铝合金轧制成形的研究与现状

赵启淞

（广西南南铝加工有限公司，广西 南宁 530031）

我国工业水平的提高，使得各领域对于金属材料的需求量有所递增。而在我国机械制造行业中，铝合金得到了更多的利用机会，成功地引起了人们的重视，也吸引了众多研究人员致力于对其轧制成形相关工艺的开发和研究。作为一种轻质金属材料，其诸多优势在工业生产中发挥了重要作用，而轧制成形工艺则是铝合金材料的“主战场”，相关企业应对此引起高度重视。

1 铝合金材料的概论

1.1 铝合金材料的特性

第一，铝合金密度较小。在工业生产中，合金钢的密度为每立方厘米7.8克，而铝合金的密度仅为其三分之一左右，是每立方厘米2.7克。基于这一特点，铝合金满足了众多相关领域内，对于设备、材料的轻量需求，获得了广泛的应用。在这些行业中运用和发挥出铝合金的特性，不仅有利于降低材料的运输和加工投入成本，也能从根本上节约施工或制造费用，为相关企业带来更多经济收益。第二，铝合金导热性能强。单质铝本身便具有较强的导热性能，在整个金属元素领域中，其导热能力仅次于金、银、铜。而铝合金也同样拥有这一特征，在诸多热能转化设备的制造中，尤其是取暖器、散热器等方面的应用频率更高。第三，铝合金力学性能好。单质铝具有塑性高的优点，但其强度较低。在铝合金制造中，若能在单质铝中加入强化类金属单质，如铜、镁、锌等，便能制得强度更佳的铝合金。由于其强度甚至可媲美钢铁，使得铝合金在交通运输、航空航天事业中应用较多，符合对材料提出的高强度要求。第四，铝合金具有一定的耐腐蚀性。当铝合金在空气中暴露较长时间后，其表面位置会形成氧化膜，可对铝合金表面起到保护作用，阻断其被继续氧化的过程。第五，铝合金具有装饰性。铝合金因继承了单质铝的高可塑性特点，在各种形状、规格的产品制造行业中，工作人员可对其进行多元加工处理，如对其表面进行处理后，形成五颜六色的膜层，发挥出了铝合金的装饰能效。

1.2 铝合金材料的应用领域

第一，在电子行业中，因铝合金的导电、导热能力，在多种类型的导线制造中，铝合金发挥了应有的价值。外加其散热能力好、耐用性强，以及具有易着色性和节约成本等特点，其在各种电子设备的外壳、部件制造中得到了应用。第二，在汽车制造行业中，目前全球的汽车制造方面，正朝着“轻量”特性的方向发展。由于铝合金密度小的特点，成为了轻质材料的绝佳选择，也成为了汽车制造业发展过程中的重点应用材料，无论是发动机的内部气缸、外部罩，还是制动器的消声罩、车身构架等，均以铝合金为主要材料。与此同时，变形铝合金也在这一行业中得到了应用，如在汽车内外板制造上，利用变形铝合金取代传统的钢板，可明显降低车身的重量，最高可减轻其一半重量。第三，包装行业中应用铝合金，主要发挥了其易塑性的特征。在饮品包装的瓶、桶、易拉罐中，以及化妆品、药物、工业产品等方面的包装，铝合金都拥有较高的“出场率”。第四，在航空航天行业中，铝合金在飞机制造方面的使用频率较高，与其优良的结构特点密切相关，尤其在飞机配件中的蒙皮、起落架制造方面，其应用次数会更高。航天飞船的燃料箱、仪器仓等，也较多由铝合金制成，是一种关键的制造材料。第五，在建筑工程行业中，主要发挥了铝合金的强度好、耐腐蚀性特点，一般体现在施工工艺、焊接等方面，在建筑的吊顶、门窗方面的应用优势更加明显。而其装饰性的特点，也能在建筑物的设计、布局过程中，凭借铝合金制成的多种颜色、形状的装饰品，对建筑进行点缀和装饰，满足用户的个性化审美需求。

