鋁型材擠壓生產(chǎn)中液氮冷卻技術(shù)的應(yīng)用分析

于 磊 趙新亞

（1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 450013；2.鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，河南 鄭州 450013）

鋁型材廣泛應(yīng)用于建筑、交通運(yùn)輸、航空航天以及電子通訊等行業(yè)。在鋁型材擠壓生產(chǎn)中，鑄錠的熱塑性變形以及金屬摩擦?xí)箶D出型材及模具的溫度升高，且溫度升高的程度隨擠壓速度的增加會(huì)更加明顯，不利于提高擠出型材的表面質(zhì)量及模具的使用壽命［1］。采用液氮冷卻技術(shù)能夠在型材周?chē)纬啥栊苑諊?，阻止型材的氧化，從而改善其表面質(zhì)量［2］。在工業(yè)大批量生產(chǎn)中，采用液氮冷卻技術(shù)進(jìn)行擠壓生產(chǎn)可大大提高生產(chǎn)效率，并在一定程度上延長(zhǎng)模具的使用壽命［3］。

1 液氮冷卻技術(shù)的工藝原理

圖1 液氮冷卻技術(shù)的工藝原理

如圖1 所示，整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)由儲(chǔ)氮罐、輸送管道、控制閥單元、擠壓模具裝置、紅外測(cè)溫儀以及控制裝置等構(gòu)成。擠壓生產(chǎn)時(shí)，通過(guò)隔熱的輸送管道將液氮輸送至擠壓模具裝置的工作帶中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)擠壓型材的冷卻作用；同時(shí)，控制裝置根據(jù)紅外測(cè)溫儀反饋的模具出口處擠壓型材的溫度，通過(guò)閥單元調(diào)節(jié)液氮的開(kāi)度，使鋁型材的出口溫度控制在合理的溫度范圍內(nèi)。

由于液氮在導(dǎo)入工作帶時(shí)能夠吸收鋁棒所帶來(lái)的熱量，因而能夠直接降低鋁型材及模具的溫度，使其控制在一定的溫度范圍內(nèi)，同時(shí)也有利于延長(zhǎng)模具的使用壽命。液氮?dú)饣瘯r(shí)體積迅速膨脹，排出模具擠壓腔及出口附近的空氣，形成惰性氣體保護(hù)氛圍，能夠有效防止高溫型材與空氣的氧化，提高擠壓型材的表面質(zhì)量。液氮在輸送過(guò)程中由于壓力降低以及吸收管道壁的熱量而不斷氣化，導(dǎo)致管道內(nèi)的氮呈現(xiàn)氣液兩相狀態(tài)［4］。因而在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮盡量縮短管道長(zhǎng)度，并采用隔熱效果較好的真空隔熱管；對(duì)于輸送管道較長(zhǎng)的生產(chǎn)系統(tǒng)，也可以考慮在輸送管道末端附近設(shè)置深冷器，對(duì)管道中的液氮進(jìn)行二次深冷［5］，確保管道中的液氮始終處于能夠流動(dòng)的液態(tài)，這種方法既能有效提高液氮的輸送效率，同時(shí)也能確保液氮以液態(tài)進(jìn)入模腔，防止因液氮?dú)饣斐傻墓苈妨魍ú粫郴蛲ǖ蓝氯F(xiàn)象，有利于冷卻效果的提高。

2 影響鋁型材擠壓生產(chǎn)的重要工藝因素

2.1 冷卻方式

根據(jù)液氮通入模具的結(jié)構(gòu)方式不同，液氮的冷卻方式通?？蛇x擇以下三種［6］：（1）工作帶冷卻法：液氮直接經(jīng)模具中的進(jìn)入模具工作帶，并通入模墊的環(huán)形槽中以保護(hù)剛出模的型材，如圖2（a）所示；這種方式冷卻效果最佳，但模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，通用性差。（2）模外冷卻法：在模套內(nèi)壁上設(shè)置用以引導(dǎo)液氮的環(huán)形槽，液氮通入環(huán)形槽冷卻模具的外表面，如圖2（b）所示；這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但不能有效保護(hù)剛出模的型材，冷卻效率也不高。（3）模墊冷卻法：液氮直接經(jīng)模墊上的通道噴出，如圖2（c）所示；這種方式既冷卻了模具工作帶，同時(shí)保護(hù)了剛出模的型材，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工，且多套模具可共用一個(gè)模墊，經(jīng)濟(jì)效益較好，是目前在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用范圍較廣的一種冷卻方式。

此外，液氮的冷卻通道在布設(shè)時(shí)應(yīng)盡量保證模具表面冷卻介質(zhì)分配的均勻性；通常采用環(huán)狀輻射溝槽結(jié)構(gòu)作為液氮冷卻通道，可使液氮能夠快速、均勻分配到所需冷卻位置處，起到良好的冷卻效果。

2.2 控制調(diào)節(jié)方式

圖2 幾種不同類(lèi)型的液氮冷卻方式

液氮開(kāi)度的控制調(diào)節(jié)方式可根據(jù)需要采用手動(dòng)控制或自動(dòng)控制。手動(dòng)控制即通過(guò)人工操作的方式，根據(jù)測(cè)溫儀或測(cè)溫計(jì)反饋的出口處型材的溫度變化，人工制定擠壓工作中控制閥單元的開(kāi)度與擠壓時(shí)間對(duì)應(yīng)的過(guò)程參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁型材的出口溫度及模具溫度地控制。這種控制方式屬于開(kāi)環(huán)控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)擠壓生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)監(jiān)控，其實(shí)際效果也往往取決于工人的經(jīng)驗(yàn)水平和操作能力。在一定的條件下，采用手動(dòng)控制方法也能很好地調(diào)節(jié)液氮開(kāi)度，保證出口處型材的溫度。

