裴志強(qiáng)，權(quán)曉惠

(金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032)

0 前言

按照“金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(以下簡稱“國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”)”的建設(shè)計(jì)劃，需要建造一臺(tái)小噸位實(shí)驗(yàn)用臥式擠壓機(jī)。要求該機(jī):①可實(shí)現(xiàn)正向擠壓和反向擠壓工藝;②能夠?qū)崿F(xiàn)無穿孔(單動(dòng))擠壓和穿孔(雙動(dòng))擠壓;③能夠?qū)Χ喾N變形有色合金及黑色金屬都進(jìn)行擠壓工藝實(shí)驗(yàn);④擠制產(chǎn)品為管材、棒材、型材;⑤作為科研設(shè)備，具有充分的檢測功能，能夠檢測壓機(jī)在不同工作條件下的力能、位置、速度等參數(shù)的實(shí)際變化，積累可靠的科研數(shù)據(jù);⑥同時(shí)，作為大中型臥式擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)樣機(jī)，該機(jī)必須為液壓傳動(dòng)，臥式結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力框架。即這臺(tái)擠壓機(jī)在設(shè)備結(jié)構(gòu)上和可實(shí)現(xiàn)的工藝方法上都具有廣泛的代表性、相似性和先進(jìn)性。為了達(dá)到上述要求，設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于必須兼顧:①設(shè)備要兼顧正向擠壓和反向擠壓工藝的需要;②具備穿孔系統(tǒng);③能夠?qū)Χ喾N有色合金及黑色金屬進(jìn)行擠壓，由于各種金屬材料允許的擠壓速度相差很大，這就要求設(shè)備各運(yùn)動(dòng)部件(尤其活動(dòng)梁)具有很大速度運(yùn)行范圍，且具有較高的運(yùn)動(dòng)位置和速度可控性;④“國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”的研究重點(diǎn)在于擠壓工藝和設(shè)備開發(fā)兩方面。所以，這臺(tái)小型擠壓機(jī)要作為大中型臥式擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)樣機(jī)來設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)確保可實(shí)現(xiàn)基本的工藝方法，同時(shí)具有與現(xiàn)代化大中型臥式擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)的相似性。因此，該機(jī)應(yīng)為臥式結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力框架，具有橫向移動(dòng)模架和機(jī)內(nèi)垂直剪切的主剪刀等;⑤檢測功能完善，滿足科研的需要。

1 確定擠壓機(jī)設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)方案

由于要求擠壓機(jī)具有多功能、多用途，且具有設(shè)備結(jié)構(gòu)的代表性，其設(shè)計(jì)方案要點(diǎn)如下:

(1)主體結(jié)構(gòu)為臥式。主框架為預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu);

(2)作為正向擠壓和反向擠壓兩用設(shè)備，設(shè)計(jì)為“雙軸”結(jié)構(gòu)，即在橫向移動(dòng)模架上設(shè)“模軸”安裝位，用于反向擠壓時(shí)安裝模軸，正向擠壓時(shí)安裝模具;在活動(dòng)梁上設(shè)“擠壓軸”安裝位，用于在正向擠壓時(shí)安裝擠壓軸，在反向擠壓時(shí)安裝擠壓堵頭或擠壓軸;

(3)采用內(nèi)置式穿孔系統(tǒng)，即主柱塞同時(shí)作為穿孔油缸的缸體。

(4)主剪刀安裝在左右上壓套上，為適應(yīng)正向擠壓和反向擠壓時(shí)不同剪切位置的需要，設(shè)計(jì)兩個(gè)剪刀安裝位，按工藝需要可將剪刀移位;

(5)因擠壓黑色金屬時(shí)需要設(shè)備的擠壓速度最快，工作過程需要傳動(dòng)介質(zhì)的流速最大，故按擠壓黑色金屬的需要確定相應(yīng)工作油缸的油路，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)各元件和零部件也必須按最大需要流量配置;

(6)具有完善的檢測功能，能夠?qū)崟r(shí)檢測和記錄壓機(jī)在不同工作條件下的力能、位置、速度等參數(shù)的實(shí)際變化。

1.2 確定主參數(shù)

