7xxx鋁合金擠壓技術(shù)及設(shè)備研究現(xiàn)狀

袁 航，陸 政，孫 剛，李國愛，高文理

（1.湖南大學(xué)，長沙 410082；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能優(yōu)異、服役壽命時間長、價(jià)格低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械設(shè)備、艦船快艇、石油化工領(lǐng)域能夠替代絕大多數(shù)鋼材而被廣泛應(yīng)用。由鋁合金制成的飛機(jī)機(jī)艙鍛件、空間飛行器制件、汽車變速箱箱體、高鐵動車車身，不僅可以降低材料重量，減少燃油損耗，同時可以增強(qiáng)設(shè)備的機(jī)動特性和運(yùn)載能力，獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益，因而鋁合金已經(jīng)成為社會發(fā)展建設(shè)中不可或缺的一種有色金屬。隨著各種工業(yè)產(chǎn)品的不斷升級換代，設(shè)備零部件工作時所經(jīng)受的外部環(huán)境條件也變得愈加復(fù)雜和惡劣，例如國防工業(yè)中的戰(zhàn)斗機(jī)和導(dǎo)彈武器裝備，其飛行時的速度可以達(dá)到數(shù)馬赫甚至十幾馬赫，由飛行產(chǎn)生的高溫和振動對材料的選用提出了更高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。鋁合金作為一種性能優(yōu)異的輕量化金屬材料，具有高抗拉強(qiáng)度、良好的韌性和耐腐蝕性，抗疲勞性能好，被認(rèn)為是航空航天工業(yè)發(fā)展中理想的結(jié)構(gòu)材料[1–4]。

2019年，我國鋁加工產(chǎn)量超過5252 萬t，按用途可以分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。其中變形鋁合金操作加工簡單，熱塑性好，可以通過熱處理獲得各種所需要的力學(xué)性能狀態(tài)，具有良好的延展性和可焊接性等，以7xxx 為代表的高強(qiáng)韌變形鋁合金，更是極大地提升了新型戰(zhàn)斗機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)、運(yùn)載火箭、遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的作戰(zhàn)能力和技術(shù)指標(biāo)。因此，研究高強(qiáng)韌鋁合金的熱加工生產(chǎn)技術(shù)對7xxx 鋁合金的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義，其中擠壓作為生產(chǎn)各類復(fù)雜截面板材和型材的常用技術(shù)方法，已經(jīng)成為當(dāng)前研究的一個重點(diǎn)方向。

1 7xxx 鋁合金擠壓制件的應(yīng)用

7xxx 高強(qiáng)韌鋁合金是隨著航空航天技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)歷了由高強(qiáng)到高強(qiáng)耐蝕，又到高強(qiáng)高韌耐蝕，再到提高淬透能力而不斷發(fā)展起來的一種航空鋁合金。用7xxx鋁合金擠壓制成的圓筒形管件、殼體主要用于航空航天飛行器上面的燃料儲箱、輸油管路和各種導(dǎo)管；我國的長征一號火箭到長征四號系列火箭的結(jié)構(gòu)多為金屬板材和加強(qiáng)件組成的硬殼、半硬殼式結(jié)構(gòu)；針對大型客機(jī)的艙門骨架、地板梁與座椅滑軌，選擇7050、7175 鋁合金擠壓件，或者采用7055 鋁合金擠壓件，可以滿足飛機(jī)制造的嚴(yán)格要求。目前國內(nèi)開發(fā)的7xxx 高強(qiáng)韌鋁合金材料已經(jīng)達(dá)到和美國、俄羅斯同等的使用標(biāo)準(zhǔn)，高強(qiáng)韌鋁合金擠壓件在飛行器上的大量運(yùn)用，使得飛行器的服役壽命增長，技術(shù)難度降低，例如通過擠壓7050、7075鋁合金制得的大規(guī)格帶筋壁板，在提高飛機(jī)機(jī)身強(qiáng)度的同時，減少了鉚釘?shù)氖褂脭?shù)量，優(yōu)化了機(jī)身結(jié)構(gòu)，減輕了機(jī)身重量。表1是7xxx 鋁合金型材在飛機(jī)上的主要應(yīng)用方向。目前，由7050、7075、7085 鋁合金擠壓生產(chǎn)出來的板材、型材已經(jīng)在國產(chǎn)大飛機(jī)C919 的垂尾和機(jī)翼上得到了應(yīng)用[5]。新一代國產(chǎn)新干線飛機(jī)的成功試飛，使得我國的航空制造技術(shù)達(dá)到了一個新的水平[6]。

在船舶艦艇、海洋工程領(lǐng)域，7xxx 鋁合金的擠壓件同樣得到了充足的應(yīng)用。為減輕大型水面艦艇的上層建筑重量，降低船體的重心，同時受益于鋁合金良好的耐蝕性，許多大型艦船甲板以上的非防護(hù)部位采用超高強(qiáng)鋁合金材料裝飾，比如舷窗、跳板、桅桿；在小型快艇建造過程中，鋁合金結(jié)構(gòu)可以在保證艇體強(qiáng)度的同時，盡量減輕船體重量，獲得較快的速度，美國海軍的JSHV快速登陸艦艇即采用全鋁制造；部分導(dǎo)彈、魚雷的高質(zhì)量無縫厚壁殼體也采用7xxx 鋁合金進(jìn)行擠壓生產(chǎn)。在海洋油氣開發(fā)方面，鋁合金鉆桿可以抵抗（H2S 和CO2）酸性腐蝕環(huán)境，同時由于鋁合金質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、抗沖擊能力好，使用高強(qiáng)度鋁合金制成的鉆桿可以在同等工作條件下產(chǎn)生較小的扭矩，鉆探深度比鋼質(zhì)鉆桿更深，例如5000m 井深的鋼質(zhì)鉆井系統(tǒng)，采用鋁合金鉆桿可實(shí)現(xiàn)7000m 以上的鉆井深度[7–8]。鉆探鋁管多采用2024 和7075 鋁合金制造，當(dāng)前，俄羅斯采用的D16T 超硬鋁合金鉆桿鉆探深度超過12000m 以上，可以探明更深層次的地下資源。

