液氮冷卻模具_(dá)提高型材擠壓速度的有效途徑_余征宇

1、472011，Vol39，7收稿日期：20110311第一作者簡介：余征宇（1963），男，上海人，高級工程師。液氮冷卻模具提高型材擠壓速度的有效途徑余征宇1，Robert De Wilde 2（1普萊克斯（中國）投資有限公司應(yīng)用技術(shù)與市場開發(fā)，上海200120；2普萊克斯公司全球應(yīng)用技術(shù)與市場開發(fā)，上海200120）摘要：在鋁合金擠壓生產(chǎn)過程中采用液氮帶走擠壓過程中產(chǎn)生的熱量，同時(shí)對擠壓工作區(qū)進(jìn)行惰性保護(hù)，能有效提高擠壓生產(chǎn)率、模具壽命及型材質(zhì)量。分析了鋁擠壓過程中缺陷產(chǎn)生的原因，介紹了液氮冷卻技術(shù)的原理。并基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)介紹了該技術(shù)的應(yīng)用方法及注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞：型材擠壓；液氮；模具冷卻；提高

2、擠壓速度；氮?dú)庵袌D分類號：TG37541；TG146. 21文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：10077235（2011）07004704Liquid-nitrogen die cooling an effective way for increasing extrusion speedYU Zheng-yu 1，Robert De Wilde 2（1Praxair Robert De Wilde （China ）Application Technology Market Development ，Shanghai 200120，China ；2Praxair NVGlobal Application

3、technology market development ，Shanghai 200120，China ）Abstract ：The liquid nitrogen has been used at aluminum extrusion line for cooling extru-sion dieSo the excess heat produce during extrusion process can be removedThe liquid ni-trogen protects the extrusion working zone ，increases extrusion produ

4、ctivity ，elongates work-ing live of extrusion die and increases quality of extrusionsThe reason of extrusion defectoccurred during extrusion process has been analyzedThe cooling principle of liquid nitrogen has been introducedThe liquid nitrogen application technology and matters to be needed at-ten

5、tion to pay have been put forward at the base of practicing experienceKey words ：profile extrusion ；liquid nitrogen ；die cooling ；extrusion speed increasing ；ni-trogen gas擠壓模具由擠壓模、模墊、支撐墊等一系列工具組成。擠出型材的質(zhì)量與擠壓模的工作帶的加工質(zhì)量及硬度密切相關(guān)。在鋁合金的擠壓過程中，擠壓模的工作溫度在500 以上，隨著擠壓過程的持續(xù)，由于鋁合金錠的形狀劇變及鋁材與模具的摩擦產(chǎn)生熱量使擠壓模工作帶的溫度升高，導(dǎo)致模

6、具鋼回火穩(wěn)定性下降及產(chǎn)生表面退氮，硬度降低，這是導(dǎo)致擠壓模過早失效的主要原因之一。表1顯示了幾種典型擠壓模具鋼在不同溫度下洛氏硬度的變化。從表1中可看出，隨著溫度的升高，模具鋼的硬度下降。溫度超過500 時(shí)，模具硬度下降趨勢加快，造成模具的過快磨損。導(dǎo)致模具過早失效的原因之二是由于擠壓過程中溫度的升高加大了型材的氧化，型材表面生成的Al 2O 3硬點(diǎn)不僅對模具工作帶造成劃傷，而且也影響482011，Vol39，7 型材表面的光潔度，導(dǎo)致停產(chǎn)更換模具。隨著擠壓過程中擠壓模及變形金屬溫度持續(xù)上升，擠出的型材還將產(chǎn)生氣泡、融合及尺寸超差等缺陷。所以，為延長模具的使用壽命及避免型材表面缺陷造成擠壓廢品

