陳樹欽，廖永景，黃漚東，鄭健全

（廣東興發(fā)精密制造有限公司，廣東 佛山 528137）

0 引言

鋁合金型材具有高強(qiáng)度、質(zhì)量輕、易加工等特性，其應(yīng)用范圍也是越來越廣泛，近年來國內(nèi)外對鋁合金型材的需求量大幅度增加，一方面是鋁合金耐腐蝕的優(yōu)良特性，使得其十分符合當(dāng)代環(huán)保的趨勢，越來越多人使用鋁合金型材進(jìn)行裝修，另一方面，隨著技術(shù)的不斷革新，鋁合金在新能源汽車、高鐵、大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等工業(yè)材領(lǐng)域的成功應(yīng)用，其需求量日益增加。隨之而來的是鋁合金型材的生產(chǎn)規(guī)模也逐漸擴(kuò)大，就世界水平而言，中國萬噸擠壓機(jī)的占有量已經(jīng)達(dá)到國際的先進(jìn)水平，近年來國內(nèi)出現(xiàn)了大量的全自動連續(xù)的鋁型材擠壓設(shè)備[1]。根據(jù)擠壓過程金屬的流動方向與擠壓桿的運(yùn)動方向可以分為正擠壓與反擠壓，正擠壓是指金屬的流動方向與擠壓桿的運(yùn)動方向一致。金屬錠坯與擠壓筒內(nèi)壁間有相對滑動，且存在很大的外摩擦力。反擠壓是指金屬的流動方向與擠壓桿的運(yùn)動方向相反。目前國內(nèi)鋁合金擠壓設(shè)備仍舊以正擠壓設(shè)備為主。

我國在鋁合金擠壓模具這方面也取得了許多成果，但是在模具技術(shù)上較發(fā)達(dá)國家還是存在比較大的差距。盡管國內(nèi)個別大型企業(yè)配備有限元分析計(jì)算軟件，使得模具的設(shè)計(jì)更加貼近實(shí)際生產(chǎn)情況，但絕大部分模具技術(shù)還是依靠設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)沉淀，通過不斷的試模、修模的方式進(jìn)行生產(chǎn)。本文主要介紹了正擠壓過程中，鋁合金擠壓的金屬流動特點(diǎn)、鋁合金擠壓模具的全生命周期過程以及擠壓速度提升的技術(shù)管控要點(diǎn)，一定程度上避免因模具多次上機(jī)而導(dǎo)致的人力物力浪費(fèi)。

1 鋁擠壓過程及金屬流動特性

鋁合金擠壓過程中，錠坯所受的外力不是均勻的，金屬流動變形也不是均勻的，一般將鋁合金擠壓過程分為3 個階段分別是填充擠壓階段、平流擠壓階段和紊流擠壓階段[2]。填充階段金屬受到擠壓軸的壓力，首先充滿擠壓筒與?？?，擠壓力P 直線上升，達(dá)到突破壓力峰值后進(jìn)入平流擠壓階段，擠壓力P 逐步降低，此階段是鋁制品成型有效產(chǎn)出的重要階段，最后進(jìn)入紊流擠壓階段，擠壓筒內(nèi)的鑄錠長度減小到接近變形區(qū)壓縮錐高度時(shí)的金屬流動發(fā)生紊亂，鋁制品容易出現(xiàn)縮尾、雜質(zhì)等缺陷，生產(chǎn)中常以擠壓留壓余的方式處理。在擠壓過程中，金屬受到擠壓力、變形力、摩擦力等，產(chǎn)生一定的溫升，并且擠壓速度越快，溫升越大。而金屬在擠壓方向上的流速，呈現(xiàn)出的是越是靠近擠壓軸中心的金屬流動速度越快的特點(diǎn)。

