一、前言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟的發(fā)展及人民生活水平的提高，各種鋁合金擠壓材在航空航天、交通運輸?shù)炔块T廣泛應(yīng)用，特別是在飛機和航天器材上成為輕量化首選材料。目前，鋁合金在民用飛機結(jié)構(gòu)上用量為70%-80%。

二、直升旋翼機簡介

旋翼機的旋翼依靠前方來流吹動始終處于自轉(zhuǎn)狀態(tài)，因而一旦發(fā)動機空中停車，可以直接依靠旋翼自轉(zhuǎn)著陸，而直升機旋翼還需要一個轉(zhuǎn)入自轉(zhuǎn)的過程，所以旋翼機沒有直升機的低速回避區(qū)，安全性更好。旋翼機由于其旋翼自轉(zhuǎn)，沒有自發(fā)動機至旋翼的減速和傳動裝置也不需要平衡旋翼反扭矩的尾槳，因而結(jié)構(gòu)大大簡化。

圖1：鋁合金直升旋翼機

現(xiàn)代自轉(zhuǎn)旋翼飛行器采用旋翼預(yù)轉(zhuǎn)技術(shù)，起飛前通過簡單傳動裝置將旋翼預(yù)先驅(qū)轉(zhuǎn)，然后通過離合器切斷傳動鏈路后起飛，使得它可以跳躍式或超短距起飛（起飛距離0～30m）；自轉(zhuǎn)旋翼飛行器降落時，通過操縱旋翼錐體后傾，可實現(xiàn)點式著陸，不需要專用機場。因而近十幾年來，直升旋翼機再次成為航空領(lǐng)域關(guān)注的熱點。

三．旋翼片介紹

旋翼機的旋翼片主要給旋翼機提供升力，是一個高速旋轉(zhuǎn)的部件，因此對旋翼材料的抗拉強度、屈服強度和疲勞強度都有很高的要求。國外的旋翼片主要有復(fù)合材料制作（意大利Magni、西班牙Ela）和鋁型材擠壓（德國Autogyro、法國Averso）兩種工藝。復(fù)合材料旋翼生產(chǎn)周期長、成本高，優(yōu)勢在于無疲勞壽命，鋁合金擠壓旋翼片具有質(zhì)輕高強度高性能，生產(chǎn)效率高和成本低的優(yōu)勢。

圖2：直升機旋翼片鋁型材截面示意圖

四．旋翼性能要求

我們對國外擠壓旋翼進(jìn)行了分析研究。德國Autogyro公司旋翼寬度198mm,使用6005A-T6鋁合金進(jìn)行擠壓，抗拉強度265Mpa,屈服強度230Mpa,硬度15HW，延伸率≥8%。法國Averso公司旋翼寬度216 mm,使用6106-T6鋁合金進(jìn)行擠壓,強度高于6063-T6，低于6005A-T6。6061-T6強度高于6005A-T6，并且6061鋁合金也是擠壓常備棒材，結(jié)合旋翼強度要求，我們選擇6061合金進(jìn)行擠壓。

旋翼片各項指標(biāo)要求：

1、擠壓執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GJB 2507A-2008 航空航天用鋁合金擠壓型材規(guī)范

2、力學(xué)性能：抗拉強度Rm≥265Mpa,非比例延伸強度Rp0.2≥260Mpa,斷后伸長率≥8%。

３、表面處理：陽極氧化和氟碳噴涂。

此次擠壓旋翼給我們帶來了巨大的挑戰(zhàn)。首先，6061鋁合金硬度大于6005A和6063，擠壓難度高。T6狀態(tài)要用強風(fēng)和水霧冷卻，產(chǎn)品變形量大，成品率底。其次，從旋翼結(jié)構(gòu)分析，旋翼寬度216mm,厚度26mm,每根長度4米。旋翼前緣厚，25%之后壁厚變得很薄，只有1.5mm，大大超出了擠壓工藝100:1的寬厚比，這給模具制作和擠壓工藝帶來了很大難度。

目前國內(nèi)外還沒有使用6061-T6生產(chǎn)的自轉(zhuǎn)旋翼機旋翼，因此我們決定挑戰(zhàn)這一世界高度。

六．生產(chǎn)過程控制

在初期生產(chǎn)過程中型材出現(xiàn)周期性鋸齒、扭彎和波浪等現(xiàn)象。針對以上出現(xiàn)的質(zhì)量問題，經(jīng)公司生產(chǎn)總經(jīng)理和總工程師指導(dǎo)，結(jié)合技術(shù)團隊，專題研討做出以下方案來生產(chǎn)。

