鋁合金軋制成形的研究與現狀

趙啟淞

（廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧 530031）

我國工業水平的提高，使得各領域對于金屬材料的需求量有所遞增。而在我國機械制造行業中，鋁合金得到了更多的利用機會，成功地引起了人們的重視，也吸引了眾多研究人員致力于對其軋制成形相關工藝的開發和研究。作為一種輕質金屬材料，其諸多優勢在工業生產中發揮了重要作用，而軋制成形工藝則是鋁合金材料的“主戰場”，相關企業應對此引起高度重視。

1 鋁合金材料的概論

1.1 鋁合金材料的特性

第一，鋁合金密度較小。在工業生產中，合金鋼的密度為每立方厘米7.8克，而鋁合金的密度僅為其三分之一左右，是每立方厘米2.7克。基于這一特點，鋁合金滿足了眾多相關領域內，對于設備、材料的輕量需求，獲得了廣泛的應用。在這些行業中運用和發揮出鋁合金的特性，不僅有利于降低材料的運輸和加工投入成本，也能從根本上節約施工或制造費用，為相關企業帶來更多經濟收益。第二，鋁合金導熱性能強。單質鋁本身便具有較強的導熱性能，在整個金屬元素領域中，其導熱能力僅次于金、銀、銅。而鋁合金也同樣擁有這一特征，在諸多熱能轉化設備的制造中，尤其是取暖器、散熱器等方面的應用頻率更高。第三，鋁合金力學性能好。單質鋁具有塑性高的優點，但其強度較低。在鋁合金制造中，若能在單質鋁中加入強化類金屬單質，如銅、鎂、鋅等，便能制得強度更佳的鋁合金。由于其強度甚至可媲美鋼鐵，使得鋁合金在交通運輸、航空航天事業中應用較多，符合對材料提出的高強度要求。第四，鋁合金具有一定的耐腐蝕性。當鋁合金在空氣中暴露較長時間后，其表面位置會形成氧化膜，可對鋁合金表面起到保護作用，阻斷其被繼續氧化的過程。第五，鋁合金具有裝飾性。鋁合金因繼承了單質鋁的高可塑性特點，在各種形狀、規格的產品制造行業中，工作人員可對其進行多元加工處理，如對其表面進行處理后，形成五顏六色的膜層，發揮出了鋁合金的裝飾能效。

1.2 鋁合金材料的應用領域

第一，在電子行業中，因鋁合金的導電、導熱能力，在多種類型的導線制造中，鋁合金發揮了應有的價值。外加其散熱能力好、耐用性強，以及具有易著色性和節約成本等特點，其在各種電子設備的外殼、部件制造中得到了應用。第二，在汽車制造行業中，目前全球的汽車制造方面，正朝著“輕量”特性的方向發展。由于鋁合金密度小的特點，成為了輕質材料的絕佳選擇，也成為了汽車制造業發展過程中的重點應用材料，無論是發動機的內部氣缸、外部罩，還是制動器的消聲罩、車身構架等，均以鋁合金為主要材料。與此同時，變形鋁合金也在這一行業中得到了應用，如在汽車內外板制造上，利用變形鋁合金取代傳統的鋼板，可明顯降低車身的重量，最高可減輕其一半重量。第三，包裝行業中應用鋁合金，主要發揮了其易塑性的特征。在飲品包裝的瓶、桶、易拉罐中，以及化妝品、藥物、工業產品等方面的包裝，鋁合金都擁有較高的“出場率”。第四，在航空航天行業中，鋁合金在飛機制造方面的使用頻率較高，與其優良的結構特點密切相關，尤其在飛機配件中的蒙皮、起落架制造方面，其應用次數會更高。航天飛船的燃料箱、儀器倉等，也較多由鋁合金制成，是一種關鍵的制造材料。第五，在建筑工程行業中，主要發揮了鋁合金的強度好、耐腐蝕性特點，一般體現在施工工藝、焊接等方面，在建筑的吊頂、門窗方面的應用優勢更加明顯。而其裝飾性的特點，也能在建筑物的設計、布局過程中，憑借鋁合金制成的多種顏色、形狀的裝飾品，對建筑進行點綴和裝飾，滿足用戶的個性化審美需求。

