于 磊 趙新亞

（1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 450013；2.鄭州煤礦機械集團股份有限公司，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)能夠在型材周圍形成惰性氛圍，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，整個閉環(huán)系統(tǒng)由儲氮罐、輸送管道、控制閥單元、擠壓模具裝置、紅外測溫儀以及控制裝置等構(gòu)成。擠壓生產(chǎn)時，通過隔熱的輸送管道將液氮輸送至擠壓模具裝置的工作帶中，以實現(xiàn)對擠壓型材的冷卻作用；同時，控制裝置根據(jù)紅外測溫儀反饋的模具出口處擠壓型材的溫度，通過閥單元調(diào)節(jié)液氮的開度，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)入工作帶時能夠吸收鋁棒所帶來的熱量，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)，同時也有利于延長模具的使用壽命。液氮氣化時體積迅速膨脹，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)計時應(yīng)考慮盡量縮短管道長度，并采用隔熱效果較好的真空隔熱管；對于輸送管道較長的生產(chǎn)系統(tǒng)，也可以考慮在輸送管道末端附近設(shè)置深冷器，對管道中的液氮進行二次深冷［5］，確保管道中的液氮始終處于能夠流動的液態(tài)，這種方法既能有效提高液氮的輸送效率，同時也能確保液氮以液態(tài)進入模腔，防止因液氮氣化所造成的管路流通不暢或通道堵塞現(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，液氮的冷卻方式通常可選擇以下三種［6］：（1）工作帶冷卻法：液氮直接經(jīng)模具中的進入模具工作帶，并通入模墊的環(huán)形槽中以保護剛出模的型材，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)簡單，但不能有效保護剛出模的型材，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，同時保護了剛出模的型材，結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，且多套模具可共用一個模墊，經(jīng)濟效益較好，是目前在企業(yè)實際生產(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 幾種不同類型的液氮冷卻方式

液氮開度的控制調(diào)節(jié)方式可根據(jù)需要采用手動控制或自動控制。手動控制即通過人工操作的方式，根據(jù)測溫儀或測溫計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度與擠壓時間對應(yīng)的過程參數(shù)，從而實現(xiàn)對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環(huán)控制，無法實現(xiàn)對擠壓生產(chǎn)過程的連續(xù)監(jiān)控，其實際效果也往往取決于工人的經(jīng)驗水平和操作能力。在一定的條件下，采用手動控制方法也能很好地調(diào)節(jié)液氮開度，保證出口處型材的溫度。

自動控制方式屬于閉環(huán)控制，紅外測溫儀實時監(jiān)控模具出口處的型材溫度，并反饋至控制裝置；控制裝置對此溫度與設(shè)定溫度進行比較后，自動輸出PID 控制信號至控制閥單元，驅(qū)動閥單元動作以增大或減小液氮開度來調(diào)節(jié)液氮通入量，從而實現(xiàn)對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現(xiàn)擠壓生產(chǎn)過程的連續(xù)自動監(jiān)控，便于實現(xiàn)精確控制。同時也能更為合理地利用液氮，節(jié)省人工成本，進一步提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

2.3 液氮開度控制

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

吳亭等人通過試驗研究了6063 鋁合金型材在不同液氮開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)液氮開度為40%時，鋁合金型材的出口溫度相對于不通液氮時出現(xiàn)明顯下降；隨著液氮開度的逐步提高，鋁合金型材的出口溫度下降顯著，冷卻效果進一步得到提高；當(dāng)液氮開度達到70%后，鋁型材的出口溫度下降反而不太顯著；若繼續(xù)提高液氮開度，則單位時間消耗的液氮量增加，生產(chǎn)成本進一步提高，其冷卻效果反而繼續(xù)下降。因而在實際生產(chǎn)中，工程技術(shù)人員還需要綜合各方面的因素將液氮開度控制在合理的范圍內(nèi)。

表1 不同擠壓速度、液氮開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)。擠壓速度過快，鋁型材表面容易產(chǎn)生壓紋、白點、毛刺等缺陷，同時引起擠壓型材溫度的升高；擠壓速度過慢，鋁型材硬度不夠，同時也抑制了企業(yè)的產(chǎn)能。在實際生產(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。

通過液氮冷卻能帶走擠壓過程中產(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的0.2m/s提高至0.3m/s，在合理的液氮開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，擠壓薄壁管和非對稱形型材時，擠壓速度需更低些。

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

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)過程中的出口溫度，改善型材表面質(zhì)量，并能促進企業(yè)提高型材擠壓生產(chǎn)效率進而取得更大的經(jīng)濟效益。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)用和研究價值，如何進一步開發(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。

［1］王福順.鋁合金擠壓模的氮冷［J］.輕合金加工技術(shù)，1995，23（7）：20-21.

［2］蔡月華.液氮冷卻模具技術(shù)在鋁型材擠壓生產(chǎn)中的應(yīng)用研究［J］.輕合金加工技術(shù)，2011，39（6）：39-42.

［3］張喜良.延長模具使用壽命的途徑［J］.金屬加工世界，2004（2）：43-44.

［4］余征宇，Robert De Wilde.液氮冷卻模具—提高型材擠壓速度的有效途徑［J］.輕合金加工技術(shù)，2011，39（7）：47-50.

［5］佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司，廣東鳳鋁鋁業(yè)有限公司.一種鋁型材擠壓模具的液氮冷卻方法及裝置［P］.中國專利：ZL201310069616.X，2013.6.12.

［6］崔秀英.液氮冷卻模具擠壓建筑型材試驗研究［J］.輕合金加工技術(shù)，1991，19（4）：30-31.

［7］吳亭.模具液氮冷卻對鋁型材出口溫度及擠壓速度的影響［J］.輕合金加工技術(shù)，2011，39（7）：43-45.

［8］羅蘇，吳錫坤.鋁型材加工實用技術(shù)手冊［M］.長沙：中南大學(xué)出版社，2006.6.