1. 前言
在生活中，无缝铝合金管应用非常广泛，如：对管道密度及强度有严格要求的空调管、油管、高压水管等。生产无缝铝合金管对加工设备有着极高的要求，一般只有双动挤压机才能生产出无缝铝合金管。
在工程上，铝合金无缝管因其轻便、耐腐蚀、比强度高等优点，在石油、天然气的输送管道方面，有很大的优势。石油钻杆方面，和钢钻杆相比，铝合金钻杆表现出了更好的优势，如：无磁性，不易磨损套管等；湿重减少50%，干重减少40%，提高开采中的钻深能力；优越的水平定向钻进性能，更适合定向井和大水平位移井，减少拖拽力；减少20%~30%的扭矩和阻力，且水力损失更小，大幅度减少开采成本；可以有效防止硫化氢和二氧化碳腐蚀，提高操作安全性能。近年来，铝合金无缝管的应用大幅提高[1]。
但这些管路往往有一些特殊需求，如：石油管、钻杆，要求管材局部壁厚增加，用于加工螺纹，即局部减小内径或扩大外径，增加壁厚。这种需求日益广泛，但受技术条件限制，仍难以批量生产。
2. 铝合金无缝变径管的应用
对于油气输送管路，如图1所示，两节管路的连接一般采用螺纹连接，管子两端加工成一段外螺纹，通过套管将两节管子相连[2]。但是，加工螺纹会降低管子的承载能力，为了不缩小管道通径，又能得到等强度管道，一般采用管端加厚，即内径不变增加外径，通过壁厚增加来抵消加工螺纹时产生的强度降低。这就是外变径管的应用之一。
Figure 1. Variable diameter pipe
图1. 外变径管
对于钻杆，如图2所示，要求外径不变，管端加工内螺纹，两节钻杆通过连接杆来连接[2]，为了不降低钻杆强度，管道两端管壁局部要加厚，即内径要减小。这就是内变径管的应用。
铝合金无缝变径管一般分为三种：第一种：内变径，即外径不变，管子两端局部内径减小，壁厚增加；第二种：外变径，即内径保持不变，管子两端局部外径增大，壁厚增加；第三种：复合变径，以上两种情况的结合，管子两端，一端内变径，另一端外变径。
Figure 2. Concentric reducing pipe
图2. 内变径管
3. 铝合金无缝变径管的变形机理及运行过程
对于内变径管，挤压相对简单一些，如图3所示，组合穿孔针带有2个工作带，前端的是小直径的工作带1，后端的是大直径的工作带2，模具为单工作带模具。其工作原理是：穿孔针工作带1进入模具工作带，定针挤压，达到合适长度后，穿孔针变位，工作带2进入模具工作带，定针挤压，变径，待到合适长度后，穿孔针再次变位，工作带1进入模具工作带，定针挤压，再次变径，如此完成内变径管挤压。得到一根外径一致，内径两端小中间大的变径管。内变径不同直径之间的过渡带，应尽量平滑，避免管道表面出现明显的竹节状缺陷。
Figure 3. Punching die for tubes with changing inner diameter
图3. 内变径管挤压模具
外变径挤压如图4所示，外变径挤压模具采用双工作带模具，小内径工作带1，大内径工作带2，两个工作带之间是过渡形腔；组合穿孔针一般采用双工作带形状，前端是大直径工作带1，往里是小直径的工作带2。其工作原理是：第一步，穿孔针工作带1进入模具工作带1，挤压出小外径管材；第二步，穿孔针变位，工作带1进入模具工作带2，穿孔针工作带2进入模具工作带1，此时，由模具工作带1和穿孔针工作带2组成的环形面积大于由模具工作带2和穿孔针工作带1组成的环形面积，铝合金最终在由模具工作带2和穿孔针工作带1组成的环形面积处成型，挤压出内径不变外径增大的管材，完成外变径。
Figure 4. Extrusion die with external variable diameter
图4. 外变径挤压模具
复合变径变形机理和过程是内、外两种变径的复合，在同一根管子上实现内变径和外变径。如图5所示，复合变径挤压模具也采用双工作带模具，小内径工作带1，大内径工作带2，两个工作带之间是过渡形腔；穿孔针一般采用纺锤装多工作带形状，前端是小直径工作带1，再往里是大直径工作带2，再往里是更小直径的工作带3。其工作原理是：第一步，穿孔针工作带1进入模具工作带1，挤压出小外径小内径管材；第二步，穿孔针变位到工作带2进入模具工作带1，挤压出内变径管，外径不变内径增大；第三步，穿孔针继续变位到工作带2进入模具工作带2，穿孔针工作带3进入模具工作带1，此时，由模具工作带1和穿孔针工作带3组成的环形面积大于由模具工作带2和穿孔针工作带2组成的环形面积，铝合金最终在由模具工作带2和穿孔针工作带2组成的环形面积处成型，挤压出内径不变外径增大的管材，完成外变径。
Figure 5. Composite variable diameter extrusion mold