2 铝合金轧制技术现状

铝合金轧制生产中，通常要凭借摩擦力，使旋转的轧辊靠近锭坯，在轧制横断面维持在设计的规范标准范围内，使其在轧辊施加的压力作用下，发生形状的改变，或者长度的增加、厚度的减少。从本质上分析来讲，轧制是铝合金的塑性发生变形的过程。

2.1 轧制技术的种类

铝合金的轧制技术有两种分类方式。一种按照铝合金轧制中的温度划分，即热轧和冷轧制。前者即维持铝合金在再结晶温度以上的高温状态的方式，高温情况可有利于提高生产质量的稳定性，也有利于确保生产活动的效率。而后者即在常温或低温情况下进行轧制，适用于铝箔毛料、薄板等的生产过程。另一种按照轧辊的旋转方向进行划分，即横向、纵向、斜向轧制。第一种即轧辊转动方向相同，轧辊与轧件的轴线处于平行的状态。在实际铝合金板带生产过程中，这种轧制技术的应用频率相对较低，需要工作人员根据轧件的实际生产情况，对工艺步骤进行科学规划。第二种即轧辊转动方向相反，但轧辊与轧件的轴线处于垂直的状态，在铝箔、铝板的生产中应用次数较多。第三种即轧辊转动方向相同，但轧辊与轧件的轴线间存在角度倾斜的情况，在部分异型产品生产，或在管材制造中应用较多，相关企业有时会搭配双辊、多辊等设备的使用，用以获得理想的生产效益。

2.2 技术参数的控制

在铝合金轧制过程中，工作人员的首要任务是对技术参数进行控制。在轧辊的压力作用下，轧件会产生形变，其中发生形变的部分为“轧制变形区”，也是轧件进入轧辊后，其垂直平面位置上与辊的相同平面构成的区域。当轧件同轧辊接触后，会形成特定的角度，圆弧所对应的圆心角被称为“咬入角”，圆弧水平则叫做“接触弧长”。在对轧件变形情况进行标识的过程中，工作人员应重点计算入轧前、后之间，轧件的相对尺寸差值，用来展示轧件发生的变形量，而尺寸之间的比值，则能够表示出轧制中发生变形的程度。

前滑和后滑也是轧制中的关键参数，前者为轧件出口速度超过轧辊的速度，后者为相反的情况。为了减少轧制工艺中发生质量问题的比率，工作人员便要留意对这两项参数的及时调整。前滑的数值可采取“刻痕法”加以决定，即在轧辊表面做好标记后，记下刻痕的位置。在轧制开始后，对轧件表面的压痕长度进行标记，可将此为重要参考依据计算前滑值。对前滑值大小产生影响的因素众多，压下率、轧辊直径、摩擦系数、张力四项因素，均与前滑值呈正比例关系，而轧件厚度则与前滑值呈反比例关系。

2.3 轧制宽展的控制

宽展度是轧件在宽度方向上，其尺寸发生的形变程度。根据轧制方向的差异性，宽展可分为滑动、翻平、鼓形三种。通过调查和实践可以发现，对轧件宽展的影响因素众多。轧制下压量、轧辊直径、摩擦系数与宽展度成正比，而轧制次数与宽展度成反比。轧件宽度的情况则较为特殊，若其数值增大，则宽展度先增加，到达峰值后接近无变化。

2.4 轧制张力的控制

张力是设备的前后卷轴与机架间产生的相互作用，对轧件产生了拉力。工作人员控制张力的目的，是降低轧制力的参数，减少轧件弯曲压力值，达成管控轧制主电机负荷的目标，也有利于使轧制工作的能源消耗量控制在科学合理的范围内，契合于我国现阶段提倡的绿色环保的工业生产理念。工作人员对铝合金材料厚度的控制，可以让张力的调整对轧制力产生影响，保证减小轧机弹跳力，使轧辊弹性压扁，最后使轧件的厚度被控制在科学范围内，有利于改变轧辊的弹性弯度和轧制力，让材料板形得到更好的管理。

