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胡宏波，阮濤濤，徐龍輝

（廣東堅(jiān)美鋁型材廠（集團(tuán)）有限公司，廣東佛山528231）

摘要：通過分析鋁型材擠壓過程中金屬流動(dòng)和應(yīng)力分布的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)金屬的受力不均以及未能根據(jù)型材擠壓成形后的實(shí)際形位公差分別調(diào)整冷卻強(qiáng)度，是造成平面度和直線度不良的主要原因。試驗(yàn)研究表明，當(dāng)型材出現(xiàn)平面度和直線度不良時(shí)，通過局部在線調(diào)整冷卻強(qiáng)度，可使變形更加均勻，從而提高了型材平面度和直線度，避免了停機(jī)卸�；虍a(chǎn)生過多需離線精整的產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：鋁型材；擠壓；在線；平面度；直線度；差異化

  鋁合金由于密度小、良好的外觀和質(zhì)感，越來越受到消費(fèi)者的青睞，尤其是蘋果智能手機(jī)、平板電腦外殼率先采用鋁合金外殼后，越來越多的電子產(chǎn)品都使用鋁合金做外殼，大有逐步取代電子產(chǎn)品塑料外殼的趨勢(shì)。電子產(chǎn)品用鋁型材外殼對(duì)尺寸和力學(xué)性能要求嚴(yán)格，對(duì)平面度和直線度要求也極為苛刻。用于制作電子產(chǎn)品外殼的鋁型材厚度普遍較厚，后期通過銑削加工而成。擠壓成形后的鋁型材如果通過風(fēng)冷或霧冷進(jìn)行冷卻，性能往往無法達(dá)到電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求，而水冷具有更佳的效果，但水冷產(chǎn)生的收縮變形較為劇烈，往往會(huì)造成型材橫向、縱向上的冷卻強(qiáng)度差異，造成平面度和直線度不良。本試驗(yàn)以6063-T6鋁合金為例，通過調(diào)整冷卻強(qiáng)度控制型材的形位精度，并對(duì)其原理及可行性進(jìn)行分析。

1  平面度和直線度不良的原因

1.1在線調(diào)整的必要性

  鋁型材出現(xiàn)形位精度不良主要與鋁合金在模具中的流速不均有關(guān)，因此需要不斷進(jìn)行修模優(yōu)化，直到產(chǎn)品合格為止。修模是國(guó)內(nèi)外解決擠壓型材形位精度不良最根本的方法，然而其缺點(diǎn)是需要中止生產(chǎn)，待模具處理好以后才能再次上機(jī)試模。形位精度不良亦可以離線方式進(jìn)行精整處理。離線精整具有通用性，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。然而修模和離線精整作為事后補(bǔ)救的一種措施，費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，增加成本。冷卻方式是影響型材形位精度的主要因素，正確的冷卻方式能根據(jù)型材的公差要求，針對(duì)性地調(diào)整冷卻強(qiáng)度，達(dá)到均勻變形的效果，以提高型材平面度和直線度，避免停機(jī)卸模或產(chǎn)生過多需離線精整的產(chǎn)品。

1.2平面度不良的原因

平面度是指基片具有的宏觀凹凸高度相對(duì)理想平面的偏差。擠壓后平面度不良的典型特征如圖1所示，上凸下凹（或上凹下凸）呈“大肚”狀。產(chǎn)生這一不良現(xiàn)象的原因：一方面可能是鋁型材在擠壓變形時(shí)上、下表面流速不均，上表面流速較下表面的快；另一方面可能是型材出模后的冷卻不均，當(dāng)上表面冷卻速度較下表面快時(shí)，上表面收縮率大，受整體協(xié)調(diào)性影響，下表面將向上收縮，由于上、下表面存在溫差，熱量向上表面?zhèn)鬟f，下表面溫度下降，其后期產(chǎn)生的收縮力不足以抵消上表面前期產(chǎn)生的收縮力，因此出現(xiàn)“大肚”情況。平面輕微“大肚”是生產(chǎn)中比較好的狀況，岡為在矯直時(shí)，型材外層金屬的塑性不如中心部分的好，在拉力作用下，中心處首先產(chǎn)生塑性變形，兩邊向中心收縮，可達(dá)到橫向展平的效果。如果平面度太差，矯直時(shí)可適當(dāng)加大拉伸率，但過大的拉伸率可能使表面產(chǎn)生滑移線或者尺寸超出下限。同時(shí)拉伸矯直主要是以型材的縱向小變形量為主，作用是縱向矯直，對(duì)橫向平面度的改善不大。

1.3直線度不良產(chǎn)生的原因

  直線度不良是指長(zhǎng)條材（型、棒、管材）在長(zhǎng)度方向上的彎曲量超出要求。直線度不良主要是熱加工或熱處理時(shí)冷卻速度不均，收縮不一致造成的。根據(jù)有關(guān)資料，對(duì)于形狀不對(duì)稱且壁厚不均的空心型材，在普通風(fēng)冷冷卻的條件下，型材會(huì)向冷卻較慢的部位彎曲，即向壁厚處彎曲，冷卻速度差異越大，彎曲程度越高。然而通過對(duì)實(shí)心且壁厚不均型材擠壓時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)，在普通風(fēng)冷條件下，型材的平面度幾乎不受影響，但在水冷冷卻的情況下，型材將沿?cái)D壓方向往薄壁部分彎曲，如圖2所示。即便輕微彎曲也難以完全矯直，若嚴(yán)重彎曲甚至無法順利上冷床，如果強(qiáng)行矯直，過大的拉伸量將產(chǎn)生拉伸缺陷。經(jīng)分析，產(chǎn)生直淺度不良的主要原因如下：

