擠壓技術(shù)和裝備

1、鋁合金擠壓技術(shù)和裝備1前言 我國鋁擠壓加工從二十世紀五十年代開始，先后經(jīng)歷了五十年代的前蘇聯(lián)援建、六、七十年代的獨立發(fā)展和八、九十年代的高速發(fā)展時期。八十年代以前我國僅有以生產(chǎn)硬鋁合金管、棒、型、線為主的東北輕合金加工廠、西北鋁加工廠和西南鋁加工廠三大廠家和少數(shù)幾個生產(chǎn)普通材的地方企業(yè)，現(xiàn)已發(fā)展到近千家鋁擠壓企業(yè)，擁有2500余臺擠壓機，年生產(chǎn)能力超過2000kt，成為一個鋁擠壓生產(chǎn)大國，擠壓企業(yè)數(shù)量、擠壓機臺數(shù)和生產(chǎn)能力和年產(chǎn)量均居世界前列。生產(chǎn)的產(chǎn)品以建筑鋁型材和工業(yè)型材為主。鋁型材加工設(shè)備正在不斷的完善和提高，其裝備水平接近國外二十世紀九十年代的先進水平。但從整個加工工業(yè)來看，與西方發(fā)達

2、國家相比還有較大的差距。本文說明我國擠壓工業(yè)的現(xiàn)狀，并與國外擠壓工業(yè)進行了比較。敘述了國外擠壓新技術(shù)和新裝備。2國內(nèi)鋁擠壓工業(yè)現(xiàn)狀21 產(chǎn)品品種和產(chǎn)品質(zhì)量 我國鋁擠壓工業(yè)以生產(chǎn)建筑鋁型材為主，工業(yè)鋁型材生產(chǎn)剛剛起步，航空用硬鋁合金型材停步不前，產(chǎn)量很少。合金以6063為主，由于絕大多數(shù)廠家擠壓機后未配合適的在線水淬火裝置或淬火爐，很少開發(fā)和生產(chǎn)工業(yè)用可熱處理強化的中等強度的其它6000系、7003、7005、7201等合金，生產(chǎn)的合金品種單一。大多數(shù)廠家產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、裝備水平和生產(chǎn)技術(shù)雷同，市場競爭十分激烈，生產(chǎn)能力大量過剩。由于受裝備、生產(chǎn)技術(shù)和模具的限制，生產(chǎn)的產(chǎn)品精度和質(zhì)量不高，部分高精度管

3、材和工業(yè)材還需進口。22 技術(shù)裝備水平 我國八十年代以前建設(shè)的三大鋁加工廠，擠壓機多為水壓機，擠壓、熱處理、精整采用非連續(xù)生產(chǎn)方式，主要生產(chǎn)硬鋁合金材，設(shè)備為五、六十年代裝備水平。八、九十年代建設(shè)的鋁擠壓廠大多以臺灣設(shè)備和國內(nèi)自行設(shè)計制造的擠壓機為主，只有為數(shù)不多的廠家引進了國外先進的擠壓機。擠壓生產(chǎn)均采用擠壓、在線風(fēng)冷或水冷淬火、精整流水作業(yè)生產(chǎn)方式，擠壓機采用油泵傳動，整條生產(chǎn)線多為PLC控制。在技術(shù)上，雖然消化吸收了西方工業(yè)發(fā)達國家的技術(shù)，但仍以臺灣技術(shù)為主。擠壓機多為小噸位擠壓機，以單根擠壓為主，手動操作，生產(chǎn)效率低、成品率低，產(chǎn)品精度和表面質(zhì)量不高，大多數(shù)工廠使用未經(jīng)均勻化處理的鑄錠

4、，不符合新國家標準的要求。23 模具加工技術(shù) 我國專業(yè)化擠壓模具加工廠不多，一些大中型企業(yè)均有模具加工中心，模具標準化程度不高。模具設(shè)計多采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，近年開發(fā)出的平面模和分流組合模計算機輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng)已得到了應(yīng)用。由于采用新型模具材料和表面處理技術(shù)，提高了?？妆砻嬗捕龋＞呤褂脡勖灿兴岣?。在擠壓生產(chǎn)中，新模具通常要經(jīng)過2-3次試模和一次以上的修模。3國內(nèi)外鋁擠壓工業(yè)的差距 我國鋁擠壓工業(yè)與西方發(fā)達國家的差距見表1。4國外擠壓新枝術(shù)41 長錠加熱 歐美國家中小型擠壓生產(chǎn)線多采用長錠加熱，熱坯剪切生產(chǎn)方式。采用熱坯剪，在擠壓生產(chǎn)中根據(jù)不同規(guī)格的型材所需的鑄錠長度設(shè)定剪切長度，一

