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擠壓鋁型材在線精密淬火技術及應用

[ 發布日期:2021/9/1 ] 【打印此文】 【關閉窗口】
近年來,隨著科技日新月異的快速發展,鋁型材在工業上的應用日益廣泛,給鋁材行業提供了更大更廣闊的市場空間。軌道交通、汽車外殼,建築鋁模板、平板電腦等產品上大量使用鋁型材,都是近年來鋁型材市場的熱點。因這些終端產品的性能和外觀質量要求非常高,以及數控加工技術的普及應用,使得對鋁型材的要求越來越高。
現鋁型材的產品性能和外觀幾個要求 
1、尺寸精度越來越嚴格,否則無法進行數控加工,更無法滿足產品的最終使用要求; 
2、力學性能越來越高; 
3、外觀質量越來越嚴格。 
然而,要同時滿足以上三方麵要素,生產工藝之間又存在著相互矛盾,尤其是淬火環節。因為要達到高的力學性能,必須要有足夠快的冷卻速度。而冷卻速度越快,型材的殘餘應力殘餘變量就越大,型材就越容易變形,尺寸精度無法保證。如果降低冷卻速度,對減少型材變形是有幫助,但型材性能就有可能會降低,甚至達不到標準要求。 
滿足鋁型材的產品性能和外觀要求的幾個條件 
要同時滿足以上三方麵的要素,在線淬火環節必須滿足以下的條件: 
1、具備滿足各種合金淬火敏感性的冷卻速度,該點主要解決型材性能問題; 
2、具備滿足各種不同截麵形狀所需要的冷卻強度的差異性調節,該點主要解決型材的冷卻變形問題。 
一、在線淬火的常用幾種冷卻形式
目前,主要的冷卻形式有風冷、霧冷、風霧混合冷卻、噴淋冷卻、駐波水冷、過水槽冷卻,還有液氮冷卻。
1、風冷
風冷的冷卻速度相對較弱,能耗比較高,使用成本也高,而且熱風幾乎都擴散到車間裏麵,造成工作環境溫度高。但風冷對型材變形量的影響最小,不會產生水冷可能出現的水斑。風冷通常適用於6063、6060等淬火敏感性較低的合金型材、板材、管材,和部分薄壁(5mm以內)6061、6005、6082等合金的型材、板材和管材。
2、霧冷
霧與高溫型材接觸時,瞬間汽化,變成水蒸氣,水蒸氣將霧和型材表麵隔開,造成霧與型材表麵接觸困難,冷卻效果比較差,所以通常霧冷不適合單獨使用。
3、風霧混合冷卻
因風冷和霧冷存在的不足,風霧混合冷卻成為很好的冷卻方式。風霧混合冷卻的冷卻速度比風冷和霧冷都要大,但能耗又比風冷要低,熱量擴散到車間裏麵較少。而且型材變形量又比水冷的要小,不會產生水冷可能出現的水斑。所以風霧混合冷卻大量用於6063、6060等淬火敏感性較低的合金型材、板材、管材,和部分中薄壁(10mm以內)6061、6005、6082等合金的型材、板材和管材。
4、噴淋冷卻
噴淋冷卻是通過高壓泵將水輸送到各路扇形噴嘴,形成高壓的扇形水流噴淋到型材上進行冷卻。噴淋冷卻的特點是冷卻速度非常強(比傳統的過水槽還要強),可調節的範圍非常大,與擠壓機的聯動控製非常靈活,對異型材的冷卻是最好的選擇。在減少型材變形方麵有絕對優勢,可以根據型材截麵的差異進行調節,壁厚薄的位置水量水壓調小,壁厚厚的位置水量水壓調大,讓同一截麵的不同位置在同一時間冷卻到同樣的溫度,這樣就能有效減少型材周向的變形。當完成一個擠壓周期時,在取得擠壓機的停機信號後,可實現分段延時關停噴淋冷卻;在取得擠壓機的擠壓信號後,可實現分段延時開啟噴淋冷卻,讓同一根型材縱向的不同位置的有效冷卻時間基本一致,這樣就能有效減少型材縱向的變形。但能耗比傳統的過水槽要高,可能會出現的水斑。通常適用於厚壁6063、6060、6061、6005、6082等合金的型材、板材、管材和棒材。
5、駐波水冷(又稱堆水)
駐波水冷是縱向兩則有固定圍板,兩端靠水的壓力形成水牆,將水阻擋在裏麵,到一定的高度後達到平衡,水牆內形成滾動水槽,型材穿過水槽進行冷卻。駐波水冷的冷卻強度比較高,特別適合管材、棒材的在線淬火。如果每根棒都要牽引機到擠壓機口進行牽引的,該種形式是最好的。但駐波水冷不能進行周向方向性調節,所以對異型材進行冷卻時,變形量會比較嚴重。而且能耗也比較高。
6、過水槽冷卻
