第 1 章：擠壓鋁概述

擠壓鋁是一種金屬成型工藝，涉及將預(yù)熱或冷鋁坯通過(guò)具有特定橫截面形狀的模具輪廓。它是一種制造鋁制部件的方法，從具有必要寬度、高度和厚度的二維輪廓開始。型材的第三個(gè)尺寸由后擠出加工確定，其中包括將型材拉到跳動(dòng)臺(tái)上并將其切割成適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度。門頭溝鋁型材

鋁的兩種擠壓方式是熱鐓和冷鐓。在熱鐓中，鋼坯被加熱到比其熔化溫度低約25%。使用冷鐓時(shí)，坯料在室溫下擠出。兩種擠出方法都有其優(yōu)點(diǎn)。熱鐓是一個(gè)更快的過(guò)程，而冷鐓可以生產(chǎn)更耐用和持久的產(chǎn)品。

擠壓鋁是更具成本效益的制造工藝。它能夠生產(chǎn)具有出色公差、精度和準(zhǔn)確度的產(chǎn)品。每個(gè)拉伸輪廓都具有相同的尺寸，從個(gè)拉伸零件到最后一個(gè)拉伸零件，長(zhǎng)度或尺寸沒有任何變化。

鋁因其重量輕、強(qiáng)度高和耐腐蝕性而備受青睞。在其純凈形式中，它是柔軟的，強(qiáng)度低。為了提高其機(jī)械性能，它通常與銅、鎂、錳和硅等元素形成合金。此外，還可以對(duì)其進(jìn)行熱處理，以進(jìn)一步提高強(qiáng)度和延展性并達(dá)到適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

金屬擠壓的次發(fā)展發(fā)生在 1700 年代后期，當(dāng)時(shí)英國(guó)發(fā)明家和鎖匠約瑟夫·布拉馬 （Joseph Bramah） 申請(qǐng)了成型工藝的項(xiàng)專利。該工藝最初用于制造鉛管和電纜的鉛護(hù)套。這種早期的擠壓工藝可以加工軟金屬。

更硬、更堅(jiān)固的金屬，如鋁，需要更高的成型溫度和壓力。直到 1894 年亞歷山大·迪克 （Alexander Dick） 引入熱擠壓工藝，鋁才被用作擠壓材料。

如今，鋁型材被廣泛使用，全球市場(chǎng)規(guī)模超過(guò) 670 億美元，預(yù)計(jì)從 2020 年到 2027 年每年將增長(zhǎng) 3.8%。擠壓鋁的主要應(yīng)用領(lǐng)域是建筑和施工、汽車和運(yùn)輸、消費(fèi)品以及電氣和能源等領(lǐng)域。

第2章 鋁的特性

鋁是用于擠壓成型的最常用金屬。這種金屬具有獨(dú)特的機(jī)械性能組合，例如高強(qiáng)度、低密度和良好的可加工性。這些品質(zhì)在所有溫度下幾乎都是恒定的。此外，其他理想的特性，如導(dǎo)電性、反射率、順磁性等，進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用領(lǐng)域。

高強(qiáng)度重量比：鋁因其重量輕、強(qiáng)度高而廣受歡迎。它的密度大約是鋼的三分之一。根據(jù)等級(jí)的不同，鋁合金的強(qiáng)度比鋼高五倍。由于這種特性，鋁被廣泛用于航空航天和汽車應(yīng)用。

耐腐蝕性：與大多數(shù)金屬相比，鋁具有固有的高耐腐蝕性。這歸因于它傾向于在其表面形成致密的氧化物層。這使得鋁在添加涂層后適用于戶外應(yīng)用。

電導(dǎo)率：鋁的導(dǎo)電性約為銅的61%。在某些應(yīng)用中，由于其密度較低且成本較低，因此比銅更受歡迎。利用這些特性的應(yīng)用是低成本輸電線路。

