一、前言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)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(yùn)輸?shù)炔块T廣泛應(yīng)用，特別是在飛機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)上用量為70%-80%。

二、直升旋翼機(jī)簡(jiǎn)介

旋翼機(jī)的旋翼依靠前方來(lái)流吹動(dòng)始終處于自轉(zhuǎn)狀態(tài)，因而一旦發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車，可以直接依靠旋翼自轉(zhuǎn)著陸，而直升機(jī)旋翼還需要一個(gè)轉(zhuǎn)入自轉(zhuǎn)的過(guò)程，所以旋翼機(jī)沒(méi)有直升機(jī)的低速回避區(qū)，安全性更好。旋翼機(jī)由于其旋翼自轉(zhuǎn)，沒(méi)有自發(fā)動(dòng)機(jī)至旋翼的減速和傳動(dòng)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(jiǎn)化。

圖1：鋁合金直升旋翼機(jī)

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(guò)簡(jiǎn)單傳動(dòng)裝置將旋翼預(yù)先驅(qū)轉(zhuǎn)，然后通過(guò)離合器切斷傳動(dòng)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(shí)，通過(guò)操縱旋翼錐體后傾，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式著陸，不需要專用機(jī)場(chǎng)。因而近十幾年來(lái)，直升旋翼機(jī)再次成為航空領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。

三．旋翼片介紹

旋翼機(jī)的旋翼片主要給旋翼機(jī)提供升力，是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的部件，因此對(duì)旋翼材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都有很高的要求。國(guó)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(guó)Autogyro、法國(guó)Averso）兩種工藝。復(fù)合材料旋翼生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高，優(yōu)勢(shì)在于無(wú)疲勞壽命，鋁合金擠壓旋翼片具有質(zhì)輕高強(qiáng)度高性能，生產(chǎn)效率高和成本低的優(yōu)勢(shì)。

圖2：直升機(jī)旋翼片鋁型材截面示意圖

四．旋翼性能要求

我們對(duì)國(guó)外擠壓旋翼進(jìn)行了分析研究。德國(guó)Autogyro公司旋翼寬度198mm,使用6005A-T6鋁合金進(jìn)行擠壓，抗拉強(qiáng)度265Mpa,屈服強(qiáng)度230Mpa,硬度15HW，延伸率≥8%。法國(guó)Averso公司旋翼寬度216 mm,使用6106-T6鋁合金進(jìn)行擠壓,強(qiáng)度高于6063-T6，低于6005A-T6。6061-T6強(qiáng)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(qiáng)度要求，我們選擇6061合金進(jìn)行擠壓。

旋翼片各項(xiàng)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(qiáng)度Rm≥265Mpa,非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2≥260Mpa,斷后伸長(zhǎng)率≥8%。

３、表面處理：陽(yáng)極氧化和氟碳噴涂。

此次擠壓旋翼給我們帶來(lái)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(qiáng)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(zhǎng)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(lái)了很大難度。

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

六．生產(chǎn)過(guò)程控制

在初期生產(chǎn)過(guò)程中型材出現(xiàn)周期性鋸齒、扭彎和波浪等現(xiàn)象。針對(duì)以上出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)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(tuán)隊(duì)，專題研討做出以下方案來(lái)生產(chǎn)。

1.優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，保證工模具維修品質(zhì)。

模具對(duì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)擠壓過(guò)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(jì)模具時(shí)，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(guò)大的應(yīng)力集中，引起熱處理變形、開(kāi)裂和使用過(guò)程中脆性破裂。

模具鋼材選用耐高溫，具有高強(qiáng)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(lái)保證模具韌性和屈服強(qiáng)度。

模具維修增加導(dǎo)流和阻流，合理設(shè)計(jì)分流孔和橋部結(jié)構(gòu)來(lái)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(diǎn)中心位對(duì)中，嚴(yán)禁中心位不對(duì)中進(jìn)行生產(chǎn)。我公司在以下情況下會(huì)對(duì)擠壓機(jī)的中心位進(jìn)行調(diào)整：

