挤压技术和装备

铝合金挤压技术和装备1．前言我国铝挤压加工从二十世纪五十年代开始，先后经历了五十年代的前苏联援建、六、七十年代的独立发展和八、九十年代的高速发展时期。八十年代以前我国仅有以生产硬铝合金管、棒、型、线为主的东北轻合金加工厂、西北铝加工厂和西南铝加工厂三大厂家和少数几个生产普通材的地方企业，现已发展到近千家铝挤压企业，拥有2500余台挤压机，年生产能力超过2000kt，成为一个铝挤压生产大国，挤压企业数量、挤压机台数和生产能力和年产量均居世界前列。生产的产品以建筑铝型材和工业型材为主。铝型材加工设备正在不断的完善和提高，其装备水平接近国外二十世纪九十年代的先进水平。但从整个加工工业来看，与西方发达国家相比还有较大的差距。本文说明我国挤压工业的现状，并与国外挤压工业进行了比较。叙述了国外挤压新技术和新装备。2．国内铝挤压工业现状2．1产品品种和产品质量我国铝挤压工业以生产建筑铝型材为主，工业铝型材生产刚刚起步，航空用硬铝合金型材停步不前，产量很少。合金以6063为主，由于绝大多数厂家挤压机后未配合适的在线水淬火装置或淬火炉，很少开发和生产工业用可热处理强化的中等强度的其它6000系、7003、7005、7201等合金，生产的合金品种单一。大多数厂家产品结构、装备水平和生产技术雷同，市场竞争十分激烈，生产能力大量过剩。由于受装备、生产技术和模具的限制，生产的产品精度和质量不高，部分高精度管材和工业材还需进口。2．2技术装备水平我国八十年代以前建设的三大铝加工厂，挤压机多为水压机，挤压、热处理、精整采用非连续生产方式，主要生产硬铝合金材，设备为五、六十年代装备水平。八、九十年代建设的铝挤压厂大多以台湾设备和国内自行设计制造的挤压机为主，只有为数不多的厂家引进了国外先进的挤压机。挤压生产均采用挤压、在线风冷或水冷淬火、精整流水作业生产方式，挤压机采用油泵传动，整条生产线多为PLC控制。在技术上，虽然消化吸收了西方工业发达国家的技术，但仍以台湾技术为主。挤压机多为小吨位挤压机，以单根挤压为主，手动操作，生产效率低、成品率低，产品精度和表面质量不高，大多数工厂使用未经均匀化处理的铸锭，不符合新国家标准的要求。2．3模具加工技术我国专业化挤压模具加工厂不多，一些大中型企业均有模具加工中心，模具标准化程度不高。模具设计多采用传统的设计方法，近年开发出的平面模和分流组合模计算机辅助设计(CAD)系统已得到了应用。由于采用新型模具材料和表面处理技术，提高了模孔表面硬度，模具使用寿命也有所提高。在挤压生产中，新模具通常要经过2-3次试模和一次以上的修模。3．国内外铝挤压工业的差距我国铝挤压工业与西方发达国家的差距见表1。4．国外挤压新枝术4．1长锭加热欧美国家中小型挤压生产线多采用长锭加热，热坯剪切生产方式。采用热坯剪，在挤压生产中根据不同规格的型材所需的铸锭长度设定剪切长度，一根长锭剪切剩下的短锭可与下一长锭相接剪切成所需的铸锭长度，因此，剪切不产生废料，提高了成品率，也减少了锯屑量。生产中可根据切定尺的要求确定合理的锭长，随时调整铸锭长度，从而提高了成品率。4．2等温挤压在挤压过程中，为提高生产能力，往往希望在接近临界挤压速度下生产，而在实际生产中往往采用较保守的挤压速度。挤压过程中由于铸锭与挤压筒的摩擦和挤压变形产生的热量使挤压材的温度越来越高，挤压材前后温度相差较大，导致型材沿长度方向组织性能不均匀，在挤压中后期如果挤压速度太高时型材表面容易出现裂纹。为防止这种温升，提出了在挤压过程中使挤压材出模口温度始终保持一致的等温挤压方法。等温挤压法尤其适合于临界挤压速度低的2000、7000和部分5000系等硬铝合金的生产。对挤压速度较高的软合金，通常挤压机通常采取铸锭梯温加热或梯度冷却和挤压减速控制等方法模拟等温挤压。铸锭梯温加热是根据挤压过程中挤压材前后温差而确定铸锭的加热温度梯度。铸锭感应炉的梯温加热通常是将加热线圈沿长度分成几个区，各个区的加热功率不同，铸锭前端加热功率高，后端加热功率低，从而得到铸锭前端温度高而后端温度低的梯温加热，其温度梯度一般在0-15℃/100mm。