荊云海，權(quán)曉惠，鄭文達(dá)，董曉娟，谷瑞杰

(中國重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

金屬擠壓機(jī)種類較多，按擠壓制品材料一般分為有色金屬擠壓機(jī)和黑色金屬擠壓機(jī)。鋯屬于有色金屬，但其擠壓工藝和材料特性與同屬有色金屬的鋁和銅差別很大，更接近于黑色金屬，又不同于黑色金屬。因此用現(xiàn)有的有色或黑色金屬擠壓機(jī)，都不能很好滿足鋯及鋯合金的擠壓加工。近年來隨著我國核電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)于核級(jí)鋯材的需求日益增加，而核級(jí)鋯材的生產(chǎn)技術(shù)長期壟斷在美俄等少數(shù)幾個(gè)國家手中，嚴(yán)重制約了我國的核電事業(yè)的發(fā)展。中國重型機(jī)械研究院有限公司為某公司開發(fā)的40 MN臥式雙動(dòng)鋯擠壓機(jī)組，可以滿足各種民用鋯合金、核級(jí)鋯合金管、棒及型材的擠壓加工，同時(shí)可以用于鈦及鈦合金的擠壓加工，是我國自主研發(fā)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第一條核級(jí)鋯材生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備。該機(jī)組的投產(chǎn)，標(biāo)志著制約我國核電發(fā)展的核級(jí)鋯材的批量生產(chǎn)走上了自主化、國產(chǎn)化的道路，將很快結(jié)束我國核級(jí)鋯材長期依賴進(jìn)口的局面。本文主要介紹了40 MN臥式雙動(dòng)鋯擠壓機(jī)組的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)。

1 機(jī)組組成

40 MN臥式雙動(dòng)鋯擠壓機(jī)組主要由主機(jī)本體、液壓系統(tǒng)、機(jī)械化部分、工頻加熱爐、后部出料系統(tǒng)及電氣控制部分組成?？梢酝瓿射啿牡挠?無壓余擠壓;鋯管的擴(kuò)孔/不擴(kuò)孔擠壓等多種擠壓工藝。

1.1 主機(jī)本體

主機(jī)本體主要由框架、主缸和側(cè)缸、動(dòng)梁、穿孔系統(tǒng)、擠壓容室、擠壓工具、移動(dòng)模架、檢測及潤滑裝置、坯錠潤滑系統(tǒng)組成。主機(jī)框架為預(yù)應(yīng)力組合式框架，穿孔系統(tǒng)為內(nèi)置式，動(dòng)梁和擠壓筒采用“X”型導(dǎo)軌導(dǎo)向、移動(dòng)模架為兩工位直線移動(dòng)型式。

鋯合金特別是核級(jí)鋯具有變形抗力大、流動(dòng)性差、粘性強(qiáng)、擠壓溫度窄、擠壓比小等特性，為了實(shí)現(xiàn)鋯及其合金管、棒及型材的擠壓，除了嚴(yán)格控制擠壓溫度、擠壓比、比壓和使用合理的潤滑劑外，擠壓工模具的結(jié)構(gòu)和形狀也是十分重要的影響因素之一，因此我們對(duì)擠壓工模具做了針對(duì)性的特殊設(shè)計(jì)。由于每個(gè)工作循環(huán)穿孔針必須潤滑，因此對(duì)穿孔針的結(jié)構(gòu)和安裝方式也做了特殊設(shè)計(jì);穿 (擴(kuò))孔力、擠壓筒鎖緊力做了適當(dāng)調(diào)整。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際使用結(jié)果看，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力的調(diào)整是合理而且十分必要的。

1.2 機(jī)械化部分

機(jī)械化部分主要是完成坯錠潤滑、坯錠上料、擠壓墊循環(huán)、壓余分離及擠壓殘料回收工作。主要包括:坯錠潤滑線、坯料輸送機(jī)、擠壓墊提升及推進(jìn)機(jī)構(gòu)、升錠機(jī)械手、滑鋸、壓余分離裝置、擠壓墊溜槽、穿孔針快換機(jī)械手、擠壓筒清理及潤滑裝置等。

