液氮冷却模具技术在铝型材挤压生产中的应用研究汇总.docx

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液氮冷却模具技术在铝型材挤压生产中的应用研究汇总

39

2011，Vol．39，ɴ6

收稿日期：

2011－02－20

基金项目：

广东省重大科技专项（NO．2008A090300004）

第一作者简介：

蔡月华（1983－），男，江苏盐城人，工程师，主要从事有色金属压延加工。

液氮冷却模具技术在铝型材挤压生产中的应用研究

蔡月华1，项胜前1，周春荣1

，李

林2，郭加林

1

（1．广东豪美铝业有限公司，广东清远511540；2．广州有色金属研究院，广东广州510650）

摘要：

简要介绍了液氮冷却模具技术的基本原理以及常用的冷却通道布置方法。

通过收集现场生产试验数据，分析了铝型材挤压过程中液氮冷却模具技术对模具温度、

挤压速度、出料口型材温度及其表面光洁度的影响。

结果表明：

采用对模垫的液氮冷却技术是可行的；液氮开度值设定为70%时，

模具温度显著下降，挤压速度最高提速可达37．5%，出料口型材降温幅度达到最大4．6%，型材表面光洁度明显提高；采用液氮冷却模具技术，大大提高了铝型材生产效率和表面质量。

关键词：

液氮冷却；冷却通道；模具温度；挤压速度；出料口型材温度；表面光洁度中图分类号：

TG379

文献标识码：

A

文章编号：

1007－7235（2011）06－0039－04

Studyonliquidnitrogenapplicationforprofiledie

coolingataluminumextrusionline

CAIYue-hua1，XIANGSheng-qian1，ZHOUChun-rong1，LILin2，GUOJia-lin1

（1．GuangdongHaomeiAluminumCo．Ltd．，Qingyuan511540，China；2．GuandongResearchInstituteofNonferrousMetals，Guangzhou510650，China）

Abstract：

Thebasicprincipleofliquidnitrogencoolingofextrusiondieandthedistribu-tionofliquidnitrogenpassingchannelshasbeenintroduced．Theexperimentparametersof

theliquidnitrogencoolingdiecollectedatextrusionproductionlinehavebeenintroduced．Theeffectofnitrogencoolingondietemperature，extrusionspeed，temperatureofprofileatdieexitandprofilesurfacefinishhasbeenanalyzed．Theexperimentresultshowsthatliquidnitrogendiecoolingisfeasible．Thedietemperaturedecreasedobviously，extrusionspeedcanbeincreasedmaximumto37．5%，profiletemperatureatdieexitcanbedecreasedmaxi-mumto4．6%andthefinishqualityoftheprofilecanbeincreasedobviouslyattheconditionof70%openingofliquidnitrogennozzle．

Keywords：

liquidnitrogencooling；coolingchannel；dietemperature；extrusionspeed；

profiletemperatureatdieexit；surfacefinish

液氮冷却模具技术因其能有效解决挤压过程中模具的温升问题，受到国内外越来越多的铝型材企业的关注。

研究表明，采用模具液氮冷却技术能取

得十分显著的效益

［1－2］

。

Francobertazzof等［3］研究发现，模具液氮冷却中带走的多余的热量为增加挤

压速度提供了温升空间，模具液氮冷却过程通过精确控制液氮开度，实现均匀冷却，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［4］

。

40

2011，Vol．39，ɴ6

喷出的低温液氮在对模具冷却的同时气化为具有惰性的氮气，体积迅速膨胀600倍，能有效防止模具表面拉伤和保护出料口型材表面，使其不被高温氧化［5］，极大地提高了型材表面光洁度。