①每擠壓一定時(shí)間后；

②對(duì)擠壓機(jī)相關(guān)設(shè)備檢修之后；

③擠壓機(jī)升溫前與升溫后。會(huì)對(duì)加熱前與加熱后的中心位進(jìn)行對(duì)比，查看是否偏移以及偏移的程。

調(diào)整中心位時(shí)，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(shí)間及人力、物力的浪費(fèi)。

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(shí)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(shí)。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(lái)實(shí)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(shí)際溫度控制在430—450℃，模具的實(shí)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(guò)程中，及時(shí)對(duì)鋁棒以及擠壓機(jī)出口溫度進(jìn)行測(cè)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(jī)臺(tái)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(qiáng)度的差異性調(diào)節(jié)，很好的解決型材的冷卻變形問(wèn)題。

6.擠壓型材的牽引

生產(chǎn)時(shí)使用先進(jìn)的直線式雙頭牽引機(jī)牽引。工作時(shí)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(dòng)地與擠壓機(jī)的擠出速度實(shí)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(zhǎng)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(shí)金屬流動(dòng)均勻，單根型材擠壓時(shí)幫助使模具定徑帶處金屬流動(dòng)慢的部位加快，整個(gè)截面上金屬流動(dòng)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(jì)專用的仿形墊塊，防止型材在拉伸時(shí)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(shí)效工藝

在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)6061鋁棒溫度控制在510~520℃之間，時(shí)效溫度控制在175℃，保溫時(shí)間8h時(shí)，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(huì)造成強(qiáng)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(guò)飽和的固溶體，不至于在現(xiàn)場(chǎng)冷卻速度跟不上，從而導(dǎo)致強(qiáng)化物Mg2Si不能完全固溶于鋁基體中。冷速太快，往往會(huì)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(guó)標(biāo)要求。

由于固溶處理得到的過(guò)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(zhǎng)時(shí)間),它就會(huì)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(guò)過(guò)飽和固溶體的分解而實(shí)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(guò)飽和固溶體分解的熱處理即時(shí)效處理時(shí)效的強(qiáng)化效果主要取決于淬火得到的過(guò)飽和固溶體的濃度及時(shí)效制度有關(guān)系。過(guò)飽和固溶體的濃度越高，則時(shí)效強(qiáng)化效果越好；時(shí)效溫度越高，則時(shí)效強(qiáng)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(shí)效，其軟化的速度也更快，所以說(shuō)，時(shí)效不是溫度越高，時(shí)間越久越好，如人工時(shí)效，當(dāng)制品達(dá)到強(qiáng)度峰值后，如果繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間，強(qiáng)度不但不會(huì)提升，反而會(huì)下降。這就是所謂的過(guò)時(shí)效。所以說(shuō)，溫度與時(shí)間的合理匹配，才能取得最佳的時(shí)效強(qiáng)化效果。

6061-T6工藝控制參數(shù)為175℃保溫8小時(shí)，某些鋁合金制品，淬火和人工時(shí)效間的間隔時(shí)間對(duì)時(shí)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(shí)效，其強(qiáng)度值將明顯低于立即時(shí)效獲得的強(qiáng)化效果。因此，對(duì)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(shí)效間的間隔時(shí)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(yáng)極氧化和氟碳漆噴涂?jī)煞N表面處理工藝。

1、陽(yáng)極氧化采用中溫封孔陽(yáng)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(qiáng)，抗裂性強(qiáng)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(yǔ)

本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)直升機(jī)高強(qiáng)度鋁合金旋翼片的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了研究分析，對(duì)擠壓、在線淬火、時(shí)效、表面處理等關(guān)鍵工序的控制點(diǎn)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(qiáng)度直升機(jī)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(guò)程中，會(huì)繼續(xù)確保持設(shè)備運(yùn)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(yàn)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。