淺析鋁型材擠壓生產(chǎn)新技術(shù)與裝備

曹曉君 清遠(yuǎn)市鈦美鋁業(yè)有限公司

1 前言

我國當(dāng)前的鋁擠壓工業(yè)始終以生產(chǎn)建筑鋁型材為核心，以工業(yè)為主的鋁型材生產(chǎn)水平仍然較為低下，航空用到的硬鋁合金型材在我國國內(nèi)的生產(chǎn)量極低。合金以6063為主，受到部分廠家生產(chǎn)技術(shù)及水平低下的限制，其他6000系以及更高等級的合金很少被開發(fā)及利用，生產(chǎn)的合金品種單一。大多數(shù)廠家生產(chǎn)模式過于單一，導(dǎo)致該市場的競爭愈加激烈，但產(chǎn)能卻明顯過剩。受到技術(shù)水平的限制，這類產(chǎn)品的質(zhì)量無法達(dá)到合格水平，因此我國在制作相關(guān)工具時，只能選擇從國外進(jìn)口。擠壓生產(chǎn)的生產(chǎn)線包括擠壓、在線風(fēng)冷或水冷淬火、精整三個主要階段，油泵作為擠壓機(jī)的動力來源，由PLC控制。我國在生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品時，盡管學(xué)習(xí)了西方的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，但始終將臺灣技術(shù)作為核心技術(shù)。在選擇擠壓機(jī)時，始終將體積小、單根擠壓作為標(biāo)準(zhǔn)，如此一來就會導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)效率低下，質(zhì)量無法滿足新國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2 鋁型材擠壓法的優(yōu)缺點(diǎn)及原理

2.1 鋁型材擠壓法的優(yōu)缺點(diǎn)

（1）擠壓法的優(yōu)點(diǎn)：三向壓應(yīng)力狀態(tài)圖明確，保證金屬在制作的過程當(dāng)中，能夠?qū)⒆陨淼目伤苄宰畲蠡?；提高產(chǎn)品類型的多元性，滿足生產(chǎn)需求；靈活性較強(qiáng)，一臺設(shè)備能夠通過調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)制作不同的產(chǎn)品；制作出的產(chǎn)品能夠完美符合生產(chǎn)需求，表面質(zhì)量較高；有助于生產(chǎn)過程自動化及封閉化。

（2）擠壓法的缺點(diǎn)：金屬材料耗費(fèi)巨大；部分制作過程中需要人工的參與，無法真正實(shí)現(xiàn)自動化；生產(chǎn)效率低下。在反復(fù)的擠壓過程當(dāng)中，必然會產(chǎn)生不可抗的摩擦熱及變形熱，這些熱量一旦過高，就會導(dǎo)致擠壓速度明顯降低，從而使得生產(chǎn)效率直線下降；無法保證產(chǎn)品在生產(chǎn)過程當(dāng)中的流動性；耗能巨大。

2.2 鋁型材新技術(shù)擠壓原理

合金擠壓過程的第一個步驟就是產(chǎn)品設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)合理才能夠?yàn)楹笃诘闹谱魈峁┗A(chǔ)支持，而這一過程正是明確產(chǎn)品參數(shù)的過程，例如在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時，應(yīng)當(dāng)明確產(chǎn)品的機(jī)械加工性能等等各方面的要求，根據(jù)這些要求來選擇合金的種類。而同一種合金在經(jīng)過反復(fù)的擠壓后，其質(zhì)量受到產(chǎn)品形狀的限制，產(chǎn)品形狀由擠壓模具決定，從這一點(diǎn)可以看出產(chǎn)品設(shè)計(jì)在鋁合金擠壓過程中的重要性。產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理，才能夠進(jìn)行擠壓，首先在加熱前將鑄棒加熱并軟化，將其放入盛錠筒內(nèi)由機(jī)器反復(fù)擠壓，這樣才能夠成功的轉(zhuǎn)為成型模具。這一過程其實(shí)就是當(dāng)前我國廣泛應(yīng)用的擠壓過程，而間接擠壓與其相似，唯一不同的就是在擠壓的過程當(dāng)中模具始終保持著移動的狀態(tài)，不像直接擠壓過程時，模具保持靜止，間接擠壓時模具被安裝在擠壓桿上，由模具向鋁棒坯施加壓力，從而制作出滿足需求的成型模具。

