黃志其，尹志民，陳 慧，劉志銘，李靜媛，胡水平

1．中南大學(xué)材料學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083；2．佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山528133；3．北京科技大學(xué)材料學(xué)院，北京10083

鋁合金等溫?cái)D壓技術(shù)與裝備研究現(xiàn)狀

黃志其1，2，尹志民1，陳 慧2，劉志銘2，李靜媛3，胡水平3

1．中南大學(xué)材料學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083；2．佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山528133；3．北京科技大學(xué)材料學(xué)院，北京10083

介紹了國(guó)內(nèi)外鋁合金等溫?cái)D壓技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，及鋁合金等溫?cái)D壓的實(shí)現(xiàn)方式，以期為相關(guān)研究提供經(jīng)驗(yàn)借鑒．

鋁；等溫?cái)D壓；技術(shù)與裝備；研究現(xiàn)狀

在常規(guī)的鋁及鋁合金熱擠壓過(guò)程中，由于變形溫度不斷提高，導(dǎo)致金屬材料在擠壓的整個(gè)過(guò)程中，其出?？诓煌课坏膶?shí)際溫度產(chǎn)生較大的波動(dòng)．?？诓煌课坏臏夭睿瑫?huì)引起制件斷面的組織與性能不均勻，甚至產(chǎn)生扭曲、裂紋等較嚴(yán)重的缺陷．整個(gè)擠壓過(guò)程中模口附近的溫度變化，會(huì)引起制品頭尾的組織與性能不均勻，而等溫?cái)D壓是解決這一問(wèn)題最好的方式．

等溫?cái)D壓的特點(diǎn)就是要確保在整個(gè)擠壓過(guò)程中，?？赘浇冃螀^(qū)金屬的溫度始終保持恒定或基本恒定，盡量保持金屬變形抗力和金屬流動(dòng)的均勻性，使?？椎膲毫Σ蛔兓蚧静蛔?，從而獲得較高的擠壓速度，同時(shí)擠壓型材的形狀與尺寸精度、組織與性能沿?cái)嗝婧烷L(zhǎng)度方向的均勻性也獲得提高．因此，實(shí)施等溫?cái)D壓，對(duì)提高鋁合金擠壓制品的生產(chǎn)率與質(zhì)量均具有十分重要的意義．

1 鋁等溫?cái)D壓的實(shí)現(xiàn)方式

為保證等溫?cái)D壓的生產(chǎn)條件，目前主要有三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)．一是對(duì)鑄錠進(jìn)行梯度加熱或梯度冷卻，通過(guò)鑄錠溫度梯度來(lái)補(bǔ)償擠壓的溫升，實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓；二是使用溫度－速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)出口溫度的精確測(cè)量并實(shí)時(shí)反饋用于控制主缸的擠壓速度，實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓；第三種是通過(guò)擠壓參數(shù)的熱－力耦合仿真，即對(duì)擠壓過(guò)程的速度、溫度參數(shù)進(jìn)行熱－力耦合仿真，用熱－力耦合仿真的溫度－速度曲線(xiàn)，對(duì)擠壓速度進(jìn)行控制[1－3]．

典型的擠壓成型極限圖如圖1所示．由圖1可知，擠壓一個(gè)給定產(chǎn)品的能力在左面受到所需壓力的限制，在右面受到合金表面質(zhì)量曲線(xiàn)的限制．整個(gè)鑄棒必須以同一溫度擠壓（即圖1中箭頭所示位置），才能達(dá)到最大的擠壓速度．由此，我們可以看到等溫?cái)D壓對(duì)擠壓速度有多大影響．

圖1 擠壓成型極限圖[4]Fig．1 Extrusion limit diagram

2 國(guó)內(nèi)外等溫?cái)D壓技術(shù)研究現(xiàn)狀

2．1 出口溫度－擠壓速度閉環(huán)控制系統(tǒng)

