作者：张毅
越来越多的电子产品都使用铝合金做外壳，大有逐步取代电子产品塑料外壳的趋势。电子产品用铝型材外壳对尺寸和力学性能要求严格，对平面度和直线度要求也极为苛刻。用于制作电子产品外壳的铝型材厚度普遍较厚，后期通过铣削加工而成。挤压成形后的铝型材如果通过风冷或雾冷进行冷却，性能往往无法达到电子产品的标准要求，而水冷具有更佳的效果，但水冷产生的收缩变形较为剧烈，往往会造成型材横向、纵向上的冷却强度差异，造成平面度和直线度不良。本试验以6063-T6铝合金为例，通过调整冷却强度控制型材的形位精度，并对其原理及可行性进行分析。
1 平面度和直线度不良的原因
1.1在线调整的必要性
铝型材出现形位精度不良主要与铝合金在模具中的流速不均有关，因此需要不断进行修模优化，直到产品合格为止。修模是国内外解决挤压型材形位精度不良最根本的方法，然而其缺点是需要中止生产，待模具处理好以后才能再次上机试模。形位精度不良亦可以离线方式进行精整处理。离线精整具有通用性，适用范围广等优点。然而修模和离线精整作为事后补救的一种措施，费时较长，严重影响生产效率，增加成本。冷却方式是影响型材形位精度的主要因素，正确的冷却方式能根据型材的公差要求，针对性地调整冷却强度，达到均匀变形的效果，以提高型材平面度和直线度，避免停机卸模或产生过多需离线精整的产品。
1.2平面度不良的原因
平面度是指基片具有的宏观凹凸高度相对理想平面的偏差。挤压后平面度不良的典型特征如图1所示，上凸下凹（或上凹下凸）呈“大肚”状。产生这一不良现象的原因：一方面可能是铝型材在挤压变形时上、下表面流速不均，上表面流速较下表面的快；另一方面可能是型材出模后的冷却不均，当上表面冷却速度较下表面快时，上表面收缩率大，受整体协调性影响，下表面将向上收缩，由于上、下表面存在温差，热量向上表面传递，下表面温度下降，其后期产生的收缩力不足以抵消上表面前期产生的收缩力，因此出现“大肚”情况。平面轻微“大肚”是生产中比较好的状况，冈为在矫直时，型材外层金属的塑性不如中心部分的好，在拉力作用下，中心处首先产生塑性变形，两边向中心收缩，可达到横向展平的效果。如果平面度太差，矫直时可适当加大拉伸率，但过大的拉伸率可能使表面产生滑移线或者尺寸超出下限。同时拉伸矫直主要是以型材的纵向小变形量为主，作用是纵向矫直，对横向平面度的改善不大。
1.3直线度不良产生的原因
直线度不良是指长条材（型、棒、管材）在长度方向上的弯曲量超出要求。直线度不良主要是热加工或热处理时冷却速度不均，收缩不一致造成的。根据有关资料，对于形状不对称且壁厚不均的空心型材，在普通风冷冷却的条件下，型材会向冷却较慢的部位弯曲，即向壁厚处弯曲，冷却速度差异越大，弯曲程度越高。然而通过对实心且壁厚不均型材挤压时观察发现，在普通风冷条件下，型材的平面度几乎不受影响，但在水冷冷却的情况下，型材将沿挤压方向往薄壁部分弯曲，如图2所示。即便轻微弯曲也难以完全矫直，若严重弯曲甚至无法顺利上冷床，如果强行矫直，过大的拉伸量将产生拉伸缺陷。经分析，产生直浅度不良的主要原因如下：
1)在风冷条件下，由于型材是实心整体，薄壁部分损失的热量能由厚壁部分及时补充，型材温度相对均匀，不产生明显的收缩力差异，此收缩力可被牵引机产生的张力有效抵消，在张力作用下，应力重新均匀分布；
2)在水冷条件下，由于薄壁处冷却强度较大，首先产生收缩力，厚壁部分来不及补充薄壁处的热量损失，因此导致收缩力不平衡，且随着整体温度的下降，厚壁部分产生的收缩力不足以抵消前期薄壁部分产生的收缩力；
