中国国际铝工业展览会|浅谈工业铝型材等温挤压技术的研究进展
今天中国国际铝工业展览会小编来简单聊一聊工业铝型材等温挤压技术的研究进展。
工业铝型材在交通运输、航天航空、工业机械电子设备等领域的应用逐年上升,其中交通运输用工业型材占有较大比重。随着交通运输业的轻量化、高速化和环保化,发展工业铝型材已势在必行交通运输用型材的长度常达 15 m~30 m,对型材的形状与尺寸精确性、组织与性能沿断面和长度方向均匀性有较高要求,进行此类工业型材的挤压生产时,须保持型材出口温度恒定。在常规的铝合金热挤压过程中,金属的温度和变形是很不均匀的，可能导致产品发生尺寸、形状、组织和性能等质量方面的缺陷,等温挤压是减少或消除这些缺陷的理想方法等温挤压是指铝型材在恒定出口温度(一般相差士10°C)的情况下挤压成形,其特点是在挤压过程中,模孔变形区金属的温度始终保持恒定,保持金属变形抗力和流动的均匀性。挤压型材的出口温度既是决定产品质量的关键因素,也是制约挤压速度的决定因素。
1、中国国际铝工业展览会浅谈等温挤压的原理
实现等温挤压的理论基础是挤压极限图。挤压极限图描述了挤压温度(T)、挤压速度(V)挤压能力(P)与制品表面质量( Q)之间的关系,如图 1所示。挤压极限图包含两条极限曲线,一条为挤压能力极限曲线,当(T,V)位于挤压能力曲线之上的阴影区时,不能实现挤压;另一条为挤压制品表面产生缺陷的极限曲线,当(T,V)位于挤压制品表面质量曲线之上的阴影区时,制品表面将出现裂纹、粘接等缺陷。两条曲线之间的窗口提供了相应制品挤压的(T,V)可行范围,当(T,V)位于等温挤压区时,在相同的挤压温度下,其挤压速度较传统挤压区的高得多,且同时能避免制品表面产生缺陷。在两条曲线的交点上,提供了理论上制品的最大挤压速度与最佳出口温度。
2、中国国际铝工业展览会浅谈等温挤压的实现方法
实现等温挤压的方法包括铸棒的梯温加热或冷却、挤压参数的热-力耦合仿真温度-速度闭环控制等。不同方法各有优缺点，各方法之间相互组合可获得最佳效果。
2.1 铸棒的温度梯度加热或冷却
铸棒温度梯度实现的原理是铸棒半径上的温度很快相等,而铸棒轴向的温度梯度可保持几分钟基本的热传递方程式表明,固体的热传递速率与距离的平方成反比,对于一根长径比为 4 的铸棒,径向热传递速率约是两端部的 64 倍。铸棒的梯度加热是指在铸棒装入挤压机之前,在其长度方向上形成一个温度梯度。由于铝合金导热系数大,采用常规燃料加热方法很难在铸棒内产生精确的温度梯度,并且无法保持该梯度,因此,须采用电磁感应加热系统,其加热方式为对铸棒的一端进行加热,或者对铸棒进行分段加热。
电磁感应梯度加热的缺陷是电能消耗大,成本过高,采用燃气炉均匀加热配合挤压前梯度水冷有望解决此难题。铸棒穿过梯度水冷装置,通过改变铸棒穿过水冷装置的速度和施加的水量来对温度梯度进行控制国外如美国的 GRANCO CLARK 公司开发了铸棒梯度水冷装置,并申请了专利保护。因此,采用梯度加热或冷却技术,合理设计铸棒的温度梯度,可以提高挤压速度挤压过程近似于等温挤压。
2.2 压参数的热-力合仿真
