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 羅銘強(qiáng)1，陳文泗1，劉靜安2，李黨軍3，單海珍3

 （1.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東南海528231；2．西南鋁業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶401326；

 3．河北力爾鋁業(yè)有限公司，河北廣平057650）

摘要：簡(jiǎn)要闡述鋁合金等溫?cái)D壓的特點(diǎn)、技術(shù)效果，介紹鋁合金擠壓過(guò)程的溫度變化及實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓的主要方法與關(guān)鍵技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：鋁合金等溫?cái)D壓；溫度變化；實(shí)測(cè)法；理論預(yù)測(cè)法；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TC379文章編號(hào)：1007 - 7235( 2016) 03  - 0013 - 03

1  鋁合金等溫?cái)D壓的特點(diǎn)與技術(shù)效果

 根據(jù)鋁合金的種類和性能特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)應(yīng)用等溫?cái)D壓技術(shù)的效果，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

 一是對(duì)于可擠壓性優(yōu)良的鋁合金，如1x××系、3x××系、6x××系鋁合金，由于可擠壓速度范圍寬，采用等溫?cái)D壓不但可以確保產(chǎn)品流出�？讜r(shí)溫度基本保持恒定，改善和提高產(chǎn)品組織性能沿長(zhǎng)度方向的均勻性，而且有利于采用更高的速度進(jìn)行擠壓，提高擠壓生產(chǎn)效率。

 二是對(duì)于可擠壓性差的鋁合金，如2x××系、一部分5×××系鋁合金和大部分7×××系鋁合金，由于熱塑性較差、應(yīng)變速度敏感性高、熱裂傾向性較強(qiáng)，只能以很慢的擠壓速度進(jìn)行擠壓，才能確保產(chǎn)品性能沿長(zhǎng)度方向的均勻性，減少裂紋等缺陷的產(chǎn)生，這也是采用等溫?cái)D壓的主要目的。此外，由于該類鋁合金擠壓溫度低，金屬變形抗力大，等溫?cái)D壓有利于減少擠壓負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)大斷面、長(zhǎng)尺寸產(chǎn)品的生產(chǎn)；有利于保持模具在加壓過(guò)程中受力不變，提高產(chǎn)品的形狀與尺寸精度沿長(zhǎng)度方向的均勻性。

 等溫?cái)D壓過(guò)程實(shí)質(zhì)上是熱流在擠壓中保持平衡的過(guò)程。影響擠壓過(guò)程中熱流的主要因素包括合金種類、坯料尺寸和溫度、擠壓筒和擠壓模溫度、擠壓比和擠壓速度等，研究這些因素對(duì)擠壓過(guò)程熱平衡的影響規(guī)律，是實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓的重要基礎(chǔ)。

2擠壓過(guò)程中金屬溫度的變化

 擠壓過(guò)程中金屬塑性變形功和摩擦功（正擠壓時(shí)）的大部分轉(zhuǎn)化為熱，導(dǎo)致坯料的溫度上升。另外，由于工模具的導(dǎo)熱作用，擠壓筒內(nèi)坯料（含變形區(qū)）的溫度有下降的趨勢(shì)。擠壓產(chǎn)品在出模口處的實(shí)際溫度，取決于坯料加熱溫度、擠壓筒加熱溫度、擠壓比、擠壓速度、鋁合金的性質(zhì)、摩擦與潤(rùn)滑條件、擠壓模的預(yù)熱溫度與冷卻條件等因素的綜合作用效果。

 確定擠壓過(guò)程中模孔附近的溫度變化，主要有實(shí)測(cè)法和理論預(yù)測(cè)法。

 1)實(shí)測(cè)法

 實(shí)測(cè)法主要有熱電偶測(cè)溫法與紅外測(cè)溫法兩種。熱電偶測(cè)溫法的優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)量非�？拷��？锥◤綆П砻嫣幍臏囟茸兓�，并可對(duì)同一模孔的不同部位同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精確度較高（誤差在0.5%~1. 5%范圍內(nèi)）；其缺點(diǎn)是響應(yīng)速度比較慢，不適合于測(cè)量高速擠壓時(shí)的溫度變化，用于溫度閉環(huán)控制的實(shí)時(shí)測(cè)溫時(shí)難以獲得理想的控制效果。

 紅外測(cè)溫可以獲得較高的響應(yīng)速度，但存在精確度較低（誤差可以達(dá)到3%~5%，甚至更高），易受環(huán)境（水霧、熱氣、污垢等）的影響，測(cè)量過(guò)程中穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)。此外，由于擠壓設(shè)備與工模具結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，紅外測(cè)溫法所能測(cè)量的位置受到較大的限制，一般只能測(cè)量距�？壮隹谔庉^遠(yuǎn)位置的產(chǎn)品表面溫度。

 2)理論預(yù)測(cè)法

 A．解析式計(jì)算法

 理論預(yù)測(cè)法又有解析式（理論、經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)式）計(jì)算法與數(shù)值分析法兩種。解析式計(jì)算法主要用來(lái)預(yù)測(cè)出�？滋幃a(chǎn)品的溫度（或溫升），式(1)為擠壓過(guò)程中�？赘浇鼫囟壬仙�值的理論模型之一。

 式(1)在實(shí)際使用中存在較大的不便，因?yàn)镼和T0的計(jì)算比較復(fù)雜。實(shí)際計(jì)算時(shí)，Q可以通過(guò)計(jì)算塑性變形區(qū)的變形功，然后假定變形功的85%~90%轉(zhuǎn)化為熱量來(lái)求得；計(jì)算T0的關(guān)鍵是要計(jì)算出坯料與擠壓筒摩擦所導(dǎo)致的溫升。

