鋁型材擠壓工藝，選型及未來技術(shù)趨勢(shì)

鞠全春

（叢林鋁材有限公司設(shè)備部，山東 龍口 265705）

1 擠壓工藝

鋁擠壓（或鋁擠出成型）的定義是對(duì)放在模具型腔（或擠壓筒）內(nèi)的鋁坯料施加強(qiáng)大的壓力，迫使鋁坯料產(chǎn)生定向塑性變形，從擠壓模具的模孔中擠出，從而獲得所需斷面形狀、尺寸并具有一定力學(xué)性能的零件或半成品的塑性加工方法。其工作原理類似于“擠牙膏”。這種金屬成型方式具有以下顯著的優(yōu)勢(shì)。

1.1 持久耐用

鋁的抗腐性、耐腐蝕性和耐候性是其最顯著的優(yōu)點(diǎn)之一。鋁不需要額外處理就能自然生銹和耐腐蝕。這是由于在其表面存在一層薄的、自然形成的氧化鋁保護(hù)膜。通過陽(yáng)極氧化，其抗腐蝕變得更強(qiáng)。例如，在室外環(huán)境中，可以進(jìn)行25微米的陽(yáng)極氧化，既增強(qiáng)了耐腐蝕性、有提高了表面光潔度。另外，鋁不需要維護(hù)，在大多數(shù)情況下可以不用擔(dān)心會(huì)腐蝕。

1.2 輕巧結(jié)實(shí)

鋁的重量比鋼輕33%以上，同時(shí)保留了大部分強(qiáng)度。大多數(shù)鋁合金的抗拉強(qiáng)度范圍約為70-700兆帕，而密度比鋼小三分之二。產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師不用擔(dān)心鋁擠壓零件的強(qiáng)度，在建筑行業(yè)和汽車行業(yè)一樣等均可以作為結(jié)構(gòu)件使用，是其他金屬材料的最佳替代品。為了輕量化和減少能耗，汽車行業(yè)正在大幅使用鋁合金。

1.3 導(dǎo)熱性能好

鋁的導(dǎo)熱性能與銅極為相似，但重量卻要輕得多。鋁是一種極好的導(dǎo)熱體，鋁擠壓的輪廓設(shè)計(jì)可以最大化導(dǎo)熱表面積和形成熱通道。典型例子是電腦CPU散熱器，鋁用來CPU中帶走熱量。

1.4 外觀時(shí)髦

擠壓鋁可以噴漆、電鍍、拋光以及陽(yáng)極氧化，這給工程師提供了比其他材料更廣泛的外觀選擇。

1.5 應(yīng)用范圍廣

基本上任何斷面形狀均可以通過鋁擠壓成型，因此鋁擠壓的應(yīng)用范圍非常廣，工程師可以設(shè)計(jì)不同的斷面，以滿足不同應(yīng)用環(huán)境的要求。

1.6 便于二次加工

鋁擠壓件可以很容易地成型、切割、鉆孔、加工、沖壓、彎曲和焊接，以適應(yīng)特定的目的。

1.7 模具加工周期短、費(fèi)用低

鋁擠壓的模具簡(jiǎn)單，加工周期短、費(fèi)用低。這是AEC關(guān)于鋁擠壓和其他金屬成型工藝的對(duì)比，僅供參考。

1.8 吸收沖擊和變形

在建筑中，鋁擠壓件可以抵抗天氣和建筑運(yùn)動(dòng)造成的變形。在交通運(yùn)輸工具中，可以吸收沖擊能量。鋁擠壓件在負(fù)載下保持強(qiáng)度和靈活性，并從沖擊中回彈。

1.9 環(huán)保

鋁是一種環(huán)保的材料、易于回收。

總之，鋁是未來的金屬，具有其不可替代的優(yōu)勢(shì)。它不僅環(huán)保、重量輕、自然耐腐蝕、強(qiáng)度高，同時(shí)導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好。

2 擠壓機(jī)的構(gòu)造

2.1 擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)主要由三大部分組成：機(jī)械部分、液壓部分和電氣部分

機(jī)械部分由底座、預(yù)應(yīng)力框架式張力柱、前橫梁、活動(dòng)橫梁、X型導(dǎo)向的擠壓筒座、擠壓軸、供錠機(jī)構(gòu)、殘料分離剪、滑動(dòng)模座等組成。液壓系統(tǒng)主要由主缸、側(cè)缸、鎖緊缸、穿孔缸、大容量軸向柱塞變量泵、電液比伺服閥（或電液比例調(diào)節(jié)閥）、位置傳感器、油管、油箱及各種液壓開關(guān)組成。電氣部分主要供電柜、操作臺(tái)、PLC可編程序控制器、上位工業(yè)控制機(jī)和顯示屏幕等組成。

2.2 擠壓機(jī)按照結(jié)構(gòu)方式分為單動(dòng)及雙動(dòng)擠壓機(jī)