在交通運(yùn)輸方面，7xxx 鋁合金材料為高速列車和汽車輕量化發(fā)展提供了新的契機(jī)。在實(shí)際生產(chǎn)中，高速列車往往需要應(yīng)用到大量薄壁、中空、截面形狀復(fù)雜的大規(guī)格鋁合金擠壓型材，如圖1所示[9]的我國和諧號列車車廂中梁所用到的一類鋁合金型材斷面結(jié)構(gòu)。除了采用6xxx 鋁合金生產(chǎn)之外，同樣為了保證其較高的使用強(qiáng)度，滿足疲勞韌性和降低應(yīng)力腐蝕敏感性等特點(diǎn)，7xxx鋁合金中常用到的也有7005、7B05、7020 等牌號[10]，主要用來生產(chǎn)側(cè)墻、頂棚、底架和牽引梁等結(jié)構(gòu)。

圖1 高速列車車廂中梁橫斷結(jié)構(gòu)圖[9]Fig.1 Cross section structural drawing of middle beam of highspeed train[9]

目前，我國在航空航天、能源化工、建筑裝飾、海洋工程、電子新材料等領(lǐng)域內(nèi)，每年都要使用大量的鋁合金擠壓型材，隨著科技的發(fā)展以及生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，特別是近些年來一批國家重大項(xiàng)目的實(shí)施，將會在很大程度上進(jìn)一步推動7xxx 鋁合金的發(fā)展。

2 7xxx 系鋁合金擠壓制備工藝概述

鋁合金較之銅的密度、鋼的塑性和鎂合金的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等，都具有諸多的優(yōu)勢。同時，鋁合金在高溫下的延伸率高、塑性變形好，可加工性強(qiáng)，因此，擠壓成形成為鋁合金的一種重要塑性加工方法，每年由擠壓工藝生產(chǎn)制得的各類鋁合金型材僅次于軋制工藝所得。

擠壓的生產(chǎn)過程是由擠壓桿推動擠壓筒內(nèi)的坯料發(fā)生變形，經(jīng)過?？讛D出所需橫截面的型材，對于各類空心、實(shí)心復(fù)雜斷面的鋁合金型材，可以通過改變模具?？捉Y(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)。但不同的鋁合金材料具有不同的材料特性，7xxx 鋁合金屬于Al–Zn–Mg–Cu 系超硬合金材料，其合金化嚴(yán)重、變形抗力大，因此擠壓過程中需要噸位更大的擠壓機(jī)；同時相較于純鋁、Al–Mn、Al–Mg–Si 等系列軟鋁合金材料，7xxx 鋁合金擠壓變形困難，除了對模具的磨損嚴(yán)重之外，為了保證制品表面平整不開裂，擠出制件的厚度均勻一致，其擠壓速度也不能過快，因此7xxx 鋁合金的擠壓過程屬于慢擠壓，比如1050、3003、6063 等牌號的軟鋁合金最大擠壓速度可達(dá)300m/min，而7075、7050、2024 等牌號的高強(qiáng)度硬鋁合金擠壓速度只能控制在0.3～3m/min[11]。同時由于高成分合金在鑄造凝固過程中存在大的成分偏析和內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致不能生產(chǎn)過大尺寸的鑄坯，同樣限制了大規(guī)格7085 鋁合金航空壁板的加工和制造。

根據(jù)以上擠壓生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)，制約超高強(qiáng)鋁合金擠壓型材大規(guī)格生產(chǎn)的主要因素集中在3 個方面：（1）大規(guī)格高品質(zhì)的鋁合金鑄坯制備技術(shù)； （2）超大型擠壓機(jī)的建設(shè)和發(fā)展； （3）大型鋁合金擠壓模具的設(shè)計(jì)制造[12–13]。

2.1 大規(guī)格高品質(zhì)鑄坯制備

7xxx 鋁合金早期的研究主要通過在傳統(tǒng)的鑄造工藝下獲得鑄坯，經(jīng)過簡單熱塑性變形，例如扎制、鍛壓、擠壓后即進(jìn)行力學(xué)性能測試和微觀組織觀察。但由于鑄件凝固過程中產(chǎn)生的粗大樹枝晶、成分偏析、雜質(zhì)聚集、縮松縮孔等缺陷往往會限制進(jìn)一步的研究，如王其周等[14]在對7005 鋁合金管材加工過程中出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，由于鑄錠內(nèi)部冷卻不均勻而產(chǎn)生極大的應(yīng)力不平衡是導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)的主要原因，屬于鑄造缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)的管材不能使用。因此，大規(guī)格高品質(zhì)鋁合金鑄坯的制備，成為實(shí)現(xiàn)7xxx 鋁合金擠壓生產(chǎn)應(yīng)用的第一步。通過對結(jié)晶器的特殊設(shè)計(jì)和電磁鑄造系統(tǒng)升級改造，采用電磁攪拌技術(shù)、多場 （磁場、超聲場）復(fù)合調(diào)控技術(shù)、熱頂與油氣潤滑鑄造技術(shù)、直接水冷（DC）鑄造工藝或區(qū)域過冷技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)手段，為大規(guī)格優(yōu)質(zhì)鋁合金錠坯的開發(fā)制備提供技術(shù)支撐[12]。

