铝合金管棒型线材生产技术与装备发展概况

摘要：简要介绍铝及铝合金管、棒、型、线材的生产技术与主要工艺装备的发展现状与趋势，重点论述了铝及铝合金挤压、管材冷轧、拉伸以及管、棒、型、线材的热处理和精整矫直等方面的发展特点、水平、产品品种、工艺技术、工模具技术及设备状态。近几年来，国内外的铝合金管、棒、型、线材生产技术与装备获得了长足的发展，达到了相当高的水平。铝挤压技术的现状与发展方向

  1.1 铝挤压技术的现状

  1.1.1 工艺装备向大型化、现代化、精密化和生产线自动化方向发展

  挤压设备主要是指挤压机及其配套装置，是反映挤压技术水平的重要指标。粗略统计，世界各国已装备的不同类型、结构、用途、压力的挤压机达6000台以上，其中美国600多台，日本400多台，德国200多台，俄罗斯400多台，中国3000余台，大部分为6MN～25MN之间的中小型挤压机。随着大型运输机、轰炸机、导弹、舰艇等军事工业和地下铁道、高速列车等现代化交通运输业的发展，需要大量的整体壁板等结构部件，故挤压机向大型化方向发展。在20世纪50年代，美国空军决定用政府资金建造了一系列的重型挤压机和锻压机。美国空军的“重型压机计划”原拟定制造17台大型压机，后削减到9台，其中350MN立式锻压—挤压机一台，120MN和80MN铝合金卧式挤压机各两台。

  经过几十年的发展，目前全世界已正式投产使用的万吨级以上的大型挤压机约20台，拥有的是美国、俄罗斯、中国、日本和西欧。的是前苏联古比雪夫铝加工厂的200MN挤压机，美国于2004年将一台125MN水压挤压机改造为世界的150MN油压挤压机，日本20世纪60年代末建造了一台95 MN自给汕压机，德国VAW波恩工厂1999年投产了一台100MN的双动油压挤压机，意大利于2000年建成投产了一台130MN的铜、铝油压挤压机。据报道，国外几个工业发达的都在研制压力更大、形式更为新颖的挤压机，如350MN卧式挤压机以及450MN～600MN级挤压大直径管材的立式模锻－挤压联合水压机等。在挤压机本体方面，近年来国外发展了钢板组合框架和预应力“T”型头板柱结构机架及预应力混凝土机架，大量采用扁挤压筒、固定挤压垫片、活动模架和内置式独立穿孔系统。在传动形式方面发展了自给油机传动系统，甚至在100 MN～150 MN挤压机上也采用了油泵直接传动装置。现代挤压机及其辅助系统的工作都采用了PLC（程序逻辑控制）系统和CADEX等控制系统，即实现了速度自动控制和等温－等速挤压、工模具自动快速装卸，乃至全机自动化控制。挤压机的机前设备（如长坯料自控加热炉，坯料热切装置和坯锭运送装置等）和机后设备（如牵引装置，精密水、雾、气在线淬火装置，前梁锯，活动工作台，冷床和横向运输装置，拉伸矫直机，成品锯，人工时效炉等）已经实现了自动化和连续化运行。挤压设备正在向组装化、成套化和标准化方向发展[1-6]。

  为了进一步适应现代军事装各和现代交通运输业的轻量化和高速化，铝型材正在向大型化、整体化、薄壁化的方面发展。因此，世界各国正在兴起一股重型挤压机热，有人预测21世纪是大型挤压机的世纪。

