成果介紹:旋翼飛機用槳葉鋁型材生產(chǎn)的最新工藝
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作者：徐謙
隨著鋁合金新材料、新加工技術(shù)以及科學(xué)技術(shù)的不斷進步，鋁型材在航空領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展，飛機大梁、肋、桁條、起落架等都有用鋁型材制造的。據(jù)文獻報道，2A11和2A12鋁合金由于其強度、硬度大，易加工，塑性、韌性高等優(yōu)點，滿足飛機螺旋槳的工作要求，已經(jīng)被用于生產(chǎn)飛機螺旋槳。錢偉對自轉(zhuǎn)旋翼飛行器槳葉優(yōu)化設(shè)計進行了研究，對槳葉結(jié)構(gòu)、用材及加工方式的發(fā)展歷程進行了綜合介紹，為進一步探索自轉(zhuǎn)旋翼機的槳葉結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了創(chuàng)新性思路和方法。傳統(tǒng)的槳葉生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，制造成本高。國外已實現(xiàn)了小型旋翼飛機用槳葉鋁型材的應(yīng)用，大大降低了生產(chǎn)成本，國內(nèi)某生產(chǎn)旋翼飛機的公司一直在國外采購槳葉鋁型材。但目前為止，未查到國內(nèi)采用一體擠壓成型生產(chǎn)旋翼飛機槳葉鋁型材的相關(guān)報道。山東南山鋁業(yè)股份有限公司下屬的南山鋁材公司與國內(nèi)某公司多次商談后，確定了對小型飛機旋翼槳葉用鋁型材的研發(fā)項目，經(jīng)過試制，成功生產(chǎn)出了合格的槳葉鋁型材產(chǎn)品。本文對槳葉結(jié)構(gòu)及選材、槳葉鋁型材生產(chǎn)難點、生產(chǎn)工藝流程和試制過程等方面進行介紹，總結(jié)了成功生產(chǎn)槳葉鋁型材的工藝制度。
1 旋翼槳葉結(jié)構(gòu)及其選材
旋翼槳葉為細長形，它在高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)工作，其槳尖速度多在200 m/s以上，承受很大的離心力，同時承受交變氣動力，處于復(fù)雜受力狀態(tài)。因此，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料性能提出了較高的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計上，旋翼槳葉橫斷面多為前緣實而重、后緣薄而輕的非對稱閉合載荷梁。圖1所示為按照大梁的構(gòu)造來劃分幾種典型的旋翼槳葉斷面結(jié)構(gòu)，按照斷面空腔數(shù)量分別稱為單閉腔、雙閉腔和多閉腔。
佟剛詳細分析了復(fù)合材料在旋翼機槳葉上的應(yīng)用前景，并總結(jié)了旋翼飛機槳葉結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。在槳葉用材方面，錢偉對直升機用旋翼槳葉結(jié)構(gòu)和用材的發(fā)展歷程進行了總結(jié)，據(jù)文中所述，槳葉用材體系經(jīng)過了鋼木混合結(jié)構(gòu)槳葉、金屬槳葉、玻璃鋼復(fù)合材料槳葉、新型復(fù)合材料槳葉等發(fā)展過程，隨著新材料的更新?lián)Q代，槳葉的平均壽命從600 h提升到無限壽命。
