应用于异形无缝管材挤压的穿孔系统紧固方法

敖尚龙

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

0 前言

在铝合金的无缝管材生产中，采用固定挤压针法挤压可以使管材的偏心相对较小，既可节约钢材，还可以实现无润滑挤压，从而生产出内表面优良的高质量铝合金管材[1]。由于其截面上无组合模生产管材时产生的“焊缝”，因而可作为重要的承力结构件，广泛应用于国防军工及民用等各领域，常用的铝合金有2×××、5×××、6×××、7×××系合金。由于受挤压过程固有的复杂性、材料流动预测的困难性、材料组织性能的变化、挤压过程中压力与速度的不恒定性以及材料工具表面在摩擦生热的同时又进行热量传递的不稳定性等因素的影响，大规格铝合金异形无缝管材生产过程中始终面临着尺寸控制方面的困难[2]。

有效紧固穿孔系统以防止其松动是大规格异形无缝管材尺寸控制的关键控制点之一，这主要归因于：（1）大规格异形无缝管材采用空心锭/实心锭—固定挤压针法生产，其穿孔系统由多部件构成，因各部件间采用螺纹连接，挤压过程中易出现松动，故易导致管材内腔出现周向旋转；（2）异形管材的壁厚一般不均匀或截面不对称，挤压过程中，金属流经模孔各部分处存在流速差，对针尖形成较大的扭矩；（3）为最大限度地避免制品内腔出现气泡、起皮、黑斑等表面缺陷，通常采用无润滑挤压，更大的摩擦力使穿孔系统更易出现松动。这些因素所导致的直接结果是针尖相对于模孔出现了旋转，而致型材内腔尺寸不合格。对于某些航空旋翼类、挂架类高精及超高精型材，甚至会出现很难满足技术要求的情形。生产实践中，尺寸报废的制品因内腔偏转超差报废所占的比重通常达40%以上。因此，防止穿孔系统出现松动、控制好管材内腔尺寸是大规格铝合金异形无缝管材生产的关键任务。

本文主要针对80 MN和125 MN挤压机穿孔系统的紧固问题进行了探讨，为有效提高异形无缝管材尺寸精度提供参考方法。

1 穿孔系统结构

图1为几种典型异形无缝管材的断面图。图中所示的是异形无缝管材典型的几个规格，这些规格在生产中其尺寸控制难度大，常常涉及到穿孔的紧固问题。

图1 典型异形无缝管材断面图

80 MN和125 MN挤压机生产无缝管材时的穿孔系统及配套工具装配结构示意图如图2所示。

图2 穿孔系统及配套工具装配结构示意图

采用固定挤压针法挤压管材的原理为：通过对挤压垫施加压力，在高温高压下，金属在挤压筒、挤压针、挤压垫、模具形成的封闭空间中产生塑性变形，从模子与针尖形成的缝隙中流出，获得所需的断面带有孔的制品。实现管材挤压的基本操作路径为：空心铸/实心锭先盛入挤压筒→装有模子的模支承靠封挤压筒一端→将空心挤压垫片装入挤压筒另一端→挤压针穿过空心挤压垫片和铸锭，直至针尖伸入模孔一定距离，穿孔系统达到挤压限程位置并在挤压过程中不再向前运动→挤压轴推动空心挤压垫片对铸锭进行镦粗和挤压（金属经针尖与模子形成的型腔流出，形成所需管材）。

与挤压实心制品最大不同的是，管材的内腔形状及尺寸由针尖决定。该针尖由挤压针、针座、穿孔连杆等部件组成的穿孔系统予以支撑，穿孔系统紧固在穿孔柱塞上[3]。穿孔系统各部件间通过右旋锯齿形单向传动螺纹连接。为确保针尖在整个挤压过程中起到稳定的定径作用，针尖不允许沿挤压轴线旋转，这就要求针尖与挤压针、挤压针与针座、针座与穿孔连杆间旋合紧密，不得在挤压过程中出现松动，以免造成针尖出现偏转而致管材型腔不能满足尺寸要求。而挤压或穿孔过程中金属不均匀流动产生的扭矩可能会使穿孔系统的各连接螺纹副出现松动。

表1 典型连接螺纹尺寸

表1列出了各部件间典型的连接螺纹尺寸。可以看出，在穿孔系统的三对螺纹副中，针座-穿孔连杆连接螺纹S3规格最大。其设计合理性在于，要换装挤压针时，首先要确保将挤压针先卸下来，而挤压针与针座连接的螺纹S2要小于S3，在具有相同的配合精度和作用扭矩时，螺纹规格越小，松动的可能性越大，因此该处螺纹在扭转时率先松动。有时候，由于挤压针与针座连接螺纹装配间隙过小，配合更紧密，或在安装时被“背得过紧”，导致针座与穿孔连杆处首先松动，这会导致拆卸很困难，甚至可能采用“暴力”拆卸，造成工具损毁。

