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摘要：针对铝合金滑板车导轨型材制造过程中出现的质量问题，采用平模设计对铝合金挤压过程中出现的形位尺寸、缩尾与粗晶环等重大生产风险点进行了分析，并提出了降低铸锭上机温度、优化挤压模具结构等相应的控制措施，形成了质量控制方案，最终制备出符合用户要求的铝合金滑板车导轨型材产品。
关键词：滑板车导轨型材；挤压；缩尾；粗晶环
中图分类号：TG 376 文献标志码：A
基金项目：广东省省级科技计划项目（2014B090903002）
Quality Control of 6061 Aluminum Alloy Scooter Guide Rail Profile
MAN Shiguo
（Guangdong JM Aluminium Profile Factory（Group） Co.， Ltd.， Foshan 528222， China）
Abstract： Aiming at the quality problems in the manufacturing process of aluminum alloy scooter guide rail profile， the major production risk points such as shape and position size， tail shrinkage and coarse grain ring occurring in the extrusion process of aluminum alloy were analyzed by using flat die design. The corresponding control measures such as reducing the operating temperature of ingot and optimizing the extrusion die structure were put forward， a quality control scheme was formed， and the aluminum alloy scooter guide rail profile products meeting the requirements of users were finally prepared.
Keywords： scooter guide rail profiles； extrusion； tail shrinkage； coarse grain ring
铝是地壳中分布最广、储量最多的金属元素之一，铝工业的整个发展历史不过两百年，由于铝及铝合金具有一系列的优异特性，发展速度非常快，已广泛应用于机械装备、建筑装饰、轨道交通、医疗器械等各大领域，成为发展国民经济与提高物质生活水平的基础材料。铝合金滑板車导轨型材属于工业生产的主要结构件，但生产过程中往往壁厚达到或超过5 mm，易出现缩尾、粗晶环等不良组织。为此，结合生产实际，采用平模设计对铝合金挤压过程中出现的重大生产风险点进行了分析，并提出了相应措施，供相关技术人员参考。
铝合金滑板车导轨型材的生产工艺流程依次为：配料；熔炼；精炼；转注；除气除渣、细化；铸造；均匀化；热挤压；质量检验；交货。
1 试验材料及试验方法
1.1 试验材料
本试验采用半连续铸造法生产的6061铝合金为原材料。6061铝合金直径为320 mm，化学成分见表1。
1.2 试验方法
将优化后的6061铝合金材料在36MN挤压机上采用平模正向挤压生产。由于挤压温度、挤压速度的变化对挤压力的影响比较大，挤压温度越高、挤压速度越快，越有利于再结晶的产生和晶粒的长大。为了获得高性能铝合金滑板车型材，综合考虑挤压机的挤压能力，并经过多次试验得出稳定生产工艺为：模具加热温度480～490 ℃，铸锭加热温度460～490 ℃，挤压速度6～7 m/min。采取不接棒的方式生产，可避免在调直拉伸过程该型材从焊合处断开[1-3]。具体挤压工艺方案见表2。
2 生产风险点控制
6061铝合金滑板车导轨型材是一种特殊的不对称实心结构型材，具有断面大、重量大的特点。滑板车导轨既要有良好的强度，还要有精准的尺寸精度，因此给挤压生产制造带来了较大的难度，批量生产困难。6061铝合金滑板车导轨型材的生产难点不仅在于熔铸过程合金成分铸锭组织的管控，也在于挤压过程中断面形位尺寸头尾偏差大、初始阶段与稳定阶段的工艺波动，及试模过程中的质量把控。不同程度的缩尾问题也影响着型材的质量稳定，加之重量大对生产设备和人员现场操作要求较高，更是容易碰擦划表面，往往导致成品率较低。如何提升产品一次合格率，保持型材内部组织稳定，对所有生产风险点的管控至关重要。
