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高强超高精度7A04超硬铝合金导轨型材的研制

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  高强超高精度导轨是高档电子机柜的重要组成部分。目前,国内导轨多采用薄钢板冲制,厚不锈钢板铣削,或采用2A12T4硬铝合金挤压精整而成。薄钢板冲制难以形成R形导槽;厚不锈钢板铣削机加量大,生产周期长,成本高;2A12T4硬铝合金挤压导轨则因其尺寸精度、形位公差低,需机加精整才能装配使用,加上其σb远低于钢材的,不能满足高档电子机柜导轨的需要。为此,根据中船总公司的委托开展本课题的研制。
  其主要技术指标如下:①材质状态:铜、铝等有色合金、T6状态;②力学性能;σb≥500MPa,HB≥150;③载荷能力:30~50kg;④抗蚀性能:耐海水盐雾腐蚀;⑤形状与尺寸:见图1及图2。
  1 试验方法与条件
  1.1 试验方法
  挤压-拉矫法。主要工艺流程如下:
  铸棒制备→挤压→淬火→拉矫→时效→尺寸精度检测→形位公差检测←→压矫→表面处理
  1.2 试验条件
  材料选用φ124mm× 320mm7A04超硬铝合金铸棒;在8.0和12.5MN水压机的平面模上进行挤压,挤压温度420~440℃,挤压速度为0.6~1.0m/min;在0.45MN拉矫机和1.0MN压力机上进行矫直,在24m立式空气淬气炉和12m卧式空气循环时效炉中进行热处理。
  2 试验结果与讨论
  2.1 材质选择
  为选择可直接压加成形、综合性能优于或相当于不锈钢,能满足超高精度高档电子机柜导轨使用要求的有色合金,本题课对钛合金、铜、铝合金以及不锈钢的综合性能进行了全面的对比分析。结果表明就力学性能而言,除了弹性模具E之外,钛合金大部、铜合金(HAl60-1-1 BA113-3; BZnl5-24-1.5)、铝合金(7A04;7A09;7175)均在可供选择范围之列[1.2]。但如考虑其综合性能,则钛合金、铜合金将因其导轨压加性能差,生产成本高以及密度大,导轨较重而被排除,只有超硬铝合金7A04等可基本符合要求。由于7A04合金的挤压成形性能和抗蚀性能较好,生产量较大,故最终选择7A04作为本课题的试验材质。实践证明,除了其弹性模量E偏低外,其它如抗拉强度、密度、压加成形性能及生产成本均优于不锈钢的。至于其E值偏低问题,完全可通过导轨“结构选择”合理解决。英国某新型声纳电子机柜铝合金导轨就是采用了加厚加宽导轨截面来提高其承载能力。
  2.2 导轨成形方案选择
  为了选择切实可行的加工成形方案,对目前导轨型材可能的生产及其特点进行了必要的比较和论证,详见表1。
  表1表明,薄板冲制,型材轧制难以形成R型导槽;超高压静液挤压对于尺寸稍大的中、外导轨型材目前挤压尚有困难;机械铣削费时费料,成本高昂;挤压-拉伸虽然能确保型材的表面质量和尺寸精度,但其拉伸夹头难以制作,生产费用也较高;对于挤压-拉矫工艺,只要挤压模具设计制造管理,挤压工艺适宜,加上挤压后必要的拉矫、精整,那么完全可以制出合乎使用要求的高强超高精度导轨型材。基于上述分析,最终选择挤压-拉矫工艺作为本课题选定的超硬铝合金的加工成形方案。
  2.3导轨结构选择
  导轨的载荷能力与其结构及使用条件密切相关。为实现采用有色合金导轨完全取代机加不锈钢导轨的构想,鉴于已试验成功的新型超硬铝合金轻型导轨的明显优势,经双方充分协商,增加了对重型超硬铝合金导轨型材的研制内容(见图2),对重型导轨的结构及其型材的形状、尺寸大小进行了重大改进;使导轨由传统的三种型材组成改由两种型材组成(即双型材结构),从而使其最小型材的尺寸明显加大,此外,还适当增加了导轨型材的厚度,最大限度增加了导轨的截面积。实践证明,这种修正不仅明显提高了导轨的刚度和载荷能力,满足了使用要求,而且还降低了导轨型材的生产难度,(中轨R槽由轻型的内、外配合面变成重型的单一外配合面),从而实现了采用有色合金导轨完全取代机加不锈钢导轨的预定目标。
