鋁合金擠壓成型過程廢料來源及削減措施研究*

彭科學 劉文通 卡麗比努爾·吐爾遜 韓鵬

1. 昌吉學院 新疆 昌吉 831100；

2. 新疆新鋁鋁業(yè)有限公司 新疆 昌吉 831100

引言

由于鋁合金具有密度低、比強度大、耐腐蝕、加工性能好等優(yōu)點，已成為建筑行業(yè)第二大金屬材料[1]。在鋁合金型材加工過程中，不可避免地會產(chǎn)生邊角料、報廢的成品和半成品等各種廢料。作為“綠色金屬”，鋁合金的回收利用效率相對于其他金屬而言是比較高的，主要是因為鋁合金在再次熔煉鑄造過程中，僅產(chǎn)生4%～8%的損耗。但由于鋁及其合金的生產(chǎn)屬于高污染、高耗能的產(chǎn)業(yè)，應盡可能地提高鋁材的使用效率，避免珍貴的金屬資源被廢棄。

鋁合金的成型技術一般可分為低壓鑄造、壓力鑄造、砂型鑄造、擠壓成型、沖壓成型、軋制成型等方式。對于斷面形狀較為復雜的型材而言，通常采用的方法是熱擠壓成型。即通過液壓頂桿對擠壓筒內(nèi)加熱至再結(jié)晶溫度以上的鋁棒施加擠壓力，使鋁合金從特定模具的縫隙中擠出，從而得到該模具對應的規(guī)格的鋁合金型材產(chǎn)品的工藝過程[2]。

經(jīng)過多年的發(fā)展鋁合金熱擠壓技術已逐步發(fā)展成熟，這種方法得到廣泛采用的主要是因為其具有以下特點：①在擠壓過程中，材料會受到來自于三個方向的壓應力，可使得金屬的塑性充分發(fā)揮。②由于擠壓溫度高于鋁合金的再結(jié)晶溫度，因此，其在熱變形過程中，材料的內(nèi)部也會發(fā)生再結(jié)晶，而且成型全過程都是在擠壓力的作用下進行，其材料的組織會得到改善，型材的綜合力學性能相對于鑄棒將得到明顯提升。③擠壓工藝能生產(chǎn)各種異型斷面、深孔以及薄壁不同形狀復雜的零件，通過更換擠壓模具，在同一臺設備上，能夠生產(chǎn)眾多不同規(guī)格的產(chǎn)品。

1 鋁合金擠壓工藝過程工藝流程概述

鋁合金型材擠壓生產(chǎn)工藝流程主要包括熔鑄鋁棒、模具預熱、鋁棒加熱、型材擠壓、熱處理、表面處理、包裝入庫等工藝步驟[3]。

1.1 鋁合金棒

熔鑄鋁合金棒是擠壓成型加工的原材料，是使用鋁錠或電解鋁液及鋁合金廢料作為主要原料，添加相應的合金元素和輔料在高溫下混合均勻，達到指定牌號鋁合金的目標成分，然后澆鑄而成的。鋁合金棒的成分和性能直接影響工業(yè)鋁型材的產(chǎn)品性能。一部分型材廠擁有自己的熔爐和澆鑄系統(tǒng)，另一部分型材廠無法自行鑄棒，只能外購。

1.2 鋁合金棒加熱

鋁合金棒加熱通常采用長條形的電阻爐或感應電爐，加熱達到目標溫度的鋁合金棒會被從爐中推出剪成小段進入擠壓工序。

1.3 型材擠壓

擠壓是鋁合金成型最關鍵的工藝步驟，金屬材料在壓力作用下通過模具的縫隙成型。要注意擠壓過程中模具的控制、預熱擠壓筒的溫度及擠壓過程中的溫度、擠壓速度的控制等工藝參數(shù)。

1.4 鋁合金型材人工時效

將擠壓后的鋁合金型材加熱到160-200℃保溫一定的時間可進一步提高鋁合金型材的強度和硬度，這個過程稱為人工時效。要嚴格按照工藝要求來進行時效，保溫時間要適當，防止欠時效或過時效導致產(chǎn)品硬度和強度不足。