3)由于实心材形状是简单的直线型，壁厚连续的递增，收缩力从厚壁处向薄壁处递增，最后形成收缩合力，型材将向薄壁部分弯曲。
2 试验材料与方法
根据以上分析，以型材A（如图3所示）进行平面控制对比试验，上表面保持冷却水量1m3／h不变，下表面冷却水量按1m3／h依次增大至3.5m3/h，如图3所示。将型材B进行弯曲控制对比试验（如图4所示），保持厚壁处冷却水量3 rr13／h不变，薄壁处按3 m3/h依次减小至0.5m3／h。
试验材料为我司熔铸车间提供的φ178 mm铸锭，在21.5 MN卧式挤压机上挤压。在线淬火系统为我公司智能控制系统，如图5所示，该系统可在气、雾，水冷之间进行切换，可精确控制冷却强度和方向，实现大型复杂空心和实心型材不同状态处理，处理后的型材尺寸精度、形位公差和力学性能均能满足技术条件要求。相关挤压工艺参数如表1所示。
3 试验结果及分析
3.1平面度
为便于区分平面度的凹凸状况，我们将平面外凸定义为“+”，平面内凹定义为“一”，其上、下表面测量结果如表2所示。
由表2可知，当上、下表面冷却强度一样时，出现典型“大肚”平面。通过精确冷却时，平面度得到有效控制，基本可满足铝型材的平面要求。其主要原因是当下表面冷却强度不变时，逐渐增大上表面的冷却强度，上、下冷却强度产生差异，差异越大，上、下表面收缩量差异也越大，此时上表面收缩量逐渐加大，而下表面内凹量逐渐减小，最后上、下收缩量达到平衡，平面度得到有效改善。
3.2直线度
为便于区分直线度的弯曲状况，将向薄壁处弯曲定义为“+”，向厚壁处弯曲定义为“一”，其测量结果如表3所示。
由表3可知，精确冷却时，弯曲度大大降低，此时可通过拉伸机矫直。其主要原因是薄壁处冷却强度减小，其产生的收缩力也随之减小，而且随着厚壁处温度的降低，温度趋于均匀，收缩量达到平衡，直线度得到改善。
铝型材在在淬火过程中，由于表层和中心存在温度梯度，产生较大的内部残余应力，并且由于控制冷却变形，铝材上、下表面、左右两边也将产生残余应力，如不及时消除，会在后续加工过程中产生变形，残余应力一般可在拉伸矫直和时效两个工序得到释放。当拉伸率为0. 5%时，残余应力可消除75%~80%。因此在实际生产中，拉伸率都普遍控制在1.0%~1.5%为宜，具体大小根据型材的尺寸和形位精度要求综合考虑，在尺寸偏上限的情况下，拉伸率可适当大一些。人工时效对残余应力有一定的消除作用，可使残余应力下降15%—20%，具体下降值与合金种类和时效条件有关。
4 结论
1)当型材出现典型的“大肚”型平面不良时，可以通过减小外凸面或者增大内凹面的冷却强度，使上、下表面形成冷却强度的差异，最终使上、下表面收缩量达到平衡，平面度得到有效改善；
2)实心型材水冷却条件下，型材有向薄壁处弯曲的趋势，冷却强度越大，弯曲程度越大，通过降低薄壁处或加大厚壁处的冷却强度，使其冷却强度趋于均匀，收缩变形量达到平衡，直线度得到有效改善；
3)拥有一个功能齐全的在线冷却智能系统也是影响在线调整效果的关键，此系统可在风冷、雾冷，水冷之间进行切换，精确调节冷却强度，以达到在线调整的目的。
5摘要：通过分析铝型材挤压过程中金属流动和应力分布的特点，发现金属的受力不均以及未能根据型材挤压成形后的实际形位公差分别调整冷却强度，是造成平面度和直线度不良的主要原因。试验研究表明，当型材出现平面度和直线度不良时，通过局部在线调整冷却强度，可使变形更加均匀，从而提高了型材平面度和直线度，避免了停机卸模或产生过多需离线精整的产品。
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