2 鋁合金軋制技術現狀

鋁合金軋制生產中，通常要憑借摩擦力，使旋轉的軋輥靠近錠坯，在軋制橫斷面維持在設計的規范標準范圍內，使其在軋輥施加的壓力作用下，發生形狀的改變，或者長度的增加、厚度的減少。從本質上分析來講，軋制是鋁合金的塑性發生變形的過程。

2.1 軋制技術的種類

鋁合金的軋制技術有兩種分類方式。一種按照鋁合金軋制中的溫度劃分，即熱軋和冷軋制。前者即維持鋁合金在再結晶溫度以上的高溫狀態的方式，高溫情況可有利于提高生產質量的穩定性，也有利于確保生產活動的效率。而后者即在常溫或低溫情況下進行軋制，適用于鋁箔毛料、薄板等的生產過程。另一種按照軋輥的旋轉方向進行劃分，即橫向、縱向、斜向軋制。第一種即軋輥轉動方向相同，軋輥與軋件的軸線處于平行的狀態。在實際鋁合金板帶生產過程中，這種軋制技術的應用頻率相對較低，需要工作人員根據軋件的實際生產情況，對工藝步驟進行科學規劃。第二種即軋輥轉動方向相反，但軋輥與軋件的軸線處于垂直的狀態，在鋁箔、鋁板的生產中應用次數較多。第三種即軋輥轉動方向相同，但軋輥與軋件的軸線間存在角度傾斜的情況，在部分異型產品生產，或在管材制造中應用較多，相關企業有時會搭配雙輥、多輥等設備的使用，用以獲得理想的生產效益。

2.2 技術參數的控制

在鋁合金軋制過程中，工作人員的首要任務是對技術參數進行控制。在軋輥的壓力作用下，軋件會產生形變，其中發生形變的部分為“軋制變形區”，也是軋件進入軋輥后，其垂直平面位置上與輥的相同平面構成的區域。當軋件同軋輥接觸后，會形成特定的角度，圓弧所對應的圓心角被稱為“咬入角”，圓弧水平則叫做“接觸弧長”。在對軋件變形情況進行標識的過程中，工作人員應重點計算入軋前、后之間，軋件的相對尺寸差值，用來展示軋件發生的變形量，而尺寸之間的比值，則能夠表示出軋制中發生變形的程度。

前滑和后滑也是軋制中的關鍵參數，前者為軋件出口速度超過軋輥的速度，后者為相反的情況。為了減少軋制工藝中發生質量問題的比率，工作人員便要留意對這兩項參數的及時調整。前滑的數值可采取“刻痕法”加以決定，即在軋輥表面做好標記后，記下刻痕的位置。在軋制開始后，對軋件表面的壓痕長度進行標記，可將此為重要參考依據計算前滑值。對前滑值大小產生影響的因素眾多，壓下率、軋輥直徑、摩擦系數、張力四項因素，均與前滑值呈正比例關系，而軋件厚度則與前滑值呈反比例關系。

2.3 軋制寬展的控制

寬展度是軋件在寬度方向上，其尺寸發生的形變程度。根據軋制方向的差異性，寬展可分為滑動、翻平、鼓形三種。通過調查和實踐可以發現，對軋件寬展的影響因素眾多。軋制下壓量、軋輥直徑、摩擦系數與寬展度成正比，而軋制次數與寬展度成反比。軋件寬度的情況則較為特殊，若其數值增大，則寬展度先增加，到達峰值后接近無變化。

2.4 軋制張力的控制

張力是設備的前后卷軸與機架間產生的相互作用，對軋件產生了拉力。工作人員控制張力的目的，是降低軋制力的參數，減少軋件彎曲壓力值，達成管控軋制主電機負荷的目標，也有利于使軋制工作的能源消耗量控制在科學合理的范圍內，契合于我國現階段提倡的綠色環保的工業生產理念。工作人員對鋁合金材料厚度的控制，可以讓張力的調整對軋制力產生影響，保證減小軋機彈跳力，使軋輥彈性壓扁，最后使軋件的厚度被控制在科學范圍內，有利于改變軋輥的彈性彎度和軋制力，讓材料板形得到更好的管理。