1.5 表面處理

鋁合金擠壓成型后，表面會有明顯的拉伸紋，經(jīng)過表面處理可改善其表面質(zhì)量。主要的表面處理工藝包括噴砂、噴涂、表面氧化、電泳涂裝等方式。

2 鋁合金擠壓過程廢料來源分析

鋁合金擠壓型材的廢品分為兩大類：幾何廢品和技術廢品。

幾何廢品是鋁合金型材在擠壓過程中不可避免地產(chǎn)生的廢品。如擠壓的尾料（壓余）、拉伸矯直時制品兩端的夾頭、因不夠規(guī)定長度而拋棄的半成品（成品）、檢測樣品的切取，分流模當中的殘留等。

技術廢品指的是型材生產(chǎn)過程中因工藝不合理、設備出現(xiàn)問題、工人操作不當?shù)仍虍a(chǎn)生的人為廢品。通過技術改進，加強管理，可以有效地避免技術廢品的產(chǎn)生[4]。

在企業(yè)生產(chǎn)和成本核算中往往以成品率來表征廢品的數(shù)量：成品率分工序成品率和綜合成品率。工序成品率一般指主要工序（如熔鑄工序、擠壓工序、氧化著色工序、噴涂工序等），通常是以車間為單位進行計算。它的定義是：車間合格產(chǎn)出量均與車間原料（也可能是半成品）的投入量之比。

在鋁棒熔鑄過程中，廢料主要來自于鑄造廢料、鋁棒鋸切廢料、鋸切頭尾廢料等。

在鋁型材擠壓和型材處理工藝過程中，廢料主要來自于擠壓尾料（壓余）、工藝廢料、氧化著色廢料、腐蝕與拋光廢料等。

3 削減鋁合金擠壓成型廢料的措施

減少鋁合金擠壓成型廢料的關鍵就是要減少和消滅廢品。幾何廢品雖然是不可避免的，但可以設法使其降到最低。為此可以采用如下措施來削減廢料。

3.1 從管理層面削減廢料的措施

3.1.1 嚴格把控鋁合金棒和模具質(zhì)量。鋁合金棒是擠壓生產(chǎn)的原材料，要求鑄錠組織均勻、晶粒細小，無夾渣、氣孔、偏析、裂紋等缺陷，不僅可以降低擠壓力，提高擠壓速度，提高產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量。而且可以減少制品表面氣泡，氣孔、劃傷、開裂、麻點等缺陷[5]。對于自產(chǎn)鋁合金棒的廠家一定要嚴格控制精煉、靜置、澆鑄和均質(zhì)處理環(huán)節(jié)，嚴格按操作規(guī)程操作，避免鋁合金棒中帶有缺陷。對于外購原料的廠家，要嚴格采購環(huán)節(jié)管控，招標采購過程中不能只考慮價格，還應該考慮供應商的生產(chǎn)管理水平和質(zhì)控體系是否達標，并制定對供應商的考核機制，對于鋁合金棒質(zhì)量長期存在問題的供應商進行罰款或終止合作。

鋁合金成型過程材料直接與模具工作帶接觸，工作帶的強度與光潔程度直接影響到型材表面的質(zhì)量，一旦模具出現(xiàn)裂紋、凹坑等缺陷，上機生產(chǎn)時，必然會導致大量廢料產(chǎn)生。模具應進行公開招標采購，貨比三家，并根據(jù)車間反饋的模具質(zhì)量情況合理選擇模具供應廠家。

3.1.2 將成品率指標與員工績效工資掛鉤。可將工人工資分為產(chǎn)量工資和成品率工資兩部分，按崗位重要性不同設置不同的比例。如質(zhì)檢員產(chǎn)量工資占50%、成品率工資占50%，機長產(chǎn)量工資占60%、成品率工資占40%，普通工人產(chǎn)量工資占70%、成品率工資占30%，由車間統(tǒng)計對每班產(chǎn)量及成品率進行統(tǒng)計，并制定嚴格的質(zhì)量考核措施，確保不合格品不轉(zhuǎn)序、不出廠。

3.1.3 通過QC小組、合理化建議等活動調(diào)動員工積極性[6]。通過QC小組、精益改進項目的設置和合理化建議的收集與獎勵等活動的開展，充分調(diào)動員工參與生產(chǎn)改進的積極性，工廠制定相應的激勵機制，對參加QC小組活動、精益改進項目并取得成效的工人進行獎勵，對被采納的合理化建議的提出者進行獎勵。

