鋁型材擠壓生產(chǎn)新技術(shù)與裝備

趙富勝

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽471039)

隨著我國鋁型材市場競爭愈來愈劇烈，國家去產(chǎn)能及供給側(cè)改革帶來的市場壓力，以及越來越嚴(yán)格的節(jié)能、環(huán)保和安全要求，使得我國鋁型材生產(chǎn)企業(yè)必須不斷發(fā)展，采用更加節(jié)能、環(huán)保的新裝備和新技術(shù)才能在未來激烈的市場競爭、嚴(yán)格的環(huán)保和安全要求下獲得先機(jī)。

1 新型擠壓機(jī)

1.1 雙筒擠壓機(jī)

意大利達(dá)涅利布雷達(dá)公司(Danieli Breda) 在2010左右推出了一種獲得專利的雙擠壓筒(twin containers) 22 MN原型擠壓機(jī)。其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 達(dá)涅利布雷達(dá)公司雙筒擠壓機(jī)Fig.1 Danieli Breda double cylinder extruder

其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用了雙擠壓筒，需要兩套加熱系統(tǒng)和鑄錠填裝系統(tǒng)。其工作流程是，第一個(gè)擠壓筒完成擠壓作業(yè)后，擠壓軸后退，將第一個(gè)擠壓筒側(cè)移出擠壓機(jī)，將第二個(gè)擠壓筒移入擠壓機(jī)，開始擠壓，兩個(gè)擠壓筒交替作業(yè)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)擠壓筒用于擠壓時(shí)，另一個(gè)擠壓筒可利用前一個(gè)擠壓筒的擠壓時(shí)間備料，比傳統(tǒng)擠壓機(jī)節(jié)省了鑄錠裝入擠壓筒、擠壓筒前移、后移的非生產(chǎn)時(shí)間和擠壓機(jī)的空載時(shí)間。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)節(jié)能

根據(jù)達(dá)涅利公司的測算，此類型擠壓機(jī)與常規(guī)單筒擠壓機(jī)相比，其能源消耗下降 12.5%，即從常規(guī)擠壓機(jī)的277.3kWh /h下降到 242.7kWh /h；比能耗下降 17.4% ，即從常規(guī)擠壓機(jī)的 0.108 kWh /kg 減少到 0. 089 kWh /kg(按門窗型材測算)。

(2)生產(chǎn)效率提升

因空載時(shí)間顯著減少，由常規(guī)擠壓機(jī)的17s 縮短到10 s，即縮短了41.2%；產(chǎn)量提高5.9%，從常規(guī)擠壓機(jī)的2577.9kg/h增加到2729.6kg/h。

(3)裝機(jī)功率顯著減少

擠壓機(jī)的裝機(jī)功率與擠壓機(jī)噸位和擠壓速度有關(guān)，在擠壓機(jī)噸位確定的情況下，擠壓速度越快，裝機(jī)功率越大。鋁合金型材擠壓機(jī)的最大擠壓速度一般不超過25mm/s，但是常規(guī)擠壓機(jī)的裝機(jī)功率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過按此最大擠壓速度計(jì)算出來的功率值，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)擠壓機(jī)裝設(shè)的多數(shù)泵不是為了提高擠壓速度，而是為了縮短空載時(shí)間。常規(guī)擠壓機(jī)在擠壓周期內(nèi)隨著擠壓過程進(jìn)入到穩(wěn)定擠壓階段，擠壓力趨于穩(wěn)定時(shí)，不需要所有的泵參與工作，這時(shí)需要用變流器將1臺或多臺泵關(guān)閉；而在下一個(gè)擠壓周期開始之前即擠壓機(jī)空載時(shí)間內(nèi)則需要這些關(guān)閉的泵能立即啟動(dòng)，以便參與下一個(gè)擠壓周期。而雙筒擠壓機(jī)由于顯著縮短了空載時(shí)間，其所需的安裝功率也顯著減少。表1為22MN擠壓機(jī)及22MN T-Win擠壓機(jī)的裝機(jī)功率對比，前者的總功率為900kW，而后者僅為500kW，為前者的56%。

表1 兩種擠壓機(jī)裝機(jī)功率對比

雙筒擠壓機(jī)與常規(guī)擠壓機(jī)比較，其節(jié)能效果顯著，但是其需要2套加熱系統(tǒng)和離線裝錠系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)擠壓機(jī)復(fù)雜，造價(jià)也比常規(guī)擠壓機(jī)高。