1.優(yōu)化模具設(shè)計，保證工模具維修品質(zhì)。

模具對實現(xiàn)整個擠壓過程起著十分重要的意義，是保證產(chǎn)品成型，具有正確形狀，尺寸和精度的基本工具。

在設(shè)計模具時，盡量使各部分受力均勻，要避免尖角、凹角和壁厚差懸殊，以免產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中，引起熱處理變形、開裂和使用過程中脆性破裂。

模具鋼材選用耐高溫，具有高強度、高韌性、高耐磨、高抗疲勞度，包括淬透性良好的鋼材，并做好模具熱處理來保證模具韌性和屈服強度。

模具維修增加導(dǎo)流和阻流，合理設(shè)計分流孔和橋部結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)金屬的流量。

2.設(shè)備、裝置的調(diào)整

擠壓桿、擠壓筒、模座三點中心位對中，嚴(yán)禁中心位不對中進(jìn)行生產(chǎn)。我公司在以下情況下會對擠壓機的中心位進(jìn)行調(diào)整：

①每擠壓一定時間后；

②對擠壓機相關(guān)設(shè)備檢修之后；

③擠壓機升溫前與升溫后。會對加熱前與加熱后的中心位進(jìn)行對比，查看是否偏移以及偏移的程。

調(diào)整中心位時，將所調(diào)整的數(shù)據(jù)記錄存檔、分析，以提高一次調(diào)整成功的合格率，減少時間及人力、物力的浪費。

3.鑄錠均勻化處理

6061合金鑄錠進(jìn)行高溫均勻化處理，目的是消除或減少晶內(nèi)偏析，提高材料熱變形和冷變形的能力，改善制品的力學(xué)性能，消除凝固時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使鑄錠具有較大的化學(xué)和組織均一性。

均質(zhì)工藝為560℃±10℃保溫4小時。出爐后快速冷卻至室溫。

4.溫度和速度調(diào)節(jié)

生產(chǎn)方式為高溫低速擠壓，鋁棒采用工頻感應(yīng)爐加熱來實現(xiàn)每條棒梯度加熱。從棒前端到棒后端的溫度逐漸降低，前端與后端的溫度相差50℃。擠壓筒的實際溫度控制在430—450℃，模具的實際溫度控制在470—490℃。為了保證出料口溫度控制在520℃--535℃，擠壓的出料速度控制在10—15米/分鐘。

擠壓生產(chǎn)過程中，及時對鋁棒以及擠壓機出口溫度進(jìn)行測量，合理地選擠壓速度，確保工藝參數(shù)在所要求的范圍內(nèi)。并根據(jù)機臺不同留有合適的壓余量，保證了型材的內(nèi)在質(zhì)量。

5.精密在線淬火

6061-T6合金要達(dá)到高的力學(xué)性能，我們公司采用智能化數(shù)控在線淬火設(shè)備，具備滿足各種不同截面形狀所需要的冷卻強度的差異性調(diào)節(jié)，很好的解決型材的冷卻變形問題。

6.擠壓型材的牽引

生產(chǎn)時使用先進(jìn)的直線式雙頭牽引機牽引。工作時牽引車上鉗口咬著型材前端，并保持與型材一定的拉力，且自動地與擠壓機的擠出速度實現(xiàn)同步，把型材從模腔中平直地引出，免得各擠壓型材的長度參差不齊，防止型材懸掛、扭曲，從而提高型材的成材率和表面質(zhì)量；以一定的張力牽引型材，使型材在張力下冷卻，減少變形，使多根擠壓時金屬流動均勻，單根型材擠壓時幫助使模具定徑帶處金屬流動慢的部位加快，整個截面上金屬流動均勻。保證了型材的力學(xué)性能均勻，表面質(zhì)量良好。

7.拉伸矯直

拉伸率控制在1.5%—2.5%。選用操作熟練的員工作為前拉伸手，能使其根據(jù)鋁型材的不同而進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦途嚯x的調(diào)整。根據(jù)型材橫截面積的不同，設(shè)計專用的仿形墊塊，防止型材在拉伸時由于受力不均而造成的型材頭尾彎曲、幾何尺寸等缺陷，確保了型材的力學(xué)性能穩(wěn)定。