以連續(xù)鑄造電磁攪拌技術(shù)為例，其主要工作原理是將不斷移動變化的磁場作用在鑄錠凝固界面前沿位置的液體中，使液體出現(xiàn)對流現(xiàn)象，促使熔體的化學(xué)成分及溫度分布處于均勻化狀態(tài)，同時減少氧化渣的形成，縮短熔煉時間，提高生產(chǎn)率。中南大學(xué)的易雪雄[15]對7xxx 鋁合金電磁攪拌鑄造過程中的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬及試驗(yàn)，為調(diào)整電磁攪拌工藝參數(shù)提供依據(jù)；張襯新[16]對采用電磁攪拌技術(shù)生產(chǎn)的銅管材進(jìn)行力學(xué)測試后發(fā)現(xiàn)可以改善材料的室溫拉伸性能，材料的塑性變形能力得到提高。由于電磁攪拌屬于非接觸攪拌，避免了鋁合金熔液的二次污染，提高了精煉效果，同時采用電磁攪拌技術(shù)生產(chǎn)的坯料，其中等軸晶率提高，晶粒組織得到細(xì)化，由于破壞了枝晶凝固條件，可以消除中心縮松和縮孔，并且組織中的成分和元素分布更加均勻、坯材中夾雜物含量降低, 鑄坯內(nèi)外面質(zhì)量得到改善，在生產(chǎn)特種鋁合金鑄坯時有重要意義。目前國內(nèi)在方坯和圓坯的生產(chǎn)上應(yīng)用到的電磁連鑄技術(shù)較為廣泛，其結(jié)構(gòu)包括結(jié)晶器、一冷區(qū)、二冷區(qū)、末端凝固等，但是對于板坯的（半）連鑄方式，其技術(shù)水平較高的結(jié)晶器、電磁攪拌裝置等核心部件還需要從國外引進(jìn)。與發(fā)達(dá)國家相比，我國的連鑄效率和自動化程度也低于國外，導(dǎo)致產(chǎn)品的附加值和能耗大大增加。

研究發(fā)現(xiàn)，7xxx 鋁合金的強(qiáng)度隨著合金中Zn 含量的增加而提高，通過外部條件的改變可以改善鑄錠的組織缺陷，但在傳統(tǒng)鑄坯工藝下7xxx 鋁合金Zn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最大值受限在8%左右，抗拉強(qiáng)度低于700MPa。為克服傳統(tǒng)鑄造技術(shù)的弊端，近些年來發(fā)展了包括粉末冶金、噴射成形等在內(nèi)的快速凝固技術(shù)，為一些高合金成分鑄坯的制造提供了新路徑，比如采用噴射成形技術(shù)，設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，通過調(diào)節(jié)霧化壓力，控制液滴沉積質(zhì)量，可使鑄坯的Zn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值超過12%，同時抗拉強(qiáng)度可達(dá)800MPa 以上[17]。

圖2 噴射成形工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of spray forming process

噴射成形技術(shù)是在傳統(tǒng)快速凝固/粉末冶金的工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的先進(jìn)材料制備技術(shù)，最早由英國的Singer 教授于1968年提出，發(fā)明了將熔融金屬直接沉積到旋轉(zhuǎn)軋輥上并連續(xù)軋制成帶材的噴射軋制工藝，此后，Singer 教授的學(xué)生Brooks 繼續(xù)發(fā)展了該工藝技術(shù)，并成立Osprey 金屬有限公司[18]。由于噴射成形具有傳統(tǒng)鑄造、粉末冶金所不具備的優(yōu)越特性，主要特點(diǎn)包括超高性能合金材料的制備、適用于各種能熔化的金屬及其復(fù)合材料、能大規(guī)模進(jìn)行工業(yè)化的快速凝固技術(shù)生產(chǎn)。噴射成形是目前工業(yè)化制備屈服強(qiáng)度超過800MPa 以上超高強(qiáng)度鋁合金鑄錠的最佳途徑之一，在7xxx 鋁合金制坯領(lǐng)域中極有發(fā)展前景。國內(nèi)外的一些科研機(jī)構(gòu)和公司在噴射成形方面做了許多卓有成效的工作，我國的一些科研院所在20世紀(jì)90年代末也開始了相關(guān)研究，如北京有色金屬研究總院和北京科技大學(xué)、中南大學(xué)等，在該工藝方法下已經(jīng)探究出自己的生產(chǎn)技術(shù)。

2.2 國內(nèi)外擠壓設(shè)備能力分析

超大型擠壓機(jī)及配套的生產(chǎn)線設(shè)備是進(jìn)行大規(guī)格7xxx 鋁合金板材、管材和其他各類型材擠壓生產(chǎn)的基礎(chǔ)，而各大類型擠壓機(jī)的建設(shè)又影響了高強(qiáng)韌鋁合金產(chǎn)品的生產(chǎn)加工能力。