1.2 油電混合動(dòng)力擠壓機(jī)

西馬克公司2015年左右推出了新一代擠壓機(jī)機(jī)型—HybrEx混合動(dòng)力擠壓機(jī)(圖2)。

圖2 西馬克公司HybrEx混合動(dòng)力擠壓機(jī)Fig.2 HybrEx hybrid extruder of SMS

與常規(guī)擠壓機(jī)相比，在HybrEx擠壓機(jī)中，液壓系統(tǒng)僅用于擠壓過程建立擠壓力、壓余剪驅(qū)動(dòng)和模座滑移。而高速伺服電機(jī)則用于下列所有輔助驅(qū)動(dòng)：(1)取代傳統(tǒng)的側(cè)缸，主柱塞的快速回程和前進(jìn)采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)；(2)擠壓筒的移動(dòng)，具有附加軸向行程的鎖定單元確保必要的剝離和鎖緊力；(3)供錠器的所有動(dòng)作均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

此設(shè)計(jì)帶來的好處有：

(1)顯著降低擠壓機(jī)的非擠壓時(shí)間

采用高速伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其響應(yīng)速度更快，運(yùn)行速度更快(可達(dá)1000mm/s，液壓驅(qū)動(dòng)一般不超過300mm/s)，同時(shí)更加精確，不再需要機(jī)械停止。因此與常規(guī)擠壓機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，非生產(chǎn)時(shí)間可縮短到僅10.5 s。

(2)設(shè)備更加緊湊

由于液壓系統(tǒng)僅用于純擠壓過程的擠壓軸驅(qū)動(dòng)、壓余剪和模座滑移，因此其液壓系統(tǒng)得到了精簡，所需的液壓油量減少，從而減少了主油缸的的容積和尺寸，與常規(guī)擠壓機(jī)的油槽相比，HybrEx擠壓機(jī)的油槽容積減小90%，同時(shí)降低了液壓系統(tǒng)的電氣裝機(jī)功率。減少了設(shè)備長度和占地面積，設(shè)備整體布局更加緊湊。圖3為某噸位常規(guī)擠壓機(jī)和HybrEx擠壓機(jī)的長度對比圖，從圖中可見HybrEx擠壓機(jī)布置非常緊湊，長度方向僅為常規(guī)擠壓機(jī)的2/3。

圖3 某噸位常規(guī)擠壓機(jī)和HybrEx擠壓機(jī)對比圖Fig.3 Comparative diagram of conventional extruder and HybrEx extruder for a certain tonnage

(3)節(jié)能效果顯著

由于液壓系統(tǒng)得到了精簡，從而使液壓系統(tǒng)的散熱和能量損失得到減少，同時(shí)非生產(chǎn)時(shí)間的縮短，大大提升了生產(chǎn)效率(約20%)。據(jù)西馬克資料介紹，HybrEx擠壓機(jī)最高可節(jié)能55%。

西馬克公司在HybrEx擠壓機(jī)液壓系統(tǒng)中采用的關(guān)鍵技術(shù)還有，液壓缸帶有預(yù)注室與氣密槽，后者還有除氣裝置。這種擠壓機(jī)采用了新型“OxiStop”技術(shù)，因而液壓油中的空氣含量由10%下降到1%。這對泵、閥和其他磨損件壽命延長極為有利。

目前，HybrEx擠壓機(jī)的最大設(shè)計(jì)噸位為38MN，可擠254mm(10″)鋁棒。其售價(jià)約為西馬克傳統(tǒng)擠壓機(jī)的1.3倍。

2 等溫?cái)D壓

實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓的理論基礎(chǔ)是擠壓極限原理(圖4) 。由圖4可見鑄錠在擠壓過程中，一方面受到合金擠壓能力曲線的限制，另一方面受到擠壓制品表面質(zhì)量曲線限制。整個(gè)鑄錠必須以同一溫度擠壓才能達(dá)到最大的擠壓速度，因此等溫?cái)D壓對擠壓速度的影響至關(guān)重要。圖4描述了擠壓溫度(T)、擠壓速度(V)、擠壓能力(P)與制品表面質(zhì)量(Q)之間的關(guān)系。兩條曲線的交點(diǎn)為理論上制品的最大擠壓速度與最佳出口溫度。實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓基本方法有坯料的梯度加熱、擠壓參數(shù)的熱-力耦合仿真和閉環(huán)控制等溫?cái)D壓。

