纺织设备用6063铝合金型材缺陷分析与对策

蒋 伟，翟文峰

(1. 山东铝业有限公司，山东 淄博 255051；2.中铝山东青岛博信铝业有限公司，山东 青岛 266300)

为实现纺织机械设备轻量化，延长装备使用寿命，提高纺织设备组装稳定性与生产效率，山东铝业有限公司某下属分厂与国内某纺织机械设备厂家进行合作研发纺织机械设备用某系列铝合金材料，取代过去一直使用的部分钢木材料。由于缺乏对此类系列产品相关的设计经验与精密工艺技术参数控制标准，从图纸设计到生产技术参数是按照常规挤压产品进行控制的，模具设计与生产工艺流程中工艺参数控制不严谨，使铝合金挤压过程中出现了金属流速不均、模具通过量低、型材表面不光滑、形状弯曲及性能不合格等多种问题，导致在纺织机械设备装配过程中出现严重偏差，利用型材“平台”全检与力学性能全测的方法发现该系列型材合格率不足75%，成本很高。

为提高挤压型材的生产质量，更好满足纺织机械设备使用，本文作者通过研究模具设计[1-3]与挤压过程中存在的问题，制定针对性的控制措施，实施精准控制，使型材质量稳定。

1 型材缺陷分析

本研究设计的某一种纺织设备用6063铝合金型材，化学成分如表1所示。型材断面如图1所示。

表1 6063铝合金的化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of 6063 aluminum alloy(wt/%)

图1 6063铝合金型材断面图Fig.1 Sectional view of 6063 aluminum alloy profile

该型材图纸设计要求各项尺寸公差为±0.05 mm；平台检测不能有S型弯曲和侧弯，型材4个面横向、纵向拼对必须严丝合缝；型材表面光滑、无夹渣、擦碰伤、粘铝、气泡等；型材硬度HV不小于13。该型材挤压比大、壁薄。由于模具设计对各部位流速考虑的不合理以及挤压各环节工艺参数太宽泛，包括铸锭加热温度、模具加热温度、挤压筒温度、淬火、时效等参数，以及挤压筒、挤压杆、滑模座等三个装备中心位的三点对中问题，使型材挤压过程中出现金属流速不均、模具通过量低、型材表面出现缺陷、形状弯曲及性能不合格等多种问题。

2 避免缺陷的对策

2.1 流速不均

挤压生产实验过程中，发现实心侧与空心侧流速不均，快慢不一，如图2所示。

通过分析模具设计壁厚空心部分工作带表明，模具设计壁厚空心部分工作带短，分流孔设计的流速过快，上模挡台短，造成模具挤压过程中流速不均。对模具设计进行多次优化，空心部分工作带加长1 mm，上模挡台加长3 mm～5 mm，并由4个分流孔改为6个分流孔，从而杜绝了因模具设计不合理产生的流速不均问题。

图2 实心侧与空心侧挤压流速不均现象Fig.2 Differential flow rate of solid and hollow extrusion

应利用加热炉合理控制铸锭的温度，通过现场生产经验总结，加热炉燃烧室温度设置为600 ℃，加热炉炉膛温度设置为550 ℃，铸锭在加热炉炉膛内保温6 h，使铸锭的成分均匀。铸锭加热后经剪切、进入挤压筒前确保其表面温度在520 ℃左右。模具与挤压筒预热温度均设置为460 ℃，保温3 h。模具保温时间既不宜过长(否则模具老化)，也不宜太短(防止模具预热不均匀造成挤压过程模具破裂)。

确保挤压筒、挤压杆、滑模座三个装备的中心位在一条线上。型材挤出后通过查看型材流速，控制型材流速，及时调整滑模座，达到标准控制。

2.2 模具通过量低与型材表面缺陷

挤压生产过程中，模具上机通过量只有300 kg/次～500 kg/次，明显低于同机位装备生产常规品种的通过量2 000 kg/次～3 000 kg/次。且型材部分区域存在夹渣，表面划伤，粘铝等缺陷，如图3所示。

图3 型材表面装饰线、亮条、夹渣缺陷图Fig.3 Decoration line, bright stripe and slag inclusion defects on profile surface