自20世紀(jì)九十年代開(kāi)始，國(guó)外一些大的鋁加工公司不斷研發(fā)出各種類(lèi)型的等溫?cái)D壓控制系統(tǒng)，如愛(ài)爾蘭Optalex公司1995年推廣其研制開(kāi)發(fā)的Optalex恒溫?cái)D壓控制系統(tǒng)．該系統(tǒng)是一套通過(guò)對(duì)型材出口溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋并調(diào)整擠壓速度的溫度－速度閉環(huán)控制系統(tǒng)．目前已在國(guó)外美鋁（Alcoa），加鋁（Alcan）、阿爾瑪格（Almag）等一批世界頂級(jí)鋁型材擠壓生產(chǎn)廠(chǎng)中安裝，其與等速擠壓對(duì)比示意圖如圖2所示．

圖2 等速擠壓與等溫?cái)D壓對(duì)比示意圖（a）等速擠壓；（b）等溫?cái)D壓Fig．2 Comparison of iso－speed extrusion and iso－thermal extrusion（a）iso－speed extrusion；（b）iso－thermal extrusion

從圖2可以看出，在等速擠壓過(guò)程中，主缸速度基本恒定，而出口溫度會(huì)隨著擠壓的進(jìn)行不斷升高，直至一個(gè)擠壓周期結(jié)束．在等溫?cái)D壓過(guò)程中出口溫度基本恒定，主缸速度成曲線(xiàn)變化，并可節(jié)約擠壓時(shí)間10%～30%．據(jù)報(bào)道，該系統(tǒng)恒溫控制精度達(dá)到±3℃，可使單臺(tái)擠壓機(jī)產(chǎn)量提高10%～20%，廢料減少2%～5%，大大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量．

2．2 擠壓參數(shù)的熱－力耦合仿真

由德國(guó)SMS公司開(kāi)發(fā)的CADEX系統(tǒng)已用于該公司的擠壓生產(chǎn)中．該系統(tǒng)的基本工作原理為：對(duì)擠壓坯料進(jìn)行均勻加熱，測(cè)量其進(jìn)入擠壓機(jī)前的溫度，并作為系統(tǒng)的輸入溫度，根據(jù)熱－力耦合仿真的溫度－速度曲線(xiàn)與輸入溫度參考值，對(duì)擠壓速度進(jìn)行控制．

早期的CADEX系統(tǒng)沒(méi)有出口溫度的測(cè)量裝置，完全基于擠壓熱－力耦合仿真的結(jié)果．之后，SMS公司對(duì)CADEX系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出CADEX2系統(tǒng)．該系統(tǒng)不僅裝設(shè)了光學(xué)高溫測(cè)溫儀，用于監(jiān)測(cè)坯料的入口與出口溫度，還裝設(shè)了一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于記錄擠壓力、擠壓速度等參數(shù)．該系統(tǒng)可用于擠壓均勻加熱的坯料與梯溫加熱的坯料．

2．3 國(guó)內(nèi)等溫?cái)D壓研究

國(guó)內(nèi)鋁擠壓始于20世紀(jì)五六十年代，從九十年代初期開(kāi)始鋁型材擠壓進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)代．雖然我國(guó)鋁擠壓機(jī)數(shù)量多，但擠壓機(jī)自動(dòng)化程度低，大部分?jǐn)D壓機(jī)還是依靠工人根據(jù)表面質(zhì)量狀況憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)擠壓速度．國(guó)內(nèi)部分鋁擠壓企業(yè)引進(jìn)的出口溫度紅外線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)，主要用于出口溫度監(jiān)測(cè)，沒(méi)有將信號(hào)反饋用于控制擠壓機(jī)主缸速度．

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在模擬等溫?cái)D壓領(lǐng)域進(jìn)行了一些探索[5－12]，但大多是進(jìn)行數(shù)值模擬或者理論計(jì)算，與實(shí)際情況仍有一定差距．2009年鳳鋁等企業(yè)與北京科技大學(xué)等高校合作進(jìn)行了等溫快速擠壓系統(tǒng)裝備與工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)，其基本設(shè)想是設(shè)計(jì)三重閉環(huán)控制系統(tǒng)：主缸速度－出口溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)、液氮流量－出口溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)以及鑄錠溫度－梯度冷卻水量閉環(huán)控制系統(tǒng)，并將三重閉環(huán)控制系統(tǒng)集成在一個(gè)控制器上，實(shí)現(xiàn)等溫快速擠壓．

