第 1 章：擠壓鋁概述

擠壓鋁是一種金屬成型工藝，涉及將預(yù)熱或冷鋁坯通過具有特定橫截面形狀的模具輪廓。它是一種制造鋁制部件的方法，從具有必要寬度、高度和厚度的二維輪廓開始。型材的第三個(gè)尺寸由后擠出加工確定，其中包括將型材拉到跳動(dòng)臺上并將其切割成適當(dāng)?shù)拈L度。沈陽鋁型材

鋁的兩種擠壓方式是熱鐓和冷鐓。在熱鐓中，鋼坯被加熱到比其熔化溫度低約25%。使用冷鐓時(shí)，坯料在室溫下擠出。兩種擠出方法都有其優(yōu)點(diǎn)。熱鐓是一個(gè)更快的過程，而冷鐓可以生產(chǎn)更耐用和持久的產(chǎn)品。

擠壓鋁是更具成本效益的制造工藝。它能夠生產(chǎn)具有出色公差、精度和準(zhǔn)確度的產(chǎn)品。每個(gè)拉伸輪廓都具有相同的尺寸，從個(gè)拉伸零件到最后一個(gè)拉伸零件，長度或尺寸沒有任何變化。

鋁因其重量輕、強(qiáng)度高和耐腐蝕性而備受青睞。在其純凈形式中，它是柔軟的，強(qiáng)度低。為了提高其機(jī)械性能，它通常與銅、鎂、錳和硅等元素形成合金。此外，還可以對其進(jìn)行熱處理，以進(jìn)一步提高強(qiáng)度和延展性并達(dá)到適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

金屬擠壓的次發(fā)展發(fā)生在 1700 年代后期，當(dāng)時(shí)英國發(fā)明家和鎖匠約瑟夫·布拉馬 （Joseph Bramah） 申請了成型工藝的項(xiàng)專利。該工藝最初用于制造鉛管和電纜的鉛護(hù)套。這種早期的擠壓工藝可以加工軟金屬。

更硬、更堅(jiān)固的金屬，如鋁，需要更高的成型溫度和壓力。直到 1894 年亞歷山大·迪克 （Alexander Dick） 引入熱擠壓工藝，鋁才被用作擠壓材料。

如今，鋁型材被廣泛使用，全球市場規(guī)模超過 670 億美元，預(yù)計(jì)從 2020 年到 2027 年每年將增長 3.8%。擠壓鋁的主要應(yīng)用領(lǐng)域是建筑和施工、汽車和運(yùn)輸、消費(fèi)品以及電氣和能源等領(lǐng)域。

第2章 鋁的特性

鋁是用于擠壓成型的最常用金屬。這種金屬具有獨(dú)特的機(jī)械性能組合，例如高強(qiáng)度、低密度和良好的可加工性。這些品質(zhì)在所有溫度下幾乎都是恒定的。此外，其他理想的特性，如導(dǎo)電性、反射率、順磁性等，進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用領(lǐng)域。

高強(qiáng)度重量比：鋁因其重量輕、強(qiáng)度高而廣受歡迎。它的密度大約是鋼的三分之一。根據(jù)等級的不同，鋁合金的強(qiáng)度比鋼高五倍。由于這種特性，鋁被廣泛用于航空航天和汽車應(yīng)用。

耐腐蝕性：與大多數(shù)金屬相比，鋁具有固有的高耐腐蝕性。這歸因于它傾向于在其表面形成致密的氧化物層。這使得鋁在添加涂層后適用于戶外應(yīng)用。

電導(dǎo)率：鋁的導(dǎo)電性約為銅的61%。在某些應(yīng)用中，由于其密度較低且成本較低，因此比銅更受歡迎。利用這些特性的應(yīng)用是低成本輸電線路。

導(dǎo)熱：鋁的導(dǎo)熱性是黃銅的兩倍，是鋼的四倍。這使得鋁廣泛用于電子和電氣元件的散熱器應(yīng)用。

延展性和加工性：即使在室溫下也可以很容易地形成鋁。除了擠壓，鋁還可以通過軋制、拉伸、沖壓和鍛造來形成。

低溫韌性：與鋼相比，鋁在低溫下保持其韌性。低溫通常會使金屬在脆性斷裂下失效。鋁的機(jī)械性能在所有溫度下幾乎都是恒定的。

彈性和沖擊強(qiáng)度：鋁因其天然的韌性而具有很高的回彈性和沖擊強(qiáng)度。鋁制零件可以吸收突然的力或沖擊，并且可以因動(dòng)態(tài)載荷而彈性彎曲。