在工业生产应用中，当大批量挤压某种型材时，采用液氮冷却模具技术，可大大提高生产效率，且在一定程度上延长模具寿命

［6］

，可取得较为显著的经济效益。

1

液氮冷却模具技术介绍

1．1

基本原理

在通常的工业生产情况下，铸锭在挤压筒内被挤压通过模具后，塑性变形及摩擦产生的额外热量会导致模具和挤出的铝型材的温度升高，出料口的

高温型材暴露在空气中，

易高温氧化［5］

，降低了出料口型材的表面光洁度。

液氮冷却模具技术是铝型材

在挤压时在模具的专用模垫上加开冷却通道，通过控制系统在设定的通道开度下，液氮通过冷却通道

喷射在模具的表面，

吸收铝棒带来的热量，直接降低模具温度，使模具温度、型材出料口温度保持在稳定

温度范围内，达到提高挤压速度的目的；同时，液氮气化后，体积膨胀600多倍，将出料口型材周围的空气排开，形成惰性保护，提高型材表面光洁度。

其技术基本原理示意图如图1所示

。

图1液氮冷却模具技术原理示意图

1．2冷却通道布置

液氮的冷却通道布置应尽量保证模具表面上冷

却介质均匀分配。

目前，最理想的冷却通道布置是在模子本体上直接机加工出来，但由于技术相当复杂，实时控制比较难，很难实现氮冷介质的均匀分

配，至今未见到在工业应用上有良好的效果［3］。

因此，在一般工业应用中，大多采用在专用模垫上机加

工出冷却通道的方法。

冷却通道布置示意图如图2所示

。

图2冷却通道布置示意图

2液氮冷却模具技术的工业应用分析

在挤压过程中，金属的塑性变形和摩擦会引起

挤压模具温度、出料口型材温度的增加，而且这一温度升高的幅度会随着挤压速度的增加而增加。

这种由于塑性变形及摩擦引起的温升将给模具温度及寿

命、

挤压速度提高、出料口型材温度控制、型材表面光洁度以及后续的淬火效果等铝型材挤压生产环节带来诸多不利影响。

豪美铝业公司率先采用液氮冷却模具技术来降低挤压过程中因塑性变形及摩擦引起的模具温升，提高挤压速度以及型材表面光洁度。

本文通过大量的现场数据采集，分析使用液氮冷却模具技术前后氮冷对模具温度、挤压速度、出料口温度以及型材表面光洁度的变化影响。

如表1所示。

41

2011，Vol．39，ɴ6表1

液氮冷却挤压模具效果

合金模具类型

模具温度/ħ

挤压速度/（m·min－1）出料口温度/ħ型材表面光洁度未氮冷

氮冷后未氮冷氮冷后未氮冷氮冷后未氮冷氮冷后6063平模4804051622535512一般光亮6063平模4734001722540518一般光亮6063分流模4763981521538521一般光亮6063分流模4824011520547524一般光亮6061平模4714081216543521一般光亮6061分流模4784041115537525一般光亮6082平模4693995．56．5544523暗淡光亮6082

分流模

477

394

4．5

6

550

525

暗淡

光亮

2．1

氮冷对模具温度的影响由表1可知，模具未经氮冷时温度在469ħ482ħ之间，而在液氮通道开度为60%70%时，氮冷后模具温度在394ħ408ħ之间，模具温度最大降幅达16．8%，液氮冷却效果显著；同时，液氮冷却模具能有效防止由于在铝型材的表面产生坚硬的氧化铝微粒并部分粘附在模具出口而引起的模具表面拉伤，还能有效防止持续升高的模具温度引起的模具表面退氮

［3］

。

综上所述，在一定的液氮开度下，液氮冷却能显著降低模具温度，并在一定程度上提高模具寿命。

2．2

氮冷对挤压速度的影响

由表1可知，在未采用液氮冷却时，

6063铝合金挤压速度在15m/min17m/min之间，采用液氮冷时，液氮开度值设定70%，此时，挤压速度提高到20m/min22m/min之间，其中，平模的提速效果比较明显，

最大提速可达37．5%，分流模的提速可达33．3%；由于6061铝合金和6082铝合金自身特性，最高提速也可达到33%，提速效果还是十分明显。

究其原因，主要是由于氮冷使得模具温度降低了70ħ左右，这就给挤压提速提供了温升空间，使得提速带来的热量刚好抵消在模具本体上。

由此可见，要实现挤压速度的提高，采用液氮冷却模具技术是可行的。

2．3氮冷对型材出料口温度的影响

由表1可知，未采用液氮冷却时，出料口型材温度一般在535ħ550ħ之间波动，这是因为在铝型材挤压过程中，由于金属塑性变形产生的热量和挤压过程中摩擦所产生的热量使得模具温度和金属塑性变形之间的热平衡状态非常复杂。