旋翼槳葉在工作過程中處于不斷與空氣摩擦狀態(tài)，鋁合金良好的導(dǎo)熱性，能夠及時傳導(dǎo)飛行中產(chǎn)生的熱量。而且鋁合金經(jīng)陽極氧化表面處理后，表面形成一層較厚的致密氧化膜，該膜具有耐蝕性好、有機涂層附著力強、硬度和耐磨性高、高電阻絕緣等特點，適用于飛機旋翼的工作環(huán)境。因此，通過合理設(shè)計槳葉斷面，選擇鋁合金材料作為槳葉材質(zhì)是完全可行的。
從圖1中可以看出，多管梁結(jié)構(gòu)槳葉若采用多管梁、蒙皮、填芯、后緣條組合的傳統(tǒng)工藝成形，工藝復(fù)雜，制造難度大且費用高。采用鋁合金一體成形擠壓工藝，將避免復(fù)雜的組裝成型工藝，大幅度縮短生產(chǎn)周期并降低生產(chǎn)費用。但據(jù)相關(guān)資料顯示，只有D型梁結(jié)構(gòu)槳葉中D的形梁采用鋁合金擠壓成形的先例，未見有旋翼槳葉采用鋁合金一體擠壓成型的成功案例，因此這對擠壓技術(shù)是一個較大的考驗。
客戶提供的槳葉斷面圖中，槳葉前緣兩個小圓孔不相連�？紤]到模具壽命問題，與客戶協(xié)商后，對斷面圖進行了優(yōu)化，即將兩圓孔打通，詳細斷面如圖2所示。從圖中可以看出槳葉為多空腔不規(guī)則型材，且內(nèi)腔尺寸較小。綜合考慮性能要求、擠壓加工工藝性、陽極氧化工藝性等因素，槳葉鋁型材合金及狀態(tài)定為6005A-T6較為合理。該合金具有中等強度，而且具有優(yōu)良的可擠壓性、耐蝕性及表面處理性能，可擠壓出斷面形狀復(fù)雜的薄壁空心型材，并能在擠壓機上實現(xiàn)在線風(fēng)冷或水霧冷淬火，它已廣泛應(yīng)用于軌道交通用車體材料的擠壓生產(chǎn)。
2 生產(chǎn)難點分析與工藝流程制定
2.1 擠壓模具設(shè)計與修整
根據(jù)圖2所示槳葉斷面形狀及尺寸，共包括5個不同形狀和尺寸的空腔，最小圓孔空腔直徑為6.4mm，空腔周壁壁厚最薄達1.63 mm，且具有樣條曲線不規(guī)則外形，尺寸公差執(zhí)行GB 5237.1- 2008高精級標(biāo)準(zhǔn)。在擠壓過程中，模芯間存在壓力差，模芯在不同方向的受力和彈性變形將會不一致，容易導(dǎo)致模芯偏心，造成模具報廢。該型材所用模具需要5
個模芯，模芯形狀各異且數(shù)量較多，無疑會增大模芯偏心幾率，大大降低模具壽命。因此，從形位尺寸及公差分析，擠壓該型材的模具無論是在設(shè)計上還是加工制造上都有一定難度。
另外，該型材為多空腔型材，必然存在多條焊合線，需要合理設(shè)計焊合室和工作帶長度，并進行多次模具修整與試模，才能保證焊合質(zhì)量。
2.2擠壓工藝
6005A鋁合金在軌道交通車體型材上的應(yīng)用較為普遍，多為大斷面、多空腔薄壁鋁型材。我公司在車體型材擠壓工藝方面，已有較為豐富的經(jīng)驗。制定槳葉型材試制擠壓工藝時，主要考慮保證型材能正常擠出且滿足在線淬火要求，并通過調(diào)整擠壓溫度和速度配合模具減輕焊合線。
2.3熱處理工藝
該型材狀態(tài)為T6狀態(tài)，需要淬火后進行人工時效熱處理�？紤]到型材最大壁厚不超過4.5 mm，可實現(xiàn)在線淬火，但需要在配備有在線水霧冷淬火裝置的擠壓機臺上試制。人工時效工藝方面，需要考慮力學(xué)性能和氧化表面質(zhì)量的要求，合理制定時效工藝制度。
2.4陽極氧化工藝
按照客戶要求，槳葉鋁型材需通過陽極氧化處理，使氧化膜厚度達到25μm以上。但目前我公司氧化生產(chǎn)線主要是生產(chǎn)膜厚在23μm以下的6063鋁合金建筑型材。生產(chǎn)膜厚25μm以上的6005A鋁合金型材的經(jīng)驗不多，且氧化處理方式為硫酸陽極氧化，槽液對氧化膜的溶解性高，工藝不易控制，需要合理調(diào)整槽液濃度、氧化時間等參數(shù)進行大量試驗摸索工藝參數(shù)。