  1.1.2 大型优质圆、扁挤压筒与特种模具技术的突破性进展

  从设计计算、结构选择、装卸方法、制模技术、新材料研制到提高模具寿命等方面来看，挤压工模具技术有很大发展。研发出了舌型模、平面分流组合模、叉架模、前室模、导流模、可卸模、宽展模、水冷模等，同时出现了多种形式的活动模架和工具自动装卸机构，大大简化了工模具装卸操作，节约了辅助时间。为了生产扁宽、薄壁、大断面铝合金型材，需要高比压的圆挤压筒和优质的扁挤压筒，由于其使用寿命短，大型高比压的扁挤压筒的设计与制造成了世界性技术难题。近年来，由于计算机、有限元计算、工模具材料及热处理等技术的进步，大型扁挤压筒的设计制造技术有了突破性进展。俄罗斯、美国、德国、日本等国已研制出规格为850mm×330mm、1100mm×300mm等，比压达600MPa以上的大型扁挤压筒，据称使用寿命可达10000次左右；我国已研制成功了670mm×270mm×1600mm的大型优质扁挤压筒。大型挤压工具的装卸自动化、快速化方面也有了很大进展，为全机自动化创造了条件。在工模具材料方面，高合金化的铬镍模具钢，如2779（德国），H11、H13（美国），SKD61（日本），AXMBΦ（前苏联）等钢种的出现，以及新型热处理方法，如真空淬火、离子氮化处理、表面硬化处理等的应用，使工模具材料的品质向前推进了一大步。电火花加工和电火花线切割加工（快走丝和慢走丝）技术用于制模，不仅提高了模孔的精度、硬度，降低了工作带表面粗糙度，而且大大提高了制模生产效率，为实现制模自动化创造了条件。电子计算机用于挤压工模具的设计和制造（CAD／CAM技术），为实现工模具的设计与制造自动化，提高工模具的质量和寿命开辟了一条崭新道路。

  1.1.3 挤压工艺不断改进和完善

  近些年来，除了改进和完善正、反向挤压方法及其工艺之外，出现了许多强化挤压过程的新工艺和新方法，并获得了实际应用。像舌型模挤压、平面组合模挤压、变断面挤压、水冷模挤压、扁挤压、宽展挤压、精密气、水（雾）冷在线淬火挤压、半固态挤压、高速挤压、冷挤压、高效反向挤压、等温挤压、特种拉伸-辊矫、形变热处理等新技术新工艺，对于扩大铝型材的品种，提高挤压速度和总的生产效率，提高产品品质，发掘铝型材的潜力，减少挤压力，节能节资，降低成本等方面，都有积极的意义。

  1.1.4 铝挤压材的产品结构有了很大改进

  20世纪60年代以来，铝合金挤压材料的增长速度平均每年高达9.5％，不仅超过了铝合金的其他加工材料的增长速度（如为轧制材的两倍），而且大大超过了钢铁材料的增长速度。据不统计，目前全世界铝合金挤压材的产能已达2000万t／a左右，2006年年产量已达1200万t。由于民用铝型材应用大增，而军用挤压材占铝挤压材总量的比例已下降到5％以下，结果使软合金比例大大增加，硬合金比重大大减少。以20世纪90年代为例，美国铝挤压材中，软、硬合金之比为10∶1，日本的为20∶1。铝合金型材发展快，其产量大约占整个挤压材的85％。由于铝挤压材正在向大型化、扁宽化、整体化方向发展，大型材的比例日益增加，已达整个型材产量的10％左右。目前铝型材品种已有50000多种。其中大型材有1000多种，包括各种复杂外形的型材、逐渐变断面型材和阶段变断面型材、大型整体带筋壁板及异形空心型材。挤压型材的宽度可达2500 mm，断面积可达1500 cm2，长度可达25m～30m，每根重的可达2 t。薄壁宽型材的宽／厚比可达150～300，带孔空心型材的孔数可达数十个之多。铝合金棒材和管材的外径达800mm，反挤压管材的外径达1500 mm，管材的小壁厚达0.1mm，长度可达1000m。由于铝合金挤压材的产量、品种和规格不断扩大，其应用范围越来越广泛。