2.5 軋制條件的控制

為了獲得更好的軋制加工質量，工作人員應控制好軋制的咬入條件，即軋件帶入軋輥內的情況。當軋件已經完成了被咬入環節，且已經開始向軋輥進行填充之時，軋件和軋輥的作用力點也會發生位移，逐漸朝著出口的方向變化，而摩擦角和咬入角的關系也會發生相應的轉變。為管控咬入的成效，工作人員便要參考軋件生產的實際需求，優選最佳直徑的軋輥，做好軋制下壓量的工作。利用針對性更強的方式，不斷對軋輥的表面加以優化處理，使咬入過程中的角度有所增大。工作人員還應該控制軋制的速度，保證摩擦系數處于可控的合理范圍內，在維持低速的狀態下，使軋件能夠得到自然地咬入。

2.6 軋制力值的控制

在整個鋁合金軋制工藝中，軋制力值是其中一項最關鍵的力學數值，甚至會對軋件加工的最后成果帶來直接影響。軋制力也是軋輥與軋件形成合力時，在垂直狀態下的分量值，可經由測量壓下螺絲承受壓力而決定。在實際軋制工作中，軋輥作用力一般分為兩種情況，即軋輥與接觸表面相切、垂直時的摩擦力與壓力，兩種力在垂直方向上投影的和，變為軋制力的具體值。工作人員在控制壓力值的過程中，要優先校準軋制設備電機的運轉功率，以及計算出軋輥等軋制設備部件的彈性形變、強度等，做好對壓下值的控制工作。還需要分析和獲得對軋件厚度、板型方面的具體要求，對軋制機械設備的內部結構不斷調整和完善，保證在軋制工作中的順利完成。

2.7 軋制潤滑的控制

在鋁合金軋制過程中開展潤滑工作，其作用在于對軋件和軋輥摩擦力的控制，用以為軋制創造更加良好的摩擦面，使整體加工水平得到提升，也能夠達到高效加工的目的。從鋁合金軋制加工環境分析來看，潤滑油應具備較強的特性，且能夠在高溫、高壓的環境中也能發揮出應有的性能，不會在加工中出現變質的情況，在揮發量較小的同時，也不會產生斑痕，這樣才能滿足軋制工藝的高標準，也有助于規避危害工作人員身體健康的風險。目前潤滑油的添加劑中，通常會含有極性基團烴基，可在靜電引力的作用下，在軋件的表面形成油膜，使得軋件與軋輥發生分離，確保潤滑價值的有效發揮。

工作人員在使用潤滑油期間，要嚴格管理軋制過程中涉及到的參數，對潤滑油中的多項指標，尤其是對膠質、添加劑、殘留物等方面進行分析，確定其老化程度，也有利于避免在工作溫度、軋制力值較大的情況下，對潤滑油的壽命產生負面影響。

3 鋁合金楔橫軋技術分析

楔橫軋是一種當代鋁合金成形技術，對于軸類部件的成形可彰顯出更強的工藝效果，重點用于機械制造領域中，可對此類部件毛坯、預制的生產提供高質量模鍛件。該技術最早出現在20世紀初，因科技和生產水平相對落后的原因，當時并未將其在生產工作中加以應用。到了20世紀中葉，捷克某公司將其應用于小型汽車部件制作中，之后才逐步演變為軸類成形技術大家族中的一員。我國對于該技術的研究，也最早開始于20世紀60年代，經過了幾十年的實踐，目前中國已經在設備、工藝上取得了較大的突破，使其在鋁合金軋制成形生產工作中，為節能降耗、高效生產貢獻了巨大力量。

與傳統構件加工技術相比，該技術不僅節約了投入成本，也具有更高的精確度。其原理是兩組帶楔形模具的軋輥，在實際軋制時按照同一方向發生旋轉，而圓形構件則反向旋轉。在此期間，構件的直徑會出現壓縮，軸向發生了延伸，最終形成金屬制軸類零件，達成生產目標。伴隨機械制造業規模的擴張，對于該技術的研究，業已成為該領域內生產技術革新的重要內容。尤其在軸類部件生產中，在此技術應用的影響下，材料的強度、塑性會有所提高，靈活運用專業的加工方法，使得此技術可在模具設計、生產中發揮出更大的力量，對于軸類部件的批量加工具有推動作用。