2 针尖

2.1 针尖的可视化设计

针尖对于型材内腔尺寸起定径作用。穿孔系统所有连接部位的松动都会反映到针尖沿周向的旋转，使针尖偏离其设定位置而造成制品内腔尺寸不满足要求。为评价穿孔系统在挤压过程中是否存在偏转或松动，每次挤压完后均需要对针尖进行检测，看其是否在设定位置。

对于截面为矩形的针尖，尽管可将大平面布置于水平方向，使用水平尺来检测，但实践中仍然不推荐使用这种方式（见图3（a））。因为操作者在高温环境下目视判断能力会下降，且水平尺在高温下容易损坏；对于内腔截面为长条形或类矩形的型材挤压，应将针尖按竖直方式进行布置并在针尖的前端面加工垂直刻线，使用“吊线”的方式进行检测（见图3（b））；宽度较大时，可在六方头两侧刻线（如图3（c）），而宽度较小、两侧不足以刻线时，可在中部刻线（见图3（d））。

图3 针尖的布置方式

2.2 针尖的紧固方法

对于非对称型材，穿孔系统的扭矩主要来自于金属流动时对针尖所产生的扭矩。对于极不对称型材（见图1（d）），模孔各部分的金属流速差大，极易造成针尖发生扭转而致使型材内腔偏转。

较简易的解决方法是，在针尖的前端面设置带有横向通孔的四方头或六方头，并通过扳手进行紧固。初装时，手动使用长穿杆配合方头上的通孔进行旋拧，最后用专用的内六方或内四方扳手通过锤击方式进行固定（见图4（a））。紧固后，应仔细检查针尖与挤压针的配合端面，确保其完全贴合，避免金属进入缝隙后导致不能正常换装针尖。在开始挤压时，针尖可能存在松动，应在每个料压完后，用铅垂线配合针尖端面的刻线检查其是否松动。如有松动，首先用扳手再次紧固针尖，不能直接采用转针的方式将针尖调至正常位置。

对于进行穿孔挤压的针尖，其端面没有六方头或四方头。由于针尖为非圆柱体，并出于保护针尖工作面的目的，不适用于钢丝绳缠绕法紧固，要制作专用的扳手紧固针尖（如图4（b）所示）。扳手的内腔应与针尖的截面相匹配，并在两者间垫铝、铜等物，防止扳手咬伤针尖。

需要在线更换针尖以继续生产其它规格的管材时，不宜用行车牵引钢丝绳强力提升扳手来扭紧针尖，防止拧得太紧，导致不能正常卸下针尖。具体操作方法应是：初期生产时，每压一个料，检查一次针尖位置，如出现针尖偏转，则尝试用扳手通过锤击方式紧固针尖，如此重复多次，直至针尖不产生松动。

图4 针尖的紧固

3 针座

用卧式双动挤压机正向挤压管材是铝合金最常用的生产方法，可以采用实心锭穿孔挤压和空心锭非穿孔挤压[4]。实心锭穿孔挤压时，需要强大的穿孔力，以克服针尖端面阻力及针尖、挤压针表面的摩擦力。穿孔过程中穿孔系统受力复杂，对穿孔系统的装配精度、强度有更高的要求，易出现操作及工具事故，对合金、产品规格、铸锭规格有严格的限制。由于2×××、7×××系高强合金变形抗力大，实现实心锭穿孔挤压十分困难。而空心锭非穿孔挤压不需要强大的穿孔动力，且操作相对简单，故其对挤压针、针座的寿命影响较小，对合金、产品规格、铸锭规格要求不那么严，因此生产实践中主要采用非穿孔挤压生产无缝管材。

由于空心锭非穿孔挤压和实心锭穿孔挤压在受力方式及受力环境上存在显著区别，两者在针座的紧固方式上也存在不同。

3.1 空心锭非穿孔挤压

一般而言，穿孔系统各部件装配后，挤压针更易松动，因此，将针座自然旋紧即可。在实际生产操作中普遍使用单向钢丝绳缠绕法来安装针座（如图5（a）所示），即：在针座的小径端用钢丝绳缠绕若干圈，用行车等起重设备向上牵引钢丝绳一端，另一端用人工方式拉拽钢丝绳以保持钢丝绳与针座表面间产生足够摩擦。在磨擦力作用下，针座绕轴线旋转，直至拧紧针座。钢丝绳缠绕法操作简单，但其扭矩小，适用于较对称的异形管材生产，这是因为挤压对称异形管材时金属流动作用在穿孔系统上的扭矩相对较小。

