應用于異形無縫管材擠壓的穿孔系統緊固方法

敖尚龍

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

在鋁合金的無縫管材生產中，采用固定擠壓針法擠壓可以使管材的偏心相對較小，既可節約鋼材，還可以實現無潤滑擠壓，從而生產出內表面優良的高質量鋁合金管材[1]。由于其截面上無組合模生產管材時產生的“焊縫”，因而可作為重要的承力結構件，廣泛應用于國防軍工及民用等各領域，常用的鋁合金有2×××、5×××、6×××、7×××系合金。由于受擠壓過程固有的復雜性、材料流動預測的困難性、材料組織性能的變化、擠壓過程中壓力與速度的不恒定性以及材料工具表面在摩擦生熱的同時又進行熱量傳遞的不穩定性等因素的影響，大規格鋁合金異形無縫管材生產過程中始終面臨著尺寸控制方面的困難[2]。

有效緊固穿孔系統以防止其松動是大規格異形無縫管材尺寸控制的關鍵控制點之一，這主要歸因于：（1）大規格異形無縫管材采用空心錠/實心錠—固定擠壓針法生產，其穿孔系統由多部件構成，因各部件間采用螺紋連接，擠壓過程中易出現松動，故易導致管材內腔出現周向旋轉；（2）異形管材的壁厚一般不均勻或截面不對稱，擠壓過程中，金屬流經模孔各部分處存在流速差，對針尖形成較大的扭矩；（3）為最大限度地避免制品內腔出現氣泡、起皮、黑斑等表面缺陷，通常采用無潤滑擠壓，更大的摩擦力使穿孔系統更易出現松動。這些因素所導致的直接結果是針尖相對于模孔出現了旋轉，而致型材內腔尺寸不合格。對于某些航空旋翼類、掛架類高精及超高精型材，甚至會出現很難滿足技術要求的情形。生產實踐中，尺寸報廢的制品因內腔偏轉超差報廢所占的比重通常達40%以上。因此，防止穿孔系統出現松動、控制好管材內腔尺寸是大規格鋁合金異形無縫管材生產的關鍵任務。

本文主要針對80 MN和125 MN擠壓機穿孔系統的緊固問題進行了探討，為有效提高異形無縫管材尺寸精度提供參考方法。

1 穿孔系統結構

圖1為幾種典型異形無縫管材的斷面圖。圖中所示的是異形無縫管材典型的幾個規格，這些規格在生產中其尺寸控制難度大，常常涉及到穿孔的緊固問題。

圖1 典型異形無縫管材斷面圖

80 MN和125 MN擠壓機生產無縫管材時的穿孔系統及配套工具裝配結構示意圖如圖2所示。

圖2 穿孔系統及配套工具裝配結構示意圖

采用固定擠壓針法擠壓管材的原理為：通過對擠壓墊施加壓力，在高溫高壓下，金屬在擠壓筒、擠壓針、擠壓墊、模具形成的封閉空間中產生塑性變形，從模子與針尖形成的縫隙中流出，獲得所需的斷面帶有孔的制品。實現管材擠壓的基本操作路徑為：空心鑄/實心錠先盛入擠壓筒→裝有模子的模支承靠封擠壓筒一端→將空心擠壓墊片裝入擠壓筒另一端→擠壓針穿過空心擠壓墊片和鑄錠，直至針尖伸入模孔一定距離，穿孔系統達到擠壓限程位置并在擠壓過程中不再向前運動→擠壓軸推動空心擠壓墊片對鑄錠進行鐓粗和擠壓（金屬經針尖與模子形成的型腔流出，形成所需管材）。

