紡織設(shè)備用6063鋁合金型材缺陷分析與對(duì)策

蔣 偉，翟文峰

(1. 山東鋁業(yè)有限公司，山東 淄博 255051；2.中鋁山東青島博信鋁業(yè)有限公司，山東 青島 266300)

為實(shí)現(xiàn)紡織機(jī)械設(shè)備輕量化，延長裝備使用壽命，提高紡織設(shè)備組裝穩(wěn)定性與生產(chǎn)效率，山東鋁業(yè)有限公司某下屬分廠與國內(nèi)某紡織機(jī)械設(shè)備廠家進(jìn)行合作研發(fā)紡織機(jī)械設(shè)備用某系列鋁合金材料，取代過去一直使用的部分鋼木材料。由于缺乏對(duì)此類系列產(chǎn)品相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與精密工藝技術(shù)參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)，從圖紙?jiān)O(shè)計(jì)到生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)是按照常規(guī)擠壓產(chǎn)品進(jìn)行控制的，模具設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝流程中工藝參數(shù)控制不嚴(yán)謹(jǐn)，使鋁合金擠壓過程中出現(xiàn)了金屬流速不均、模具通過量低、型材表面不光滑、形狀彎曲及性能不合格等多種問題，導(dǎo)致在紡織機(jī)械設(shè)備裝配過程中出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，利用型材“平臺(tái)”全檢與力學(xué)性能全測(cè)的方法發(fā)現(xiàn)該系列型材合格率不足75%，成本很高。

為提高擠壓型材的生產(chǎn)質(zhì)量，更好滿足紡織機(jī)械設(shè)備使用，本文作者通過研究模具設(shè)計(jì)[1-3]與擠壓過程中存在的問題，制定針對(duì)性的控制措施，實(shí)施精準(zhǔn)控制，使型材質(zhì)量穩(wěn)定。

1 型材缺陷分析

本研究設(shè)計(jì)的某一種紡織設(shè)備用6063鋁合金型材，化學(xué)成分如表1所示。型材斷面如圖1所示。

表1 6063鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 6063 aluminum alloy(wt/%)

圖1 6063鋁合金型材斷面圖Fig.1 Sectional view of 6063 aluminum alloy profile

該型材圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求各項(xiàng)尺寸公差為±0.05 mm；平臺(tái)檢測(cè)不能有S型彎曲和側(cè)彎，型材4個(gè)面橫向、縱向拼對(duì)必須嚴(yán)絲合縫；型材表面光滑、無夾渣、擦碰傷、粘鋁、氣泡等；型材硬度HV不小于13。該型材擠壓比大、壁薄。由于模具設(shè)計(jì)對(duì)各部位流速考慮的不合理以及擠壓各環(huán)節(jié)工藝參數(shù)太寬泛，包括鑄錠加熱溫度、模具加熱溫度、擠壓筒溫度、淬火、時(shí)效等參數(shù)，以及擠壓筒、擠壓桿、滑模座等三個(gè)裝備中心位的三點(diǎn)對(duì)中問題，使型材擠壓過程中出現(xiàn)金屬流速不均、模具通過量低、型材表面出現(xiàn)缺陷、形狀彎曲及性能不合格等多種問題。

2 避免缺陷的對(duì)策

2.1 流速不均

擠壓生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)實(shí)心側(cè)與空心側(cè)流速不均，快慢不一，如圖2所示。

通過分析模具設(shè)計(jì)壁厚空心部分工作帶表明，模具設(shè)計(jì)壁厚空心部分工作帶短，分流孔設(shè)計(jì)的流速過快，上模擋臺(tái)短，造成模具擠壓過程中流速不均。對(duì)模具設(shè)計(jì)進(jìn)行多次優(yōu)化，空心部分工作帶加長1 mm，上模擋臺(tái)加長3 mm～5 mm，并由4個(gè)分流孔改為6個(gè)分流孔，從而杜絕了因模具設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生的流速不均問題。

圖2 實(shí)心側(cè)與空心側(cè)擠壓流速不均現(xiàn)象Fig.2 Differential flow rate of solid and hollow extrusion

應(yīng)利用加熱爐合理控制鑄錠的溫度，通過現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，加熱爐燃燒室溫度設(shè)置為600 ℃，加熱爐爐膛溫度設(shè)置為550 ℃，鑄錠在加熱爐爐膛內(nèi)保溫6 h，使鑄錠的成分均勻。鑄錠加熱后經(jīng)剪切、進(jìn)入擠壓筒前確保其表面溫度在520 ℃左右。模具與擠壓筒預(yù)熱溫度均設(shè)置為460 ℃，保溫3 h。模具保溫時(shí)間既不宜過長(否則模具老化)，也不宜太短(防止模具預(yù)熱不均勻造成擠壓過程模具破裂)。

確保擠壓筒、擠壓桿、滑模座三個(gè)裝備的中心位在一條線上。型材擠出后通過查看型材流速，控制型材流速，及時(shí)調(diào)整滑模座，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)控制。

2.2 模具通過量低與型材表面缺陷

擠壓生產(chǎn)過程中，模具上機(jī)通過量只有300 kg/次～500 kg/次，明顯低于同機(jī)位裝備生產(chǎn)常規(guī)品種的通過量2 000 kg/次～3 000 kg/次。且型材部分區(qū)域存在夾渣，表面劃傷，粘鋁等缺陷，如圖3所示。