2.5 轧制条件的控制

为了获得更好的轧制加工质量，工作人员应控制好轧制的咬入条件，即轧件带入轧辊内的情况。当轧件已经完成了被咬入环节，且已经开始向轧辊进行填充之时，轧件和轧辊的作用力点也会发生位移，逐渐朝着出口的方向变化，而摩擦角和咬入角的关系也会发生相应的转变。为管控咬入的成效，工作人员便要参考轧件生产的实际需求，优选最佳直径的轧辊，做好轧制下压量的工作。利用针对性更强的方式，不断对轧辊的表面加以优化处理，使咬入过程中的角度有所增大。工作人员还应该控制轧制的速度，保证摩擦系数处于可控的合理范围内，在维持低速的状态下，使轧件能够得到自然地咬入。

2.6 轧制力值的控制

在整个铝合金轧制工艺中，轧制力值是其中一项最关键的力学数值，甚至会对轧件加工的最后成果带来直接影响。轧制力也是轧辊与轧件形成合力时，在垂直状态下的分量值，可经由测量压下螺丝承受压力而决定。在实际轧制工作中，轧辊作用力一般分为两种情况，即轧辊与接触表面相切、垂直时的摩擦力与压力，两种力在垂直方向上投影的和，变为轧制力的具体值。工作人员在控制压力值的过程中，要优先校准轧制设备电机的运转功率，以及计算出轧辊等轧制设备部件的弹性形变、强度等，做好对压下值的控制工作。还需要分析和获得对轧件厚度、板型方面的具体要求，对轧制机械设备的内部结构不断调整和完善，保证在轧制工作中的顺利完成。

2.7 轧制润滑的控制

在铝合金轧制过程中开展润滑工作，其作用在于对轧件和轧辊摩擦力的控制，用以为轧制创造更加良好的摩擦面，使整体加工水平得到提升，也能够达到高效加工的目的。从铝合金轧制加工环境分析来看，润滑油应具备较强的特性，且能够在高温、高压的环境中也能发挥出应有的性能，不会在加工中出现变质的情况，在挥发量较小的同时，也不会产生斑痕，这样才能满足轧制工艺的高标准，也有助于规避危害工作人员身体健康的风险。目前润滑油的添加剂中，通常会含有极性基团烃基，可在静电引力的作用下，在轧件的表面形成油膜，使得轧件与轧辊发生分离，确保润滑价值的有效发挥。

工作人员在使用润滑油期间，要严格管理轧制过程中涉及到的参数，对润滑油中的多项指标，尤其是对胶质、添加剂、残留物等方面进行分析，确定其老化程度，也有利于避免在工作温度、轧制力值较大的情况下，对润滑油的寿命产生负面影响。

3 铝合金楔横轧技术分析

楔横轧是一种当代铝合金成形技术，对于轴类部件的成形可彰显出更强的工艺效果，重点用于机械制造领域中，可对此类部件毛坯、预制的生产提供高质量模锻件。该技术最早出现在20世纪初，因科技和生产水平相对落后的原因，当时并未将其在生产工作中加以应用。到了20世纪中叶，捷克某公司将其应用于小型汽车部件制作中，之后才逐步演变为轴类成形技术大家族中的一员。我国对于该技术的研究，也最早开始于20世纪60年代，经过了几十年的实践，目前中国已经在设备、工艺上取得了较大的突破，使其在铝合金轧制成形生产工作中，为节能降耗、高效生产贡献了巨大力量。

与传统构件加工技术相比，该技术不仅节约了投入成本，也具有更高的精确度。其原理是两组带楔形模具的轧辊，在实际轧制时按照同一方向发生旋转，而圆形构件则反向旋转。在此期间，构件的直径会出现压缩，轴向发生了延伸，最终形成金属制轴类零件，达成生产目标。伴随机械制造业规模的扩张，对于该技术的研究，业已成为该领域内生产技术革新的重要内容。尤其在轴类部件生产中，在此技术应用的影响下，材料的强度、塑性会有所提高，灵活运用专业的加工方法，使得此技术可在模具设计、生产中发挥出更大的力量，对于轴类部件的批量加工具有推动作用。