與擠壓實心制品最大不同的是，管材的內腔形狀及尺寸由針尖決定。該針尖由擠壓針、針座、穿孔連桿等部件組成的穿孔系統予以支撐，穿孔系統緊固在穿孔柱塞上[3]。穿孔系統各部件間通過右旋鋸齒形單向傳動螺紋連接。為確保針尖在整個擠壓過程中起到穩定的定徑作用，針尖不允許沿擠壓軸線旋轉，這就要求針尖與擠壓針、擠壓針與針座、針座與穿孔連桿間旋合緊密，不得在擠壓過程中出現松動，以免造成針尖出現偏轉而致管材型腔不能滿足尺寸要求。而擠壓或穿孔過程中金屬不均勻流動產生的扭矩可能會使穿孔系統的各連接螺紋副出現松動。

表1 典型連接螺紋尺寸

表1列出了各部件間典型的連接螺紋尺寸。可以看出，在穿孔系統的三對螺紋副中，針座-穿孔連桿連接螺紋S3規格最大。其設計合理性在于，要換裝擠壓針時，首先要確保將擠壓針先卸下來，而擠壓針與針座連接的螺紋S2要小于S3，在具有相同的配合精度和作用扭矩時，螺紋規格越小，松動的可能性越大，因此該處螺紋在扭轉時率先松動。有時候，由于擠壓針與針座連接螺紋裝配間隙過小，配合更緊密，或在安裝時被“背得過緊”，導致針座與穿孔連桿處首先松動，這會導致拆卸很困難，甚至可能采用“暴力”拆卸，造成工具損毀。

2 針尖

2.1 針尖的可視化設計

針尖對于型材內腔尺寸起定徑作用。穿孔系統所有連接部位的松動都會反映到針尖沿周向的旋轉，使針尖偏離其設定位置而造成制品內腔尺寸不滿足要求。為評價穿孔系統在擠壓過程中是否存在偏轉或松動，每次擠壓完后均需要對針尖進行檢測，看其是否在設定位置。

對于截面為矩形的針尖，盡管可將大平面布置于水平方向，使用水平尺來檢測，但實踐中仍然不推薦使用這種方式（見圖3（a））。因為操作者在高溫環境下目視判斷能力會下降，且水平尺在高溫下容易損壞；對于內腔截面為長條形或類矩形的型材擠壓，應將針尖按豎直方式進行布置并在針尖的前端面加工垂直刻線，使用“吊線”的方式進行檢測（見圖3（b））；寬度較大時，可在六方頭兩側刻線（如圖3（c）），而寬度較小、兩側不足以刻線時，可在中部刻線（見圖3（d））。

圖3 針尖的布置方式

2.2 針尖的緊固方法

對于非對稱型材，穿孔系統的扭矩主要來自于金屬流動時對針尖所產生的扭矩。對于極不對稱型材（見圖1（d）），模孔各部分的金屬流速差大，極易造成針尖發生扭轉而致使型材內腔偏轉。

較簡易的解決方法是，在針尖的前端面設置帶有橫向通孔的四方頭或六方頭，并通過扳手進行緊固。初裝時，手動使用長穿桿配合方頭上的通孔進行旋擰，最后用專用的內六方或內四方扳手通過錘擊方式進行固定（見圖4（a））。緊固后，應仔細檢查針尖與擠壓針的配合端面，確保其完全貼合，避免金屬進入縫隙后導致不能正常換裝針尖。在開始擠壓時，針尖可能存在松動，應在每個料壓完后，用鉛垂線配合針尖端面的刻線檢查其是否松動。如有松動，首先用扳手再次緊固針尖，不能直接采用轉針的方式將針尖調至正常位置。

對于進行穿孔擠壓的針尖，其端面沒有六方頭或四方頭。由于針尖為非圓柱體，并出于保護針尖工作面的目的，不適用于鋼絲繩纏繞法緊固，要制作專用的扳手緊固針尖（如圖4（b）所示）。扳手的內腔應與針尖的截面相匹配，并在兩者間墊鋁、銅等物，防止扳手咬傷針尖。