3.1.4 加強員工操作技能培訓。堅持“師帶徒”制度和定期培訓制度，由工作3年以上的老員工對新入職員工進行結(jié)對幫扶，發(fā)放一定的培養(yǎng)津貼，對培養(yǎng)新員工業(yè)績突出的老員工進行表彰和獎勵。堅持班前班后會制度，由車間主任、班組長進行10～15min的技能培訓，堅持每周組織技術員、質(zhì)檢員對全體員工進行一次20～30min的集中培訓。

3.1.5 加強設備、模具點檢維護。每個車間設置一名專職的設備維護員，每條生產(chǎn)線的機長為兼職設備維護員，每日對設備進行點檢、不讓設備帶病工作。對可能影響產(chǎn)品質(zhì)量的問題第一時間進行解決，防范因設備、工裝等問題影響產(chǎn)品質(zhì)量。模具集中管理，設置模具中心，由模具主任、模具班長和修模工人組成，負責進行新模具試模跟蹤、模具清理與維護、模具發(fā)放等工作。模具的領用和歸還必須由機長和模具班長簽字確認，并對模具使用過程中存在的問題進行交接。

3.1.6 規(guī)范模具卡和生產(chǎn)原始記錄填寫與存檔。模具卡及生產(chǎn)原始記錄是非常重要的，模具卡必須能真實顯示出模具氮化情況、維修情況、出材情況，原始記錄必須能真實顯示出壓坯尺寸、產(chǎn)品型號規(guī)格、所使用的模具編號、生產(chǎn)工藝參數(shù)、生產(chǎn)數(shù)量等重要指標，為下一次生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。實施電腦化數(shù)據(jù)管理，記錄生產(chǎn)某一規(guī)格產(chǎn)品的最佳工藝參數(shù)，盡量將人為影響降到最低。

3.2 從技術層面削減廢料的措施

3.2.1 正確選擇進入擠壓機的鋁合金棒的長度。鋁合金棒長度不是先擠壓后再計算，而是要先計算后再擠壓?，F(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)采用了長棒熱剪鋁棒加熱爐，相比短棒加熱爐，減少了鋁屑的損耗，因模具使用壁厚變化，對鑄長控制更加靈活精確，大大提高了成品率，但很多企業(yè)在使用長棒熱剪爐后，忽略了對鑄長的計算，而直接交此項工作交給操作工去控制。而操作工往往是根據(jù)經(jīng)驗先下一條棒，觀察出材長度，如果差異大，繼續(xù)調(diào)整，通常需要3棒左右才能得到準確的長度。

正確的做法是，模具初始生產(chǎn)時，由工藝控制部門計算出鑄錠的長度，多次上機的模具生產(chǎn)時，根據(jù)模具卡上記錄的上一次生產(chǎn)棒長，略加約5～10mm，在出材時觀察出材長度。如有差異進行微調(diào)，這樣第二棒就很精確了。有資料說明，使用長棒熱剪可以提高4%的成品率，在實際生產(chǎn)中提高2-3%是完全可行的。

3.2.2 提高設計模具、制造模具的水平。提高設計模具、制造模具的水平，減少在試模上的次數(shù)，是成品率提高的關鍵措施。一般每次試模都需耗費1-3支鑄錠，使成品率降低0.5%～1%，由于模具的設計，制造水平低，有的產(chǎn)品要修模、試模3-4次甚至更多次才能出成品，無形中使成品率降低2%～5%，這不僅會造成經(jīng)濟損失，而且由于反復試模，會延長生產(chǎn)周期。

利用CAE技術進行擠壓過程模擬，減少試模損失。采用模擬設計軟件進行有限元分析，可在計算機中實現(xiàn)對鋁合金成型加工的塑性變形過程進行仿真與可視化表達，進而為實際產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)過程中的模具設計與優(yōu)化、成型工藝參數(shù)選擇等工藝過程提供理論指導，及時發(fā)現(xiàn)在模具、生產(chǎn)工藝中存在的問題，并通過減少試模次數(shù)等方式顯著降低產(chǎn)品開發(fā)成本。設計可以全部在電腦里完成，也可以通過電腦模擬試模，模腔加工在自動加工中心里面完成，整個模具的加工都是高精度完成，因此模具的質(zhì)量非常高，上機合格率在90%以上，可以提高成品率2-6%。

