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上海精密淬火技術(shù)報(bào)告會(huì)

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上海精密淬火技術(shù)報(bào)告會(huì)

擠壓鋁型材在線精密淬火技術(shù)論文

作者: 麥鴻杰 (佛山市南海賽福鋁材設(shè)備有限公司①總經(jīng)理)

論文發(fā)布時(shí)間: 2010-09-10; 地點(diǎn): 上海市

 

關(guān)鍵詞:擠壓,鋁型材,精密,在線淬火

內(nèi)容摘要:
  近年來(lái),隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,鋁型材在工業(yè)上的應(yīng)用日益廣泛。同時(shí),對(duì)鋁型材的要求越來(lái)越高,主要表現(xiàn)在:1、型材的截面要求越來(lái)越寬,形狀越來(lái)越復(fù)雜;2、尺寸精度越來(lái)越嚴(yán)格;3、力學(xué)性能越來(lái)越高。要滿足市場(chǎng)對(duì)鋁型材產(chǎn)品的要求,就給型材的生產(chǎn)工藝和裝備提出更高的要求,特別是在線淬火環(huán)節(jié)。因?yàn)橐剐筒倪_(dá)到高的力學(xué)性能,型材淬火時(shí)的冷卻速度必須確保過(guò)飽和固溶體被固定下來(lái)不分解,防止強(qiáng)化相析出,以免降低淬火時(shí)效后的力學(xué)性能。因此,淬火時(shí)的冷卻速度應(yīng)越快越好。但是冷卻速度越快,淬火型材的殘余應(yīng)力和殘余變形也越大,型材的尺寸精度就無(wú)法保證。所以,要同時(shí)滿足以上三方面的要素,就給淬火(特別是在線淬火)提出更高的要求:1、必需能夠提供足夠大的冷卻速度范圍,以滿足不同合金的淬火對(duì)冷卻速度敏感性的要求、和不同型材壁厚對(duì)冷卻速度的要求;2、在保證足夠大的冷卻速度的同時(shí)有效減少型材冷卻時(shí)的變形,以保證型材的尺寸精度。

背景:鋁擠壓材在線淬火的現(xiàn)狀

  經(jīng)過(guò)近十年的快速發(fā)展,鋁擠壓裝備已得到很大的提升,在線淬火的技術(shù)也得到很大的進(jìn)步,但仍然跟不上鋁型材產(chǎn)品發(fā)展的需要。

 

1、目前國(guó)內(nèi)在用的傳統(tǒng)在線淬火大部分都相對(duì)較落后
1)未能提供足夠大的冷卻速度范圍,不能根據(jù)不同合金和型材壁厚來(lái)選擇不同的冷卻速度;
2)調(diào)節(jié)性差。型材截面往往都是不對(duì)稱(chēng)的,壁厚也不是均勻的,如果不能根據(jù)型材截面的情況進(jìn)行冷卻速度大小的調(diào)節(jié),厚壁的地方就會(huì)冷卻的慢,薄壁的地方就會(huì)冷卻的快,這樣就會(huì)造成型材變形和性能不均;
3)操作性差。有些在線淬火裝置具備了以上兩點(diǎn)的功能,但操作性差,工人實(shí)際操作困難,精確度差,且耗時(shí),所以根本無(wú)法滿足使用的需求。
由于以上的原因,造成型材變形量大,性能不穩(wěn)定,廢品率過(guò)高,成本上升,難以滿足生產(chǎn)的需求。所以提升國(guó)內(nèi)在線淬火的裝備水平,已是國(guó)內(nèi)鋁型材裝備行業(yè)的重要任務(wù)。

 

2、目前歐美日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的在線淬火裝置相對(duì)比較先進(jìn)

