广西南南铝加工有限公司 530031
摘要：挤压筒加热控制系统是制造铝合金挤压材，特别是铝合金型材生产的关键技术，不仅影响产品的质量、生产效率和交货周期，而且也是决定产品成本的重要因素之一。本文结合挤压筒加热系统的相关理论，主要分析了等温挤压的实现方法，旨在为实现挤压筒温度均衡提供参考。
关键词：挤压筒加热；控制系统；控制
前言
提高工模具质量和使用寿命是一个巨大的系统工程，其影响因素很多，而挤压筒加热系统优化设计是诸多因素的前提与基础。为了高速、优质、低成本、低能耗、高效益、环保安全地生产铝合金挤压产品，需要保证铝合金挤压筒锭坯温度在工艺要求范围内，否则温升斜率过大与受热不均，挤压筒容易出现外套开裂问题，温升斜率过小，产品生产效率则会降低。因此需要加强挤压筒温度控制的研究。
1挤压筒加热系统概述
1.1挤压筒结构形式
挤压筒是用来容纳高温金属坯料的，在整个挤压过程中，承受着高温、高压、大摩擦和复杂状态应力的作用。挤压简通常都是由两层或两层以上的衬套，以过盈配合热装组合在一起构成的。挤压筒做成多层的主要原因是为了改善挤压筒的受力条件，使作用在挤压筒壁上的应力分布均匀并降低拉应力的峰值，增加承载能力，延长其使用寿命；当挤压筒磨损或变形后，只需要更换内衬套而不必换掉整个挤压筒，从而可减少昂贵的工具材料的消耗；可以根据挤压筒不同衬套的工作条件和受力状况，选用不同的材料，减少昂贵工具材料的用量，从而降低工具的成本。另外，由于每层套的厚度和质量减小，便于工具材料的熔炼、锻造、加工和热处理，有利于保证质量，电使材料的选择具有更大的灵活性和合理性。
挤压筒衬套的层数应根据挤压时其工作内套所承受的最大单位压力来确定。在工作温度条件下，当最大应力不超过挤压筒材料屈服强度40%～50%时，挤压筒一般由两层套组成，即内衬和外套：当应力超过材料屈服强度的70%时。应由三层套或四层套组成。随着层数的增多，各层的厚度变薄。由于各层套间的预紧压应力作用，使得应力分布越趋均匀，拉应力峰值下降[1]。
1.2挤压筒加热现状
为了使金属流动均匀和挤压筒免受过于剧烈的热冲击，挤压筒在工作前应进行预加热，在工作时应保温。预加热与保温的温度应基本接近被挤压金属的温度，挤压铝合金为450～500℃，加热的方法有：
1）开始挤压前，把加热好的铸锭放入挤压筒内，或用特制的加热器从简内加热。
2）在挤压筒加热炉内加热。
3）用电阻元件从挤压筒外部加热。
4）用预先设置在挤压筒中间的加热孔进行电阻加热或感应加热。
目前，一般采用装在挤压筒衬套中的电感应器加热和电阻丝外加热器加热两种方式对挤压筒进行保温加热。近年来，为了更精确控制挤压筒和铸锭温度，研发出了分区控制电阻加热法，如图1所示。
图1挤压筒分区控制电阻加热法简图
（a：接线图；b：电阻丝分区布置图；1：外套；2：中套；3：内套）
2挤压筒加热系统优化设计
挤压过程的基本工艺参数是挤压温度和挤压速度，二者构成了挤压过程控制中十分重要的条件。挤压过程中的温度控制最关键的是控制金属出模孔时的温度均匀一致，即实现等温挤压，才能保证制品的质量并提高生产效率。实现等温挤压的方法主要有四种：对坯料进行梯温加热、控制工模具温度、调整挤压速度、实现温度和挤压速度闭环控制[2]。
2.1对坯料进行梯温加热
所谓梯温加热，是指坯料加热后在其长度或断面上存在温度梯度。最常采用的是沿坯料长度上的梯温加热。由于在挤压过程中的机械能转换为热能，摩擦生热引起的热量增加未能及时散发出去。导致挤压过程中变形区中的温度逐渐上升，从而使制品出模孔处温度也逐渐上升。正如前面所分析的，由于温度的逐渐升高，造成制品沿长度方向上的前后尺寸不一致，组织性能不一致，易造成表面粗糙甚至产生裂纹。使得挤压速度降低而影响生产效率。为此，可对坯料进行梯温加热，使其前端(靠向模子端)的温度比后端高出一定的值，就可以使挤压过程中变形区中的温度变化不大。
确定梯温加热制度时，应考虑被挤压金属与工具材料的导热性能、金属允许的加热温度范围、坯料的长度与直径之比，以及在空气中的冷却时间等的影响。
2.2控制工模具温度