圖4 擠壓成型極限示意Fig.4 Extrusion limit indication

2.1 坯料的梯溫加熱

梯度加熱是根據(jù)需要把短鑄錠加熱成前端溫度高、后端溫度低的狀態(tài)，通常是在感應(yīng)爐內(nèi)，對坯料進(jìn)行分段加熱(也可以對均勻加熱的坯料進(jìn)行控制冷卻)，使坯料在長度方向上形成溫度梯度。如果溫度梯度設(shè)計(jì)合理，無論采用哪種方式，擠壓速度都可得到提高，擠壓過程更接近于等溫?cái)D壓。為進(jìn)一步提高梯溫加熱的效果， 應(yīng)對坯料的梯溫加熱進(jìn)行優(yōu)化， 即需要綜合考慮加熱過程、上料過程、擠壓過程在內(nèi)的整個(gè)擠壓循環(huán)周期的坯料溫度變化。這些溫度變化包括：加熱過程中的溫度誤差，如在感應(yīng)爐內(nèi)加熱，約有±5 ℃的溫度誤差；坯料從感應(yīng)爐經(jīng)上料裝置，再到擠壓筒的傳送過程中溫度的變化；在坯料數(shù)量不足，如小于 30 根時(shí)，擠壓機(jī)本身未達(dá)到熱平衡狀態(tài)的情況下，擠壓過程坯料的溫度變化。對此，應(yīng)考慮建立一個(gè)包含這些因素的梯溫加熱控制算法，以達(dá)到優(yōu)化的梯溫加熱溫度值。

2.2 擠壓參數(shù)的熱-力耦合仿真

即對擠壓過程的速度、溫度參數(shù)進(jìn)行熱-力耦合仿真，用熱-力耦合仿真的溫度-速度曲線，對擠壓速度進(jìn)行控制。此種方法無需對擠壓型材進(jìn)行溫度測量，而是通過對擠壓型材預(yù)先的仿真計(jì)算，給出擠壓型材的溫度-速度曲線及輸入溫度參考值，預(yù)測出擠壓型材的最高出口溫度，作為擠壓型材優(yōu)化的出口溫度值。當(dāng)所測坯料的溫度偏離輸入溫度參考值時(shí)，根據(jù)二者的差值，可對擠壓預(yù)測的溫度-速度曲線進(jìn)行修正，以使擠壓型材的出口溫度值保持在其優(yōu)化的出口溫度值上。在建立擠壓熱-力耦合仿真系統(tǒng)時(shí)，除考慮擠壓型材變形場-溫度場的耦合作用外，還需考慮擠壓型材與擠壓工具間的接觸熱傳導(dǎo)，擠壓工具自身的熱傳導(dǎo)，以及擠壓工具與環(huán)境間的熱對流。對擠壓型材不同的斷面形狀與合金成分，需要分別建立仿真系統(tǒng)。因此，需對擠壓型材按其斷面形狀與合金成分，進(jìn)行相應(yīng)的分類，以最小的仿真代價(jià)，達(dá)到最大的適用范圍。采用擠壓熱-力耦合仿真系統(tǒng)實(shí)施等溫?cái)D壓，硬件花費(fèi)少，對現(xiàn)有的工藝、設(shè)備改動(dòng)很小。

2.3 閉環(huán)控制等溫?cái)D壓

即根據(jù)擠壓型材的質(zhì)量要求，在安裝新模的條件下，由人工初次設(shè)定擠壓出口溫度控制的目標(biāo)值，經(jīng)過3～5根坯料的試擠后，可得到最大的等溫?cái)D壓溫度值，將此溫度值作為該擠壓模余下坯料的出口溫度控制目標(biāo)值。在該坯料的擠壓循環(huán)中，采用專用的紅外線測溫儀，對其出口溫度進(jìn)行連續(xù)測量，如果型材的測量溫度值低于溫度控制的目標(biāo)值，則立即提高擠壓速度，反之，則立即降低擠壓速度。用這種方法，擠壓型材的出口溫度誤差可被控制在±5 ℃內(nèi)。

