解决铝型材冷却弯曲的方法研究

随着铝合金型材在建筑、电子、汽车和轨道交通等方面的应用日渐增加，铝合金型材的形状也日趋多样化和复杂化。某些形状的型材会给挤压生产带来一定的困难，如图1和图2所示A、B两款型材，属于形状不对称且壁厚不均，不仅挤压出料存在困难，而且型材冷却后会产生弯曲，影响型材矫直质量。

　　 1　原理
　　我们对类似型材进行了大量的观察，发现在目前的冷却方式和条件下，型材正常出料后在冷床上冷却，数分钟后就会出现型材向空心部位或壁厚较厚的部位弯曲的现象，如图3和图4所示。

　　这种冷却后产生弯曲的过程，可分为以下几个阶段[1]：

　　（1）型材薄壁部分温度下降快，先产生收缩力，厚壁部分或空心管部分温度下降慢，几乎没有收缩力；

　　（2）薄壁部分截面积较小，产生的收缩力较小，或被牵引机牵引力消除；

　　（3）型材离开牵引机，温度继续下降；

　　（4）型材厚壁部分或空心管部分截面积较大，随着温度下降逐渐产生较大收缩力，薄壁部分温度已大幅下降，不再产生收缩力或收缩力较小；

　　（5）型材截面上受到的收缩力大小不均，型材沿挤压方向往厚壁部分或空心管部分弯曲。

　　 2 试验条件和试验方案
　　根据以上的原理分析，我们设计和使用高压气雾喷嘴，对型材A和型材B在出料口进行如图5和图6所示的局部冷却，使型材整体冷却速度趋于同步和均匀。具体试验条件如表1~表3所示。

　　我们使试验型材分别在普通冷却条件和局部冷却条件下进行冷却，测量型材在离开牵引机进入冷床时其各部位的表面温度，并测量型材在矫直前的弯曲程度（如图3和图4中所示尺寸H）。

　　 3 试验结果及分析
　　3.1 表面温度
　　经过普通冷却和局部冷却两种条件冷却，型材在离开牵引机时其各部位表面温度如表4所示。

　　由表4可知，在普通冷却条件下，A、B两款型材在离开牵引机时，其厚壁部或空心管的表面温度都比薄壁部的要高约70~100℃。而局部冷却的方式，虽然没有使用滑出台的风机冷却，所以薄壁部的表面温度比采用普通冷却时的要高，但由于采用高压气雾喷嘴对厚壁部和空心管进行局部冷却，所以该部位的温度较普通冷却要低，甚至比同条件下的薄壁部的表面温度更低。试验结果表面，局部冷却的方式能够有效调节型材出料后的冷却平衡。

　　 其主要原因如下：
　　（1）普通风冷条件下，型材各部位与空气接触的换热系数均相等，但由于壁厚或形状不同，各部位的散热速度不相等，所以，厚壁部或空心管的散热速度比薄壁部慢[2]；

　　（2）采用局部高压气雾冷却时，由于同时存在空气和水两种换热介质，且水的换热系数比空气大，所以能提高散热速度；

　　（3）高压空气将水雾化，增加了水和型材接触的表面积，同时破坏了水和高温型材接触时产生的蒸气膜，提高了换热效率[3]；

　　（4）高压气雾喷嘴具有较强的方向性，气雾的夹角约为25°~30°，能够实现局部冷却而不影响型材其它部位。

　　3.2 型材弯曲程度
　　经过普通冷却和局部冷却两种条件冷却，型材矫直前的弯曲程度H的测量结果如表5所示。测量对比结果表明，在出料口进行局部冷却能有效地减小型材在冷却过程中的弯曲程度。

　　其主要原因是型材在出料时，厚壁部或空心管这种较难冷却的部位被高压气雾急速冷却，产生了较强的收缩应力，薄壁部自然冷却也产生一定的收缩应力。虽然前者比后者的收缩应力大，左右收缩应力尚存在不平衡，但由于型材受到牵引机的牵引，此不平衡的收缩应力被牵引力所抵消。当型材离开牵引机时，型材的整体温度已下降至350℃左右，在冷床上采用风冷所产生的收缩应力较小，左右两边的不平衡收缩应力也较小。因此，当型材冷却至室温时的弯曲程度也较小。

　 4　结论
　　我们通过观察型材冷却产生弯曲的现象，得出了产生该现象的规律及其原理，通过制作和使用专门的局部冷却装置，对两款具有代表性的型材进行试验，最终得出以下结论：

　　（1）在普通风冷的条件下，型材会向冷却较慢的部位产生弯曲，冷却速度差异越大，弯曲程度越高[4,5]；

　　（2）采用高压气雾的冷却方式，可有效加快型材局部的冷却；

　　（3）在型材出料时对较难冷却部位采用局部冷却，使其与较易冷却部位的冷却速度相平衡，可减小型材在冷床冷却后的弯曲程度。

　　 参考文献：
　　1] 胡少虬，张辉，杨立斌等.7075铝合金厚板淬火温度场及热应力场的数值模拟[J].湘潭大学自然科学学报，2004，26(2）：66-71.
　　[2] 姚灿阳，吴运新，袁望姣. 表面换热系数对铝厚板淬火温度和应力演变影响的数值模拟[J].铝加工，2006，（172）：7-10.
　　[3] 李群霞，李国栋，高晓俊.大型铝型材挤压机的在线淬火装置[J].重工科技，2000，(2）：7-10.
　　[4] 田福祥，王珍.管材弯曲加工新技术[J].锻压机械，2002，（3）：32-34.
　　[5] 王志强，刘晓飞.管和板的热应力弯曲工艺[J].塑性工程学报，2000，7（2）：55-57【完】