热挤压加工对铝合金圆铸锭组织性能的改善作用

首先这几个铝产品涉及的是两种工艺

一，铝合金熔铸：所用基材就是铝合金铸锭，外形为长方梯形。需要调节成分加入的就是合金锭，例如铝锰合金，铝硅合金等。铸造出的产品叫做铝铸棒，当然也有人直接叫铝棒，这是不准确的。

二，铝合金挤压，挤压出的产品分管材，线材，棒材，型材。这里面的棒材叫铝棒。

提高铝合金型材成品率是降低企业生产成本最直接和有效的方法。成品率每提高1个百分点，铝材的生产费用将降低23元～30元，以一个年产1万t铝型材的企业来说，若每吨铝型材的成品率提高5个百分点，每年可节约125万元，而这125万元是纯利润。成品率的提高是建立在产品质量的基础之上，与产量又是同比关系。提高成品率是一个系统工程，通过单一工艺方法很难大幅提高成品率，必须是多环节的累积提高。提高成品率又是一个细致的工作，不仅需要技术工艺做支撑，更需要严谨、务实、科学的管理。

1 影响成品率的因素

影响成品率的因素是多方面的，就挤压生产而言主要有以下几个方面：

（1）铝铸锭的质量直接决定挤压制品的成品率。

（2）模具、挤压工具对成品率有很大影响，它们直接关系到挤压制品的质量，制品合格率高则成品率就高。

（3）生产管理中生产计划下达的合理性以及生产报表原始数据的准确性也是提高成品率的前提。各种生产报表的原始数据是铝型材挤压前计算铸锭长度的重要依据。

（4)挤压工艺包括根据挤压比选定挤压设备、确定工艺温度及张力矫直工艺等，每步工艺是否科学、细致、合理也对成品率影响很大。

（5）操作人员的熟练程度和责任心是提高挤压成品率所必备的。

2  提高挤压铝型材成品率的工艺方法

2.1 提高铸锭质量是保证挤压成品率的前提

铸锭对挤压生产来说是原材料。铸锭组织均匀，晶粒细小，无夹渣、气孔、偏析、裂纹等缺陷时，不仅可以降低挤压力、提高挤压速度，提高产品的内在质量，而且可以减少挤压制品表面气泡、气孔、划伤、开裂、麻点等表面缺陷。比如较小的夹渣可以通过模具工作带的狭缝排出，但会造成型材表面犁痕，产生一定长度的几何废料；较大的夹渣将被卡在工作带狭缝中不能被排出，引起塞模或挤压制品开裂而被迫更换模具，这样就会严重影响成品率。

2.2适当加大挤压系数，提高挤压成品率

每个铝材厂都有一系列挤压机型，各厂家根据产品的挤压比、冷床长度、制品外接圆直径、挤压筒长度和直径等，合理确定制品将在哪台挤压机上生产。实践证明，同样规格的制品放在不同吨位的挤压机上生产时，由于挤压系数不同，对制品的组织、性能和生产效率有很大影响，其成品率也会产生差异。根据2009年一年中某企业生产统计，三种不同吨位挤压机的年平均成品率范围如表1所示。

表1中可以看出，挤压机的吨位较大、挤压系数较大时，其成品率较高，而其挤压费用见表2，

从表2中可以看出，挤压费用并没有升高。所以，挤压生产时，适当提高挤压系数，不仅可以获得力学性能和组织良好的制品，同时可以提高成品率，降低型材的生产费用。

2.3加强生产管理，精确计算铸锭长度

铝型材在建筑、交通、电子、旅游、机械方面的应用越来越多，因此铝材厂的产品品种也在增多，带来的是模具的增多，给生产计划的安排增加了难度。铝型材生产计划，要根据客户要求的规格、单根重量、长度、数量和冷床长度，利用等体积或等质量的原则计算出所用铸锭的数量和长度。铸锭长度的计算采用等质量法较多。这是因为随着模具的使用及修理，各部分壁厚的变化不是同步的，很难再准确计算出制品的截面积，而且其理论线密度和实际上机试模所得到的线密度相差不小。

