金屬擠壓工藝的技術進展,經濟效益和社會效益

金屬擠壓工藝是一種優質、高效、低消耗的少無切屑加工工藝,擠壓是有色金屬、鋼鐵材料生產與零件成型加工的主要方法之一,在汽車、機械、輕工、航天航空、軍工及電器等製造領域得到越來越廣泛應用,也是各種複合材料、粉末材料等先進材料製備與加工的重要方法。


金屬擠壓技術作為一種先進的製造技術,在原材料價格不斷上漲、市場競爭日趨劇烈的情況下,從大尺寸金屬鑄錠的熱擠壓開坯、大型管棒型材的熱擠壓加工至小型精密零件的冷擠壓成型,從粉末、顆粒料為原料的複合材料直接固化成型到金屬間化合物、超導材料等難加工材料,現代擠壓技術得以廣泛的應用,開拓了進一步研究和推廣應用的廣闊前景。21 世紀金屬加工業在世界經濟中仍佔支柱地位,同時也將經歷激烈競爭。


金屬擠壓具有基礎理論性強、工藝技術性高、品種多樣性好及生產靈活性大等許多重要特點,是金屬材料(管棒線型材)工業生產和各種複合材料、粉末材料、高性能難加工材料等材料與新產品製備、加工的重要方法。經過200多年的發展,金屬擠壓技術、工藝與裝備均取得了巨大進步,擠壓產品已廣泛應用於航空航天、艦船、交通運輸、能源、冶金化工及國防軍工等非常廣泛的領域。


擠壓鑄造技術是一種結合了鑄造與塑性加工特點的短流程、高效、精確成形技術,廣泛應用於機械、汽車、家電、航空、航天、國防等領域生產高性能、高精度零件。


連續擠壓技術作為一種新的塑性加工方法,與傳統擠壓方法相比,具有節能、節材、自動化程度高、可製造大長度產品等優點,並為複合、粉末等先進材料製造提供了新的手段被譽為有色金屬加工技術的一次革命。其從誕生之日開始就憑藉這些突出優點,受到學術界和企業界極大關注,並得到迅速發展。


金屬擠壓技術的研究現狀

連續擠壓技術國外在連續擠壓技術誕生之後就開展了多方面研究,主要集中在鋁及部分鋁合金產品開發,如薄壁管加工、鋁合金型材等。但對於銅連續擠壓技術,由於銅變形溫度、變形抗力遠大於鋁,尤其在模具和設備結構方面需要進行深入研究,並解決具體技術難題。


目前國外連續擠壓產品主要分為銅、鋁兩大系列,產品涉及領域包括電力電纜、熱傳導和交換設施、多功能複合纜線、建築用型材、冷卻系統、宇宙航空和醫用特殊磁性材料、冶金用添加材料、廢料循環加工等。技術研究工作主要包括變形區自動冷卻系統、生產過程數據管理系統、PLC控制系統、在線感應加熱工具、銅母線連續擠壓、銅管連續擠壓、鋁多孔管連續擠壓、鋁包覆、鋁護套、模塊化工具設計等。


連續擠壓技術國內發展情況擠壓鑄造技術具有比較大的選材空間。擠壓鑄造材料包括Al合金、Mg合金、Zn合金、Cu合金、鑄Fe、鑄鋼等。此外,基於擠壓鑄造的工藝特點,擠壓鑄造金屬基複合材料也備受青睞。


近年來,除了改進和完善正反向擠壓方法及其工藝之外,出現了許多強化擠壓過程的新工藝新方法,並獲得了實際應用。像舌形模擠壓、平面組合模擠壓、變斷面擠壓、水冷模擠壓、扁擠壓、寬展擠壓、精密氣、水(霧)冷在線淬火擠壓、半固態擠壓、高速擠壓、冷擠壓、高效反向擠壓、等溫擠壓、特種拉伸—輥矯、形變熱處理等新技術新工藝,對於擴大鋁型材品種,提高擠壓速度和總生產效率,提高產品品質,發掘鋁型材潛力,減少擠壓力,節能節資,降低成本等方面,都有積極意義。