自動(dòng)控制方式屬于閉環(huán)控制，紅外測(cè)溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)控模具出口處的型材溫度，并反饋至控制裝置；控制裝置對(duì)此溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較后，自動(dòng)輸出PID 控制信號(hào)至控制閥單元，驅(qū)動(dòng)閥單元?jiǎng)幼饕栽龃蠡驕p小液氮開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)液氮通入量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁型材出口溫度及模具溫度的控制。采用這種控制方式能實(shí)現(xiàn)擠壓生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)自動(dòng)監(jiān)控，便于實(shí)現(xiàn)精確控制。同時(shí)也能更為合理地利用液氮，節(jié)省人工成本，進(jìn)一步提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

2.3 液氮開(kāi)度控制

液氮開(kāi)度控制是液氮冷卻技術(shù)的核心所在，其開(kāi)度大小直接影響著出口處型材的溫度。一般來(lái)講，不斷提高液氮開(kāi)度能夠持續(xù)增加液氮冷卻的效果，進(jìn)而降低鋁型材的出口溫度。然而，出于冷卻效果及經(jīng)濟(jì)因素等的考慮，實(shí)際生產(chǎn)中往往只將液氮的開(kāi)度維系在一定的合理范圍內(nèi)。

吳亭等人通過(guò)試驗(yàn)研究了6063 鋁合金型材在不同液氮開(kāi)度下的擠壓出口處型材的溫度，其研究結(jié)果如表1所示［7］。試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）采用液氮冷卻技術(shù)可明顯降低6063鋁合金型材的出口溫度，相比不采用液氮冷卻技術(shù)生產(chǎn)的鋁合金型材出口溫度545℃，采用液氮冷卻技術(shù)能夠?qū)⑵涑隹谔帨囟冉档椭?11℃。（2）當(dāng)液氮開(kāi)度為40%時(shí)，鋁合金型材的出口溫度相對(duì)于不通液氮時(shí)出現(xiàn)明顯下降；隨著液氮開(kāi)度的逐步提高，鋁合金型材的出口溫度下降顯著，冷卻效果進(jìn)一步得到提高；當(dāng)液氮開(kāi)度達(dá)到70%后，鋁型材的出口溫度下降反而不太顯著；若繼續(xù)提高液氮開(kāi)度，則單位時(shí)間消耗的液氮量增加，生產(chǎn)成本進(jìn)一步提高，其冷卻效果反而繼續(xù)下降。因而在實(shí)際生產(chǎn)中，工程技術(shù)人員還需要綜合各方面的因素將液氮開(kāi)度控制在合理的范圍內(nèi)。

表1 不同擠壓速度、液氮開(kāi)度下的型材出口溫度及表面質(zhì)量

2.4 擠壓速度

擠壓速度是影響鋁型材表面質(zhì)量的重要因素，也是衡量企業(yè)生產(chǎn)效率的重要指標(biāo)。擠壓速度過(guò)快，鋁型材表面容易產(chǎn)生壓紋、白點(diǎn)、毛刺等缺陷，同時(shí)引起擠壓型材溫度的升高；擠壓速度過(guò)慢，鋁型材硬度不夠，同時(shí)也抑制了企業(yè)的產(chǎn)能。在實(shí)際生產(chǎn)中，在保證擠壓鋁型材表面質(zhì)量及設(shè)備能力允許的情況下，企業(yè)通常選用較高的擠壓速度。

通過(guò)液氮冷卻能帶走擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的部分熱量，為提高型材的擠壓速度創(chuàng)造了可能。表1的試驗(yàn)結(jié)果表明：采用液氮冷卻技術(shù)可將6063鋁合金型材的擠壓速度由原來(lái)的0.2m/s提高至0.3m/s，在合理的液氮開(kāi)度下仍能保證擠壓出口型材的表面質(zhì)量。采用液氮冷卻技術(shù)能夠顯著提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。

此外，鋁合金型材擠壓速度的確定還需要綜合考慮以下幾方面的因素［8］：

2.4.1 塑性變形難易程度。塑性越好的鋁合金型材擠壓速度可以越快，如擠壓6系鋁合金型材；擠壓快速硬冷的2系、7系鋁合金型材時(shí)擠壓速度可以適當(dāng)慢些。

2.4.2 鋁型材的斷面形狀復(fù)雜程度。同等條件下，擠壓圓斷面型材可采用高速擠壓，擠壓復(fù)雜形狀斷面型材應(yīng)盡量采用低速擠壓，擠壓薄壁管和非對(duì)稱形型材時(shí)，擠壓速度需更低些。

2.4.3 其他因素。正向擠壓時(shí)的型材出模速度應(yīng)低于反向擠壓時(shí)的出模速度，采用潤(rùn)滑劑和其他減小摩擦措施時(shí)可提高擠壓速度。

3 結(jié)論

采用液氮冷卻技術(shù)能顯著降低鋁型材在擠壓生產(chǎn)過(guò)程中的出口溫度，改善型材表面質(zhì)量，并能促進(jìn)企業(yè)提高型材擠壓生產(chǎn)效率進(jìn)而取得更大的經(jīng)濟(jì)效益。液氮冷卻技術(shù)在鋁型材擠壓生產(chǎn)領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值，如何進(jìn)一步開(kāi)發(fā)其潛能及冷卻工藝是廣大的工程技術(shù)人員今后所面臨的重要課題。

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