1)風(fēng)冷、霧冷 、高壓噴水聯(lián)合一起,能提供較大的冷卻速度范圍,使用時(shí)可根據(jù)不同的合金、不同的型材截面來(lái)選擇合適的冷卻方式。如6063合金型材可選擇風(fēng)冷,厚壁6061合金型材可選擇高壓噴水,而薄壁的6061合金型材則可選擇霧冷;
2)調(diào)節(jié)性較好。一種是在型材截面的周向上分布若干路風(fēng)口和噴頭,每一路風(fēng)口和噴頭均可調(diào)節(jié),這樣就可根據(jù)型材截面結(jié)構(gòu)不同進(jìn)行冷卻強(qiáng)度的方向性調(diào)節(jié)。如壁厚較厚的一側(cè)需要較強(qiáng)的冷卻強(qiáng)度,壁厚較薄的一側(cè)則需要較弱的冷卻強(qiáng)度。這樣有利于型材整體冷卻均勻,在保證足夠冷卻速度的前提下,減少型材的變形;另外一種是多段冷卻,每一段可選擇不同的冷卻速度。由于淬火開(kāi)始階段變形較敏感,如果一開(kāi)始就采用較快的冷卻速度,而型材截面的周向上又不能進(jìn)行方向性的調(diào)節(jié),就會(huì)造成型材變形量大。故淬火前段可選擇相對(duì)緩慢的冷卻速度,先將型材緩慢冷卻到一定的溫度后,后段再采用較快的冷卻速度進(jìn)行急冷。這樣既可保證足夠的冷卻強(qiáng)度,同時(shí)也能減少型材的變形。

3)操作性較好。所有的這些調(diào)節(jié)均可通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行控制,調(diào)節(jié)比較方便,操作性強(qiáng)??刂葡到y(tǒng)有自動(dòng)記憶功能,將每次生產(chǎn)的工藝參數(shù)自動(dòng)記錄下來(lái),下次使用時(shí)可自動(dòng)調(diào)用。

 

  但是,因?yàn)殇X型材擠壓是間歇擠壓,非擠壓時(shí)停頓在淬火區(qū)段的型材與擠壓時(shí)通過(guò)淬火區(qū)的型材受到的有效冷卻時(shí)間不一致,這樣會(huì)引起該兩段的淬火強(qiáng)度不一致、性能和變形量也不一致。這個(gè)問(wèn)題國(guó)際上比較先進(jìn)的淬火裝置也沒(méi)有很好解決。

論文正文:國(guó)內(nèi)新的在線精密淬火技術(shù)及裝置的介紹
1、 在線精密淬火因素考慮
1-1 足夠的冷卻速度范圍
  只有足夠的冷卻速度,才能確保過(guò)飽和固溶體被固定下來(lái)不分解,防止強(qiáng)化相析出,才能保證型材淬火時(shí)效后的力學(xué)性能達(dá)到最佳水平。要達(dá)到足夠的冷卻速度,就要配置合理的冷卻源、冷卻長(zhǎng)度以及冷卻密度。冷卻源就是指風(fēng)機(jī)、水泵以及相應(yīng)的冷卻介質(zhì)。冷卻長(zhǎng)度就是指風(fēng)口、噴管或水槽的長(zhǎng)度。冷卻密度就是指風(fēng)口或噴頭的分布密度。而這三方面都要根據(jù)該生產(chǎn)線所生產(chǎn)型材的最大線密度、不同合金的淬火對(duì)冷卻速度敏感性強(qiáng)弱以及擠壓出材的速度綜合計(jì)算來(lái)確定。所生產(chǎn)的型材線密度越大、合金的淬火對(duì)冷卻速度敏感性越強(qiáng)、擠出速度越快,所要配置的風(fēng)機(jī)和水泵越大,淬火區(qū)的長(zhǎng)度就要越長(zhǎng),用水作介質(zhì)的水溫就要越低。當(dāng)?shù)蜏氐乃紳M足不了冷卻速度的情況下,還可以在水中加入不同的溶劑來(lái)調(diào)節(jié)水的冷卻能力。比如聚乙醇,通過(guò)調(diào)節(jié)聚乙醇水溶液的濃度來(lái)控制冷卻速度。
1-2 型材截面的冷卻速度保持基本一致
  只有冷卻速度基本一致,才能確保型材淬火效果基本一致,從而保證型材性能的均勻性,有效減少型材的變形和彎扭。要保證型材截面周向的冷卻速度一致,就要保證截面周向冷卻強(qiáng)度能夠根據(jù)型材截面結(jié)構(gòu)情況、壁厚的厚薄進(jìn)行調(diào)節(jié)。比如壁厚較厚的一側(cè)需要冷卻強(qiáng)度高,壁厚較薄的一側(cè)則需要冷卻強(qiáng)度低些,這樣就可使得型材截面同一時(shí)間內(nèi)冷卻到相同的溫度。
  而要保證型材縱向的淬火強(qiáng)度一致,就要保證縱向上所受的冷卻時(shí)間一致,也就是縱向上每部分通過(guò)淬火區(qū)的有效冷卻時(shí)間一致。
1-3 適應(yīng)不同型材截面寬高比的變化
特別中大型擠壓機(jī)所生產(chǎn)的型材截面寬高比變化非常大,當(dāng)生產(chǎn)板材時(shí),寬高比可能達(dá)到100:1以上,而生產(chǎn)管材或棒材時(shí),寬高比可能是1:1。在這么大的寬高比變化情況下,如何保證型材上下左右各個(gè)表面與風(fēng)口和噴頭之間的距離合適,從而保證有效的冷卻速度和減少能耗。
1-4 操作性比較強(qiáng),能方便操作人員進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
1-5 在滿足以上四點(diǎn)的前提下,如何有效降低運(yùn)行的成本。

