隨著鋁合金型材在建筑、電子、汽車和軌道交通等方面的應(yīng)用日漸增加，鋁合金型材的形狀也日趨多樣化和復(fù)雜化。某些形狀的鋁型材會給擠壓生產(chǎn)帶來一定的困難，如圖1和圖2所示A、B兩款型材，屬于形狀不對稱且壁厚不均，不僅擠壓出料存在困難，而且鋁型材冷卻后會產(chǎn)生彎曲，影響鋁型材矯直質(zhì)量。

兩款形狀不對稱壁厚不均的鋁型材

1 原理

我們對類似鋁型材進(jìn)行了大量的觀察，發(fā)現(xiàn)在目前的冷卻方式和條件下，鋁型材正常出料后在冷床上冷卻，數(shù)分鐘后就會出現(xiàn)型材向空心部位或壁厚較厚的部位彎曲的現(xiàn)象，如圖3和圖4所示。

鋁型材正常出料后在冷床上冷卻后彎曲現(xiàn)象

這種冷卻后產(chǎn)生彎曲的過程，可分為以下幾個階段[1]：

（1）鋁型材薄壁部分溫度下降快，先產(chǎn)生收縮力，厚壁部分或空心管部分溫度下降慢，幾乎沒有收縮力；

（2）薄壁部分截面積較小，產(chǎn)生的收縮力較小，或被牽引機(jī)牽引力消除；

（3）鋁型材離開牽引機(jī)，溫度繼續(xù)下降；

（4）鋁型材厚壁部分或空心管部分截面積較大，隨著溫度下降逐漸產(chǎn)生較大收縮力，薄壁部分溫度已大幅下降，不再產(chǎn)生收縮力或收縮力較?。?/p>

（5）鋁型材截面上受到的收縮力大小不均，型材沿?cái)D壓方向往厚壁部分或空心管部分彎曲。

2 試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方案

根據(jù)以上的原理分析，我們設(shè)計(jì)和使用高壓氣霧噴嘴，對鋁型材A和鋁型材B在出料口進(jìn)行如圖5和圖6所示的局部冷卻，使鋁型材整體冷卻速度趨于同步和均勻。具體試驗(yàn)條件如表1~表3所示。

表1  試驗(yàn)型材條件

Table 1  The conditions of the test profiles

表2  普通冷卻條件

Table 2  The conditions of the normal cooling

表3  局部冷卻試驗(yàn)條件

Table 3  The conditions of the partial cooling

我們使試驗(yàn)鋁型材分別在普通冷卻條件和局部冷卻條件下進(jìn)行冷卻，測量鋁型材在離開牽引機(jī)進(jìn)入冷床時(shí)其各部位的表面溫度，并測量鋁型材在矯直前的彎曲程度（如圖3和圖4中所示尺寸H）。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1  表面溫度

經(jīng)過普通冷卻和局部冷卻兩種條件冷卻，鋁型材在離開牽引機(jī)時(shí)其各部位表面溫度如表4所示。

表4  鋁型材離開牽引機(jī)時(shí)各部位表面溫度

Table 4  The surface temperature of each section of the profile while it left the puller

由表4可知，在普通冷卻條件下，A、B兩款鋁型材在離開牽引機(jī)時(shí)，其厚壁部或空心管的表面溫度都比薄壁部的要高約70~100℃。而局部冷卻的方式，雖然沒有使用滑出臺的風(fēng)機(jī)冷卻，所以薄壁部的表面溫度比采用普通冷卻時(shí)的要高，但由于采用高壓氣霧噴嘴對厚壁部和空心管進(jìn)行局部冷卻，所以該部位的溫度較普通冷卻要低，甚至比同條件下的薄壁部的表面溫度更低。試驗(yàn)結(jié)果表面，局部冷卻的方式能夠有效調(diào)節(jié)鋁型材出料后的冷卻平衡。

其主要原因如下：

（1）普通風(fēng)冷條件下，鋁型材各部位與空氣接觸的換熱系數(shù)均相等，但由于壁厚或形狀不同，各部位的散熱速度不相等，所以，厚壁部或空心管的散熱速度比薄壁部慢[2]；