7、，在擠壓生產(chǎn)中必須限制型材的擠壓速度以防止模具及型材溫度過高。如此則限制了擠壓生產(chǎn)率，這也是鋁型材生產(chǎn)行業(yè)一直希望解決的問題。表1溫度的變化對幾種模具鋼硬度的影響Tab1Effect of temperature variation onmold steel hardness模具材料洛氏硬度HRC100 200 300 400 500 600 650 H115150485474233520H135150495484436526T156656556456255953548 為了提高擠壓生產(chǎn)速度或維持?jǐn)D壓過程中型材的表面質(zhì)量，減少擠壓生產(chǎn)中的模具更換，許多鋁型材生產(chǎn)企業(yè)都進(jìn)行過嘗試，如在模具或擠壓

8、筒出口處吹普通的氮?dú)廨o助擠壓。由于氮?dú)馐嵌栊员Ｗo(hù)氣體，所以在減少型材氧化、穩(wěn)定型材質(zhì)量方面有一些效果，但擠壓速度的提高有限。其原因是由于氮?dú)獾谋葻崛葺^小，僅為025105J /（kg ），冷卻能力很低。除非氮?dú)獾膲毫芨撸魉俜浅？觳拍墚a(chǎn)生一定的冷卻效果。也有廠家嘗試過在擠壓模具通水冷卻，但造成模具開裂。這是由于水的比熱容高（418J /（kg ），吸熱太強(qiáng)，導(dǎo)致模具局部內(nèi)應(yīng)力太大，且在擠壓模上開槽降低了模具強(qiáng)度。將液氮在鋁擠壓生產(chǎn)中應(yīng)用以提高鋁型材擠壓生產(chǎn)率起始于國外。20世紀(jì)80年代，國外專業(yè)的工業(yè)氣體公司與鋁擠壓生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合探索將氮應(yīng)用在鋁型材擠壓過程中，即在鋁型材擠壓過程中采用液氮冷卻

9、模具技術(shù)，取得了好的效果。在保持鋁型材質(zhì)量的前提下，顯著提高了擠壓速度，有效延長了模具的使用壽命。該項(xiàng)技術(shù)在美歐日等工業(yè)發(fā)達(dá)國家的鋁型材生產(chǎn)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。近些年來，雖然國內(nèi)部分從事鋁型材擠壓的專業(yè)技術(shù)人員對該技術(shù)有所了解，但由于對該項(xiàng)技術(shù)的具體的應(yīng)用實(shí)踐知之甚少，只有少數(shù)外資鋁型材生產(chǎn)企業(yè)采用該項(xiàng)技術(shù)。1鋁擠壓過程中采用液氮冷卻模具技術(shù)的原理如圖1所示，假設(shè)在正常生產(chǎn)的擠壓速度V 時(shí)，測得的擠出型材的溫度為T ，在該溫度時(shí)進(jìn)行擠壓生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)模具的工作溫度、工作時(shí)間、型材的擠壓速度及表面質(zhì)量的最佳搭配。圖1正常生產(chǎn)中擠壓速度與擠出型材溫度關(guān)系Fig1Relationship betwee

10、n extrusion speed andprofile temperature in normal operation當(dāng)將擠壓速度升高到V 1時(shí)，模具溫度及擠出型材的溫度都將相應(yīng)升高。假設(shè)在相同位置測得的擠出型材溫度升高到T 1，即T 1=T +T 。如圖2所示。圖2提高擠壓速度對擠出型材溫度的影響Fig2Effect of extrusion speed on profile temperature如圖3所示，當(dāng)將擠壓速度升高到V 1時(shí)，若將液氮注入模具工作區(qū)域，可以平衡由于擠壓速度升高而導(dǎo)致的模具及擠出型材的溫度上升。即將測得的擠出型材的溫度維持在T ，實(shí)現(xiàn)在最佳的擠壓溫度下進(jìn)行提速擠壓