導(dǎo)熱：鋁的導(dǎo)熱性是黃銅的兩倍，是鋼的四倍。這使得鋁廣泛用于電子和電氣元件的散熱器應(yīng)用。

延展性和加工性：即使在室溫下也可以很容易地形成鋁。除了擠壓，鋁還可以通過(guò)軋制、拉伸、沖壓和鍛造來(lái)形成。

低溫韌性：與鋼相比，鋁在低溫下保持其韌性。低溫通常會(huì)使金屬在脆性斷裂下失效。鋁的機(jī)械性能在所有溫度下幾乎都是恒定的。

彈性和沖擊強(qiáng)度：鋁因其天然的韌性而具有很高的回彈性和沖擊強(qiáng)度。鋁制零件可以吸收突然的力或沖擊，并且可以因動(dòng)態(tài)載荷而彈性彎曲。

非磁性：與鋼不同，鋁不是鐵磁性的，而是順磁性的。這意味著它在受到強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)不會(huì)獲得磁荷。這使得鋁適用于發(fā)射高電磁場(chǎng)的電子和電氣外殼和部件。此外，除了其導(dǎo)電性外，鋁還可用于制造電磁場(chǎng)屏蔽。

反射系數(shù)：鋁在 200 至 400 nm 范圍內(nèi)具有更高的反射率，比金和銀好得多。鋁膜涂層通常應(yīng)用于玻璃上以代替銀來(lái)制作鏡子。根據(jù)其表面處理，鋁可以在可見光譜波長(zhǎng)上反射約 90% 的光。

可回收性：鋁很容易回收，而不會(huì)損失任何理想的性能?；厥珍X所需的能源僅為生產(chǎn)原始產(chǎn)品所消耗能源的 5% 左右。

第 3 章：鋁擠壓的好處

擠壓工藝有其優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)與鋁的性能相結(jié)合時(shí)，可以生產(chǎn)出具有獨(dú)特品質(zhì)的產(chǎn)品。這些品質(zhì)對(duì)制造商和最終用戶都有好處。擠壓工藝主要用于生產(chǎn)具有復(fù)雜截面的零件。此外，它還可以處理其他成型工藝難以處理的脆性材料。

易于創(chuàng)建復(fù)雜的橫截面。可以制造復(fù)雜的零件，前提是它在整個(gè)長(zhǎng)度上具有相同的橫截面。與其他成型工藝相比，生產(chǎn)更復(fù)雜零件的運(yùn)營(yíng)成本增加是最小的。

形成脆性材料的能力：擠出生產(chǎn)的零件沒有撕裂和裂紋，因?yàn)榻饘倬哂杏欣谒苄粤鲃?dòng)的配置。這是由于作用在鋼坯上的力對(duì)腔室和模具產(chǎn)生的高壓應(yīng)力。

尺寸精度高：與鑄造和軋制相比，鋁型材可以以嚴(yán)格的公差生產(chǎn)?，F(xiàn)在可以使用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬對(duì)金屬流動(dòng)進(jìn)行建模，以預(yù)測(cè)擠出物的尺寸和輪廓。

可以形成無(wú)縫空心部件：空心型材可以通過(guò)模具和芯軸的組合擠壓鋁來(lái)制造。這些型材不需要機(jī)械接頭或焊縫，而機(jī)械接頭或焊縫是產(chǎn)品的潛在弱點(diǎn)。

實(shí)心型材：創(chuàng)建的實(shí)體型材沒有閉合的空腔，但具有一個(gè)或多個(gè)孔。它們具有簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)、吸引人的外觀和非凡的強(qiáng)度。

操作的靈活性。當(dāng)從一種擠出機(jī)型材更改為另一種擠出型材時(shí)，只需對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行小幅調(diào)整，這只需要在生產(chǎn)中進(jìn)行極少或幾乎不需要中斷。

良好的表面光潔度。二次操作可以很容易地集成起來(lái)，以創(chuàng)建各種飾面。產(chǎn)品的表面可以拋光或拋光以獲得鏡面般的表面，也可以拉絲以獲得啞光效果。除了拋光，鋁型材還可以進(jìn)行陽(yáng)極氧化、噴漆、粉末涂層、電鍍或?qū)訅骸?/p>

