鋁合金擠壓模具出口溫度測量方法研究

唐秀茂，趙茂密，羅春林，馮恩浪，零妙然

(廣西平果百礦高新鋁業(yè)有限公司，廣西531400)

0 前言

在材料加工領(lǐng)域，溫度測量是一項(xiàng)極其重要的工作，但是受工作環(huán)境等條件限制，有些地方無法直接進(jìn)行溫度測量。比如擠壓過程中型材擠出模具瞬間，由于受擠壓機(jī)前梁的影響無法直接測量，特別是大型擠壓機(jī)的前梁厚度大，模具出口處到前梁出口處距離更遠(yuǎn)，模具出口處的溫度測量更困難。但是型材擠出模具瞬間的溫度又極其重要，它直接影響產(chǎn)品的微觀組織、表面質(zhì)量、形位尺寸、力學(xué)性能等。溫度過高會(huì)導(dǎo)致表面開裂、粗晶組織甚至過燒等，溫度過低則會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能不合格、擠壓力不足或模具損壞等，溫度波動(dòng)過大則會(huì)導(dǎo)致頭尾微觀組織、力學(xué)性能、形位尺寸等性能不均勻。目前，主流的方法是在前梁出口處通過紅外測溫等方法實(shí)時(shí)監(jiān)控出口溫度，并反饋到擠壓機(jī)和鑄錠加熱，從而實(shí)現(xiàn)等溫?cái)D壓[1-4]。但由于不同擠壓型材截面千變?nèi)f化，擠壓溫度及擠壓速度差別也很大，該方法只能測量型材離開模具一短時(shí)間后的溫度，型材在模具出口處的溫度仍無法準(zhǔn)確測量。本文通過現(xiàn)場測溫經(jīng)驗(yàn)，利用能量守恒定律、熱量計(jì)算公式和牛頓冷卻定律[5]，總結(jié)出通過前梁出口溫度推算模具出口溫度的遠(yuǎn)程測溫方法，供同行參考。

1 測量原理和方法

模具出口溫度遠(yuǎn)程測量示意圖如圖1所示。

圖1 測量示意圖

所用的測量裝置包括測溫探頭、補(bǔ)嘗導(dǎo)線和多功能數(shù)顯儀表。該測溫探頭通過補(bǔ)嘗導(dǎo)線與多功能數(shù)顯儀表進(jìn)行連接。

測量原理和步驟如下：

（1）測量材料在A處的溫度，在時(shí)間t內(nèi)的溫度變化為ΔT。

（2）根據(jù)熱量計(jì)算公式設(shè)定材料放出的熱量Q1=CmΔT，其中C為材料的比熱容，m為材料的質(zhì)量。

（3）根據(jù)牛頓冷卻定律設(shè)定單位時(shí)間內(nèi)材料經(jīng)過對(duì)流傳熱散出的熱量Q=hS（TA-T介），其中h為材料的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，S為材料的表面積，TA為材料在A處的原始溫度，T介為周圍環(huán)境介質(zhì)的溫度。時(shí)間t內(nèi)經(jīng)過對(duì)流傳熱散出的熱量Q2=qt=hS（TA-T介）t。

（4）根據(jù)能量守恒定律設(shè)定材料放出的熱量Q1等于周圍環(huán)境介質(zhì)與材料表面之間對(duì)流傳熱的熱量Q2，即Q1=Q2，即CmΔT=hS（TA-T介）t，計(jì)算得到材料的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=CmΔT/[S（TA-T介）t]。

（5）計(jì)算材料在B處的溫度TB：材料從B處移動(dòng)到A處所用時(shí)間t1內(nèi)，材料經(jīng)過對(duì)流傳熱散出的熱量Q傳=qt1=hS（T材-T介）t1，材料在t1時(shí)間內(nèi)溫度變化為ΔT1=TB-TA（在實(shí)際操作過程中，若TB小于TA，則ΔT1=TA-TB），放出的熱量為Q放=CmΔT1，根據(jù)能量守恒定律Q傳=Q放，得到TB=[hS（T材-T介）t1+CmTA]/Cm。

其中，t1=L/V，L為B處到A處的距離，V為材料從B處運(yùn)動(dòng)到A處的運(yùn)動(dòng)速度。

為了減少測量誤差，T材取TB和TA的平均值，即T材=（TB+TA）/2，則TB=2[hST介t1-TA（hS t1/2+Cm）]/（hS t1-2Cm）。

在進(jìn)行材料的溫度測量前，先在測溫程序中預(yù)設(shè)h=CmΔT/[S（TA-T介）t]及TB=2[hST介t1-TA（hS t1/2+Cm）]/（hS t1-2Cm）的計(jì)算公式，然后將材料的比熱容C、材料的質(zhì)量m、材料的表面積S、周圍環(huán)境介質(zhì)溫度T介、材料從B處移動(dòng)到A處所用時(shí)間t1錄入測溫程序中，再使用測溫探頭測量材料在A處的溫度TA、材料在A處溫度下降ΔT所用時(shí)間t，即可在測溫程序中顯示和輸出材料在B處的溫度TB。

2 結(jié)果和討論

通過具體產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)算，以厚15mm、寬400mm的7075擠壓排材在75MN擠壓機(jī)上生產(chǎn)為例。

