顯不足；壁板部位呈波浪狀。通過(guò)對(duì)料頭進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)模具左右兩側(cè)的前置室偏小，是造成兩側(cè)流速明顯偏慢的主因。另外，在如此大的寬展角度下，金屬沿寬展模套徑向流動(dòng)的不確定性增加，常規(guī)的模具工作帶取值經(jīng)驗(yàn)不適用于此超寬薄壁的型材模具方案。壁板部位工作帶與左右兩側(cè)工作帶相比差異值偏小，是造成壁板波浪的原因。

改善方案：通過(guò)修模，擴(kuò)大兩側(cè)前置室，使遠(yuǎn)離中心的兩側(cè)有足夠的供料，解決兩端供料不足的主要矛盾；同時(shí)減小左右兩側(cè)工作帶，并在中心部位作阻礙角，解決中心大面的波浪問(wèn)題。并將模具恢復(fù)為初始狀態(tài)（筋在下方，平面在上方）以便于在線檢測(cè)平面間隙。

從第二次試模情況看，料頭流速的一致性較好，擠出的型材基本滿(mǎn)足圖紙要求，見(jiàn)圖7。

圖7 修模后實(shí)物（左）及第二次試制（右）

該型材經(jīng)鋸切定尺后立即進(jìn)行175℃/8 h時(shí)效。質(zhì)檢結(jié)果表明，其機(jī)械性能符合EN 755-2的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

在開(kāi)發(fā)該超寬薄壁帶筋板型材過(guò)程中，從型材生產(chǎn)難度及可行性、工模具方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化、工藝參數(shù)制定等方面，進(jìn)行了科學(xué)合理的論證，并針對(duì)大角度寬展帶來(lái)的成型問(wèn)題進(jìn)行了有針對(duì)性的修模，最終滿(mǎn)足了圖紙要求。

（1）這類(lèi)超寬薄壁產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)實(shí)踐中需要平衡寬展量（寬展角度）和切頭去尾的關(guān)系。

（2）寬展角度大，模套內(nèi)含鋁量相應(yīng)少，型材幾何報(bào)廢率減少，但金屬的流動(dòng)不均勻性增大，擠壓成形和模具設(shè)計(jì)（如模具導(dǎo)流坑形狀和工作帶的設(shè)計(jì)）、修模的難度增加。

（3）寬展角度小，意味著模套寬展變形的深度增加，從而導(dǎo)致模具的裝配厚度相應(yīng)變薄，模具本身的強(qiáng)度受到極大影響，型材出口的溫升也會(huì)增加，進(jìn)而影響型材精度和生產(chǎn)連續(xù)性。

該超寬薄壁帶筋板型材的開(kāi)發(fā)避開(kāi)了常規(guī)的工模具結(jié)構(gòu)帶來(lái)的一系列問(wèn)題，采用了全新的寬展模套結(jié)構(gòu)。該寬展模套的應(yīng)用對(duì)減少模具及生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)工模具規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化系列化帶來(lái)諸多利好，是一種值得推廣的小機(jī)擠大料的模式。