在常規(guī)的鋁及鋁合金熱擠壓過(guò)程中，由于擠壓過(guò)程中變形溫度的不斷提高，導(dǎo)致金屬材料在擠壓的整個(gè)過(guò)程中，其出?？诓煌课坏膶?shí)際溫度產(chǎn)生較大的波動(dòng)。?？诓煌糠值臏囟炔睿瑫?huì)引起制件斷面上的組織性能不均勻，甚至產(chǎn)生扭曲、裂紋等較嚴(yán)重的缺陷。整個(gè)擠壓過(guò)程中?？诟浇臏囟茸兓?，會(huì)引起制品頭尾組織性能不均勻，而等溫?cái)D壓是解決這一問(wèn)題最好的方式。

等溫?cái)D壓的特點(diǎn)就是要確保在整個(gè)擠壓過(guò)程中，模孔附近變形區(qū)金屬的溫度始終保持恒定或基本恒定，盡量保持金屬變形抗力和金屬流動(dòng)的均勻性，使?？椎膲毫Σ蛔兓蚧静蛔?，從而獲得較高的擠壓速度，同時(shí)擠壓型材的形狀與尺寸精確、組織與性能沿?cái)嗝婧烷L(zhǎng)度方向均勻性也獲得提高．因此，實(shí)施等溫?cái)D壓，對(duì)提高鋁合金擠壓制品的生產(chǎn)率與質(zhì)量均具有十分重要的意義．

1 鋁型材等溫?cái)D壓的實(shí)現(xiàn)方式

為保證等溫?cái)D壓生產(chǎn)條件，目前主要有三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，一是對(duì)鑄錠采用梯度加熱或進(jìn)行梯度冷卻，通過(guò)鑄錠溫度梯度來(lái)補(bǔ)償擠壓的溫升，實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓；另外一種是使用溫度-速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)出口溫度的精確測(cè)量并實(shí)時(shí)反饋用于控制主缸的擠壓速度，實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓；第三種是通過(guò)擠壓參數(shù)的熱-力耦合仿真，即對(duì)擠壓過(guò)程的速度、溫度參數(shù)進(jìn)行熱-力耦合仿真，用熱-力耦合仿真的溫度-速度曲線，對(duì)擠壓速度進(jìn)行控制^[1-3]。

通過(guò)典型的擠壓成形極限圖可看見(jiàn)等溫?cái)D壓的影響：擠壓一個(gè)給定產(chǎn)品的能力在左面受到所需壓力的限制，在右面受到合金表面質(zhì)量曲線的限制。整個(gè)鑄棒必須以同一溫度擠壓（即圖1中箭頭所示位置），才能達(dá)到最大的擠壓速度，由此我們可以看到等溫?cái)D壓對(duì)擠壓速度有多大影響。

2 國(guó)內(nèi)外等溫?cái)D壓技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 出口溫度-擠壓速度閉環(huán)控制系統(tǒng)

自上個(gè)世紀(jì)九十年代開(kāi)始，國(guó)外一些大的鋁加工公司研制不斷開(kāi)發(fā)出各種類(lèi)型的等溫?cái)D壓控制系統(tǒng)，如1995年開(kāi)始愛(ài)爾蘭Optalex公司推廣其研制開(kāi)發(fā)的Optalex恒溫?cái)D壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一套通過(guò)對(duì)型材出口溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋并調(diào)整擠壓速度的溫度-速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，由丹麥阿列羅得市（Alleroed）阿盧馬克公司（Alumac）開(kāi)發(fā)，目前已在國(guó)外美鋁（Alcoa），加鋁（Alcan）、阿爾瑪格（Almag）等一批世界頂級(jí)鋁型材擠壓生產(chǎn)廠商中安裝，其與普通等速擠壓對(duì)比示意圖如圖2所示。

從圖2可以看出，在普通擠壓條件下，主缸速度是基本恒定的，而出口溫度會(huì)隨著擠壓的進(jìn)行不斷升高，直至一個(gè)擠壓周期的結(jié)束，而等溫?cái)D壓過(guò)程則是出口溫度基本恒定，主缸速度成曲線變化，并可節(jié)約擠壓時(shí)間10%-30%，據(jù)報(bào)道該系統(tǒng)恒溫控制精度達(dá)到±3℃，可使單臺(tái)擠壓機(jī)產(chǎn)量提高10%-20%，廢料減少2%-5%，大大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 擠壓參數(shù)的熱-力耦合仿真

由德國(guó)SMS公司開(kāi)發(fā)的CADEX系統(tǒng)，是基于擠壓熱-力耦合仿真的等溫?cái)D壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)被用于該公司的擠壓生產(chǎn)中。該系統(tǒng)的基本工作原理為:對(duì)擠壓坯料進(jìn)行均勻加熱，測(cè)量其進(jìn)入擠壓機(jī)前的溫度，并作為系統(tǒng)的輸入溫度，根據(jù)熱-力耦合仿真的溫度-速度曲線與輸入溫度參考值，對(duì)擠壓速度進(jìn)行控制。

早期的CADEX系統(tǒng)，不帶有出口溫度的測(cè)量裝置，完全基于擠壓熱-力耦合仿真的結(jié)果，之后，SMS 公司對(duì)CADEX系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出了CADEX2 系統(tǒng)。該系統(tǒng)裝設(shè)了光學(xué)高溫測(cè)溫儀，用于監(jiān)測(cè)坯料的入口與出口溫度，還裝設(shè)了一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于記錄擠壓力、擠壓速度等參數(shù)，系統(tǒng)用于擠壓均勻加熱的坯料與梯溫加熱的坯料。

