2024铝合金水滴形管生产工艺研究

曾九生，李晓风，刘红杰

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326）

0 前言

在市场开发过程中，我们了解到2024 铝合金水滴形管主要应用于制造水上飞机尾翼。凡断面不是圆形的管材或虽是圆形但沿长度方向直径或壁厚发生变化的管材统称为异形管[1]。水滴形管属于等壁厚异形管的一种，等壁厚异形管是指具有相同壁厚和非圆形断面形状的异形管。由于管材壁厚较薄，无法直接通过挤压成形，并且挤压过程中也无法保证尺寸精度要求。目前质量要求高的等壁厚异形管主要采用冷拉法进行生产。铝合金异形薄壁管材主要是由圆管毛料通过轧制拉伸成形而获得。等壁厚异形断面管材的拉拔都是用圆管作管坯。将管坯的外径尺寸拉拔到一定程度后，根据成品管的断面形状及尺寸精度要求，经过1～2 道次过渡拉拔使其形状逐渐向成品形状过渡，最后进行一道次成形拉拔出成品；或者直接用成形模一道次拉拔出成品[2]。但由于拉伸成形过程中金属流动的不均匀性，往往容易出现尺寸超差、平面间隙超差（内凹或外凸）、弯曲扭拧严重等缺陷。同时，由于其形状近似椭圆，管材较薄，弯曲度要求较高，淬火后的精整矫直比较困难，矫直过程中，长、短轴尺寸变化较大，生产难度很大。

1 水滴形管的外形尺寸及技术要求

水滴形指形状类似水滴，通过一系列坐标点连接的非规则曲线图形，整个断面平滑过渡，具有良好的流线型。水滴形管的合金状态为2024-T3，外形尺寸及公差见图1，壁厚为2.41 mm，弯曲度≤1 mm/m。

图1 水滴形管的截面图

2 生产工艺研究

水滴形管的生产工艺路线为：挤压→辊矫、中断→轧制退火→蚀洗→轧制→减径退火→过渡拉伸→成形拉伸→淬火→拉伸矫直→切成品、取样→成品检查→包装交货。

2.1 管毛料尺寸及工艺计算

结合水滴形管材的截面图，我们可以得出：水滴形管周长为278.17 mm，壁厚为2.41 mm，断面积653 mm2，长轴长119.89 mm，短轴长为50.8 mm。此管材为普通等壁厚异形管。

普通等壁厚异形管是由冷轧管机轧制的等壁厚圆管通过拉伸成形而获得[3]。一旦异形管材尺寸确定后，轧制圆管的尺寸按如下方法确定：

成形前圆管的周长为：S0=KL

L为异型管周长，K为系数，一般取1.02～1.04。当K值过小时，成形中型管的角部将严重充不满。而当K 值过大时，成形的管材表面凹陷严重。系数的大小还与合金性质和成品规格有关。一般情况下，壁薄而规格大的管材，取下限，而对壁厚、规格小的管材，则可取上限。

当管材的A/B＜2 时，生产中可直接一次成形。而当A/B≥2时，为了保证管材表面平整，要经过一次拉伸过渡，再将过渡后的椭圆管加工成形为所要求的管材。

成形前圆管外径为：

结合分厂现有轧机孔型（103 mm×94 mm），管毛料外径定为φ103 mm，同时，A/B=119.89/50.8=2.36 ＞2，故必须进行一次过渡拉伸。

圆管毛料的壁厚：管材拉伸成形时，要将轧制管材拉伸减径到管材成形前所要求的外径。因此，确定轧制壁厚时，必须考虑到拉伸减径时管材壁厚变化。根据拉伸率大小、合金等因素，准确确定管材的轧制壁厚。根据多年生产经验，对于2024 合金，拉伸减径过程中的壁厚变化规律为：外径每减少1 mm，壁厚增加0.015 mm。

水滴形管壁厚为2.41 mm，故管毛料轧制规格应为φ94 mm×2.36 mm。表1为水滴形薄壁管材的生产工艺参数。

表1 2024合金水滴形管的生产工艺参数

2.2 拉伸工艺

金属坯料在拉伸力的作用下，通过截面积逐渐减小的拉伸模孔，获得与模孔尺寸、形状相同的制品的金属塑性成形方法称为拉伸。管材常用的拉伸方法可分为带芯头拉伸和无芯头拉伸两大类。由于该管材壁厚较薄，并且已经过轧制工序减薄壁厚了，故我们采用无芯头拉伸的成形拉伸工艺。成形拉伸是用圆形的管坯料，通过过渡模和成形模，使其形成所需的方形、矩形、六角形、椭圆形等异形断面的管材。