5、根長錠剪切剩下的短錠可與下一長錠相接剪切成所需的鑄錠長度，因此，剪切不產(chǎn)生廢料，提高了成品率，也減少了鋸屑量。生產(chǎn)中可根據(jù)切定尺的要求確定合理的錠長，隨時調(diào)整鑄錠長度，從而提高了成品率。42 等溫擠壓 在擠壓過程中，為提高生產(chǎn)能力，往往希望在接近臨界擠壓速度下生產(chǎn)，而在實際生產(chǎn)中往往采用較保守的擠壓速度。擠壓過程中由于鑄錠與擠壓筒的摩擦和擠壓變形產(chǎn)生的熱量使擠壓材的溫度越來越高，擠壓材前后溫度相差較大，導(dǎo)致型材沿長度方向組織性能不均勻，在擠壓中后期如果擠壓速度太高時型材表面容易出現(xiàn)裂紋。為防止這種溫升，提出了在擠壓過程中使擠壓材出?？跍囟仁冀K保持一致的等溫擠壓方法。等溫擠壓法尤其適合于臨界擠壓

6、速度低的2000、7000和部分5000系等硬鋁合金的生產(chǎn)。對擠壓速度較高的軟合金，通常擠壓機通常采取鑄錠梯溫加熱或梯度冷卻和擠壓減速控制等方法模擬等溫擠壓。 鑄錠梯溫加熱是根據(jù)擠壓過程中擠壓材前后溫差而確定鑄錠的加熱溫度梯度。鑄錠感應(yīng)爐的梯溫加熱通常是將加熱線圈沿長度分成幾個區(qū)，各個區(qū)的加熱功率不同，鑄錠前端加熱功率高，后端加熱功率低，從而得到鑄錠前端溫度高而后端溫度低的梯溫加熱，其溫度梯度一般在0-15/100mm。長錠燃氣加熱通常采用加熱鑄錠出爐后梯度冷卻方式，使鑄錠同樣在縱向形成前高后低的溫度梯度。 擠壓減速控制即是在擠壓中后期逐漸降低擠壓速度，以減少擠壓材的溫升。這種減速控制通常用于

7、軟合金材的擠壓速度控制，此種控制方法平均擠壓速度大于普通的等速擠壓的速度。 為實現(xiàn)等溫擠壓，也采取擠壓筒分區(qū)加熱措施，在25MN以上的擠壓機擠壓筒加熱分4-6區(qū)，由SCR或PID控制擠壓筒加熱溫度。擠壓筒還設(shè)有冷卻通路，在擠壓筒外套(或中套)內(nèi)側(cè)靠近模具部分設(shè)置螺旋溝槽，擠壓中后期通壓縮空氣，帶走鑄錠與擠壓筒的摩擦熱，從而控制鑄錠的溫升。43 擠壓過程溫度控制 在擠壓過程，通常需要控制鑄錠加熱溫度、擠壓型材出模口溫度和淬火冷卻后的溫度，以確保具有所需的擠壓性能，并獲得縱向性能一致、機械性能優(yōu)良的制品。隨著遠紅外測溫技術(shù)的發(fā)展，國外一些工廠已在鑄錠出爐后、前粱出口和淬火裝置后設(shè)測量精度相對較高(

8、精度1，響應(yīng)時間005-1s)的非接觸式的紅外測溫儀，可連續(xù)測量、顯示和記錄鑄錠和擠出材溫度，同時超溫報警。測量出鑄錠的溫度，通過計算機可確定最佳的擠壓速度參數(shù)。測量擠壓出?？跍囟龋ㄟ^調(diào)節(jié)鑄錠加熱溫度使型材出?？跍囟缺３衷谒蟮臏囟确秶⒖赏ㄟ^計算機適當(dāng)調(diào)整擠壓速度和鑄錠加熱溫度梯度，實現(xiàn)更為精確的等溫擠壓。這種測溫技術(shù)的應(yīng)用將促進等溫擠壓技術(shù)的發(fā)展。44 高速擠壓 目前先進的擠壓生產(chǎn)線為提高生產(chǎn)效率，除從機械上考慮盡可能減少擠壓機固定周期(非擠壓時間)外還采用高速擠壓法。眾所周知，擠壓材的質(zhì)量與擠壓出口速度和擠壓溫度密切相關(guān)。在擠壓過程中，當(dāng)擠壓速度過快時，不均勻變形加劇，鑄錠溫升較快

