铝合金挤压成型过程废料来源及削减措施研究*

彭科学 刘文通 卡丽比努尔·吐尔逊 韩鹏

1. 昌吉学院 新疆 昌吉 831100；

2. 新疆新铝铝业有限公司 新疆 昌吉 831100

引言

由于铝合金具有密度低、比强度大、耐腐蚀、加工性能好等优点，已成为建筑行业第二大金属材料[1]。在铝合金型材加工过程中，不可避免地会产生边角料、报废的成品和半成品等各种废料。作为“绿色金属”，铝合金的回收利用效率相对于其他金属而言是比较高的，主要是因为铝合金在再次熔炼铸造过程中，仅产生4%～8%的损耗。但由于铝及其合金的生产属于高污染、高耗能的产业，应尽可能地提高铝材的使用效率，避免珍贵的金属资源被废弃。

铝合金的成型技术一般可分为低压铸造、压力铸造、砂型铸造、挤压成型、冲压成型、轧制成型等方式。对于断面形状较为复杂的型材而言，通常采用的方法是热挤压成型。即通过液压顶杆对挤压筒内加热至再结晶温度以上的铝棒施加挤压力，使铝合金从特定模具的缝隙中挤出，从而得到该模具对应的规格的铝合金型材产品的工艺过程[2]。

经过多年的发展铝合金热挤压技术已逐步发展成熟，这种方法得到广泛采用的主要是因为其具有以下特点：①在挤压过程中，材料会受到来自于三个方向的压应力，可使得金属的塑性充分发挥。②由于挤压温度高于铝合金的再结晶温度，因此，其在热变形过程中，材料的内部也会发生再结晶，而且成型全过程都是在挤压力的作用下进行，其材料的组织会得到改善，型材的综合力学性能相对于铸棒将得到明显提升。③挤压工艺能生产各种异型断面、深孔以及薄壁不同形状复杂的零件，通过更换挤压模具，在同一台设备上，能够生产众多不同规格的产品。

1 铝合金挤压工艺过程工艺流程概述

铝合金型材挤压生产工艺流程主要包括熔铸铝棒、模具预热、铝棒加热、型材挤压、热处理、表面处理、包装入库等工艺步骤[3]。

1.1 铝合金棒

熔铸铝合金棒是挤压成型加工的原材料，是使用铝锭或电解铝液及铝合金废料作为主要原料，添加相应的合金元素和辅料在高温下混合均匀，达到指定牌号铝合金的目标成分，然后浇铸而成的。铝合金棒的成分和性能直接影响工业铝型材的产品性能。一部分型材厂拥有自己的熔炉和浇铸系统，另一部分型材厂无法自行铸棒，只能外购。

1.2 铝合金棒加热

铝合金棒加热通常采用长条形的电阻炉或感应电炉，加热达到目标温度的铝合金棒会被从炉中推出剪成小段进入挤压工序。

1.3 型材挤压

挤压是铝合金成型最关键的工艺步骤，金属材料在压力作用下通过模具的缝隙成型。要注意挤压过程中模具的控制、预热挤压筒的温度及挤压过程中的温度、挤压速度的控制等工艺参数。

1.4 铝合金型材人工时效

将挤压后的铝合金型材加热到160-200℃保温一定的时间可进一步提高铝合金型材的强度和硬度，这个过程称为人工时效。要严格按照工艺要求来进行时效，保温时间要适当，防止欠时效或过时效导致产品硬度和强度不足。

1.5 表面处理

铝合金挤压成型后，表面会有明显的拉伸纹，经过表面处理可改善其表面质量。主要的表面处理工艺包括喷砂、喷涂、表面氧化、电泳涂装等方式。

2 铝合金挤压过程废料来源分析

铝合金挤压型材的废品分为两大类：几何废品和技术废品。

几何废品是铝合金型材在挤压过程中不可避免地产生的废品。如挤压的尾料（压余）、拉伸矫直时制品两端的夹头、因不够规定长度而抛弃的半成品（成品）、检测样品的切取，分流模当中的残留等。

技术废品指的是型材生产过程中因工艺不合理、设备出现问题、工人操作不当等原因产生的人为废品。通过技术改进，加强管理，可以有效地避免技术废品的产生[4]。

在企业生产和成本核算中往往以成品率来表征废品的数量：成品率分工序成品率和综合成品率。工序成品率一般指主要工序（如熔铸工序、挤压工序、氧化着色工序、喷涂工序等），通常是以车间为单位进行计算。它的定义是：车间合格产出量均与车间原料（也可能是半成品）的投入量之比。