過水槽冷卻是縱向用固定圍板、兩端用活動圍板組成一個水槽,用低壓水泵往水槽注水,型材穿過水槽進行冷卻。過水槽冷卻時,水與高溫型材的表麵接觸,瞬間形成水汽膜,水汽膜將型材表麵和冷卻水隔開。由於水槽的水流動速度不大,水不能及時衝破水汽膜,所以造成冷卻速度不如噴淋冷卻和駐波冷卻的強。過水槽冷卻不能進行周向方向性調節,所以對異型材進行冷卻時,變形量會比較嚴重,但能耗也比較低。適合管材、棒材、板材的淬火,選擇該冷卻形式牽引機不能到擠壓機口牽引。
7、液氮冷卻
液氮冷卻是將液氮降壓後通過管道直接噴到模具出口處,將型材冷卻。該冷卻形式對提高產品的表麵質量有幫助,但由於使用成本過高,應用較少。
實際應用中,要根據每台擠壓機主要生產何種產品來選擇何種形式的冷卻方式,通常是一台擠壓機上配置的淬火裝置是由多種冷卻方式組成。
二、設計在線淬火主要考慮因素
為使擠壓鋁型材在線淬火達到較理想的效果,必須綜合以下幾方麵因素考慮:
1、足夠的冷卻速度
足夠的冷卻速度是在線淬火的必備條件。隻有足夠的冷卻速度,才能確保過飽和固溶體被固定下來不分解,防止強化相析出,才能保證型材淬火時效後的力學性能達到最佳水平。要達到足夠的冷卻速度,就要配置合理的冷卻源、冷卻長度以及冷卻密度。冷卻源就是指風機、水泵以及相應的冷卻介質,冷卻長度就是指風口、噴管或水槽的長度,冷卻密度就是指風口或噴頭的分布密度。而這三方麵都要根據該生產線所生產型材的最大線密度、不同合金的淬火對冷卻速度敏感性強弱以及擠壓出材的速度綜合計算來確定。所生產的型材線密度越大、合金的淬火對冷卻速度敏感性越強、擠出速度越快,所要配置的風機和水泵越大,風口和噴頭的長度就要越長,數量就要越多,用水作介質的水溫就要越低。當低溫的水都滿足不了冷卻速度的情況下,還可以在水中加入不同的溶劑來調節水的冷卻能力。比如聚乙醇,通過調節聚乙醇水溶液的濃度來控製冷卻速度。
2、如何使型材整體冷卻速度保持基本一致   型材截麵的徑向和型材的縱向隻有冷卻速度基本一致,才能確保型材淬火效果基本一致,從而保證型材性能的均勻性,有效減少型材的變形和彎扭。要保證型材截麵徑向的冷卻速度一致,就要保證截麵徑向冷卻強度能夠根據型材截麵結構情況、壁厚的厚薄進行調節。比如壁厚較厚的一側需要冷卻強度高,壁厚較薄的一側則需要冷卻強度低些,這樣就可使得型材截麵同一時間內冷卻到相同的溫度。而要保證型材縱向的淬火強度一致,就要保證縱向上所受的冷卻時間一致,也就是縱向上每部分通過淬火區的有效時間一致。
3、如何適應不同型材截麵寬高比的變化
特別中大型擠壓機所生產的型材截麵寬高比變化非常大,當生產板材時,寬高比可能達到100:1以上,而生產管材或棒材時,寬高比可能是1:1。在這麽大的寬高比變化情況下,如何保證型材上下左右各個表麵與風口和噴頭之間的距離合適,從而保證有效的冷卻速度和減少能耗。
4、如何使裝置的操作性比較強,能方便操作人員進行調節控製
5、在滿足以上四點的前提下,如何有效降低運行的成本
三、兩種最具代表性的在線淬火係統
(一)、以生產異型材為主,兼顧管棒板材在線淬火係統
往往常見的合金都會在該種機型上生產,所以麻豆黄色仓库選擇風冷、風霧混合、高壓噴水三種功能組合一起。風冷、霧冷、高壓噴水的長度和數量以及風機和水泵的大小,要根據不同擠壓機的大小和生產產品特性來配置,但一定要提供足夠大的冷卻範圍。也就是說風機的風量和風壓要足夠大,水泵的流量和壓力要足夠大,風口和噴頭的數量及長度也要足夠,否則就會造成淬火強度不夠或淬火不充分。
淬火係統分上下兩部分,下部淬火槽固定,上部風箱和水罩可升降。當擠第一根棒時,上部風箱和水罩先升起來,讓型材通過後上部風箱和水罩再降下來,係統開始工作。
風冷係統分兩級調節,變頻器和壓力傳感器組成一級調節,調節風機的總風量;調節閥調節各支路風門來控製支路風量,實現二級調節。為了解決截麵周向冷卻的均勻性,以擠壓機中心線為中心,圍繞中心線平行分布若幹路風口(如圖1所示),具體多少路要根據具體生產線所生產的型材截麵寬度來確定。每一路風口都可單獨調節風量,以滿足不同合金和壁厚所需要的冷卻速度,確保截麵上各個位置淬火均勻。
