摘  要：本文簡要地論述了鋁合金等溫擠壓的特點，技術(shù)效果，較詳細(xì)介紹了鋁合金擠壓過程的溫度變化及實現(xiàn)等溫擠壓的主要方法與關(guān)鍵技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞:  鋁合金等溫擠壓;擠壓時溫度變化;實現(xiàn)等溫擠壓的主要方法與關(guān)鍵技術(shù)

1. 鋁合金等溫擠壓的特點與技術(shù)效果

根據(jù)鋁合金的種類和性能特點，開發(fā)應(yīng)用等溫擠壓技術(shù)的效果，主要體現(xiàn)在兩個方面：

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

二是對于可擠壓性差的合金，如2xxx系合金、一部分5xxx系合金和大部分7xxx系合金，由于熱塑性較差、應(yīng)變速度敏感性高、熱裂傾向性較強，只能在很低的擠壓速度條件下擠壓，才能確保產(chǎn)品性能沿長度方向的均勻性，減少裂紋等缺陷的產(chǎn)生，也是采用等溫擠壓的主要目的。此外，由于該類合金擠壓溫度低，金屬變形抗力大，等溫擠壓有利于減少擠壓負(fù)荷，實現(xiàn)大斷面、長尺寸產(chǎn)品的生產(chǎn)；有利于保持模具在加壓過程中受力不變，提高產(chǎn)品形狀與尺寸精度沿長度方向的均勻性。

等溫擠壓過程實質(zhì)上是熱流在擠壓中保持平衡的過程。影響擠壓過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，研究這些因素對擠壓過程熱平衡的影響規(guī)律，是實現(xiàn)等溫擠壓的重要基礎(chǔ)。

2. 擠壓過程中的溫度變化

如上所述，擠壓過程中塑性變形功和摩擦功（正擠壓時）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。擠壓產(chǎn)品在出�？谔幍膶嶋H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、合金的性質(zhì)、摩擦與潤滑條件、擠壓模的預(yù)熱溫度與冷卻條件等因素的綜合作用效果。

確定擠壓過程中�？赘浇�的溫度變化，主要有實測法和理論預(yù)測法。

2.1實測法

實測法主要有熱電偶測溫法與紅外測溫法兩種。熱電偶測溫法的優(yōu)點是可以測量非常靠近�？锥◤綆П砻嫣幍臏囟茸兓�，并可對同一�？椎牟煌�部位同時進行測量，測量精確度較高（誤差在0.5%-1.5%的范圍內(nèi)）；其缺點是響應(yīng)速度比較慢，不適合于測量高速擠壓時的溫度變化，用于溫度閉環(huán)控制的實時測溫時，難以獲得理想的控制效果。

紅外測溫可以獲得較高的響應(yīng)速度，但存在精確度較低（誤差可以達到3%-5%甚至更高），易受環(huán)境（水霧、熱氣、污垢等）的影響，測量過程中穩(wěn)定性較差等缺點。此外，由于擠壓設(shè)備與工模具結(jié)構(gòu)的特點，紅外測溫法所能測量的位置受到較大的限制，一般只能測量距模孔出口處較遠(yuǎn)位置的產(chǎn)品表面溫度。

2.2理論預(yù)測法

2.2.1解析式計算法

理論預(yù)測法又有解析式（理論、經(jīng)驗或半經(jīng)驗式）計算法與數(shù)值分析法兩種，解析式計算法主要用來預(yù)測出�？滋幃a(chǎn)品的溫度（或溫升），式(1)為擠壓過程中模孔附近溫度上升值的理論模型之一

式中，△T為產(chǎn)品擠出溫度與擠壓模初始溫度之差℃；Af為產(chǎn)品斷面積cm2；為錠坯長度cm；Q為擠壓模附近塑性變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的熱量J；K為經(jīng)由擠壓筒和擠壓模的熱流系數(shù)J/（s·℃）；To為初始坯料溫度加上剪切變形（擠壓筒內(nèi)壁）所產(chǎn)生的溫升，再減去擠壓模初始溫度所得之值℃；Vf為產(chǎn)品流出速度cm/s；c為變形金屬的比熱容J/（g·℃）；為變形金屬的密度g/cm3。

式（1）在實際使用中存在較大的不便，因為Q和To的計算比較復(fù)雜。實際計算時，Q可以通過計算塑性變形區(qū)的變形功，然后假定變形功的85%-90%轉(zhuǎn)化為熱量來求得；計算To的關(guān)鍵是要計算出坯料與擠壓筒摩擦所導(dǎo)致的溫升。