在铝棒熔铸过程中，废料主要来自于铸造废料、铝棒锯切废料、锯切头尾废料等。

在铝型材挤压和型材处理工艺过程中，废料主要来自于挤压尾料（压余）、工艺废料、氧化着色废料、腐蚀与抛光废料等。

3 削减铝合金挤压成型废料的措施

减少铝合金挤压成型废料的关键就是要减少和消灭废品。几何废品虽然是不可避免的，但可以设法使其降到最低。为此可以采用如下措施来削减废料。

3.1 从管理层面削减废料的措施

3.1.1 严格把控铝合金棒和模具质量。铝合金棒是挤压生产的原材料，要求铸锭组织均匀、晶粒细小，无夹渣、气孔、偏析、裂纹等缺陷，不仅可以降低挤压力，提高挤压速度，提高产品内在质量。而且可以减少制品表面气泡，气孔、划伤、开裂、麻点等缺陷[5]。对于自产铝合金棒的厂家一定要严格控制精炼、静置、浇铸和均质处理环节，严格按操作规程操作，避免铝合金棒中带有缺陷。对于外购原料的厂家，要严格采购环节管控，招标采购过程中不能只考虑价格，还应该考虑供应商的生产管理水平和质控体系是否达标，并制定对供应商的考核机制，对于铝合金棒质量长期存在问题的供应商进行罚款或终止合作。

铝合金成型过程材料直接与模具工作带接触，工作带的强度与光洁程度直接影响到型材表面的质量，一旦模具出现裂纹、凹坑等缺陷，上机生产时，必然会导致大量废料产生。模具应进行公开招标采购，货比三家，并根据车间反馈的模具质量情况合理选择模具供应厂家。

3.1.2 将成品率指标与员工绩效工资挂钩。可将工人工资分为产量工资和成品率工资两部分，按岗位重要性不同设置不同的比例。如质检员产量工资占50%、成品率工资占50%，机长产量工资占60%、成品率工资占40%，普通工人产量工资占70%、成品率工资占30%，由车间统计对每班产量及成品率进行统计，并制定严格的质量考核措施，确保不合格品不转序、不出厂。

3.1.3 通过QC小组、合理化建议等活动调动员工积极性[6]。通过QC小组、精益改进项目的设置和合理化建议的收集与奖励等活动的开展，充分调动员工参与生产改进的积极性，工厂制定相应的激励机制，对参加QC小组活动、精益改进项目并取得成效的工人进行奖励，对被采纳的合理化建议的提出者进行奖励。

3.1.4 加强员工操作技能培训。坚持“师带徒”制度和定期培训制度，由工作3年以上的老员工对新入职员工进行结对帮扶，发放一定的培养津贴，对培养新员工业绩突出的老员工进行表彰和奖励。坚持班前班后会制度，由车间主任、班组长进行10～15min的技能培训，坚持每周组织技术员、质检员对全体员工进行一次20～30min的集中培训。

3.1.5 加强设备、模具点检维护。每个车间设置一名专职的设备维护员，每条生产线的机长为兼职设备维护员，每日对设备进行点检、不让设备带病工作。对可能影响产品质量的问题第一时间进行解决，防范因设备、工装等问题影响产品质量。模具集中管理，设置模具中心，由模具主任、模具班长和修模工人组成，负责进行新模具试模跟踪、模具清理与维护、模具发放等工作。模具的领用和归还必须由机长和模具班长签字确认，并对模具使用过程中存在的问题进行交接。

3.1.6 规范模具卡和生产原始记录填写与存档。模具卡及生产原始记录是非常重要的，模具卡必须能真实显示出模具氮化情况、维修情况、出材情况，原始记录必须能真实显示出压坯尺寸、产品型号规格、所使用的模具编号、生产工艺参数、生产数量等重要指标，为下一次生产提供可靠依据。实施电脑化数据管理，记录生产某一规格产品的最佳工艺参数，尽量将人为影响降到最低。

3.2 从技术层面削减废料的措施

3.2.1 正确选择进入挤压机的铝合金棒的长度。铝合金棒长度不是先挤压后再计算，而是要先计算后再挤压。现在大多数企业采用了长棒热剪铝棒加热炉，相比短棒加热炉，减少了铝屑的损耗，因模具使用壁厚变化，对铸长控制更加灵活精确，大大提高了成品率，但很多企业在使用长棒热剪炉后，忽略了对铸长的计算，而直接交此项工作交给操作工去控制。而操作工往往是根据经验先下一条棒，观察出材长度，如果差异大，继续调整，通常需要3棒左右才能得到准确的长度。