2.2.1 國外發(fā)展概況

世界上第1 臺鋁合金擠壓機(jī)由英國人S. Braman 設(shè)計(jì)，此后一百多年的發(fā)展歷程中又產(chǎn)生了水壓機(jī)、油壓機(jī)等。蘇聯(lián)時期古比雪夫鋁加工廠曾建造過當(dāng)時最大的200MN 擠壓機(jī)，德國VAW 波恩工廠1999年投產(chǎn)了一臺100MN 的雙動油壓擠壓機(jī)。近40年來，鋁合金擠壓工業(yè)和技術(shù)更是飛速發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，21世紀(jì)初全球已有各種類型擠壓機(jī)約 7000 余臺，這些擠壓機(jī)的擠壓力大都在30MN 以下，100MN 左右的重型擠壓機(jī)40 余臺?，F(xiàn)在，全球的大型擠壓機(jī)主要分布在美國、俄羅斯、日本、歐盟和中國。

據(jù)報(bào)道，伴隨著航空航天、水電核電、大型航母艦船的快速發(fā)展建設(shè)，各工業(yè)大國正在研制更大壓力的擠壓機(jī)設(shè)備，同時更加注重優(yōu)質(zhì)的扁擠壓筒設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)制造出850mm×330mm、1100mm×300mm 的大型扁筒，使用次數(shù)可達(dá)10000 次[19–21]。通過優(yōu)化扁擠壓內(nèi)襯孔型，利用橢圓曲線代替圓??；在扁擠壓筒內(nèi)襯增添鑲塊，分散壓力；改變內(nèi)襯套筒長軸和短軸的過盈量，使內(nèi)孔變形更加均勻，以此提高擠壓筒抗壓耐磨能力，發(fā)揮大型擠壓機(jī)的加工優(yōu)勢。

2.2.2 國內(nèi)發(fā)展概況

我國的鋁合金加工生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展較晚，早期由于工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，缺乏大型擠壓設(shè)備，導(dǎo)致一些重大工程中的關(guān)鍵零部件不能自己生產(chǎn)，受制于人。隨著國家的大力支持和技術(shù)人員的刻苦攻關(guān)，我國通過引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新研制，生產(chǎn)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的擠壓設(shè)備，1970年，我國生產(chǎn)出第1 臺125MN 水壓雙動鋁擠壓生產(chǎn)線，如圖3所示。2002年，我國建成國內(nèi)首臺100MN油泵直傳雙動鋁擠壓生產(chǎn)線； 2010年內(nèi)蒙古北方重工成功試車360MN 立式正向鋼擠壓機(jī)；2016年，遼寧忠旺集團(tuán)建設(shè)的225MN 超重型臥式擠壓機(jī)開始試車，該機(jī)型可加工鋁合金最大外接圓直徑1100mm。

圖3 國內(nèi)首條125MN 水壓雙動鋁擠壓生產(chǎn)線Fig.3 First 125MN hydraulic double acting aluminum extrusion production line in China

表2是我國建設(shè)的大型擠壓機(jī)的部分介紹，目前，我國大型擠壓設(shè)備的生產(chǎn)加工能力已經(jīng)能夠滿足國內(nèi)重大工程的應(yīng)用，可以生產(chǎn)φ800mm×150mm 的大徑厚壁鋁合金管材，也可用鑄造–擠壓–旋壓法生產(chǎn)φ1000mm×1mm 以上的大徑薄壁鋁合金管材；利用大型擠壓機(jī)生產(chǎn)寬度超過1600mm 的鋁合金壁板在“和諧號”高速列車上的應(yīng)用減少了車體焊縫數(shù)量，增加了車身強(qiáng)度，在降低車身重量的同時使整車的綜合性能提升了10%左右。

表2 中國100MN 以上擠壓機(jī)建設(shè)部分介紹Table 2 Part of construction of large hydraulic press in China

以上大型擠壓設(shè)備，在一定的條件和時間內(nèi)都為社會發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)保障，但是隨著生產(chǎn)和建設(shè)越來越多地使用鋁合金替代其他工程材料，對于特定鋁合金材料的制造規(guī)格、性能和用途等方面提出了新的特征要求，與主機(jī)結(jié)構(gòu)單一、自動化程度低、產(chǎn)品精度差等老舊設(shè)備相比，除了已有的正、反擠壓設(shè)備之外，還需要進(jìn)一步研發(fā)結(jié)構(gòu)新穎的擠壓設(shè)備，實(shí)現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)均勻；同時優(yōu)化設(shè)備操作工藝，實(shí)現(xiàn)綠色清潔生產(chǎn)。當(dāng)前， 除了常規(guī)的立式、臥式、單動、雙動擠壓機(jī)外，研究人員開始通過改造已有設(shè)備，或設(shè)計(jì)新的擠壓設(shè)備，例如雙動反擠壓機(jī)、有效摩擦擠壓機(jī)、多輥連續(xù)擠壓機(jī)以及高溫靜液擠壓機(jī)、半固態(tài)擠壓機(jī)[22]，以用來實(shí)現(xiàn)對高品質(zhì)、高規(guī)格鋁合金型材的加工生產(chǎn)。