挤压速度控制是铝型材出口温度保持恒定的关键因素。湖南大学 Li Luo Xing 等通过对挤压过程的速度、温度参数进行热-力耦合仿真，并考虑摩擦热传导等因素的影响,再依据热-力耦合仿真的温度速度曲线对挤压速度进行控制,实现了近似等温挤压。这种方法无需对挤压型材进行温度测量,而是通过对挤压型材预先的仿真计算,给出挤压型材的温度-速度曲线及输入温度参考值,预测出挤压型材的最高出口温度,作为挤压型材优化的出口温度值值得指出的是,对于不同合金或不同断面形状型材需要分别建立仿真系统采用挤压热-力耦合仿真系统实施等温挤压,硬件花费少,对现有的工艺、设备改动很小,等温挤压系统容易建立,而挤压型材的产量与质量都能得到一定的提高。但该系统也有不足之处,因系统是否真正处于等温挤压状态,是否达到最大的挤压速度取决于挤压热-力耦合仿真系统的仿真精度,可是在挤压前并未得到充分证实。此外,对于一些非正常停机、更换挤压模时,其温度的随机变化情况,该等温挤压系统也很难处理。
2.3 温度-挤压速度闭环控制
随着测温技术的发展特别是非接触反射式红外测温技术的出现为实现铝型材出口温度的精确测量提供了可靠的保证7,使铝型材等温挤压技术有了新进展,出现了温度-挤压速度闭环控制的等温挤压技术。该技术主要通过 PLC 控制系统来实现首先经有限元分析获得等温挤压速度曲线,然后将此挤压速度曲线送入 PIC 控制系统进行速度设定挤压开始后,通过位移-速度传感器向控制模块反馈挤压速度，同时,通过红外测温仪检测到的型材出口温度也反馈给控制模块，控制模块根据反馈信号与所要求信号重新计算实时调整挤压速度并修改挤压速度曲线。温度-挤压速度闭环控制系统示意图如图 2 所示,采用此系统,挤压型材的出口温度差异可控制在士10℃内。温度检测系统和挤压过程自动控制系统是实现温度-挤压速度闭环控制的关键技术,目前国外一些大型铝企业如 Alcoa_Alcan 等已掌握此类技术,但在国内,尚处于起步阶段。采用闭环控制等温挤压系统,挤压生产率可提高10%~20%;成材率可提高 10%~15%;挤压型材的质量更加均匀;特别是对挤压系统随机的温度变化,挤压机未达到热平衡状态等情况,能够给予及时的补偿;此外,系统安装时挤压机不需要专门的停机时间.但是,闭环控制等温挤压系统也有不足之处,设备投资费用大;用新模时,需要进行试挤压才可获得温度控制的目标值,系统不能自动获取所需温度控制目标值与挤压速度极限值。
3、中国国际铝工业展览会浅谈等温挤压的关键技术
3.1 型材表面温度测量技术
等温挤压的实现离不开响应速度快与精度高的测温技术。目前,应用较广泛的是非接触式红外测温技术。
(1)测温方法的选择。由于型材表面热辐射强度低,通常情况小于0.1,因此要求测温系统对这种低辐射能量有足够的敏感性，一般常采用双波长辐射测量方法。双波长辐射测量可根据相邻两波长辐射率的比值进行测温该比值在测量过程中须保持不变，当合金成分或型材断面形状发生改变时，比值将发生变化，须对测温系统重新进行标定，因此，采用双波长辐射测温时,须建立合金及目标产品的双波辐射率比值数据库。
(2)辐射特性的识别与处理。由于挤压型材的合金成分、表面状态、截面形状以及模孔排列方式不同,会造成辐射系数的变化,测量系统须设定对合金及表面形状变化时辐射程度变化的识别与处理模块，以避免对系统重新进行标定。
(3)辐射环境误差的修正。由于铝型材辐射率低而反射率高,同时外部环境如模具、照明、水雾等均会造成反射率变化,从而导致被测表面辐射率增强的现象。因此,需要对测温装置的放置位置、测温处的保护措施进行考虑。
3.2 等温挤压控制建模技术