3 金屬流動

在制作擠壓制品時，往往會產(chǎn)生金屬流動的現(xiàn)象，而這一現(xiàn)象主要分為填充擠壓、平流擠壓、紊流擠壓三個核心階段。擠壓過程中產(chǎn)生的摩擦力以及導(dǎo)熱性、工具的生產(chǎn)現(xiàn)狀等等各個方面都會導(dǎo)致金屬流動現(xiàn)象的產(chǎn)生，更會影響金屬流動的強(qiáng)度。一旦相應(yīng)的溫度產(chǎn)生變化，就會改變合金的摩擦系數(shù)，如果保證溫度相變的情況下進(jìn)行擠壓，就會影響金屬流動的產(chǎn)生，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)證明強(qiáng)度較高的金屬流動性遠(yuǎn)高于強(qiáng)度低的金屬。

4 擠壓力

擠壓力就是擠壓桿借助擠壓墊反復(fù)擠壓錠坯使其依次流出?？椎膲毫?。影響擠壓力的因素很多，擠壓力的大小與金屬的變形抗力成正比例關(guān)系，隨著變形程度的增大，擠壓力成正比例升高，擠壓速度對擠壓力的影響，也是通過變形抗力的變化起作用的，在擠壓筒、變性區(qū)和工作帶內(nèi)的金屬，都承受了基礎(chǔ)面上的摩擦作用。這些摩擦阻力是擠壓力的組成部分，錐形擠壓模的模角對擠壓力有著明顯的影響，錠坯和擠壓筒存在較大摩擦，錠坯越長，擠壓力越大，反向擠壓不存在錠坯和擠壓筒的摩擦，所需的擠壓力較正向擠壓低。

5 擠壓時的溫度場

5.1 錠坯及工具中的溫度

加熱錠坯時采用的方法不同，會使得錠坯的溫度分布產(chǎn)生一定的變化。根據(jù)當(dāng)前制作錠坯的工藝及水平來說，感應(yīng)加熱是最能夠滿足錠坯制作工藝需求的一項(xiàng)加熱技術(shù)。在擠壓時，變形能的95%變?yōu)闊崮?，僅依靠定胚的原始溫度場，無法滿足生產(chǎn)需求，還要提供變形熱引起的附加溫度場，才能夠滿足這一需求。因此在制作定胚石，很難保證其溫度的均勻性。一般來說，能夠影響塑性區(qū)內(nèi)金屬平均溫度的熱型主要分為生成熱和逸散熱。在反復(fù)擠壓的過程當(dāng)中，會導(dǎo)致相關(guān)工具的制作溫度發(fā)生變化，再加上摩擦力以及導(dǎo)熱性的影響，該工具的部分部位溫度會極大地升高。

5.2 擠壓條件對金屬溫度的影響

擠壓速度升高，能夠有效地降低擠壓時間，但會導(dǎo)致金屬溫度大幅升高。這一過程是變形能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^程，受到變形抗力的影響，制作模具與錠坯之間的溫度存在著極大的差異，這樣就會導(dǎo)致金屬溫度降低，產(chǎn)品制作過程中的均勻性變差，從而影響擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量。在擠壓過程當(dāng)中受到摩擦力的影響，熱量往往會高于正常的預(yù)估值，與此同時，調(diào)節(jié)金屬溫度能夠有效地降低擠壓的速度，保證擠壓過程的穩(wěn)定性及均勻性。

