模具液氮冷却对铝型材出模温度及挤压速度的影响

模具液氮冷却对铝型材出口温度及挤压速度的影响吴亭1，周春荣2，李旭2，陈彬1，王孟君1（中南大学有色金属材料科学与工程教育部重点实验室，湖南长沙410083）摘要：通过现场生产试验，研究了6063铝型材挤压过程中模具液氮冷却技术对型材出口温度及挤压速度的影响。结果表明，采用对模垫的液氮冷却技术能有效起到冷却作用。液氮的开度大小直接影响到型材出口温度，当液氮开度值较小时，对出口温度影响较小。当液氮开度值达到70%时，型材出口温度显著下降。采用模具液氮冷却，铝型材挤压速度由0.2m/s提高到0.3m/s，大大提高了铝型材生产效率。关键词：液氮冷却；挤压速度；出模温度；液氮开度TheinfluenceofthediecooledbyliquidnitrogenontheextrusionspeedandtheoutlettemperatureofaluminumtheinfluenceintheexittemperatureandtheextrusionspeedbyusingtheliquidnitrogentocooltheextrusiondieAbstract：Throughthefieldexperiment，theinfluenceintheexittemperatureandtheextrusionspeedduringthe6063aluminumprofileextrusionbyusingtheliquidnitrogentocooltheextrusiondiewasresearched.Theinfluenceofthediecooledbyliquidnitrogenontheextrusionspeedandtheoutlettemperatureofaluminum。Theresultsoftheresearchshowthatitisfeasibletousetheliquidnitrogentocoolthediepad.Theopeningoftheliquidnitrogenaffectstheleveloftheexittemperaturedirectly.Whentheopeningofliquidnitrogenislow,ithaslittleinfluenceintheexittemperature.Whentheopeningofliquidnitrogenis70%，theexittemperaturedeclinesgreatly.Byusingtheliquidnitrogentocoolthedieduringaluminumextrusion，extrusionspeedcanbeincreasedfrom0.2m/sto0.3m/sandtheefficiencyofaluminumproductionisimprovedgreatly.Keywords:Coolingofliquidnitrogen；Extrusionspeed；Exittemperature；Openingofliquidnitrogen铝型材因具有质量轻、比强度高、耐腐蚀、外形美观等优点，广泛应用于建筑、车辆、船舶、飞机、电子、家居装饰等各个领域。其发展速度远高于其它金属材料，其消费也仅次于钢铁。挤压成型作为铝型材生产中的主导技术和核心环节，是保障产品质量、缩短投产时间和提高模具寿命的关键所在。在挤压过程中，金属的变形和摩擦导致了铝合金挤压温度的增加，且温度升高的程度会随着挤压速度的增加而增加。挤压温度的升高将给铝型材生产带来诸多不利影响，降低变形和摩擦所产生的热量一直是铝加工行业中急需解决的问题。模具项目基金:由广东省重大科技专项资助(NO.2008A09030004)。作者简介：吴亭，男，湖南长沙人，硕士研究生；E-mail:[e-mail]通讯作者：王孟君，电话：[phone](O)液氮冷却技术因其能有效解决挤压过程中模具的温升问题，因此受到国内外越来越多的铝型材企业的关注。研究发现采用模具液氮冷却技术能取得十分显著的效益[1,2]：首先，低温液氮在对模具冷却的同时还会马上蒸发为具有惰性的氮气，能保护模具和挤压型材表面，使其不被高温氧化[3]，Francobertazzof等[4]研究发现，模具液氮冷却中带走的多余的热量可以增加挤压速度和延长挤压连续运行的形成；其次，模具液氮冷却过程能精确控制液氮流量，不会造成坯料过冷，从而达到最佳冷却效果及其最佳工艺温度，从而最大限度提高挤压效率[5]，当大批量挤压某种型材时，采用液氮冷却模具技术，可取得较为显著的经济效益；再者模具液氮冷却还可以在一定程度上延长模具寿命[6,7,8]。目前较先进的模具冷却系统都是计算机控制的，既能使模具充分冷却，又不会使坯料过冷[6]。在试验和实际应用中，一般采用以下三种液氮通道设计的冷却方法：①工作带直接冷却法；②模外冷却法；③模垫冷却法，在生产实践中一般采用模垫冷却法[3]。本文对铝型材挤压过程中模垫液氮冷却法进行了现场试验，探究了在不同液氮开度下对型材出口温度及挤压速度的影响。1试验材料与方法1.1试验材料某铝业公司生产的6063铝合金型材，如图1所示，其化学成分见表1。表16063铝合金化学成分（质量分数）％SiMgCuMnFeCrZnTiAl0.20～0.600.45～0.900.100.100.350.100.100.10余量图1铝合金型材截面图1.2实验方法采用模垫液氮冷却法：由于简单易行，投资少，且几套模具可以共用一套模垫，故采用模垫液氮冷却法。实验时将低温液氮或氮气通入模垫上的槽内，再经过型孔均匀的喷出，既冷却了模具的工作带的出口部分，又使型材处在氮气的惰性氛围中，一定程度上防止了型材表面被氧化。挤压过程中，根据型材出口温度的变化，调试不同的液氮开度值，使每个阶段液氮流量的大小都能使当前型材的温度波动趋于稳定。