梁奕清

（廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528137）

鋁型材具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好以及可回收再利用等諸多優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，基于社會(huì)的快速發(fā)展，建筑、交通運(yùn)輸、航空航天、電子通訊等領(lǐng)域中對(duì)其需求量持續(xù)增加。根據(jù)鋁型材生產(chǎn)情況來(lái)看，擠壓成形技術(shù)已經(jīng)成為進(jìn)一步提高鋁型材擠壓生產(chǎn)質(zhì)量、延長(zhǎng)模具使用壽命的一大核心問(wèn)題。本文從模具冷卻的角度展開(kāi)分析，通過(guò)應(yīng)用模具液氮冷卻技術(shù)有效解決模具溫升問(wèn)題，改善鋁型材表面質(zhì)量，全面提高鋁型材擠壓生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益。

1 模具液氮冷卻技術(shù)的提出

我國(guó)是鋁加工、消費(fèi)大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年鋁加工材綜合產(chǎn)量4210萬(wàn)噸，比上年增長(zhǎng)5.0%，其中剔除鋁箔毛料之后的鋁加工材產(chǎn)量為3738萬(wàn)噸，比上年增長(zhǎng)5.1%。從鋁加工材品種來(lái)看（表1），鋁擠壓材占比最高，其次為鋁板帶材、鋁線(xiàn)材、鋁箔材等。

隨著鋁合金型材需求量的不斷增加，對(duì)擠壓生產(chǎn)技術(shù)提出了更高的要求，如何保障產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、延長(zhǎng)模具使用壽命成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。分析鋁型材擠壓生產(chǎn)過(guò)程可知，金屬變形與摩擦將導(dǎo)致鋁合金擠壓溫度持續(xù)增加，且隨著擠壓速度的增大，模具溫度不斷升高。然而，此種溫升情況也給鋁合金型材的擠壓生產(chǎn)帶來(lái)諸多不利影響，如：出料口高溫型材在空氣中出現(xiàn)氧化情況，導(dǎo)致型材表面光潔度受到影響。

針對(duì)此種溫升問(wèn)題，提出模具液氮冷卻技術(shù)，其主要是通過(guò)帶走多余熱量，為擠壓速度的增加提供溫升空間，有效提高擠壓生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

2 液氮冷卻模具的基本原理

2.1 擠壓溫升原理

根據(jù)鋁型材擠壓生產(chǎn)過(guò)程來(lái)看，當(dāng)鑄棒經(jīng)由模具擠壓成型材時(shí)，由于如下因素導(dǎo)致“額外加熱”情況的出現(xiàn)：①鑄棒塑性變形熱集中在模具附近；②擠壓時(shí)型材表面與模具表面存在金屬摩擦發(fā)熱。此兩種熱源均位于模具附近，導(dǎo)致擠出型材出口溫度超過(guò)鑄錠加熱溫度，且模具的溫度始終處于升高狀態(tài)；當(dāng)擠壓速度過(guò)快時(shí)，型材極易出現(xiàn)表面缺陷，模具溫度過(guò)高，導(dǎo)致模具使用壽命縮短[1]。由此擠壓生產(chǎn)情況來(lái)看，控制額外加熱，對(duì)模具進(jìn)行有效冷卻十分關(guān)鍵。

2.2 液氮冷卻模具原理

液氮冷卻模具，指的是在模具中設(shè)置液氮冷卻通道，減小模具擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)多熱量，防止鋁型材出現(xiàn)擠壓缺陷。目前，液氮冷卻模具技術(shù)主要分為三種：

（1）工作帶冷卻法：此方法將低溫液氮直接通到模具工作帶，然后通入模墊內(nèi)環(huán)形槽，對(duì)出口型材進(jìn)行保護(hù)，以免出現(xiàn)過(guò)度氧化的情況。此種液氮冷卻模具的運(yùn)用效果顯著，可利用溫度自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)控制液氮供給量，有效維持模板溫度，然而此系統(tǒng)復(fù)雜、成本偏高，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較少。

（2）模外冷卻法：此方法在模套上設(shè)置環(huán)形通道，并通入液氮，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)模具徑向表面的冷卻，保證模具溫度不超過(guò)既定溫度。此模具簡(jiǎn)單，但是冷卻效率相對(duì)較低。

（3）模墊冷卻法：此方法主要是在模墊上的通道內(nèi)通入低溫液氮，并由型孔均勻噴出，實(shí)現(xiàn)對(duì)模具工作帶出口部分的冷卻，確保型材被氮?dú)獍?，若干套模具可共用一套模墊。此種液氮冷卻方法較為簡(jiǎn)單，且可有效防止型材表面氧化，目前已經(jīng)成為實(shí)際生產(chǎn)中的常用方法。

3 液氮冷卻模具在鋁型材擠壓生產(chǎn)中的應(yīng)用要點(diǎn)

在鋁型材擠壓生產(chǎn)中，液氮冷卻模具的應(yīng)用必須注重冷卻方式、液氮開(kāi)度控制調(diào)節(jié)方式的選擇以及液氮開(kāi)度控制、擠壓速度控制等，由此實(shí)現(xiàn)鋁型材擠壓生產(chǎn)溫度的有效維持，并提高型材表面光潔度，減少質(zhì)量缺陷。

3.1 冷卻方式選擇

基于上一章節(jié)分析可得，鋁型材擠壓實(shí)際生產(chǎn)中主要采用模墊冷卻方法，技術(shù)可行且溫度控制效果良好。在實(shí)際生產(chǎn)中，必須科學(xué)布設(shè)液氮冷卻通道，如下圖1所示的三種液氮通道設(shè)計(jì)圖。