铸锭长度：

式中：

L—铸锭长度，mm；

m1—型材线密度，kg /m；

Ld—定尺长度，m；

n—倍尺数 ；

Lq—切头或切尾长度，mm；

Ly—压余长度，mm ； 

d—圆铸锭直径，mm ；

ρ—铝合金密度，2.7 g/cm3 。

对于某一台挤压机来说，其使用铸锭的直径d是确定的，客户对制品的定尺长度Ld要求也是确定的，压余长度Ly通常取15mm—30mm，切头或切尾长度二者相等，一般选定在0.2m—0.8m，倍尺数n根据挤压筒长度、型材线密度、冷床长度确定，这样就只有型材的线密度m1是变化的，因此，铸锭长度L是线密度m1的函数，二者成线性关系。

图1是关于L-m1，曲线图，压余长度Ly是截距，而K就是L-m1直线的斜率。对于一台挤压机的同一个挤压筒来说，当倍尺数n变化时，只是L-m1，直线的斜率K从Kn发生变化。

对于挤压机上的某种制品，将定尺长度Ld、倍尺数n、切头切尾长度Lq、压余长度Ly、确定后，代入公式，可以方便迅速地画出每台挤压机上制品线密度m1与铸锭长度L的关系图（如图1所示）。关系图画起来快捷方便，只需计算出一个点，将它与截距点相连就是棒长和线密度的对应关系图，在图上可以准确查出铸锭长度与型材单根重量的对应关系。关系图清晰直观。有这样一张图，再利用长铸锭加热炉的剪切装置可以准确的剪出所需长度的铸锭。

2.4使用夹持垫，减少切头切尾长度

型材挤压冷却后要通过张力矫直来消除型材弯曲、拧扭等缺陷。大部分企业仍采用拉直机张力矫直，但关键问题是由于型材品种多、矫直工嫌操作麻烦，很多企业没有使用夹持垫，直接用钳口夹扁型材两头，造成拉伸后型材的两头变形长度往往在0.4m～1.2m，截面大的型材变形长度还要长些，变形部分必须切掉，否则无法去掉型材因拉直而产生的截面变形，这样就使几何废料增加、挤压成品率下降。

夹持垫可以使用硬木或铝块制成，根据型材的截面形状运用成组技术进行分组，尽量减少夹持垫的数量，增加夹持垫的通用性，如图2所示。三种规格的型材可以使用同一种夹持垫。

对于悬臂较长又有封闭截面的型材，矫直夹持时在封闭腔内塞入夹持垫的同时，悬臂部分也要用撑架支撑〈见图3），减少型材拉伸时长度方向沿截面上的变形量。

使用夹持垫后，型材的切头、切尾大大缩短，一端切掉长度一般在0.15m～0.4m之间。假设每班可挤压倍尺数为3的线密度0.5kg/m的型材420根，使用这种方法共可减少废料210m～420m、105kg～210kg，比不使用夹持垫时成品率可提高1.9%～3.8%，其经济效益相当司观。

夹持垫从制作、保管、领用要由专人管理。针对操作工人不愿使用，可以将成品率绩效工资分为两部分：如成品率85%以下时，成品率提高一个百分点，吨工资增加5元；成品率85%以上时，成品率提高一个百分点，吨工资增加10元，激励工人努力提高成品率。

2.5 使用热剪切铸棒炉，即时控制铸锭长度

近年来，越来越多的企业将链条式短铸锭加热炉更换为热剪切长铸锭加热炉（简称热剪铸棒炉）。热剪铸棒炉可以避免铸锭锯切、减少因铝屑而产生的损耗，挤压时主机手可根据模具的动态单支重量用热剪铸棒炉上的剪切装置随时调整剪切长度，获得任意所需长度的铝锭坯，从而使挤压出的长型材的切头切尾达到最短，进一步提高成品率。

有的企业使用了热剪铸棒炉后，忽略了对铸锭长度的精确计算和对此项工作的管理，交由操作工自行处理。操作工人往往在上模挤压时，先按模具的标准壁厚剪切一根铸锭进行试挤压，观察挤出型材的总长度是否达到倍尺和切头切尾长度要求，不合适时再粗略估计试剪第二个铸锭，再试挤，反复2～3次才能找到合适的铸锭长度，但在试挤过程中产生了不短的废料，这一试挤过程不仅降低生产效率，而且也降低成品率。

正确的做法是根据上机模具的上次挤压单支重量记录，查一下线密度—铸棒长（L-m1）图，稍微加长一点剪切铸锭长度（不至于产生接近6m的废料），根据挤压型材的总长，第二次剪切长度可作微量修正，就可以进入正常挤压。把热剪切铸棒炉剪切长度调整灵活的优点和生产管理上准确记录模具动态在挤压过程中每根型材重量、查看型材线密度-铸棒长（L-m1）关系图结合起来，才能提高生产率和成品率。有文献说使用热剪铸棒炉成品率可以提高4个百分点，根据其他企业的实际经验提高2个百分点是没有问题的。