11、。且由于氮?dú)馐嵌栊詺怏w，大量的氮?dú)庠谛筒臄D出端噴出，可以防止氧氣與型材表面接觸，防止型材氧化生成高硬度質(zhì)點(diǎn)對模具造成劃傷。在正常的鋁型材擠壓生產(chǎn)情況下進(jìn)行連續(xù)擠壓生產(chǎn)時(shí)（擠壓速度基本保持不變），向模具通入液氮后，擠壓模具的溫度明顯下降，見圖4。擠壓過程中采用液氮冷卻能有效降低模具的工作溫度。2液氮的特殊性及采用液氮對鋁擠壓過程進(jìn)行冷卻的設(shè)備21液氮的特殊性液氮不同于普通的流體，它有以下特點(diǎn)：（1）在1個(gè)大氣壓時(shí)的沸點(diǎn)溫度為196 ；492011，Vol39，7 （2）在1個(gè)大氣壓時(shí)，1kg 液氮?dú)饣赏瑴囟龋?96 ）的氮?dú)鈺r(shí)瞬間釋放出1986J 的冷量；（3）1kg 液氮可氣化生成840L

12、氮?dú)猓?大氣壓，20 ）；（4）液氮壓力降低或吸收外界熱量時(shí)，部分液氮立即轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，由于與擠壓工作環(huán)境存在著約700 的溫差，液氮?dú)饣笮纬傻睦涞牡獨(dú)庖材軈⑴c降溫。22設(shè)備組成及要求如圖5示，在生產(chǎn)中采用液氮冷卻鋁型材擠壓技術(shù)需要采用以下設(shè)備：（1）液氮儲罐：由于液氮具有劇冷、易遇熱氣化膨脹的特性，所以必須保存在耐壓保溫的液氮儲罐中，以無色、無味的低溫液體形態(tài)儲存；（2）耐壓管道及過壓排放系統(tǒng)：保溫儲罐中儲存的液氮，由于存在少量吸熱氣化導(dǎo)致儲罐內(nèi)壓力隨著存儲時(shí)間的延長而持續(xù)升高。所以儲罐的保溫及耐壓性能非常重要，并且必須裝備過壓排放閥門。儲罐及相關(guān)的設(shè)施必須定期由安全技術(shù)監(jiān)督部門檢圖5液氮冷

13、卻模具技術(shù)設(shè)備示意圖Fig5Scheme of die cooling system with liquid nitrogen驗(yàn)合格后方能繼續(xù)使用；由于液氮?dú)饣笤斐晒艿纼?nèi)壓力劇增，所以管道的設(shè)計(jì)及施工必須滿足耐壓及過壓排放的要求；在長距離輸送及對控制精度要求嚴(yán)格時(shí)，需配備氣液分離系統(tǒng)以排除管道中的氮?dú)?，向擠壓模輸送高質(zhì)量的液氮。（3）保溫管道：當(dāng)液氮從液氮罐中通過管道向使用點(diǎn)輸送時(shí)，液氮將由于壓力降低以及吸收管道壁的熱量而不斷氣化成為氮?dú)猓瑢?dǎo)致管道內(nèi)的氮呈氣液兩相狀態(tài)。在應(yīng)用中，液氮輸送管道必須具有好的保溫性。同時(shí)需要盡量短的管道設(shè)計(jì)，以減少液氮在輸送過程中的冷量損失。（4）低溫閥門：由于液

14、氮的超低溫特性，所以必須采用耐低溫的閥門及管道材料。（5）帶輸出功能的溫度探測系統(tǒng)。（6）可調(diào)節(jié)的液氮流量控制系統(tǒng)及操作系統(tǒng)。3采用液氮冷卻模具技術(shù)需要注意的事項(xiàng)31液氮通道位置及設(shè)計(jì)液氮的注入位置越接近擠壓工作帶，液氮對模具及型材的冷卻效果越好。所以從理論上來說在擠壓模上加工液氮通道冷卻效果最好。但由于直接在擠壓模上加工液氮導(dǎo)入孔及分配通道不但加工困難，還會降低擠壓模的強(qiáng)度。而且由于在生產(chǎn)中要經(jīng)常更換模具，在每個(gè)擠壓模具需要加工通道也將導(dǎo)致極大的加工量。而在與擠壓模緊貼的模墊上加工液氮通道，液氮也可以直接冷卻擠壓模的型材出口端面，通過冷量的傳遞降低工作帶的溫度，同時(shí)噴出的冷氮?dú)膺€可以有以下作