標(biāo)準(zhǔn)表面處理是磨機(jī)表面處理，即對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行去毛刺和清潔，并準(zhǔn)備進(jìn)行陽(yáng)極氧化、粉末噴涂或其他二次表面處理。噴砂是在陽(yáng)極氧化之前完成的常見表面處理。陽(yáng)極氧化飾面的類型包括透明和黑色，這是最常見的陽(yáng)極氧化飾面，也可提供定制顏色。

陽(yáng)極氧化是一種與底層鋁結(jié)合的飾面，具有無(wú)與倫比的附著力。飾面化學(xué)穩(wěn)定，無(wú)毒;和耐熱。陽(yáng)極氧化的厚度為 6 μm 至 18 μm，有黑色或透明兩種顏色，可定制顏色。陽(yáng)極氧化工藝的局限性在于擠壓的長(zhǎng)度，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間擠壓的鋁不適合陽(yáng)極氧化槽。靜電噴涂涂層還用于涂覆擠壓鋁，并生產(chǎn)各種顏色的更高質(zhì)量的產(chǎn)品。

第 4 章：鋁擠壓中需要考慮的因素

擠壓被歸類為一種塊狀成型工藝，其中成型金屬的表面積與體積比發(fā)生顯著變化。這是通過(guò)在柱塞、沖頭、工具和模具的幫助下使鋼坯承受壓縮力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了產(chǎn)生具有可預(yù)測(cè)晶粒結(jié)構(gòu)的所需輪廓，應(yīng)用塑性理論來(lái)確定金屬塑性變形力學(xué)的力學(xué)。

形成的產(chǎn)品很大程度上取決于幾個(gè)變量。主要變量是擠出壓力，它受其他因素的影響，如溫度、擠出比和擠出速度。下面枚舉了拉伸變量。

擠出工藝類型：兩大類是直接的和間接的。直接擠壓是柱塞行程和金屬流動(dòng)方向相同的過(guò)程，而間接擠壓則相反。每個(gè)過(guò)程都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。已經(jīng)開發(fā)了其他類型的鋁擠壓技術(shù)，例如靜壓和沖擊擠壓。

擠出壓力：擠壓壓力克服了啟動(dòng)金屬流動(dòng)所需的壓力，并克服了坯料與模具和腔室之間的界面摩擦。范圍從 800 MPa 到 1200 MPa。

坯料與模具或腔體與模具之間的摩擦：前者發(fā)生在間接擠壓中，而后者發(fā)生在直接擠壓中。消除或最小化摩擦，以控制金屬流動(dòng)并降低壓縮所需的功率。

模具類型和設(shè)計(jì)：模具是使金屬變形的部件。模具設(shè)計(jì)決定了金屬在擠壓過(guò)程中的機(jī)械工作。擠出模具可以是實(shí)心模具、半空心模具或空心模具。

潤(rùn)滑：擠壓高強(qiáng)度鋁合金需要潤(rùn)滑。這是為了幫助金屬，因?yàn)殇撆髟谇皇疑匣瑒?dòng)，金屬通過(guò)模具變形。潤(rùn)滑通常是一種專有配方，通常由油、石墨或玻璃粉制成。

鋁合金的種類：不同的鋁合金需要不同的擠壓參數(shù)。鋁合金按系列指定，根據(jù)主要合金元素進(jìn)行分類。鋁合金列舉如下：

擠壓使用最廣泛的合金是 6xxx 系列合金。

1xxx：99% 鋁

2xxx：帶銅

3xxx：含錳

5xxx：含鎂

6xxx：含鎂和硅

7xxx：含鋅

溫度：鋁擠壓通常在高溫下進(jìn)行，稱為熱擠壓。高溫增強(qiáng)了金屬流動(dòng)性，生產(chǎn)出無(wú)缺陷的擠出物。然而，使用高溫的缺點(diǎn)是氧化速率增加。鋁熱擠壓的范圍為705°F至932°F（375°C至500°C）。