1995年愛爾蘭Optalex公司推廣其研制開發(fā)的Optalex恒溫?cái)D壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一套通過對型材出口溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測反饋并調(diào)整擠壓速度的溫度-速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，由丹麥阿列羅得市(Alleroed)阿盧馬克公司(Alumac)開發(fā)，目前已在國外20余家鋁型材擠壓生產(chǎn)廠商中安裝，其與普通等速擠壓對比示意圖如圖5所示。

圖5 等速擠壓與等溫?cái)D壓對比Fig.5 Comparison of constant speed extrusion and isothermal extrusion

美國Wells公司和Werner公司使用Optalex恒溫?cái)D壓控制系統(tǒng)后其生產(chǎn)率提升最高可達(dá)12%。

從圖5可以看出，在普通擠壓條件下，主缸速度是基本恒定的，而出口溫度會(huì)隨著擠壓的進(jìn)行不斷升高，直至一個(gè)擠壓周期的結(jié)束。而等溫?cái)D壓過程則是出口溫度基本恒定，主缸速度成曲線變化，并可節(jié)約擠壓時(shí)間10%～30%，據(jù)報(bào)道該系統(tǒng)恒溫控制精度達(dá)到±3℃，可使單臺擠壓機(jī)產(chǎn)量提高10%～20%，廢料減少2%～5%，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

德國SMS公司開發(fā)的CADEX系統(tǒng)，是基于擠壓熱-力耦合仿真的等溫?cái)D壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基本工作原理為，對擠壓坯料進(jìn)行均勻加熱，測量其進(jìn)入擠壓機(jī)前的溫度，并作為系統(tǒng)的輸入溫度，根據(jù)熱-力耦合仿真的溫度-速度曲線與輸入溫度參考值，對擠壓速度進(jìn)行控制。早期的CADEX系統(tǒng)，不帶有出口溫度的測量裝置，完全基于擠壓熱-力耦合仿真的結(jié)果，之后，SMS 公司對CADEX系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，開發(fā)出了CADEX2 系統(tǒng)。該系統(tǒng)裝設(shè)了光學(xué)高溫測溫儀，用于監(jiān)測坯料的入口與出口溫度，還裝設(shè)了一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于記錄擠壓力、擠壓速度等參數(shù)，系統(tǒng)用于擠壓均勻加熱的坯料與梯溫加熱的坯料。根據(jù)德國SAPA鋁加工廠的統(tǒng)計(jì)，在采用CADEX系統(tǒng)3個(gè)月內(nèi)，對生產(chǎn)批量大于100kg的型材，生產(chǎn)率提高了9%。目前國內(nèi)吉林利源精制股份有限公司和鄭州明泰交通新材料有限公司引進(jìn)的SMS擠壓機(jī)裝有CADEX2 系統(tǒng)。

近年來，國內(nèi)在模擬等溫?cái)D壓領(lǐng)域也進(jìn)行了一些探索，但大多是通過數(shù)值模擬或者理論計(jì)算結(jié)果開展進(jìn)行的，與實(shí)際情況有一定差距。2008年在廣東省財(cái)政支持下，鳳鋁等企業(yè)聯(lián)合北京科技大學(xué)等高校一起進(jìn)行了等溫快速擠壓系統(tǒng)裝備與工藝技術(shù)開發(fā)，其基本設(shè)想是設(shè)計(jì)三重閉環(huán)控制系統(tǒng)，主缸速度-出口溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)、液氮流量-出口溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)以及鑄錠溫度-梯度冷卻水量閉環(huán)控制系統(tǒng)，并將三重閉環(huán)控制系統(tǒng)在一個(gè)控制器上系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)等溫快速擠壓。廣東豪美自主設(shè)計(jì)了一套閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，經(jīng)測試，采用此套系統(tǒng)后，某牌號鋁型材的實(shí)際出口溫度(T)的范圍在483℃～491℃，幅度為8℃。

3 新型擠壓潤滑劑

早期的擠壓潤滑劑包括石墨、汽缸油、錠子油等，需要人工配比、人工涂抹，隨著技術(shù)進(jìn)步，此類潤滑劑由于對機(jī)臺環(huán)境污染太大而被逐漸淘汰。當(dāng)前國內(nèi)擠壓加工主流的潤滑工藝有：