2、兩種新的在線淬火裝置
  為解決以上的問(wèn)題,我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種不同形式的在線淬火裝置。一種是針對(duì)中大型(1650t以上)擠壓機(jī)配套的,另一種是針對(duì)中小型(1650t以下)擠壓機(jī)配套的。因?yàn)橹写笮蛿D壓機(jī)所生產(chǎn)的型材截面相對(duì)較大,比較容易實(shí)現(xiàn)型材上下左右四個(gè)方向冷卻差異化控制。而中小型擠壓機(jī)所生產(chǎn)的型材截面相對(duì)較小,實(shí)現(xiàn)型材上下左右四個(gè)方向冷卻差異化控制相對(duì)較難,所以要有針對(duì)性的設(shè)計(jì)不同的方案。
2-1 中大型擠壓機(jī)配套在線淬火裝置的功能特點(diǎn)
2-1-1 風(fēng)冷、風(fēng)霧混合、霧冷、高壓噴水四合一的功能
  我們采用風(fēng)冷、風(fēng)霧混合、霧冷、高壓噴水四合一的功能,每一種功能都可以根據(jù)需要進(jìn)行大小調(diào)節(jié),形成從弱到強(qiáng)無(wú)級(jí)變化的冷卻強(qiáng)度,適應(yīng)不同合金不同壁厚對(duì)冷卻強(qiáng)度的不同需求。比如一般生產(chǎn)薄壁的6063合金型材時(shí)采用風(fēng)冷,生產(chǎn)厚壁6063合金型材或薄壁6061合金型材時(shí)采用風(fēng)霧混合,生產(chǎn)中薄壁6061合金時(shí)采用霧冷,生產(chǎn)厚壁6061合金型材時(shí)采用高壓噴水。
  冷卻源的配置,要根據(jù)該機(jī)臺(tái)生產(chǎn)的型材米重、擠出速度、合金淬火對(duì)冷卻速度敏感性強(qiáng)弱等因素來(lái)決定。型材米重越大、擠出速度越高、合金淬火對(duì)冷卻速度敏感性越強(qiáng),風(fēng)機(jī)和水泵的功率就越大、淬火區(qū)的長(zhǎng)度也就越長(zhǎng)。
  為什么要采用風(fēng)霧混合?主要因?yàn)閿D壓車(chē)間的氣溫比較高,純風(fēng)冷時(shí),哪怕風(fēng)壓、風(fēng)量很大,冷卻速度也不高,并且能耗很大。如果直接用霧冷或水冷,相對(duì)部分合金型材的冷卻速度又過(guò)高,型材容易變形。而用風(fēng)霧混合,既能獲得比風(fēng)冷強(qiáng)很多的冷卻效果,又能降低風(fēng)機(jī)的能耗,從而獲得合適的冷卻速度 。
2-1-2 周向多路冷卻布置并冷卻強(qiáng)度差異化調(diào)節(jié)