擠出比：這被定義為坯料和模具開口橫截面積之間的比率。擠出比越大，變形越大。這需要更高的擠出壓力。此外，更高的變形會(huì)導(dǎo)致更高的出口溫度。

擠出速度：這是金屬流過(guò)模具的速度。更高的擠出速度需要較高的擠出壓力，并導(dǎo)致更高的出口溫度。較慢的速度為溫度流動(dòng)和消散提供了充足的時(shí)間。擠壓速度平衡，以保持金屬的適當(dāng)溫度。

鋼坯長(zhǎng)度：對(duì)于給定的坯料直徑，坯料長(zhǎng)度限制了擠出物的長(zhǎng)度、輪廓和擠出比。此外，坯料長(zhǎng)度也會(huì)影響所需的擠出壓力。坯料越長(zhǎng)，所需的擠出壓力就越高。

第5章 不同的鋁擠壓工藝

鋁型材的制造始于生產(chǎn)送入擠壓機(jī)的鋁坯。鋁是從鋁土礦中提煉出來(lái)的，可以生產(chǎn)氧化鋁或氧化鋁。然后通過(guò)還原過(guò)程將氧氣從鋁中分離出來(lái)，以產(chǎn)生純鋁。然后將原生鋁熔煉成錠，用于制造鋼坯和再生鋁。

鋁坯供應(yīng)給制造工廠，通過(guò)各種金屬成型工藝制造最終用途零件。鋁擠壓通常涉及加熱坯料以增加金屬的可塑性。然后將加熱的鋼坯裝入圓柱形腔室中，一端是柱塞，另一端是模具。柱塞通過(guò)機(jī)械或液壓驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生足夠的壓縮力。施加壓力使坯料塑性變形，迫使其流過(guò)模具。設(shè)置可能因所使用的擠出工藝類型而異。

鋁型材可以通過(guò)不同的工藝生產(chǎn)。這些可以根據(jù)對(duì)坯料施加壓力的方法進(jìn)行分類，如下所述。

直接擠出：這是鋁擠壓最常見的方法。在此過(guò)程中，將加熱的坯料放入腔室中，并通過(guò)柱塞壓力推動(dòng)模具。在柱塞和坯料之間放置一個(gè)假塊或預(yù)熱板，以防止后者在接觸柱塞表面時(shí)變冷。金屬流動(dòng)的方向與沖壓行程或行程的方向相同。坯料發(fā)生塑性變形，并在模具的壁和開口上滑動(dòng)。摩擦力由接觸點(diǎn)產(chǎn)生，這顯著增加了柱塞壓力。擠出工藝的壓力-位移曲線如下圖所示。

如圖所示，在擠出開始時(shí)，所需的壓力開始迅速增加到其峰值，稱為突破壓力。一旦開始流動(dòng)，壓力就會(huì)降低，穩(wěn)態(tài)擠出繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)裝載的坯料幾乎被消耗殆盡時(shí)，擠壓壓力達(dá)到最小值，然后隨著剩余的坯料被壓實(shí)而急劇上升。剩余的未擠壓的坯料稱為坯料或棄料，占坯料的 5% 至 15%。

間接擠出：與直接擠壓工藝相比，模具不是將坯料壓在模具上，而是壓在坯料上。一個(gè)空心柱塞連接到模具上，壓縮鋁坯，迫使其流動(dòng)。金屬流動(dòng)的方向與柱塞行進(jìn)的方向相反。關(guān)于產(chǎn)生的摩擦力，由于坯料和腔室之間沒有相對(duì)位移，所以坯料和擠出機(jī)腔之間沒有摩擦。