新的擠壓設(shè)備可以降低坯料的制造標(biāo)準(zhǔn)，也可以提高制品的各類性能，比如連續(xù)擠壓機(jī)可以實(shí)現(xiàn)坯料的顆粒、塊狀生產(chǎn)，高溫靜液擠壓機(jī)可以減小坯料與擠壓筒的摩擦，制件力學(xué)性能得到改善。以有效摩擦擠壓機(jī)為例，其工作原理是在反擠壓的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)擠壓筒的主動運(yùn)動，帶動鋁坯向前與模具接觸，進(jìn)行擠壓生產(chǎn)。在這一過程中，擠壓桿和擠壓筒各自獨(dú)立同向移動，坯料與擠壓筒內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦很小，由此達(dá)到坯料變形的一致性，減少粗晶的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)組織沿?cái)D壓方向的均一性。中國重型機(jī)械研究院張君等[23]建立了一種雙桿有效摩擦擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)形式，其中一個擠壓桿安裝在移動橫梁上，另一個擠壓桿安裝在模架上，通過采用雙閉環(huán)數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)擠壓筒和擠壓桿同向運(yùn)動并施加給鋁錠坯一個沿?cái)D壓方向的有效摩擦力帶動其運(yùn)動，建成了系列化的高性能輕質(zhì)鋁型材。圖4給出了一種通過有效摩擦結(jié)構(gòu)生產(chǎn)超長無縫鋁管的結(jié)構(gòu)示意圖，工作時擠壓桿對坯料（鋁坯）進(jìn)行擠壓向前運(yùn)動，擠壓筒受到坯料的摩擦力作用產(chǎn)生同向運(yùn)動，避免了兩者之間較大的摩擦，生產(chǎn)的管材內(nèi)外表面質(zhì)量平整無劃痕，偏心率<5%，符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 超長無縫鋁管擠壓生產(chǎn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of extrusion structure of super-long seamless aluminum tube

鋁合金擠壓加工生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)方向?qū)笮突?、現(xiàn)代化、精密化、工模具換裝自動化方向發(fā)展。目前德國SMS 公司基于擠壓熱–力耦合仿真系統(tǒng)開發(fā)的CADEX 系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)擠壓過程溫度和速度的精確控制。隨著“十四五”新的發(fā)展規(guī)劃和2035年新的國家發(fā)展目標(biāo)的制定，國家在機(jī)械行業(yè)內(nèi)將繼續(xù)發(fā)展一批具有核心競爭力的高精端機(jī)械設(shè)備，大型的鋁合金擠壓生產(chǎn)線將最大限度地實(shí)現(xiàn)機(jī)器的組裝化、連續(xù)化生產(chǎn)。

2.3 擠壓模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)

鋁合金擠壓工模具技術(shù)包含5 個方面： （1）選擇滿足使用條件的工模具材料； （2）確定模具的結(jié)構(gòu)形式，校核模具強(qiáng)度； （3）確定加工路線和工藝設(shè)備；（4）進(jìn)行熱處理和表面強(qiáng)化； （5）試模、修模。

在模具的材料選擇上，目前綜合性能好且應(yīng)用廣泛的熱作模具鋼有美國的H13、日本的SKD61、蘇聯(lián)的4Cr2W5VMo 和我國的4Cr5MoV1Si、5CrNiMoV1Si 等，其中的典型材料包括高溫合金以及奧氏體合金鋼。熱作模具鋼使用時的硬度在24.0～53.6HRC，抗拉強(qiáng)度1242～1987MPa，斷后延伸率為2.4%～11.6%，配合離子氮化處理、激光表面改性、滲碳、滲氮等表面熱處理強(qiáng)化技術(shù)，能夠滿足絕大多數(shù)的擠壓模具使用[24–26]。

模具的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)需要根據(jù)制件斷面的形狀、擠壓筒直徑、外在作用力、擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)等要素來確定。擠壓棒材、管材類的模具結(jié)構(gòu)一般由包括帶正/倒椎體的錐模、帶凸臺的圓柱模、帶倒錐的圓柱模和加強(qiáng)型的整體式模具，還有舌型模、平面組合模、多孔空心壁板模、倒流模以及其他形式可供選擇。在確定具體模具結(jié)構(gòu)時，應(yīng)遵循： （1）便于裝卸，適合大批量生產(chǎn)； （2）減少復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造工作量，降低成本，縮短周期；（3）模具互換性強(qiáng)，通用性大，便于維修和更換； （4）保證足夠的強(qiáng)度，能夠滿足產(chǎn)品制造工藝要求。模具的其他結(jié)構(gòu)要素還包括倒流角、穿孔針、阻流塊、焊合室形狀和工作帶長度。在確定具體模具結(jié)構(gòu)之后，技術(shù)人員可通過Solidworks、UG 等軟件進(jìn)行數(shù)字建模，設(shè)計(jì)出模具的各個結(jié)構(gòu)，然后導(dǎo)入到專業(yè)的擠壓仿真軟件（ABAQUS、Deform–2D3D）中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對包括應(yīng)變場、應(yīng)力場、溫度場和位移場在內(nèi)的多相場進(jìn)行數(shù)值耦合模擬，驗(yàn)證模具結(jié)構(gòu)的合理性與可靠性，保證模具型腔內(nèi)金屬的快速流動，提高制件精度。與傳統(tǒng)方式相比，這一過程有助于觀察模具內(nèi)部金屬流動規(guī)律以及成形的全過程，減少了實(shí)際生產(chǎn)制造過程試模、修模的工作量，使得模具的設(shè)計(jì)制造周期縮短、成本降低。