  1.1.5 我国铝挤压技术现状

  我国的铝合金挤压生产在1949年前是空白。1949年后我国开始建立铝挤压工业，现在已建立起完整的挤压工业体系，的水压挤压机为125MN，并设计和制造了75MN、80MN和100MN及125MN油压单独传动卧式挤压机。国内铝合金的挤压机的数量已达3000台，结构和自动化程度有了很大的改进和提高，油压单独传动挤压机的自动速控等装置达到了较高的水平。挤压技术不断革新，挤压工艺不断改进。铝合金挤压材的产量、品种和规格不断增加。据初步统计，1980年我国的铝合金挤压材产量为15.29万t，2005年已增加到352万t以上，占铝材总产量的60％左右，品种已超过10000种，壁板的宽度为932mm，型材的断面积达400cm2，长度达10m～30m，同时可用扁挤压筒宽展法挤压宽度为680mm的16孔空心壁板型材，用异形针穿孔法生产无缝异形空心旋翼大梁型材，用自行设计和制造的670mm×270mm×1600mm扁挤压筒和扁锭、固定挤压垫片，为高速铁道和研制成功轨道车辆用大型铝合金型材等。我国目前生产的棒材直径达Φ620mm，管材的规格范围为Φ5mm×0.5mm～Φ620mm×115mm。当然，与工业发达比较起来，我国的铝合金挤压技术还有一定差距。

  1.2 铝挤压技术的发展方向

  在发展金属挤压加工理论与技术时需要重点考虑的项目主要有：（1）减少功耗量，节能降耗；（2）减少外部摩擦，提高变形效率；（3）提高精度；（4）利用各向异性、内部应力、变形热处理等方法提高产品综合性能；（5）有效利用废料和开发综合利用技术，提高回收率和成品率；（6）防止缺陷产生或利用缺陷；（7）提高工模具品质和使用寿命；（8）减少工序；（9）增加单位时间的产量及节省劳动力，实现高速化、自动化、连续化生产；（10）清洁生产，改善环境，降低劳动强度；（11）降低造价，降低成本；（12）发展新用途、新功能、特种性能和多功能的新材料。

  2 铝管冷轧技术的进展

  管材轧制是生产无缝管材的主要方法之一，在管材轧制中，根据管坯的变形温度不同，可分为热轧和冷轧。目前，在铝管生产中，大多数情况下，热轧已被挤压法所取代。将通过热挤压获得的管坯进行冷轧，从而获得成品管材。

  通过冷轧获得的管材表面光洁，组织和性能均匀，壁厚尺寸。与拉伸法相比，冷轧法还具有道次加工率大，生产效率高等优点。通过轧制法还可以生产各种异型管材、变断面管材、锥型管材及其他经济断面管材。

  冷轧管机的种类很多，目前常用的有周期式二辊冷轧管机和周期式三辊冷轧管机。此外，还有行星式冷轧管机，连续冷轧管机，多线冷轧管机，横向多辊旋压机等。这些新型冷轧管机具有生产效率高，加工率大等优点，但由于设备和工具制造复杂，更换管材规格困难，设备和工具的费用大，而未被广泛采用。

  周期式二辊冷轧管机初出现于美国，目前其结构已改善得很完善，产品规格范围可以达到外径Φ12mm～Φ457mm；壁厚0.2mm～15mm。常见的冷轧管机有俄罗斯的XПT冷轧管机和我国制造的LG系列冷轧管机。

  三个及三个以上轧辊组成的冷轧管机称为多辊冷轧管机。多辊轧机可分为三辊、四辊和五辊三种。一般生产直径为Φ8mm～Φ60mm管材时用三辊的，直径为Φ60mm～Φ120mm管材用四辊或五辊冷轧管机轧制。

  旋压是用于成形薄壁回转体工件的一种加工方法。它是借助旋轮等工具作进给运动，加压于随芯模沿同一轴线旋转的金属毛坯，使其产生连续的局部塑性变形而成为所需空心回转体零件。旋压加工包括普通旋压和强力旋压。

  用旋压法可生产纯铝、硬铝和超硬铝的几十种合金几十个规格的大型薄壁空心回转体零件，直径可达8000mm以上，璧厚精度可以控制在±0.01 mm以内。

  轧制和旋压管材用工具主要有轧辊、芯杆、芯模、旋轮等。这些工具的设计与制造是管材成形的关键技术之一。要求使用工具钢、高速钢、硬质合金等材料制造，热处理后的硬度应达到HRC 60～65。