理论上，由于挤压针-针座连接螺纹S2比针座-穿孔连杆连接螺S3要小，在相同扭矩作用下，松动首先发生在螺纹副S2处。而实践中，随着挤压不断进行，挤压针螺纹连接处的温度逐渐升高，当长时间生产时，挤压针的外螺纹段热膨胀使该处螺纹副抱紧、其松动所需力矩超过针座-穿孔连杆连接螺纹S3所需松动力矩时，则可能出现连接螺纹S3先于连接螺纹S2松动的现象，这会导致挤压针不能正常率先卸下。为避免出现该情形，可在穿孔连杆的端面设置键孔，并在针座的大径段加工相关的键通孔。针座装配到位后，插入专用键固定针座与穿孔连杆的相对位置，使其在挤压过程中不产生相对旋转，从而避免由此导致的管材的内腔偏转及卸针操作事故。

图5 钢丝绳缠绕法紧固针座示意图

3.2 实心锭穿孔挤压

对于前述使用专用键固定针座与穿孔连杆相对位置防止针座率先松动的方法，其局限性在于：因针座的键孔与穿孔连杆的键孔并非在紧固后进行配合加工，两者的端面间存在缝隙，极限状态下，该间隙宽度接近于连接螺纹的螺距。该间隙在穿孔挤压时是不允许存在的，这是因为连接螺纹为单向传动螺纹，只适宜承受挤压方向的拉力。穿孔时，穿孔力应通过针座与穿孔连杆的两接触端面进行传递，如果该二面不接触，则穿孔力由连接螺纹进行传递，这就会导致螺纹损坏。

因此，针座与穿孔连杆必须紧固至螺纹连接处的两端面完全贴合。生产前，不允许使用前述的定位键，应通过强力旋合，使两接触端面出现尽可能大的弹性变形，增大螺纹副之间的摩擦力和两端面的摩擦力，使螺纹副在穿孔和挤压过程中不出现松动。

使用前述的单向钢丝绳缠绕法（如图5（a）所示）紧固针座虽然操作效率高，但难以满足穿孔挤压对针座的强力紧固要求。该方法主要存在以下缺点：（1）钢丝绳紧贴针座的外周面，起重产生的力臂短，向上牵引钢丝绳时，针座易被抬起，造成针座-穿孔连杆连接螺纹副同心度严重恶化，形成“咬死”情形，不易拧紧；（2）需要强力紧固时，另一端通过人力拉拽增强钢丝绳与针座的摩擦力，操作人员劳动强度大，且不易产生足够的摩擦力而出现打滑现象；（3）使用较大直径的钢丝绳不易缠紧、易打滑，而使用小径钢丝绳容易出现断裂，并造成人身伤害。

图5（b）为双向钢丝绳缠绕法紧固针座示意图。其在垂直方向上分别向上和向下施加起重力，可成倍增大扭矩，显著改善针座受力状况，特别是可避免针座在扭转时被抬起形成的螺纹副“咬死”情形，从而改善螺纹副的同心度，更易于紧固针座。其缺点是操作复杂，操作效率低，一般较少使用。

图6 套筒式长臂扳手紧固法示意图

生产实践中，为兼顾效率、可操作性，可使用单向钢丝绳缠绕法和长臂扳手紧固法的组合紧针方法，即先采用单向钢丝绳缠绕法快速将螺纹拧满，最后使用长臂扳手对螺纹副强力紧固，可获得理想的紧固效果。图6为一种套筒式长臂扳手紧固法的示意图[5]。该扳手有更长的力臂，可显著改善受力方式，并提供更大的扭矩。操作方法是：将针座的小径端穿过扳手的套筒孔，滑动或转动套筒，将套筒上的径向通孔与针座上的盲孔一一对齐；将销棒穿过套筒径向通孔，并插入针座盲孔；向上提升扳手远端的钢丝绳，扳手即对针座产生扭矩，从而达到强力紧固针座的目的。相较于单向钢丝绳缠绕法，使用该方法最大可获得六倍以上的扭矩。

4 挤压针

4.1 空心锭非穿孔挤压

在装配和挤压操作过程中，因挤压针在空心挤压轴中滑动，故不能采用键定位的方式来固定挤压针与针座的相对位置以防止其旋转。因此，挤压针的防松动只能通过将挤压针拧紧，即增大螺纹副间的摩擦和挤压针端面与针座端面间的摩擦来实现。