图5. 复合变径挤压模具
4. 铝合金变径管生产中的关键技术
4.1. 穿孔针的定针和变位
生产变径管，穿孔针必须具备变位功能，即穿孔针在挤压时具备变换位置的能力；同时挤压过程中穿孔针必须具备液压定针功能，即挤压过程中穿孔针相对模具不可窜动。
这就要求挤压机必须是双动挤压机，即挤压杆和穿孔针可以单独运动；而且，穿孔针必须具备准确定位和准确变位功能[3]。根据笔者对西北铝36 MN、55 MN双动挤压机、东轻25 MN双动挤压机、核兴航材18 MN等多台双动挤压机的调试和试生产经验，液压定针精度应达±0.5 mm，如果定针精度不达标，挤出的管子内外表面会出现环纹，严重影响外观质量。穿孔针变位精度对管子的内外径尺寸都有影响，变位精度不足时容易出现如图6所示的竹节状缺陷，根据笔者对西北铝45 MN挤压机变径管挤压的观察，变位精度应达±1 mm。
Figure 6. Bamboo-like defects
图6. 竹节状缺陷
目前，可以生产此类挤压机的厂家并不多，进口的有德国西马克等少数品牌，国产的有中国重型院等少数品牌。此类挤压机的机械结构、液压系统、电气控制系统相对复杂，设备比较昂贵。
4.2. 挤压工模具的优化
目前，变径管挤压工模具，特别是外变径和复合变径工模具，业内缺少设计经验和参考资料，需要研发试验。
铝合金无缝管挤压过程中，穿孔针的受力如图7，可以简化为：穿孔缸的作用力F，台阶处铝合金反作用力P，模口处的摩擦力f1，流动区的摩擦力f2，静态区的摩擦力f3。固定针挤压时，穿孔针受力平衡，则F总 = F + P − f1 − f2 − f3 = 0。
Figure 7. Stress analysis diagram of piercing needle
图7. 穿孔针受力分析图
挤压前期穿孔针摩擦力f1 + f2 + f3大于P，则，F表现为拉力；随着坯锭长度减小摩擦力f2 + f3不断降低，阻力P变化不大，有可能出现f1 + f2 + f3小于P，F有可能变为推力[2]。实际挤压过程中挤压力会发生变化，力的变化会更复杂。针的控制难度很大，主要原因在于以上的各个力不仅随挤压进程变化，而且随挤压制品规格变化而变化。坯锭的加热温度、材质等因素也可造成不同程度的影响[3]。
针向后变位时，要产生加速度，再叠加以上摩擦力，拔针力会很大，穿孔针容易出现断裂现象[4]。解决这一难题，主要取决于工模具设计和选材。通过Abaqus模拟仿真可以全过程模拟和计算穿孔针和模具的受力情况，找出工模具的应力集中点和高应力部位，优化工模具的结构，加强高应力处的强度设计，减小应力集中。如图8~10所示，为优化前，穿孔针第一次向后变位时，针体和针尖上的应力，此应力为挤压过程中针体和针尖上所受的最大应力，局部综合应力已经达到2900 MPa，显然超出了工具钢的承受范围。根据计算结果，我们对挤压比、针体直径等挤压参数进行了优化，对模具、针尖、针体应力集中点进行了结构优化，经过多次优化，结果如图11~13所示，针尖、针体上的最大综合应力大幅下降，但去掉边缘部分网格畸变引起的应力集中后，针上的最大应力仍然超过了750 MPa，常规的H13可以使用，但寿命欠佳，改成3Cr2W8Vi重载模具钢效果较好[5]。
Figure 8. Stress in the needle and needle tip 1 s after the start of backward displacement of the punching needle
图8. 穿孔针向后变位开始后1 s时针和针尖的应力
Figure 9. Stress in the body of the punch when backward deflection begins after 1 s
图9. 穿孔针向后变位开始后1 s时针体的应力
Figure 10. Stress at the tip of the punch at the start of the backward displacement of the punch 1 s after the start of the perform
图10. 穿孔针向后变位开始后1 s时针尖的应力
Figure 11. Stress in the needle and needle tip 1 s after the start of backward displacement of the optimized perforator
图11. 优化后穿孔针向后变位开始后1 s时针和针尖的应力