2 鋁合金擠壓模具的生命周期

鋁加工企業(yè)的模具的全生命周期大體上可以分為模具設(shè)計(jì)、模具加工制造、模具維修、模具使用保養(yǎng)、模具報(bào)廢5 個階段。

（1）模具設(shè)計(jì)的基本原則是通過結(jié)合鋁合金擠壓生產(chǎn)過程中的金屬流通特性，通過控制擠壓比、分流孔數(shù)量以及形狀、工作帶長度等來控制金屬的流量速度以及分配的合理性，實(shí)現(xiàn)鋁制品整齊出料，需要提的是擠壓過程中的壓力控制也是設(shè)計(jì)者要重點(diǎn)考慮的因素，壓力越低，越有利于生產(chǎn)。模具設(shè)計(jì)階段是模具全生命周期的發(fā)起點(diǎn)，其設(shè)計(jì)是否合理、科學(xué)，直接決定了模具的成敗。國內(nèi)一些大型企業(yè)逐步也投入計(jì)算機(jī)有限元分析軟件，借助于計(jì)算機(jī)的高速自動和仿真模擬智能。通過對擠壓制品虛擬設(shè)計(jì)然后進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模擬獲得現(xiàn)場無法獲得的物理性能參數(shù)，然后對不佳之處進(jìn)行優(yōu)化，直到獲得性能達(dá)標(biāo)的樣品，再提交實(shí)際擠壓生產(chǎn)[3]。

（2）模具加工制造是指通過機(jī)加工設(shè)備將模具鋼根據(jù)圖紙要求加工成型，并進(jìn)行一定熱處理工藝。模具加工除要保證加工尺寸符合圖紙要求外，還要有高要求的表面粗糙度，特別是工作帶的表面粗糙度要求達(dá)到0.4～1.6μm，工作帶變化處以及模腔分流孔過渡區(qū)、焊合室中的拐接處要圓滑過渡，不能有明顯的棱角。在市場競爭激烈的環(huán)境下，很多時(shí)候由訂單的貨期短，模具在加工過程中未能細(xì)致做到位，常見加工精度不良是工作帶不平、工作帶長度與圖紙不一致，表面粗糙等缺陷。模具加工制作過程，要減少手工操作的環(huán)節(jié)，縮短流程，減少人工操作的精度影響問題。另外，模具在上機(jī)進(jìn)行試模前，建議設(shè)置模具加工質(zhì)量的驗(yàn)收環(huán)節(jié)，以減少不良模具上機(jī)造成生產(chǎn)成本浪費(fèi)。

（3）模具維修。鋁合金在擠壓成型過程中，由于受到盛錠筒、模具端面、模具工作帶等表面的摩擦作用，使得其金屬的流動過程是極其不均勻的，當(dāng)鋁制品的形狀復(fù)雜、不對稱時(shí)，這種金屬流動的不均勻性會更加的明顯。模具在設(shè)計(jì)時(shí)很難完全科學(xué)地調(diào)整甚至消除這種不均勻性差異，模具制造時(shí)又受設(shè)備加工精度的影響，因此，模具上機(jī)生產(chǎn)過程中，不可避免會出現(xiàn)各種缺陷甚至是廢品，為了消除缺陷，使產(chǎn)品的尺寸精確穩(wěn)定，不產(chǎn)生扭擰、波浪、平面間隙、暗影、開口或者收口等缺陷，就必須力求各部位的金屬盡量均衡流出模孔的工作帶，因此，常需要根據(jù)模具上機(jī)的具體情況進(jìn)行相應(yīng)的模具維修（簡稱修模）。而修模的本質(zhì)，核心就是通過正確的分析和判斷，合理調(diào)整金屬在模具內(nèi)的流速。掌握這一特點(diǎn)，通過采用阻礙（打麻點(diǎn)、堆焊凸臺、補(bǔ)焊延長工作帶）、加快、擴(kuò)大或者縮小分流孔尺寸等方式進(jìn)行模具維修，使得鋁制品在擠壓生產(chǎn)過程中能均衡出料。