  1)在風(fēng)冷條件下，由于型材是實(shí)心整體，薄壁部分損失的熱量能由厚壁部分及時(shí)補(bǔ)充，型材溫度相對(duì)均勻，不產(chǎn)生明顯的收縮力差異，此收縮力可被牽引機(jī)產(chǎn)生的張力有效抵消，在張力作用下，應(yīng)力重新均勻分布；

  2)在水冷條件下，由于薄壁處冷卻強(qiáng)度較大，首先產(chǎn)生收縮力，厚壁部分來不及補(bǔ)充薄壁處的熱量損失，因此導(dǎo)致收縮力不平衡，且隨著整體溫度的下降，厚壁部分產(chǎn)生的收縮力不足以抵消前期薄壁部分產(chǎn)生的收縮力；

3)由于實(shí)心材形狀是簡(jiǎn)單的直線型，壁厚連續(xù)的遞增，收縮力從厚壁處向薄壁處遞增，最后形成收縮合力，型材將向薄壁部分彎曲。

2  試驗(yàn)材料與方法

根據(jù)以上分析，以型材A（如圖3所示）進(jìn)行平面控制對(duì)比試驗(yàn)，上表面保持冷卻水量1m3／h不變，下表面冷卻水量按1m3／h依次增大至3.5m3/h，如圖3所示。將型材B進(jìn)行彎曲控制對(duì)比試驗(yàn)（如圖4所示），保持厚壁處冷卻水量3 rr13／h不變，薄壁處按3 m3/h依次減小至0.5m3／h。

試驗(yàn)材料為我司熔鑄車間提供的φ178 mm鑄錠，在21.5 MN臥式擠壓機(jī)上擠壓。在線淬火系統(tǒng)為我公司智能控制系統(tǒng)，如圖5所示，該系統(tǒng)可在氣、霧，水冷之間進(jìn)行切換，可精確控制冷卻強(qiáng)度和方向，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜空心和實(shí)心型材不同狀態(tài)處理，處理后的型材尺寸精度、形位公差和力學(xué)性能均能滿足技術(shù)條件要求。相關(guān)擠壓工藝參數(shù)如表1所示。

3  試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1平面度

為便于區(qū)分平面度的凹凸?fàn)顩r，我們將平面外凸定義為“+”，平面內(nèi)凹定義為“一”，其上、下表面測(cè)量結(jié)果如表2所示。

  由表2可知，當(dāng)上、下表面冷卻強(qiáng)度一樣時(shí)，出現(xiàn)典型“大肚”平面。通過精確冷卻時(shí)，平面度得到有效控制，基本可滿足鋁型材的平面要求。其主要原因是當(dāng)下表面冷卻強(qiáng)度不變時(shí)，逐漸增大上表面的冷卻強(qiáng)度，上、下冷卻強(qiáng)度產(chǎn)生差異，差異越大，上、下表面收縮量差異也越大，此時(shí)上表面收縮量逐漸加大，而下表面內(nèi)凹量逐漸減小，最后上、下收縮量達(dá)到平衡，平面度得到有效改善。

3.2直線度

為便于區(qū)分直線度的彎曲狀況，將向薄壁處彎曲定義為“+”，向厚壁處彎曲定義為“一”，其測(cè)量結(jié)果如表3所示。

  由表3可知，精確冷卻時(shí)，彎曲度大大降低，此時(shí)可通過拉伸機(jī)矯直。其主要原因是薄壁處冷卻強(qiáng)度減小，其產(chǎn)生的收縮力也隨之減小，而且隨著厚壁處溫度的降低，溫度趨于均勻，收縮量達(dá)到平衡，直線度得到改善。

  鋁型材在在淬火過程中，由于表層和中心存在溫度梯度，產(chǎn)生較大的內(nèi)部殘余應(yīng)力，并且由于控制冷卻變形，鋁材上、下表面、左右兩邊也將產(chǎn)生殘余應(yīng)力，如不及時(shí)消除，會(huì)在后續(xù)加工過程中產(chǎn)生變形，殘余應(yīng)力一般可在拉伸矯直和時(shí)效兩個(gè)工序得到釋放。當(dāng)拉伸率為0. 5%時(shí)，殘余應(yīng)力可消除75%~80%。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，拉伸率都普遍控制在1.0%~1.5%為宜，具體大小根據(jù)型材的尺寸和形位精度要求綜合考慮，在尺寸偏上限的情況下，拉伸率可適當(dāng)大一些。人工時(shí)效對(duì)殘余應(yīng)力有一定的消除作用，可使殘余應(yīng)力下降15%—20%，具體下降值與合金種類和時(shí)效條件有關(guān)。

4  結(jié)論

  1)當(dāng)型材出現(xiàn)典型的“大肚”型平面不良時(shí)，可以通過減小外凸面或者增大內(nèi)凹面的冷卻強(qiáng)度，使上、下表面形成冷卻強(qiáng)度的差異，最終使上、下表面收縮量達(dá)到平衡，平面度得到有效改善；

  2)實(shí)心型材水冷卻條件下，型材有向薄壁處彎曲的趨勢(shì)，冷卻強(qiáng)度越大，彎曲程度越大，通過降低薄壁處或加大厚壁處的冷卻強(qiáng)度，使其冷卻強(qiáng)度趨于均勻，收縮變形量達(dá)到平衡，直線度得到有效改善；

  3)擁有一個(gè)功能齊全的在線冷卻智能系統(tǒng)也是影響在線調(diào)整效果的關(guān)鍵，此系統(tǒng)可在風(fēng)冷、霧冷，水冷之間進(jìn)行切換，精確調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度，以達(dá)到在線調(diào)整的目的。