鋁及鋁合金反向擠壓裝備的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀

龔 燃

(洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽(yáng)471039)

反向擠壓機(jī)與正向擠壓機(jī)的區(qū)別是鑄錠與擠壓筒之間在擠壓過程中不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，與正向擠壓相比，反向擠壓所要求的擠壓力要小，擠壓速度更快，金屬流動(dòng)均勻，制品的組織性能均勻、尺寸精度更高，很少甚至不會(huì)產(chǎn)生粗晶環(huán)。這就使得反向擠壓機(jī)在生產(chǎn)高精度、高質(zhì)量的硬鋁合金無(wú)縫管材和棒材時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，此類產(chǎn)品多應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、軍工、核工業(yè)等重要領(lǐng)域，對(duì)精度和強(qiáng)度有著十分嚴(yán)格的要求。

近年來，市場(chǎng)對(duì)于高精度高強(qiáng)度鋁合金產(chǎn)品的需求越來越多，研究和掌握反向擠壓工藝的技術(shù)人員日益增加，一些老企業(yè)的專業(yè)人才輸出也推動(dòng)了反向擠壓技術(shù)的應(yīng)用。在當(dāng)今鋁加工市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的情況下，越來越多的企業(yè)已經(jīng)或正在建設(shè)反向擠壓生產(chǎn)線用于生產(chǎn)高精度高強(qiáng)度鋁合金產(chǎn)品以拓寬企業(yè)的市場(chǎng)范圍。

本文對(duì)國(guó)內(nèi)反向擠壓裝備及擁有反向擠壓能力的企業(yè)進(jìn)行了相關(guān)統(tǒng)計(jì)，介紹反向擠壓裝備在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況及最新技術(shù)進(jìn)展。

1 國(guó)內(nèi)外反向擠壓裝備的應(yīng)用情況

經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)建立起完整的擠壓工業(yè)體系，擠壓機(jī)噸位從大到小配套齊全，其中即將投產(chǎn)的最大的擠壓機(jī)能力已達(dá)到了150MN，而且225MN、250MN擠壓機(jī)也正在設(shè)計(jì)驗(yàn)證中。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2010年，我國(guó)共有鋁擠壓機(jī)約3900臺(tái)，居世界第一位。其中，反向擠壓機(jī)約30臺(tái)(包括簽訂了供貨合同尚未投產(chǎn)的)，在全世界也是數(shù)量最多的。

目前，世界上最大的反向擠壓機(jī)是美鋁(Alcoa)的140MN反向擠壓機(jī)，德國(guó)辛根(Singen)鋁業(yè)公司有1臺(tái)100MN正反向擠壓機(jī)，德國(guó)?？怂?Fuchs)公司擠壓廠有1臺(tái)65MN正反向擠壓機(jī)。國(guó)內(nèi)最大噸位的反向擠壓機(jī)是吉林麥達(dá)斯鋁業(yè)有限公司的95MN正反向擠壓機(jī)，由太原重工制造，但反向功能是預(yù)留的，暫不會(huì)使用反向擠壓生產(chǎn)。已投入使用的最大噸位反向擠壓機(jī)是青海國(guó)鑫股份有限公司引進(jìn)的55MN反向擠壓機(jī)，由德國(guó)西馬克(SMS)公司制造，2010年正式投產(chǎn)。山東兗礦集團(tuán)也引進(jìn)了1臺(tái)德國(guó)SMS公司制造的55MN反向擠壓機(jī)，計(jì)劃于2012年交付使用。