同傳統的車、銑、刨、磨等工藝比較而言，該技術在鋁合金體積成形上應用更為廣泛。此技術實際上是一個大彈塑性變形的過程，壓制流程較短，且影響工藝的參數項目較多，也因軋制工藝具有成形復雜、速度較快等特點，在工作人員操作時會遇到多種干擾因素，尤其相關參數問題，若工藝參數發生了改變，均可能會對工藝的正常開展產生不同程度的影響。盡管我國當前在該技術應用上具有一定的工藝基礎，但在鋁合金的成形加工方面，部分企業仍有待完善和改進。其原因在于鋁合金對于工作人員的塑性變形控制上的要求更高，使得對其加工比鋼制難度更大，更需要這些企業對軋制技術的革新處理，根據鋁合金自身的多種特征，結合具體工藝需求進行深入探究，使參數符合既定規范標準，確保得到理想的體積成形成效。

此技術的重點環節之一——模具設計，可分為擋板、上下模具設計，相關工藝參數為斷面收縮率、成形角、展寬角。這一環節可幫助軋件發生旋轉，也是軋制工作的前提。為了促進軋件的順利旋轉，工作人員要采取相應措施增加摩擦系數，還應顧及斷面收縮率方面。這一參數會關系到軋件出現拉斷、頸縮問題的幾率，為了確定大斷面收縮率和軋制工作間的關系，通過實踐可知，斷面收縮率若具有較高的數值，軋件中心部位的質量將會有所提升。產生這一現象的原因在于，軋制流程進展之時，軋件的瞬間周向流動會增加，而中心部位剩余材料較少，使得軋制無法滿足曲線發展空間。

在使用該技術加工鋁合金之時，有時會發生內部損傷的問題，會對成型后的整體質量帶來影響。在多種因素的綜合影響下，鋁合金的三維應力、塑性變形均會產生相應的變化。材料內部在軋制過程中，會出現壓縮、拉伸、開裂、彎曲等一系列現象，而材料中心位置上，因拉應力帶來的影響，當到達既定形變量之后，會逐漸產生塑性疏松的問題，最后變為裂紋。在整體應力場的作用下，裂紋會朝著軸向方向蔓延后出現孔腔，這也是成形后構件存在損傷的主要原因，在此期間還會受到變形的速率、溫度等方面的影響。為此，工作人員更要在軋制之時，將構件存在的內部損傷問題加以考慮，合理利用當代技術，分析溫度、收縮率等相關因素，對問題的預防、解決方式進行重點研究，同時還需要全力做好科學控制工作。

隨著信息技術的普及，有限元模擬技術逐漸在鋁合金軋制研究中得到應用，二者的綜合使用，為解決這一問題提供了更多科學的研究方式。在兩種技術使用之時，不僅要考慮到軋件的組織、外形尺寸，還應著重研究組織變化規律。因鋁合金具有氧化性質，在加工中更要做好溫度控制工作，在軋制后迅速水淬，使變形組織更為完整。

在此技術在工業生產中逐步擴大使用規模的今天，對于鋁合金軋制工藝也提出了更新、更高的要求，用以獲得力學性能更卓越、質量更佳的產品。在軋制環節中，對于軋件的微觀組織來講，其會伴隨鋁合金的溫度、變形而產生相應的變化，比如靜態、動態的再結晶，以及晶粒變大等，隨著這些變化過程的推進，會逐漸對最終鋁合金產品的各項性能產生不同程度的影響。

4 結語

綜上所述，軋制成形是機械制造行業中的關鍵工作內容，而鋁合金材料的應用，滿足了部件加工中對于形狀、體積等的要求。因此，工作人員應意識到鋁合金使用的重要性，通過牢牢把握軋制過程中的種類、參數、寬展、張力、條件、軋制力、潤滑幾項重要影響工藝的因素，依照實際部件加工要求，靈活使用楔橫軋技術，將鋁合金自身的優勢發揮的淋漓盡致，不斷提高鋁合金構件的質量，從而推動我國機械制造行業的可持續發展。