研究擠壓溫度、擠壓速度、模具溫度等工藝參數(shù)對(duì)型材出口溫度的影響規(guī)律，并通過(guò)數(shù)學(xué)回歸建立等溫?cái)D壓自動(dòng)控制模型，是實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)．為了設(shè)計(jì)以上系統(tǒng)，首先對(duì)擠壓過(guò)程中擠壓比、擠壓溫度和模具溫度不同的條件下的出口溫升、模具溫升等參數(shù)進(jìn)行采集．以鳳鋁公司的8884A型號(hào)和51P08型號(hào)作為參考型號(hào)，在800T擠壓機(jī)上采集的溫升數(shù)據(jù)結(jié)果表明：在不同擠壓速度（擠壓機(jī)主缸速度6，8，10 mm/s）、不同坯料溫度（480，500，520℃）和不同模具溫度（420，450℃）條件下，擠壓溫度在擠壓開(kāi)始的20 mm行程內(nèi)陡然升高75～100℃，隨后趨于平穩(wěn)，而在尾部50 mm范圍內(nèi)則略有下降；擠壓速度越快則擠壓溫升越高，而坯料溫度越高則擠壓溫升越小，在較高的擠壓速度（擠壓機(jī)主缸速度10 mm/s）下，模具溫度越高則擠壓溫升越高，而在較低的擠壓速度（6，8 mm/s）下，模具溫度對(duì)擠壓溫升未出現(xiàn)明顯影響．

通過(guò)以上對(duì)擠壓溫升影響因素的分析，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行回歸分析，得出擠壓出口溫升ΔT的數(shù)學(xué)模型[13]：

式（1）中：

圖3 出口溫升計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較Fig．3 Comparison of calculated values with measured values of exit temperature rise

利用式（1）對(duì)不同工藝條件的擠壓出口溫升進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相符，誤差小于±10%．在坯料溫度480℃、擠壓速度10 mm/s、模具溫度420℃的條件下，擠壓溫升計(jì)算值與實(shí)測(cè)值如圖3所示．由圖3可知，出口溫升實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本相符．因此，該模型可用于實(shí)際生產(chǎn)中型材出口溫升的預(yù)測(cè)．

在此研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了等溫?cái)D壓控制系統(tǒng)，其控制軟件界面及控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖4和圖5所示．

圖4 等溫?cái)D壓控制軟件系統(tǒng)界面Fig．4 System interface of control software for iso－thermal extrusion

圖5 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig．5 Network structure figure of control system

本系統(tǒng)中基礎(chǔ)自動(dòng)化采用SIEMENS SIMATIC S7－200 PLC和高檔HMI，完成溫度采集、跟蹤、邏輯控制和主缸速度控制；PLC系統(tǒng)通過(guò)I/O口、以太網(wǎng)與人機(jī)接口界面相連接，獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)和控制命令，并通過(guò)I/O對(duì)閥門(mén)進(jìn)行相應(yīng)控制，如開(kāi)閉、調(diào)節(jié)、啟停、速度控制等；HMI工作站選用Pentium IV標(biāo)準(zhǔn)配置并與PLC通訊，完成模型設(shè)定、數(shù)據(jù)處理、流程顯示、報(bào)警/報(bào)表等工作．目前，該系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入調(diào)試階段．

3 結(jié) 語(yǔ)

等溫快速擠壓對(duì)控制制品尺寸精度和提高機(jī)臺(tái)生產(chǎn)效率有極大的意義，國(guó)內(nèi)應(yīng)加大對(duì)該技術(shù)與裝備的攻關(guān)力度，盡快實(shí)現(xiàn)該裝備與技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用．

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Research status of isothermal extrusion technology ＆equipment for aluminum alloys

HUANG Zhiqi1，2，YIN Zhimin1，CHEN Hui2，LIU Zhiming2，LI Jingyuan3，HU Shuiping3
1．School of Materials Science and Engineering，CSU，Changsha 410083，China；2．Sanshui Fenglu Aluminum Co．Ltd，F(xiàn)oshan 528133，China；3．School of Materials Science and Engineering，Beijing University of Science and Technology，Beijing 100083，China

This paper introduces the research and application status and implementation methods of isothermal extrusion of aluminium alloys，so as to provide experience for the research concerned．

aluminum；isothermal extrusion；technology ＆equipment；research status

TG375．9

A

1673－9981（2011）03－0173－04

2010－10－04

黃志其（1983—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，博士研究生．