(1)乙炔。采用乙炔火焰噴射器，當(dāng)需要潤滑擠壓墊片時(shí)，火焰噴射器可自動(dòng)打火噴射，利用乙炔燃燒時(shí)的黑煙噴滿擠壓墊片與坯錠接觸的一面，使墊片在擠壓過程中不會(huì)與鋁錠粘接在一起。該方法的實(shí)質(zhì)是利用乙炔不完全燃燒產(chǎn)生的“炭黑”實(shí)現(xiàn)潤滑，類似于早先的石墨潤滑，只是無需人工涂覆。乙炔不完全燃燒后對工作環(huán)境污染大，且乙炔屬于易燃易爆危險(xiǎn)品，有一定的安全隱患。國內(nèi)絕大多數(shù)的小噸位擠壓機(jī)采用此方法進(jìn)行潤滑。

(2)氮化硼。采用壓縮空氣把氮化硼粉末噴涂至擠壓墊和模套進(jìn)行潤滑，德國的西馬克擠壓機(jī)最早采用該方法，國內(nèi)太重、西重設(shè)計(jì)生產(chǎn)的擠壓機(jī)也采用此方法。次方法解決了乙炔潤滑對工作環(huán)境的污染問題，安全可靠，但潤滑系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，氮化硼的采購成本也較高。

(3)固態(tài)潤滑劑。采用專用的固態(tài)潤滑劑對擠壓墊和模套進(jìn)行潤滑，日本宇部興產(chǎn)研制的機(jī)器多采用該方法。該固態(tài)潤滑劑在室溫條件下呈固態(tài)，當(dāng)它與所要潤滑的部位，例如擠壓墊接觸而被加熱熔化呈液態(tài)時(shí)，粘附在所要潤滑的表面，一旦與高溫表面脫離接觸，潤滑劑自身又冷凝成固態(tài)。該潤滑劑少煙，基本不著火，涂抹一次可連續(xù)擠壓近10根鑄錠，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了擠壓機(jī)周圍的環(huán)境條件，環(huán)保可靠。目前國內(nèi)同類產(chǎn)品其閃點(diǎn)和軟化點(diǎn)太低，性能、尺寸及結(jié)構(gòu)不能滿足在大中型擠壓機(jī)機(jī)器人使用的要求。因此，研究和開發(fā)一種理想的、安全環(huán)保的擠壓分離潤滑劑，來滿足國內(nèi)目前日益增多的大型擠壓設(shè)備的需要已成為當(dāng)務(wù)之急。

4 在線熱扒皮技術(shù)

采用熱扒皮機(jī)(也稱熱剝皮機(jī))取代扒皮車床對錠坯進(jìn)行扒皮是近年來我國鋁型材生產(chǎn)企業(yè)采用的新技術(shù)。圖6、圖7分別為佛山特高珠江電爐廠生產(chǎn)的熱扒皮機(jī)實(shí)物照片及結(jié)構(gòu)簡圖。該設(shè)備由活動(dòng)頂棒裝置、固定頂棒裝置、刀具總成、托棒裝置、機(jī)架總成、拉桿裝置、軸向定位裝置、接皮裝置等幾部分組成。

其工作過程為扒皮機(jī)專用承料臺(包括頂棒裝置)垂直上升到位(即鋁圓棒的軸向中心線與扒皮刀的水平中心線重合)，之后熱態(tài)(溫度高于420℃)鋁圓棒被外圍的機(jī)械手送到承料臺，活動(dòng)頂棒裝置伸出并推動(dòng)鋁圓棒頂向固定頂棒裝置以達(dá)到固定鋁圓棒的目的；專用承料臺下降到位，接皮裝置擺動(dòng)到工作位準(zhǔn)備承接扒皮過程中可能產(chǎn)生的破脆廢皮；之后主扒皮油缸(拉桿裝置)帶動(dòng)刀具總成水平向前運(yùn)動(dòng)并剝除鋁圓棒的表層部分，扒皮完成后接皮裝置擺動(dòng)到倒料位并清除扒皮過程中產(chǎn)生的破脆廢皮；承料臺再次垂直上升到位，活動(dòng)頂棒裝置后推，已扒皮的鋁圓棒自動(dòng)進(jìn)入承料臺并一起下降到位，可調(diào)糾偏頂棒裝置伸出將鋁圓棒推向其中心線與機(jī)械手中心重合位置；承料臺再次垂直上升到原位，等機(jī)械手取走鋁圓棒后，承料臺再次下降到位，接皮裝置再次擺動(dòng)到工作位準(zhǔn)備承接剩余廢皮，主扒皮油缸帶動(dòng)刀具總成水平向后運(yùn)動(dòng)并回到原位，頂皮裝置將掛在固定頂棒裝置頂出使剩余廢皮掉到接皮裝置內(nèi)，接皮裝置最后一次擺動(dòng)到倒料位并清除剩余廢皮，到此一條棒的扒皮工作完成。