 B．?dāng)?shù)值分析法

 采用差分法、有限元法進(jìn)行數(shù)值分析，比較容易預(yù)測(cè)變形金屬內(nèi)部的溫度分布，是較為廣泛應(yīng)用的方法。圖1為6005鋁合金空心型材擠壓時(shí)溫度分布的FEM數(shù)值計(jì)算結(jié)果。由圖1可知，由坯料后端沿?cái)D壓方向至分流模人口金屬溫度逐漸升高，形成80℃以上的溫度梯度。擠壓筒內(nèi)坯料后端溫度較低(395℃)，是由于計(jì)算過(guò)程中假定墊片的初始溫度為30℃，墊片對(duì)坯料后端產(chǎn)生了較大冷卻作用所致。這種情況在墊片無(wú)預(yù)熱、擠壓生產(chǎn)循環(huán)數(shù)較少時(shí)是可能存在的。隨著擠壓循環(huán)數(shù)的增加，如不對(duì)墊片施加冷卻，則墊片的溫度逐漸升高，然后穩(wěn)定在200℃~ 300℃。顯然，圖1是采用穩(wěn)定生產(chǎn)、無(wú)冷卻措施條件下的墊片溫度進(jìn)行計(jì)算所得擠壓筒和模具內(nèi)的溫度分布結(jié)果。

  圖1的結(jié)果表明，如在每一個(gè)擠壓操作前均對(duì)墊片進(jìn)行冷卻，則可以簡(jiǎn)單地使擠壓筒內(nèi)的坯料產(chǎn)生較高的溫度梯度，從而有利于抑制擠壓產(chǎn)品的溫度上升。

3  實(shí)現(xiàn)鋁合金等溫?cái)D壓的主要方法與

  關(guān)鍵技術(shù)措施

  實(shí)現(xiàn)鋁合金等溫?cái)D壓的方法有多種，其中主要的方法大致可以分為四類，見(jiàn)表1。

 第一類方法是通過(guò)改變坯料沿長(zhǎng)度方向的溫度分布，補(bǔ)償（抵消）因變形熱導(dǎo)致的溫度上升或因工模具的冷卻作用導(dǎo)致的溫度降低，可稱為坯料梯溫?cái)D壓法。這類方法主要包括坯料梯溫加熱法和坯料梯溫冷卻法，具有方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但存在調(diào)控范圍較小、精度較低等缺點(diǎn)，關(guān)鍵技術(shù)是坯料在線控溫。

  第二類的關(guān)鍵是通過(guò)控制工模具溫度，保證模孔附近變形區(qū)內(nèi)金屬以及產(chǎn)品流出�？讜r(shí)溫度基本不變，可稱為工模具控溫?cái)D壓法。這類方法主要有擠壓筒分區(qū)加熱法、擠壓筒分區(qū)冷卻法、模具冷卻法和墊片控溫法，具有可控能力強(qiáng)、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，但存在工模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜（墊片控溫法除外）、控制難度大等缺點(diǎn)。

 第三類方法的關(guān)鍵是通過(guò)對(duì)影響擠壓過(guò)程溫度（熱流）平衡的各個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化，達(dá)到使產(chǎn)品流出模孔時(shí)的溫度基本保持不變的目的，可稱為工藝參數(shù)優(yōu)化控制等溫?cái)D壓法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在坯料均勻加熱、擠壓速度恒定的條件下實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓，工藝簡(jiǎn)單，但存在可實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓的參數(shù)匹配條件有限、不利于可擠壓性好的合金獲得盡可能高的擠壓速度等缺點(diǎn)。

 第四類方法的關(guān)鍵是通過(guò)控制擠壓速度使型材擠出�？讜r(shí)溫度基本保持不變的方法。速度控制等溫法又分為兩種：速度模型控制法和速度在線閉環(huán)控制法。

 速度模型控制法是建立擠壓過(guò)程溫度一速度模型，通過(guò)程控方法對(duì)速度進(jìn)行控制，使擠壓過(guò)程中產(chǎn)品流出模孔時(shí)的溫度基本保持不變，可稱為模擬等溫?cái)D壓法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是控制方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可以獲得高于第一類方法的控制精度；缺點(diǎn)是正確的模型建立難度大，難以應(yīng)對(duì)擠壓過(guò)程中工藝參數(shù)與邊界條件的實(shí)際變化，需要大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累。

 速度在線閉環(huán)控制擠壓法是通過(guò)檢測(cè)產(chǎn)品在�？壮隹谔幍臏囟茸兓�，在線調(diào)節(jié)相關(guān)工藝參數(shù)，即實(shí)現(xiàn)溫度．速度在線閉環(huán)控制。該類方法是理想的等溫?cái)D壓方法，可以獲得較為理想的控制效果，但實(shí)現(xiàn)難度較大，難以應(yīng)對(duì)擠壓過(guò)程中工藝參數(shù)與邊界條件的實(shí)際變化，需要大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)累積，對(duì)技術(shù)與工藝裝備的要求較高。

4  結(jié)束語(yǔ)

 鋁及鋁合金等溫?cái)D壓是一種先進(jìn)工藝技術(shù)，可大大提高產(chǎn)品的組織、性能、尺寸均勻性，提高成品率，同時(shí)也可提高擠壓速度，從而大大提高生產(chǎn)效率。與一模多出技術(shù)一樣可在不增加生產(chǎn)規(guī)模（產(chǎn)能）的情況下，大大提高產(chǎn)量（生產(chǎn)效率）。應(yīng)大力推廣應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)鋁合金等溫?cái)D壓的方法很多，應(yīng)根據(jù)不同條件、不同合金品種進(jìn)行優(yōu)選。