  2.4挤压模具的制取
  经过一系列挤压比、挤压力、模具强度计算[3],以及充分考虑合金的挤压性能、收缩率,模具的弹性变形以及挤压后拉矫量等因素之后,决定采用图3所示的模孔数及其平面布置方案以及图4所示的模孔及其工作带尺寸进行模具制作(精度高达-0.03mm)和挤压试验。挤压结果见表2。表2表明,除了图3(c)的模孔布置明显不合理:模孔间距过近,模桥强度不够;模孔对称性差,金属供应及流动不均匀等,因而在试挤L2型材时模子中间塌陷、堵裂外,其他型材模具工作正常。
  据此,按图3(b)方案重新制造L2型材模具。重试结果表明,该模具修改设计合理,工作正常。最后,本研究确定采用的五种导轨型材模具方案及其参数见表3。
  2.5 挤压工艺
  为使挤压过程顺利进行,并确保型材质量,对挤压力、挤压速度、挤压比进行了必要的选择。在本试验中,五种导轨型材的挤压工艺结及结果见表2。表2进一步表明:①由于7A04合金的变形抗力高,挤压成形性极差,加上型材壁厚变化剧烈,金属流速极不均匀,因而,挤压成形难度大,极易发生闷车、堵模现象,如L1-1;L2-1; L3-1三种型材试样在第一周期工艺试验中,在8.0MN挤压机上试模时均产生闷车现象,流速仅达0.05m/min。对于L2-1试样,更因其模孔布置不当导致挤压模堵模、凹陷、压裂等事故;②由于五种导轨型材的尺寸精度要求极高(约为国标高精度的数倍),如挤压温度、速度、挤压比控制不当,或模孔尺寸和工作带设计、制造稍有偏差,都会导致型材断面尺寸超差或严重刀弯、扭拧、不平、微裂等缺陷,见表2的W3-1、W3-3等。针对上述情况,在以后的一系列工艺试验中,先后着重采取了如下措施:a.调大挤压机吨位,b.重新设计制造L2-3型材模,并反复修理、调整其他型材模的尺寸和流速;c.优化挤压工艺。最后,挤出了合乎工艺要求的挤坯。见表2的L1-3;L2-3;L3-3;W3-2等。
  2.6精整工艺
  精整主要由拉力矫、压力矫及扭拧等工序组成,其中以拉力矫最为关键,它不仅要控制产品的形位公差,而且是控制尺寸精度的最后关卡。若此工序后的精度仍不能符合要求,型材只能报废并最终导致成品率大幅度下降。因此,为确保产品的尺寸精度和成品率,必须抓好两个环节:①在模具制造和挤压时应确保留有1%-2%的拉矫量:②严格控制拉矫的拉力、速度及拉矫率,并随时检测型材的外廓尺寸,防止过拉导致报废。同样,对于因为少拉而使尺寸偏大者应坚持返工重拉。实践表明,根据导轨外廓尺寸和R型导槽间距的相互关系,五种型材在拉矫过程中只要严格按照表4的外廓尺寸范围控制,其R型导槽间的尺寸精度完全可满足图纸要求。
  关于形位公差控制,除在拉力矫直机上粗矫外,仍须用压力矫直机压矫,并借助特制扳手及铝质矫直工装进行。
  2.7 成品质量检测及使用试验结果
  对成品的力学性能、尺寸精度、形位公差进行了检测,并由用户进行了使用试验,成品导轨R导槽间距尺寸精度及其形位公差检测结果见表5。力学性能检测结果见表6。结果表明:本课题所提供的导轨型材表面光洁,尺寸精度、形位公差精确、装配性能优良,滚珠滚动自如,力学性能、载荷能力与不锈钢的相比毫不逊色,完全可取代机加不锈钢导轨,实现以铝代钢,以压加取代机加成形的预定目标。
  3 结论
  (1)采用挤压-拉矫工艺制取超高精度7A04超硬铝合金导轨系国内首次。其生产工艺合理、产品综合性能优良,完全可满足图纸及使用要求。
  (2)与机加不锈钢导轨相比,新型超硬铝合金“双型材”导轨具有更大优越性,不仅重量轻,加工成本低,装配性能优良,而且其载荷能力也毫不逊色,完全可取代前者,实现以铝代钢、以压取代机加成形的预定目标。
  (3)确保挤压时模具性能优良,特别是加强拉矫过程中的质量控制,是提高导轨型材成品率的根本途径。————文章来源于网络,若有侵权请联系删除。


更新日期:2018-01-17

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