当采用液氮冷却时，出料口型材温度在512ħ525ħ之间波动，呈

现明显下降趋势，

可见液氮冷却效果十分明显。

试验中，液氮开度设为60%时，出料口型材温度

出现显著下降，由538ħ左右降到521ħ，温度降低了17ħ，说明此时大量的液氮通过模垫通入到型材

表面，

有效起到了冷却效果。

当开度达到65%时，出料口型材温度再次出现明显的下降，温度由535ħ降低到512ħ，降低了23ħ，此时液氮的冷却效果更加明显。

当液氮开度到达70%时，出料口温度从550ħ降低到525ħ，降温幅度达到最大4．6%，冷却效果达到最佳状态。

再同样增加5%的开度下，效果明显不如以前。

液氮冷却对出料口型材温度影响效果如图3所示

。

图3液氮冷却对出料口型材温度的影响

2．4

氮冷对型材表面光洁度的影响

观察发现，经液氮冷却后出料口型材表面光亮，

表面质量较未经氮冷时有明显提高。

这主要是因为

未经氮冷时，

出料口的高温型材暴露在空气中，出现高温氧化，降低了出料口型材的表面光洁度。

采用

液氮冷却时，液氮气化后，体积膨胀600多倍，将出料口型材周围的空气排开，形成惰性保护，提高了型材表面光洁度。

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3

结束语

（1）通过在模垫上加开合理的冷却通道，液氮冷却模具技术在铝型材挤压生产中的应用是可行的；

（2）液氮通道开度达到70%时，模具温度显著

下降，挤压速度最高提速可达37．5%，出料口型材降温幅度达到最大4．6%，大大提高了铝型材挤压生产效率；

（3）液氮气化后形成惰性保护，显著提高了型材表面光洁度。

参考文献：

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（2）：

43－44．

上海飞机公司引进2台靠模铣床

据国外媒体报道，上海飞机公司（ShanghaiAircraft）2010年4月份从马格·美利坚斯公司（MAGAmeri-cas）引进2台HypermachTMH4000式靠模铣床，可将铝合金厚板与锻件铣削成高度仿真的净尺寸的ARJ21支线客机（RegionalAirlier）零部件，

该机是中国自行设计制造的大型现代化客机。

ARJ21-700是一款中程，90座的支线机，是中国航空市场的有自主知识产权的客机，由中国航空工业第一集团公司（中国一航）自主开发生产。

该机于2007年12月在上海飞机公司实现总装下线。

我们知道，飞机性能的改进有2/3靠材料，因此材料的先进性在相当大的程度上决定了飞机的性能。

在ARJ21-700支线客机中铝制零部件的质量占飞机自身质量的73%强，

由此可见铝及铝合金在飞机制造中的作用。

为了取得适航证，中国制造的ARJ21-700支线客机的原型机及适航机所用铝材及紧固件全部由美国铝业公司提供，同时美国铝业公司的一些精英工程师参与了ARJ21的研制，给予了上海飞机公司一定的技术支持。

美国铝业公司嗳荷华州达文波特（Davenport）轧制厂为制造ARJ21客机提供了高强度、高抗蚀的及高耐损伤性的2ˑˑˑ系、

7ˑˑˑ系铝合金等薄板及厚板，用于制造机身及机翼等；铝型材由该公司设在印第安纳州拉斐特（Lafayette）厂、亚利桑那州尚德勒（Chandler）厂及韩国长元（Changwon）厂提供，用于制造机翼、机身长桁、地板梁和座椅滑轨等；引擎螺母、螺纹件、螺栓等紧固件是美国铝业公司设在中国苏州的两个紧固件厂生产的，该机装有美国通用电气公司（GE）的两台CF34-10A型发动机（引擎），它们与机翼的连接就是由这些紧固件完成的。

ARJ21客机取得适航证后，中国产的铝材用量会逐年增加，估计到2020年，铝材的国产化率可超过60%。

（王祝堂）