非磁性：與鋼不同，鋁不是鐵磁性的，而是順磁性的。這意味著它在受到強(qiáng)磁場時(shí)不會獲得磁荷。這使得鋁適用于發(fā)射高電磁場的電子和電氣外殼和部件。此外，除了其導(dǎo)電性外，鋁還可用于制造電磁場屏蔽。

反射系數(shù)：鋁在 200 至 400 nm 范圍內(nèi)具有更高的反射率，比金和銀好得多。鋁膜涂層通常應(yīng)用于玻璃上以代替銀來制作鏡子。根據(jù)其表面處理，鋁可以在可見光譜波長上反射約 90% 的光。

可回收性：鋁很容易回收，而不會損失任何理想的性能。回收鋁所需的能源僅為生產(chǎn)原始產(chǎn)品所消耗能源的 5% 左右。

第 3 章：鋁擠壓的好處

擠壓工藝有其優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)與鋁的性能相結(jié)合時(shí)，可以生產(chǎn)出具有獨(dú)特品質(zhì)的產(chǎn)品。這些品質(zhì)對制造商和最終用戶都有好處。擠壓工藝主要用于生產(chǎn)具有復(fù)雜截面的零件。此外，它還可以處理其他成型工藝難以處理的脆性材料。

易于創(chuàng)建復(fù)雜的橫截面?？梢灾圃鞆?fù)雜的零件，前提是它在整個(gè)長度上具有相同的橫截面。與其他成型工藝相比，生產(chǎn)更復(fù)雜零件的運(yùn)營成本增加是最小的。

形成脆性材料的能力：擠出生產(chǎn)的零件沒有撕裂和裂紋，因?yàn)榻饘倬哂杏欣谒苄粤鲃?dòng)的配置。這是由于作用在鋼坯上的力對腔室和模具產(chǎn)生的高壓應(yīng)力。

尺寸精度高：與鑄造和軋制相比，鋁型材可以以嚴(yán)格的公差生產(chǎn)?，F(xiàn)在可以使用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬對金屬流動(dòng)進(jìn)行建模，以預(yù)測擠出物的尺寸和輪廓。

可以形成無縫空心部件：空心型材可以通過模具和芯軸的組合擠壓鋁來制造。這些型材不需要機(jī)械接頭或焊縫，而機(jī)械接頭或焊縫是產(chǎn)品的潛在弱點(diǎn)。

實(shí)心型材：創(chuàng)建的實(shí)體型材沒有閉合的空腔，但具有一個(gè)或多個(gè)孔。它們具有簡單的設(shè)計(jì)、吸引人的外觀和非凡的強(qiáng)度。

操作的靈活性。當(dāng)從一種擠出機(jī)型材更改為另一種擠出型材時(shí)，只需對工藝參數(shù)進(jìn)行小幅調(diào)整，這只需要在生產(chǎn)中進(jìn)行極少或幾乎不需要中斷。

良好的表面光潔度。二次操作可以很容易地集成起來，以創(chuàng)建各種飾面。產(chǎn)品的表面可以拋光或拋光以獲得鏡面般的表面，也可以拉絲以獲得啞光效果。除了拋光，鋁型材還可以進(jìn)行陽極氧化、噴漆、粉末涂層、電鍍或?qū)訅骸?/p>

標(biāo)準(zhǔn)表面處理是磨機(jī)表面處理，即對產(chǎn)品進(jìn)行去毛刺和清潔，并準(zhǔn)備進(jìn)行陽極氧化、粉末噴涂或其他二次表面處理。噴砂是在陽極氧化之前完成的常見表面處理。陽極氧化飾面的類型包括透明和黑色，這是最常見的陽極氧化飾面，也可提供定制顏色。

陽極氧化是一種與底層鋁結(jié)合的飾面，具有無與倫比的附著力。飾面化學(xué)穩(wěn)定，無毒;和耐熱。陽極氧化的厚度為 6 μm 至 18 μm，有黑色或透明兩種顏色，可定制顏色。陽極氧化工藝的局限性在于擠壓的長度，因?yàn)殚L時(shí)間擠壓的鋁不適合陽極氧化槽。靜電噴涂涂層還用于涂覆擠壓鋁，并生產(chǎn)各種顏色的更高質(zhì)量的產(chǎn)品。

第 4 章：鋁擠壓中需要考慮的因素

擠壓被歸類為一種塊狀成型工藝，其中成型金屬的表面積與體積比發(fā)生顯著變化。這是通過在柱塞、沖頭、工具和模具的幫助下使鋼坯承受壓縮力來實(shí)現(xiàn)的。為了產(chǎn)生具有可預(yù)測晶粒結(jié)構(gòu)的所需輪廓，應(yīng)用塑性理論來確定金屬塑性變形力學(xué)的力學(xué)。

