一种超宽薄壁带筋板船用型材的研究和开发

2022-07-07胡焱

铝加工 2022年3期

胡焱

（中铝萨帕特种铝材（重庆）有限公司，重庆 401326）

0 前言

近年来，随着人们节能减排意识的不断提高，交通工具轻量化兼具美观大方的审美需求成为时代发展的必然。以铝代木、以铝代钢、可回收和循环利用等热议话题推动材料研发设计端与产品营运使用端上下联动，极大地拓展了铝型材的应用广度和深度。除汽车、轨道交通、航空航天领域外，舰船、游艇等船体结构也逐步用上了铝合金型材。可以预见的是，铝合金材料的推广应用将是未来交通工具轻量化发展的主线。

本文针对一种用于铝合金观光船内部的顶板（天花板）开发过程进行了总结，供同行借鉴及参考。

1 型材挤压难度及可行性分析

型材的断面如图1所示。

图1 型材断面图

1.1 难度分析

一是型材超宽。按照有关资料对大断面型材的界定[1]，该型材的宽度达到700㎜，已远远超过对大断面型材的定义标准；二是型材的宽厚比极大。型材的宽厚比是表征型材扁宽化和薄壁化的重要指标，也是反映型材挤压生产难易程度的重要指标。若总宽/壁厚＞130时，就可能因成形困难、断面和形位精度难以保证而使产品质量大大降低、生产率和成品率急剧下降，成本大大提高[1]。该型材宽厚比为700/3=233，已远远大于经验值；三是型材平面间隙要求高。参照标准GB/T 14846-2014，该型材的平面间隙达到了高精级的要求；四是合金难挤压、淬火敏感性高。出于耐腐蚀和强度的需要，该船用型材采用了6×××系中较难挤压的6082合金。该合金化学成分如表1所示。

表1 6082合金的化学成分（质量分数/%）

1.2 可行性分析

结合现有的120 MN挤压设备及457/533 mm两种铸棒规格，计算出挤压系数分别是57和78，而对应的比压（挤压机的全压力/挤压筒内孔的断面积）分别是701 MPa和518 MPa。考虑到533 mm筒上的单位挤压力（比压）更低而变形程度（挤压比）更大，综合型材断面自身难度研判，认为采用457 mm铸棒进行宽展挤压更为合适。

据相关资料介绍，采用宽展模挤压时，宽展变形率一般在30%左右，宽展角一般在30°左右。宽展挤压时的压挤系数不宜过大，一般以30左右为宜。用宽展挤压可以生产比圆挤压筒直径大10%～30%的产品[2]。而本例型材无论是挤压系数还是宽度与挤压筒直径之比（700/467=1.5），都远远超过经验值。此船用型材采用常规宽展模挤压会带来3个问题：一是模具外形尺寸大，本例需采用全尺寸模具（1 042 mm×500 mm），模具的采购成本以及生产过程中的维护成本（模具碱洗和氮化）高；其二，全尺寸模具由于无模套保护，直接与模座接触，热损失更快，对模孔尺寸的影响更大，进而增加了型材壁厚和平面间隙控制难度，亦使得生产的连续性难以保证；其三，不符合工模具标准化、系列化的管理要求。根据现场实际情况，模具的装配厚度为500 mm，若按照“宽展模+模面+垫”的结构，考虑到两侧供料实际，匡算出宽展角仍大于30°。本例若采用常规的宽展模具方案，综合金属流动、模具宽展角的一般经验，如果把模具宽展角控制在30°左右，那么模具的装配厚度将远超现有的厚度标准，不利于模具标准化、系列化的管理需求。

2 工模具方案设计

查阅现有薄壁扁宽型材开发案例，均是采用宽展模或导流板的结构形式[3-4]。根据前述可行性分析研判，决定本例型材的开发避开全尺寸模具而采用一种全新结构[5]。该结构充分发挥模套的作用，将铸棒的宽展变形由模套完成，模具本身不作任何宽展，并置身于模套内，如图2所示。