(1)錠坯材料及規(guī)格。擠壓制品材料范圍:各種變形有色金屬及合金、黑色金屬;鑄錠直徑:φ100 mm，φ120 mm。

(2)工藝參數(shù)。

擠壓筒內(nèi)徑/mm φ105，φ125

鑄錠最大長度/mm 420

擠壓筒長度/mm 500

(3)擠壓機(jī)主參數(shù)。

公程擠壓力/MN 5

活動(dòng)梁空程前進(jìn)力/MN 0.86

活動(dòng)梁回程力/MN 0.42

擠壓筒鎖緊力/MN 0.86

擠壓筒松開力/MN 0.42

額定穿孔力/MN 1.37

穿孔支撐力/MN 0.88

剪切力/MN 0.34

移動(dòng)模座移動(dòng)力/kN 80

主柱塞行程/mm 1 200

擠壓筒行程/mm 1 200

最大穿孔行程/mm 520

擠壓筒加熱溫度/℃ ～550

擠壓速度/mm·s－10.2～180，無級(jí)可調(diào)

穿孔速度/mm·s－10～100，無級(jí)可調(diào)

系統(tǒng)工作介質(zhì) 抗磨液壓油LHP46

主系統(tǒng)工作壓力/MPa 28

擠壓中心線高度/mm 850

(4)擠壓機(jī)控制精度。

速度控制精度/mm·s－1±0.1

穿孔針定位精度/mm ±3

擠制品偏心率 85%的制品±2%

2 擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

按設(shè)計(jì)方案，實(shí)驗(yàn)用5MN多功能金屬擠壓機(jī)設(shè)計(jì)為臥式三梁四柱結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力框架、采用模軸與擠壓軸“雙軸”系統(tǒng)、內(nèi)置式穿孔系統(tǒng)，擠壓筒移動(dòng)缸安裝在后梁上?？蚣艿某袎簤禾淄瑫r(shí)兼做活動(dòng)梁和擠壓筒運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向板安裝基體，活動(dòng)梁和擠壓筒的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向采用下導(dǎo)向?yàn)樗狡矫鎸?dǎo)向，上導(dǎo)向?yàn)椤癤”導(dǎo)向。5 MN多功能金屬擠壓機(jī)主機(jī)的主要構(gòu)成部件如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)用5 MN多功能金屬擠壓機(jī)Fig.1 5MN experimental multi-functional metal extrusion press

2.2 擠壓機(jī)主機(jī)組成部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)框架。主機(jī)框架采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，由四根拉桿和空心壓套在預(yù)應(yīng)力作用下經(jīng)螺母擰緊，將前梁、后梁組成一個(gè)剛性整體。從技術(shù)角度看，小型擠壓機(jī)的框架可以設(shè)計(jì)成鑄造式整體結(jié)構(gòu)或焊接式整體結(jié)構(gòu)，而組合式預(yù)應(yīng)力框架是適合于大中型液壓機(jī)的框架結(jié)構(gòu)，為保持結(jié)構(gòu)相似性，該壓機(jī)采用了組合式預(yù)應(yīng)力框架。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)提高了框架的剛性，從而提高了壓機(jī)的精度。①拉桿經(jīng)予伸長、空心壓套經(jīng)預(yù)壓縮后，拉桿僅承受拉應(yīng)力，壓套起支撐作用，在擠壓過程中框架彎曲變形小，因而框架結(jié)構(gòu)剛性好。②拉桿伸長量不足非普通張立柱的40%，前梁移動(dòng)量大大減少，各拉桿相對伸長量誤差很小，對中精度的偏差減到了最小，因此壓機(jī)精度高，利于保證制品精度。③拉桿拉應(yīng)力脈動(dòng)幅度減小至約40%，疲勞壽命得到極大的提高。