6 擠壓生產(chǎn)新技術(shù)裝備制品的組織性能和質(zhì)量控制

6.1 擠壓裝備制品的組織性能

6.1.1 擠壓制品組織的不均勻性

擠壓制品組織的特點(diǎn)是：斷面及長度均勻性差。一般來講，擠壓制品具備前粗后小、內(nèi)粗外小的特點(diǎn)。大多數(shù)實(shí)用價值較高且成分復(fù)雜的合金在進(jìn)行熱變形處理后，自身原有的經(jīng)歷會成倍膨大，遠(yuǎn)超出其臨界大小，這種現(xiàn)象被稱為粗化，而膨脹后的晶粒被稱為粗晶粒。

6.1.2 擠壓裝備制品的機(jī)械性能

擠壓制品在制作過程中一旦形狀發(fā)生改變或流動均勻性降低，均會導(dǎo)致擠壓工藝制品的質(zhì)量遠(yuǎn)低于正常標(biāo)準(zhǔn)。擠壓過小時，就會導(dǎo)致制品各方面的性能都趨于不均勻化；而擠壓過大時，反而會導(dǎo)致相關(guān)制品的各方面性能一致化。

6.2 擠壓制品的質(zhì)量控制

6.2.1 制品斷面形狀與尺寸

影響因素有：錠坯被擠壓時其流動性難以控制；生產(chǎn)規(guī)模小，生產(chǎn)效率低下，設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致擠壓制品形狀改變無法達(dá)標(biāo)。

6.2.2 制品表面質(zhì)量

擠壓制品要求表面清潔、光滑，不摻任何雜質(zhì)，該制品的質(zhì)量要求中明確指出擠壓制品表面有輕微的擦傷或偏差等并不影響該產(chǎn)品的質(zhì)量。而需要再次進(jìn)行加工的，毛料通過擠壓后可以對其表面進(jìn)行再次的修理，來提高該產(chǎn)品的質(zhì)量。而擠壓制品的成品或者毛坯都必須保證粗晶環(huán)的深度在正常范圍內(nèi)，要經(jīng)過適宜溫度的燒灼，禁止出現(xiàn)偏析聚集、縮尾、裂紋、氣孔、成層以及外來夾雜物。

6.2.3 擠壓工藝參數(shù)對制品組織性能的影響

擠壓工藝參數(shù)對制品組織性能的影響分別體現(xiàn)在擠壓溫度、擠壓速度及變形程度三個方面。在生產(chǎn)擠壓工藝制品的過程中，擠壓溫度對擠壓速度的影響極為巨大，二者呈反比，換句話說，就是若擠壓溫度超過標(biāo)準(zhǔn)溫度，擠壓速度就應(yīng)當(dāng)適當(dāng)放低，借此來保證擠壓工藝產(chǎn)品在制作過程中能夠充分散熱。

7 注意擠壓鋁型材表面毛刺形成及解決措施

鋁型材反復(fù)擠壓的過程會使其逐漸發(fā)生彎曲、磕碰等。而一旦形成粘鋁，毛刺粘附在上，就會導(dǎo)致鋁型材在后續(xù)的使用過程當(dāng)中氧化概率直線上升，從而損傷該產(chǎn)品的表面。因此在進(jìn)行擠壓生產(chǎn)時，要不斷地進(jìn)行觀察，并收集相關(guān)的數(shù)據(jù)加以分析，找到適合的預(yù)防措施，降低擠壓鋁型材表面毛刺形成的可能性。

7.1 毛刺的形成原因

7.1.1 擠壓工藝的影響

擠壓工藝參數(shù)如果選擇錯誤就會導(dǎo)致顆粒狀冒充的現(xiàn)象出現(xiàn)。在擠壓過程中擠壓溫度越高，速度越快，就會導(dǎo)致大量的毛刺產(chǎn)生并附著在粘鋁部位，這一現(xiàn)象主要是受到型材流動速度、模具變形程度、金屬流動性以及變形抗力等多個因素的影響；擠壓系數(shù)變大就會導(dǎo)致金屬的變形，抗力增大，擴(kuò)大粘鋁出現(xiàn)的可能性，從而導(dǎo)致大量的吸附顆粒增加；而顆粒狀毛刺增多的現(xiàn)象也受到鑄棒加熱，溫度與模具溫度差異影響。

