125 MN正反向單雙動鋁擠壓生產(chǎn)線升級改造

侯永超，張君，黃勝，李夏峰，陳永甲

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著我國航空航天、核電、汽車、國防軍工、高鐵和軌道交通等行業(yè)的快速發(fā)展，對高性能鋁及鋁合金型材的需求逐年增加，我國鋁型材年產(chǎn)量超過4000萬噸，是世界第一大鋁型材生產(chǎn)國，但不是鋁型材生產(chǎn)強國；鋁型材擠壓生產(chǎn)能耗高、效率低、成品率低、產(chǎn)品競爭力和附加值低等一直都是制約我國鋁擠壓行業(yè)由大向強發(fā)展的瓶頸。以大型工業(yè)鋁型材為例，大型工業(yè)鋁型材的成品率在45%～50%，按照我國現(xiàn)有的鋁型材的產(chǎn)量來計算，如能提高成品率5%，降低生產(chǎn)能耗15%，將大幅提升我國鋁型材的產(chǎn)品競爭力和附加值。

西南鋁125 MN水壓擠壓機是上世紀60年代“九大設備”之一，由沈陽重型機器廠設計制造，是我國自力更生設計生產(chǎn)的第一臺大型鋁擠壓設備，是我國國防工業(yè)和基礎建設的關鍵設備，也是西南鋁業(yè)的重大設備。該設備已投產(chǎn)50余年，由于是水壓驅動，能耗很高，設備故障率逐年加大，可靠性降低，不適應目前高效節(jié)能綠色生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。

1 升級前的裝備水平

125 MN臥式擠壓機是由原沈陽重型機器廠在20世紀60年代初期設計、制造，主要用于國防軍工、航空航天、軌道運輸?shù)却笠?guī)格、高精度鋁及鋁合金、鎂合金管材、棒材、型材及預拉伸排材的生產(chǎn)。

該擠壓機為正向雙動前上料形式，張力柱結構，前、后梁由四根張力柱連成整體承力構架，共有四個主缸，前面的兩個主缸分別可產(chǎn)生35 MN的作用力，后面的兩個主缸分別可產(chǎn)生27.5 MN的作用力。穿孔缸設在后動梁上，可產(chǎn)生31.5 MN的穿孔力。設備所有缸體銹蝕嚴重，滑板磨損嚴重設備精度差，只能進行正向單、雙動擠壓，上料設備控制和送料精度不夠，不易控制，后部設備沒有配備牽引機，移動鋸等輔助設備如圖1所示。

圖1 技術升級前的125 MN鋁擠壓機

液壓系統(tǒng)非常落后，為上世紀60年代技術，傳動方式為泵-蓄勢站傳動，介質為乳化液，介質工作壓力為32 MPa，充水壓力為1.2 MPa，泄漏量大，消耗高。

電氣控制系統(tǒng)控制精度不高，設備整體自動化水平底，操作困難，不能滿足高性能精度型材的擠壓。

該設備投入生產(chǎn)以來，為我國國防軍工、航空航天、軌道運輸?shù)阮I域生產(chǎn)了大量的專用特種鋁型材，具有重大歷史功勛。但是由于受當時技術和制造能力的限制，加之幾十年來的生產(chǎn)運行，已不能適應當前生產(chǎn)和技術要求，主要表現(xiàn)在能耗高、效率低、精度差、操作困難，因此急需進行徹底全面的技術升級。

2 關鍵技術升級制造

2.1 擠壓機功能技術升級關鍵技術升級改造

在保留正向擠壓功能的前提下，增加反向擠壓功能，使該設備成為目前國內(nèi)最大的正反向單雙動鋁擠壓機，完善墊片運輸機構改造，使上下墊片及模墊移動平穩(wěn)、流暢，壓余處理簡潔、可靠。

首次在大型擠壓機上使用反向擠壓固定模具技術，使生產(chǎn)工藝簡潔高效，如圖2所示。

圖2 125 MN擠壓機固定模具技術

采用先進的有效摩擦擠壓技術，進一步提高產(chǎn)品的組織性能和表面質量。

重新設計制造125 MN水壓機鎖鍵缸、墊片定位缸、擠壓墊轉送機傾車缸和墊片提升缸等裝置；工作臺改為液壓油缸直接驅動。

重新設計制造制品收集機構，制品出料采用橫向移出方式；在制品出料工作臺方向設計制造熱鋸和牽引機構；重新設計潤滑系統(tǒng)，對滑板、導柱及柱塞壓蓋等活動部件進行潤滑。