七、時效工藝

在實際生產(chǎn)中，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，當(dāng)6061鋁棒溫度控制在510~520℃之間，時效溫度控制在175℃，保溫時間8h時，能得到較好力學(xué)性能的型材。而擠壓后的冷卻速度直接影響著型材的力學(xué)性能，冷卻太慢往往會造成強度達(dá)不到要求，而且在現(xiàn)在生產(chǎn)中，要根據(jù)型材的不同截面適當(dāng)調(diào)整擠壓工藝參數(shù)，比如比較薄的就應(yīng)該降低擠壓速度、降低棒溫，遇到壁厚較厚的型材，應(yīng)該適當(dāng)升高棒溫，加大冷卻系統(tǒng)的作用，這樣才能保證擠壓固溶后，能夠得到過飽和的固溶體，不至于在現(xiàn)場冷卻速度跟不上，從而導(dǎo)致強化物Mg2Si不能完全固溶于鋁基體中。冷速太快，往往會使得型材中有較大的殘余應(yīng)力，從而變得很脆，其延伸率達(dá)不到國標(biāo)要求。

由于固溶處理得到的過飽和固溶體都是具有高能量狀態(tài)的亞穩(wěn)相,只要可能(如加熱到一定溫度或室溫保持較長時間),它就會向較低能量的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化,從而形成穩(wěn)態(tài)相,而這種轉(zhuǎn)化是通過過飽和固溶體的分解而實現(xiàn)的,所以固溶處理后通常要進(jìn)行室溫或加熱條件使過飽和固溶體分解的熱處理即時效處理時效的強化效果主要取決于淬火得到的過飽和固溶體的濃度及時效制度有關(guān)系。過飽和固溶體的濃度越高，則時效強化效果越好；時效溫度越高，則時效強度達(dá)到峰值的速率越快，但往往在達(dá)到峰值后，如果繼續(xù)時效，其軟化的速度也更快，所以說，時效不是溫度越高，時間越久越好，如人工時效，當(dāng)制品達(dá)到強度峰值后，如果繼續(xù)延長時效時間，強度不但不會提升，反而會下降。這就是所謂的過時效。所以說，溫度與時間的合理匹配，才能取得最佳的時效強化效果。

6061-T6工藝控制參數(shù)為175℃保溫8小時，某些鋁合金制品，淬火和人工時效間的間隔時間對時效效果也有一定的影響，這就是所謂的 停放效應(yīng) ，如果在淬火后停放24h以后再去時效，其強度值將明顯低于立即時效獲得的強化效果。因此，對于具有停放效應(yīng)的鋁合金制品，應(yīng)盡可能地縮短淬火與時效間的間隔時間。

八．表面處理工藝

旋翼片常年處于高溫與低溫交替變化，要求具有很高的防腐、抗紫外線能力和一定的表面硬度。我們根據(jù)客戶要求，選擇陽極氧化和氟碳漆噴涂兩種表面處理工藝。

1、陽極氧化采用中溫封孔陽極氧化，膜厚25μm。

2、氟碳噴涂具有優(yōu)異的抗褪色性、抗起霜性、抗大氣污染(酸雨等)的耐腐蝕性，抗紫外線能力強，抗裂性強以及能夠承受惡劣天氣環(huán)境。氟碳噴涂采用三涂，平均膜厚≥40μm。

九．結(jié)束語

本文結(jié)合生產(chǎn)實際，對直升機高強度鋁合金旋翼片的生產(chǎn)過程進(jìn)行了研究分析，對擠壓、在線淬火、時效、表面處理等關(guān)鍵工序的控制點進(jìn)行了探討，提出了相應(yīng)的防止措施

在執(zhí)行以上工藝后，我公司成功做出高強度直升機旋翼片，客戶使用滿意度較高。

隨著高精度型材的不斷研發(fā)， 我公司在生產(chǎn)過程中，會繼續(xù)確保持設(shè)備運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，先進(jìn)生產(chǎn)工藝和人員操作標(biāo)準(zhǔn)化相結(jié)合，質(zhì)量檢驗不放松，生產(chǎn)出更多質(zhì)量合格穩(wěn)定、客戶滿意的產(chǎn)品。