Figure 12. Stress at the tip of the perforated needle 1 s after the start of backward displacement after optimization
图12. 优化后穿孔针向后变位开始后1 s时针尖的应力
Figure 13. Stress in the needle body when the backward deflection of the perforated needle begins 1 s after the optimization
图13. 优化后穿孔针向后变位开始后1 s时针体的应力
4.3. 液压定针和变位的控制模型
常规的液压定针模型为速度PID跟随模型，如图14，固定针挤压的核心是V1 + V2 = 0，其中V1是主柱塞速度(挤压速度)，V2是穿孔缸回退速度。当V1 + V2 = 0，穿孔针相对于模具是固定不动的。
Figure 14. Analysis of the fixed pin velocity
图14. 固定针速度分析图
此模型的缺陷在于，未考虑穿孔针的受力变化，当所需要的穿孔缸作用力由拉力变为推力时，穿孔缸大腔建压需要时间，会造成穿孔针位移过大，控制失败。
中国重型院提出的模型，在上述控制模型的基础上，引入了压力控制模型，如图15，F = p2 * A2 − p1 * A1，预先给定一个p1，使得p1 * A1 > P，则
Figure 15. Punch pressure analysis chart
图15. 穿孔缸压力分析图
F总 = (p2 * A2 − p1 * A1) + P − f1 − f2 + f3 = p2 * A2 − (p1 * A1 − P) − f1 − f2 + f3。
若F总 = 0，则p2 * A2 = (p1 * A1 − P) + f1 + f2 + f3 > 0，即穿孔缸小腔压力恒大于零，不存在切换问题。
基于以上数学原理，可以建立以下压力速度双控制模型，如图16，采用此数学模型，定针和变位情况如下：
Figure 16. Dual control model of pressure and speed
图16. 压力速度双控制模型
1) 液压定针
挤压过程中，穿孔缸大腔保持设定压力不变，比例泵输送给穿孔缸小腔一个稍大于保持速度V2的流量，通过比例阀排液保证穿孔缸的速度，使其保持和挤压速度V1保持一致。同时实时检测穿孔缸两腔压力，根据压力变化可以调整设定压力p1。
2) 变位
向后变位，增大小腔进液量，从而增大穿孔针回退速度；压力上p1保持不变，p2增大。停止变位时，减小小腔进液量即可；在压力上p1保持不变，p2回落。
向前变位，减小小腔进液量，从而减小穿孔针回退速度；在压力上p1保持不变，p2减小。停止变位时，增大大腔溢流量，增大小腔进液量即可；在压力上p1保持不变，p2增大。
本模型的优点：
1) 挤压过程中，穿孔缸两腔一直处于正压状态，小腔处于受控进液，大腔处于压力受控，无进排液切换，全程受控。
2) 精度高，定针精度±0.1 mm，变位精度±1 mm。
3) 对针规格和挤压材质变化不敏感。
4.4. 工程实例
如图17所示，为西北铝55 MN双动挤压机固定针挤压管子时实测数据，其中，黑色曲线为挤压机主缸实时工作压强，红色曲线为穿孔缸小腔实时压强，绿色的为穿孔缸大腔压强。需要注意穿孔缸大腔的面积是小腔的2倍，对应的大腔力需要放大2倍。可见：挤压前期，穿孔缸小腔力大于穿孔缸大腔力，表现为拔针力，拔针力在挤压突破前达到最大，之后逐渐减小，到一定时间点，穿孔缸小腔力可能等于穿孔缸大腔力，拔针力为0，之后穿孔缸大腔力大于穿孔缸小腔力，表现为推针力；整个挤压过程中，穿孔缸小腔压力恒大于零，穿孔缸大腔的压力基本保持恒定，大于零。通过此模型控制，经测定该挤压机定针挤压时，穿孔针定针精度可达±0.5 mm。
Figure 17. Hydraulic pin pressure detection diagram of 55 MN extrusion machine of Northwest Aluminum Co., Ltd.
图17. 西北铝55 MN挤压机液压定针压强检测图
5. 结束语
铝合金变径管挤压的设想是由德国一家企业首先提出的，2023年国内进行了实际生产试验，内变径取得了一定的成功，外变径和复合变径连续损坏工模具，无法正常生产。
国内挤压机相关企业如中国重型机械研究院也开展了研究，研发进度几乎和国外同步。中国重型机械研究院投入了大量的人力和科研经费，在铝合金变径管挤压方面已经取得了一定的成绩，已经完成了技术研发和实验室验证，正在积极推广产业化生产，相信很快这一技术将走进中国的挤压生产厂。
NOTES
*第一作者。