圖6 熱扒皮機(jī)現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.6 Spot photos of hot skinning machine

1-活動(dòng)頂棒裝置；2-固定頂棒裝置；3-刀具總成；4-托棒裝置； 5-機(jī)架總成；6-拉桿裝置；7-軸向定位裝置；8-廢料收集箱及移出裝置圖7 熱扒皮機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure drawing of hot skinning machine

在線熱扒皮與扒皮車床相比，其優(yōu)點(diǎn)為：

(1)熱扒皮產(chǎn)生的廢料為連續(xù)的塊狀廢料，相比車床扒皮產(chǎn)生的碎屑廢料，其回收時(shí)的燒損更少，回收也更加方便。圖8和圖9分別為熱扒皮機(jī)產(chǎn)生的扒皮廢料與扒皮車床產(chǎn)生的車削廢料。

圖8 熱扒皮廢料 圖9 車床扒皮廢料Fig.8 Hot skin scraps Fig.9 Lathe skin scraps

(2)熱扒皮機(jī)的生產(chǎn)效率高。熱扒皮機(jī)完成一根錠/坯的扒皮周期不超過1min，而扒皮車床的扒皮周期最快也需幾分鐘的時(shí)間。

(3)熱扒皮機(jī)配置在鑄錠加熱爐和擠壓機(jī)之間，可與鑄錠加熱爐、擠壓機(jī)連鎖控制，易形成自動(dòng)化生產(chǎn)。其操作臺與擠壓機(jī)列和鑄錠加熱爐的操作臺一起放置并連鎖，擠壓機(jī)主操1人即可完成操作，無需另配置操作人員。圖10為吉林利源精制160MN擠壓機(jī)列熱扒皮機(jī)與擠壓機(jī)列的配置平面圖。其工作流程為鑄錠在感應(yīng)爐3中加熱，由機(jī)械手5將加熱好的鑄錠抓取輸送到熱扒皮2的托棒裝置(參見圖7)中，熱扒皮機(jī)進(jìn)行扒皮工作；扒皮結(jié)束后，由機(jī)械手將鑄錠輸送到推錠裝置7，并由推錠裝置將扒完皮的鑄錠推入擠壓機(jī)供錠器6，供錠器將鑄錠送入擠壓機(jī)1，開始擠壓過程。8為操作臺，集成了擠壓機(jī)、感應(yīng)加熱爐、熱扒皮機(jī)和擠壓機(jī)輔機(jī)的所有操作柜。

圖10 160MN擠壓機(jī)機(jī)熱扒皮機(jī)配置圖Fig.10 Configuration diagram of 160MN extruder hot-skinning machine

熱扒皮目前可以實(shí)現(xiàn)Φ178mm以上實(shí)心圓錠的扒皮工作，目前國內(nèi)最大配合160MN擠壓機(jī)的熱扒皮機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下：

