全球航空级铝合金厚板供需评述

　　摘要：简要介绍铝及铝合金管、棒、型、线材的生产技术与主要工艺装备的发展现状与趋势，重点论述了铝及铝合金挤压、管材冷轧、拉伸以及管、棒、型、线材的热处理和精整矫直等方面的发展特点、水平、产品品种、工艺技术、工模具技术及设备状态。近几年来，国内外的铝合金管、棒、型、线材生产技术与装备获得了长足的发展，达到了相当高的水平。铝挤压技术的现状与发展方向

　　1.1铝挤压技术的现状

　　1.1.1工艺装备向大型化、现代化、精密化和生产线自动化方向发展

　　挤压设备主要是指挤压机及其配套装置，是反映挤压技术水平的重要指标。粗略统计，世界各国已装备的不同类型、结构、用途、压力的挤压机达6000台以上，其中美国600多台，日本400多台，德国200多台，俄罗斯400多台，中国3000余台，大部分为6MN～25MN之间的中小型挤压机。随着大型运输机、轰炸机、导弹、舰艇等军事工业和地下铁道、高速列车等现代化交通运输业的发展，需要大量的整体壁板等结构部件，故挤压机向大型化方向发展。在20世纪50年代，美国空军决定用政府资金建造了一系列的重型挤压机和锻压机。美国空军的“重型压机计划”原拟定制造17台大型压机，后削减到9台，其中350MN立式锻压—挤压机一台，120MN和80MN铝合金卧式挤压机各两台。

　　经过几十年的发展，目前全世界已正式投产使用的万吨级以上的大型挤压机约20台，拥有的国家是美国、俄罗斯、中国、日本和西欧。 大的是前苏联古比雪夫铝加工厂的200MN挤压机，美国于2004年将一台125MN水压挤压机改造为世界 大的150MN油压挤压机，日本20世纪60年代末建造了一台95 MN自给汕压机，德国VAW波恩工厂1999年投产了一台100MN的双动油压挤压机，意大利于2000年建成投产了一台130MN的铜、铝油压挤压机。据报道，国外几个工业发达的国家都在研制压力更大、形式更为新颖的挤压机，如350MN卧式挤压机以及450MN～600MN级挤压大直径管材的立式模锻-挤压联合水压机等。在挤压机本体方面，近年来国外发展了钢板组合框架和预应力“T”型头板柱结构机架及预应力混凝土机架，大量采用扁挤压筒、固定挤压垫片、活动模架和内置式独立穿孔系统。在传动形式方面发展了自给油机传动系统，甚至在100 MN～150 MN挤压机上也采用了油泵直接传动装置。现代挤压机及其辅助系统的工作都采用了PLC(程序逻辑控制)系统和CADEX等控制系统，即实现了速度自动控制和等温-等速挤压、工模具自动快速装卸，乃至全机自动化控制。挤压机的机前设备(如长坯料自控加热炉，坯料热切装置和坯锭运送装置等)和机后设备(如牵引装置，精密水、雾、气在线淬火装置，前梁锯，活动工作台，冷床和横向运输装置，拉伸矫直机，成品锯，人工时效炉等)已经实现了自动化和连续化运行。挤压设备正在向组装化、成套化和标准化方向发展[1-6]。

　　为了进一步适应现代军事装各和现代交通运输业的轻量化和高速化，铝型材正在向大型化、整体化、薄壁化的方面发展。因此，世界各国正在兴起一股重型挤压机热，有人预测21世纪是大型挤压机的世纪。

　　1.1.2大型优质圆、扁挤压筒与特种模具技术的突破性进展

　　从设计计算、结构选择、装卸方法、制模技术、新材料研制到提高模具寿命等方面来看，挤压工模具技术有很大发展。研发出了舌型模、平面分流组合模、叉架模、前室模、导流模、可卸模、宽展模、水冷模等，同时出现了多种形式的活动模架和工具自动装卸机构，大大简化了工模具装卸操作，节约了辅助时间。为了生产扁宽、薄壁、大断面铝合金型材，需要高比压的圆挤压筒和优质的扁挤压筒，由于其使用寿命短，大型高比压的扁挤压筒的设计与制造成了世界性技术难题。近年来，由于计算机、有限元计算、工模具材料及热处理等技术的进步，大型扁挤压筒的设计制造技术有了突破性进展。俄罗斯、美国、德国、日本等国已研制出规格为850mm×330mm、1100mm×300mm等，比压达600MPa以上的大型扁挤压筒，据称使用寿命可达10000次左右；我国已研制成功了670mm×270mm×1600mm的大型优质扁挤压筒。大型挤压工具的装卸自动化、快速化方面也有了很大进展，为全机自动化创造了条件。在工模具材料方面，高合金化的铬镍模具钢，如2779(德国)，H11、H13(美国)，SKD61(日本)，AXMBΦ(前苏联)等钢种的出现，以及新型热处理方法，如真空淬火、离子氮化处理、表面硬化处理等的应用，使工模具材料的品质向前推进了一大步。电火花加工和电火花线切割加工(快走丝和慢走丝)技术用于制模，不仅提高了模孔的精度、硬度，降低了工作带表面粗糙度，而且大大提高了制模生产效率，为实现制模自动化创造了条件。电子计算机用于挤压工模具的设计和制造(CAD／CAM技术)，为实现工模具的设计与制造自动化，提高工模具的质量和寿命开辟了一条崭新道路。