由于核級(jí)鋯擠壓溫度窄，物料轉(zhuǎn)移時(shí)間控制嚴(yán)格，從爐門打開到坯錠完全進(jìn)入擠壓筒，總時(shí)間不得大于60 s，以防止坯料溫降過大。本研究設(shè)計(jì)的坯料轉(zhuǎn)移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，送料速度快而平穩(wěn)，送料定位精準(zhǔn)。

鋯材擠壓的潤滑非常關(guān)鍵，除了選用合理的潤滑劑外，潤滑方式及潤滑膜厚度也是影響擠壓制品的關(guān)鍵因素。充分合理的潤滑不但可以大大減小擠壓力或擴(kuò)孔力，而且可以避免粘筒、粘膜、粘針現(xiàn)象，提高產(chǎn)品表面質(zhì)量;換言之，不潤滑或不能充分潤滑，幾乎不可能完成鋯材擠壓。本研究設(shè)計(jì)的坯錠的潤滑采用涂層潤滑，潤滑劑主要成分為二硫化鉬、玻璃粉、石墨等，其配比隨合金成分不同而變化;同時(shí)根據(jù)不同的合金成分確定了合理的涂層厚度。實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐證明本研究中的潤滑劑成分和配比合理，潤滑工藝和裝置對(duì)坯錠潤滑的涂層均勻、附著力強(qiáng)，完全滿足了實(shí)際生產(chǎn)要求。

1.3 工頻加熱爐

坯錠加熱采用立式工頻加熱爐。加熱坯料規(guī)格:外徑φ215 mm，長300～880 mm，加熱溫度在600～950℃，鑄錠軸向頭、中、尾，徑向外、中、內(nèi)加熱溫度與設(shè)定溫度偏差不超過30℃。加熱系統(tǒng)加熱工藝曲線可根據(jù)生產(chǎn)要求進(jìn)行設(shè)置，加熱過程可自動(dòng)控制。

1.4 后部出料系統(tǒng)

后部出料系統(tǒng)用于除煙塵及制品的出料、空冷、水冷、運(yùn)輸、檢驗(yàn)、定尺鋸切等。該系統(tǒng)的工作與主機(jī)相匹配。主要包括:出料臺(tái)、步進(jìn)冷床、冷卻槽、檢驗(yàn)輥道、定尺鋸、鋸切 (定尺)輸出輥道。

1.5 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)采用泵加蓄勢器聯(lián)合傳動(dòng)。鋯材擠壓采用泵直接傳動(dòng)，鈦及鈦合金擠壓采用泵+蓄勢器傳動(dòng)。

液壓系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn):

(1)蓄勢器和氣罐除設(shè)有液壓、氣壓安全閥和液位監(jiān)控器，同時(shí)設(shè)有壓力變送器，可實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)壓力;

(2)在主缸、穿孔缸、回程缸、擠壓筒移動(dòng)缸和移動(dòng)模架缸等缸體的液壓控制回路中設(shè)有安全溢流閥，以保證設(shè)備安全，不會(huì)因超壓損壞缸體;

(3)每臺(tái)泵均設(shè)有泵頭循環(huán)閥，使所有泵均可單獨(dú)使用、也可聯(lián)合使用，互不干擾，可避免泵帶載啟動(dòng)等不安全隱患;

(4)采用比例控制技術(shù)，使擠壓機(jī)各個(gè)執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確;

(5)擠壓桿、穿孔針、擠壓筒及移動(dòng)模架的動(dòng)作采用比例變量泵控制，通過改變變量泵的流量以實(shí)現(xiàn)慢速啟動(dòng)、快速運(yùn)行、慢速靠近停止。為了精確控制擠壓速度，在控制回路中設(shè)有比例節(jié)流閥，采用閉環(huán)控制，使擠壓速度的控制精度可達(dá)±3%;

(6)機(jī)械化裝置中升錠機(jī)、滑鋸、坯料輸送機(jī)、壓余拉出及模架移動(dòng)等主要?jiǎng)幼鞑捎帽壤y和比例泵控制以實(shí)現(xiàn)慢速啟動(dòng)、快速運(yùn)行、慢速靠近、準(zhǔn)確定位停止，來實(shí)現(xiàn)機(jī)械化各動(dòng)作的快速、平穩(wěn)和準(zhǔn)確定位。