  3 铝材拉伸技术的进展

  拉伸广泛应用于铝及铝合金管、棒、型、线材生产，一般在室温下进行，所以常称为冷拉

  3.1 线材拉伸技术

  铝及铝合金线材主要分为铆钉线、焊条线和电导线三大类。线材拉伸坯料一般有挤压坯、轧制坯和铸造坯。铝导线一般用轧制坯和铸造坯；而批量小、合金和规格多的铆钉线和焊条线主要采用挤压法生产线坯。

  一般来说，Φ≤7 mm的棒材称之为线材，但有的焊条线的直径可达10mm左右；线材的小直径可根据用途而定，导线一般为0.5mm左右，有的可达0.1mm以下。线材可单根供货，也可成卷交货。

  拉伸配模是关键的拉伸工艺技术，要根据设备、合金状态以及产品品种和规格等条件进行拉伸配模计算，以制订出合理的拉伸工艺。

  线材拉伸模分为入口锥、润滑锥、工作锥、定径区和出口锥五部分。拉伸模一般用硬质合金制作，大规格线材模也有用合金工具钢制造的，小规格的线材模则有时用金刚石制造。

  为了使线坯前端顺利地穿过模孔，线坯前端应住碾头机上碾细。

  铝及铝合金线材拉伸可在拉伸机上或多次拉伸机上进行。拉线机是线材从进线到出线只通过一个模子的拉伸机，主要用于生产成品直径较大、强度较高、塑性较差的合金 线材。多次拉线机是线材连续通过几个规格逐渐减小的模子而实现拉伸的拉线机，主要用于生产规格较小、中等强度的铝合金线材和纯铝导线。现代拉线机有链条传动的，也有液压传动的；有单线拉伸机，也有多线拉伸机；有直线式拉线机，也有带卷取机构的拉线机。

  3.2 管材拉伸技术

  铝及铝合金管材常用的拉伸方法可分为不带芯头拉伸（空拉）和带芯头拉伸（衬拉）两大类。按照芯头的种类不同，衬拉又可分为短芯头拉伸、长芯头拉伸、游动芯头拉伸和扩径拉伸，目前世界上这几种拉伸方法都在使用。

  管材拉伸的工艺要点是：①准备优质的坯料，如铸坯、连续铸轧坯、多辊斜轧坯、挤压坯和二次挤压坯等；②拉伸配模，根据拉伸方法、坯料的合金成分和状态、设备性能等进行严格的配模计算，制订合理的工艺规范；③合理设计与制造工模具，管材拉制的主要工具是模子和芯头。管材拉伸工具、拉伸模、整径模、扩径模和芯头等都可以用硬质合金制造，尤其是在小规格和常用的中等规格工模具中，使用硬质合金制造在逐渐增加，但应该注意的是，使用硬质合金拉伸模和整径模应合理镶套。

  铝合金管材拉伸设备按拉出制品形式可分为直线式拉伸机和圆盘式拉伸机两大类。直线式拉伸机有链式、钢丝绳式和液压式三种传动方式，其中以链式拉伸机应用广。圆盘式拉伸机因能充分发挥游动芯头拉伸工艺的优点，适合于长管生产，但目前在我国仍很少使用。

  链式拉伸机有单链管材拉伸机和双链管材拉仲机。现代化链式拉伸机配有各种先进的辅助装置，包括供坯机构、管坯套芯杆机构、拉伸小车自动咬料、拉钩、脱钩、小车返回重新咬料等机构，拉伸速度可自动调整。

  为了提高拉伸机的生产效率，现代拉伸机正朝着多线、高速、自动化方向发展。多线拉伸一般同时拉伸3根，多可达9根管材，拉伸速度可达150m／min，有的已实现了装、卸料等工序全部自动化控制。

  我国的双链式管材拉伸机从5kN～6000kN 15种规格已形成系列。铝及铝合金管材的一般规格范围为Φ5m×0.5mm～Φ300mm×（3～5）mm；小的可为毛细管材，而的外径可达Φ500mm以上。