（2）采用局部高壓氣霧冷卻時(shí)，由于同時(shí)存在空氣和水兩種換熱介質(zhì)，且水的換熱系數(shù)比空氣大，所以能提高散熱速度；

（3）高壓空氣將水霧化，增加了水和型材接觸的表面積，同時(shí)破壞了水和高溫型材接觸時(shí)產(chǎn)生的蒸氣膜，提高了換熱效率[3]；

（4）高壓氣霧噴嘴具有較強(qiáng)的方向性，氣霧的夾角約為25°~30°，能夠?qū)崿F(xiàn)局部冷卻而不影響型材其它部位。

3.2  鋁型材彎曲程度

經(jīng)過普通冷卻和局部冷卻兩種條件冷卻，鋁型材矯直前的彎曲程度H的測量結(jié)果如表5所示。測量對比結(jié)果表明，在出料口進(jìn)行局部冷卻能有效地減小鋁型材在冷卻過程中的彎曲程度。

表5  鋁型材的彎曲程度H

Table 5  The bend degree of the profiles

其主要原因是鋁型材在出料時(shí)，厚壁部或空心管這種較難冷卻的部位被高壓氣霧急速冷卻，產(chǎn)生了較強(qiáng)的收縮應(yīng)力，薄壁部自然冷卻也產(chǎn)生一定的收縮應(yīng)力。雖然前者比后者的收縮應(yīng)力大，左右收縮應(yīng)力尚存在不平衡，但由于鋁型材受到牽引機(jī)的牽引，此不平衡的收縮應(yīng)力被牽引力所抵消。當(dāng)鋁型材離開牽引機(jī)時(shí)，鋁型材的整體溫度已下降至350℃左右，在冷床上采用風(fēng)冷所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力較小，左右兩邊的不平衡收縮應(yīng)力也較小。因此，當(dāng)鋁型材冷卻至室溫時(shí)的彎曲程度也較小。

4結(jié)論

文章介紹了鋁型材冷卻后產(chǎn)生彎曲原因，主要是由于鋁型材在冷卻后截面各點(diǎn)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力不平衡所致。而鋁型材截面各點(diǎn)的冷卻速度不均，是導(dǎo)致收縮應(yīng)力不平衡產(chǎn)生的主要原因。通過制作和使用高壓氣霧噴嘴，對鋁型材進(jìn)行局部冷卻，使鋁型材截面各點(diǎn)的冷卻速度和收縮應(yīng)力趨于平衡，最終減小鋁型材冷卻后的彎曲程度，提高鋁型材的矯直質(zhì)量。試驗(yàn)條件為鋁型材出口溫度，擠壓速度10~12m/min，高壓氣霧氣壓約0.4MPa、氣水混合比約5:1，水溫40~45℃，噴嘴數(shù)量1個。試驗(yàn)結(jié)果為鋁型材離開牽引機(jī)時(shí)其厚壁部或空心管表面溫度340~350℃，薄壁部表面溫度約370℃，冷卻后彎曲鋁型材的弧高H為200~250mm。

我們通過觀察鋁型材冷卻產(chǎn)生彎曲的現(xiàn)象，得出了產(chǎn)生該現(xiàn)象的規(guī)律及其原理，通過制作和使用專門的局部冷卻裝置，對兩款具有代表性的鋁型材進(jìn)行試驗(yàn)，最終得出以下結(jié)論：

（1）在普通風(fēng)冷的條件下，鋁型材會向冷卻較慢的部位產(chǎn)生彎曲，冷卻速度差異越大，彎曲程度越高[4,5]；

（2）采用高壓氣霧的冷卻方式，可有效加快鋁型材局部的冷卻；

（3）在鋁型材出料時(shí)對較難冷卻部位采用局部冷卻，使其與較易冷卻部位的冷卻速度相平衡，可減小鋁型材在冷床冷卻后的彎曲程度。