摘要：設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型銅包鋁水平連鑄牽引機(jī)，該牽引機(jī)由動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和可調(diào)底座四部分組成，其牽引精度高，能保證牽引及反推精度誤差控制到在10μm以內(nèi)，時(shí)間精度控制在10ms以內(nèi)，輸出響應(yīng)無延遲；牽引線可調(diào)性好，有效保證了牽引線和結(jié)晶器出料中心線重合；牽引機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便；采用PLC控制伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)牽引，可抗電磁干擾。

關(guān)鍵詞：銅包鋁；水平連鑄；牽引機(jī)；結(jié)晶器

中圖分類號(hào)：TF77文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.概述

水平連鑄工藝始于五十年代，該技術(shù)最早應(yīng)用于有色金屬生產(chǎn)。后來，美國(guó)Davy-Loewy公司、日本鋼管公司、美國(guó)通用汽車公司以及西德T.G公司等迅速發(fā)展了水平連鑄技術(shù)，現(xiàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了普通鋼和特殊鋼水平連鑄的工業(yè)化生產(chǎn)。與傳統(tǒng)金屬制備工藝相比，由于水平連鑄技術(shù)具有以下特點(diǎn)，被公認(rèn)為是提供高質(zhì)量鑄坯的高精尖的連鑄新技術(shù)。

1）鑄機(jī)設(shè)備高度低，無需建高大廠房，特別適用于中小型車間；

2）水平連鑄機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備重量比弧形機(jī)少40%，故基建投資較省；由于設(shè)備水平放置，安裝維修方便；

3）中間包與結(jié)晶器練成一個(gè)整體，避免了二次氧化，鑄坯的純潔度高，可以澆鑄的金屬液范圍大；

4）由于鑄坯是按水平連鑄方式拉出的，無需矯直。

隨著有色金屬加工工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)水平連鑄帶坯成品質(zhì)量的要求越來越高，牽引機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性和精確性決定了帶坯的質(zhì)量和產(chǎn)品的成材率，所以對(duì)連鑄牽引機(jī)的要求也越來越高。

銅包鋁是一種銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料，目前生產(chǎn)銅鋁復(fù)合材料大多采用固相結(jié)合法，即通過塑性變形使兩金屬結(jié)合面接近到原子間距離形成大量的結(jié)合點(diǎn)，經(jīng)過擴(kuò)散熱處理最終形成界面的牢固結(jié)合，如軋制壓接法包覆焊接法、連續(xù)擠壓包覆法、和靜液擠壓法，但這些方法都有其不足之處，而銅包鋁復(fù)合水平連鑄工藝可大大簡(jiǎn)化銅包鋁復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，而且易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)化和自動(dòng)化，是一種新型銅鋁復(fù)合加工方法。

銅包鋁水平連鑄是雙金屬連續(xù)鑄造，鑄造條件要求較一般鑄造較高，其既要滿足銅管的鑄造質(zhì)量，又要求能夠使鋁液在銅管中按照設(shè)計(jì)的模式進(jìn)行凝固，還要求銅鋁復(fù)合界面能夠達(dá)到冶金結(jié)合。所以相應(yīng)的在鑄造過程中對(duì)牽引機(jī)提出了較高的要求：（1）牽引精度高，反推精度誤差控制到在10μm以內(nèi)，時(shí)間精度控制在10ms以內(nèi)，輸出響應(yīng)無延遲。（2）設(shè)備穩(wěn)定，可在三維空間調(diào)整位置，牽引控制系統(tǒng)的可靠性和精確性決定了鑄坯的質(zhì)量和產(chǎn)品的成材率。本文意在通過對(duì)牽引機(jī)的研究和設(shè)計(jì)能夠解決以上所存在的問題。

2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)銅包鋁水平連鑄的特點(diǎn)并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，確定新型牽引機(jī)的設(shè)計(jì)方案。新型牽引機(jī)能夠滿足以下要求：牽引線三維可調(diào)。由于各種原因，結(jié)晶器的出料軸線每次都會(huì)有所變化，為了保證結(jié)晶器的出料軸線與牽引線共線，這就要求新型牽引機(jī)的牽引線必須三維可調(diào)。2、牽引機(jī)正反轉(zhuǎn)間隙要足夠小。水平連鑄牽引工藝一般通過控制牽引機(jī)的正轉(zhuǎn)、停、反轉(zhuǎn)、停這四組動(dòng)作和動(dòng)作時(shí)間，來實(shí)現(xiàn)坯料拉-停-反推-停的牽引工藝，動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間通常很短，從幾毫秒到幾秒，這就要求新型牽引機(jī)必須有足夠小的正反轉(zhuǎn)間隙，以防止間隙消耗動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間。3、牽引機(jī)能方便更換牽引輥，隨著牽引輥的磨損和牽引坯料的改變，都需要更換牽引輥，這就要求新型牽引機(jī)一定要能方便快速地更換牽引輥。4、牽引機(jī)易與其他設(shè)備配套實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)出來的新型牽引機(jī)主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和可調(diào)底座四大部分。

2.1動(dòng)力與控制系統(tǒng)