2.1 形位尺寸
图1为铝合金滑板车导轨型材断面结构图。从图1可以看出，滑板车导轨型材的截面外形长度为132.5 mm，高度为107.1 mm。在挤压生产过程中，特别是初始阶段的前几棒，由于整个型材的前后段受铸锭温度的波动及初始阶段的工艺调整速度的影响，尺寸出现较大的“弹跳”，属正常现象。另外调直过程也要注意型材前、中、后尺寸变化及角度90°允许的偏差问题。
2.2 缩尾 挤压缩尾是由于挤压时金属的流动不均匀，致使挤压制品存在组织性能不均匀的现象，是一种常见的组织缺陷，一般出现在挤压过程的末期，即紊流压出阶段。缩尾中包含着铸锭表面的油污、氧化物等杂质，有时还包有气体，属于一种严重的最终废品，导致制品在使用过程中发生断裂、崩坏等失效现象，具有安全隐患[4-6]。因此控制尾端缩尾长度为1 300～1 500 mm，头端缩尾长度为600～700 mm，并采取以下必要措施：
（1）增大残料，即增加压余长度。压余长度对缩尾的严重程度有着一定影响，适当增加压余长度，则挤压后期流入模孔的污染金属越少，从而减少缩尾长度。实践表明，一般压余长度为铸锭直径的10%～30%。
（2）增加头尾锯切长度。机台生产时，应选择在焊缝附近进行锯切，通过增加锯切长度，从而降低不良品率。
（3）铸锭表面质量。铸锭表面质量对缩尾的分布长度有一定的影响，采用削皮机对铸锭进行车皮，一般单边2～3 mm，保持干净光滑的表面，确保挤压成品的质量。
（4）定期清理料胆。由于挤压过程中，料胆内部的残余杂物可充分流入制品内部，加大缩尾长度。为了防止挤压后期残留金属流入型材制品造成缩尾，定期清理料胆也是有必要的。
（5）减缓挤压尾段速度。型材的合金种类、几何形状及尺寸等因素影响着挤压速度。挤压速度偏大时，使得金属的不均匀性加剧，增加缩尾长度，制品表面还可能产生裂纹等缺陷。尤其是挤压终了阶段，适当放慢机速可以达到减少缩尾的目的。
2.3 粗晶环
粗晶环是在对制品进行挤压过程中在制品的周边形成的环状、粗大晶粒区域，也是一种组织缺陷。粗晶环中的晶粒尺寸可超过原始晶粒尺寸的10～100倍。粗晶环会引起制品力学性能的降低，使其抗疲劳性能比中心区的低，且淬火后以及用带有这种缺陷的坯料锻造时，常在粗晶区产生裂纹[7-9]。具有这种缺陷的铝型材在拉伸矫直时，表面会显得粗糙，且不美观。
6061铝合金滑板车导轨型材加工過程的变形不均匀，在制品拉应力区域易形成粗晶。冷却的不均匀也会导致该缺陷的发生，一般情况是型材周围一圈均是较粗大晶粒组织，具体如图2所示，在固溶处理过程中，保证淬火设备系统冷却能力达到工艺要求，避免型材出现较大的表面回温现象。为此本研究采用了以下几种行之有效的控制方案。
2.3.1 降低铸锭上机温度
适当降低铸锭温度，使合金材料在变形过程中的型材表面与心部温度差降低，减轻型材回复再结晶过程的异常长大程度，并在一定程度保证型材的表面质量，同时注意生产现场操作环节连贯稳定，保证制品质量统一，使得晶粒不易长大，可以减少粗晶环区尺寸。
2.3.2 优化挤压模具结构
合理的挤压模具设计也至关重要。在挤压生产过程中，初始模具设计制作为简单平模，生产过程中尺寸波动较大，随着生产过程的进行，挤压工艺逐步趋于稳定，型材尺寸渐渐回归正常范围。为了避免粗晶形成，在 320 mm铸锭规格及生产设备不变的情况下，通过优化模具结构，使得出料过程材料供给方面得到加强和均衡，同时增设阻流块[10]，使材料流出均匀稳定，也是一个有效减轻粗晶的办法。
2.4 成品锯切
由于该 6061 铝合金滑板车导轨型材用于比较精密的场合，用户对产品长度及断面形态有着严格的交付标准。为了保证型材定尺准确，断面光洁，需要稳定铝材及锯口走向，要想保护锯片不受损伤，就必须具备一种稳定锯切状态。即锯机设备刚性优良，还要有硬质合金圆锯片，且具备良好的锯切精度，精密控制在±0.03 mm，两者结合起来才能达到满意的锯切效果。另外，每锯切完一条应在型材两端分别标识“头”、“尾”字眼，便于后期产品安装、使用要求。
3 结 论
采用6061T4铝合金和选择设计合理的生产工艺，通过质量控制计划书可制备出符合用户要求的铝合金滑板车导轨型材产品，经进一步加工应用于滑板车可以达到的零部件使用要求。
参考文献：
[ 1 ]王祝堂， 田荣璋. 铝合金及其加工手册[M]. 2版. 长沙：中南大学出版社， 2000.