挤压针的紧固大多数情形仍采用操作简单、效率高的单向钢丝绳缠绕法（见图5（a））。对于尺寸精度要求不太高、较对称的空心型材，金属不均匀流动的扭矩相对较小，该方法一般可以满足挤压针的紧固要求。

要注意的是，挤压针的紧固不能考虑一次就好、“一劳永逸”，要在每根挤压针装机生产的初期，分多次紧固。这是因为挤压针的工作段是与高温铸锭相接触的，随着热量的持续传递，挤压针外螺纹段因温度逐渐升高而变长，螺纹副间的摩擦力和两端面的摩擦力会逐渐减小，最终造成螺纹副松动。所以，在操作中应每压几个料就再次紧针，直至挤压针的螺纹段温度稳定，螺纹副不再松动。生产过程中，发现针尖偏转后，不能采取直接启动穿孔系统旋转机构将前端针尖调整至设定位置，这会导致管材在挤压过程中出现边挤压边松动现象，最终使制品的型腔从头至尾呈螺旋扭转状态。

4.2 实心锭穿孔挤压

如上所述，穿孔挤压时需要对挤压针进行强力紧固，单向钢丝绳缠绕法难以满足紧固要求，宜先采用单向钢丝绳缠绕法进行初步紧固，再使用长臂扳手进行强力紧固。与紧固针座不同的是，紧固挤压针的扳手不宜做成与针座扳手类似的套筒扳手，这是因为：一是挤压针直径小，且在高温下承力，加工销棒孔会降低挤压针强度；其次，挤压针工作表面会粘金属，连续生产时，挤压针工作段的尾端可能会堆积较多金属，使用套筒扳手时，套筒不能被挤压针穿过。

图7为一种开口式长臂扳手及其紧固针示意图[6]。开口扳手主体由钢板切割而成，厚度方向上呈鱼形状。考虑到挤压针扭拧力矩、操作稳定性、强度等，扳手钢板的厚度一般约50～80 mm。扳手的主要特点是前端有一开口半圆槽，半圆槽里加工有卡爪，卡爪与挤压针上大径处的卡槽配合。

扳手的使用方法是：用吊绳从扳手的吊孔处将扳手吊起，手握持手柄，保持扳手稳定，并使扳手的大平面与挤压针的轴线垂直，移动扳手，使挤压针的小径段进入卡口，并尽量使卡爪顶端圆弧面的轴线与挤压针的轴线共轴。周向上，调整扳手的角度，使扳手卡口的卡爪与挤压针的卡槽一一对齐，并轴向上移动扳手，直到卡爪完全置入卡槽。使用吊绳从扳手的尾端的凹槽处向上提升扳手，从而形成更大的扭矩，达到强力紧固挤压针的目的。

图7 开口式长臂扳手紧固法示意图

4.3 挤压针的加热

挤压针的小径段为高温工作段，必须达到较高温度后才可进行挤压作业，该温度一般要达到400℃以上。为减少挤压针加热待温时间，通常是在上机前将挤压针整体预热至350℃以上，然后进行装配。由于加热膨胀会影响装配灵活性，挤压针与针座配合螺纹在冷状态下的配合间隙就要增大，最大可达2 mm左右。这会导致两个不利结果：一是挤压针在挤压过程中特别容易松动，出现“总上不紧”的情形；二是挤压针不稳定，造成产品壁厚波动幅度大。

改进方法：不对挤压针进行预热，以提高螺纹配合精度。在此情形下，挤压针与针座配合螺纹间隙可以收窄至不超过1 mm，这将显著提升挤压针的紧固效果。相应地，为了提高生产效率，减少待温时间，可采用天然气或感应加热方式对挤压针工作部分进行快速加热。在开始阶段，使用高温铸锭进行挤压以提高挤压针温度，待挤压针温度达到需要时，再挤压高强铝合金管材。

5 结束语

重型铝镁挤压机穿孔系统是否能有效紧固直接关系到异形无缝管材的尺寸精度。穿孔挤压和非穿孔挤压对穿孔系统的紧固程度需求不同，可采用不同紧固方法对针尖、挤压针、针座进行紧固。通常，采用钢丝绳缠绕法可基本满足非穿孔挤压的穿孔系统的紧固要求；而采用实心锭穿孔挤压时，则宜采用钢丝绳缠绕法并配合专用扳手强力紧固来满足需求。

同时，也应关注螺纹配合精度、挤压针的加热和工作中的温度变化等因素对穿孔系统紧固效果的影响，并采取相应措施降低其对穿孔系统紧固产生的消极作用。