工业铝型材出现翘曲变形是一个较为复杂的问题,主要由以下几个因素导致:
挤压工艺方面
挤压速度和温度不合理
挤压速度过快:在工业铝型材挤压过程中,当挤压速度太快时,金属的流动速度不均匀。型材的外层金属由于与模具的摩擦等因素,流动相对较慢,而内部金属流动较快。这种不均匀的流动会产生内部应力,当应力超过型材的屈服强度时,就会导致型材翘曲变形。例如,在高速挤压一些大型工业铝型材时,由于模具与型材之间的摩擦力较大,型材前端和后端的金属流动差异明显,容易出现翘曲现象。
挤压温度过高或过低:温度对铝型材的挤压过程影响很大。如果挤压温度过高,铝的延展性增加,金属流动性过大,容易导致型材在挤出模具后由于自身重量等因素产生变形。相反,温度过低时,铝型材的变形抗力增大,挤压过程中所需的挤压力增加,也会使型材内部产生较大的残余应力,从而引起翘曲变形。例如,对于 6061 铝合金型材,其合适的挤压温度一般在 470 - 510℃之间,超出这个范围就可能出现质量问题。
模具设计与磨损
模具结构不合理:模具的结构设计直接影响铝型材的挤出质量。如果模具的工作带设计不均匀,会导致型材各部分金属的流动阻力不同。例如,工作带较短的部位,金属流动速度快,而工作带较长的部位,金属流动速度慢,这就会造成型材内部应力不均匀,进而引起翘曲变形。另外,模具的出口形状如果与型材的形状不匹配,也会导致型材在离开模具时受到不均匀的力,产生变形。
模具磨损严重:长时间使用的模具会出现磨损,尤其是在模具的关键部位,如工作带、分流孔等。磨损后的模具会改变金属的流动路径和阻力,使得型材在挤压过程中的应力分布发生变化。例如,模具工作带磨损后,金属流动速度会加快,可能导致型材某一侧的金属流动过快,从而引起型材的翘曲。
冷却过程方面
冷却不均匀
风冷不均匀:在铝型材挤出后,常采用风冷进行冷却。如果风冷设备的风口布局不合理或者风速不均匀,会导致型材各部分的冷却速度不同。例如,型材的一侧风量大、冷却速度快,而另一侧风量小、冷却速度慢,就会在型材内部产生热应力。由于热胀冷缩的差异,冷却快的一侧收缩程度大,冷却慢的一侧收缩程度小,从而导致型材翘曲变形。
水冷不当:对于一些采用水冷的铝型材,水的温度、流量以及与型材的接触方式等因素都很关键。如果水冷过程中,水的温度过高或者流量不稳定,会造成型材冷却不均匀。而且,如果型材局部先接触水,而其他部分后接触水,也会因冷却速度的差异产生翘曲变形。
材料自身特性方面
合金成分与组织不均匀
合金元素分布不均:工业铝型材通常是铝合金,其合金元素(如镁、硅、铜等)的分布对型材的性能和变形情况有重要影响。如果在熔炼过程中合金元素没有充分均匀化,型材在后续的加工过程中,由于不同部位的合金成分差异,其热膨胀系数、屈服强度等物理性能也会不同。例如,含有较多镁元素的区域可能在冷却过程中收缩程度较大,而合金元素较少的区域收缩程度较小,从而导致型材翘曲。
内部组织不均匀:铝型材的内部组织(如晶粒大小、晶界分布等)也会影响其变形行为。如果在铸造或挤压过程中,型材内部组织没有得到良好的控制,出现晶粒粗大或晶界不均匀等情况,会使型材的力学性能各向异性,容易在加工过程中产生翘曲变形。例如,粗大的晶粒会降低型材的强度和韧性,使其在受到外力或内部应力作用时更容易发生变形。
加工和装配过程方面
加工应力残留
机械加工不合理:在对工业铝型材进行切割、钻孔、铣削等机械加工过程中,如果加工参数(如切削速度、进给量等)选择不当,会在型材表面和内部产生加工应力。这些应力如果没有得到及时的消除,会与型材原有的残余应力叠加,导致型材翘曲变形。例如,在高速切削铝型材时,由于切削热和切削力的作用,型材表面会产生拉应力,当这些拉应力与内部的残余压应力相互作用时,就可能引起型材的变形。
装配不当:在工业铝型材的装配过程中,如果连接方式不合理或者装配精度不够,也会导致型材变形。例如,使用螺栓连接型材时,如果螺栓拧紧力矩不均匀,会使型材受到不均匀的力,从而产生翘曲变形。另外,在装配结构中,如果型材的支撑位置不合理或者支撑刚度不足,也会使型材在自身重量或外部载荷作用下发生变形。