同传统的车、铣、刨、磨等工艺比较而言，该技术在铝合金体积成形上应用更为广泛。此技术实际上是一个大弹塑性变形的过程，压制流程较短，且影响工艺的参数项目较多，也因轧制工艺具有成形复杂、速度较快等特点，在工作人员操作时会遇到多种干扰因素，尤其相关参数问题，若工艺参数发生了改变，均可能会对工艺的正常开展产生不同程度的影响。尽管我国当前在该技术应用上具有一定的工艺基础，但在铝合金的成形加工方面，部分企业仍有待完善和改进。其原因在于铝合金对于工作人员的塑性变形控制上的要求更高，使得对其加工比钢制难度更大，更需要这些企业对轧制技术的革新处理，根据铝合金自身的多种特征，结合具体工艺需求进行深入探究，使参数符合既定规范标准，确保得到理想的体积成形成效。

此技术的重点环节之一——模具设计，可分为挡板、上下模具设计，相关工艺参数为断面收缩率、成形角、展宽角。这一环节可帮助轧件发生旋转，也是轧制工作的前提。为了促进轧件的顺利旋转，工作人员要采取相应措施增加摩擦系数，还应顾及断面收缩率方面。这一参数会关系到轧件出现拉断、颈缩问题的几率，为了确定大断面收缩率和轧制工作间的关系，通过实践可知，断面收缩率若具有较高的数值，轧件中心部位的质量将会有所提升。产生这一现象的原因在于，轧制流程进展之时，轧件的瞬间周向流动会增加，而中心部位剩余材料较少，使得轧制无法满足曲线发展空间。

在使用该技术加工铝合金之时，有时会发生内部损伤的问题，会对成型后的整体质量带来影响。在多种因素的综合影响下，铝合金的三维应力、塑性变形均会产生相应的变化。材料内部在轧制过程中，会出现压缩、拉伸、开裂、弯曲等一系列现象，而材料中心位置上，因拉应力带来的影响，当到达既定形变量之后，会逐渐产生塑性疏松的问题，最后变为裂纹。在整体应力场的作用下，裂纹会朝着轴向方向蔓延后出现孔腔，这也是成形后构件存在损伤的主要原因，在此期间还会受到变形的速率、温度等方面的影响。为此，工作人员更要在轧制之时，将构件存在的内部损伤问题加以考虑，合理利用当代技术，分析温度、收缩率等相关因素，对问题的预防、解决方式进行重点研究，同时还需要全力做好科学控制工作。

随着信息技术的普及，有限元模拟技术逐渐在铝合金轧制研究中得到应用，二者的综合使用，为解决这一问题提供了更多科学的研究方式。在两种技术使用之时，不仅要考虑到轧件的组织、外形尺寸，还应着重研究组织变化规律。因铝合金具有氧化性质，在加工中更要做好温度控制工作，在轧制后迅速水淬，使变形组织更为完整。

在此技术在工业生产中逐步扩大使用规模的今天，对于铝合金轧制工艺也提出了更新、更高的要求，用以获得力学性能更卓越、质量更佳的产品。在轧制环节中，对于轧件的微观组织来讲，其会伴随铝合金的温度、变形而产生相应的变化，比如静态、动态的再结晶，以及晶粒变大等，随着这些变化过程的推进，会逐渐对最终铝合金产品的各项性能产生不同程度的影响。

4 结语

综上所述，轧制成形是机械制造行业中的关键工作内容，而铝合金材料的应用，满足了部件加工中对于形状、体积等的要求。因此，工作人员应意识到铝合金使用的重要性，通过牢牢把握轧制过程中的种类、参数、宽展、张力、条件、轧制力、润滑几项重要影响工艺的因素，依照实际部件加工要求，灵活使用楔横轧技术，将铝合金自身的优势发挥的淋漓尽致，不断提高铝合金构件的质量，从而推动我国机械制造行业的可持续发展。