15、用：（1）有效降低擠出型材的溫度。（2）趕走擠壓筒出口端的空氣，產(chǎn)生了無氧化的擠壓環(huán)境。502011，Vol39，7由于在生產(chǎn)中要經(jīng)常更換模具，而對于同一型號的型材或不同型號的相似型材，在生產(chǎn)中經(jīng)常采用同一模墊，因?yàn)槟|在使用中基本不會損壞。所以無論從通用性還是從經(jīng)濟(jì)性來說，在模墊上加工液氮通道都是較合理的。液氮通道的設(shè)計(jì)及加工要遵循使液氮快速通過并均勻分配到需冷卻的各部位的原則，如圖6所示，最常見的方法是在模墊上將液氮通道加工成環(huán)狀輻射性溝槽，可使液氮快速分配到模具的各個(gè)部位，達(dá)到最佳及均勻的冷卻效果。 圖6常見的液氮通道設(shè)計(jì)Fig6Typical channel design of liq

16、uid nitrogen32擠壓過程中液氮流量的控制液氮的通入量大小直接影響擠壓模及出口型材的溫度，液氮通入量太少，則無法抑制擠壓溫度升高，造成產(chǎn)品缺陷及擠壓模溫度升高；液氮通入量過多，則會使擠壓模溫度過低造成堵模，并且造成液氮浪費(fèi)。因此，通過測量型材的擠出溫度或擠壓模的工作溫度來控制液氮的流量是最常用的方法。在早期的擠壓生產(chǎn)中，操作工人采用手持式測溫儀，通過測量型材的擠出溫度來手動調(diào)節(jié)液氮的流量開關(guān)量，這是一個(gè)開環(huán)控制過程，該測溫方法無法對擠壓過程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。由于影響擠壓過程中溫度變化的因素很多，所以使用效果好壞與操作工人的經(jīng)驗(yàn)及責(zé)任心有較大的關(guān)系。同時(shí)，采用該方法對輸出液氮的質(zhì)量要求很高

17、。為減少液氮?dú)饣斐傻睦淞坎▌?，在液氮的輸送管道上需要增加氮的氣液分離裝置甚至液氮的過冷卻裝置。該方法適用于生產(chǎn)工藝穩(wěn)定且訂單大、一次開機(jī)生產(chǎn)時(shí)間長的型材生產(chǎn)。也有人嘗試過將熱電偶裝在擠壓模接近工作帶的位置進(jìn)行測溫，但由于測溫點(diǎn)不能太接近擠壓工作帶（破壞擠壓模強(qiáng)度），測得的溫度存在著明顯的滯后，不能真實(shí)反映擠壓過程中工作帶及擠出型材的溫度變化。由于鋁型材高度反光的特點(diǎn)，普通的紅外儀無法測出鋁型材的真實(shí)溫度。所以目前應(yīng)用最成熟的是采用多波長的紅外測溫儀在擠壓機(jī)的出口處測量鋁型材溫度變化，同時(shí)也間接反映模具的溫度變化。33生產(chǎn)中的安全防護(hù)由于液氮為劇冷液體及氣化后生成大量惰性氮?dú)?，所以生產(chǎn)中工人

18、的安全防護(hù)也很重要。如戴手套操作液氮設(shè)備以防止凍傷，工作環(huán)境保持開放通風(fēng)及不要直接面對氣氮的出氣口以防止窒息。與液氮相關(guān)的設(shè)備設(shè)施也需采用耐低溫材料并保溫處理等等。4普萊克斯液氮冷卻控制設(shè)備簡介普萊克斯公司針對中國鋁擠壓生產(chǎn)推出了液氮冷卻控制設(shè)備。它由操作系統(tǒng)及液氮控制閥系統(tǒng)組成，具有閉環(huán)自動控制及手動控制兩種模式。在與紅外測溫儀連接的情況下，采用閉環(huán)自動控制模式進(jìn)行生產(chǎn)，控制擠壓機(jī)出口處擠出鋁型材的溫度，同時(shí)達(dá)到控制模具溫度的目的。在紅外測溫儀失效的情況下，可采取手動控制模式進(jìn)行生產(chǎn)。在該模式下，可根據(jù)測量的出口型材的過程溫度變化，來人工設(shè)定過程中擠壓工作循環(huán)中控制閥的開度與擠壓時(shí)間對應(yīng)的過