單動(dòng)鋁型材擠壓機(jī)擠壓時(shí)是主缸前進(jìn)，通過擠壓餅把鋁棒壓向模具，從而成型。用單動(dòng)機(jī)擠出的圓管是有縫的，用儀器才能驗(yàn)得出來。雙動(dòng)擠壓機(jī)，液壓油通過充液閥填充主液壓缸,推動(dòng)主柱塞前行(主柱塞前端連接移動(dòng)梁,移動(dòng)梁上安裝擠壓軸),實(shí)現(xiàn)擠壓動(dòng)作.而主柱塞同時(shí)又是穿孔液壓缸。穿孔時(shí),穿孔柱塞前行(前端安裝穿孔針),實(shí)現(xiàn)穿孔動(dòng)作。由于主柱塞和穿孔柱塞可以獨(dú)立運(yùn)行,是兩個(gè)動(dòng)作,因此稱為雙動(dòng)擠壓機(jī)。

2.3 如按照擠壓形式，又分為正向擠壓機(jī)，反向擠壓機(jī)和正反向擠壓機(jī)

正向擠壓相對(duì)簡(jiǎn)單，相當(dāng)于直接把擠壓力傳遞給棒坯，金屬流出的方向與擠壓桿前進(jìn)的方向是一致的，這是這種擠壓方法的基本特征。與正向擠壓相比，得益于反向擠壓特殊的材料流動(dòng)特性(棒料和擠壓筒內(nèi)壁沒有摩擦)，材料流動(dòng)更為均勻，因此擠壓速度更快，因?yàn)榘袅贤L(zhǎng)，所以壓余更薄，這些都意味著更高的生產(chǎn)效率。同時(shí)，反向擠壓制品沿縱向的溫升很小，平均溫度也低，在產(chǎn)品質(zhì)量上可保證良好的尺寸精度。反向擠壓及采用短行程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可配備或不配備穿孔裝置。因此，反向擠壓目前為管材及棒材生產(chǎn)最高效的擠壓形式。

3 擠壓機(jī)的選型

（1）按照擠壓合金的特性進(jìn)行選擇。比如擠壓6063-T5工業(yè)鋁型材，可選擇正向單動(dòng)臥式擠壓機(jī);擠壓軟合金管材，可選擇正向雙動(dòng)臥式擠壓機(jī)。

（2）在生產(chǎn)高精尖工業(yè)型材的選擇上，應(yīng)該擇高性能、低耗、高效率的自動(dòng)化擠壓機(jī)。比如業(yè)界主流的短行程，高速前上料擠壓機(jī)，則具有眾多優(yōu)勢(shì)。如疊片式張力柱/外壓套設(shè)計(jì)和有限元優(yōu)化的機(jī)身確保了更久的試用期限。同時(shí)，主要部件如前梁，擠壓筒，主缸都具有更高的機(jī)架剛性。前上料可保證向前移動(dòng)擠壓筒即可完成裝料，棒料與擠壓筒之間無摩擦，對(duì)稱的鐓粗提高了擠壓筒的排氣效果。

（3）按照具體的擠壓能力進(jìn)行選型。擠壓能力的大小要通過計(jì)算，按照自身的生產(chǎn)條件、技術(shù)水平、設(shè)備條件以及銷售條件作為依據(jù)，計(jì)算出年生產(chǎn)時(shí)間、每小時(shí)的工作量等參數(shù)，來計(jì)算出擠壓機(jī)的年生產(chǎn)能力，因?yàn)楫a(chǎn)量的大小和斷面大小決定選擇哪種擠壓機(jī)，不同的合金成分所需的擠壓能力也是不相同的，普通鋁型材所需的擠壓力為250MPa～400MPa，空心鋁型材所需的擠壓力為450MPa～1000MPa，純鋁擠壓時(shí)所需的擠壓力較小，為150MPa～250MPa。擠壓方法也有很大的差別，正向擠壓比反向擠壓所需的擠壓力要大1/3。

（4）按照用戶實(shí)際的資金狀況及產(chǎn)品定位進(jìn)行選擇。如果企業(yè)生產(chǎn)的鋁型材產(chǎn)品為中低檔，就可以選擇國(guó)產(chǎn)的擠壓機(jī);如果是定位為高檔產(chǎn)品，就要選擇進(jìn)口的擠壓機(jī)了。不管選用哪種檔次的擠壓機(jī)，都要根據(jù)自身的實(shí)際條件來定，如果只生產(chǎn)的中低檔鋁型材產(chǎn)品，就沒有必要選擇國(guó)外進(jìn)口的擠壓機(jī)，一方面投資金額較大，另一方面對(duì)于后期的維護(hù)也是一件十分困難的事，畢竟各方面的費(fèi)用都會(huì)提高，還會(huì)影響生產(chǎn)進(jìn)度，要量力而行，全方位考慮。