通过现场生产反复试验，发现模具上机前氮化质量对型材通过量与表面质量有直接关系。一般模具制作完成上机挤压前，都要进行一次氮化热处理，以提高模具寿命。后续生产过程根据模具实际状况，确定是否再需要氮化。但由于该型材产品设计的挤压比仅为6，使挤压过程存在局部焊接不良的可能。因此，本试验采取“修模即氮化”的办法(每次对模具修理完毕，都必须进行一次氮化热处理，以增加模具强度)，提高模具的通过量，同时也提高了挤压型材的表面光洁度，消除了型材表面出现的夹渣、粘铝、划伤等缺陷。

2.3 侧弯和S型弯曲

矫直力度过大或过小，锯切操作不精细，装筐与垫片加装不合理，操作人员抬料力度不均衡，料筐间距过大，均会对产品弯曲造成影响，如图4所示。

图4 型材弯曲示意图Fig.4 Bending diagram of profile

通过大量试验数据分析，制定了最优技术方案：型材表面温度小于50 ℃(或用手摸没有热度)方可矫直。采取“3步矫直法”：第一步先矫实心部分，第二步再矫空心部分，第三步把型材拖至矫直机夹口中心位置再次矫直。矫直后平面间隙小于0.2 mm。操作过程严禁拖料，过桥处必须每根移至冷床3级皮带上面，全部拉到位，不能出现高低不平现象，否则容易形成S型弯曲。

多次试验了不同的锯切与装筐方式对型材弯曲的影响，确定了最合理的锯切与装筐方式：实行分组锯切，每3根型材一组，从冷床3级皮带送到锯切输送台，每一根型材前边工艺废料锯切长度为600 mm，接头后锯切700 mm；严禁摞料锯切，并及时用笤帚清扫干净锯切平台，防止铝屑划伤型材；装筐时，应将型材进行拼对(立起和平放)，即4个面都要比对直线度与弯曲度，避免不合格品装入筐中，而且每隔一定数量(一般控制在50支～6 0支左右)要用直角尺进行一次专检。

为更好地杜绝S形弯曲，料筐用方管型材铺满筐底，型材两端必须压在方管上面，竖立装筐，筐两边用型材塞住防止型材倾斜造成弯曲；每筐装型材不超过3层，中间用毛毡垫片隔开，如图5所示。

2.4 性能不合格

挤压速度快慢会影响型材性能[4]，通过调整铸锭的挤压速度可以调整型材性能。大量实验结果发现：挤压速度从原来的3.7 mm/s降低到2.64 mm/s，能够提高型材性能。

图5 型材规范装筐图Fig.5 Standard packing of profiles

为了更好地提高淬火效果，采用在线风冷淬火，控制淬火风机风量，降温速度设置为65 ℃/min，使型材快速冷却。同时在两根长度为6 m的铸锭全部挤压完毕后才可对型材进行锯切，保证型材在冷床上的冷却时间延长1倍。配合挤压速度与淬火工艺，对时效工艺进行了优化，由195 ℃2 h调整为195 ℃3 h，提高型材时效后的强度。

通过调整6063铝合金中Si与Mg的含量可以起到提高性能的作用，将Si与Mg的含量分别控制在w(Si)=0.42%～0.46%和w(Mg)=0.56%～0.59%的范围，能够更好地起到稳定力学性能的作用。

3 结 论

1)模具的分流孔由原来的4个调整为6个，空心部分工作带加长1 mm，上模挡台加长3 mm～5 mm，提高了型材挤压时金属流动的均匀性。每次对模具修理完毕，都必须进行一次氮化热处理，提高了模具的使用寿命和型材的表明质量。

2)优化型材挤压流程，利用在线风冷淬火，采取先矫实心部分，再矫空心部分，然后把型材拖至矫直机夹口中心位置再次矫直等方法避免了型材的S型弯曲。

3)精确控制合金的化学成分，将 Si与Mg的含量分别控制在w(Si)=0.42%～0.46%和w(Mg)=0.56%～0.59%的范围，提高了型材的强度；时效工艺由195 ℃2 h调整为195 ℃3 h，能更好地稳定力学性能。