9、，金屬流動不均勻和出?？跍囟冗^高，易造成擠壓材表面撕裂、粗糙和模具損壞。國內(nèi)為提高擠壓速度，一般僅采用低溫擠壓。國外先進擠壓線除采用設(shè)計合理的模具外采取模具、擠壓筒冷卻，帶走部分金屬變形、摩擦產(chǎn)生的熱量，防止模具溫度上升，抑制型材產(chǎn)生表面缺陷，延長模具壽命。 對于硬合金(2000、7000系合金和部分5000系)，采用液氮冷卻模具。軟合金(6000系合金)可以采用氣氮冷卻模具。 在模具設(shè)計上，考慮減小不均勻的形變率，使金屬流動壓力均等，流動平滑，在棋子入口端設(shè)置形狀與型材外形相似的導(dǎo)流腔，使金屬流動更均勻，并延長模具壽命。45 計算機優(yōu)化擠壓工藝參數(shù) 擠壓材的質(zhì)量取決于擠壓過程中擠壓比、擠壓速

10、度和鑄錠預(yù)熱溫度等工藝參數(shù)。目前國外已有廠家利用計算機優(yōu)化擠壓工藝參數(shù)。計算機通過存儲的材料性能、擠壓特性、加工范圍、擠壓機噸位、鑄錠直徑、擠壓筒尺寸、最大擠壓桿速度、產(chǎn)品資料等效據(jù)得出擠壓臨界圖(如圖4)1。此圖描述擠壓溫度和速度的關(guān)系，圖中有三條臨界線，第1條是對應(yīng)于擠壓機能力的壓力臨界線，第2條是材料的機械性能臨界線，第3條是出現(xiàn)表面缺陷的表面臨界線，在壓力臨界線和表面臨界線下接近兩線的交點處區(qū)域為最佳工藝參數(shù)范圍，計算機經(jīng)過運算、模擬擠壓過程，分析得出最佳的工藝參數(shù)，包括擠壓速度、鑄錠加熱溫度和鑄錠尺寸。46 在線控制產(chǎn)品尺寸精度 國外先進生產(chǎn)線已開始采用激光測量技術(shù)和層析X射線攝像檢

11、測技術(shù)在線檢測型材的幾何尺寸。 激光檢測系統(tǒng)是從不同方向測量連續(xù)擠出制品的外形尺寸，通過與計算機存儲圖像比較，對制品尺寸精度進行控制。并對模具進行管理。 層析X射線攝像檢測系統(tǒng)是利用普通醫(yī)學(xué)上使用的CT原理，在線掃描出空心或?qū)嵭男筒牡哪骋粩嗝?，生成圖像顯示在電腦屏幕上，與電腦存儲的設(shè)計數(shù)據(jù)(型材斷面圖形的CAD文件)進行比較，自動檢測所有臨界尺寸，顯示是否超出公差，并存儲檢測數(shù)據(jù)，典型的檢測周期時間為1-2min2。此項技術(shù)用于復(fù)雜斷面和公差范圍窄的型材幾何尺寸的在線控制。操作者根據(jù)檢測結(jié)果，決定是否換模，對于新模具，還可將檢測數(shù)據(jù)通過計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到模具制造部門。采用型材在線幾何尺寸檢測，大

12、大提高了產(chǎn)品的精度控制和成品率。47 模具設(shè)計與制造 鋁型材擠壓過程金屬流動、溫度、壓力變化非常復(fù)雜，且型材斷面越復(fù)雜，變形不均勻程度越大，當(dāng)使用不合適的擠壓模或擠壓速度時，會造成型材扭擰、彎曲、產(chǎn)生波浪，生產(chǎn)中通常要反復(fù)試模、修模才能生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。國外先進企業(yè)模具采用CAD系統(tǒng)進行輔助設(shè)計，并根據(jù)加工工藝參數(shù)(鑄錠溫度和尺寸、擠壓速度等)，采用三維有限元加工模型動態(tài)模擬擠壓過程中材料流動、變形率分配、溫度分布和壓力分布，通過計算機的分析計算，優(yōu)化設(shè)計擠壓模具。通過CAM(計算機輔助制造)系統(tǒng)，用CNC(計算機數(shù)控)機床進行模具加工。由此設(shè)計制造的模具，擠壓時金屬流動均勻，產(chǎn)品精度高，并大大