图2 水滴形薄壁管材拉伸方案

本课题拟计划采用两种拉伸方案（见图2）。方案1：圆管毛料→水滴形过渡拉伸→水滴形管成品（整径模）；方案2：圆管毛料→椭圆形过渡拉伸→水滴形管成品（整径模）。我们设计和制造了水滴形过渡拉伸模、椭圆形过渡拉伸模和整径模。表2为水滴形管成品尺寸公差和拉伸模、整径模模孔设计尺寸。

表2 水滴形管材成品尺寸和拉伸模、整径模模孔设计尺寸

我们在30 t 拉拔管机上分别用方案1 和方案2进行了试验，并对拉伸后管材尺寸进行了测量和记录。表3为水滴形管两种拉伸方案的尺寸记录。我们从表中可以得出：

（1）无论是水滴形过渡拉伸，还是椭圆形过渡拉伸，拉伸后短轴尺寸都比模具模孔设计尺寸要小，长轴尺寸都比模具模孔设计尺寸要大。说明在第一次过渡拉伸过程中，由圆形拉伸成水滴形或椭圆形时，金属变形剧烈，流动极不均匀，造成长短轴尺寸跟模孔设计尺寸相差甚远。

（2）使用同一套整径模，用方案1和方案2拉伸后的尺寸有区别。方案2拉伸后尺寸更接近整径模模孔设计尺寸，而方案1管材拉伸后短轴尺寸远远小于模孔的设计尺寸。分析其原因，就在于第一道次水滴形过渡拉伸时，管材拉伸后的短轴尺寸已经远远小于整径模的模孔设计尺寸。尽管第二道次拉伸时，管材长轴方向的金属在压缩，短轴方向的金属在扩张，但由于摩擦的作用力和金属的流动不均匀，造成了短轴方向的金属填充仍然不充分。这也说明管材在拉伸时，长轴方向的金属流动得更快，金属填充得更充分。

表3 两种拉伸方案的水滴形管尺寸对比

2.3 淬火拉伸矫直工艺

水滴形管材的订货合金状态为2024-T3，故拉伸后管材必须进行淬火工序。本管材安排在立式空气淬火炉内进行淬火，淬火工艺：497 ℃/40 min。淬火出炉后管材产生较严重的翘曲变形，必须进行矫直。由于此管材外形类似水滴形，无法进行辊矫，只能进行拉伸矫直。在拉伸过程中，管材内孔中应塞入与之相配套的矫直芯头，以减小管材头尾端压扁变形的长度。拉伸矫直芯头外形见图3。

图3 拉伸矫直芯头

管材拉伸矫直前应仔细测量断面尺寸。当尺寸接近负偏差时，应注意变形量的控制，防止拉矫后尺寸超负偏差。当尺寸为正偏差时，可适当增大变形量。但变形率一般不要超过3%，以防造成表面橘皮或拉断。对于水滴形管材，因后续无法进行其它工艺矫直，为了保证水滴形管材的弯曲度要求（1 mm/m），我们必须保证拉伸矫直时的效果。根据生产试验，我们发现：只有控制拉伸率在2%以上，管材的弯曲度才能满足要求。故我们生产时必须将拉伸率控制在2～3%范围内。根据此拉伸率规定，我们对拉伸矫直后的管材尺寸进行测量和记录（见表3）。我们发现：拉伸矫直过程中，水滴形管的长轴尺寸变化较小，而短轴尺寸变化较大。虽然方案1在拉伸后管材尺寸在公差范围内，但是矫直后尺寸却超出公差下限。试验证明，方案2（椭圆形过渡）更合理可靠，拉伸成形效果良好。

淬火后的管材，应尽可能在其塑性最好的时间内矫直完毕，以防自然时效硬化影响矫直效果。根据生产经验，2024合金管材必须在淬火后2 h 内完成拉伸矫直，否则管材拉不直或拉断。

3 结论

（1）等壁厚水滴形管可通过冷轧管机轧制出等壁厚的圆管再经拉伸成形而获得。圆管毛料的外径根据异型管的周长计算确定。

（2）当水滴形管的长短轴比值≥2时，必须经过一次过渡拉伸。椭圆形过渡拉伸成形方法更合理可靠，外形尺寸更能满足公差要求。

（3）2024 合金水滴形管的拉伸矫直必须在淬火后2 h 内完成，拉伸率控制在2%～3%以内，这样既能保证弯曲度，又能保证尺寸满足公差要求。