高強超高精度7A04超硬鋁合金導軌型材的研制

吳鳳照 夏琴香 張學惠
高強超高精度導軌是高檔電子機柜的重要組成部分。目前，國內導軌多采用薄鋼板沖制，厚不銹鋼板銑削，或采用2A12T4硬鋁合金擠壓精整而成。薄鋼板沖制難以形成R形導槽；厚不銹鋼板銑削機加量大，生產周期長，成本高；2A12T4硬鋁合金擠壓導軌則因其尺寸精度、形位公差低，需機加精整才能裝配使用，加上其σb遠低于鋼材的，不能滿足高檔電子機柜導軌的需要。為此，根據中船總公司的委托開展本課題的研制。
其主要技術指標如下：①材質狀態：銅、鋁等有色合金、T6狀態；②力學性能；σb≥500MPa，HB≥150；③載荷能力：30～50kg；④抗蝕性能：耐海水鹽霧腐蝕；⑤形狀與尺寸：見圖1及圖2。




1 試驗方法與條件
1．1 試驗方法
擠壓-拉矯法。主要工藝流程如下：
鑄棒制備→擠壓→淬火→拉矯→時效→尺寸精度檢測→形位公差檢測←→壓矯→表面處理
1．2試驗條件
材料選用φ124mm× 320mm7A04超硬鋁合金鑄棒；在8．0和12．5MN水壓機的平面模上進行擠壓，擠壓溫度420～440℃，擠壓速度為0．6～1．0m/min；在0．45MN拉矯機和1．0MN壓力機上進行矯直，在24m立式空氣淬氣爐和12m臥式空氣循環時效爐中進行熱處理。
2 試驗結果與討論
2．1 材質選擇
為選擇可直接壓加成形、綜合性能優于或相當于不銹鋼，能滿足超高精度高檔電子機柜導軌使用要求的有色合金，本題課對鈦合金、銅、鋁合金以及不銹鋼的綜合性能進行了全面的對比分析。結果表明就力學性能而言，除了彈性模具E之外，鈦合金大部、銅合金(HAl60-1-1 BA113-3； BZnl5-24-1．5)、鋁合金(7A04；7A09；7175)均在可供選擇范圍之列[1.2]。但如考慮其綜合性能，則鈦合金、銅合金將因其導軌壓加性能差，生產成本高以及密度大，導軌較重而被排除，只有超硬鋁合金7A04等可基本符合要求。由于7A04合金的擠壓成形性能和抗蝕性能較好，生產量較大，故最終選擇7A04作為本課題的試驗材質。實踐證明，除了其彈性模量E偏低外，其它如抗拉強度、密度、壓加成形性能及生產成本均優于不銹鋼的。至于其E值偏低問題，完全可通過導軌“結構選擇”合理解決。英國某新型聲納電子機柜鋁合金導軌就是采用了加厚加寬導軌截面來提高其承載能力。
2．2 導軌成形方案選擇
為了選擇切實可行的加工成形方案，對目前導軌型材可能的生產及其特點進行了必要的比較和論證，詳見表1。
表1表明，薄板沖制，型材軋制難以形成R型導槽；超高壓靜液擠壓對于尺寸稍大的中、外導軌型材目前擠壓尚有困難；機械銑削費時費料，成本高昂；擠壓-拉伸雖然能確保型材的表面質量和尺寸精度，但其拉伸夾頭難以制作，生產費用也較高；對于擠壓-拉矯工藝，只要擠壓模具設計制造管理，擠壓工藝適宜，加上擠壓后必要的拉矯、精整，那么完全可以制出合乎使用要求的高強超高精度導軌型材。基于上述分析，最終選擇擠壓-拉矯工藝作為本課題選定的超硬鋁合金的加工成形方案。







2．3導軌結構選擇
導軌的載荷能力與其結構及使用條件密切相關。為實現采用有色合金導軌完全取代機加不銹鋼導軌的構想，鑒于已試驗成功的新型超硬鋁合金輕型導軌的明顯優勢，經雙方充分協商，增加了對重型超硬鋁合金導軌型材的研制內容(見圖2)，對重型導軌的結構及其型材的形狀、尺寸大小進行了重大改進；使導軌由傳統的三種型材組成改由兩種型材組成(即雙型材結構)，從而使其最小型材的尺寸明顯加大，此外，還適當增加了導軌型材的厚度，最大限度增加了導軌的截面積。實踐證明，這種修正不僅明顯提高了導軌的剛度和載荷能力，滿足了使用要求，而且還降低了導軌型材的生產難度，(中軌R槽由輕型的內、外配合面變成重型的單一外配合面)，從而實現了采用有色合金導軌完全取代機加不銹鋼導軌的預定目標。