13、減少了試模、修模次數(shù)。48 反向擠壓技術(shù) 鋁和鋁合金的熱擠壓通常采用正向擠壓和反向擠壓兩種方式，目前國際上普遍采用的是正向擠壓法。反向擠壓由于比正向擠壓所要求的擠壓力減小10-30，鑄錠和擠壓筒表面沒有摩擦，溫升小，金屬流動均勻，制品的組織性能均勻、尺寸精度高，可采用較高的擠壓速度，擠壓AA2000、5000、6000和7000系合金時，其擠壓速度為正向擠壓的17-42倍3，因此，近幾年反向擠壓機在硬合金的擠壓上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是反向擠壓所需鑄錠表面質(zhì)量高，擠壓工具費用高。目前國外正大力研究解決這些問題，以使反向擠壓技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。49 三維擠壓技術(shù) 三維擠壓技術(shù)是集擠壓和機械

14、加工于一體的一步成型技術(shù)。如在擠壓模出口處安裝一個旋轉(zhuǎn)模，可沿型材縱向加工出所需的凹凸刻痕；在擠壓機后裝一套彎曲裝置，將擠出型材彎曲成所需形狀等，如圖2、34。5國外擠壓裝備新進展51 擠壓機511 擠壓機結(jié)構(gòu)5111 預(yù)應(yīng)力張力柱 擠壓機采用預(yù)應(yīng)力張力柱結(jié)構(gòu)，即對張力柱施加一定的拉應(yīng)力，減少其在擠壓時產(chǎn)生的彈性延長量，提高擠壓機的剛性，大大減少了擠壓時前梁的移動，減少了模具變形，提高了擠壓型材的尺寸精度，也延長了張力柱的壽命。老式結(jié)構(gòu)的張力柱多為實心圓柱，各有一對對開螺母把張力柱與前后粱固牢。這種結(jié)構(gòu)的張力柱在擠壓時要承受從0到最大擠壓力的拉應(yīng)力，變形量大。新的預(yù)應(yīng)力張力柱結(jié)構(gòu)是在前后梁之間

15、張力柱的外面加一個方套管或圓套管，給張力柱施加預(yù)應(yīng)力后，形成張力柱受拉應(yīng)力，套管受壓應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，在擠壓時張力柱承受的拉力為擠壓力與套管受壓而施加給張力柱的殘留拉力之和，此殘留拉力隨擠壓力增大而減小，張力柱所受拉應(yīng)力始終在預(yù)應(yīng)力與擠壓時所受拉應(yīng)力之間變化，其應(yīng)力變化幅度較小，擠壓過程中張力柱的彈性伸長量也小。5112 短行程擠壓機 短行程擠壓機雖早已投入生產(chǎn)，但開始并未引起人們的重視，只在近幾年才在歐洲推廣使用，這種短行程擠壓機是將鑄錠供在擠壓筒和模具之間或采用升降擠壓軸結(jié)構(gòu)，擠壓軸行程短，縮短了空程時間，提高了生產(chǎn)率。同時也縮短整機長度，提高了擠壓機的剛度。5113 旋轉(zhuǎn)擠壓筒式擠壓機 旋轉(zhuǎn)擠

16、壓筒式擠壓機是近些年發(fā)展的，擠壓機裝備有三個擠壓筒分別置于擠壓、裝錠、清理三個工位，三個擠壓筒可以旋轉(zhuǎn)，擠壓完畢，完成擠壓的擠壓筒旋轉(zhuǎn)至清理位，裝好鑄錠的擠壓筒則旋轉(zhuǎn)至擠壓位置開始下一個擠壓周期。這種擠壓機非擠壓時間在10秒內(nèi)，生產(chǎn)效率較高。5114 活動橫梁、擠壓筒座、擠壓墊、殘料剪 活動橫粱和擠壓筒座為“X”型導(dǎo)向，保證了擠壓機的同心度。采用固定擠壓墊結(jié)構(gòu)，省去了墊片返回機構(gòu)，并可減少殘料的厚度。殘料剪沿方形導(dǎo)軌上下移動，并帶有打料機構(gòu)，剪切后期，氣缸推動打料頭沖掉留在模具上的殘料，此剪結(jié)構(gòu)尤其適合于較薄殘料的剪切。為防止剪刃粘鋁，設(shè)有剪刃自動潤滑裝置。5115 擠壓工具更換 擠壓工具更換

17、向簡便、快捷方向發(fā)展?，F(xiàn)代擠壓機帶有平移式或旋轉(zhuǎn)式快速換模機構(gòu)，換模時間只需十幾秒。有些擠壓機還在滑動模架下設(shè)有模支承剪切機構(gòu)，換模前，將擠壓材在模支承和支承墊間切斷，擠壓材拉出后，支承墊內(nèi)無剪下的料頭，使換模操作更加方便。此機構(gòu)尤其適用于模支承與支承墊分離較為困難的大型擠壓機。擠壓筒和擠壓軸設(shè)有快速鎖緊裝置，便于其裝配和更換，縮短換工具時間。512 擠壓機液壓系統(tǒng) 目前先進的擠壓機液壓系統(tǒng)均采用液壓集成塊，結(jié)構(gòu)緊湊，主缸及其它大部分油缸采用邏輯錐閥控制，這種閥切換時響應(yīng)快，沖擊小，泄漏少，穩(wěn)定性好，控制準確可靠。擠壓速度控制采用容積式調(diào)速，主泵均為大容量軸向柱塞變量泵。對于單純生產(chǎn)建筑型材和