  為了解決截面周向冷卻的均勻性,圍繞擠壓機(jī)中心線平行分布若干路風(fēng)口和噴頭(如圖1所示),具體多少路要根據(jù)具體生產(chǎn)線所生產(chǎn)的型材截面寬度來(lái)確定。每一路風(fēng)口和噴頭都可單獨(dú)調(diào)節(jié)風(fēng)量或水量,以滿足不同合金和壁厚所需要的冷卻速度,確保截面上各個(gè)位置淬火均勻。這對(duì)確保型材性能均勻和有效減少型材變形起到關(guān)鍵作用。

圖1

 

2-1-3 縱向分段調(diào)節(jié)及順序啟閉功能
  縱向的每段冷卻強(qiáng)度可以單獨(dú)調(diào)節(jié)。當(dāng)個(gè)別型材淬火時(shí)特別容易變形的,光用以上兩種功能還無(wú)法滿足時(shí),還可以將縱向的前段冷卻強(qiáng)度調(diào)小,后段的冷卻強(qiáng)度調(diào)大。這樣既可保證型材得到充分的冷卻,又可以減少型材變形。

  為了解決型材縱向淬火的一致性,各路風(fēng)口和噴頭在縱向上分若干段(如圖2所示),具體多少段要根據(jù)具體生產(chǎn)線需要來(lái)確定。每段都有獨(dú)立的控制閥來(lái)控制。換棒停止擠壓時(shí),從冷床往擠壓機(jī)方向按順序分段關(guān)閉;換棒開(kāi)始擠壓時(shí),從擠壓機(jī)往冷床方向按順序分段開(kāi)啟。這樣就可以使得型材縱向的 冷卻時(shí)間基本一致,從而確保型材縱向的性能比較均勻,減少縱向的彎扭。

圖2

 

2-1-4 頂部風(fēng)口(噴頭)與側(cè)風(fēng)口(噴頭)上下位移調(diào)節(jié)

  為了解決型材寬高比變化過(guò)大,引起上下左右風(fēng)口或噴頭與型材表面之間距離變化過(guò)大,我們將上部的風(fēng)口和噴頭與左右的側(cè)風(fēng)口和側(cè)噴頭設(shè)計(jì)成分離的,并且相互間可以移動(dòng)(如圖3所示)。這樣就可以根據(jù)型材的寬高比來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)口或噴頭與型材表面之間的距離,確保上下左右各路風(fēng)口和噴頭與型材各表面保持合適的距離和位置,提高冷卻的精準(zhǔn)度和減少能耗的損失。

圖3  風(fēng)門(mén)和兩側(cè)風(fēng) 口上下錯(cuò)位調(diào)節(jié)



2-1-5 輔助牽引頭

  在淬火作業(yè)中,牽引機(jī)一般不適宜進(jìn)入淬火區(qū),特別是水冷作業(yè)。如果牽引機(jī)進(jìn)入淬火區(qū),淬火裝置就難以正常工作,通過(guò)淬火區(qū)的這段型材就無(wú)法得到正常的淬火,將會(huì)造成該段型材的浪費(fèi)。在牽引機(jī)不進(jìn)入淬火區(qū),而又能實(shí)現(xiàn)牽引和淬火同時(shí)進(jìn)行,就采用輔助牽引頭(圖4所示)。當(dāng)生產(chǎn)第一根鑄棒時(shí),用輔助牽引頭牽引著型材,用牽引機(jī)牽引著輔助牽引頭,并且淬火裝置正常工作。

 

圖4  輔助牽引頭

 

2-1-6 人機(jī)界面控制及參數(shù)記憶功能
  為了方便操作人員的控制,在線淬火裝置所有的動(dòng)作和工藝參數(shù)均可通過(guò)人機(jī)對(duì)話來(lái)進(jìn)行控制,友好的操作界面(圖5所示)非常適合國(guó)內(nèi)工人使用。為了提高調(diào)節(jié)的效率,減少因調(diào)節(jié)過(guò)程不當(dāng)所產(chǎn)生的廢品,控制系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)了自動(dòng)記憶功能。每次生產(chǎn)的型材,當(dāng)認(rèn)為淬火的工藝參數(shù)比較合理時(shí),可啟用記憶功能將該組參數(shù)記憶下來(lái),下次再生產(chǎn)該型材時(shí),只要錄入該型材的型號(hào)代碼,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用上次記憶下來(lái)的參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。