鋁棒直徑：冷態(tài)Φ610mm和Φ720mm；熱態(tài)Φ618mm和Φ729mm；

鋁棒長度：900m～2500m±3m；

鋁棒彎曲度：每米鋁棒不超過2mm；

原始鋁棒端面切斜度2mm ～3mm；表面凹凸不超過±2 mm；

設(shè)備外形尺寸：14000(L)mm×3000(W)mm×2800(H)mm；

設(shè)備總重：80t；

總輸出力：300T；

額定功率：110kW；

扒皮厚度：單邊6mm～7mm；

扒皮速度：40mm/s～80mm/s；

成品表面光潔度不低于12.5μm；

成品扁圓度：≤0.3%；

成品直線度：≤0.2%。

采用長錠時(shí)，需配熱鋸，而不能采用熱剪切，因?yàn)闊峒羟泻蟮匿X棒端面切斜度不能滿足熱扒皮機(jī)的使用要求。同時(shí)，空心錠不適合采用熱扒皮，因?yàn)闊岚瞧み^程會(huì)使鑄錠產(chǎn)生微量鐓粗變形，這對實(shí)心錠擠壓過程幾乎不影響，但對空心錠來說一方面使其同心度和橢圓度變大，并最終導(dǎo)致擠出的無縫管同心度和橢圓度超標(biāo)，廢品率增大；另一方面可能導(dǎo)致穿孔針無法穿過空心錠，導(dǎo)致無法擠壓。

5 封閉式模具蝕洗系統(tǒng)

傳統(tǒng)的模具蝕洗(也稱堿洗)系統(tǒng)是由開放式的簡易不銹鋼槽組和起重設(shè)備(手拉葫蘆或電動(dòng)葫蘆)組成，操作時(shí)操作工人先將模具裝框，然后用起重設(shè)備將其吊入堿洗、水洗槽中進(jìn)行蝕洗，除去模具上粘連的鋁。操作時(shí)，操作工直接面對和接觸敞開式的槽組，工作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大。同時(shí)，在堿洗過程中由于堿洗槽溫度較高，其工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的堿蒸汽，雖然可由槽邊抽風(fēng)裝置抽走，但是仍不可避免的有少量含堿蒸汽會(huì)散發(fā)在模具蝕洗間內(nèi)。

新型的封閉式模具蝕洗系統(tǒng)最早在廣西南南鋁加工有限公司得到應(yīng)用，當(dāng)時(shí)引進(jìn)的是意大利技術(shù)。目前，陜西多倫科技發(fā)展有限公司也開發(fā)出一套類似的封閉式模具蝕洗系統(tǒng)。其系統(tǒng)主要由以下設(shè)備組成：模具框，周轉(zhuǎn)和放置模具；模具清洗箱，盛放配置好的堿液，對模具進(jìn)行清洗；混合箱，配置堿液；儲水箱，給堿液提供水；中轉(zhuǎn)箱，重復(fù)利用堿液；吸收塔，將氣體中殘留的堿過濾并回收利用；泵及管路，輸送堿液等。其工作過程為，在混合箱內(nèi)配置堿液，將模具放入清洗箱中，清洗箱密閉，同時(shí)將堿液通過泵及管路打入清洗箱，開始進(jìn)行模具蝕洗，同時(shí)吸收塔開啟，把蝕洗過程中產(chǎn)生的堿蒸汽進(jìn)行吸收、過濾，然后將無污染的氣體排放到大氣中。完成蝕洗工作后，將清洗箱內(nèi)的堿液排入中轉(zhuǎn)箱，將模具取出，用清水對模具表面進(jìn)行清洗。

相比于傳統(tǒng)的槽組式模具蝕洗方式，其優(yōu)點(diǎn)在于：(1)易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，操作工人只需人工將模具裝框即可，配合智能天車以及操作程序，完全可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度；(2)無污染，蝕洗是在密閉環(huán)境下進(jìn)行，整個(gè)過程對操作環(huán)境和外部環(huán)境都友好，無污染，改善了工人的勞動(dòng)環(huán)境；(3)配置了堿回收裝置，可以回收80%的NaOH，降低生產(chǎn)成本。

6 CAE軟件應(yīng)用

在鋁型材實(shí)際生產(chǎn)中，每遇到一個(gè)新產(chǎn)品，都需要生產(chǎn)人員根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、類似產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，通過多次試模、修模和參數(shù)修改才能制定比較正確的新產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，產(chǎn)生的直接成本即我們俗稱的“開模費(fèi)”。如果新產(chǎn)品規(guī)格大，形狀復(fù)雜，開模費(fèi)會(huì)相當(dāng)高，研發(fā)周期也會(huì)相當(dāng)長。為了降低開模費(fèi)用并縮短研發(fā)周期，國外企業(yè)已經(jīng)比較普遍的應(yīng)用數(shù)值模擬軟件在電腦上進(jìn)行模擬分析，可獲得鋁型材在設(shè)置的模具結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)下，擠壓成型過程中金屬流動(dòng)變形行為和金屬在模具各處的應(yīng)力場、溫度場、速度場、應(yīng)變速率場等模擬結(jié)果，并可預(yù)測型材在擠壓過程中可能出現(xiàn)的各種重大缺陷，甚至能夠預(yù)測最終產(chǎn)品的性能指標(biāo)。通過不斷優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、擠壓工藝參數(shù)，直到獲得滿足要求的結(jié)果，為實(shí)際生產(chǎn)的具體參數(shù)設(shè)置提供理論指導(dǎo)，縮短了設(shè)計(jì)、試模、修模時(shí)間，降低開模費(fèi)用。