挤压建模技术应主要考虑建立不同条件下的非稳态变形场-速度场耦合FEM 模型,包括挤压工具与挤压件的热传导关系、挤压工具及挤压件与环境间的热对流关系、边界摩擦与塑性变形功的热生成关系、挤压件速度场与温度场间的耦合关系、复杂断面挤压建模等
20 世纪 90 年代初,报道了解析法建立挤压模,采用上限法分析轴对称挤压变形区的变形演化过程、计算非稳态挤压变形场等。但此方法忽略了挤压工具的影响,挤压件的几何形状相对简单,计算方法的精度受到速度场设定条件的限制,对变形区深入的变形演化研究还不够充分。有限元法(FEM)解决了上述难题,该方法主要包括挤压变形场的 FEM、温度场-变形场的热力耦合 FEM、合金的组织与性能仿真FEM 等。Lee 等建立了稳态挤压的FEM 模型,该模型考虑了边界摩擦条件及温度对变形的影响,并对温度场与速度场进行了耦合分析Bill 等研究了还料的梯度加热模型,建立了基于傅立叶热传导理论的坯料梯度加热三维热传导方程,由方程获得一个解析解,同时用 FEM 给出了梯度加热的温度分布图。
目前欧洲、美国和日本的挤压工厂与大学及研究院合作，利用有限元分析软件 MARC、DEFORMFORGE 等对挤压过程的建模进行深入研究，但从目前发表的论文和会议交流信息看,FEM 技术在挤压工艺中的应用,特别是针对具体的复杂型材挤压工艺,还有一些问题呕待解决。
4、中国国际铝工业展览会浅谈等温挤压技术的国内外应用现状
在国外,等温挤压系统的开发及应用报道较多20世纪90 年代中期,爱尔兰Optalex 公司开发了Optalex 等温挤压系统,该系统安装了红外线测温仪,并带有反馈系统。美国的 Wells 公司和Wermer 公司在25 MN 22.5 MN 挤压机上安装该系统,提高了挤压生产率,如表1所示:同时,型材的形状、尺寸公差更容易控制、合金组织与性能更均匀。德国 SMS 公司开发了基于热-力耦合仿真的 CADEX 等温挤压系统,早期的 CADEX 系统不带有出口温度的测量装置,完全基于挤压热-力耦合仿真的结果.之后,SMS公司对 CADEX系统进行改进,开发出了带红外测温仪的 CADEX2系统，该系统被用于SMS 公司的挤压生产后,生产率提高 10%。
在国内，相关研究主要集中于模拟等温挤压系统开发及应用方面。20 世纪 90 年代中期，国内高校开发了铝型材挤压平模及分流组合模 CAD/CAM系统,该系统根据坯锭温度、尺寸和力学性能等参数制定出挤压速度引导曲线,实际挤压速度跟踪此曲线以达到近似的等温挤压。由于速度的调节基本采用人工手动调节,且制定的速度曲线精度不高,这些系统的适用性与实用程度还不高。近年来,李落星等开发基于数值模拟的高强铝镁合金等温挤压系统,该系统应用于生产实际,提高了产品质量及挤压效率;广东省于 2008 年制定了首部铝工业技术路线图,将等温挤压技术开发定为顶级项目,并联合广东兴发铝业有限公司、广东凤铝铝业有限公司、广东豪美铝业有限公司、北京科技大学、中南大学、广东工业大学、广州有色金属研究院共同进行研究开发。
5、结语
虽然中国目前工业铝型材仅占铝型材的 25%,但其所占比例将逐步上升。建立等温挤压技术与装备成为铝型材行业内解决的共性技术问题,该技术的实施将全面提高铝型材挤压生产效率。中国国际铝工业展览会小编觉得，提升铝型材生产综合实力水平,为开发高性能工业铝型材打下良好的基础，是铝型材行业升级的重点工程，产业化前景广阔。
文章来源：铝高端制造