劉再德

深圳華加日鋁業(yè)有限公司，廣東 深圳 518052

在線氮氣冷卻技術(shù)的等溫擠壓工藝與系統(tǒng)研究

劉再德

深圳華加日鋁業(yè)有限公司，廣東 深圳 518052

介紹了鋁合金型材擠壓過程中氮氣冷卻系統(tǒng)的工作原理．采用氮氣冷卻后，擠壓速度由23 m/min提高到35 m/min，型材的溫度仍然保持恒定，并降低了型材表面的粗糙度．經(jīng)氮氣冷卻處理后，型材組織的晶粒度和試件的硬度分布更加均勻．在鋁合金型材擠壓過程中采用在線氮氣冷卻技術(shù)，有助于改善提高擠壓速度對型材質(zhì)量造成的不良影響．

鋁型材；等溫擠壓；冷卻

目前，隨著鋁型材在工業(yè)領(lǐng)域的應用越來越廣，對鋁型材形狀、尺寸精度及表面質(zhì)量的要求越來越高，市場競爭也越來越激烈，各生產(chǎn)企業(yè)為了達到產(chǎn)品要求，降低成本，提高生產(chǎn)效率，對擠壓生產(chǎn)線進行改進．在擠壓生產(chǎn)線的改造過程中，除設法減少擠壓機輔助時間外，還采用提速擠壓法，簡稱IES（Increase Extrusion Speed）．在國內(nèi)，提高擠壓速度的傳統(tǒng)方法是采用低溫擠壓技術(shù)．在國外，先進的擠壓生產(chǎn)線往往是采用模具或擠壓筒冷卻，以分散和抵消金屬變形和擠壓過程摩擦所產(chǎn)生的部分熱量，防止模具溫度隨著擠壓速度的提高而升高，保證型材尺寸和形狀的穩(wěn)定，并防止表面出現(xiàn)質(zhì)量缺陷．

本文結(jié)合實際情況，利用液氮冷卻模具的方法實施在線氮氣冷卻以實現(xiàn)等溫擠壓，并從實驗數(shù)據(jù)中分析評估高速等溫擠壓的可行性和經(jīng)濟價值．

1 氮氣冷卻等溫擠壓系統(tǒng)原理

1.1 鋁型材等溫擠壓的分析

目前，鋁型材等溫擠壓的方式主要有三種:一是鑄錠的熱量梯度調(diào)節(jié)形式，即對鑄錠進行梯度加熱或梯度冷卻，通過對鑄錠熱量的梯度調(diào)節(jié)實現(xiàn)型材的等溫擠壓；二是設置溫度和速度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過獲取型材的出口溫度信息，調(diào)節(jié)控制擠壓速度來實現(xiàn)等溫擠壓；三是采用耦合仿真技術(shù)，對擠壓過程的速度和溫度參數(shù)進行熱—力耦合仿真，通過耦合仿真的溫度—速度曲線圖，對擠壓速度進行控制來達到等溫擠壓[1]．

在型材的實際擠壓過程中，不提高擠壓速度很難提高生產(chǎn)效率．而提高擠壓速度，型材的出口溫度隨之上升．擠壓出口溫度是一關(guān)鍵參數(shù)，不僅影響型材的機械性能，而且影響型材的表面質(zhì)量和尺寸精度．當擠壓出口溫度太高時，型材就會出現(xiàn)各種外觀質(zhì)量問題及尺寸精度問題，特別是粗晶現(xiàn)象不可避免[2]．在型材擠壓的過程中引入氮氣冷卻技術(shù)，可將因提速而產(chǎn)生的多余熱量進行分流，確保鑄錠在等溫狀態(tài)下擠壓，控制型材的出?？跍囟龋ＷC型材質(zhì)量的穩(wěn)定[3]．

等溫擠壓是指型材在恒定的溫度（溫差±10℃）下對加熱鑄錠進行擠壓成形．等溫擠壓可使擠壓穩(wěn)定，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)率．在擠壓速度提高的情況下，擠壓筒中的鑄錠的溫度趨向逐步上升的趨勢，靠近模具口的鑄錠溫度接近或高于擠壓筒的溫度．氮氣冷卻是為確保在擠壓速度提高的情況下，能使模具進行有效冷卻，消除因提速所增加的多余熱量，使擠壓在等溫的環(huán)境中進行．

鋁錠在擠壓過程中的變形功所產(chǎn)生的溫度升高值ΔT1:

式（1）中ρ是鋁的密度，Cp是鋁在常壓下的比熱，K∫坯料和模具間的接觸法向應力，φ是摩擦系數(shù)．

擠壓過程中鋁錠與擠壓筒表面因摩擦所產(chǎn)生的溫度升高值ΔT2:

式（2）中νa是擠壓型材的出口速度，a為熱擴散率，R為擠壓比，L0為鋁錠長度．

?？着c型材表面之間的摩擦所產(chǎn)生的溫度升高值ΔT3:

式（3）中s為模具工作帶的長度．

擠壓型材出口溫度T可在鋁錠進入擠壓筒的溫度Ta的基礎上計算出來．

從（1）～（4）式可以看出，在型材擠壓的過程中，主要考慮了溫度的變化．使用氮氣冷卻技術(shù)，利用擠壓部件溫度感應器和計算機智能化控制，可控制擠壓筒、鋁錠、模具之間的熱量交換，有效地保證擠壓成型在恒溫的狀態(tài)下進行[4-6]．

1.2 氮氣與熱量的線性多變量回歸設計

為了實現(xiàn)等溫擠壓，充分掌握擠壓過程中的溫度和相關(guān)信息，可建立等溫擠壓的數(shù)學模型．為保證型材在加速擠壓的過程中保持溫度恒定，冷卻系統(tǒng)需要不斷地調(diào)節(jié)氮氣的投放量．氮氣的投放量與型材提速所產(chǎn)生的多余熱量的關(guān)系性，可利用模型的線性多變量回歸算法來實現(xiàn)．

線性回歸是計算機算法中一種最簡單的回歸方法[7-8]．算法中利用了一個因提速產(chǎn)生多余熱量的自變量X來為氮氣投放量的因變量Y建模．具體回歸模型為式（5）．

式（5）中Y的變化速率假設是常數(shù)；α和β為回歸系數(shù)，分別表示Y的截距和直線的斜率．利用最小二乘法可以獲得這兩個回歸系數(shù)，同時也使得實際數(shù)據(jù)與直線模型預測結(jié)果之間的差距最?。o定s個樣本（點），其形式為:（x1,y1）,（x2,y2）…，（xi，yi），利用公式（6）就可以計算出相應的回歸系數(shù)．

1.3 氮氣冷卻系統(tǒng)

1.3.1 氮氣冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

氮氣冷卻系統(tǒng)分為四部分:系統(tǒng)中樞、感應系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和氮氣冷卻系統(tǒng)．（1）系統(tǒng)中樞(計算機系統(tǒng)的軟件和硬件):系統(tǒng)中的軟件是采用線性多變量回歸算法計算型材擠壓速度所產(chǎn)生熱量的增加量與氮氣釋放量的回歸關(guān)系，并把信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，對氮氣流量和壓力進行控制．客戶端界面提供人機信息對話和監(jiān)控．（2）感應系統(tǒng):檢測和收集錠坯、擠壓筒、擠壓軸、模具和出口處等構(gòu)件的溫度．將收集到的熱量信息輸送給電腦系統(tǒng)，系統(tǒng)依據(jù)實時的熱量和速度通過線性回歸算法計算出型材等溫的冷卻劑的用量．（3）控制系統(tǒng):該系統(tǒng)是系統(tǒng)中樞連接冷卻劑供應系統(tǒng)的橋梁，主要由一系列的控制器組成．控制器接收到中樞系統(tǒng)發(fā)來的信息，對冷卻系統(tǒng)進行流量和氣壓的調(diào)節(jié)．（4）氮氣冷卻系統(tǒng):氮氣冷卻的原理是在擠壓過程中將氮氣引進擠壓模出口處放出，對擠壓模和變形區(qū)金屬進行冷卻，使被冷卻的制品急速收縮，同時模子出口處被氮的氣氛所控制，減少鋁被氧化帶來的不良影響．為了達到更好的冷卻效果，本系統(tǒng)采用氮模墊冷卻和前梁口冷卻，其冷卻結(jié)構(gòu)如圖1所示．模墊冷卻是采用圖2所示的矩形冷卻結(jié)構(gòu)．出模口冷卻是采用環(huán)形冷卻，環(huán)形結(jié)構(gòu)的冷卻面廣，冷卻效果較好，其結(jié)構(gòu)如圖3所示．圖3所示的多層次冷卻系統(tǒng)可確保模具溫度的均衡和穩(wěn)定．

1.3.2 系統(tǒng)的工作流程

圖4為氮氣冷卻的工作流程:（1）設定特定產(chǎn)品的恒溫擠壓參數(shù)t．（2）型材擠壓提速．（3）收集各部件的溫差變化．（4）型材出口溫度檢測．（5）型材出模口溫度信息反饋．（6）出?？跍囟扰c設定溫度比較．（7）如果出口溫度T大于t，則啟動冷卻裝置，否則冷卻裝置處于關(guān)閉狀態(tài)．（8）多變量回歸算法求得氮氣釋放量．（9）氮氣調(diào)節(jié)閥開啟（電控）．（10）模具及部件冷卻．

圖1 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The cooling system structure

圖2 模墊氮氣冷卻平面圖Fig.2 The Ν2-cooling mold-pad plan structure

圖3 前梁口環(huán)狀氮氣冷卻結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The ring Ν2-cooling structure in the front beam