（4）模具使用保養(yǎng)。模具使用保養(yǎng)主要分為模具拋光以及模具氮化兩方面。模具拋光的作用主要是提高模具的光潔度。此工序看似是一種相對技術(shù)含量簡單的工種，但一些國內(nèi)老企業(yè)和國外模具制造業(yè)很注重這道工序，每次拋光工人拿到一套模具后都當(dāng)作一件藝術(shù)品進(jìn)行雕琢，經(jīng)他們手拋的模具工作帶平整、光潔、平行度和垂直度很高，相對于那些“多做快裝”的粗糙品來說，節(jié)約了大量的試模、修模費(fèi)用和生產(chǎn)時(shí)間[4]。從生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)看，因模具拋光質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致鋁制品出現(xiàn)粗紋、拉鉤等質(zhì)量缺陷大概占據(jù)模具上機(jī)缺陷的5%。模具氮化是為了提高模具（H13 鋼）硬度、耐磨性、耐蝕性、抗粘結(jié)性及抗熱疲勞性能，進(jìn)而達(dá)到提升鋁制品表面質(zhì)量的效果，是模具保養(yǎng)的重要工序。

（5）模具報(bào)廢。模具報(bào)廢分為兩種：①模具使用壽命（也叫模具通過量）達(dá)標(biāo)而產(chǎn)生的報(bào)廢，目前國內(nèi)企業(yè)針對不同規(guī)格的模具通過量數(shù)值沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，都是按企業(yè)的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。②模具使用量未達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，但在使用過程中模具尺寸不符、模具開裂等某項(xiàng)原因造成缺陷而無法修復(fù)的異常報(bào)廢。

3 鋁合金擠壓速度提升措施

（1）擠壓機(jī)設(shè)備與模座對中性管控。擠壓生產(chǎn)過程中，擠壓桿軸心與模座中心的對中性好，是保障模具正確使用的基礎(chǔ)條件。鋁合金生產(chǎn)屬于大型設(shè)備的生產(chǎn)制造，常因?yàn)樵O(shè)備磨損、保養(yǎng)不到位等原因?qū)е聰D壓桿軸心與模座中心不在同一水平線上，對中性不達(dá)標(biāo)極其容易導(dǎo)致生產(chǎn)過程中壓力不均衡，出現(xiàn)鋁制品快慢不均、斜角等缺陷，而且使得修模人員無法正確判定模具實(shí)際情況，特別是對一出多模具的影響最為顯著。設(shè)備的對中性是擠壓工藝技術(shù)保證的重中之重，建議鋁加工企業(yè)定期檢查一次，確保設(shè)備的良好性能以保證工藝精度。

（2）擠壓過程液氮冷卻技術(shù)應(yīng)用。鋁合金擠壓過程因受到摩擦力以及金屬變形的影響，金屬以及模具出現(xiàn)不同程度的溫升，這種對模具的溫升容易對生產(chǎn)造成不利的影響，特別是在擠壓過程中后段，隨著擠壓出口溫度升到555℃以上后，在擠壓速度不降低的情況下，容易出現(xiàn)變形、拉爛等缺陷。通過利用在模墊開孔充入液氮冷卻模具的方式，促進(jìn)型材出料口溫度可降低20～30℃，在提升擠壓速度的情況下，充入氮?dú)饪蓪?shí)現(xiàn)型材出料口溫度不會超溫，進(jìn)而提升生產(chǎn)效率，如表1 所示，在1800t 擠壓機(jī)生產(chǎn)一出二的扇料型材，在充入氮?dú)馇埃＞邤D壓主缸速度超過5mm/s 時(shí)，型材后段出現(xiàn)拉爛缺陷，在充入氮?dú)饫鋮s后，擠壓速度較原來提升50%仍可正常生產(chǎn)，擠壓出料后段的溫升得到控制，且型材表面光亮無顆粒感。表1 為液氮冷卻擠壓實(shí)驗(yàn)。