國內在連續擠壓技術與設備領域的研究工作,幾乎同時開始相關內容的研究,目前為止也主要分為銅鋁兩大類,加工手段和產品應用也基本相同,整體技術水平差距不大。國內代表性的研究機構和公司包括大連交通大學連續擠壓教育部工程研究中心和大連康豐科技有限公司。


我國連續擠壓技術的最新研究與進展包括銅及銅合金的連續擠壓;鋁及鋁合金連續擠壓;貴金屬連續擠壓;雙金屬複合線連續擠壓生產。擠壓輪作旋轉運動,在擠壓輪圓周上有一環形溝槽。腔體工作圓弧與擠壓輪圓周相吻合,腔體內裝有擠壓模具。銅桿料經過壓輪壓實,在巨大摩擦力和擠壓力的作用下產生足夠溫度後被連續送進擠壓腔內,坯料在腔體擋塊前面沿圓周運動受阻而進入腔體,在腔體內達到再結晶狀態後通過模具擠出銅棒材產品。


儘管我國近年來擠壓裝備發展迅速,已經成為世界擠壓大國,擠壓裝備數量和擠壓力位列世界前茅,然而我們還不是擠壓強國。與發達國家擠壓裝備技術比較,擠壓裝備前沿技術、擠壓工藝、模具設計理論和方法、自動控制、模具結構創新和現代化精密加工、產品質量乃至擠壓裝備數量及規格、類型的分佈諸方面依然落後。隨著科學技術的發展與進步,人類生產活動的不斷延伸,對於擠壓製品的要求越來越高,因此擠壓機的大型化、智能化、可靠性、設備生產能力極限化及超高壓油泵直接控制是未來擠壓裝備的發展趨勢。


重金屬擠壓(heavymetal extrusion)用擠壓方法將銅、鎳等重金屬及其合金加工成管、棒、型、線材等製品的工藝。應用於重金屬的擠壓方法較多,有正向擠壓法、反向擠壓法及聯合擠壓法、靜液擠壓法、有效摩擦擠壓法等。對易形成擠壓縮尾缺陷的某些黃銅與青銅,宜採用正向脫皮擠壓。為防止熱擠壓材料表面氧化,提高表面質量,減少金屬損失,對一些金屬可採用水封擠壓法。根據重金屬基本特性、製品規格範圍和組織性能要求及擠壓機能力大小,擠壓比λ一般在4~90範圍內。對製品組織性能有特殊要求時,擠壓比不得低於4~6。


金屬擠壓技術的應用

擠壓成形是金屬成形工藝中一個重要分支,可用於成形一些其他工藝如軋製、鍛造等難成形或不能成形的材料,通過改變擠壓出口模孔的形狀,可以獲得類型多樣的擠壓製品,是應用廣泛的金屬成形工藝。


目前,許多國家也在進行擠壓鑄造新產品開發工作,主要從以下幾個方面來擴展新工藝的應用:第一取代常規壓鑄工藝,使其有更緻密組織,可固溶熱處理,並提高其力學性能或提高其耐磨性、抗滲漏性。第二取代砂型、金屬型鑄造,使鑄件內部組織更緻密,表面輪廓更清晰,尺寸精度更高。第三取代鍛造、熱擠壓等工藝,以降低成本,簡化工藝。近年來,世界各國對擠壓鑄造鋁基複合材料的研究工作十分活躍,由於擠壓鑄造工藝是製備金屬基複合材料最廉價又適合大批量生產的一種很實用的工藝方法,因此備受關注。


有色金屬,特別是銅、鋁、鎂合金擠壓加工型材,由於具有一系列優異特性,在國民經濟各部門、軍工各領域、人民生活各方面都獲得廣泛應用。目前應用最廣泛的領域有:


1.航天航空。

2.交通運輸。

3.電力能源。

4.電子電器。

5.電氣、機械、五金及裝飾品方面,鋁、銅擠壓件應用廣泛。

6.醫療器械及文體用品方面,開始廣泛應用。


金屬擠壓技術發展前景

國外擠壓鑄造設備的技術優勢主要有以下幾點:

1.開發了高精度液壓控制閥和閉環控制壓射系統。

2.具有專用高效的澆注系統。

3.合模機構效率高。


擠壓鑄造設備主要發展趨勢是:

1.寬適應性。

2.研究新型合鎖模機構或方法。

3.採用先進控制系統。


儘管國內外針對擠壓鑄造技術已經做了不少工作,隨著結構件向大型化、複雜化、高性能化及輕量化發展,為擠壓鑄造技術創造了廣闊發展空間,需要開展工作主要體現在:

1.深入分析間接擠壓鑄造時,液態金屬壓力下結晶的物理冶金行為和力學過程,進一步完善擠壓鑄造基礎理論。對於大型複雜零件擠壓鑄造精確成形,需研製具有更優綜合性能的新型材料,完善適合於金屬材料擠壓鑄造技術的材料體系。

2.在成形工藝方面,大型複雜零件各部位凝固條件相差較大,應通過工藝優化實現零件組織和性能的均勻性,進行鑄造缺陷的精確控制;大型鑄件的模具製造週期長、成本昂貴,開發準確的數值模擬技術是優化模具設計的重要手段。

3.成形設備是高效精確成形的重要保證,需要從寬適應性、研究大噸位和新型合鎖模機構、採用先進的控制系統等方面開發先進的擠壓鑄造裝備。


模具數字化設計與數字化製造、高性能難加工材料擠壓、等溫擠壓、擠壓成形-彎曲加工一體化、包芯擠壓等擠壓新技術新工藝的開發應用是目前擠壓製造技術的研究重點。總體而言,未來擠壓技術發展方向主要包括3個方面:一是擠壓產品組織性能與形狀尺寸的精確控制;二是高性能、難加工材料擠壓工藝技術開發;三是擠壓生產高效率化和低成本化。


目前,國內外在連續擠壓技術理論研究,以及工程化應用方面都取得了一定成果,從市場對於連續擠壓技術的需求和其自身的發展來看,其未來的發展趨勢主要為:


1.連續擠壓設備大型化方面,產品尺寸規格增大,對連續擠壓設備需求最直接的就是設備大型化,無論銅鋁的連續擠壓還是連續包覆都需提供型號更大連續擠壓設備。

2.連續擠壓技術與應用方面,大規格銅、鋁板帶,大截面銅異型材,銅管,大直徑鋁型材和鋁管等,無論從成形理論、成形工藝及設備選型等方面,國內外在連續擠壓實現方面進行研究都比較少,這是未來連續擠壓技術與設備研究和發展的趨勢之一。

3.加工材料拓展方面,目前連續擠壓設備及技術主要可實現鋁、鋁合金、銅及部分銅合金連續擠壓生產,但用戶希望更多加工材料能通過連續擠壓方法實現產品加工,進而節約生產成本和降低對環境污染。尤其是應用前景廣闊的銅鋁合金領域,以及未來市場需求量看好的其他輕質合金領域,都具有十分巨大的市場消費量。

4.複合材料連續擠壓生產,包括雙金屬複合材料連續包覆,由於某些金屬材料價格昂貴或某些特殊用途材料對抗腐蝕等嚴格要求,需要進行雙金屬連續擠壓包覆加工,以及部分由於對材料性能的特殊要求,需要進行金屬間或金屬非金屬間材料連續擠壓加工。

5.材料的循環使用。連續擠壓技術特點使其對加工材料的狀態要求相對寬鬆,各種加工過程產生邊角餘料,從粉末狀到不規則顆粒狀都可通過連續擠壓設備重新加工成不同規格和形狀的成品,材料循環利用要求提高,以及對再加工過程能源消耗的嚴格控制,使其成為未來重要的研究方向。

6.變形工具和成形過程研究,變形工具研究主要涉及連續擠壓不同變形工具材料的選擇、加工及使用,而成形過程研究主要包括連續擠壓成形工藝設計、實現和優化,其中與變形工具研究的部分內容有密切聯繫,尤其兩者都需要解決由於設備大型化和產品規格增大趨勢所產生的一系列問題。

7.連續擠壓技術與設備自動化方面的研究,主要包括生產過程自動化水平提高、自動化控制與信息技術集成、產品質量智能化監控、人工參與和操作機會的減少等。


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