2.6加强模具管理，准确记录动态单根型材重量

原始生产记录在管理工作中的重要性是不言而喻的，在铝型材的挤压生产中，准确记录每套模具挤出型材的线密度（或单根型材重量）是做好成品率、成本核算及模具管理的一项重要工作，它为下次本套模具上机能准确找到合适的铸锭长度提供依据。所以对每条挤压生产线应提供一台准确度较高的电子称，定期校验、监督复验，督促操作工或工艺员在模具生产卡片上填写型材单根型材重量，准确的记录模具在挤压过程中每根型材重量，为下次生产做好准备。

有的企业已使用计算机进行管理，挤压工在挤压机旁的计算机终端录入每套模具的名称、编号和上机挤压的型材根数、长度、单根重量等参数，由服务器对数据统一处理，实现了数据采集实时化、车间无纸化、统计自动化、信息公开化。

2.7使用无压余挤压，减少几何废料

固定垫无压余挤压是将挤压垫固定在挤压杆上，并对二者作一定的改造，挤压结束时挤压筒不后退也能较容易地将铝锭脱离，然后直接将第二根铸锭推入挤压筒，与上次剩余的铸锭压合在一起，完成挤压。这种方法避免了每挤压一根铸锭剪切一次压余，可根据质量要求和订货数量来决定挤多少根剪切一次，一般民用型材可40—50根剪切一次压余。

2.8优化挤压工艺，减少技术废料

提高成品率除了采用以上措施努力减少几何废料外，同时也要在生产过程中尽量减少技术废料，确切地说，就是让该是正品的都是正品，避免出废品。

影响技术废料的挤压工艺有很多方面，它涵盖了挤压生产的整个过程，主要包括铸锭质量、工艺温度、挤压速度、挤压工具、模具、转运装卸、时效热处理等等。除了制定先进、科学的生产工艺外，还要正确、严格地执行工艺操作规程，提高操作工人的技术熟练程度和责任心。

①尽量减少每班生产品种，最好是每班安排3-5个挤压品种，提高单套模具一次上机生产量。因为生产品种越多，使用的模具越多，由模具带走的塞铝就越多，成品率就会降低。

②模具对成品率的影响表现在两个方面：新模具的试模和在用模具的生产使用。

试模次数越多，消耗铸锭越多，成品率越低，所以要提高模具的设计、制作水平。

在用模具要精心维修、合理氮化、及时保养，保证每次上机合格率高，成形度好，耐用度高。如果每班因为模具维修不合格而发生3—4个挤压失败的铸棒，那么成品率就会下降1个百分点。

③挤压工具：包括挤压筒、挤压杆、挤压垫、模垫等。主要是要保证挤压筒、挤压杆、模具三者之间的同心度，其次是合理维修挤压筒，正确加热，保证挤压筒端面平直，消除各种引起挤压筒与模具间的配合不良现象，定期清理挤压筒内壁残铝，检查内孔壁有无损伤，正确使用模垫，提高模具支撑强度等等。

④挤压温度、挤压速度及冷却三者对制品的组织、力学性能、表面质量有很大影响，也会影响到成品率。此外，三者都会影响挤出制品的长度，铸棒温高、挤出速度快、风冷速度低时，会使制品挤出后的长度增加，增长率最大可达0.5%—1.0%，也就是影响了型材的线密度，所以，稳定的工艺也会使成品率提高。

⑤完善挤压后续工序，避免造成技术废品。挤压后续工序的转运往往造成型材的磕碰划伤，要尽量避免型材与冷床、储料台、定尺台之间的摩擦与碰撞，最好采用高温带传送的冷床和储料台。运输、装框、吊框等转运操作应轻拿轻放，料筐内壁最好使用高温毛毡保护。

3   结束语

提高挤压制品的成品率是要在挤压生产全面细致的工作过程不仅技术工艺方面要到位，在管理方面也要扎实到位、做到实处。我国的铝型材生产企业的成品率提升尚有很大空间，成品率的提升将是一个持续的过程。提高成品率和提高产品质量、产量是紧密相连的，是一个企业技术和管理水平的综合体现。

作者单位：南阳理工学院

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