表1 為國(guó)內(nèi)鋁及鋁合金反向擠壓機(jī)統(tǒng)計(jì)表。

表1 為國(guó)內(nèi)鋁及鋁合金反向擠壓機(jī)統(tǒng)計(jì)表

序號(hào)企業(yè)名稱擠壓機(jī)噸位制造廠商備注5金橋鋁材集團(tuán)28MN,2臺(tái)德國(guó)SMS6金橋鋁材集團(tuán)10MN,2臺(tái)德國(guó)SMS7青海國(guó)鑫股份有限公司55MN德國(guó)SMS8青海國(guó)鑫股份有限公司28MN德國(guó)SMS9吉林利源股份有限公司45MN德國(guó)SMS10山東兗礦集團(tuán)55MN德國(guó)SMS11山東兗礦集團(tuán)36MN德國(guó)SMS12吉林麥達(dá)斯鋁業(yè)有限公司55MN德國(guó)SMS預(yù)留反向功能13吉林麥達(dá)斯鋁業(yè)有限公司95MN太原重工預(yù)留反向功能14哈爾濱中飛股份有限公司25MN西重所已訂貨15哈爾濱中飛股份有限公司75MN太原重工已訂貨16河南博然鋁業(yè)有限公司36MN意大利Pressezzi已訂貨17中南大學(xué)擠壓平臺(tái)25MN西重所已訂貨18廣東創(chuàng)科達(dá)鋁業(yè)有限公司10MN偉成機(jī)械19深圳特種鋁合金制造廠10MN偉成機(jī)械20江蘇亞太鋁業(yè)有限公司20MN臺(tái)灣馨杰21江蘇亞太鋁業(yè)有限公司8MN,2臺(tái)臺(tái)灣馨杰22昆山捷安特輕合金有限公司7.5 MN臺(tái)灣23昆山捷安特輕合金有限公司11 MN臺(tái)灣24昆山捷安特輕合金有限公司14.5 MN臺(tái)灣25昆山捷安特輕合金有限公司16.5 MN臺(tái)灣26昆山捷安特輕合金有限公司18MN臺(tái)灣27昆山捷安特輕合金有限公司22MN臺(tái)灣

從表1中可以看出我國(guó)鋁及鋁合金反向擠壓機(jī)具有以下特點(diǎn)：

① 反向擠壓機(jī)裝機(jī)水平高。我國(guó)的反向擠壓機(jī)多是從國(guó)外引進(jìn)，特別是2000年以后建設(shè)的反向擠壓機(jī)中，有13臺(tái)擠壓機(jī)是引進(jìn)自德國(guó)西馬克SMS公司的。德國(guó)SMS公司被業(yè)界公認(rèn)為擠壓機(jī)制造尤其是反向擠壓機(jī)制造的領(lǐng)頭羊，這些擠壓機(jī)無(wú)論在機(jī)械制造還是在軟件控制上，均代表了當(dāng)時(shí)的國(guó)際最高水平。

② 國(guó)內(nèi)反向擠壓機(jī)制造數(shù)量少，正處于起步階段。目前國(guó)內(nèi)如太重、西重所制造了數(shù)十臺(tái)大中型鋁擠壓機(jī)，包括大中型雙動(dòng)擠壓機(jī)，如山東叢林100MN雙動(dòng)正向擠壓機(jī)、遼寧忠旺125MN雙動(dòng)正向擠壓機(jī)、出口巴基斯坦的55MN雙動(dòng)正向擠壓機(jī)等，但鋁反向擠壓機(jī)的業(yè)績(jī)卻很少。西重所設(shè)計(jì)制造了25MN雙動(dòng)反向擠壓機(jī)，太重設(shè)計(jì)制造了95MN雙動(dòng)正反向擠壓機(jī)，75MN雙動(dòng)反向擠壓機(jī)也正在研制中，廣東偉成機(jī)械設(shè)計(jì)制造了10MN反向擠壓機(jī)。

③ 國(guó)內(nèi)反向擠壓機(jī)制造與國(guó)際先進(jìn)水平相比尚有差距。與正向擠壓機(jī)相比，反向擠壓機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，輔助機(jī)械動(dòng)作多，控制水平要求高。從國(guó)內(nèi)制造的雙動(dòng)擠壓機(jī)來看，擠壓機(jī)的同心度、速度控制精度、穿孔針的定位精度等存在的問題，在反向擠壓機(jī)中更加需要解決。

2 鋁及鋁合金反向擠壓裝備的發(fā)展現(xiàn)狀及最新進(jìn)展

2.1 疊板式張力柱結(jié)構(gòu)

圖1

疊板式張力柱結(jié)構(gòu)(見圖1)的特點(diǎn)是用多層疊板代替了傳統(tǒng)的圓柱形張力柱，通過高壓液壓缸同時(shí)對(duì)張力柱施加一個(gè)經(jīng)過精確計(jì)算的拉應(yīng)力，同時(shí)在疊板的外圍、后梁和前梁之間設(shè)置了方形的壓縮箱體，形成具有剛性的預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)。組成同一根張力柱的疊板，要求機(jī)械性能、加工量一致，材料最好是同一爐次的熱軋鋼板，保證框架受力均勻。

2.2 直線導(dǎo)軌導(dǎo)向系統(tǒng)