關(guān)于工模具實(shí)際的制造工作，其加工工藝流程一般為：下料—粗加工—熱處理—精加工—修整。對于模具工藝孔、非工作接觸平面和結(jié)構(gòu)輪廓可以首先由普通機(jī)床和電火花工藝聯(lián)合進(jìn)行粗加工成形，得益于數(shù)控機(jī)床的快速發(fā)展，使得連續(xù)坐標(biāo)磨床、激光切割、慢走絲精密切割、柔性制造系統(tǒng)等先進(jìn)輔助裝置也都應(yīng)用進(jìn)來。對于模芯、分流橋、工作帶和下模焊合室等高精度位置的加工則采用五軸數(shù)控加工中心（CNC）進(jìn)行精雕成形，目前國外一流的綜合數(shù)控加工設(shè)備可進(jìn)行五軸聯(lián)動加工動作，可以對復(fù)雜曲面進(jìn)行生產(chǎn)加工，在追求表面精度和加工速度高質(zhì)量的層面上，也實(shí)現(xiàn)了在一次裝夾過程中即可完成全部的操作工序。但是先進(jìn)的綜合數(shù)控加工機(jī)床價(jià)格過高，采購回報(bào)周期長，而國內(nèi)設(shè)備在加工精度上又沒有達(dá)到同類使用標(biāo)準(zhǔn)，因此高精端的綜合數(shù)控加工中心成為阻礙國內(nèi)模具制造業(yè)發(fā)展的一道屏障。

綜上所述，擠壓模具的設(shè)計(jì)制造必須與工模具材料、擠壓工藝設(shè)備、機(jī)（電）加工手段等密切結(jié)合起來。但是，國內(nèi)與國外的擠壓模具的技術(shù)水平差距還很明顯。從模具的使用壽命來看，受限于材料和熱處理技術(shù)，國內(nèi)擠壓模具的壽命周期約為國外的1/3；在模具加工方法上，國內(nèi)傳統(tǒng)手工加工的占比超過一半，而國外得益于其先進(jìn)的工業(yè)機(jī)床，模具加工已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化，標(biāo)準(zhǔn)化程度超過90%；在后期的使用、維修和倉儲管理方面，國內(nèi)也已開始學(xué)習(xí)西方實(shí)行計(jì)算機(jī)現(xiàn)代化的管理模式。所以，面對國內(nèi)對模具的巨大需求，未來工模具加工制造的創(chuàng)新點(diǎn)應(yīng)集中在新材料開發(fā)、特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、精密機(jī)床應(yīng)用上，進(jìn)一步提高國內(nèi)模具制造水平。

3 7xxx 鋁合金擠壓方式

鋁合金的擠壓方式有很多，不同的擠壓方式有各自不同的應(yīng)用范圍和特點(diǎn)，7xxx 鋁合金管材、板材的擠壓方式多以正、反擠壓為主，兩者的主要區(qū)別在于擠壓筒內(nèi)金屬的流出方向與擠壓桿的運(yùn)動方向是否相同。正擠壓的工作方式是：保持?jǐn)D壓筒的前端固定不動，借助擠壓模具的作用，通過擠壓桿的壓力推動金屬坯料從?？字辛鞒?，獲得所需制品，正擠壓因其設(shè)備、工藝簡單在國內(nèi)被廣泛使用。我國的正擠壓技術(shù)比較完善，搭配正擠壓技術(shù)的設(shè)備和輔助設(shè)備的體系也十分完整，但由于變形金屬表面跟擠壓筒內(nèi)壁存在巨大摩擦，坯料在縱向和橫向上的應(yīng)力狀態(tài)不同，使得正擠壓所需的能量消耗變大，鑄錠局部溫度變高，因此存在一定的弊端。反擠壓由于其金屬的流出方向與擠壓桿運(yùn)動方向相反，可以避開坯料與擠壓筒之間的摩擦，擠壓力較正擠壓減少25%～30%，金屬變形區(qū)比正擠壓更為集中，制件整體上的變形更加充分均勻，因此在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家如英國、日本、美國等得到廣泛使用[27]。

擠壓溫度和擠壓速度是影響擠壓件質(zhì)量最大的兩個因素，無論正擠壓還是反擠壓，受液壓系統(tǒng)和擠壓工藝的影響，實(shí)際的擠壓過程中很難達(dá)到對擠壓速度的精確控制。一方面，液壓泵壓力增加會使液壓系統(tǒng)的容積率發(fā)生變化，產(chǎn)生管路液體滲漏、泵體變形、溢流閥提前打開等問題，最終導(dǎo)致實(shí)際液體量少于理論壓出量；另一方面，鋁合金在擠壓過程中的應(yīng)力–應(yīng)變狀態(tài)在不同階段有不同的特征，受到鋁合金材質(zhì)、擠壓比、擠壓工藝的影響，擠壓制品在模具出口處的速度變化很大[28]。為了實(shí)現(xiàn)對速度更為精準(zhǔn)的控制，現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)改進(jìn)方法主要有： （1）采用并聯(lián)節(jié)流控速方法使液壓缸工作后逐漸調(diào)大通流截面，進(jìn)而控制擠壓桿的運(yùn)動速度； （2）采用矢量的變頻控制器方法實(shí)現(xiàn)擠壓速度的閉環(huán)控制；（3）采用容積式調(diào)速回路方法，無節(jié)流閥與溢流閥等器件的安裝使用，工作時不需要考慮閥門的密封和泄露問題； （4）由于7xxx 鋁合金變形抗力大，擠壓速度低，可以采用變量泵與節(jié)流閥搭配使用的方法； （5）使用計(jì)算機(jī)對液壓系統(tǒng)模擬調(diào)整的方法，平衡各部分流速和壓強(qiáng)，利用PLC 電氣操控系統(tǒng)，提高擠壓精度。