圖1 三種液氮通道設(shè)計(jì)圖

在此三種液氮通道中，以第三種為最優(yōu)，液氮由最外層通入內(nèi)層，整體流動(dòng)更為均勻，然后再由型孔噴向型材表面、模具端面，有效避免出現(xiàn)局部過(guò)冷的問(wèn)題，防止因局部溫差過(guò)大導(dǎo)致變形扭曲。

3.2 控制調(diào)節(jié)方式選擇

液氮冷卻模具應(yīng)用在鋁型材擠壓生產(chǎn)中時(shí)，液氮開(kāi)度控制調(diào)節(jié)方式分為手動(dòng)與自動(dòng)兩種，前者是由人工進(jìn)行操作，根據(jù)測(cè)溫儀（計(jì)）顯示的出口處型材溫度情況，人為確定擠壓工作中控制閥單元開(kāi)度與擠壓時(shí)間對(duì)應(yīng)的過(guò)程參數(shù)，此方法是開(kāi)環(huán)控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控，對(duì)操作人員經(jīng)驗(yàn)與操作能力要求較高；后者則是閉環(huán)控制，由紅外測(cè)溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)控模具出口型材溫度，并及時(shí)反饋至控制裝置，由控制裝置自動(dòng)分析溫度情況并輸出PID控制信號(hào)至控制閥單元，驅(qū)動(dòng)閥單元?jiǎng)幼髟龃?減小液氮開(kāi)度，達(dá)到溫度控制的目的[2]。

在上述兩種方式中，鋁型材擠壓生產(chǎn)中往往以自動(dòng)控制為主，實(shí)現(xiàn)擠壓生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)監(jiān)控，同時(shí)輔以人工控制，有效應(yīng)對(duì)各種特殊情況，確保出口處型材溫度始終可控。

3.3 液氮開(kāi)度控制

鋁型材擠壓生產(chǎn)中，液氮開(kāi)度控制情況直接影響液氮冷卻模具的應(yīng)用效果，開(kāi)度大小決定著出口處型材溫度[3]。從理論上來(lái)看，提高液氮開(kāi)度可持續(xù)增強(qiáng)液氮冷卻效果，降低出口處型材溫度。但是從鋁型材實(shí)際擠壓生產(chǎn)情況來(lái)看，出于對(duì)冷卻效果與經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，只需將液氮開(kāi)度維持在一個(gè)合理范圍內(nèi)即可。

以6063鋁合金型材擠壓生產(chǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，通過(guò)液氮冷卻模具的使用可顯著降低出口處型材溫度，由545℃降至511℃。在試驗(yàn)中，液氮開(kāi)度40%時(shí)，與不通液氮時(shí)相比，出口處型材溫度明顯下降；液氮開(kāi)度不斷增加，出口處型材溫度持續(xù)下降，冷卻效果有效提高；液氮開(kāi)度70%后，出口處型材溫度下降不明顯，若是繼續(xù)增加開(kāi)度，生產(chǎn)成本提高，但是冷卻效果卻未得到顯著提高。因此，液氮冷卻模具實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須要做好相關(guān)試驗(yàn)分析，確定鋁型材擠壓生產(chǎn)過(guò)程中液氮開(kāi)度參數(shù)，在合理控制成本的前提下，獲得最佳的生產(chǎn)效果。

3.4 擠壓速度控制

在鋁型材擠壓生產(chǎn)中，擠壓速度不僅關(guān)系鋁型材表面質(zhì)量，也影響著企業(yè)生產(chǎn)效率。通過(guò)液氮冷卻模具的應(yīng)用為擠壓速度的提升提供了可能[4]，根據(jù)6063鋁合金型材擠壓生產(chǎn)試驗(yàn)顯示，與不通液氮時(shí)的擠壓速度（0.2m/s）相比，擠壓速度提升至0.3m/s，兼顧了型材表面質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

在鋁型材實(shí)際擠壓生產(chǎn)過(guò)程中，不同材料、生產(chǎn)條件也會(huì)對(duì)擠壓速度產(chǎn)生影響，具體需考慮以下幾點(diǎn)：①塑性變形情況：塑性越好的鋁合金型材，擠壓速度可設(shè)置得更高，如：6系鋁合金型材；塑性較差的鋁合金型材，擠壓速度需適當(dāng)放慢，如：2系、7系鋁合金型材。②斷面形狀：在其他條件一致的情況下，圓斷面型材可進(jìn)行高速擠壓，復(fù)雜形狀斷面型材盡量采取低速擠壓方法，而對(duì)于薄壁管、非對(duì)稱(chēng)形型材，還需進(jìn)一步降低擠壓速度。③其他因素：正向擠壓型材出模速度應(yīng)低于反向擠壓，通過(guò)潤(rùn)滑劑以及其他減小摩擦措施的使用可有效提高擠壓速度。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)各個(gè)行業(yè)對(duì)鋁型材需求量的不斷增加，對(duì)鋁型材擠壓生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量均提出了更高的要求。從鋁型材擠壓生產(chǎn)過(guò)程來(lái)看，溫升是影響鋁型材擠壓生產(chǎn)的重要因素，通過(guò)液氮冷卻模具的使用可實(shí)現(xiàn)有效冷卻與型材保護(hù)，還可利用模墊冷卻法的技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)性良好的優(yōu)勢(shì)廣泛推廣應(yīng)用。模墊冷卻法的實(shí)際使用中，還需根據(jù)鋁型材擠壓生產(chǎn)過(guò)程合理選擇冷卻方式、液氮開(kāi)度控制調(diào)節(jié)方式，科學(xué)控制液氮開(kāi)度、擠壓速度，在合理控制型材生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，有效提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量，獲得良好的綜合效益。