18、軟合金制品的擠壓機，采用價格低廉的電液比例閥調(diào)節(jié)主泵排油量，開環(huán)控制擠壓速度。對于需生產(chǎn)硬合金的擠壓機，則采用電液比例伺服閥閉環(huán)控制擠壓速度，通過擠壓桿測速儀測出的實際擠壓速度或者由主泵變量機構(gòu)的位置傳感器測出的位置值與其對應(yīng)的設(shè)定值進行比較，其偏差信號反饋給電液比例伺服閥控制主泵排油量，從而實現(xiàn)擠壓速度的閉環(huán)控制。 擠壓機液壓系統(tǒng)趨向使用更高的壓力，目前多為275bar，增加系統(tǒng)壓力，將減小缸、管、閥的尺寸和泵的流量，減小擠壓機的尺寸和重量。但需配備良好的密封件，保持液壓油清潔，油過濾精度l0m。513 擠壓機列自動控制系統(tǒng)5131 計算機控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 80年代，擠壓生產(chǎn)線采用PL

19、C(可編程邏輯控制器)控制整條生產(chǎn)線的操作。90年代，國外先進的擠壓機都配有與PLC通訊的上位機計算機(PC機)和專用軟件來監(jiān)視、控制和記錄擠壓全過程，并與全廠的計算機系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，在此計算機上通過多畫面屏幕菜單輸入工作參數(shù)、顯示工作狀態(tài)圖及主要工作參數(shù)、液壓傳動系統(tǒng)圖和輔助設(shè)備動作圖、故障報警并顯示，記錄和存儲工藝和操作參數(shù)，對模具進行編號管理，存儲每日、班、時的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和成品量，根據(jù)需要可隨時調(diào)出和打印上述參數(shù)。近年更為先進的生產(chǎn)線計算機還配有如前所述擠壓工藝參數(shù)優(yōu)化和模具設(shè)計軟件，存儲有擠壓機的資料、多種鋁合金的性能、加工范圍和加工特性等資料，當(dāng)給出擠壓材料、斷面形狀和規(guī)格、產(chǎn)品要求時，通過

20、此軟件能確定最佳工藝參數(shù)(擠壓速度、擠壓溫度、鑄錠尺寸和鑄錠梯度加熱溫度)，實現(xiàn)等溫、高速擠壓。根據(jù)工藝參數(shù)分析、計算、優(yōu)化設(shè)計出模具。PC機還可與全廠計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相連接。5132 擠壓對中檢測系統(tǒng) 擠壓簡和擠壓桿設(shè)有傳感器檢測系統(tǒng)，檢測其對中情況，并在操作盤上顯示檢測結(jié)果，以便操作人員及時調(diào)整。52 機后輔機521 機后雙牽引機 有些擠壓機機后配有帶飛鋸的雙牽引機，可避免由于牽引機返回時間長而無法滿足擠壓短固定周期(非擠壓時間)的要求，型材的中斷可在擠壓過程中進行。在擠壓過程中，可在前后擠出的兩根型材的焊合處中斷型材，或單孔擠壓變形系數(shù)較大的型材時，可使用長鑄錠，在擠壓過程中中斷連續(xù)擠出的多根型材，以提高成品率。522 水-風(fēng)冷淬火裝置 普遍設(shè)有水-風(fēng)冷卻淬火裝置，裝有噴嘴的水管和風(fēng)管縱向布置，為防止型材變形，根據(jù)不同的型材斷面，可由計算機控制不同方向的水量，以保證沿型材斷面的冷卻均勻。523 張力矯直機 先進擠壓生產(chǎn)線張力矯直機多為1人或無人操作，實現(xiàn)自動送進和移出，采用梳齒型或垂直夾緊型鉗口，縮短拉伸夾頭的長度。524 全自動鋸切 型材高精度自動定尺和自動成批鋸切，在定尺臺靠近鋸床處設(shè)有一段料頭排除裝置，自動將切下的頭尾廢料撥至廢料筐，成品自動移出。525 型材自動堆垛 先進和大型擠壓機列配有型材自動堆垛機，如圖4堆垛機將型材墊條按一定的間隔放在成品移