在正向挤压过程中。坯料与挤压筒之间的相对运动产生了摩擦热。为了减小摩擦热对制品出模孔温度的影响，可对挤压筒进行分段加热与冷却。挤压筒分段加热一般采用电阻式加热。电阻加热分为四层，即 层、加热层、空气层、挤压筒。挤压筒分段加热是轴向两个加热区域经过合适的转换，得到3个能够单独控制的加热区域。经过垂直方向的再分。得到6个不同的加热区域。同时。在挤压筒内衬上开有螺旋槽，通压缩空气对挤压筒内衬进行冷却。
2.3调整挤压速度
挤压速度快时，变形剧烈，产生的热量由于不能及时地通过工具等散发出去而导致变形区温度升高。相反，当挤压速度慢时，坯料散发的热量由于不能及时地由变形产生的热量来补充而导致变形区的温度下降。因此，可以通过调整挤压速度来控制变形区内的金属温度。
2.3.1根据制品表面质量调整挤压速度
根据制品表面质量调整挤压速度是传统的做法，即操作人员通过对挤出制品表面质量的观察，判断挤压速度是否过快或过慢，来决定是否调整挤压速度。这种方法的主要缺点是存在着滞后性。由于制品从模孔流出到进入出料台能够让人用肉眼观察到有一段距离，一旦发现制品表面出现裂纹时，实际上已经有一段长度了，加上调整过程，使得产生裂纹的部位更长。在通常情况下，挤压裂纹的出现大部分是在挤压过程的中后期，由于变形区温度的逐渐升高而造成。当从开始发现裂纹到调整结束不出现裂纹，挤压筒内剩余的坯料长度已经很短，挤出的无裂纹制品的长度也就很短，给下道工序加工造成困难，或不能作为成品交给用户而常常成为废品，使成品率降低。为了防止出现裂纹，多数操作者往往会采用较低的挤压速度，而不是最合适的速度，使生产效率降低[3]。
2.3.2模拟等温挤压
根据大量实际生产数据进行统计分析，找到挤压速度与制品出模孔温度的关系和挤压过程中出模孔温度的变化规律，用有限元软件对挤压过程进行数值模拟，通过边界条件的改变即挤压速度的变化。分析变形过程中的温度场，模拟出变形区出口处温度恒定的挤压边界条件，用软件的后处理功能，获得等温挤压的速度曲线，然后输入到电气系统中的PLC进行速度设定，调整液压系统中的变量泵，使挤压速度按获得的等温挤压速度曲线进行挤压，其过程如图2所示。采用这种方法挤压硬铝合金时，可使挤压机生产效率提高20%，成品率提高5%。
温度和挤压速度闭环控制充分利用了机械工程的方法．来满足材料工程的要求．可以对任何材质和不同截面形状的制品．实现挤压过程的优化。对于所要求控制的变形区出口温度，由控制模块根据上次挤压过程的速度，在此次测量的坯料加热温度、挤压筒温度、挤压比、制品表面质量和几何尺寸等的基础上，通过计算机有限元分析软件获得保证制品出模孔温度恒定的挤压速度曲线．然后将此挤压速度曲线送入PLC进行速度设定．液压系统的比例变量泵根据PLC的控制要求．控制挤压机按照所获得的速度曲线进行挤压。挤压开始后．挤压机上测定挤压位置的位移/速度传感器，向控制模块反馈挤压速度．同时，安装在挤压机前梁出口处的多波长红外测温仪将检测到的挤压制品出模孔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。如果制品出模孔温度高于所要求的温度．则根据反馈信号由控制模块指挥降低挤压速度；反之则控制升高挤压速度，从而保证制品出模孔时的温度差在规定范围内。
结语
总的来说，要保证挤压机高效率、高可靠性的生产运行，就必须要合理控制挤压筒加热系统，确保其内部热量均衡，防止挤压筒过热，这样才能在具体实践中取得良好的经济效益。
参考文献
[1]杨文一,张亦工,魏敬忠.挤压筒加热及温度控制问题的探讨[J].锻压技术.2015(02).
[2]秦月明.挤压筒分区加热控制系统的设计[J].锻压装备与制造技术.2014(01).
[3]黄鲲鹏.1250t铜挤压机挤压筒感应预热电路结构改造[J].电工技术.2015(02).
作者简介
黄震宇（1986.12-），男，广西南宁人，大学本科，从事电气专业工作。
论文作者:黄震宇
论文发表刊物:《基层建设》2017年第12期
论文发表时间:2017/8/11
标签：温度论文; 速度论文; 坯料论文; 制品论文; 应力论文; 裂纹论文; 衬套论文; 《基层建设》2017年第12期论文;