模具液氮冷却技术在铝型材挤压生产中的应用

梁奕清

（广东兴发铝业有限公司，广东 佛山 528137）

铝型材具有质轻、强度高、导电导热性好以及可回收再利用等诸多优势。近年来，基于社会的快速发展，建筑、交通运输、航空航天、电子通讯等领域中对其需求量持续增加。根据铝型材生产情况来看，挤压成形技术已经成为进一步提高铝型材挤压生产质量、延长模具使用寿命的一大核心问题。本文从模具冷却的角度展开分析，通过应用模具液氮冷却技术有效解决模具温升问题，改善铝型材表面质量，全面提高铝型材挤压生产效率与经济效益。

1 模具液氮冷却技术的提出

我国是铝加工、消费大国，据统计2020年铝加工材综合产量4210万吨，比上年增长5.0%，其中剔除铝箔毛料之后的铝加工材产量为3738万吨，比上年增长5.1%。从铝加工材品种来看（表1），铝挤压材占比最高，其次为铝板带材、铝线材、铝箔材等。

随着铝合金型材需求量的不断增加，对挤压生产技术提出了更高的要求，如何保障产品质量、提高生产效率、延长模具使用寿命成为当前亟待解决的问题。分析铝型材挤压生产过程可知，金属变形与摩擦将导致铝合金挤压温度持续增加，且随着挤压速度的增大，模具温度不断升高。然而，此种温升情况也给铝合金型材的挤压生产带来诸多不利影响，如：出料口高温型材在空气中出现氧化情况，导致型材表面光洁度受到影响。

针对此种温升问题，提出模具液氮冷却技术，其主要是通过带走多余热量，为挤压速度的增加提供温升空间，有效提高挤压生产效率与质量。

2 液氮冷却模具的基本原理

2.1 挤压温升原理

根据铝型材挤压生产过程来看，当铸棒经由模具挤压成型材时，由于如下因素导致“额外加热”情况的出现：①铸棒塑性变形热集中在模具附近；②挤压时型材表面与模具表面存在金属摩擦发热。此两种热源均位于模具附近，导致挤出型材出口温度超过铸锭加热温度，且模具的温度始终处于升高状态；当挤压速度过快时，型材极易出现表面缺陷，模具温度过高，导致模具使用寿命缩短[1]。由此挤压生产情况来看，控制额外加热，对模具进行有效冷却十分关键。

2.2 液氮冷却模具原理

液氮冷却模具，指的是在模具中设置液氮冷却通道，减小模具挤压过程中产生的过多热量，防止铝型材出现挤压缺陷。目前，液氮冷却模具技术主要分为三种：

（1）工作带冷却法：此方法将低温液氮直接通到模具工作带，然后通入模垫内环形槽，对出口型材进行保护，以免出现过度氧化的情况。此种液氮冷却模具的运用效果显著，可利用温度自动调控系统控制液氮供给量，有效维持模板温度，然而此系统复杂、成本偏高，在实际生产中应用较少。

（2）模外冷却法：此方法在模套上设置环形通道，并通入液氮，由此实现对模具径向表面的冷却，保证模具温度不超过既定温度。此模具简单，但是冷却效率相对较低。

（3）模垫冷却法：此方法主要是在模垫上的通道内通入低温液氮，并由型孔均匀喷出，实现对模具工作带出口部分的冷却，确保型材被氮气包裹，若干套模具可共用一套模垫。此种液氮冷却方法较为简单，且可有效防止型材表面氧化，目前已经成为实际生产中的常用方法。

3 液氮冷却模具在铝型材挤压生产中的应用要点

在铝型材挤压生产中，液氮冷却模具的应用必须注重冷却方式、液氮开度控制调节方式的选择以及液氮开度控制、挤压速度控制等，由此实现铝型材挤压生产温度的有效维持，并提高型材表面光洁度，减少质量缺陷。

3.1 冷却方式选择

基于上一章节分析可得，铝型材挤压实际生产中主要采用模垫冷却方法，技术可行且温度控制效果良好。在实际生产中，必须科学布设液氮冷却通道，如下图1所示的三种液氮通道设计图。