正确的做法是，模具初始生产时，由工艺控制部门计算出铸锭的长度，多次上机的模具生产时，根据模具卡上记录的上一次生产棒长，略加约5～10mm，在出材时观察出材长度。如有差异进行微调，这样第二棒就很精确了。有资料说明，使用长棒热剪可以提高4%的成品率，在实际生产中提高2-3%是完全可行的。

3.2.2 提高设计模具、制造模具的水平。提高设计模具、制造模具的水平，减少在试模上的次数，是成品率提高的关键措施。一般每次试模都需耗费1-3支铸锭，使成品率降低0.5%～1%，由于模具的设计，制造水平低，有的产品要修模、试模3-4次甚至更多次才能出成品，无形中使成品率降低2%～5%，这不仅会造成经济损失，而且由于反复试模，会延长生产周期。

利用CAE技术进行挤压过程模拟，减少试模损失。采用模拟设计软件进行有限元分析，可在计算机中实现对铝合金成型加工的塑性变形过程进行仿真与可视化表达，进而为实际产品开发和生产过程中的模具设计与优化、成型工艺参数选择等工艺过程提供理论指导，及时发现在模具、生产工艺中存在的问题，并通过减少试模次数等方式显著降低产品开发成本。设计可以全部在电脑里完成，也可以通过电脑模拟试模，模腔加工在自动加工中心里面完成，整个模具的加工都是高精度完成，因此模具的质量非常高，上机合格率在90%以上，可以提高成品率2-6%。

3.2.3 采用挤压新技术。及时跟踪国内先进的铝合金挤压新技术，如无压余挤压技术、长锭加热热坯剪切挤压技术等，生产中可根据要求确定合理的尺寸，从而提高了成品率。一模多孔挤压也可以提高成品率。对于某些制品适合多孔挤压时，尽可能采用多孔挤压，不仅可以减少挤压系数，降低及压力，而且可以提高成品率。在技术废品为零的情况下用双孔挤压比单孔挤压成品率可以提高3%～4%。

3.2.4 适当加大铝材挤压系数。铝型材厂一般均有一系列的机台，根据产品的挤压比，冷床长度、制品的外截圆，挤压筒长度直径，来确定产品放在相应的机台上生产。实践证明，制品的规格即使相同，但将其放在吨位大小不同的挤压机上进行生产，因不同的挤压系数，会对制品生产效率和组织的性能产生较大影响，导致成品率存在较大差异。挤压机吨位较大时，挤压系数较大，废品较少，而挤压费用接近。因此，通过加大铝型材挤压系数可有效减少废料。

3.2.5 严格控制生产工艺过程。严格落实首检和过程检验制度。铝材外形尺寸废品如壁厚超差、扭拧、平面间隙、开口或收口等，主要靠试模后第一支棒由主机手在出料时检查和质检员在拉伸后检查把关来杜绝这类废品的产生。一般壁厚公差要从负公差开始控制，因为随着制品的陆续生产，由于模具的逐渐磨损，制品壁厚会逐渐变厚。对于大悬壁的型材，在拉伸矫直时要认真对照图纸检查，控制合理的拉伸量。

型材在拉伸矫直时，特别是对于一些大悬壁型材及空心型材，通过设计相应垫具，避免型材头尾变形量过大，减少了废品的产生。垫具可以使用硬木或者铝块，设计时尽量减少垫具的规格，增加垫具的通用性。

保证挤压筒、杆、模具三点同心。合理维修挤压筒，正确加热，保证筒端面平整。消除各种挤压筒与模具配合不良的现象。

表面废品如擦划伤、橘皮、组织条文、黑斑、气泡等，往往不是每一根制品全部出现。需要通过主机手、质检员、拉伸成品锯切工序，互相检查，共同监督将表面存在的废品挑出。

如质检员在出料台上未发现制品有擦划伤，到成品锯切时发现制品有划伤现象，就要从冷床的转移过程中检查，是否运输皮带、拨料器等某些部位有坚硬突出造成制品划伤。

4 结束语

本文通过文献调研、生产工艺流程分析、实地调研等手段，总结了在铝合金型材生产全流程中，铝合金废料的来源、减少废料的措施及综合利用方法。质量管理是全员、全过程的管理，每个工序都必须把好质量关，做到自检、互检、专检相结合，严格执行生产管理制度并落实相应的技术措施，才能有效削减废料量。削减铝合金挤压成型生产过程铝合金废料可有效降低生产成本，减少金属材料的损耗，从而有效地降低其对环境的污染，节约能源和宝贵的金属矿产资源。