2.2.2 數(shù)值分析法

采用差分法、有限元法進行數(shù)值分析，比較容易預(yù)測變形金屬內(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溫度分布的FEM數(shù)值計算結(jié)果。由圖可知，由坯料后端沿擠壓方向至分流模入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℃），是由于計算過程中假定墊片的初始溫度為30℃，墊片對坯料后端產(chǎn)生了較大冷卻作用所致。這種情況在墊片無預(yù)熱，擠壓生產(chǎn)循環(huán)數(shù)較少時是可能存在的。隨著擠壓循環(huán)數(shù)的增加，如不對墊片施加冷卻，則墊片的溫度逐漸升高，然后穩(wěn)定在200-300℃左右。顯然，圖1是采用穩(wěn)定生產(chǎn)、無冷卻措施條件下的墊片溫度進行計算，所得擠壓筒和模具內(nèi)的溫度分布結(jié)果。


圖1 空心型材分流模擠壓溫度分布的    FEN數(shù)值計算結(jié)果

擠壓條件：6005A合金，錠坯溫度500℃；擠壓筒直徑：f320mm，擠壓筒溫度：440℃；

擠壓軸速度：2mm/s；墊片的初始溫度：30℃；擠壓比l=28.8；分流比K=9.8

圖1的結(jié)果表明，如在每一個擠壓操作前均對墊片進行冷卻，則可以簡單地使擠壓筒內(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. 實現(xiàn)鋁及鋁合金等溫擠壓的主要方法與關(guān)鍵技術(shù)施

實現(xiàn)鋁及鋁合金等溫擠壓的方法有多種，其中主要的方法大致可以分為四類，見表1。

第一類方法是通過改變坯料沿長度方向的溫度分布，補償（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，可稱為坯料梯溫擠壓法。這類方法主要包括坯料梯溫加熱法和坯料梯溫冷卻法，具有方法簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，但存在調(diào)控范圍較小、精度較低等缺點,關(guān)鍵技術(shù)是坯料在線控溫。

第二類的關(guān)鍵是通過控制工模具溫度，保證模孔附近變形區(qū)內(nèi)金屬以及產(chǎn)品流出�？讜r溫度基本不變，可稱為工模具控溫擠壓法。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、控制精度高等優(yōu)點，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。近年來，東航電熱電器廠研制開發(fā)成功鋁合金擠壓筒智能高效長壽命節(jié)能直插式金屬管電熱器，為實現(xiàn)鋁擠壓筒梯度加熱，從而實現(xiàn)等溫擠壓創(chuàng)造了有利條件。

第三類方法的關(guān)鍵是通過對影響擠壓過程溫度（熱流）平衡的各個工藝參數(shù)進行綜合優(yōu)化，達到使產(chǎn)品流出模孔時的溫度基本保持不變的目的，可稱為工藝參數(shù)優(yōu)化控制等溫擠壓法。該方法的優(yōu)點是可以在坯料均勻加熱、擠壓速度恒定的條件下實現(xiàn)等溫擠壓，工藝簡單，但存在可實現(xiàn)等溫擠壓的參數(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。

第四類方法的關(guān)鍵是通過控制擠壓速度使型材擠出�？讜r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程溫度-速度模型，通過程控方法對速度進行控制，使擠壓過程中產(chǎn)品流出�？讜r的溫度基本保持不變，可稱為模擬等溫擠壓法。該方法的優(yōu)點是控制方法簡單，易于實現(xiàn)，可以獲得高于第一類方法的控制精度；缺點是正確的模型建立難度大，難以應(yīng)對擠壓過程中工藝參數(shù)與邊界條件的實際變化，需要大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)積累。

速度在線閉環(huán)控制擠壓法是通過檢測產(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)，即實現(xiàn)溫度-速度在線閉環(huán)控制。該類方法是理想的等溫擠壓方法，可以獲得較為理想的控制效果，但實現(xiàn)難度較大，難以應(yīng)對擠壓過程中工藝參數(shù)與邊界條件的實際變化，需要大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)累積，對技術(shù)與工藝裝備的要求較高。

4. 結(jié)束語

鋁及鋁合金等溫擠壓是一種先進工藝技術(shù)，可大大提高產(chǎn)品的組織、性能、尺寸均度性，提高成品率，同時也可提高擠壓速度，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）的措施之一，應(yīng)大力推廣應(yīng)用。實現(xiàn)鋁合金等溫擠壓的方法很多，應(yīng)根據(jù)不同條件、不同合金品種進行優(yōu)選。

5. 主要參考文獻

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