計算機系統(tǒng)提供了個性化的人機對話界面，實時地跟蹤出模口的溫度變化，同時也可以按照不同的合金適當?shù)卣{(diào)整出?？跍囟鹊脑O定值，按照速度的變化模式向控制系統(tǒng)發(fā)出溫度等速或者溫度變速的模式．

圖4 冷卻系統(tǒng)的工作流程圖Fig.4 The flow chart of achievement of the cooling system

2 實驗效果與分析

2.1 型材的金相組織

采用氮氣冷卻對鋁型材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的晶粒度有較大影響．圖5為有氮冷卻和無氮冷卻的型材的金相組織．從圖5可以看出，經(jīng)氮氣冷卻處理后，型材組織的晶粒度大于無氮處理的，并且經(jīng)氮氣處理后的晶粒度比較均勻．

晶粒度計算:S≈5.76mm2，N1≈28 個，N2≈20 個（N1為有氮冷卻的晶粒個數(shù)，N2為無氮冷卻的晶粒個數(shù)）．有氮冷卻的組織晶粒度:N1/S≈4.86個/mm2，無氮冷卻的組織晶粒度:N2/S≈3.47個/mm2．

2.2 硬度的均勻性分析

在生產(chǎn)中出現(xiàn)鋁型材硬度不均勻是常見的現(xiàn)象，同一批產(chǎn)品往往出現(xiàn)多個不同的硬度．而通過氮氣冷卻處理，可大大提高鋁型材硬度的均勻性．圖6為經(jīng)過氮氣處理和未經(jīng)氮氣處理的型材的硬度．由圖6可以看出，經(jīng)氮氣冷卻后，試件的硬度略高于無氮冷卻的，并且硬度分布更加均勻．

圖5 晶粒大小對比圖（a）有氮冷卻；（b）無氮冷卻Fig.5 The grain size comparison chart

圖6 硬度分布圖Fig.6 The hardness distribution

2.3 速度與溫度變化的分析

按照通常的參數(shù)設定方式，鑄錠的溫度保持在430℃左右（擠壓速度不低于16 mm/s）．6063合金型材的溫度不得超過500℃，6005合金的最高溫度為512℃，6061合金的出模口溫度不高于525℃．在實驗中觀察溫度隨擠壓速度提高的變化情況，以及型材表面質(zhì)量的變化．圖7為6063合金型材在氮氣冷卻和無氮氣冷卻的情況下，擠壓速度對出?？跍囟鹊挠绊懀?/p>

由圖7可知，當擠壓速度由23 m/min提高到35 m/min時，采用氮氣冷卻后，6063合金型材的溫度不超500℃（在所設定的范圍內(nèi)），而無氮氣冷卻的型材，其溫度超過500℃．

圖7 6063合金型材擠壓速度與溫度變化圖Fig.7 The chart of the 6063 aluminum alloy mold extrusion speed and the exit temperature

圖8為擠壓速度提升后6063合金型材表面粗糙度的對比圖．圖8顯示有氮冷卻的型材表面明顯比無氮冷卻的型材表面光滑，且型材表面和尺寸等均合格．使用氮氣冷卻后將減少附著在空刀上的鋁渣，有助于降低表面的粗糙度．前梁口的氮氣有助于降低殘留氧氣的濃度，使用環(huán)狀結(jié)構(gòu)可將氧氣濃度降低到6%以下，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率．

3 結(jié)論

在鋁型材擠壓的過程中引入在線氮氣冷卻技術(shù)后，擠壓速度由23 m/min提高到35 m/min，型材的溫度仍然保持恒定，并降低了型材表面的粗糙度．經(jīng)氮氣冷卻處理后，型材組織的晶粒度和試件的硬度分布更加均勻．采用在線氮氣冷卻技術(shù)，有助于改善因提高擠壓速度而對型材質(zhì)量造成的不良影響，同時提高了生產(chǎn)效率．

圖8 6063合金型材表面粗糙度的對比圖（a）無氮冷卻；（b）有氮冷卻Fig.8 The comparison chart of the 6063 aluminum alloy mold roughness

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The research on isothtermal extrusion process using liquid N2to cool in real-time

LIU Zaide
Shenzhen Nonfemet International(China-Canada-Japan)Aluminum Co.，Ltd，Shenzhen518052，China

This article explains the principal of the N2-cooling technology during the aluminum extrusion processing.When using liquid N2to cool,the speed of extrusion increased from 23m/min to 35m/min,while the die temperature remained constant with the roughness of the extrusion profile being improved.The grain size in the structure of extruded section was well-distributed and the hardness of the extrusion profile was uniform．The method of isothtermal extrusion process using liquid N2to cool in real-time contribute to improve the extrusion profile quality with high-speed extrusion.

aluminum；isothermal extrusion；cooling

TG312

A

1673-9981(2012)02-0125-05

2012-02-15

劉再德（1956-），男，湖南長沙人，高級工程師，本科.