需要在線更換針尖以繼續生產其它規格的管材時，不宜用行車牽引鋼絲繩強力提升扳手來扭緊針尖，防止擰得太緊，導致不能正常卸下針尖。具體操作方法應是：初期生產時，每壓一個料，檢查一次針尖位置，如出現針尖偏轉，則嘗試用扳手通過錘擊方式緊固針尖，如此重復多次，直至針尖不產生松動。

圖4 針尖的緊固

3 針座

用臥式雙動擠壓機正向擠壓管材是鋁合金最常用的生產方法，可以采用實心錠穿孔擠壓和空心錠非穿孔擠壓[4]。實心錠穿孔擠壓時，需要強大的穿孔力，以克服針尖端面阻力及針尖、擠壓針表面的摩擦力。穿孔過程中穿孔系統受力復雜，對穿孔系統的裝配精度、強度有更高的要求，易出現操作及工具事故，對合金、產品規格、鑄錠規格有嚴格的限制。由于2×××、7×××系高強合金變形抗力大，實現實心錠穿孔擠壓十分困難。而空心錠非穿孔擠壓不需要強大的穿孔動力，且操作相對簡單，故其對擠壓針、針座的壽命影響較小，對合金、產品規格、鑄錠規格要求不那么嚴，因此生產實踐中主要采用非穿孔擠壓生產無縫管材。

由于空心錠非穿孔擠壓和實心錠穿孔擠壓在受力方式及受力環境上存在顯著區別，兩者在針座的緊固方式上也存在不同。

3.1 空心錠非穿孔擠壓

一般而言，穿孔系統各部件裝配后，擠壓針更易松動，因此，將針座自然旋緊即可。在實際生產操作中普遍使用單向鋼絲繩纏繞法來安裝針座（如圖5（a）所示），即：在針座的小徑端用鋼絲繩纏繞若干圈，用行車等起重設備向上牽引鋼絲繩一端，另一端用人工方式拉拽鋼絲繩以保持鋼絲繩與針座表面間產生足夠摩擦。在磨擦力作用下，針座繞軸線旋轉，直至擰緊針座。鋼絲繩纏繞法操作簡單，但其扭矩小，適用于較對稱的異形管材生產，這是因為擠壓對稱異形管材時金屬流動作用在穿孔系統上的扭矩相對較小。

理論上，由于擠壓針-針座連接螺紋S2比針座-穿孔連桿連接螺S3要小，在相同扭矩作用下，松動首先發生在螺紋副S2處。而實踐中，隨著擠壓不斷進行，擠壓針螺紋連接處的溫度逐漸升高，當長時間生產時，擠壓針的外螺紋段熱膨脹使該處螺紋副抱緊、其松動所需力矩超過針座-穿孔連桿連接螺紋S3所需松動力矩時，則可能出現連接螺紋S3先于連接螺紋S2松動的現象，這會導致擠壓針不能正常率先卸下。為避免出現該情形，可在穿孔連桿的端面設置鍵孔，并在針座的大徑段加工相關的鍵通孔。針座裝配到位后，插入專用鍵固定針座與穿孔連桿的相對位置，使其在擠壓過程中不產生相對旋轉，從而避免由此導致的管材的內腔偏轉及卸針操作事故。

圖5 鋼絲繩纏繞法緊固針座示意圖

3.2 實心錠穿孔擠壓

對于前述使用專用鍵固定針座與穿孔連桿相對位置防止針座率先松動的方法，其局限性在于：因針座的鍵孔與穿孔連桿的鍵孔并非在緊固后進行配合加工，兩者的端面間存在縫隙，極限狀態下，該間隙寬度接近于連接螺紋的螺距。該間隙在穿孔擠壓時是不允許存在的，這是因為連接螺紋為單向傳動螺紋，只適宜承受擠壓方向的拉力。穿孔時，穿孔力應通過針座與穿孔連桿的兩接觸端面進行傳遞，如果該二面不接觸，則穿孔力由連接螺紋進行傳遞，這就會導致螺紋損壞。