單位長度（1m）的擠壓排材重量m=16.2kg，參與散熱的表面積S=（0.15+0.4）×2×1=0.83m2（由于所測產(chǎn)品是連續(xù)的，所以兩端的兩個(gè)面不參與對(duì)流傳熱，只是外表面的4個(gè)面參與傳熱。如果是單獨(dú)的整個(gè)產(chǎn)品，則表面積是按照6個(gè)面進(jìn)行計(jì)算，即：表面積根據(jù)實(shí)際情況取值），比熱容C=921J/（kg·K），周圍環(huán)境介質(zhì)（車間空氣）溫度T介=30℃=30+273K=303K，B處到A處長度L=2.7m=2700mm，擠壓速度V=0.5m/min，則產(chǎn)品從B處運(yùn)動(dòng)到A處所用時(shí)間為t1=L/V=324s，設(shè)材料在B處的溫度為TB，材料在A處的溫度為TA。

（1）表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算：在A處測得產(chǎn)品溫度TA=396.0℃=396.0+273K=669K。經(jīng)過7.2s后，產(chǎn)品溫度降低了1℃=1K，即ΔT=1；在A處測量間隔時(shí)間t=7.2s內(nèi)材料放出的熱量Q1=CmΔT；t=7.2s時(shí)間內(nèi)經(jīng)過對(duì)流傳熱散出的熱量Q2=qt=hS（TAT介）t，由Q1=Q2及ΔT=1，得出材料的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

（2）模具出口溫度的測量：產(chǎn)品從模具出口處（B處）移動(dòng)到前梁處（A處）所用時(shí)間t1內(nèi)，由于時(shí)間t1相對(duì)較長，材料的溫度變化較大，計(jì)算表面對(duì)流傳熱時(shí)，為了減少誤差，T材取TB和TA的平均值，即T材=（TB+TA）/2。因此，時(shí)間t1內(nèi)材料經(jīng)過對(duì)流傳熱散出的熱量Q傳=qt1=hS（T材-T介）t1=hS（T材-T介）L/V，材料在t1時(shí)間內(nèi)溫度變化為ΔT1=TB-TA，放出的熱量為Q放=CmΔT1，根據(jù)Q傳=Q放得出：

即產(chǎn)品在模具出口處（B處）的溫度為443.9℃。

（3）本文的實(shí)驗(yàn)場景和測試的過程為：采用便捷式測溫儀測量A處（前梁出口）的溫度，通過預(yù)設(shè)了h=CmΔT/[S（TA-T介）t]和TB=2[hST介t1-TA（hS t1/2+Cm）]/（hS t1-2Cm）兩個(gè)公式的遠(yuǎn)程測溫程序，得出B處（模具出口）的溫度。測試的過程與常規(guī)測溫過程相似，不同點(diǎn)在于：常規(guī)測溫方法只測得該處的溫度，而本文通過預(yù)設(shè)計(jì)算公式可得出另一處的溫度。

通過接觸式熱電偶實(shí)測模具出口溫度進(jìn)行多次測量對(duì)比，該方法與實(shí)測值偏差在±5℃以內(nèi)，可以滿足生產(chǎn)測溫需求，結(jié)果見表1。其中，影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性的因素主要有兩點(diǎn)：一是產(chǎn)品從模具出口到前梁出口的溫降過程中，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會(huì)有細(xì)小變化，而本方法假設(shè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為定值；二是本方法只考慮了表面?zhèn)鳠徇^程，不考慮熱幅射的影響。但是由于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化很小，以及熱幅射在整個(gè)過程的溫降中所占比例極小，對(duì)本方法的影響有限，可以忽略，因此測量結(jié)果與實(shí)際相符。

表1 遠(yuǎn)程測溫與電偶實(shí)測模具出口溫度結(jié)果對(duì)比

根據(jù)測量原理可知，當(dāng)被測量對(duì)象的表面?zhèn)鳠嵯到y(tǒng)變化不大、且幅射傳熱較小，兩者都可以忽略時(shí)，本文中的遠(yuǎn)程測溫方法可以適用于其他材料和領(lǐng)域的溫度遠(yuǎn)程測量。

3 結(jié)論

（1）通過測量材料在某處或某時(shí)間段的溫度變化，并計(jì)算出表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，可以推算出材料在另一處或另一時(shí)刻的溫度，且結(jié)果與實(shí)際相符較好，可以滿足擠壓模具出口溫度遠(yuǎn)程測溫要求。

（2）在溫度測量前，先在測溫程序中預(yù)設(shè)h=CmΔT/[S（TA-T介）t]及TB=2[hST介t1-TA（hS t1/2+Cm）]/（hS t1-2Cm）的計(jì)算公式，然后將材料的比熱容C、材料的質(zhì)量m、材料的表面積S、周圍環(huán)境介質(zhì)溫度T介、材料從B處移動(dòng)到A處所用時(shí)間t1錄入測溫程序中，再使用測溫探頭測量材料在A處的溫度TA、材料在A處溫度下降ΔT所用時(shí)間t，即可在測溫程序中顯示和輸出材料在B處的溫度TB。

（3） 本文所述的遠(yuǎn)程測溫方法同樣適用于其他材料和領(lǐng)域的溫度遠(yuǎn)程測量。