2结果与讨论2.1液氮开度对型材出口温度的影响本试验通过调节挤压机挤压速度及液氮冷却系统的开度值，得到了在不同挤压速度、液氮开度下的铝型材表面质量及型材出口温度的数据，如表2所示。表2不同挤压速度、液氮开度下的型材出口温度及表面质量在现场试验中，当挤压速度为0.2m/s、不通液氮时所测出口温度一般在544℃左右波动，远高于正常挤压时型材出口温度。这是因为在铝型材挤压过程中所产生的热量是很大的，其中包括由金属变形产生的热量和金属内部摩擦所产生的热量，这些热量可以使型材出口温度上升几十度。从表2中可以看出，液氮开度为40%时的型材出口温度相对于不通液氮时变化明显，温度降低约10℃，挤压过程中通入的液氮大部分在模垫上已经大量吸热蒸发为气体，虽然降低了铝型材出口温度，但是未能取得理想效果，型材出口温度仍然高于正常出口温度。当液氮开度为60%时，型材出口温度相对于开度为40%时出现较为显著下降，由535℃左右降到525℃左右，降幅约10℃，说明此时大量的液氮通过模垫通入到型材表面，起到了有效的冷却效果，此时型材出口温度为合理出口温度。当开度达到65%时，型材出口温度出现明显的下降，由525℃左右降低到515℃左右，降低约10℃，此时液氮的冷却效果仍然十分明显。当开度达到70%时型材出口温度虽然出现下降，但只降低约3℃，在同样模具编号铸棒号出口温度（℃）表面质量挤压速度(m/s)液氮开度K(%)D-A28811539.0光亮0.240D-A28812534.0光亮0.240D-A28813535.5光亮0.240D-A28814534.0光亮0.240D-A28815524.5光亮0.260D-A28816525.5光亮0.260D-A28817515.5光亮0.265D-A28818515.0光亮0.265D-A28819512.5光亮0.270D-A288110511.0光亮0.270D-A288111522.5光亮0.370D-A288112520.0光亮0.370D-A288113520.5光亮0.370D-A288114524.0光亮0.370D-A288115528.5白线、分色0.3470D-A288116531.0白线、分色0.3470增加5%的开度下，效果明显不如前者。由以上数据分析可知当液氮通入量达到40%以上时，液氮的冷却效果十分显著，但是当开度到达70%以上时型材出口温度下降不太显著。此时若再提高液氮开度冷却必然效果将会继续下降，由于液氮开度越大，单位时间内的消耗液氮的量也将增加，所以从经济角度分析也是十分不合理的。因而开度值为70%时相对比较合理。图2和图3为实验挤压速度为0.2m/s、开度值分别为40%和65%时的时间温度曲线，经比较可发现在同样挤压速度下，型材出口温度随液氮开度值的增大而降低，且当液氮开度达到一定值时型材出口温度会出现显著的降低。图2液氮开度40%挤压速度为0.2m/s下时间-温度、挤压动作、开度曲线图3液氮开度65%时挤压速度0.2m/s下时间-温度、挤压动作、开度曲线2.2液氮冷却对型材挤压速度的影响从表2可见，当挤压速度为0.2m/s时，1—4号铸棒的液氮开度仅为40%，型材的出口温度约为535℃，由于液氮开度较小，没有达到理想的型材出口温度，如果此时盲目增加挤压速度，必然会导致型材出口温度过高甚至超过合理出口温度，影响型材质量。5、6号铸棒挤压时液氮开度增大到60%，从表2可以看出，型材出口温度虽然出现显著下降，但还是略高。7、8号铸棒的液氮开度为65%，此时型材出口温度有了显著的改善。9、10号铸棒液氮开度为70%，此时得到最佳状态的型材出口温度，由型材出口温度的可见，此时的液氮开度为最合理开度。将挤压速度提高至0.3m/s，在11—14号铸棒的挤压过程保持9、10号铸棒挤压时的最佳开度值，可以看到，尽管型材出模温度略有提高，但是依然在型材出口温度的合理范围之内。再次提高挤压速度至0.34m/s，挤压过程中15、16号铸棒仍然保持了上一根铸棒挤压时的开度值，此时型材出口温度明显提高，超出了铝型材挤压合理的出口温度值，型材的表面质量也开始下降，出现了分色和条纹的表面缺陷，而出现分色和条纹是由于挤压速度提高导致模具粗糙度提高所致。采用模具液氮冷却技术可以在挤压6063铝型材时将挤压速度由0.2m/s提高到0.3m/s，型材出口温度得到有效控制，在很大程度上提高铝型材生产效率。3结论本文通过对6063铝合金采用液氮冷却模技术进行的挤压试验研究和分析，得出了以下结论：(1)采用对模垫的液氮冷却技术能有效起到冷却作用。(2)液氮的开度大小直接影响型材出口温度的高低，液氮开度值较小时，型材出口温度影响较小，当液氮开度值达到70%时，型材出口温度得到显著的下降，合理的开度既能有效起到冷却作用，又能合理节省液氮成本。(3)采用模具液氮冷却技术可以在挤压6063铝型材时将挤压速度由0.2m/s提高到0.3m/s，提高型材挤压速度50%，能在很大程度上提高生产效率。参考文献[1]李宗耀,范婧亚.铝合金挤压模氮冷技术的开发方向[J].轻合金加工技术,1996,24(12):35-38.[2]PANGZu-gao,SUGuang-cai,XIAWei,HUANGShang-meng.Discussionoffactorsinfluencingwarmextrusiondielifeandcountermeasures[J].ForgingandStampingTechnology,2006,2:52-55.[3]崔秀英.液氮冷却模具挤压建筑型材试验研究[J].轻合金加工技术,1991,19(4):30-31.[4]FRANCOBERTAZZOLI著,王福顺译.铝合金挤压模的氮冷[J].轻合金加工技术,1995,23(7):20-21.[5]KangJH,ParkIW,JaeJS,KangSS.Astudyonadiewearmodelconsideringthermalsoftening(I):Constructionof