因此，針座與穿孔連桿必須緊固至螺紋連接處的兩端面完全貼合。生產前，不允許使用前述的定位鍵，應通過強力旋合，使兩接觸端面出現盡可能大的彈性變形，增大螺紋副之間的摩擦力和兩端面的摩擦力，使螺紋副在穿孔和擠壓過程中不出現松動。

使用前述的單向鋼絲繩纏繞法（如圖5（a）所示）緊固針座雖然操作效率高，但難以滿足穿孔擠壓對針座的強力緊固要求。該方法主要存在以下缺點：（1）鋼絲繩緊貼針座的外周面，起重產生的力臂短，向上牽引鋼絲繩時，針座易被抬起，造成針座-穿孔連桿連接螺紋副同心度嚴重惡化，形成“咬死”情形，不易擰緊；（2）需要強力緊固時，另一端通過人力拉拽增強鋼絲繩與針座的摩擦力，操作人員勞動強度大，且不易產生足夠的摩擦力而出現打滑現象；（3）使用較大直徑的鋼絲繩不易纏緊、易打滑，而使用小徑鋼絲繩容易出現斷裂，并造成人身傷害。

圖5（b）為雙向鋼絲繩纏繞法緊固針座示意圖。其在垂直方向上分別向上和向下施加起重力，可成倍增大扭矩，顯著改善針座受力狀況，特別是可避免針座在扭轉時被抬起形成的螺紋副“咬死”情形，從而改善螺紋副的同心度，更易于緊固針座。其缺點是操作復雜，操作效率低，一般較少使用。

圖6 套筒式長臂扳手緊固法示意圖

生產實踐中，為兼顧效率、可操作性，可使用單向鋼絲繩纏繞法和長臂扳手緊固法的組合緊針方法，即先采用單向鋼絲繩纏繞法快速將螺紋擰滿，最后使用長臂扳手對螺紋副強力緊固，可獲得理想的緊固效果。圖6為一種套筒式長臂扳手緊固法的示意圖[5]。該扳手有更長的力臂，可顯著改善受力方式，并提供更大的扭矩。操作方法是：將針座的小徑端穿過扳手的套筒孔，滑動或轉動套筒，將套筒上的徑向通孔與針座上的盲孔一一對齊；將銷棒穿過套筒徑向通孔，并插入針座盲孔；向上提升扳手遠端的鋼絲繩，扳手即對針座產生扭矩，從而達到強力緊固針座的目的。相較于單向鋼絲繩纏繞法，使用該方法最大可獲得六倍以上的扭矩。

4 擠壓針

4.1 空心錠非穿孔擠壓

在裝配和擠壓操作過程中，因擠壓針在空心擠壓軸中滑動，故不能采用鍵定位的方式來固定擠壓針與針座的相對位置以防止其旋轉。因此，擠壓針的防松動只能通過將擠壓針擰緊，即增大螺紋副間的摩擦和擠壓針端面與針座端面間的摩擦來實現。

擠壓針的緊固大多數情形仍采用操作簡單、效率高的單向鋼絲繩纏繞法（見圖5（a））。對于尺寸精度要求不太高、較對稱的空心型材，金屬不均勻流動的扭矩相對較小，該方法一般可以滿足擠壓針的緊固要求。

要注意的是，擠壓針的緊固不能考慮一次就好、“一勞永逸”，要在每根擠壓針裝機生產的初期，分多次緊固。這是因為擠壓針的工作段是與高溫鑄錠相接觸的，隨著熱量的持續傳遞，擠壓針外螺紋段因溫度逐漸升高而變長，螺紋副間的摩擦力和兩端面的摩擦力會逐漸減小，最終造成螺紋副松動。所以，在操作中應每壓幾個料就再次緊針，直至擠壓針的螺紋段溫度穩定，螺紋副不再松動。生產過程中，發現針尖偏轉后，不能采取直接啟動穿孔系統旋轉機構將前端針尖調整至設定位置，這會導致管材在擠壓過程中出現邊擠壓邊松動現象，最終使制品的型腔從頭至尾呈螺旋扭轉狀態。