為了適應反擠壓要求，對上料裝置鉗口進行適應性改造，并增設清理墊接收循環(huán)裝置，該裝置設置在擠壓筒前端下部，并對相關輔助支撐進行改造加工。

2.2 本體部分技術升級關鍵技術升級改造

本體部分技術升級以提高設備精度為主，采用新的工藝對工作缸柱塞進行修復。對工作缸內(nèi)表面打磨、酸洗除垢；工作缸缸體柱塞壓蓋螺栓底孔重新攻絲，法蘭螺栓用35CrMo材料更換；選用新的耐磨材料ZCuAl10Fe3對導套、壓套、滑板進行改進，密封采用進口Merkel密封,確保缸體無泄漏；對機架鋼滑板選用新的耐磨材料(42CrMn)進行更換，熱處理表面硬度達到HRC48～52，厚度不小于3 mm，恢復并提高設備的精度，使得設備運行平穩(wěn)；柱塞與動梁及穿孔動梁的連接采用帶潤滑的球面鉸連接。

2.3 液壓系統(tǒng)技術升級關鍵技術升級改造

125 MN擠壓機將原水系統(tǒng)全部拆除，改為全新設計制造的油壓系統(tǒng)。

該油壓系統(tǒng)采用油泵直接傳動，通過液壓系統(tǒng)實現(xiàn)對壓機各液壓執(zhí)行機構的控制。該系統(tǒng)由高壓油泵站系統(tǒng)與控制閥站系統(tǒng)兩大部分組成。高壓油泵站系統(tǒng)主要包括：泵及泵組、泵頭集成控制閥站、主油箱系統(tǒng)、主油箱冷卻/過濾循環(huán)系統(tǒng)、主泵供油系統(tǒng)、先導控制系統(tǒng)、輔助油箱及液壓系統(tǒng)、泵站管路系統(tǒng)、蓄能器組、保壓系統(tǒng)等部分；控制閥站系統(tǒng)主要包括：前后主工作缸及大車返回集成控制閥站、穿孔缸及穿孔回程集成控制閥站、擠壓筒集成控制閥站、充液系統(tǒng)控制閥站、移動工作臺及定位集成控制閥站、制品和墊片分離剪控制閥站及定位集成控制閥站、墊片提升、傾翻裝置、鎖鍵、承托控制閥站、輸料閥站、低壓罐壓力及液位控制閥站、備用閥塊。

控制閥站采用插裝式邏輯閥集成系統(tǒng)，分為各種功能組，靠近執(zhí)行機構分布式布置，能夠以優(yōu)化和節(jié)能方式適應擠壓程序不斷變化的要求，工作負荷按照材料的變形阻力大小而相應變化，使電能的消耗減少到最小，表1所示為液壓控制系統(tǒng)主要參數(shù)。

表1 液壓控制系統(tǒng)主要參數(shù)

2.4 后部出料設備技術升級關鍵技術升級改造

原后部出料設備全部拆除，增設全新設計0.2 MN單牽引機，具備0.7 MN拔模力。牽引機和擠壓機聯(lián)動，牽引有效行程37 m，鉗口尺寸：料寬Max0.7 m,料高Max0.55 m。

增設旁置移動熱鋸，要求鋸切位置距焊接環(huán)±60 mm內(nèi)，鋸切進給速度可調(diào)，具有鋸屑收集裝置，沿擠壓方向移動范圍8 m。

設計出料工作臺及其輥道和傳輸裝置，臺面輥道采用軟接觸高溫毛氈，耐溫不低于600 ℃。

設計制品平移裝置及軟接觸料架收集裝置，制品最大重量2 t，每米料重0.8 t/m(Max1 t/m)，儲料臺整體承重20 t，長20 m,寬6 m，間距1.2 m。

2.5 電氣控制系統(tǒng)技術升級關鍵技術升級改造

原電氣控制系統(tǒng)全部拆除，設計新的電氣控制系統(tǒng)，擠壓機新的自動化控制系統(tǒng)是由可編程序控制器(PLC)、遠程I/O從站及操作員站(HMI)、工業(yè)以太網(wǎng)(TCP/IP)以及工業(yè)現(xiàn)場總線(Profibus-DP)、傳感器及檢測元件等組成。