常用的鋁型材擠壓數(shù)值模擬軟件有Deform-3D、Super Forge和Hyper Xtrude 3種?？偟膩碚f，Deform-3D 適用于模擬可能產(chǎn)生明顯擠壓缺陷的鋁型材擠壓過程，但所需計(jì)算機(jī)內(nèi)存大、時(shí)間長，模擬結(jié)果具有一定波動(dòng)性；Super Forge適用于模擬劇烈變形的鋁型材擠壓過程，模擬結(jié)果對稱、均勻，更加靠近理論值；Hyper Xtrude適用于模擬大斷面復(fù)雜截面鋁型材擠壓過程，模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況更加吻合，基本上反應(yīng)由模具設(shè)計(jì)參數(shù)、工藝參數(shù)引起的主要問題。目前我國的CAE軟件應(yīng)用還主要是在各大高校中以試驗(yàn)性研究為主，鋁型材生產(chǎn)企業(yè)還未有成功應(yīng)用的例子，可能與軟件的前期投入高，缺乏熟悉相關(guān)CAE軟件的工程技術(shù)人員有關(guān)。但為了降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，國內(nèi)鋁型材生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)對CAE軟件的應(yīng)用開發(fā)予以重視。

7 模具感應(yīng)加熱爐

傳統(tǒng)模具加熱爐采用的是電阻爐，最近幾年我國鋁型材生產(chǎn)企業(yè)開始采用感應(yīng)爐來加熱模具。與傳統(tǒng)的電阻爐相比，感應(yīng)爐的加熱速度快，效率高，其加熱周期在30min左右，而電阻爐可能需要幾個(gè)小時(shí)，尤其是大型模具，其加熱保溫時(shí)間有可能超過10h。傳統(tǒng)的感應(yīng)爐其實(shí)并不適用于型材模具的加熱，因?yàn)樾筒哪＞叩募怃J角較多，感應(yīng)加熱由于集膚效應(yīng)，在尖銳角處形成過燒，反而損壞模具，降低模具使用壽命。為了改善和避免這種情況，采用了在模具外包裹1個(gè)不銹鋼殼，加熱時(shí)先將不銹鋼殼加熱，然后靠不銹鋼殼的輻射熱來加熱模具。

8 結(jié)束語

無論是達(dá)涅利開發(fā)的雙筒擠壓機(jī)還是西馬克開發(fā)的油電混合動(dòng)力擠壓機(jī)，都具有傳統(tǒng)擠壓機(jī)難以比擬的節(jié)能優(yōu)勢；采用在線熱扒皮技術(shù)、等溫?cái)D壓技術(shù)能有效提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率；采用模具感應(yīng)加熱技術(shù)可以有效節(jié)省模具加熱時(shí)間，節(jié)能效果較好；采用封閉式模具堿洗系統(tǒng)和開發(fā)國產(chǎn)新型環(huán)保的固體潤滑劑有利于改善工人操作環(huán)境，滿足環(huán)保和安全生產(chǎn)要求。建議我國鋁型材生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)大力推廣和使用以上相關(guān)技術(shù)和設(shè)備，雖然前期的固定投資會(huì)大一些，但是可減少大量的運(yùn)行成本和環(huán)境成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，整體上來說對降低生產(chǎn)成本是有利的。

(致謝：西馬克公司提供有關(guān)油氣混合動(dòng)力擠壓機(jī)資料；陜西多倫科技發(fā)展有限公司提供有關(guān)封閉式模具堿洗系統(tǒng)資料；佛山特高珠江工業(yè)電爐有限公司提供有關(guān)熱扒皮機(jī)資料。)