(7)在泵蓄勢器至壓機(jī)的主回路中設(shè)有大流量高動(dòng)態(tài)性能二通比例流量插裝閥，可在高速擠壓時(shí)精確地控制擠壓速度;

(8)擠壓桿、穿孔針及擠壓筒的動(dòng)作采用二通插裝式錐閥控制，通過功能元件來調(diào)節(jié)主閥芯的開關(guān)時(shí)間及速度，以滿足大流量、快速、無沖擊的要求;

(9)該擠壓機(jī)工作缸直徑和行程都較大，在擠壓過程中儲(chǔ)存了大量能量，為了實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)，要求系統(tǒng)能快速平穩(wěn)的卸壓，采用了比例卸壓技術(shù)，系統(tǒng)高壓大流量時(shí)，按設(shè)定的壓力流量曲線平穩(wěn)快速卸壓，保證了卸壓平穩(wěn)、快速、無沖擊和振動(dòng);

(10)設(shè)有專用恒壓系統(tǒng)對(duì)擠壓筒鎖緊缸進(jìn)行保壓，以保證擠壓筒與模具之間緊密接觸，擠壓時(shí)不“戴草帽”;

(11)在主缸及穿孔缸油路中，設(shè)有比例溢流閥及壓力傳感器，進(jìn)行限壓保護(hù)，以保護(hù)擠壓軸及穿孔針，并降低能耗，防止壓機(jī)工作過程中壓力失控，以保證設(shè)備不會(huì)發(fā)生意外事故。

1.6 電氣控制部分

在保證機(jī)組技術(shù)參數(shù)、機(jī)械動(dòng)作及液壓系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，電氣控制系統(tǒng)的功能最大限度滿足工藝和產(chǎn)品的需求，做到整機(jī)高可靠性、高自動(dòng)化、低故障率，操作維修安全、方便。

電氣控制系統(tǒng)設(shè)置了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC，主要完成擠壓工作制度及工藝制度顯示;擠壓參數(shù)設(shè)定;機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)顯示;故障報(bào)警與顯示;生產(chǎn)管理等多層界面以滿足生產(chǎn)需求。

可編程控制器PLC是擠壓機(jī)的主控制器，實(shí)現(xiàn)擠壓機(jī)的level1控制，擠壓機(jī)主機(jī)和機(jī)械化部分的各種動(dòng)作控制，由于主操作臺(tái)上按鈕、開關(guān)、指示燈非常多，為提高系統(tǒng)的可靠性，減少柜、臺(tái)聯(lián)線，在操作臺(tái)內(nèi)設(shè)置有PLC分布站，通過PROFIBUS-DP與可編程控制器PLC相連，由可編程控制器PLC進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

電氣控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)通訊，既可采集擠壓機(jī)工作的主要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化參數(shù)在線管理，又可以通過其輸入各種工藝參數(shù)，調(diào)整壓機(jī)工作狀態(tài)，使得設(shè)備工作時(shí)擠壓時(shí)間和輔助工作時(shí)間縮短，產(chǎn)品的產(chǎn)量和成品率進(jìn)一步提高，從而使設(shè)備在最佳參數(shù)匹配下進(jìn)行工作。

2 40 MN臥式雙動(dòng)鋯擠壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

公稱擠壓力 40 MN

擠壓速度 0.5～100 mm/s

動(dòng)梁空程前進(jìn)速度 180 mm/s

穿孔力 5MN

穿孔行程 1100 mm

擠 壓 筒 直 徑 φ216mm、 φ260mm、φ310 mm

擠壓筒鎖緊力 5 MN

擠壓筒長度 1100 mm

擠壓筒加熱溫度 500℃

擠壓管材壁厚偏差不超過管材壁厚的≤2%

3 鋯合金擠壓的工藝特點(diǎn)