如圖所示，所需的壓力僅上升到穩(wěn)態(tài)擠壓壓力。間接擠出被證明是一種比直接擠出更節(jié)能的工藝。盡管有這種優(yōu)勢(shì)，但間接擠壓不能替代直接擠出。這是因?yàn)樾枰褂每招闹c實(shí)心壓力機(jī)相比，空心柱塞較弱。這限制了可用于壓縮坯料的載荷。因此，該工藝僅適用于生產(chǎn)小截面的擠出物。

靜壓擠出：該過(guò)程涉及使用工作流體迫使鋼坯通過(guò)模具。在此過(guò)程中，工作流體被壓縮到完全包圍坯料的密封腔內(nèi)，但錐形端除外，該端最初安裝在模具開口上。可以通過(guò)用柱塞或柱塞壓壓流體或在腔室內(nèi)泵送更多流體來(lái)實(shí)現(xiàn)增壓。前者稱為恒速擠出，而后者稱為恒壓擠出。油通常用作工作流體，具有改良的性能，可抵抗由于成型和壓縮產(chǎn)生的熱量而導(dǎo)致的高溫降解。

靜壓擠出提供了直接和間接擠出的兩全其美。該工藝解決了直接擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的高摩擦力問(wèn)題以及間接工藝對(duì)橫截面積的限制。然而，它們也存在一些缺點(diǎn)，例如由于每個(gè)擠出周期的準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)而導(dǎo)致的產(chǎn)量較低，以及在高壓下密封困難。較低的產(chǎn)量是額外的鋼坯錐形工藝以及每個(gè)循環(huán)所需的流體注入和去除的結(jié)果。在某些設(shè)置中，不是去除流體，而是保留丟棄物以防止擠出流體突然釋放。由于冷加工，這種丟棄物通常更堅(jiān)硬，需要額外的壓縮才能擠出。密封困難來(lái)自腔室和柱塞之間的密封更緊密以及坯料和模具之間的密封。

鋁擠壓通常在高壓下進(jìn)行，以增加金屬塑性流動(dòng)的趨勢(shì)。然而，其他技術(shù)使該過(guò)程能夠在室溫下完成。

熱擠壓：熱擠壓是在鋁的再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的，此時(shí)其微觀結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化。這反過(guò)來(lái)又改變了其機(jī)械性能，例如強(qiáng)度、延展性和硬度。將金屬擠壓到其再結(jié)晶溫度以上會(huì)降低所需的壓力，因?yàn)椴牧显谶@種狀態(tài)下具有更高的延展性。此外，金屬變形不會(huì)導(dǎo)致加工硬化。加工硬化進(jìn)一步硬化鋁，使其更難成型或擠壓。為了控制產(chǎn)品的機(jī)械性能，必須控制其冷卻速率。對(duì)于某些合金，進(jìn)行二次熱處理以增強(qiáng)其機(jī)械性能。

冷擠壓：與熱擠壓相比，冷擠壓是在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的，通常在室溫下進(jìn)行。金屬最初處于室溫。當(dāng)它被壓縮時(shí)，連續(xù)變形會(huì)產(chǎn)生熱量。冷擠壓的優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)異的硬度和強(qiáng)度、更低的氧化、更好的表面光潔度和更緊密的公差。

下面列舉的是根據(jù)金屬流動(dòng)方向相對(duì)于柱塞運(yùn)動(dòng)對(duì)擠壓工藝的分類。

正向擠出：在此過(guò)程中，柱塞或沖頭的行程與金屬流動(dòng)方向相同。柱塞將鋼坯推過(guò)橫截面較小的模具。正向擠出工藝包括直接擠出和靜壓擠出。

向后擠壓：向后擠壓過(guò)程涉及沿金屬流相反方向行進(jìn)的柱塞。鋼坯或金屬段塞彼此之間沒有位移。反向擠壓工藝是間接擠壓和沖擊擠壓工藝。

側(cè)向擠壓：在橫向擠壓工藝中，柱塞垂直取向，而擠出物水平流動(dòng)。這基本上是對(duì)正向擠壓工藝的修改，以節(jié)省空間或提高柱塞的加壓效率。