表1 液氮冷卻擠壓實(shí)驗(yàn)

（3）鋁棒的梯度加熱技術(shù)應(yīng)用。從前述的擠壓過程中金屬流動性可知，擠壓速度越快，金屬出現(xiàn)的溫升也越大。而為了控制這類溫升，就需要通過控制鋁棒呈現(xiàn)“前高后低”的溫度梯度，以便控制鋁制品在擠壓后半段不出現(xiàn)超溫導(dǎo)致的拉爛等現(xiàn)象。鋁棒梯度加熱爐或者配置可分區(qū)控溫的單棒爐的技術(shù)應(yīng)用，可以有效控制鋁棒的梯度效果。筆者采用單棒爐按照10℃的溫度梯度分三區(qū)進(jìn)行控制，一出二模具在2200t 擠壓機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)多款型材，擠壓速度能達(dá)到14mm/s，如表2 所示。

表2 鋁棒梯度加溫技術(shù)應(yīng)用

（4）模具氮化處理管控。通過模具氮化金相分析，模具一次氮化后只有一層很薄的硬而脆的白亮化合物層，厚度只有幾微米；二次氮化后滲氮層厚度有了明顯提高，滲氮層主要由兩部分組成，即表面的致密氮化層及次表面疏松的擴(kuò)散層，氮化層約為34μm，擴(kuò)散層厚度約45μm；三次氮化后氮化層厚度約42μm，擴(kuò)散層厚度約為36μm。通過計(jì)算可知，三次氮化后氮化層厚度（78μm）與二次氮化（79μm）相比厚度變化不大，但三次氮化的氮化層的致密度有所提高[5]，工作帶硬度增加。因此，模具在使用過程中，必須根據(jù)氮化次數(shù)控制擠壓的棒數(shù)，及時(shí)進(jìn)行氮化處理，避免因氮化不足，模具工作帶過渡使用造成磨損導(dǎo)致報(bào)廢。

更重要一點(diǎn)是送氮化前的拋光質(zhì)量，直接影響到模具工作帶的表面氮化層質(zhì)量，常見的缺陷是明顯拋光痕、釘位漏拋、殘留鋁渣不干凈等，其造成的不良影響往往是不可逆的。筆者曾經(jīng)在某企業(yè)通過管控模具送氮化前的拋光質(zhì)量，使得模具的上機(jī)合格率提升的同時(shí)，也促進(jìn)整體車間主缸擠壓平均速度提升至少1mm/s 以上。

（5）模具空刀、引料槽的修正。在擠壓生產(chǎn)工藝保證的情況下，提升擠壓速度的過程中，最容易出現(xiàn)拖爛的常常是鋁型材的毛條位、鋼片位、釘位等位置，產(chǎn)生的原因主要是在高速擠壓過程中，該位置的供水不足以及出料口空刀的預(yù)留位置不足導(dǎo)致。修模人員通過擴(kuò)大此類位置的引料槽、提高引料槽表面光潔度、增加空刀預(yù)留位置的方式，是有效促進(jìn)擠壓速度提升的方式之一。

4 結(jié)語

鋁合金擠壓生產(chǎn)擠壓速度提升的影響因素較多，除以上所述幾點(diǎn)外，鋁棒的成分以及質(zhì)量、設(shè)計(jì)上擠壓比的選擇、合金材質(zhì)的選擇、模具設(shè)計(jì)布局的合理性、設(shè)備性能等方面對擠壓速度的影響也十分重要。在市場競爭進(jìn)入白熱化情緒下，減低生產(chǎn)成本是企業(yè)生產(chǎn)生存的重要環(huán)節(jié)，為此，拋開模具設(shè)計(jì)技術(shù)水平參差不齊影響因素外，通過擠壓工藝的優(yōu)化、模具使用過程的維保，減少不要的模具試模以及上機(jī)缺陷，促進(jìn)提升擠壓速度，進(jìn)而提升企業(yè)的生產(chǎn)效率。