2．4擠壓模具的制取
經過一系列擠壓比、擠壓力、模具強度計算[3]，以及充分考慮合金的擠壓性能、收縮率，模具的彈性變形以及擠壓后拉矯量等因素之后，決定采用圖3所示的模孔數及其平面布置方案以及圖4所示的模孔及其工作帶尺寸進行模具制作(精度高達-0.03mm)和擠壓試驗。擠壓結果見表2。表2表明，除了圖3(c)的模孔布置明顯不合理：模孔間距過近，模橋強度不夠；模孔對稱性差，金屬供應及流動不均勻等，因而在試擠L2型材時模子中間塌陷、堵裂外，其他型材模具工作正常。
據此，按圖3(b)方案重新制造L2型材模具。重試結果表明，該模具修改設計合理，工作正常。最后，本研究確定采用的五種導軌型材模具方案及其參數見表3。
2．5 擠壓工藝
為使擠壓過程順利進行，并確保型材質量，對擠壓力、擠壓速度、擠壓比進行了必要的選擇。在本試驗中，五種導軌型材的擠壓工藝結及結果見表2。表2進一步表明：①由于7A04合金的變形抗力高，擠壓成形性極差，加上型材壁厚變化劇烈，金屬流速極不均勻，因而，擠壓成形難度大，極易發生悶車、堵模現象，如L1-1；L2-1； L3-1三種型材試樣在第一周期工藝試驗中，在8．0MN擠壓機上試模時均產生悶車現象，流速僅達0．05m/min。對于L2-1試樣，更因其模孔布置不當導致擠壓模堵模、凹陷、壓裂等事故；②由于五種導軌型材的尺寸精度要求極高(約為國標高精度的數倍)，如擠壓溫度、速度、擠壓比控制不當，或模孔尺寸和工作帶設計、制造稍有偏差，都會導致型材斷面尺寸超差或嚴重刀彎、扭擰、不平、微裂等缺陷，見表2的W3-1、W3-3等。針對上述情況，在以后的一系列工藝試驗中，先后著重采取了如下措施：a．調大擠壓機噸位，b.重新設計制造L2-3型材模，并反復修理、調整其他型材模的尺寸和流速；c.優化擠壓工藝。最后，擠出了合乎工藝要求的擠坯。見表2的L1-3；L2-3；L3-3；W3-2等。







2．6精整工藝
精整主要由拉力矯、壓力矯及扭擰等工序組成，其中以拉力矯最為關鍵，它不僅要控制產品的形位公差，而且是控制尺寸精度的最后關卡。若此工序后的精度仍不能符合要求，型材只能報廢并最終導致成品率大幅度下降。因此，為確保產品的尺寸精度和成品率，必須抓好兩個環節：①在模具制造和擠壓時應確保留有1%-2%的拉矯量：②嚴格控制拉矯的拉力、速度及拉矯率，并隨時檢測型材的外廓尺寸，防止過拉導致報廢。同樣，對于因為少拉而使尺寸偏大者應堅持返工重拉。實踐表明，根據導軌外廓尺寸和R型導槽間距的相互關系，五種型材在拉矯過程中只要嚴格按照表4的外廓尺寸范圍控制，其R型導槽間的尺寸精度完全可滿足圖紙要求。
關于形位公差控制，除在拉力矯直機上粗矯外，仍須用壓力矯直機壓矯，并借助特制扳手及鋁質矯直工裝進行。
2．7 成品質量檢測及使用試驗結果
對成品的力學性能、尺寸精度、形位公差進行了檢測，并由用戶進行了使用試驗，成品導軌R導槽間距尺寸精度及其形位公差檢測結果見表5。力學性能檢測結果見表6。結果表明：本課題所提供的導軌型材表面光潔，尺寸精度、形位公差精確、裝配性能優良，滾珠滾動自如，力學性能、載荷能力與不銹鋼的相比毫不遜色，完全可取代機加不銹鋼導軌，實現以鋁代鋼，以壓加取代機加成形的預定目標。

3 結論
(1)采用擠壓-拉矯工藝制取超高精度7A04超硬鋁合金導軌系國內首次。其生產工藝合理、產品綜合性能優良，完全可滿足圖紙及使用要求。
(2)與機加不銹鋼導軌相比，新型超硬鋁合金“雙型材”導軌具有更大優越性，不僅重量輕，加工成本低，裝配性能優良，而且其載荷能力也毫不遜色，完全可取代前者，實現以鋁代鋼、以壓取代機加成形的預定目標。
(3)確保擠壓時模具性能優良，特別是加強拉矯過程中的質量控制，是提高導軌型材成品率的根本途徑。