3.1 鋯材加工典型工藝

坯錠鍛造－淬火－機(jī)加－潤滑－加熱－擠壓－水冷－局部打磨－檢驗(yàn)－定尺鋸切－矯直－外磨－內(nèi)磨－退火－軋制－檢驗(yàn)。

3.2 擠壓工藝

鋯材擠壓通常采用有壓余擠壓和無壓余擠壓兩種方式，根據(jù)擠壓制品的要求進(jìn)行選擇。有壓余擠壓缺點(diǎn)是成品率低，對(duì)熱鋸要求高，鋸片磨損快等;優(yōu)點(diǎn)是對(duì)環(huán)境污染小。無壓余擠壓采用石墨墊做犧牲壓余，優(yōu)點(diǎn)是成品率高，無金屬壓余，不使用熱鋸;缺點(diǎn)是石墨對(duì)環(huán)境有一定污染。

工模具潤滑對(duì)于鋯材擠壓非常重要，擠壓筒和模具每次擠壓前用潤滑漿噴涂;擠壓針和擴(kuò)孔頭需要經(jīng)過潤滑漿噴涂、干燥和預(yù)熱。

鋯管擠壓一般采用擴(kuò)孔擠壓，擴(kuò)孔速度一般控制在6 mm/s，擠壓速度3 mm/s左右。對(duì)于一些低合金民用鋯，擠壓速度可以到12 mm/s，最大不應(yīng)超過30 mm/s。40 MN臥式雙動(dòng)鋯擠壓機(jī)可以達(dá)到100 mm/s的擠壓速度，主要用于鈦及鈦合金的擠壓加工。

3.3 工藝難點(diǎn)

鋯合金具有變形抗力大、流動(dòng)性差、粘性強(qiáng)、擠壓溫度控制嚴(yán)格、擠壓比小、較易燃燒等特性。使得鋯合金擠壓具有擠壓力大、截面壓應(yīng)力高、突破應(yīng)力高等工藝特點(diǎn)。例如某核級(jí)鋯715℃時(shí)擠壓截面壓應(yīng)力845 MPa，突破應(yīng)力1116 MPa;650℃時(shí)擠壓截面壓應(yīng)力902 MPa，突破應(yīng)力1148 MPa，這就對(duì)擠壓工具提出了更高的要求。

核級(jí)鋯材對(duì)擠壓溫度要求很高，必須嚴(yán)格控制。其加熱坯錠軸向頭、中、尾，徑向外、中、內(nèi)與設(shè)定溫度偏差不超過30℃，超過溫差30℃可能會(huì)引起坯錠局部過燒，產(chǎn)生相變，造成坯錠報(bào)廢。

某些鋯合金的粘性強(qiáng)，在擠壓時(shí)易粘穿孔針、粘模、粘筒、粘鋸、夾鋸等。對(duì)于粘針、粘模、粘筒現(xiàn)象，只要保證正確良好的潤滑就可以解決。通過采用無壓余擠壓，不使用熱鋸就可避免粘鋸、夾鋸的現(xiàn)象發(fā)生;如果必須采用有壓余擠壓，熱鋸應(yīng)保持良好的冷卻潤滑，降低鋸片進(jìn)給速度，同時(shí)加大鋸齒線速度，進(jìn)給速度保持在1～2 mm/s較為合適;鋸齒線速度應(yīng)大于100 m/s。

4 結(jié)論

中國重型機(jī)械研究院有限公司開發(fā)的40 MN臥式雙動(dòng)鋯擠壓機(jī)組是專為鋯及鋯合金擠壓加工而開發(fā)的擠壓機(jī)，可以滿足各種民用鋯合金、核級(jí)鋯合金管材、棒材和型材的擠壓加工，穿孔系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)針和固定針擠壓，是我國第一條具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核級(jí)鋯材生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備。該機(jī)組的建成投產(chǎn)，標(biāo)志著制約我國核電發(fā)展的核級(jí)鋯材的批量生產(chǎn)走上了自主化、國產(chǎn)化的道路，結(jié)束了我國核級(jí)鋯材長期依賴進(jìn)口的局面。為我國的核電事業(yè)做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

［1］ 魏軍．金屬擠壓機(jī) ［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版，2005．

［2］ 謝建新，劉靜安．金屬擠壓機(jī)理論與技術(shù) ［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2001．

［3］ 王樂安．難變形合金鍛件生產(chǎn)技術(shù) ［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2005．