3.2.3 采用擠壓新技術。及時跟蹤國內(nèi)先進的鋁合金擠壓新技術，如無壓余擠壓技術、長錠加熱熱坯剪切擠壓技術等，生產(chǎn)中可根據(jù)要求確定合理的尺寸，從而提高了成品率。一模多孔擠壓也可以提高成品率。對于某些制品適合多孔擠壓時，盡可能采用多孔擠壓，不僅可以減少擠壓系數(shù)，降低及壓力，而且可以提高成品率。在技術廢品為零的情況下用雙孔擠壓比單孔擠壓成品率可以提高3%～4%。

3.2.4 適當加大鋁材擠壓系數(shù)。鋁型材廠一般均有一系列的機臺，根據(jù)產(chǎn)品的擠壓比，冷床長度、制品的外截圓，擠壓筒長度直徑，來確定產(chǎn)品放在相應的機臺上生產(chǎn)。實踐證明，制品的規(guī)格即使相同，但將其放在噸位大小不同的擠壓機上進行生產(chǎn)，因不同的擠壓系數(shù)，會對制品生產(chǎn)效率和組織的性能產(chǎn)生較大影響，導致成品率存在較大差異。擠壓機噸位較大時，擠壓系數(shù)較大，廢品較少，而擠壓費用接近。因此，通過加大鋁型材擠壓系數(shù)可有效減少廢料。

3.2.5 嚴格控制生產(chǎn)工藝過程。嚴格落實首檢和過程檢驗制度。鋁材外形尺寸廢品如壁厚超差、扭擰、平面間隙、開口或收口等，主要靠試模后第一支棒由主機手在出料時檢查和質(zhì)檢員在拉伸后檢查把關來杜絕這類廢品的產(chǎn)生。一般壁厚公差要從負公差開始控制，因為隨著制品的陸續(xù)生產(chǎn)，由于模具的逐漸磨損，制品壁厚會逐漸變厚。對于大懸壁的型材，在拉伸矯直時要認真對照圖紙檢查，控制合理的拉伸量。

型材在拉伸矯直時，特別是對于一些大懸壁型材及空心型材，通過設計相應墊具，避免型材頭尾變形量過大，減少了廢品的產(chǎn)生。墊具可以使用硬木或者鋁塊，設計時盡量減少墊具的規(guī)格，增加墊具的通用性。

保證擠壓筒、桿、模具三點同心。合理維修擠壓筒，正確加熱，保證筒端面平整。消除各種擠壓筒與模具配合不良的現(xiàn)象。

表面廢品如擦劃傷、橘皮、組織條文、黑斑、氣泡等，往往不是每一根制品全部出現(xiàn)。需要通過主機手、質(zhì)檢員、拉伸成品鋸切工序，互相檢查，共同監(jiān)督將表面存在的廢品挑出。

如質(zhì)檢員在出料臺上未發(fā)現(xiàn)制品有擦劃傷，到成品鋸切時發(fā)現(xiàn)制品有劃傷現(xiàn)象，就要從冷床的轉(zhuǎn)移過程中檢查，是否運輸皮帶、撥料器等某些部位有堅硬突出造成制品劃傷。

4 結(jié)束語

本文通過文獻調(diào)研、生產(chǎn)工藝流程分析、實地調(diào)研等手段，總結(jié)了在鋁合金型材生產(chǎn)全流程中，鋁合金廢料的來源、減少廢料的措施及綜合利用方法。質(zhì)量管理是全員、全過程的管理，每個工序都必須把好質(zhì)量關，做到自檢、互檢、專檢相結(jié)合，嚴格執(zhí)行生產(chǎn)管理制度并落實相應的技術措施，才能有效削減廢料量。削減鋁合金擠壓成型生產(chǎn)過程鋁合金廢料可有效降低生產(chǎn)成本，減少金屬材料的損耗，從而有效地降低其對環(huán)境的污染，節(jié)約能源和寶貴的金屬礦產(chǎn)資源。