  4 铝合金管、棒、型、线材的热处理技术与设备

  铝及铝合金管、棒、型、线材的热处理方法主要有退火、淬火和时效等。

  退火可分为均匀化退火、半成品或中间退火和成品（）退火，其主要目的是提高材料的可塑性或控制性能水平。淬火可分为在线淬火和离线淬火。在国外已研发出一种精密在线气、雾、水淬火装置，可实现大型复杂空心与实心型材的高质量淬火处理，可生产长达30m，宽1000mm、壁厚不均匀的不对称复杂型材，尺寸精度、形位公差和力学性能可满足技术条件的要求。在线淬火主要用于6×××系及7005等淬火敏感性不太高的合金。在我国，在线淬火大量用于6×××系合金的T5和T6状态，但精密在线淬火系统尚不成熟，正在研制中。离线淬火是将挤压产品冷却后吊到立式或卧式淬火炉中重新固溶加热，然后快速水冷淬火。这是一种非常成熟的工艺，可精密控制温度，淬火转移时间可达15s，能很好产品的性能，特别是对于2×××系和7×××系等硬铝合金，因淬火敏感性很高，必须采用固溶处理淬火方式，对某些6×××系、4×××系、8×××系铝合金重要用途的产品也应采用离线淬火方式进行淬火。

  时效可分为自然时效和人工时效两大类，人工时效又可分为一级时效、多级时效、过时效、欠时效等。时效过程主要是严格控制温度与时间。

  目前，热处理设备 发展很快。精密在线气、雾、水淬火装置已开始在全球推广。立式淬火炉的已达40m。我国西南铝业（集团）公司建有35m高的淬火炉，温差可达±2.5℃。卧式淬火炉在国外也已研制成功。时效炉的水平也有了长足的进步，目前世界上长的人工时效炉达40m，我国己有多台30m长的人工时效炉投入使用，温度差可控制在±3℃以内。75t～100t铸锭均匀化炉并带水-雾快冷系统的铝合金铸锭处理装置在世界上已普遍使用，我国也正在建造50t～70t的大型均匀化炉。各式各样的退火炉，包括电热式的，燃油式的和燃气式的在各地普遍使用。

  5 铝合金管、棒、型、线材的精整矫直技术与设备

  铝合金管、棒、型、线材的精整矫直工序主要包括矫正与矫直、锯切与表面处理等。表面处理在另外的论文中论述，在此不作介绍。

  铝合金挤压倒的矫直分为拉矫、辊矫、扭拧矫、压力矫、局部矫和丁工矫等。拉矫在拉伸矫直机上进行，主要是消除产品纵向上的弯曲波浪、不平度等缺陷。目前世界上的拉矫机有龙门式、单轨式等几种，吨位为400MN，主要拉伸大断面棒材和型材以及厚壁管材。我国的型棒材拉矫机是忠旺集团的24MN拉矫机，为125MN挤压机配套。西南铝业（集团）在1970年投产了一台15MN拉矫机，为125 MN水压挤压机配套。

  辊式矫直机主要是消除制品横向上出现的弯曲、不平直度、角度不符合要求、并口或扩口等缺陷。目前世界上的辊矫机有龙门式、悬臂式等几种类型，辊－矫宽度可达1500 mm，有的可达2500mm宽，长可矫30m的型材，矫直精度可达到技术条件的要求。另外，可使用6、7、8、9、10辊矫直机来辊矫管材和棒材。

  压力矫直机主要用来局部矫直，压力矫直机为5MN立式压力机。

  产品的锯切可分为残料锯、半成品热锯和成品锯。半成品的中断选择同步热锯，成品锯一般采用高速精密锯，精度可达±1mm。锯口要求、平滑和无毛刺，主要取决于锯片。

  6 结束语

  （1）挤压法目前仍然是铝及铝合金管、棒、型、线材主要的生产方法，其产品覆盖面大，品种多，效率高，质量优，附加值高，深受人们青睐，近年来，其生产工艺技术工艺装备、工模具技术都获得了高速发展。

  （2）挤压-冷轧-拉伸法是铝及铝合金管、棒、线材的重要生产方法，冷轧、拉伸工艺、工模具和设备正在向大型化、精密化、自动化和现代化方向发展。

  （3）铝及铝合金管、棒、型、线材的热处理与精整矫直是重要的生产工序，对产品质量有重大影响，近年来，其工艺和装备等都有了长足的进步。