擠壓筒座和動(dòng)梁的移動(dòng)導(dǎo)軌(見圖2)固定在下機(jī)架的壓柱上，上機(jī)架的壓柱作為輔助導(dǎo)軌。與傳統(tǒng)的X型導(dǎo)軌不同的是直線導(dǎo)軌系統(tǒng)的移動(dòng)導(dǎo)軌平行于下機(jī)架的平面。該系統(tǒng)通過有限元分析，優(yōu)化導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，使得導(dǎo)向更加精確。另外，傳統(tǒng)的滑靴式導(dǎo)軌接觸面大，磨損大，每3個(gè)月左右就要進(jìn)行維護(hù)，而直線導(dǎo)軌為輥輪式接觸，磨損小，可以提高各機(jī)械元件的使用壽命，減少維護(hù)時(shí)間。調(diào)整擠壓筒、動(dòng)梁的對(duì)中性也很方便，只需調(diào)節(jié)擠壓筒座的墊板以及導(dǎo)軌底部的螺母即可。

圖2

2.3 擠壓分離站

擠壓分離站位于擠壓線外，可全自動(dòng)控制，功能包括：清理和分離經(jīng)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)運(yùn)送至此的壓余和擠壓墊片；清理擠壓模具，可通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將模具旋轉(zhuǎn)，清理掉模具外殼包覆的鋁皮；對(duì)活動(dòng)擠壓墊和模具進(jìn)行氮化硼(NB)潤(rùn)滑，可使用粉末潤(rùn)滑或液態(tài)潤(rùn)滑；模套旋轉(zhuǎn)裝置和定位裝置對(duì)模套進(jìn)行激光測(cè)量并旋轉(zhuǎn)定位，主要用于異型管材和型材的擠壓，在不受機(jī)械振動(dòng)的影響下，定位精度可達(dá)到0.2度。

2.4 穿孔針的定位、清潔和潤(rùn)滑

多采用內(nèi)置式穿孔系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)固定針和隨動(dòng)針的穿孔擠壓。穿孔針的固定通過配備高頻響應(yīng)的比例閥和編碼器控制主柱塞內(nèi)部穿孔缸前腔的油壓來實(shí)現(xiàn)精確的液壓定位，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)10毫秒。目前最先進(jìn)的擠壓機(jī)配備的穿孔針的定位精度能夠達(dá)到±1mm，可以在擠壓過程中實(shí)現(xiàn)穿孔針的精確前進(jìn)與后退，實(shí)現(xiàn)變斷面管材的連續(xù)擠壓。

穿孔針的清潔和潤(rùn)滑裝置包括一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的清潔刷，可以繞穿孔針轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)穿孔針的清潔；潤(rùn)滑裝置可以按照設(shè)定的間距旋轉(zhuǎn)進(jìn)入擠壓機(jī)，兩片式的潤(rùn)滑頭圍繞穿孔針，在穿孔針的旋轉(zhuǎn)和后退中噴射氮化硼，完成潤(rùn)滑。

2.5 模具及其循環(huán)

反向擠壓機(jī)的模具(見圖3)設(shè)計(jì)成帶錐度的型式，橫截面呈六邊形，擠壓時(shí)鑄錠表面氧化層或雜質(zhì)流入模具的外腔里，利于擠壓制品的質(zhì)量改善，相當(dāng)于起到了剝皮的作用。

圖3

模具與擠壓墊被機(jī)械手取下經(jīng)過傳送機(jī)構(gòu)送至分離站后，經(jīng)清理、潤(rùn)滑返回至上料位，該過程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。反向擠壓機(jī)可提供單模具單擠壓墊的循環(huán)模式，還可提供雙模具雙擠壓墊的循環(huán)模式，以節(jié)約非擠壓周期時(shí)間。

設(shè)置單獨(dú)的模具保溫裝置，在擠壓的間隔期間對(duì)模具進(jìn)行保溫。

2.6 擠壓筒與擠壓軸的同步

在反向擠壓中擠壓筒和擠壓軸的同步性至關(guān)重要，很多擠壓機(jī)使用專用的輔助泵單獨(dú)控制擠壓筒的移動(dòng)，通過安裝在擠壓筒和主缸上的線性傳感器的閉環(huán)控制來保證同步的運(yùn)行速度，以防止在擠壓速度比較高的情況下，有可能出現(xiàn)擠壓筒跟不上擠壓軸的情況。

有些反向擠壓機(jī)則通過主泵控制擠壓筒的移動(dòng)，采用PID電氣控制，通過位置傳感器檢測(cè)擠壓筒與動(dòng)梁的距離，從而閉環(huán)調(diào)節(jié)擠壓筒的移動(dòng)速度，以保證擠壓筒和擠壓軸的同步運(yùn)行。