图1 三种液氮通道设计图

在此三种液氮通道中，以第三种为最优，液氮由最外层通入内层，整体流动更为均匀，然后再由型孔喷向型材表面、模具端面，有效避免出现局部过冷的问题，防止因局部温差过大导致变形扭曲。

3.2 控制调节方式选择

液氮冷却模具应用在铝型材挤压生产中时，液氮开度控制调节方式分为手动与自动两种，前者是由人工进行操作，根据测温仪（计）显示的出口处型材温度情况，人为确定挤压工作中控制阀单元开度与挤压时间对应的过程参数，此方法是开环控制，无法实现连续监控，对操作人员经验与操作能力要求较高；后者则是闭环控制，由红外测温仪实时监控模具出口型材温度，并及时反馈至控制装置，由控制装置自动分析温度情况并输出PID控制信号至控制阀单元，驱动阀单元动作增大/减小液氮开度，达到温度控制的目的[2]。

在上述两种方式中，铝型材挤压生产中往往以自动控制为主，实现挤压生产过程的连续监控，同时辅以人工控制，有效应对各种特殊情况，确保出口处型材温度始终可控。

3.3 液氮开度控制

铝型材挤压生产中，液氮开度控制情况直接影响液氮冷却模具的应用效果，开度大小决定着出口处型材温度[3]。从理论上来看，提高液氮开度可持续增强液氮冷却效果，降低出口处型材温度。但是从铝型材实际挤压生产情况来看，出于对冷却效果与经济性方面的考虑，只需将液氮开度维持在一个合理范围内即可。

以6063铝合金型材挤压生产进行试验，结果表明，通过液氮冷却模具的使用可显著降低出口处型材温度，由545℃降至511℃。在试验中，液氮开度40%时，与不通液氮时相比，出口处型材温度明显下降；液氮开度不断增加，出口处型材温度持续下降，冷却效果有效提高；液氮开度70%后，出口处型材温度下降不明显，若是继续增加开度，生产成本提高，但是冷却效果却未得到显著提高。因此，液氮冷却模具实际应用时，必须要做好相关试验分析，确定铝型材挤压生产过程中液氮开度参数，在合理控制成本的前提下，获得最佳的生产效果。

3.4 挤压速度控制

在铝型材挤压生产中，挤压速度不仅关系铝型材表面质量，也影响着企业生产效率。通过液氮冷却模具的应用为挤压速度的提升提供了可能[4]，根据6063铝合金型材挤压生产试验显示，与不通液氮时的挤压速度（0.2m/s）相比，挤压速度提升至0.3m/s，兼顾了型材表面质量与生产效率。

在铝型材实际挤压生产过程中，不同材料、生产条件也会对挤压速度产生影响，具体需考虑以下几点：①塑性变形情况：塑性越好的铝合金型材，挤压速度可设置得更高，如：6系铝合金型材；塑性较差的铝合金型材，挤压速度需适当放慢，如：2系、7系铝合金型材。②断面形状：在其他条件一致的情况下，圆断面型材可进行高速挤压，复杂形状断面型材尽量采取低速挤压方法，而对于薄壁管、非对称形型材，还需进一步降低挤压速度。③其他因素：正向挤压型材出模速度应低于反向挤压，通过润滑剂以及其他减小摩擦措施的使用可有效提高挤压速度。

4 结语

综上所述，随着我国各个行业对铝型材需求量的不断增加，对铝型材挤压生产效率、产品质量均提出了更高的要求。从铝型材挤压生产过程来看，温升是影响铝型材挤压生产的重要因素，通过液氮冷却模具的使用可实现有效冷却与型材保护，还可利用模垫冷却法的技术可行、经济性良好的优势广泛推广应用。模垫冷却法的实际使用中，还需根据铝型材挤压生产过程合理选择冷却方式、液氮开度控制调节方式，科学控制液氮开度、挤压速度，在合理控制型材生产成本的基础上，有效提高生产效率与质量，获得良好的综合效益。