形成的產(chǎn)品很大程度上取決于幾個(gè)變量。主要變量是擠出壓力，它受其他因素的影響，如溫度、擠出比和擠出速度。下面枚舉了拉伸變量。

擠出工藝類型：兩大類是直接的和間接的。直接擠壓是柱塞行程和金屬流動(dòng)方向相同的過程，而間接擠壓則相反。每個(gè)過程都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。已經(jīng)開發(fā)了其他類型的鋁擠壓技術(shù)，例如靜壓和沖擊擠壓。

擠出壓力：擠壓壓力克服了啟動(dòng)金屬流動(dòng)所需的壓力，并克服了坯料與模具和腔室之間的界面摩擦。范圍從 800 MPa 到 1200 MPa。

坯料與模具或腔體與模具之間的摩擦：前者發(fā)生在間接擠壓中，而后者發(fā)生在直接擠壓中。消除或最小化摩擦，以控制金屬流動(dòng)并降低壓縮所需的功率。

模具類型和設(shè)計(jì)：模具是使金屬變形的部件。模具設(shè)計(jì)決定了金屬在擠壓過程中的機(jī)械工作。擠出模具可以是實(shí)心模具、半空心模具或空心模具。

潤滑：擠壓高強(qiáng)度鋁合金需要潤滑。這是為了幫助金屬，因?yàn)殇撆髟谇皇疑匣瑒?dòng)，金屬通過模具變形。潤滑通常是一種專有配方，通常由油、石墨或玻璃粉制成。

鋁合金的種類：不同的鋁合金需要不同的擠壓參數(shù)。鋁合金按系列指定，根據(jù)主要合金元素進(jìn)行分類。鋁合金列舉如下：

擠壓使用最廣泛的合金是 6xxx 系列合金。

1xxx：99% 鋁

2xxx：帶銅

3xxx：含錳

5xxx：含鎂

6xxx：含鎂和硅

7xxx：含鋅

溫度：鋁擠壓通常在高溫下進(jìn)行，稱為熱擠壓。高溫增強(qiáng)了金屬流動(dòng)性，生產(chǎn)出無缺陷的擠出物。然而，使用高溫的缺點(diǎn)是氧化速率增加。鋁熱擠壓的范圍為705°F至932°F（375°C至500°C）。

擠出比：這被定義為坯料和模具開口橫截面積之間的比率。擠出比越大，變形越大。這需要更高的擠出壓力。此外，更高的變形會導(dǎo)致更高的出口溫度。

擠出速度：這是金屬流過模具的速度。更高的擠出速度需要較高的擠出壓力，并導(dǎo)致更高的出口溫度。較慢的速度為溫度流動(dòng)和消散提供了充足的時(shí)間。擠壓速度平衡，以保持金屬的適當(dāng)溫度。

鋼坯長度：對于給定的坯料直徑，坯料長度限制了擠出物的長度、輪廓和擠出比。此外，坯料長度也會影響所需的擠出壓力。坯料越長，所需的擠出壓力就越高。

第5章 不同的鋁擠壓工藝

鋁型材的制造始于生產(chǎn)送入擠壓機(jī)的鋁坯。鋁是從鋁土礦中提煉出來的，可以生產(chǎn)氧化鋁或氧化鋁。然后通過還原過程將氧氣從鋁中分離出來，以產(chǎn)生純鋁。然后將原生鋁熔煉成錠，用于制造鋼坯和再生鋁。

鋁坯供應(yīng)給制造工廠，通過各種金屬成型工藝制造最終用途零件。鋁擠壓通常涉及加熱坯料以增加金屬的可塑性。然后將加熱的鋼坯裝入圓柱形腔室中，一端是柱塞，另一端是模具。柱塞通過機(jī)械或液壓驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生足夠的壓縮力。施加壓力使坯料塑性變形，迫使其流過模具。設(shè)置可能因所使用的擠出工藝類型而異。

鋁型材可以通過不同的工藝生產(chǎn)。這些可以根據(jù)對坯料施加壓力的方法進(jìn)行分類，如下所述。

直接擠出：這是鋁擠壓最常見的方法。在此過程中，將加熱的坯料放入腔室中，并通過柱塞壓力推動(dòng)模具。在柱塞和坯料之間放置一個(gè)假塊或預(yù)熱板，以防止后者在接觸柱塞表面時(shí)變冷。金屬流動(dòng)的方向與沖壓行程或行程的方向相同。坯料發(fā)生塑性變形，并在模具的壁和開口上滑動(dòng)。摩擦力由接觸點(diǎn)產(chǎn)生，這顯著增加了柱塞壓力。擠出工藝的壓力-位移曲線如下圖所示。