[ 2 ]叶朋飞， 吕庆玉， 郭文利， 等. 6061铝合金大规格挤压棒材生产工艺的研究[J]. 轻合金加工技术， 2009， 37（1）： 37–39.
[ 3 ]韩海波. 铝型材精密挤压工艺控制和模具设计分析[J].精密成形工程， 2016， 8（2）： 76–81.
[ 4 ]曾伟， 刘丽英， 张晓霞. 铝合金挤压棒材缩尾的成因与控制[C]//第五届铝型材技术（国际）论坛论文集. 广州： 中国有色金属学会， 2013： 770–774.
[ 5 ]杨志勇， 何金， 石娇， 等. 6082铝合金型材缩尾、成层缺陷的分析与解决[J]. 热处理技术与装备， 2019， 40（5）： 37–40.
[ 6 ]张涵源， 程仁寨. 缩尾缺陷对铝合金组织和性能的影响[J]. 铝加工， 2018（5）： 43–46.
[ 7 ]高爽， 刘建生， 王睿， 等. 6061铝合金挤压棒材粗晶问题研究[J]. 有色金属加工， 2019， 48（3）： 49–52.
[ 8 ]李浩， 裘桢， 王燕. 6061棒材晶粒度大、粗晶环严重工艺研究[J]. 铝加工， 2013（3）： 20–22.
[ 9 ]曹振华， 孙巍， 荣伟， 等. 6082铝合金挤压棒材粗晶环问题研究[J]. 热处理技术与装备， 2014， 35（5）： 37–39.
[10]辛秀广， 撒兴瑞， 王晓眉. 多孔平模挤压制备小直径钴丝工艺研究[J]. 产业与科技论坛， 2018， 17（23）： 59–60.
关键词：滑板车导轨型材；挤压；缩尾；粗晶环
中图分类号：TG 376 文献标志码：A
基金项目：广东省省级科技计划项目（2014B090903002）
Quality Control of 6061 Aluminum Alloy Scooter Guide Rail Profile
MAN Shiguo
（Guangdong JM Aluminium Profile Factory（Group） Co.， Ltd.， Foshan 528222， China）
Abstract： Aiming at the quality problems in the manufacturing process of aluminum alloy scooter guide rail profile， the major production risk points such as shape and position size， tail shrinkage and coarse grain ring occurring in the extrusion process of aluminum alloy were analyzed by using flat die design. The corresponding control measures such as reducing the operating temperature of ingot and optimizing the extrusion die structure were put forward， a quality control scheme was formed， and the aluminum alloy scooter guide rail profile products meeting the requirements of users were finally prepared.