2.7 擠壓速度控制

擠壓速度可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，通過PLC和高頻響應(yīng)的比例閥控制各主變量泵的流量，來控制擠壓桿的速度。在操作臺(tái)設(shè)定擠壓速度后，主柱塞位置檢測(cè)系統(tǒng)提供反饋信號(hào)，經(jīng)PLC程序進(jìn)行控制處理，從而實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。

一般來說，主泵控制的最低擠壓速度為0.2mm/s，但是在擠壓某些硬合金管材、型材產(chǎn)品時(shí)，從墩粗到突破擠壓這一階段的擠壓速度要求低于0.2mm/s，甚至低于0.1mm/s，這就需要考慮增加單獨(dú)的小流量泵了。小流量泵在一定的速度范圍內(nèi)運(yùn)行，當(dāng)擠壓速度超過小流量泵的額定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到大流量泵。

2.8 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)采用集成化設(shè)計(jì)，主泵為軸向柱塞變量泵，通過一定的組合、排列形式使泵組產(chǎn)生不同的流量，以滿足系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度和壓力的要求。先導(dǎo)泵和其它低壓油泵可采用恒壓變量軸向柱塞泵，用于先導(dǎo)控制和其它輔助機(jī)構(gòu)的動(dòng)作控制。

液壓操作系統(tǒng)由集成控制閥塊構(gòu)成，主系統(tǒng)的集成控制閥塊采用二通插裝閥，由不同功能的插裝件、控制元件和先導(dǎo)控制閥組成，控制油路中的油流方向、壓力和流量，具有流阻小、響應(yīng)快、內(nèi)泄漏少、啟閉特性和過載保護(hù)性能好等特點(diǎn)。

根據(jù)需要在各集成塊的各個(gè)閥之間進(jìn)行必要的安全聯(lián)鎖，設(shè)置便于監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)壓力的壓力傳感器。在主缸、側(cè)缸、穿孔缸系統(tǒng)中采用電液比例閥調(diào)壓，可實(shí)現(xiàn)擠壓噸位控制與保護(hù)，以及系統(tǒng)柔性卸壓。

2.9 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

反向擠壓機(jī)采用PLC控制生產(chǎn)機(jī)列的操作，配備與PLC通訊的上位機(jī)，可在主操作臺(tái)上顯示和控制擠壓的全過程。在計(jì)算機(jī)的多畫面屏幕菜單上，可預(yù)設(shè)擠壓速度，限定使用的油泵數(shù)量，可減少泄露損失，節(jié)能降耗；設(shè)定最大的壓力載荷允許值，在擠壓過程中防止擠壓工具由于承受過高的載荷而損壞；連續(xù)檢測(cè)和控制擠壓軸、擠壓筒、穿孔針、主剪、推錠裝置、供錠機(jī)械手等工具和機(jī)構(gòu)的行程；數(shù)字化顯示擠壓梁和擠壓筒的水平、垂直對(duì)中位置，超值警示；數(shù)字化顯示主缸、側(cè)缸、穿孔缸和鎖緊缸的工作壓力，可進(jìn)行聯(lián)鎖控制、安全保護(hù)和泄荷操作；擠壓結(jié)束后，根據(jù)機(jī)后輔機(jī)的運(yùn)行狀況控制擠壓速度，優(yōu)化擠壓機(jī)及輔機(jī)的動(dòng)態(tài)參數(shù)；擠壓速度閉環(huán)控制，并對(duì)因液壓油泄露、鋁錠溫度變化或液壓油黏度變化產(chǎn)生的擠壓速度變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。

3 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)對(duì)反向擠壓裝備的研究工作起步比較晚，最早的反向擠壓機(jī)是1986年西北鋁加工公司從日本宇部(UBE)引進(jìn)的25MN雙動(dòng)反向擠壓機(jī)，雖然在2000年以后又掀起了反向擠壓機(jī)的建設(shè)熱潮，但這些擠壓機(jī)都是引進(jìn)的。近年來，國(guó)內(nèi)幾家擠壓機(jī)制造廠消化吸收了國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，并采用國(guó)外性能良好、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠的液壓部件和電氣控制元件配套，使國(guó)產(chǎn)擠壓機(jī)裝備水平有了很大的提高，大中型的正向擠壓機(jī)制造了不少，且裝機(jī)水平也正在向國(guó)際先進(jìn)水平靠攏。隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)高精度、高強(qiáng)度鋁合金管材的需求越來越大，反向擠壓機(jī)的需求也越來越多，擠壓機(jī)制造廠應(yīng)加速開展對(duì)反向擠壓裝備的機(jī)械、液壓系統(tǒng)的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使國(guó)產(chǎn)反向擠壓裝備早日達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

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