（5）按照廠家前期規(guī)劃設(shè)計(jì)，盡可能的使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，節(jié)省設(shè)備占地，人員的節(jié)約，縮短生產(chǎn)技術(shù)的準(zhǔn)備周期。比如可以選擇新式緊湊型的擠壓機(jī)，這種新理念將擠壓機(jī)鍛造好的前梁安裝在擠壓機(jī)的一端，另一端是鍛造的主柱缸，配有平衡油箱，實(shí)現(xiàn)了新型的液壓概念。在這種理念下，主油箱的位置變得更加靈活，從而沒有必要安裝在后梁上方。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化了鑄造框架的幾何形狀，從而形成了非常緊湊的擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)。

（6）擠壓機(jī)廠家是否可以提供高校，強(qiáng)大的技術(shù)支持，員工培訓(xùn)，技術(shù)支持，讓客戶在后期的生產(chǎn)中順暢無憂。強(qiáng)大的售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)也是選擇時(shí)的重中之重，只有完善的售后服務(wù)，才是生產(chǎn)制造的強(qiáng)大后盾。

4 未來技術(shù)趨勢(shì)

通過對(duì)世界主流制造商發(fā)展現(xiàn)狀的深入分析以及本人多年積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合鋁加工行業(yè)未來的市場(chǎng)趨向，預(yù)期未來幾年在擠壓裝備方面的主流新技術(shù)將圍繞最新的”Eco-Plant”設(shè)備理念進(jìn)行不斷優(yōu)化。這種理念已于近期開始在歐洲逐步興起，該理念的核心概念，是在基于可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，致力于打造”環(huán)保，高效的經(jīng)濟(jì)型生產(chǎn)線”.同時(shí)，該理念將被逐步融入到裝備的設(shè)計(jì)和制造中去。因此，為貫徹落實(shí)這個(gè)理念，未來的新型擠壓技術(shù)趨勢(shì)將致力于從以下進(jìn)一步提高設(shè)備擠壓力和提升能源與操作效率等方面進(jìn)行深入優(yōu)化。

4.1 進(jìn)一步提高設(shè)備擠壓力

當(dāng)設(shè)備擁有更大的擠壓力，則意味著進(jìn)一步突破了當(dāng)前鋁擠壓制品工藝的局限性，為新型鋁制品的誕生乃至新材料的制造進(jìn)一步打開了更廣闊的天地。除此之外，更大的擠壓力使得擠壓周期效率提高，現(xiàn)有產(chǎn)能進(jìn)一步提升，也意味著經(jīng)濟(jì)性的提高。為實(shí)現(xiàn)這一目的，需要不斷提升擠壓機(jī)機(jī)架的剛度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以承受住更為強(qiáng)大的擠壓預(yù)應(yīng)力。目前海外最新的技術(shù)為西馬克公司的160MN擠壓機(jī)，該設(shè)備采用CF框架，該框架不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且優(yōu)化了鑄造框架的幾何形狀，因此極大地提高了設(shè)備的機(jī)架結(jié)構(gòu)和部件剛度。此外，設(shè)備采用疊片式張力柱(帶外壓套)，這種層疊式的設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)的螺絲固定式張力柱具有更低的切口系數(shù)。與此同時(shí)，通過單獨(dú)的液壓缸進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了更強(qiáng)的剛度和預(yù)應(yīng)力處理能力。這種設(shè)計(jì)具有諸多優(yōu)勢(shì)比如無磨損，壽命長(zhǎng)，無需調(diào)整，低摩擦，極高的抗沖擊力(過載)，等等。

4.2 能源與操作效率

（1）能源效率。為進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)性，則未來針對(duì)擠壓設(shè)備各個(gè)環(huán)節(jié)節(jié)能技術(shù)的優(yōu)化將成為關(guān)鍵。下面僅以擠壓機(jī)泵站的節(jié)能舉例說明。如意大利達(dá)涅利公司依靠其自主研發(fā)的ESED4.0智能泵站節(jié)能系統(tǒng)，目前已成為業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的節(jié)能管理方案。該系統(tǒng)通過定量泵配變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使得在擠壓過程期間，只啟動(dòng)所需數(shù)量的泵，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確控制和工作泵數(shù)量配比，這樣只會(huì)開啟在當(dāng)前擠壓速度所需的液壓泵數(shù)量，進(jìn)而減少了額外且不必要報(bào)的泵組損耗。同時(shí)，該系統(tǒng)還可極大地提高效率，比如通過變頻驅(qū)動(dòng)定量泵，使得泵排量可提高30%。總之，該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性可體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①投資：液壓成本降低10%，管路減少20%，主泵低噪音。②運(yùn)營(yíng)：整體維護(hù)成本降低，非擠壓循環(huán)周期變短。

（2）提高操作效率，更加智能化的設(shè)備操作。從打造經(jīng)濟(jì)性設(shè)備這個(gè)主題而言，則未來不得不考慮進(jìn)一步提高擠壓機(jī)的操作效率。