4.2 實心錠穿孔擠壓

如上所述，穿孔擠壓時需要對擠壓針進行強力緊固，單向鋼絲繩纏繞法難以滿足緊固要求，宜先采用單向鋼絲繩纏繞法進行初步緊固，再使用長臂扳手進行強力緊固。與緊固針座不同的是，緊固擠壓針的扳手不宜做成與針座扳手類似的套筒扳手，這是因為：一是擠壓針直徑小，且在高溫下承力，加工銷棒孔會降低擠壓針強度；其次，擠壓針工作表面會粘金屬，連續生產時，擠壓針工作段的尾端可能會堆積較多金屬，使用套筒扳手時，套筒不能被擠壓針穿過。

圖7為一種開口式長臂扳手及其緊固針示意圖[6]。開口扳手主體由鋼板切割而成，厚度方向上呈魚形狀。考慮到擠壓針扭擰力矩、操作穩定性、強度等，扳手鋼板的厚度一般約50～80 mm。扳手的主要特點是前端有一開口半圓槽，半圓槽里加工有卡爪，卡爪與擠壓針上大徑處的卡槽配合。

扳手的使用方法是：用吊繩從扳手的吊孔處將扳手吊起，手握持手柄，保持扳手穩定，并使扳手的大平面與擠壓針的軸線垂直，移動扳手，使擠壓針的小徑段進入卡口，并盡量使卡爪頂端圓弧面的軸線與擠壓針的軸線共軸。周向上，調整扳手的角度，使扳手卡口的卡爪與擠壓針的卡槽一一對齊，并軸向上移動扳手，直到卡爪完全置入卡槽。使用吊繩從扳手的尾端的凹槽處向上提升扳手，從而形成更大的扭矩，達到強力緊固擠壓針的目的。

圖7 開口式長臂扳手緊固法示意圖

4.3 擠壓針的加熱

擠壓針的小徑段為高溫工作段，必須達到較高溫度后才可進行擠壓作業，該溫度一般要達到400℃以上。為減少擠壓針加熱待溫時間，通常是在上機前將擠壓針整體預熱至350℃以上，然后進行裝配。由于加熱膨脹會影響裝配靈活性，擠壓針與針座配合螺紋在冷狀態下的配合間隙就要增大，最大可達2 mm左右。這會導致兩個不利結果：一是擠壓針在擠壓過程中特別容易松動，出現“總上不緊”的情形；二是擠壓針不穩定，造成產品壁厚波動幅度大。

改進方法：不對擠壓針進行預熱，以提高螺紋配合精度。在此情形下，擠壓針與針座配合螺紋間隙可以收窄至不超過1 mm，這將顯著提升擠壓針的緊固效果。相應地，為了提高生產效率，減少待溫時間，可采用天然氣或感應加熱方式對擠壓針工作部分進行快速加熱。在開始階段，使用高溫鑄錠進行擠壓以提高擠壓針溫度，待擠壓針溫度達到需要時，再擠壓高強鋁合金管材。

5 結束語

重型鋁鎂擠壓機穿孔系統是否能有效緊固直接關系到異形無縫管材的尺寸精度。穿孔擠壓和非穿孔擠壓對穿孔系統的緊固程度需求不同，可采用不同緊固方法對針尖、擠壓針、針座進行緊固。通常，采用鋼絲繩纏繞法可基本滿足非穿孔擠壓的穿孔系統的緊固要求；而采用實心錠穿孔擠壓時，則宜采用鋼絲繩纏繞法并配合專用扳手強力緊固來滿足需求。

同時，也應關注螺紋配合精度、擠壓針的加熱和工作中的溫度變化等因素對穿孔系統緊固效果的影響，并采取相應措施降低其對穿孔系統緊固產生的消極作用。