圖3 型材表面裝飾線、亮條、夾渣缺陷圖Fig.3 Decoration line, bright stripe and slag inclusion defects on profile surface

通過現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)模具上機(jī)前氮化質(zhì)量對(duì)型材通過量與表面質(zhì)量有直接關(guān)系。一般模具制作完成上機(jī)擠壓前，都要進(jìn)行一次氮化熱處理，以提高模具壽命。后續(xù)生產(chǎn)過程根據(jù)模具實(shí)際狀況，確定是否再需要氮化。但由于該型材產(chǎn)品設(shè)計(jì)的擠壓比僅為6，使擠壓過程存在局部焊接不良的可能。因此，本試驗(yàn)采取“修模即氮化”的辦法(每次對(duì)模具修理完畢，都必須進(jìn)行一次氮化熱處理，以增加模具強(qiáng)度)，提高模具的通過量，同時(shí)也提高了擠壓型材的表面光潔度，消除了型材表面出現(xiàn)的夾渣、粘鋁、劃傷等缺陷。

2.3 側(cè)彎和S型彎曲

矯直力度過大或過小，鋸切操作不精細(xì)，裝筐與墊片加裝不合理，操作人員抬料力度不均衡，料筐間距過大，均會(huì)對(duì)產(chǎn)品彎曲造成影響，如圖4所示。

圖4 型材彎曲示意圖Fig.4 Bending diagram of profile

通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，制定了最優(yōu)技術(shù)方案：型材表面溫度小于50 ℃(或用手摸沒有熱度)方可矯直。采取“3步矯直法”：第一步先矯實(shí)心部分，第二步再矯空心部分，第三步把型材拖至矯直機(jī)夾口中心位置再次矯直。矯直后平面間隙小于0.2 mm。操作過程嚴(yán)禁拖料，過橋處必須每根移至冷床3級(jí)皮帶上面，全部拉到位，不能出現(xiàn)高低不平現(xiàn)象，否則容易形成S型彎曲。

多次試驗(yàn)了不同的鋸切與裝筐方式對(duì)型材彎曲的影響，確定了最合理的鋸切與裝筐方式：實(shí)行分組鋸切，每3根型材一組，從冷床3級(jí)皮帶送到鋸切輸送臺(tái)，每一根型材前邊工藝廢料鋸切長度為600 mm，接頭后鋸切700 mm；嚴(yán)禁摞料鋸切，并及時(shí)用笤帚清掃干凈鋸切平臺(tái)，防止鋁屑劃傷型材；裝筐時(shí)，應(yīng)將型材進(jìn)行拼對(duì)(立起和平放)，即4個(gè)面都要比對(duì)直線度與彎曲度，避免不合格品裝入筐中，而且每隔一定數(shù)量(一般控制在50支～6 0支左右)要用直角尺進(jìn)行一次專檢。

為更好地杜絕S形彎曲，料筐用方管型材鋪滿筐底，型材兩端必須壓在方管上面，豎立裝筐，筐兩邊用型材塞住防止型材傾斜造成彎曲；每筐裝型材不超過3層，中間用毛氈墊片隔開，如圖5所示。

2.4 性能不合格

擠壓速度快慢會(huì)影響型材性能[4]，通過調(diào)整鑄錠的擠壓速度可以調(diào)整型材性能。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：擠壓速度從原來的3.7 mm/s降低到2.64 mm/s，能夠提高型材性能。

圖5 型材規(guī)范裝筐圖Fig.5 Standard packing of profiles

為了更好地提高淬火效果，采用在線風(fēng)冷淬火，控制淬火風(fēng)機(jī)風(fēng)量，降溫速度設(shè)置為65 ℃/min，使型材快速冷卻。同時(shí)在兩根長度為6 m的鑄錠全部擠壓完畢后才可對(duì)型材進(jìn)行鋸切，保證型材在冷床上的冷卻時(shí)間延長1倍。配合擠壓速度與淬火工藝，對(duì)時(shí)效工藝進(jìn)行了優(yōu)化，由195 ℃2 h調(diào)整為195 ℃3 h，提高型材時(shí)效后的強(qiáng)度。

通過調(diào)整6063鋁合金中Si與Mg的含量可以起到提高性能的作用，將Si與Mg的含量分別控制在w(Si)=0.42%～0.46%和w(Mg)=0.56%～0.59%的范圍，能夠更好地起到穩(wěn)定力學(xué)性能的作用。

3 結(jié) 論

1)模具的分流孔由原來的4個(gè)調(diào)整為6個(gè)，空心部分工作帶加長1 mm，上模擋臺(tái)加長3 mm～5 mm，提高了型材擠壓時(shí)金屬流動(dòng)的均勻性。每次對(duì)模具修理完畢，都必須進(jìn)行一次氮化熱處理，提高了模具的使用壽命和型材的表明質(zhì)量。

2)優(yōu)化型材擠壓流程，利用在線風(fēng)冷淬火，采取先矯實(shí)心部分，再矯空心部分，然后把型材拖至矯直機(jī)夾口中心位置再次矯直等方法避免了型材的S型彎曲。

3)精確控制合金的化學(xué)成分，將 Si與Mg的含量分別控制在w(Si)=0.42%～0.46%和w(Mg)=0.56%～0.59%的范圍，提高了型材的強(qiáng)度；時(shí)效工藝由195 ℃2 h調(diào)整為195 ℃3 h，能更好地穩(wěn)定力學(xué)性能。