如圖1所示，動(dòng)力系統(tǒng)由伺服電機(jī)、減速機(jī)組成，用PLC控制水平連鑄工藝中牽引動(dòng)作的執(zhí)行，即通過PLC控制伺服電機(jī)的正轉(zhuǎn)、停、反轉(zhuǎn)、停這四組動(dòng)作和動(dòng)作時(shí)間，來實(shí)現(xiàn)坯料拉-停-反推-停的牽引工藝。

自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成：坯料連鑄過程控制采用集電氣控制、儀表控制和計(jì)算機(jī)控制三電一體的PLC控制系統(tǒng)，提高了控制的安全性和可靠性。PLC主站有控制機(jī)一臺(tái)，PLC都配置有主機(jī)架、電源、CPU模板(具有Profibus DP通訊接口功能)、以太網(wǎng)通訊接口模板、高速計(jì)數(shù)模板以及數(shù)字量和模擬量輸入/輸出模板。

以上設(shè)計(jì)體現(xiàn)了編程方便，可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)牽引節(jié)距、牽引時(shí)間、牽引停時(shí)、及退程、退時(shí)等動(dòng)作命令的準(zhǔn)確執(zhí)行，牽引參數(shù)的設(shè)定、修改和存儲(chǔ)等則在觸摸屏上完成。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)由主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪和聯(lián)軸器等組成，主動(dòng)齒輪安裝在牽引系統(tǒng)的下牽引輥主軸上，主軸通過聯(lián)軸器與動(dòng)力系統(tǒng)中減速機(jī)輸出軸聯(lián)接。從動(dòng)齒輪為同軸的兩個(gè)齒輪，兩個(gè)從動(dòng)齒輪通過漲套固定在一起，共同安裝在下牽引輥軸上，并且正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)分別與主動(dòng)齒輪嚙合，從而消除齒側(cè)間隙，保證了牽引機(jī)在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)都能瞬間嚙合，縮短或消除了齒側(cè)間隙的響應(yīng)時(shí)間，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

以上結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)命令輸出的準(zhǔn)確執(zhí)行，經(jīng)過測(cè)試位移傳動(dòng)誤差能夠小于10μm，時(shí)間延遲也小于10ms，下輥雙動(dòng)力輥牽引的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了牽引動(dòng)力以及提高了動(dòng)作執(zhí)行的準(zhǔn)確性，傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，生產(chǎn)過程中設(shè)備穩(wěn)定無噪音。

2.3 牽引系統(tǒng)

牽引系統(tǒng)主要由龍門式安裝箱、上牽引輥、下牽引輥、下牽引輥支撐和上牽引輥氣缸等組成。上牽引輥共兩對(duì)，前后排列，為從動(dòng)輥，主要起壓緊作用，由氣缸驅(qū)動(dòng)前后兩輥同時(shí)或各自做壓緊和松開動(dòng)作。下牽引輥共兩對(duì)，前后排列為主動(dòng)輥，通過下牽引輥軸上的

齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。下牽引輥可以繞主軸做一定角度轉(zhuǎn)動(dòng)，通過調(diào)整下牽引輥支撐的高度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)牽引中心線的上下調(diào)節(jié)，并且前后輥可分別調(diào)整。另外上、下牽引輥都采用分體結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)只需用螺栓將分開的兩半固定在牽引輥軸上即可，安裝和拆卸方便。上牽引輥氣缸由電磁閥控制動(dòng)作，由調(diào)速閥控制動(dòng)作的快慢。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示

可調(diào)底座主要由固定座和可調(diào)座組成，牽引機(jī)所有部件都安裝在可調(diào)座上，通過調(diào)整可調(diào)座相對(duì)固定座的位置和角度，來實(shí)現(xiàn)牽引線位置的調(diào)整。

工作時(shí)，牽引參數(shù)根據(jù)鑄造條件而定，牽引機(jī)的牽引速度為：0~210mm/min，牽引、反推、停時(shí)總時(shí)間為0.8~1.5s。通過觸摸屏設(shè)定牽引節(jié)距、反推執(zhí)行方式、反推長(zhǎng)度、牽引動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間、反推動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間、停止時(shí)間等參數(shù)，由PLC控制伺服電機(jī)的工作狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)前后牽引輥和可調(diào)座的位置和角度，讓牽引線和結(jié)晶器出料線共線。通過上牽引輥驅(qū)動(dòng)氣缸氣源壓力來改變牽引坯料的牽引力。

以上牽輥采用氣動(dòng)壓下方式，壓下力可調(diào)范圍0~1.0MPa，完全滿足牽引輥所需壓下力，前后雙排牽引輥；前牽引輥有左右限位輥槽，可使坯料控制到鑄造線上，防止鑄造中坯料偏位；下輥表面滾花增大了表面摩擦力易于牽引；可調(diào)機(jī)座的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)x、y、z三個(gè)坐標(biāo)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了快速牽引機(jī)的快速找正。

結(jié)論

通過上述設(shè)計(jì)，我們?cè)O(shè)計(jì)的新型牽引機(jī)具實(shí)現(xiàn)了一下幾個(gè)方面要求：

1）牽引精度高，能保證反推精度誤差控制到在10μm以內(nèi)，時(shí)間精度控制在10ms以內(nèi)，輸出響應(yīng)無延遲。

2）牽引線可調(diào)性好，有效保證了牽引線和結(jié)晶器出料中心線的共線問題。

3）牽引機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。

4）采用PLC控制伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)牽引，抗電磁干擾能力強(qiáng)，易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。

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