2.3 國(guó)內(nèi)等溫?cái)D壓研究

國(guó)內(nèi)鋁擠壓始于20世紀(jì)五六十年代，從九十年代初期開(kāi)始鋁型材擠壓進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)代，然而，雖然我國(guó)鋁擠壓機(jī)臺(tái)數(shù)量多，但擠壓機(jī)自動(dòng)化程度低，絕大部分?jǐn)D壓機(jī)還是依靠工人根據(jù)表面質(zhì)量狀況憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)擠壓速度，國(guó)內(nèi)部分鋁擠壓企業(yè)引進(jìn)了出口溫度紅外線測(cè)溫系統(tǒng)，但主要用于出口溫度監(jiān)測(cè)，沒(méi)有進(jìn)行信號(hào)反饋用于控制擠壓機(jī)主缸速度。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在模擬等溫?cái)D壓領(lǐng)域也進(jìn)行了一些探索^[5-12]，但大多是通過(guò)數(shù)值模擬或者理論計(jì)算結(jié)果開(kāi)展進(jìn)行的，與實(shí)際情況有一定差距。2008年在廣東省財(cái)政支持下，鳳鋁等企業(yè)聯(lián)合北京科技大學(xué)等高校一起進(jìn)行了等溫快速擠壓系統(tǒng)裝備與工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)，其基本設(shè)想是設(shè)計(jì)三重閉環(huán)控制系統(tǒng)：主缸速度-出口溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)、液氮流量-出口溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)以及鑄錠溫度-梯度冷卻水量閉環(huán)控制系統(tǒng)，并將三重閉環(huán)控制系統(tǒng)在一個(gè)控制器上系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)等溫快速擠壓。

研究擠壓溫度、擠壓速度、模具溫度等工藝參數(shù)對(duì)型材出口溫度的影響規(guī)律，并通過(guò)數(shù)學(xué)回歸建立等溫?cái)D壓自動(dòng)控制模型，是實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。為了設(shè)計(jì)以上系統(tǒng)，首先對(duì)于擠壓過(guò)程中在不同的擠壓比，不同的擠壓溫度以及模具溫度條件下的出口溫升，模具溫升等參數(shù)進(jìn)行了采集，以鳳鋁公司的8884A型號(hào)和51P08作為參考型號(hào)，在800T擠壓機(jī)上的溫升采集數(shù)據(jù)結(jié)果表明：在不同擠壓速度（擠壓機(jī)主缸速度6、8、10mm/s）、不同坯料溫度（480、500、520℃）和不同模具溫度（420、450℃）條件下，擠壓溫度在擠壓開(kāi)始的20mm行程內(nèi)陡然升高75~100℃，隨后趨于平穩(wěn)，而在尾部50mm范圍內(nèi)則略有下降；擠壓速度越快則擠壓溫升越高，而坯料溫度越高則擠壓溫升越小，在較高擠壓速度（擠壓機(jī)主缸速度10mm/s）下，模具溫度越高則擠壓溫升越高，而在較低速度（6、8mm/s）下，模具溫度未出現(xiàn)明顯影響。

通過(guò)以上對(duì)擠壓溫升影響因素的分析，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸建立6063鋁合金型材出口溫升數(shù)學(xué)模型，對(duì)實(shí)現(xiàn)速度-溫度閉環(huán)控制的等溫?cái)D壓具有十分重要的指導(dǎo)意義，項(xiàng)目合作單位北京科技大學(xué)在前期數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了回歸分析，得出擠壓出口溫升數(shù)學(xué)模型為^{[13 ]}：

式中 ，

    ，

利用回歸所得經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)不同工藝條件的擠壓出口溫升進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相符，誤差小于±10%。圖3為坯料溫度480℃、擠壓速度10mm/s、模具溫度420℃時(shí)，擠壓溫升模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖，圖中出口溫升實(shí)測(cè)值與計(jì)算值是較為符合的，因此該模型可用于實(shí)際生產(chǎn)中型材出口溫升的預(yù)測(cè)。

圖3 擠壓機(jī)出口溫升計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較

在此研究基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了等溫?cái)D壓控制系統(tǒng)，其控制軟件界面及控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖4和圖5所示。

本系統(tǒng)中，基礎(chǔ)自動(dòng)化采用SIEMENS SIMATIC S7-200 PLC和高檔HMI，完成溫度采集、跟蹤、邏輯控制和主缸速度控制；PLC系統(tǒng)通過(guò)I/O口、以太網(wǎng)與人機(jī)接口畫(huà)面相連接，獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)和控制命令，并通過(guò)I/O對(duì)閥門(mén)進(jìn)行相應(yīng)控制，如開(kāi)閉、調(diào)節(jié)、啟停、速度控制等；HMI工作站選用Pentium IV標(biāo)準(zhǔn)配置并與PLC通訊，完成模型設(shè)定、數(shù)據(jù)處理、流程顯示、報(bào)警/報(bào)表等工作,目前，該系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入調(diào)試階段。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了鋁等溫?cái)D壓的實(shí)現(xiàn)方式，重點(diǎn)介紹了鋁合金等溫?cái)D壓技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，特別是國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀，以期為該項(xiàng)課題研究提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。等溫快速擠壓對(duì)于制品尺寸精度控制，機(jī)臺(tái)生產(chǎn)效率的提高都有極大的意義，也是目前國(guó)內(nèi)外擠壓技術(shù)的主要差距之一，國(guó)內(nèi)應(yīng)該加大該技術(shù)與裝備的攻關(guān)力度，盡快實(shí)現(xiàn)該裝備與技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用。