自動化系統(tǒng)的設計采用分布式遠程I/O從站，遠程I/O從站分別設置在主操縱室、各地操縱箱、控制閥組以及主體設備附近，每個遠程I/O從站通過Profibus-DP總線電纜分別掛在PLC主站上。

在主操縱室設置二個操作員站(HMI)，一臺為工業(yè)控制計算機，另一臺為帶觸摸屏功能一體化工作站，二臺互為備用，以完成相應工藝設備的控制及運轉狀態(tài)監(jiān)控任務。

操作員站與PLC之間采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊，通過以太網(wǎng)100M的通訊速率進行數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)HMI與PLC之間的高速通訊目的，充分保證控制信號的實時性，并預留可實現(xiàn)壓機與工廠管理網(wǎng)絡的通訊接口。DP通訊采用專用通訊電纜，各傳感器、PLC通訊具有強的抗干擾能力。PLC與遠程I/O從站之間均采用Profibus-DP進行通訊，如圖3所示。

圖3 125 MN擠壓機電控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

3 升級后技術參數(shù)和主要功能

125 MN正反向油壓雙動鋁擠壓機的主要參數(shù)為

擠壓力 125 MN

穿孔力 31.5 MN

擠壓回程力 8 MN

穿孔回程力 8 MN

擠壓容室鎖緊力 6.4 MN

擠壓行程 2500 mm

穿孔行程 1650 mm

擠壓速度 0.2～12 mm/s

空程穿孔速度 0～100 mm/s

實心穿孔速度 15 mm/s

鋁錠坯長度 1800 mm

擠壓容室直徑 Ф500，Ф650，Ф800 mm

擠壓容室長度 2000 mm

主剪力 5 MN

擠壓鋁錠坯規(guī)格 Ф485 mm，Ф635 mm，Ф785 mm

技術升級后的125 MN正反向雙動鋁擠壓機如圖4所示，主要功能有：

(1)設備具備正、反向單雙動擠壓功能；

(2)設備具備高精度速度閉環(huán)控制功能；

(3)設備具備牽引、熱鋸中斷、平行移料、制品回收轉移功能；

(4)設備具備與送錠機構與主機聯(lián)動控制功能，確保鑄錠能順利進入擠壓筒內(nèi)；

(5)設備具備正、反擠壓管、棒型材選擇功能；

(6)設備具備悶車保護自動轉換功能；

(7)設備具備擠壓筒鎖緊、大墊片分離剪上限位保壓及穿孔缸工作機械、液壓定針功能；

(8)設備具備液壓油獨立的循環(huán)、冷卻、過濾功能；

(9)設備具備獨立先導外控系統(tǒng)功能；

(10)設備具備故障檢測、顯示、報警自診斷及控制功能(故障保護)；

(11)設備具備全景式監(jiān)控功能。

圖4 技術升級后的125 MN正反向雙動鋁擠壓機

4 結束語

(1)建成我國最大的正反向單雙動鋁擠壓生產(chǎn)線，對我國國防現(xiàn)代化、地鐵和軌道車輛輕量化和高速化起到重要作用。

(2)利用原有條件對現(xiàn)有設備關鍵技術進行升級改造，與新建一套同等規(guī)模的擠壓生產(chǎn)線相比，可節(jié)省投資60%～70%，縮短時間50%。

(3)技術升級后的125 MN鋁擠壓生產(chǎn)線，自2018年1月8日投產(chǎn)以來，產(chǎn)品成材率提高5%，設備能耗減少30%，生產(chǎn)效率提高20%，維護成本和勞動強度降低50%以上，產(chǎn)品質量穩(wěn)定性大幅提高，經(jīng)濟效益十分顯著。

將一臺生產(chǎn)工藝老化，生產(chǎn)精度低下的大型老舊設備，經(jīng)過對關鍵技術研究和應用，對生產(chǎn)線進行全面的技術升級，開發(fā)成了一條國內(nèi)最大正反向單雙動鋁擠壓生產(chǎn)線，同時具有國際先進正反向擠壓工藝，可用于生產(chǎn)大型鋁合金型材、棒材和大直徑薄壁管材，在技術升級過程中研制出了一系列新裝備、新結構、新工藝、新擠壓工具，解決了許多關鍵技術難題，滿足了國防、軌道交通、新能源汽車、船舶、飛機等市場重大需求，為大型鋁擠壓機的研制，技術升級和新的鋁擠壓型材工藝的開發(fā)積累了經(jīng)驗，推動了我國大型鋁擠壓機和擠壓技術的發(fā)展。