长锭燃气加热通常采用加热铸锭出炉后梯度冷却方式，使铸锭同样在纵向形成前高后低的温度梯度。挤压减速控制即是在挤压中后期逐渐降低挤压速度，以减少挤压材的温升。这种减速控制通常用于软合金材的挤压速度控制，此种控制方法平均挤压速度大于普通的等速挤压的速度。为实现等温挤压，也采取挤压筒分区加热措施，在25MN以上的挤压机挤压筒加热分4-6区，由SCR或PID控制挤压筒加热温度。挤压筒还设有冷却通路，在挤压筒外套(或中套)内侧靠近模具部分设置螺旋沟槽，挤压中后期通压缩空气，带走铸锭与挤压筒的摩擦热，从而控制铸锭的温升。4．3挤压过程温度控制在挤压过程，通常需要控制铸锭加热温度、挤压型材出模口温度和淬火冷却后的温度，以确保具有所需的挤压性能，并获得纵向性能一致、机械性能优良的制品。随着远红外测温技术的发展，国外一些工厂已在铸锭出炉后、前粱出口和淬火装置后设测量精度相对较高(精度±1％，响应时间0．05-1s)的非接触式的红外测温仪，可连续测量、显示和记录铸锭和挤出材温度，同时超温报警。测量出铸锭的温度，通过计算机可确定最佳的挤压速度参数。测量挤压出模口温度，通过调节铸锭加热温度使型材出模口温度保持在所要求的温度范围，并可通过计算机适当调整挤压速度和铸锭加热温度梯度，实现更为精确的等温挤压。这种测温技术的应用将促进等温挤压技术的发展。4．4高速挤压目前先进的挤压生产线为提高生产效率，除从机械上考虑尽可能减少挤压机固定周期(非挤压时间)外还采用高速挤压法。众所周知，挤压材的质量与挤压出口速度和挤压温度密切相关。在挤压过程中，当挤压速度过快时，不均匀变形加剧，铸锭温升较快，金属流动不均匀和出模口温度过高，易造成挤压材表面撕裂、粗糙和模具损坏。国内为提高挤压速度，一般仅采用低温挤压。国外先进挤压线除采用设计合理的模具外采取模具、挤压筒冷却，带走部分金属变形、摩擦产生的热量，防止模具温度上升，抑制型材产生表面缺陷，延长模具寿命。对于硬合金(2000、7000系合金和部分5000系)，采用液氮冷却模具。软合金(6000系合金)可以采用气氮冷却模具。在模具设计上，考虑减小不均匀的形变率，使金属流动压力均等，流动平滑，在棋子入口端设置形状与型材外形相似的导流腔，使金属流动更均匀，并延长模具寿命。4．5计算机优化挤压工艺参数挤压材的质量取决于挤压过程中挤压比、挤压速度和铸锭预热温度等工艺参数。目前国外已有厂家利用计算机优化挤压工艺参数。计算机通过存储的材料性能、挤压特性、加工范围、挤压机吨位、铸锭直径、挤压筒尺寸、最大挤压杆速度、产品资料等效据得出挤压临界图(如图4)[1]。此图描述挤压温度和速度的关系，图中有三条临界线，第1条是对应于挤压机能力的压力临界线，第2条是材料的机械性能临界线，第3条是出现表面缺陷的表面临界线，在压力临界线和表面临界线下接近两线的交点处区域为最佳工艺参数范围，计算机经过运算、模拟挤压过程，分析得出最佳的工艺参数，包括挤压速度、铸锭加热温度和铸锭尺寸。4．6在线控制产品尺寸精度国外先进生产线已开始采用激光测量技术和层析X射线摄像检测技术在线检测型材的几何尺寸。激光检测系统是从不同方向测量连续挤出制品的外形尺寸，通过与计算机存储图像比较，对制品尺寸精度进行控制。并对模具进行管理。层析X射线摄像检测系统是利用普通医学上使用的CT原理，在线扫描出空心或实心型材的某一断面，生成图像显示在电脑屏幕上，与电脑存储的设计数据(型材断面图形的CAD文件)进行比较，自动检测所有临界尺寸，显示是否超出公差，并存储检测数据，典型的检测周期时间为1-2min[2]。此项技术用于复杂断面和公差范围窄的型材几何尺寸的在线控制。操作者根据检测结果，决定是否换模，对于新模具，还可将检测数据通过计算机网络发送到模具制造部门。采用型材在线几何尺寸检测，大大提高了产品的精度控制和成品率。4．