图2 模具与模套装配图

这样就解决了型材挤压难度及可行性分析所述的前两个问题。另外为了降低宽展模套内的含铝量，降低铸锭头尾焊合形成的几何报废，对模套进行极限宽展，见图3。

图3 宽展模套详图

采用宽展模套，意味着打破常规由模具与挤压筒内衬密封的形式，改为由模套与挤压筒内衬密封。尤其需要注意的是宽展模套对挤压筒锁紧力的负面影响。根据常规挤压筒与模具密封的经验，挤压时挤压筒与模子的端面紧贴在一起。在挤压开始时，由于铸锭很长，填充挤压后，铸锭紧贴挤压筒衬套内壁，挤压轴向前推进时所产生的摩擦力大大增强了挤压筒对模子端面的锁紧力。但当挤压轴推进到与模子端面只有一定距离时，上述摩擦力大大降低，同时在挤压筒与模子之间形成的所谓“死角”的金属受挤压力作用而出现紊流现象。这时被挤压的金属传递给挤压筒的后推力逐渐与挤压筒的锁紧力相接近（如果锁紧力太小，便会相互抵消或超过锁紧力）。当后推力超过锁紧力时，被挤压的金属便会从挤压筒与模子之间大量泄出，形成“大帽”[6]。采用宽展模套，情况亦然。当出现闷车、堵模等极端情形，挤压力可达到极值。此时如果模套的“宽展面积”大于铸锭对模套的“压紧面积”而挤压筒的锁紧压力又太小的话，这时“宽展面积”处产生的铸锭对模套的后推力可能会大于挤压筒对模套的锁紧力，从而造成“大帽”，见图4。

图4 模套“宽展面积”与铸锭“压紧面积”示意图

以宽展模套为受力体，当挤压机压力处于极值时：

铸锭对模套的后推力计算如下：

模套端面受到铸锭的压紧力如下：

其中：P比为挤压机的全压力与挤压筒内孔的断面积之比。

注意正向挤压有一个缺点，即因铸锭表面和挤压筒内衬内壁发生激烈摩擦，使消耗的总挤压力高达30%～40%[7]。本例计算按40%的挤压力用于克服铸锭与挤压筒内壁摩擦做功，剩余60%的挤压力由挤压筒内的铸锭传递到模套端面，形成铸锭对模套的压紧。

一般情况下，F后＜F锁+F压。若忽略挤压筒对模套端面锁紧力的影响，通常要求F后＜F压。因此设计宽展模套时，需要对模套的“宽展面积”与铸锭对模套的“压紧面积”进行计算，原则上应满足“宽展面积SB”＜“压紧面积SA×0.6”。经计算验证，457 mm铸锭的挤压筒直径为467 mm，铸锭作用在模套端面的面积SA=121 029 mm2，宽展面积SB=48 764 mm2。48 764＜121 029×0.6，符合上述“宽展面积SB”＜“压紧面积SA×0.6”原则。换言之，即使存在堵模、闷车等情形，铸锭对模套的后推力不足以造成“大帽”发生。

模具被置于宽展模套内且不作任何宽展，不需承受来自挤压筒的压紧力（锁紧力），模具强度得到显著改善，模具结构也变得十分简单，即采用“模面+垫”的形式，见图5。模面和垫分别按ϕ850 mm×100 mm和ϕ850 mm×250 mm设计，其外形及厚度都可实现标准化、系列化，解决了型材挤压难度和可行性分析中提到的第三个问题，因此可推广应用到所有薄壁扁宽实心型材的开发。

图5 模面与模垫装配图

此外，由于本例型材超宽，左右边缘的模具宽度只有50 mm，远远小于上下边缘的模具宽度。需要在上下方各增加一个淬火孔，减少模具在加工热处理过程中开裂的风险以及热挤压过程中由于模具温度损失的不一致造成左右两侧受到附加拉应力而引起的型材壁厚的变化。

3 工艺参数设计与试制

结合120 MN挤压机比压大、在线淬火系统冷却速率高的优势，挤压工艺参数按照中温高速强风冷却进行设置。相关工艺参数设置见表2。

表2 挤压工艺参数

首次试制料头情况见图6（模具在模套内旋转了180°，即筋在上，平面在下）。

图6 首次试模料头

该型材首次试制的主要问题点及原因分析：两侧供料明显不足；壁板部位呈波浪状。通过对料头进行分析，发现模具左右两侧的前置室偏小，是造成两侧流速明显偏慢的主因。另外，在如此大的宽展角度下，金属沿宽展模套径向流动的不确定性增加，常规的模具工作带取值经验不适用于此超宽薄壁的型材模具方案。壁板部位工作带与左右两侧工作带相比差异值偏小，是造成壁板波浪的原因。

改善方案：通过修模，扩大两侧前置室，使远离中心的两侧有足够的供料，解决两端供料不足的主要矛盾；同时减小左右两侧工作带，并在中心部位作阻碍角，解决中心大面的波浪问题。并将模具恢复为初始状态（筋在下方，平面在上方）以便于在线检测平面间隙。

从第二次试模情况看，料头流速的一致性较好，挤出的型材基本满足图纸要求，见图7。