7.1.2 鑄棒質(zhì)量的影響

鋁泵中或多或少都存在一些雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)在熔鑄的過程當(dāng)中被反復(fù)擠壓，且無法被吸收或熔解，就會產(chǎn)生顆粒狀毛刺附著在生產(chǎn)模具上。泵在制作過程當(dāng)中始終存在一定的缺陷，而最突出的缺點(diǎn)就是與鑄棒基體焊合不好，導(dǎo)致機(jī)體的流動性較差，并且在擠壓的過程當(dāng)中，雜質(zhì)很容易從這一漏洞中分離出來，從而提高粘鋁的形成概率，進(jìn)而產(chǎn)生顆粒狀毛刺。

7.1.3 模具的影響

在擠壓過程中，生產(chǎn)模具始終受到高溫以及高壓的影響，形狀極易發(fā)生變化。并且在生產(chǎn)過程當(dāng)中，模具受到的壓力方向來源不同，模具的某些部位無法承受高溫及高壓，就會導(dǎo)致相關(guān)部位粘連。而產(chǎn)生粘連時，顆粒被型材帶出后，極易粘附在這些部位，最終導(dǎo)致該部位毛刺過多，影響生產(chǎn)模具的正常使用。

7.2 減少毛刺的措施

（1）模具在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中必須要保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，要經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算，才能夠保證該模具的抗壓性能。而應(yīng)當(dāng)著重注重工作帶的長短等各項(xiàng)數(shù)值，并將其調(diào)整至最佳。在制作相關(guān)的模具過程當(dāng)中，一定要盡量避免或減少誤差，防止出現(xiàn)尖角等易損傷產(chǎn)品質(zhì)量的現(xiàn)象。而這些模具在對其進(jìn)行使用時，除了要經(jīng)過氮化處理，一定要搭配配套的模墊。與此同時更要保證工作帶的平穩(wěn)運(yùn)行，選擇適宜尺寸，把緊螺栓。

（2）在生產(chǎn)鋁型材的過程當(dāng)中，不斷地收集相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，并對其進(jìn)行分析，最終篩選出滿足產(chǎn)品質(zhì)量需求的擠壓參數(shù)，并依靠擠壓系數(shù)、型材斷面情況等來明確制作鋁型材時所需的各項(xiàng)具體最佳數(shù)據(jù)，在制作過程當(dāng)中根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)狀況隨時進(jìn)行調(diào)整。這些舉措有助于消除或減少“吸附顆?！薄?/p>

（3）提高鑄棒的質(zhì)量。在鑄造鑄棒時，生產(chǎn)者應(yīng)當(dāng)提高自身的生產(chǎn)水平及技術(shù)水平，向先進(jìn)廠家學(xué)習(xí)并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，借助細(xì)化晶粒工藝進(jìn)行鑄造的同時，制定相應(yīng)的管理機(jī)制及監(jiān)督機(jī)制，提高自身抗風(fēng)險能力的同時，降低產(chǎn)品的瑕疵度，保證鑄棒均勻。

8 結(jié)束語

我國是擠壓生產(chǎn)大國，與世界擠壓技術(shù)裝備水平相比，我國當(dāng)前相關(guān)技術(shù)仍然處在落后階段，不僅無法滿足生產(chǎn)需求，所生產(chǎn)的產(chǎn)品類型也較為單一，質(zhì)量較差，市場競爭激烈。部分生產(chǎn)技術(shù)基礎(chǔ)較為先進(jìn)的廠家，應(yīng)借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，加速對擠壓機(jī)的進(jìn)行改造，并依靠當(dāng)前日漸先進(jìn)的科技力量，提高軟實(shí)力的同時，收集相關(guān)的制作信息及數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行深入的研究及分析，借此來提高我國的技術(shù)水平，提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時，提升我國的國際競爭力。