為保證擠壓制件沿長度方向上組織和性能的穩(wěn)定，技術(shù)人員在改進(jìn)正、反擠壓工藝的基礎(chǔ)上又發(fā)明了等溫?cái)D壓，通過控制?？赘浇冃螀^(qū)金屬的溫度變化保證擠壓力和金屬流動的穩(wěn)定性，使模面壓力不變，防止制品表面出現(xiàn)周期性裂紋從而獲得合格的制件。在實(shí)際的擠壓生產(chǎn)中用到的等溫控制方法有： （1）通過增加模具水冷系統(tǒng)或放置墊片降低模具溫度； （2）改變坯料的溫度梯度，補(bǔ)償因變形和摩擦導(dǎo)致熱量上升或者制件與模具溫差之間的過冷； （3）由于擠壓時坯料和設(shè)備的各個部分溫度都很高，測量和操作起來難度很大，通過計(jì)算機(jī)優(yōu)化模擬，平衡各工藝之間的參數(shù)，達(dá)到制件流出?？讜r的溫度基本不變。Ketabchi 等[29]基于DEFORM–3D 軟件研究了7075 鋁合金等溫向后擠壓工藝在不同擠壓溫度和擠壓速度下對成形過程有效應(yīng)力/應(yīng)變分布和成形載荷的影響；李峰等[30]以7075 鋁合金為例對超硬鋁合金無縫管材的成形溫度和擠壓速度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在擠壓溫度為430℃、擠壓速度2mm/s 時可以一次性成形大型鋁合金無縫擠壓管材且表面質(zhì)量良好。

除了在改變擠壓溫度、擠壓速度、擠壓比等工藝參數(shù)之外，當(dāng)下單一的生產(chǎn)工藝也越來越多地復(fù)合在一起同時進(jìn)行，以期獲得品種多樣、性能優(yōu)異的鋁合金擠壓型材?？跌P等[31]以某回轉(zhuǎn)體構(gòu)件為對象，在坯料溫度400℃、模具溫度380℃、2 道次擠壓的情況下對某7xxx合金進(jìn)行等溫雙向復(fù)合擠壓成形研究，擠壓生產(chǎn)出的鋁合金構(gòu)件充型飽滿，外表面無折疊、裂紋等缺陷，微觀組織晶粒細(xì)小且分布均勻。王自啟等[32]采用鐓擠與等溫?cái)D壓相結(jié)合的精密成形工藝對某武器裝備上 7A04 超硬鋁合金薄壁殼體進(jìn)行加工，制得合格工件的同時提高了材料利用率和生產(chǎn)效率。Xue 等[33]研究了一種徑向–反向的擠壓工藝并對成形過程進(jìn)行模擬，金屬流動過程如圖5所示，相較于傳統(tǒng)的反擠壓方式，該方法在擠壓過程中金屬流動平緩，擠壓筒底部壓力變低。除以上的擠壓工藝外，其他的擠壓工藝，如無潤滑擠壓、半固態(tài)擠壓、Conform 連續(xù)擠壓、靜液擠壓等通道轉(zhuǎn)角擠壓等方法在一些特殊的擠壓制品生產(chǎn)中也會用到。表3列出了5 種典型的鋁合金擠壓工藝方式及其特點(diǎn)。

表3 5 種典型的鋁合金擠壓方式及其特點(diǎn)Table 3 Five typical aluminum alloy extrusion methods and their characteristics

圖5 一種圓筒型制件徑向–反向擠壓工藝示意圖[33]Fig.5 Radial-backward extrusion process of a cylindrical part[33]

4 7xxx 鋁合金擠壓制件微觀組織力學(xué)性能變化

熱擠壓變形對于7xxx 鋁合金微觀組織的影響主要表現(xiàn)在鑄態(tài)缺陷的改善、晶體粒度的控制、纖維組織的拉長、回復(fù)和再結(jié)晶。鋁合金在擠壓加工的過程中始終處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，通過改變坯料的擠壓道次，可以有效消除鑄錠內(nèi)部縮松縮孔、成分偏析等缺陷，相較于鑄造、機(jī)加工等方法，其內(nèi)部組織質(zhì)量更加致密優(yōu)良。謝煥[34]對汽車用5052 鋁合金進(jìn)行往復(fù)擠壓5 道次試驗(yàn)之后，合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別增大39%、84%；通過控制坯料的變形程度 （擠壓比），鑄態(tài)組織中粗大的等軸晶被打碎，晶粒細(xì)化效果明顯；對擠壓后的鋁合金組織進(jìn)行金相觀察，其金屬晶粒沿?cái)D壓方向被拉長，出現(xiàn)一條條細(xì)線形成的纖維組織，具有鮮明的方向性，宏觀上表現(xiàn)為材料機(jī)械性能得到改善和提高。