　　1.1.3挤压工艺不断改进和完善

　　近些年来，除了改进和完善正、反向挤压方法及其工艺之外，出现了许多强化挤压过程的新工艺和新方法，并获得了实际应用。像舌型模挤压、平面组合模挤压、变断面挤压、水冷模挤压、扁挤压、宽展挤压、精密气、水(雾)冷在线淬火挤压、半固态挤压、高速挤压、冷挤压、高效反向挤压、等温挤压、特种拉伸-辊矫、形变热处理等新技术新工艺，对于扩大铝型材的品种，提高挤压速度和总的生产效率，提高产品品质，发掘铝型材的潜力，减少挤压力，节能节资，降低成本等方面，都有积极的意义。

　　1.1.4铝挤压材的产品结构有了很大改进

　　20世纪60年代以来，铝合金挤压材料的增长速度平均每年高达9.5%，不仅超过了铝合金的其他加工材料的增长速度(如为轧制材的两倍)，而且大大超过了钢铁材料的增长速度。据不完全统计，目前全世界铝合金挤压材的产能已达2000万t／a左右，2006年年产量已达1200万t。由于民用铝型材应用大增，而军用挤压材占铝挤压材总量的比例已下降到5%以下，结果使软合金比例大大增加，硬合金比重大大减少。以20世纪90年代为例，美国铝挤压材中，软、硬合金之比为10∶1，日本的为20∶1。铝合金型材发展 快，其产量大约占整个挤压材的85%。由于铝挤压材正在向大型化、扁宽化、整体化方向发展，大型材的比例日益增加，已达整个型材产量的10%左右。目前铝型材品种已有50000多种。其中大型材有1000多种，包括各种复杂外形的型材、逐渐变断面型材和阶段变断面型材、大型整体带筋壁板及异形空心型材。挤压型材的 大宽度可达2500 mm， 大断面积可达1500 cm2， 大长度可达25m～30m，每根 重的可达2 t。薄壁宽型材的宽／厚比可达150～300，带孔空心型材的孔数可达数十个之多。铝合金棒材和管材的 大外径达800mm，反挤压管材的外径达1500 mm，管材的 小壁厚达0.1mm，长度可达1000m。由于铝合金挤压材的产量、品种和规格不断扩大，其应用范围越来越广泛。

　　1.1.5我国铝挤压技术现状

　　我国的铝合金挤压生产在1949年前是空白。1949年后我国开始建立铝挤压工业，现在已建立起完整的挤压工业体系， 大的水压挤压机为125MN，并设计和制造了75MN、80MN和100MN及125MN油压单独传动卧式挤压机。国内铝合金的挤压机的数量已达3000台，结构和自动化程度有了很大的改进和提高，油压单独传动挤压机的自动速控等装置达到了较高的水平。挤压技术不断革新，挤压工艺不断改进。铝合金挤压材的产量、品种和规格不断增加。据初步统计，1980年我国的铝合金挤压材产量为15.29万t，2005年已增加到352万t以上，占铝材总产量的60%左右，品种已超过10000种，壁板的 大宽度为932mm，型材的 大断面积达400cm2，长度达10m～30m，同时可用扁挤压筒宽展法挤压宽度为680mm的16孔空心壁板型材，用异形针穿孔法生产无缝异形空心旋翼大梁型材，用自行设计和制造的670mm×270mm×1600mm扁挤压筒和扁锭、固定挤压垫片，为高速铁道和地铁研制成功轨道车辆用大型铝合金型材等。我国目前生产的棒材 大直径达Φ620mm，管材的规格范围为Φ5mm×0.5mm～Φ620mm×115mm。当然，与工业发达国家比较起来，我国的铝合金挤压技术还有一定差距。

　　1.2铝挤压技术的发展方向

　　在发展金属挤压加工理论与技术时需要重点考虑的项目主要有：(1)减少功耗量，节能降耗；(2)减少外部摩擦，提高变形效率；(3)提高精度；(4)利用各向异性、内部应力、变形热处理等方法提高产品综合性能；(5)有效利用废料和开发综合利用技术，提高回收率和成品率；(6)防止缺陷产生或利用缺陷；(7)提高工模具品质和使用寿命；(8)减少工序；(9)增加单位时间的产量及节省劳动力，实现高速化、自动化、连续化生产；(10)清洁生产，改善环境，降低劳动强度；(11)降低造价，降低成本；(12)发展新用途、新功能、特种性能和多功能的新材料。

　　2铝管冷轧技术的进展

　　管材轧制是生产无缝管材的主要方法之一，在管材轧制中，根据管坯的变形温度不同，可分为热轧和冷轧。目前，在铝管生产中，大多数情况下，热轧已被挤压法所取代。将通过热挤压获得的管坯进行冷轧，从而获得成品管材。

　　通过冷轧获得的管材表面光洁，组织和性能均匀，壁厚尺寸精确。与拉伸法相比，冷轧法还具有道次加工率大，生产效率高等优点。通过轧制法还可以生产各种异型管材、变断面管材、锥型管材及其他经济断面管材。

　　冷轧管机的种类很多，目前常用的有周期式二辊冷轧管机和周期式三辊冷轧管机。此外，还有行星式冷轧管机，连续冷轧管机，多线冷轧管机，横向多辊旋压机等。这些新型冷轧管机具有生产效率高，加工率大等优点，但由于设备和工具制造复杂，更换管材规格困难，设备和工具的费用大，而未被广泛采用。

　　周期式二辊冷轧管机 初出现于美国，目前其结构已改善得很完善，产品规格范围可以达到外径Φ12mm～Φ457mm；壁厚0.2mm～15mm。<