如圖所示，在擠出開始時(shí)，所需的壓力開始迅速增加到其峰值，稱為突破壓力。一旦開始流動(dòng)，壓力就會降低，穩(wěn)態(tài)擠出繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)裝載的坯料幾乎被消耗殆盡時(shí)，擠壓壓力達(dá)到最小值，然后隨著剩余的坯料被壓實(shí)而急劇上升。剩余的未擠壓的坯料稱為坯料或棄料，占坯料的 5% 至 15%。

間接擠出：與直接擠壓工藝相比，模具不是將坯料壓在模具上，而是壓在坯料上。一個(gè)空心柱塞連接到模具上，壓縮鋁坯，迫使其流動(dòng)。金屬流動(dòng)的方向與柱塞行進(jìn)的方向相反。關(guān)于產(chǎn)生的摩擦力，由于坯料和腔室之間沒有相對位移，所以坯料和擠出機(jī)腔之間沒有摩擦。

如圖所示，所需的壓力僅上升到穩(wěn)態(tài)擠壓壓力。間接擠出被證明是一種比直接擠出更節(jié)能的工藝。盡管有這種優(yōu)勢，但間接擠壓不能替代直接擠出。這是因?yàn)樾枰褂每招闹?，與實(shí)心壓力機(jī)相比，空心柱塞較弱。這限制了可用于壓縮坯料的載荷。因此，該工藝僅適用于生產(chǎn)小截面的擠出物。

靜壓擠出：該過程涉及使用工作流體迫使鋼坯通過模具。在此過程中，工作流體被壓縮到完全包圍坯料的密封腔內(nèi)，但錐形端除外，該端最初安裝在模具開口上?？梢酝ㄟ^用柱塞或柱塞壓壓流體或在腔室內(nèi)泵送更多流體來實(shí)現(xiàn)增壓。前者稱為恒速擠出，而后者稱為恒壓擠出。油通常用作工作流體，具有改良的性能，可抵抗由于成型和壓縮產(chǎn)生的熱量而導(dǎo)致的高溫降解。

靜壓擠出提供了直接和間接擠出的兩全其美。該工藝解決了直接擠壓過程中產(chǎn)生的高摩擦力問題以及間接工藝對橫截面積的限制。然而，它們也存在一些缺點(diǎn)，例如由于每個(gè)擠出周期的準(zhǔn)備時(shí)間較長而導(dǎo)致的產(chǎn)量較低，以及在高壓下密封困難。較低的產(chǎn)量是額外的鋼坯錐形工藝以及每個(gè)循環(huán)所需的流體注入和去除的結(jié)果。在某些設(shè)置中，不是去除流體，而是保留丟棄物以防止擠出流體突然釋放。由于冷加工，這種丟棄物通常更堅(jiān)硬，需要額外的壓縮才能擠出。密封困難來自腔室和柱塞之間的密封更緊密以及坯料和模具之間的密封。

鋁擠壓通常在高壓下進(jìn)行，以增加金屬塑性流動(dòng)的趨勢。然而，其他技術(shù)使該過程能夠在室溫下完成。

熱擠壓：熱擠壓是在鋁的再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的，此時(shí)其微觀結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化。這反過來又改變了其機(jī)械性能，例如強(qiáng)度、延展性和硬度。將金屬擠壓到其再結(jié)晶溫度以上會降低所需的壓力，因?yàn)椴牧显谶@種狀態(tài)下具有更高的延展性。此外，金屬變形不會導(dǎo)致加工硬化。加工硬化進(jìn)一步硬化鋁，使其更難成型或擠壓。為了控制產(chǎn)品的機(jī)械性能，必須控制其冷卻速率。對于某些合金，進(jìn)行二次熱處理以增強(qiáng)其機(jī)械性能。

冷擠壓：與熱擠壓相比，冷擠壓是在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的，通常在室溫下進(jìn)行。金屬最初處于室溫。當(dāng)它被壓縮時(shí)，連續(xù)變形會產(chǎn)生熱量。冷擠壓的優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)異的硬度和強(qiáng)度、更低的氧化、更好的表面光潔度和更緊密的公差。

下面列舉的是根據(jù)金屬流動(dòng)方向相對于柱塞運(yùn)動(dòng)對擠壓工藝的分類。

正向擠出：在此過程中，柱塞或沖頭的行程與金屬流動(dòng)方向相同。柱塞將鋼坯推過橫截面較小的模具。正向擠出工藝包括直接擠出和靜壓擠出。

向后擠壓：向后擠壓過程涉及沿金屬流相反方向行進(jìn)的柱塞。鋼坯或金屬段塞彼此之間沒有位移。反向擠壓工藝是間接擠壓和沖擊擠壓工藝。

側(cè)向擠壓：在橫向擠壓工藝中，柱塞垂直取向，而擠出物水平流動(dòng)。這基本上是對正向擠壓工藝的修改，以節(jié)省空間或提高柱塞的加壓效率。