7模具设计与制造铝型材挤压过程金属流动、温度、压力变化非常复杂，且型材断面越复杂，变形不均匀程度越大，当使用不合适的挤压模或挤压速度时，会造成型材扭拧、弯曲、产生波浪，生产中通常要反复试模、修模才能生产出合格产品。国外先进企业模具采用CAD系统进行辅助设计，并根据加工工艺参数(铸锭温度和尺寸、挤压速度等)，采用三维有限元加工模型动态模拟挤压过程中材料流动、变形率分配、温度分布和压力分布，通过计算机的分析计算，优化设计挤压模具。通过CAM(计算机辅助制造)系统，用CNC(计算机数控)机床进行模具加工。由此设计制造的模具，挤压时金属流动均匀，产品精度高，并大大减少了试模、修模次数。4．8反向挤压技术铝和铝合金的热挤压通常采用正向挤压和反向挤压两种方式，目前国际上普遍采用的是正向挤压法。反向挤压由于比正向挤压所要求的挤压力减小10-30％，铸锭和挤压筒表面没有摩擦，温升小，金属流动均匀，制品的组织性能均匀、尺寸精度高，可采用较高的挤压速度，挤压AA2000、5000、6000和7000系合金时，其挤压速度为正向挤压的1．7-4．2倍[3]，因此，近几年反向挤压机在硬合金的挤压上得到了越来越广泛的应用。但是反向挤压所需铸锭表面质量高，挤压工具费用高。目前国外正大力研究解决这些问题，以使反向挤压技术得到更广泛的应用。4．9三维挤压技术三维挤压技术是集挤压和机械加工于一体的一步成型技术。如在挤压模出口处安装一个旋转模，可沿型材纵向加工出所需的凹凸刻痕；在挤压机后装一套弯曲装置，将挤出型材弯曲成所需形状等，如图2、3[4]。5．国外挤压装备新进展5．1挤压机5．1．1挤压机结构5．1．1．1预应力张力柱挤压机采用预应力张力柱结构，即对张力柱施加一定的拉应力，减少其在挤压时产生的弹性延长量，提高挤压机的刚性，大大减少了挤压时前梁的移动，减少了模具变形，提高了挤压型材的尺寸精度，也延长了张力柱的寿命。老式结构的张力柱多为实心圆柱，各有一对对开螺母把张力柱与前后粱固牢。这种结构的张力柱在挤压时要承受从0到最大挤压力的拉应力，变形量大。新的预应力张力柱结构是在前后梁之间张力柱的外面加一个方套管或圆套管，给张力柱施加预应力后，形成张力柱受拉应力，套管受压应力的结构，在挤压时张力柱承受的拉力为挤压力与套管受压而施加给张力柱的残留拉力之和，此残留拉力随挤压力增大而减小，张力柱所受拉应力始终在预应力与挤压时所受拉应力之间变化，其应力变化幅度较小，挤压过程中张力柱的弹性伸长量也小。5．1．1．2短行程挤压机短行程挤压机虽早已投入生产，但开始并未引起人们的重视，只在近几年才在欧洲推广使用，这种短行程挤压机是将铸锭供在挤压筒和模具之间或采用升降挤压轴结构，挤压轴行程短，缩短了空程时间，提高了生产率。同时也缩短整机长度，提高了挤压机的刚度。5．1．1．3旋转挤压筒式挤压机旋转挤压筒式挤压机是近些年发展的，挤压机装备有三个挤压筒分别置于挤压、装锭、清理三个工位，三个挤压筒可以旋转，挤压完毕，完成挤压的挤压筒旋转至清理位，装好铸锭的挤压筒则旋转至挤压位置开始下一个挤压周期。这种挤压机非挤压时间在10秒内，生产效率较高。5．1．1．4活动横梁、挤压筒座、挤压垫、残料剪活动横粱和挤压筒座为“X”型导向，保证了挤压机的同心度。采用固定挤压垫结构，省去了垫片返回机构，并可减少残料的厚度。残料剪沿方形导轨上下移动，并带有打料机构，剪切后期，气缸推动打料头冲掉留在模具上的残料，此剪结构尤其适合于较薄残料的剪切。为防止剪刃粘铝，设有剪刃自动润滑装置。5．1．1．5挤压工具更换挤压工具更换向简便、快捷方向发展。现代挤压机带有平移式或旋转式快速换模机构，换模时间只需十几秒。有些挤压机还在滑动模架下设有模支承剪切机构，换模前，将挤压材在模支承和支承垫间切断，挤压材拉出后，支承垫内无剪下的料头，使换模操作更加方便。此机构尤其适用于模支承与支承垫分离较为困难的大型挤压机。挤压筒和挤压轴设有快速锁紧装置，便于其装配和更换，缩短换工具时间。5．1．2挤压机液压系统目前先进的挤压机液压