2.5試制工藝流程
通過以上分析，初步確定了型材的試制工藝流程，見圖3所示。
圖3所示首檢環(huán)節(jié)主要是檢查型材形位尺寸、表面質(zhì)量、曲面間隙、焊合口顯微組織是否符合要求，若不符合要求通過修模和調(diào)整擠壓工藝參數(shù)后重新擠壓，直至符合技術(shù)要求。時效完后樣品進行合金成分、力學(xué)性能測試，如果出現(xiàn)不合格，根據(jù)記錄的試制工藝參數(shù)分析原因，重新進行擠壓或時效。時效后力學(xué)性能合格的樣件，轉(zhuǎn)入氧化工序試驗陽極氧化工藝，通過測量膜厚和檢驗表面質(zhì)量確定是否符合技術(shù)要求。
3 試制過程中出現(xiàn)的問題及解決措施
3.1試制工藝參數(shù)
按照確定的工藝流程，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗，制定了該型材試制生產(chǎn)工藝，見表1。
氧化工藝流程與一般氧化型材生產(chǎn)流程相同，但對陽極氧化槽工序中的電流密度和處理時間進行了調(diào)整，以滿足膜厚要求。
3.2試制中出現(xiàn)的問題與解決方案
在試制過程中，出現(xiàn)的主要問題是試模次數(shù)多，氧化后表面存在黑線和色差。
3.2.1擠壓和時效工藝
由于型材斷面復(fù)雜，對模具設(shè)計和修整技術(shù)要求高，需要多次進行試模和修模。修模的核心工作是通過微調(diào)工作帶長度或模具局部結(jié)構(gòu)，使金屬在型材橫截面各處流速基本一致，并符合尺寸公差要求，達到擠壓時平穩(wěn)出料。由于型材模具芯頭多，型材壁較薄，金屬流動阻力大。為降低試模過程中模具受力，首先使用變形抗力較6005A鋁合金低的6063鋁合金試模，鑄錠上機溫度按表1中降低10℃執(zhí)行。經(jīng)三次試模，先后針對堵模、薄壁側(cè)卷曲、曲面手感問題進行了修模，直至6063鋁合金出料平穩(wěn)合格。換為擠壓6005A鋁合金后，出現(xiàn)出料不成形、側(cè)彎等問題。針對在線淬火冷卻側(cè)彎問題，經(jīng)分析，‘主要是冷卻強度分布不合理，導(dǎo)致壁厚差較大的前緣和后緣冷速差別大，從而出現(xiàn)側(cè)彎。通過在壁厚較大的前緣處添加壓縮空氣冷卻管，側(cè)彎問題得到了解決。如圖4所示，圖中①和②所指處為冷卻管添加部位。通過6次上機試模，最終實現(xiàn)了型材的平穩(wěn)擠壓，合格模具擠壓料頭見圖5。
使用試模合格的模具，按照表l中擠壓工藝參數(shù)生產(chǎn)了36支尺寸合格的槳葉型材，用于時效和氧化工藝的試驗。在擠壓型材上取合金成分、力學(xué)性能檢測樣品，隨型材一同在16 m時效爐按175℃9 h工藝參數(shù)進行時效。合金成分檢測使用直讀光譜儀設(shè)備，室溫力學(xué)性能檢測使用WDW-IOO力學(xué)性能試驗機，測試結(jié)果分別見表2和表3。從表中可以看出，型材合金成分和拉伸性能均滿足技術(shù)要求，證明時效工藝能夠滿足用戶的力學(xué)性能要求。
3.2.2氧化后表面質(zhì)量
經(jīng)首批氧化試制后，測試型材表面平均膜厚值在26μm左右，符合技術(shù)要求。但型材表面質(zhì)量存在一定問題，如圖6所示為型材氧化完后表面形貌，可以看到單根型材表面存在黑線和色差缺陷，影響型材表面質(zhì)量。而且不同擠壓批次型材采用相同氧化工藝、時效后，型材之間整體存在色差。此外，型材表面氧化膜局部存在膜裂缺陷，嚴(yán)重影響型材表面氧化膜質(zhì)量。