(2)活動(dòng)梁及穿孔系統(tǒng)。按功能可分為主缸組及活動(dòng)梁、內(nèi)置式穿孔系統(tǒng)兩部分。

活動(dòng)梁為實(shí)現(xiàn)擠壓工藝的傳力件，主缸組包括主工作缸和兩個(gè)側(cè)缸。主工作缸為柱塞缸，主柱塞裝于后梁的中心;兩個(gè)側(cè)缸為活塞缸，對稱安裝于主缸兩側(cè)，用于控制活動(dòng)梁空程前進(jìn)、擠壓和回程。活動(dòng)梁后端面與主柱塞及側(cè)缸活塞桿相連，前端面安裝擠壓軸?；顒?dòng)梁在四根壓套外表面的導(dǎo)軌上滑動(dòng)。擠壓軸的中心可通過調(diào)節(jié)其與導(dǎo)軌之間的滑動(dòng)副的螺紋調(diào)整。

穿孔系統(tǒng)由穿孔缸、穿孔針座及其導(dǎo)向滑道構(gòu)成，置于主柱塞內(nèi)。穿孔缸為活塞缸，主柱塞兼作穿孔缸缸體。主柱塞內(nèi)設(shè)穿孔針座的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。穿孔系統(tǒng)穿孔針后拉力設(shè)有液壓限定保護(hù)，可設(shè)定最大允許拉力?？赏ㄟ^開在主柱塞上的孔人工對穿孔針進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

(3)擠壓筒。由擠壓筒支座(外殼)、預(yù)應(yīng)力組合擠壓筒、擠壓筒移動(dòng)缸組、擠壓筒加熱及其連接件等組成部件。采用兩層預(yù)應(yīng)力組合筒。采用軸向直棒式電阻加熱，加熱棒沿圓周均勻分布在擠壓筒外套內(nèi)，擠壓筒加熱溫度可達(dá)550℃。外套和擠壓筒支座(外殼)之間填有絕熱保溫材料。擠壓筒支座(外殼)在四根壓套外表面導(dǎo)軌上滑動(dòng)。擠壓筒的中心可通過調(diào)節(jié)其與導(dǎo)軌之間的滑動(dòng)副的螺紋調(diào)整。擠壓筒的運(yùn)動(dòng)采用兩個(gè)活塞缸驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)油缸安裝在后梁上。

(4)橫向移動(dòng)模架。橫向移動(dòng)模架由模架及其上下導(dǎo)軌、模架移動(dòng)油缸及其安裝支座等組成。移動(dòng)模架采用兩工位直線移動(dòng)式，用于擠壓和清筒的交替工作。一個(gè)工位用于安裝模軸及模具，另一工位用于安裝清筒軸或清理墊。模架的運(yùn)動(dòng)設(shè)有上下、左右導(dǎo)向，導(dǎo)向裝置具有足夠的剛度。反向擠壓時(shí)，模軸安裝在移動(dòng)模架上，采用錐面預(yù)壓壓緊，隨移動(dòng)模架精確定位，能實(shí)現(xiàn)快速更換。模軸具有足夠的穩(wěn)定性，在反向擠壓和分離壓余時(shí)，裝在前梁上的4個(gè)液壓缸鎖緊模架。

(5)分離剪。用于制品與壓余的分離，分離剪垂直安裝在上壓套的上方。分離剪有兩個(gè)安裝位置，分別適用于正向擠壓或反向擠壓工藝。在改變擠壓方式時(shí)，需要將分離剪移位。剪刀片的運(yùn)動(dòng)由活塞缸驅(qū)動(dòng)，為降低高度，驅(qū)動(dòng)油缸采用缸動(dòng)式，缸體直接作為導(dǎo)向滑塊，可拆卸的剪刀片安裝在油缸下端面。剪刀片與模具端面的間隙可以調(diào)整。當(dāng)提升到上極限位時(shí)，為了防止滑塊下落引起事故，設(shè)有氣缸驅(qū)動(dòng)的插銷式安全裝置。