 

圖5  人機(jī)界面控制 及參數(shù)記憶功能

 

2-1-7 遠(yuǎn)程調(diào)試、監(jiān)控和維護(hù)
  為方便調(diào)試、監(jiān)控和維護(hù),控制系統(tǒng)設(shè)有遠(yuǎn)程監(jiān)控接口。有需要時(shí),可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試、監(jiān)控和維護(hù)。
  以上方案在廣東豪美鋁業(yè)的2500t和3600t擠壓機(jī)所配置的在線淬火裝置(圖6所示)上得到充分的驗(yàn)證,完全可以滿足生產(chǎn)工藝的要求。型材經(jīng)過(guò)在線淬火和人工時(shí)效后,完全滿足力學(xué)性能的要求,而尺寸精度也得到充分的保證。

 

圖6  工程實(shí)例

 

2-2 中小型擠壓機(jī)配套在線淬火裝置的功能特點(diǎn)
  針對(duì)中小型擠壓機(jī)配套配套的在線淬火裝置,除了中大型擠壓機(jī)配套的在線淬火裝置上a、b、c、f、g的功能配置基礎(chǔ)上,加強(qiáng)以下的功能(如 圖7所示):

 

圖7  噴頭的可旋轉(zhuǎn) 及擺動(dòng)控制


2-2-1 噴頭設(shè)計(jì)成可以擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)
  為解決小型材截面上噴水的準(zhǔn)確定位,將噴水和噴霧的噴頭設(shè)計(jì)成可以擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的,如圖示中的α和β。噴頭旋轉(zhuǎn)一定的角度,可以將噴射出的水和霧的寬窄進(jìn)行一定范圍的調(diào)節(jié),甚至可調(diào)成平行于擠壓中心線的一條線,這樣就能將水集中到型材的某一局部上。噴頭擺動(dòng)一定的角度,也是有利于將水和霧對(duì)準(zhǔn)型材的某一位置。
2-2-2 噴頭還可以進(jìn)行徑向移動(dòng)
  噴頭還可以進(jìn)行徑向移動(dòng)一定的距離,這也是為了更好的進(jìn)行冷卻定位,減少水的壓力損失。該方案在深圳福晟五金制品有限公司的1450t和1800t的擠壓機(jī)所配置的在線淬火裝置上得到充分的驗(yàn)證。型材經(jīng)過(guò)在線淬火和人工時(shí)效后,完全滿足力學(xué)性能的要求,而且尺寸精度也得到充分的保證。

總結(jié):在線淬火的研發(fā)方向
1、往智能化控制方向發(fā)展
  目前,在線淬火裝置主要還是靠人來(lái)控制,靠操作人員根據(jù)不同的合金成分、不同的型材截面和壁厚情況來(lái)選擇不同的冷卻方式和冷卻速度。這樣不但會(huì)對(duì)人的依賴(lài)性強(qiáng),而且影響效率和準(zhǔn)確性。所以應(yīng)往智能化方向發(fā)展,只要將產(chǎn)品的合金牌號(hào)和截面圖輸入控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)選擇相應(yīng)的冷卻方式和冷卻速度。
2、將目前需要離線淬火的部分合金能實(shí)現(xiàn)在線淬火
  因離線淬火需要二次加熱,能耗比較高,如何將目前需要離線淬火的部分合金能實(shí)現(xiàn)在線淬火。那將大幅減少能耗,提高效率。

備注:
① 佛山市南海賽福鋁材設(shè)備有限公司已于2012年04月25日獲準(zhǔn)冠省名廣東賽福智能裝備有限公司

參考文獻(xiàn): 王祝堂,田榮璋. 鋁合金及其加工手冊(cè) .  中南大學(xué)出版社(第三版),2005.

 


更新日期:2020-08-20