在常規(guī)的鋁及鋁合金熱擠壓過程中，由于擠壓過程中變形溫度的不斷提高，導(dǎo)致金屬材料在擠壓的整個過程中，其出模口不同部位的實際溫度產(chǎn)生較大的波動。模口不同部分的溫度差，會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。整個擠壓過程中模口附近的溫度變化，會引起制品頭尾組織性能不均勻，而等溫擠壓是解決這一問題最好的方式。

等溫擠壓的特點就是要確保在整個擠壓過程中，?？赘浇冃螀^(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，同時擠壓型材的形狀與尺寸精確、組織與性能沿斷面和長度方向均勻性也獲得提高．因此，實施等溫擠壓，對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 鋁型材等溫擠壓的實現(xiàn)方式

為保證等溫擠壓生產(chǎn)條件，目前主要有三種方法來實現(xiàn)，一是對鑄錠采用梯度加熱或進行梯度冷卻，通過鑄錠溫度梯度來補償擠壓的溫升，實現(xiàn)等溫擠壓；另外一種是使用溫度-速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過出口溫度的精確測量并實時反饋用于控制主缸的擠壓速度，實現(xiàn)等溫擠壓；第三種是通過擠壓參數(shù)的熱-力耦合仿真，即對擠壓過程的速度、溫度參數(shù)進行熱-力耦合仿真，用熱-力耦合仿真的溫度-速度曲線，對擠壓速度進行控制^[1-3]。

通過典型的擠壓成形極限圖可看見等溫擠壓的影響：擠壓一個給定產(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。整個鑄棒必須以同一溫度擠壓（即圖1中箭頭所示位置），才能達到最大的擠壓速度，由此我們可以看到等溫擠壓對擠壓速度有多大影響。

2 國內(nèi)外等溫擠壓技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 出口溫度-擠壓速度閉環(huán)控制系統(tǒng)

自上個世紀(jì)九十年代開始，國外一些大的鋁加工公司研制不斷開發(fā)出各種類型的等溫擠壓控制系統(tǒng)，如1995年開始愛爾蘭Optalex公司推廣其研制開發(fā)的Optalex恒溫擠壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一套通過對型材出口溫度實時監(jiān)測反饋并調(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）開發(fā)，目前已在國外美鋁（Alcoa），加鋁（Alcan）、阿爾瑪格（Almag）等一批世界頂級鋁型材擠壓生產(chǎn)廠商中安裝，其與普通等速擠壓對比示意圖如圖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，而出口溫度會隨著擠壓的進行不斷升高，直至一個擠壓周期的結(jié)束，而等溫擠壓過程則是出口溫度基本恒定，主缸速度成曲線變化，并可節(jié)約擠壓時間10%-30%，據(jù)報道該系統(tǒng)恒溫控制精度達到±3℃，可使單臺擠壓機產(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SMS公司開發(fā)的CADEX系統(tǒng)，是基于擠壓熱-力耦合仿真的等溫擠壓系統(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:對擠壓坯料進行均勻加熱，測量其進入擠壓機前的溫度，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，對擠壓速度進行控制。

早期的CADEX系統(tǒng)，不帶有出口溫度的測量裝置，完全基于擠壓熱-力耦合仿真的結(jié)果，之后，SMS 公司對CADEX系統(tǒng)進行了改進，開發(fā)出了CADEX2 系統(tǒng)。該系統(tǒng)裝設(shè)了光學(xué)高溫測溫儀，用于監(jiān)測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 國內(nèi)等溫擠壓研究

國內(nèi)鋁擠壓始于20世紀(jì)五六十年代，從九十年代初期開始鋁型材擠壓進入了飛速發(fā)展的時代，然而，雖然我國鋁擠壓機臺數(shù)量多，但擠壓機自動化程度低，絕大部分?jǐn)D壓機還是依靠工人根據(jù)表面質(zhì)量狀況憑經(jīng)驗調(diào)節(jié)擠壓速度，國內(nèi)部分鋁擠壓企業(yè)引進了出口溫度紅外線測溫系統(tǒng)，但主要用于出口溫度監(jiān)測，沒有進行信號反饋用于控制擠壓機主缸速度。

近年來，國內(nèi)在模擬等溫擠壓領(lǐng)域也進行了一些探索^[5-12]，但大多是通過數(shù)值模擬或者理論計算結(jié)果開展進行的，與實際情況有一定差距。2008年在廣東省財政支持下，鳳鋁等企業(yè)聯(lián)合北京科技大學(xué)等高校一起進行了等溫快速擠壓系統(tǒng)裝備與工藝技術(shù)開發(fā)，其基本設(shè)想是設(shè)計三重閉環(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)在一個控制器上系統(tǒng)集成，實現(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)對型材出口溫度的影響規(guī)律，并通過數(shù)學(xué)回歸建立等溫擠壓自動控制模型，是實現(xiàn)等溫擠壓技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。為了設(shè)計以上系統(tǒng)，首先對于擠壓過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)進行了采集，以鳳鋁公司的8884A型號和51P08作為參考型號，在800T擠壓機上的溫升采集數(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。

通過以上對擠壓溫升影響因素的分析，利用實測數(shù)據(jù)回歸建立6063鋁合金型材出口溫升數(shù)學(xué)模型，對實現(xiàn)速度-溫度閉環(huán)控制的等溫擠壓具有十分重要的指導(dǎo)意義，項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，對其進行了回歸分析，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?zāi)Ｐ?，對不同工藝條件的擠壓出口溫升進行計算，其結(jié)果與實測結(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，擠壓溫升模型計算值與實測值的對比圖，圖中出口溫升實測值與計算值是較為符合的，因此該模型可用于實際生產(chǎn)中型材出口溫升的預(yù)測。

圖3 擠壓機出口溫升計算值與實測值的比較

在此研究基礎(chǔ)上，開發(fā)了等溫擠壓控制系統(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I/O口、以太網(wǎng)與人機接口畫面相連接，獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)和控制命令，并通過I/O對閥門進行相應(yīng)控制，如開閉、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、報警/報表等工作,目前，該系統(tǒng)已經(jīng)進入調(diào)試階段。

3 結(jié)束語

本文論述了鋁等溫擠壓的實現(xiàn)方式，重點介紹了鋁合金等溫擠壓技術(shù)的國內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，特別是國內(nèi)的研究現(xiàn)狀，以期為該項課題研究提供經(jīng)驗借鑒。等溫快速擠壓對于制品尺寸精度控制，機臺生產(chǎn)效率的提高都有極大的意義，也是目前國內(nèi)外擠壓技術(shù)的主要差距之一，國內(nèi)應(yīng)該加大該技術(shù)與裝備的攻關(guān)力度，盡快實現(xiàn)該裝備與技術(shù)的國產(chǎn)化應(yīng)用。