(6)擠壓工具。由擠壓軸、模軸、接料筒、組合模具和清理墊組成。

(7)充液閥。在主缸底部設(shè)有大通徑充液閥，保證動(dòng)梁快速前進(jìn)和后退時(shí)主缸進(jìn)排液壓油流動(dòng)暢通。

3 擠壓機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)及檢測控制方式

(1)擠壓機(jī)主機(jī)的主要?jiǎng)幼骶鶠橐簤簜鲃?dòng)，采用油泵直接傳動(dòng)形式。按設(shè)備工作速度的要求，通過流量組合的方式實(shí)現(xiàn)擠壓機(jī)主要運(yùn)動(dòng)部件速度的無級(jí)調(diào)整和空程快速動(dòng)作;

(2)采用位移測距。監(jiān)控?cái)D壓筒和擠壓軸相對于擠壓中心位置的偏移;

(3)設(shè)有壓力傳感器，活動(dòng)橫梁、穿孔針的壓力可根據(jù)不同產(chǎn)品的工藝需要設(shè)定并實(shí)時(shí)控制;

(4)設(shè)有速度及位移傳感器，活動(dòng)橫梁、穿孔針、擠壓筒的位置和運(yùn)行速度可根據(jù)工藝需要通過比例流量閥設(shè)定并實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、位置準(zhǔn)確;

(5)設(shè)有位移傳感器，主剪刀、橫向移動(dòng)模架的運(yùn)動(dòng)通過比例流量閥實(shí)現(xiàn)慢速啟動(dòng)－快速運(yùn)動(dòng)－慢速接近的方式控制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、位置準(zhǔn)確。

4 正向擠壓及反向擠壓功能的實(shí)現(xiàn)

5MN多功能擠壓機(jī)可完成正向擠壓、反向擠壓兩種工藝模式。當(dāng)活動(dòng)梁上安裝擠壓軸、橫向移動(dòng)模架上安裝擠壓模時(shí)，壓機(jī)處于正向擠壓模式;當(dāng)活動(dòng)梁上安裝擠壓軸或擠壓堵頭、橫向移動(dòng)模架上安裝模軸、擠壓模具安裝在模軸上時(shí)，壓機(jī)處于反向擠壓模式。在這兩種模式下，均可實(shí)現(xiàn)穿孔擠壓(雙動(dòng)擠壓)和不穿孔擠壓(單動(dòng)擠壓)。

通過液壓系統(tǒng)提供的不同傳動(dòng)介質(zhì)流量，活動(dòng)梁帶動(dòng)擠壓軸可以在不同的速度下工作，完成多種材料(包括各種變形有色合金和黑色金屬)的擠壓。按照錠坯上料時(shí)，錠坯與擠壓筒位置的前后不同，可實(shí)現(xiàn)前上料和后上料。

5 結(jié)束語

5MN多功能金屬擠壓機(jī)做為研發(fā)新型擠壓機(jī)的樣機(jī)，已于2010年成功安裝在金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。該機(jī)具有廣泛的工藝適應(yīng)性，可完成正向擠壓、反向擠壓兩種工藝模式;可實(shí)現(xiàn)穿孔擠壓(雙動(dòng)擠壓)和不穿孔擠壓(單動(dòng)擠壓);可以按不同材料對擠壓速度的要求，在不同的速度下工作，完成多種材料的擠壓;還可實(shí)現(xiàn)前上料和后上料。

［1］魏軍編著.金屬擠壓機(jī)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］溫景林.有色金屬擠壓機(jī)與拉拔技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［3］俞新陸.液壓機(jī)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

［4］權(quán)曉惠，董曉娟，裴志強(qiáng)，等.國內(nèi)最大的銅擠壓機(jī)生產(chǎn)線－40 MN銅擠壓機(jī)生產(chǎn)線［J］.重型機(jī)械，2002(5).

［5］王國紅.金屬擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新特點(diǎn)［J］.重型機(jī)械，2013(05).

［6］楊程，趙升噸，王軍，等.擠壓筒摩擦對正擠壓成形影響的研究［J］.鍛壓技術(shù)，2009(02).

［7］劉靜安.金屬擠壓成形理論與技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢(3)［J］.鋁加工，2001(01).

［8］鄧小民.反向擠壓時(shí)的擠壓力變化規(guī)律［J］.中國有色金屬學(xué)報(bào)，2002(01).