19、程參數(shù)，控制擠壓機(jī)出口處擠出鋁型材的溫度，同時(shí)達(dá)到控制模具溫度的目的。經(jīng)多家使用企業(yè)測試及統(tǒng)計(jì)，對于一般的建筑鋁型材或車用裝飾鋁型材，采用液氮冷卻模具技術(shù)后，在保證型材質(zhì)量的前提下，擠壓速度可提高50%以上，模具的工作時(shí)間明顯延長，擠壓1t 鋁型材的液氮消耗量為60kg 100kg 。將勞動生產(chǎn)率提高帶來的節(jié)約與液氮費(fèi)用的支出進(jìn)行平衡后，實(shí)際生產(chǎn)成本降低15%以上。5結(jié)束語在鋁擠壓過程中采用液氮冷卻技術(shù)，可有效提高生產(chǎn)率，延長模具使用時(shí)間，降低單位質(zhì)量型材生產(chǎn)過程中的能源消耗及勞動成本。雖然需要前期的設(shè)備投資及生產(chǎn)過程中的液氮消耗，但企業(yè)的綜合生產(chǎn)成本是降低的。我國有各種規(guī)模的鋁型材生產(chǎn)企業(yè)6

20、00家以上，（下轉(zhuǎn)第55頁）552011，Vol39，7參考文獻(xiàn)：1曾榮昌，柯偉，徐永波，等Mg 合金的最新發(fā)展及應(yīng)用前景J 金屬學(xué)報(bào)，2001，37（7）：6736842馮吉才，王亞榮，張忠典鎂合金焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用J 中國有色金屬學(xué)報(bào)，2005，15（2）：1651783邱然鋒，石紅信，張柯柯，等汽車車身用鋁合金與鋼的異種材料電阻點(diǎn)焊技術(shù)研究現(xiàn)狀J 電焊機(jī)，2010，40（5）：1501544SUN D Q，LANG B ，SUN D X ，et alMicrostructures and mechanical properties of resistance spot welded

21、magnesium alloy joints J Materials Science and Engineering A ，2007，A460461：4944985王亞榮，張忠典，馮吉才AZ31B 鎂合金交流電阻點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能及顯微組織分析J 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40（5）：1311356王亞榮，張忠典，馮吉才，等表面狀態(tài)對鎂合金點(diǎn)焊接頭質(zhì)量的影響J 焊接學(xué)報(bào)，2004，25（6）：27307QIU RANFENG ，SHI HONGXIN ，YU HUA ，et alEffects of electrode force on the characteristic of magnesi

22、umalloy joint welded by resistance spot welding with cover plates J Materials and Manufacturing Processes ，2010，25（11）：130413088SATONAKA S ，KAIEDA K ，OKAMOTO SPrediction of tensile shear strength of spot welds based on fracturemodes J Welding in the World ，2004，48（5/6）；39459ANSI /AWS/SAE/D8997（1997）

23、，Weld button criteria （America ），S 10趙熹華，馮吉才壓焊方法及設(shè)備M 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，200811QIU RANFENG ，HIGUCHI ，KATSUYA SATONAKA SATONAKA ，et alCharacterization of joint between ti-tanium and aluminum alloy welded by resistance spot welding with cover plate J Quarterly Journal of the Japan Welding Society ，2009，27（2）：1

24、09113（上接第18頁）12SUREKHA K ，MURTY B S ，RAO K PMicrostructural characterization and corrosion behavior of multipassfriction stir processed AA2219aluminum alloy J Surface and Coatings Technology ，2008，202（17）：4057406813LUMSDEN J B ，POLLOCK G ，MAHONEY M WCorrosion behavior of friction-stir-welded AA7075-T765J Materials Science Forum ，2003，426（1）：2867287514PAGLIA C S ，BUCHHEIT R GMicrostructure ，microchem