Keywords： scooter guide rail profiles； extrusion； tail shrinkage； coarse grain ring
铝是地壳中分布最广、储量最多的金属元素之一，铝工业的整个发展历史不过两百年，由于铝及铝合金具有一系列的优异特性，发展速度非常快，已广泛应用于机械装备、建筑装饰、轨道交通、医疗器械等各大领域，成为发展国民经济与提高物质生活水平的基础材料。铝合金滑板車导轨型材属于工业生产的主要结构件，但生产过程中往往壁厚达到或超过5 mm，易出现缩尾、粗晶环等不良组织。为此，结合生产实际，采用平模设计对铝合金挤压过程中出现的重大生产风险点进行了分析，并提出了相应措施，供相关技术人员参考。
铝合金滑板车导轨型材的生产工艺流程依次为：配料；熔炼；精炼；转注；除气除渣、细化；铸造；均匀化；热挤压；质量检验；交货。
1 试验材料及试验方法
1.1 试验材料
本试验采用半连续铸造法生产的6061铝合金为原材料。6061铝合金直径为320 mm，化学成分见表1。
1.2 试验方法
将优化后的6061铝合金材料在36MN挤压机上采用平模正向挤压生产。由于挤压温度、挤压速度的变化对挤压力的影响比较大，挤压温度越高、挤压速度越快，越有利于再结晶的产生和晶粒的长大。为了获得高性能铝合金滑板车型材，综合考虑挤压机的挤压能力，并经过多次试验得出稳定生产工艺为：模具加热温度480～490 ℃，铸锭加热温度460～490 ℃，挤压速度6～7 m/min。采取不接棒的方式生产，可避免在调直拉伸过程该型材从焊合处断开[1-3]。具体挤压工艺方案见表2。
2 生产风险点控制
6061铝合金滑板车导轨型材是一种特殊的不对称实心结构型材，具有断面大、重量大的特点。滑板车导轨既要有良好的强度，还要有精准的尺寸精度，因此给挤压生产制造带来了较大的难度，批量生产困难。6061铝合金滑板车导轨型材的生产难点不仅在于熔铸过程合金成分铸锭组织的管控，也在于挤压过程中断面形位尺寸头尾偏差大、初始阶段与稳定阶段的工艺波动，及试模过程中的质量把控。不同程度的缩尾问题也影响着型材的质量稳定，加之重量大对生产设备和人员现场操作要求较高，更是容易碰擦划表面，往往导致成品率较低。如何提升产品一次合格率，保持型材内部组织稳定，对所有生产风险点的管控至关重要。
2.1 形位尺寸
图1为铝合金滑板车导轨型材断面结构图。从图1可以看出，滑板车导轨型材的截面外形长度为132.5 mm，高度为107.1 mm。在挤压生产过程中，特别是初始阶段的前几棒，由于整个型材的前后段受铸锭温度的波动及初始阶段的工艺调整速度的影响，尺寸出现较大的“弹跳”，属正常现象。另外调直过程也要注意型材前、中、后尺寸变化及角度90°允许的偏差问题。
2.2 缩尾 挤压缩尾是由于挤压时金属的流动不均匀，致使挤压制品存在组织性能不均匀的现象，是一种常见的组织缺陷，一般出现在挤压过程的末期，即紊流压出阶段。缩尾中包含着铸锭表面的油污、氧化物等杂质，有时还包有气体，属于一种严重的最终废品，导致制品在使用过程中发生断裂、崩坏等失效现象，具有安全隐患[4-6]。因此控制尾端缩尾长度为1 300～1 500 mm，头端缩尾长度为600～700 mm，并采取以下必要措施：
（1）增大残料，即增加压余长度。压余长度对缩尾的严重程度有着一定影响，适当增加压余长度，则挤压后期流入模孔的污染金属越少，从而减少缩尾长度。实践表明，一般压余长度为铸锭直径的10%～30%。
（2）增加头尾锯切长度。机台生产时，应选择在焊缝附近进行锯切，通过增加锯切长度，从而降低不良品率。
（3）铸锭表面质量。铸锭表面质量对缩尾的分布长度有一定的影响，采用削皮机对铸锭进行车皮，一般单边2～3 mm，保持干净光滑的表面，确保挤压成品的质量。
（4）定期清理料胆。由于挤压过程中，料胆内部的残余杂物可充分流入制品内部，加大缩尾长度。为了防止挤压后期残留金属流入型材制品造成缩尾，定期清理料胆也是有必要的。