表面黑線主要是空心型材焊合線引起的，色差起因與焊合線類似。對于這兩種缺陷，其形成機制主要是：由于模具工作帶長度、金屬流動路徑等不同，導(dǎo)致橫截面不同部位金屬變形程度存在差異，而且型材沿橫截面方向冷卻速度不同，使得時效后組織和第二相發(fā)生變化。在相同氧化工藝下，槽液對基體和第二相的腐蝕程度不同，進而出現(xiàn)黑線和色差。
不同擠壓批次型材間存在色差，可能是由于擠壓溫度差別導(dǎo)致固溶效果和顯微組織的不同引起的，批量生產(chǎn)時應(yīng)該嚴(yán)格控制擠壓溫度，保證各批次型材固溶效果和顯微組織差別處于氧化工藝可調(diào)整范圍內(nèi)。
為解決單根型材表面黑線和色差，首先對模具進行了修整。主要修模方法是增大焊合室深度、減小分流橋厚度并拋光，以此來增大金屬在焊合室的靜水壓力，拋光目的是減小擠壓過程中金屬與分流橋表面的摩擦力，從而減小或消除焊合線部位與其他部位金屬變形程度的差異。同時，還對擠壓過程中的主要工藝參數(shù)進行了調(diào)整：提高鑄錠擠壓溫度至510CC - 520℃，并降低擠壓速度至2.5 m/min。圖7所示為使用修整模具擠壓的型材經(jīng)陽極氧化處理后的表面形貌，可以看到型材表面黑線和色差基本消除，表面質(zhì)量得到大大改善。圖8為槳葉鋁型材實物照片。
通過對合金成分、氧化工藝參數(shù)進行分析，降低陽極氧化的電流密度并延長氧化時間有可能使氧化膜孔大小變得細致均勻，以此消除色差缺陷。經(jīng)實際生產(chǎn)驗證，調(diào)整電流密度和氧化時間確實可以調(diào)整色差的顯現(xiàn)程度，但型材色澤出現(xiàn)整體發(fā)黑，且局部氧化膜膜裂缺陷仍不能得到改善。為了保證氧化膜質(zhì)量，經(jīng)與客戶商議，將氧化膜厚度的要求調(diào)整為15μm - 20μm，達到了我公司能夠穩(wěn)定控制的范圍。
4結(jié) 論
通過對旋翼槳葉用多空腔、薄壁、復(fù)雜斷面結(jié)構(gòu)空心鋁型材的成功試制，按照本文中總結(jié)出的生產(chǎn)工藝流程及工藝參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)槳葉鋁型材的生產(chǎn)。從槳葉鋁型材的試制過程可得到以下主要結(jié)論：
1)采用強度適中且可擠壓性高的6005A鋁合金能夠成功擠壓出槳葉鋁型材，但需要多次試模、修模和優(yōu)化工藝。擠壓過程中要合理調(diào)整和控制槳葉前緣和后緣處的冷卻強度，否則型材易出現(xiàn)側(cè)彎。
2)通過修模和優(yōu)化擠壓工藝參數(shù)，槳葉鋁型材陽極氧化后的表面焊合黑線和色差缺陷得到了很好的控制。
3)采用傳統(tǒng)的直流電硫酸陽極氧化工藝可以使6005A鋁合金型材膜厚達到23μm以上。但膜厚超過23μm后出現(xiàn)局部膜裂缺陷，氧化膜質(zhì)量難以保證。
5摘要：
在分析飛機旋翼槳葉鋁型材試制難點和可行性的基礎(chǔ)上，制定了合理的試制工藝流程。經(jīng)多次擠壓試驗、試模和修模，穩(wěn)定擠壓出了槳葉鋁型材。通過調(diào)整擠壓工藝參數(shù)，型材上焊合線和氧化色差缺陷得到了解決，最終成功生產(chǎn)出了符合客戶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品。
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