在熱擠壓變形過程中，鋁合金組織內(nèi)部發(fā)生動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶兩種變化。在較低的變形溫度和較快的擠壓速度下，鋁合金組織內(nèi)部的位錯急劇增多，發(fā)生塞積和纏結(jié)，產(chǎn)生加工硬化，存在較大的變形抗力。隨著變形溫度的升高，一部分位錯率先開始發(fā)生攀移或滑移，同時析出相數(shù)量減少，開始發(fā)生動態(tài)回復(fù)過程，此時應(yīng)力增加速度變慢；進(jìn)一步升高變形溫度和降低應(yīng)變速率時，微觀組織中開始出現(xiàn)一些新的等軸晶，開始發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶過程，金屬變形進(jìn)入穩(wěn)流狀態(tài)。Rokni 等[35]通過熱壓縮試驗(yàn)研究了7075 鋁合金在不同高溫和應(yīng)變速率的變形條件下的微觀組織演變規(guī)律，提出了各種連續(xù)和非連續(xù)的不同動態(tài)再結(jié)晶機(jī)制。Sun 等[36]研究了熱壓縮過程中擠壓態(tài)7075 鋁合金的軟化機(jī)制，分析了變形條件和第二相顆粒對組織演變的影響。張顯峰等[37]通過單向等溫?zé)釅嚎s試驗(yàn)對擠壓態(tài)的7A85 鋁合金進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在熱擠壓變形的過程中發(fā)生著加工硬化與動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶相互競爭的過程。但是實(shí)際擠壓生產(chǎn)中并不是溫度越高，速度越慢，擠壓效果就越好，當(dāng)溫度過高時，晶粒的生長速度變快，容易產(chǎn)生粗化，同時擠壓速度過低，則生產(chǎn)效率變慢。不同品質(zhì)的鋁合金具有不同的熱加工條件，實(shí)際生產(chǎn)中，7xxx 高強(qiáng)韌鋁合金的熱擠壓溫度范圍在400～460℃，變形速度范圍在≤5m/min內(nèi)可以獲得質(zhì)量較好的擠壓制品。

在力學(xué)性能的表達(dá)上，相較于軋制、鍛造等方法，經(jīng)過擠壓后的7xxx 鋁合金制品在沿?cái)D壓方向的綜合性能更好。鮑文科等[38]對某7xxx 鋁合金熱擠壓試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了407MPa，比鑄態(tài)合金提高了104.5%。盧蘋蘋等[39]采用雙通道等徑角對7003 鋁合金的擠壓速度進(jìn)行研究，當(dāng)擠壓速度為25mm/min 時，一道次擠壓后伸長率最?。唤?jīng)二道次擠壓后的強(qiáng)度以及顯微硬度在擠壓速度為25～35mm/min 時均達(dá)到了最大值。在實(shí)際擠壓過程中，鋁合金制件的斷后伸長率隨擠壓速度的增加會呈現(xiàn)降低的趨勢；隨著擠壓道次的增加，材料的抗疲勞性能、顯微硬度會得到提升，斷裂韌口區(qū)間減小。這是因?yàn)閿D壓速度增大，材料內(nèi)部的變形組織來不及回復(fù)，產(chǎn)生加工硬化，合金組織內(nèi)部存在較大應(yīng)力造成硬度上升；多道次的擠壓消除坯料內(nèi)部的組織缺陷，細(xì)化晶粒，達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化。同時，改變擠壓比可以實(shí)現(xiàn)鋁合金鑄錠的寬展擠壓，相較于軋制，一方面可以避免材料的開裂傾向，另一方面，獲得制品的截面形狀更加多樣，配合后續(xù)的雙級時效熱處理制度，使用7085鋁合金生產(chǎn)的壁板能夠保證合金強(qiáng)度下降變化很小并大幅度提高合金的抗應(yīng)力腐蝕性能。

5 結(jié)論

（1）針對大規(guī)格高品質(zhì)的7xxx 鋁合金鑄錠生產(chǎn)工藝，采用電磁攪拌和超聲波攪拌是對熔煉金屬不產(chǎn)生污染的兩種常用物理方法，工業(yè)上應(yīng)進(jìn)一步推廣應(yīng)用，但受限于結(jié)晶器等核心裝置的研制水平，我國與國外的制造能力還有很大不足。對于超高強(qiáng)鋁合金材料的制備，現(xiàn)有的噴射成形工藝生產(chǎn)的鋁合金鑄錠只能進(jìn)行小件生產(chǎn)，改進(jìn)噴射裝置、增加噴壓、控制射流穩(wěn)定和調(diào)控液滴形態(tài)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)格高質(zhì)量的7xxx 鋁合金鑄錠制備新的方向。

（2）大型擠壓機(jī)的加工能力決定了7xxx 鋁合金的使用狀況。航空用高強(qiáng)韌鋁合金壁板朝著更寬 （>2000 mm）的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的圓擠壓筒加工過程中擠壓比大，鋁合金擠壓變形困難，發(fā)展扁擠壓筒技術(shù)成為一種新的方法。同時，單一結(jié)構(gòu)的擠壓機(jī)已經(jīng)越來越不能適應(yīng)新的需求，改進(jìn)擠壓筒結(jié)構(gòu)、坯料運(yùn)動方式、液壓操控系統(tǒng)精確度是實(shí)現(xiàn)鋁合金制品多樣化的迫切需求。

（3）模具的生產(chǎn)制造技術(shù)并不是一個獨(dú)立的學(xué)科，鋁合金擠壓模具失效主要集中在熱裂紋和磨損，占失效模具總數(shù)的90%。未來擠壓模具的制造需要與鋁合金擠壓工藝、模具鋼材料、加工中心和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同進(jìn)步。

（4）鋁合金制品的發(fā)展正向著大型化、薄壁化、整體化和高精化方向發(fā)展，鋁合金的擠壓方式、方法也在向著連續(xù)化、自動化和專業(yè)化延伸。世界各國大力發(fā)展反向擠壓技術(shù)，已經(jīng)研制了一些結(jié)構(gòu)特殊的反向擠壓機(jī)，未來實(shí)現(xiàn)反向擠壓過程中坯料氧化皮的自動清理、擠壓筒和堵頭的同步運(yùn)動，保證坯料的梯度加熱和模具自動裝卸循環(huán)過程，將為鋁合金等速、等溫、反向擠壓技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。