（5）减缓挤压尾段速度。型材的合金种类、几何形状及尺寸等因素影响着挤压速度。挤压速度偏大时，使得金属的不均匀性加剧，增加缩尾长度，制品表面还可能产生裂纹等缺陷。尤其是挤压终了阶段，适当放慢机速可以达到减少缩尾的目的。
2.3 粗晶环
粗晶环是在对制品进行挤压过程中在制品的周边形成的环状、粗大晶粒区域，也是一种组织缺陷。粗晶环中的晶粒尺寸可超过原始晶粒尺寸的10～100倍。粗晶环会引起制品力学性能的降低，使其抗疲劳性能比中心区的低，且淬火后以及用带有这种缺陷的坯料锻造时，常在粗晶区产生裂纹[7-9]。具有这种缺陷的铝型材在拉伸矫直时，表面会显得粗糙，且不美观。
6061铝合金滑板车导轨型材加工過程的变形不均匀，在制品拉应力区域易形成粗晶。冷却的不均匀也会导致该缺陷的发生，一般情况是型材周围一圈均是较粗大晶粒组织，具体如图2所示，在固溶处理过程中，保证淬火设备系统冷却能力达到工艺要求，避免型材出现较大的表面回温现象。为此本研究采用了以下几种行之有效的控制方案。
2.3.1 降低铸锭上机温度
适当降低铸锭温度，使合金材料在变形过程中的型材表面与心部温度差降低，减轻型材回复再结晶过程的异常长大程度，并在一定程度保证型材的表面质量，同时注意生产现场操作环节连贯稳定，保证制品质量统一，使得晶粒不易长大，可以减少粗晶环区尺寸。
2.3.2 优化挤压模具结构
合理的挤压模具设计也至关重要。在挤压生产过程中，初始模具设计制作为简单平模，生产过程中尺寸波动较大，随着生产过程的进行，挤压工艺逐步趋于稳定，型材尺寸渐渐回归正常范围。为了避免粗晶形成，在 320 mm铸锭规格及生产设备不变的情况下，通过优化模具结构，使得出料过程材料供给方面得到加强和均衡，同时增设阻流块[10]，使材料流出均匀稳定，也是一个有效减轻粗晶的办法。
2.4 成品锯切
由于该 6061 铝合金滑板车导轨型材用于比较精密的场合，用户对产品长度及断面形态有着严格的交付标准。为了保证型材定尺准确，断面光洁，需要稳定铝材及锯口走向，要想保护锯片不受损伤，就必须具备一种稳定锯切状态。即锯机设备刚性优良，还要有硬质合金圆锯片，且具备良好的锯切精度，精密控制在±0.03 mm，两者结合起来才能达到满意的锯切效果。另外，每锯切完一条应在型材两端分别标识“头”、“尾”字眼，便于后期产品安装、使用要求。
3 结 论
采用6061T4铝合金和选择设计合理的生产工艺，通过质量控制计划书可制备出符合用户要求的铝合金滑板车导轨型材产品，经进一步加工应用于滑板车可以达到的零部件使用要求。
参考文献：
[ 1 ]王祝堂， 田荣璋. 铝合金及其加工手册[M]. 2版. 长沙：中南大学出版社， 2000.
[ 2 ]叶朋飞， 吕庆玉， 郭文利， 等. 6061铝合金大规格挤压棒材生产工艺的研究[J]. 轻合金加工技术， 2009， 37（1）： 37–39.
[ 3 ]韩海波. 铝型材精密挤压工艺控制和模具设计分析[J].精密成形工程， 2016， 8（2）： 76–81.
[ 4 ]曾伟， 刘丽英， 张晓霞. 铝合金挤压棒材缩尾的成因与控制[C]//第五届铝型材技术（国际）论坛论文集. 广州： 中国有色金属学会， 2013： 770–774.
[ 5 ]杨志勇， 何金， 石娇， 等. 6082铝合金型材缩尾、成层缺陷的分析与解决[J]. 热处理技术与装备， 2019， 40（5）： 37–40.
[ 6 ]张涵源， 程仁寨. 缩尾缺陷对铝合金组织和性能的影响[J]. 铝加工， 2018（5）： 43–46.
[ 7 ]高爽， 刘建生， 王睿， 等. 6061铝合金挤压棒材粗晶问题研究[J]. 有色金属加工， 2019， 48（3）： 49–52.
[ 8 ]李浩， 裘桢， 王燕. 6061棒材晶粒度大、粗晶环严重工艺研究[J]. 铝加工， 2013（3）： 20–22.
[ 9 ]曹振华， 孙巍， 荣伟， 等. 6082铝合金挤压棒材粗晶环问题研究[J]. 热处理技术与装备， 2014， 35（5）： 37–39.
[10]辛秀广， 撒兴瑞， 王晓眉. 多孔平模挤压制备小直径钴丝工艺研究[J]. 产业与科技论坛， 2018， 17（23）： 59–60.