根據擠壓機噸位不同,圍繞擠壓中心線選擇若幹列噴霧頭,頂部、底部和左右兩側分別布置,能夠任意啟閉、切換每一列噴霧頭。根據不同合金、不同型材截麵來選擇哪一路噴霧,選擇哪一路風量的大小進行組合,以達到最佳的淬火效果。
水冷係統由變頻器和壓力傳感器組成一級控製係統,調節水泵的總水量水壓,並具有穩壓功能。由調節閥和各支路組成二級調節。根據擠壓機噸位不同,圍繞擠壓中心線選擇若幹列噴淋頭,頂部、底部和左右兩側分別布置。能夠任意啟閉、切換每一列噴淋頭,並可隨時調整每一列噴淋的出水量。在麵向擠壓機方向,可對上、下方向或左、右方向的噴淋管的供水量進行差異調 整。鋁型材截麵的各個位置在擠出後都獲得了相同的冷卻速度,有效控製了淬火過程可能出現的彎曲變形。 (如圖2所示)
擠壓換棒過程,全部立刻停止或全部繼續保持冷卻噴淋都不是理想的方法,這樣會造成型材縱向的機械性能不一致和彎曲變形。每一路噴管的縱向分為兩段,並用氣動閥控製順序啟閉。換棒停止擠出時,從冷床往擠壓機方向按次序關閉這兩段噴管;換棒後開始擠出時,從擠壓機出料方向按次序開啟這兩段噴管。(如圖3所示)
為了方便操作,上部風箱和水罩是可以獨立升降。當擠第一根鑄錠和擠完最後一根鑄錠時,上部風箱和水罩升起,方便型材通過淬火裝置。當第一根型材前端通過淬火區後,如果是風冷的,就將上部風箱降下來,如果是水冷的,就將上部風箱和水罩一起降下來,利用上水罩和下水箱的閉合防止水珠往外飛濺。同時可根據型材的高度變化進行上部風箱高度的調整,來調節上部風口和噴頭與型材頂部之間的距離,減少風壓或水壓的損失。(如圖4所示)
為了方便操作人員的控製,在線淬火裝置所有的動作和工藝參數均可通過人機對話來進行控製,友好的操作界麵非常適合國內工人使用。為了提高調節的效率,減少因調節過程不當所產生的廢品,控製係統特別設計了自動記憶功能。每次生產的型材,當認為淬火的工藝參數比較合理時,可啟用記憶功能將該組參數記憶下來,下次再生產該型材時,隻要錄入該型材的型號代碼,係統會自動調用上次記憶下 來的參數進行生產。
為方便調試、監控和維護,控製係為方便調試、監控和維護,控製係統設有遠程監控接口。有需要時,可通過網絡對係統進行遠程調試、監控和維護。                             
為了解決型材寬高比變化過大,引起上下左右風口或噴頭與型材表麵之間距離變化過大,麻豆黄色视频將上部的風口和噴頭與左右的側風口和側噴頭設計成分離的,並且相互間可以移動(如圖8所示)。這樣就可以根據型材的寬高比來調節風口或噴頭與型材表麵之間的距離,確保上下左右各路風口和噴頭與型材各表麵保持合適的距離和位置,提高冷卻的精準度和減少能耗的損失。
(二)以生產管材為主,兼顧異型材的在線淬火係統  該種機型以生產管棒材為主,所以麻豆黄色视频選擇風冷、高壓噴水和駐波冷卻三種功能組合一起。與第一種對比,更注重駐波冷卻的應用。風冷、高壓噴水和第一種基本一樣,而駐波冷卻在前麵也有描述。
四、一種針對2係、7係合金的在線淬火係統
因為2係、7係合金的淬火敏感性非常強,擠壓速度慢,固溶溫度與擠出溫度的差異,以及淬火的轉移時間要求短,所以一直以來無法進行在線淬火處理。但離線淬火又存在以下不足:
1、二次加熱造成能耗高;
2、二次加熱引起粗晶環加劇;
3、淬火速度不可控製,型材彎曲變形嚴重;
4、效率低下。
為此,麻豆黄色视频設計了一套針對2係、7係合金的在線淬火係統,原理如下:
1、從擠壓機口開始設計一段20至30米長度的出料台,但該段出料台同時也是一台保溫爐,要起到保溫的作用;
2、接著是一段同等長度的加熱爐,將經過保溫的型材加熱到固溶溫度,保溫時間可以根據需要進行設定;
3、滿足固溶處理的型材從加熱爐的右下角出口處瞬間混到加熱爐低下的冷卻水槽裏麵進行冷卻;
4、冷卻水槽可以采用噴淋的形式冷卻,也可以采用泡浸形式冷卻;
5、淬火完成後,通過升降機構將型材轉移到矯直機上進行矯直。後工序與其它合金一樣。