龔 燃

(洛陽有色金屬加工設計研究院，河南 洛陽471039)

反向擠壓機與正向擠壓機的區(qū)別是鑄錠與擠壓筒之間在擠壓過程中不產(chǎn)生相對運動。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，金屬流動均勻，制品的組織性能均勻、尺寸精度更高，很少甚至不會產(chǎn)生粗晶環(huán)。這就使得反向擠壓機在生產(chǎn)高精度、高質(zhì)量的硬鋁合金無縫管材和棒材時具有明顯的優(yōu)勢，此類產(chǎn)品多應用于航空航天、交通運輸、軍工、核工業(yè)等重要領(lǐng)域，對精度和強度有著十分嚴格的要求。

近年來，市場對于高精度高強度鋁合金產(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)人才輸出也推動了反向擠壓技術(shù)的應用。在當今鋁加工市場競爭激烈的情況下，越來越多的企業(yè)已經(jīng)或正在建設反向擠壓生產(chǎn)線用于生產(chǎn)高精度高強度鋁合金產(chǎn)品以拓寬企業(yè)的市場范圍。

本文對國內(nèi)反向擠壓裝備及擁有反向擠壓能力的企業(yè)進行了相關(guān)統(tǒng)計，介紹反向擠壓裝備在國內(nèi)外的應用情況及最新技術(shù)進展。

1 國內(nèi)外反向擠壓裝備的應用情況

經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，我國已經(jīng)建立起完整的擠壓工業(yè)體系，擠壓機噸位從大到小配套齊全，其中即將投產(chǎn)的最大的擠壓機能力已達到了150MN，而且225MN、250MN擠壓機也正在設計驗證中。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2010年，我國共有鋁擠壓機約3900臺，居世界第一位。其中，反向擠壓機約30臺(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是美鋁(Alcoa)的140MN反向擠壓機，德國辛根(Singen)鋁業(yè)公司有1臺100MN正反向擠壓機，德國?？怂?Fuchs)公司擠壓廠有1臺65MN正反向擠壓機。國內(nèi)最大噸位的反向擠壓機是吉林麥達斯鋁業(yè)有限公司的95MN正反向擠壓機，由太原重工制造，但反向功能是預留的，暫不會使用反向擠壓生產(chǎn)。已投入使用的最大噸位反向擠壓機是青海國鑫股份有限公司引進的55MN反向擠壓機，由德國西馬克(SMS)公司制造，2010年正式投產(chǎn)。山東兗礦集團也引進了1臺德國SMS公司制造的55MN反向擠壓機，計劃于2012年交付使用。

表1 為國內(nèi)鋁及鋁合金反向擠壓機統(tǒng)計表。

表1 為國內(nèi)鋁及鋁合金反向擠壓機統(tǒng)計表

序號企業(yè)名稱擠壓機噸位制造廠商備注5金橋鋁材集團28MN,2臺德國SMS6金橋鋁材集團10MN,2臺德國SMS7青海國鑫股份有限公司55MN德國SMS8青海國鑫股份有限公司28MN德國SMS9吉林利源股份有限公司45MN德國SMS10山東兗礦集團55MN德國SMS11山東兗礦集團36MN德國SMS12吉林麥達斯鋁業(yè)有限公司55MN德國SMS預留反向功能13吉林麥達斯鋁業(yè)有限公司95MN太原重工預留反向功能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中南大學擠壓平臺25MN西重所已訂貨18廣東創(chuàng)科達鋁業(yè)有限公司10MN偉成機械19深圳特種鋁合金制造廠10MN偉成機械20江蘇亞太鋁業(yè)有限公司20MN臺灣馨杰21江蘇亞太鋁業(yè)有限公司8MN,2臺臺灣馨杰22昆山捷安特輕合金有限公司7.5 MN臺灣23昆山捷安特輕合金有限公司11 MN臺灣24昆山捷安特輕合金有限公司14.5 MN臺灣25昆山捷安特輕合金有限公司16.5 MN臺灣26昆山捷安特輕合金有限公司18MN臺灣27昆山捷安特輕合金有限公司22MN臺灣

從表1中可以看出我國鋁及鋁合金反向擠壓機具有以下特點：

① 反向擠壓機裝機水平高。我國的反向擠壓機多是從國外引進，特別是2000年以后建設的反向擠壓機中，有13臺擠壓機是引進自德國西馬克SMS公司的。德國SMS公司被業(yè)界公認為擠壓機制造尤其是反向擠壓機制造的領(lǐng)頭羊，這些擠壓機無論在機械制造還是在軟件控制上，均代表了當時的國際最高水平。

② 國內(nèi)反向擠壓機制造數(shù)量少，正處于起步階段。目前國內(nèi)如太重、西重所制造了數(shù)十臺大中型鋁擠壓機，包括大中型雙動擠壓機，如山東叢林100MN雙動正向擠壓機、遼寧忠旺125MN雙動正向擠壓機、出口巴基斯坦的55MN雙動正向擠壓機等，但鋁反向擠壓機的業(yè)績卻很少。西重所設計制造了25MN雙動反向擠壓機，太重設計制造了95MN雙動正反向擠壓機，75MN雙動反向擠壓機也正在研制中，廣東偉成機械設計制造了10MN反向擠壓機。

③ 國內(nèi)反向擠壓機制造與國際先進水平相比尚有差距。與正向擠壓機相比，反向擠壓機的主機結(jié)構(gòu)比較復雜，輔助機械動作多，控制水平要求高。從國內(nèi)制造的雙動擠壓機來看，擠壓機的同心度、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對張力柱施加一個經(jīng)過精確計算的拉應力，同時在疊板的外圍、后梁和前梁之間設置了方形的壓縮箱體，形成具有剛性的預應力框架結(jié)構(gòu)。組成同一根張力柱的疊板，要求機械性能、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 直線導軌導向系統(tǒng)

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

圖2

2.3 擠壓分離站

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

2.4 穿孔針的定位、清潔和潤滑

多采用內(nèi)置式穿孔系統(tǒng)，可實現(xiàn)固定針和隨動針的穿孔擠壓。穿孔針的固定通過配備高頻響應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現(xiàn)精確的液壓定位，響應時間可達10毫秒。目前最先進的擠壓機配備的穿孔針的定位精度能夠達到±1mm，可以在擠壓過程中實現(xiàn)穿孔針的精確前進與后退，實現(xiàn)變斷面管材的連續(xù)擠壓。

穿孔針的清潔和潤滑裝置包括一個可旋轉(zhuǎn)的清潔刷，可以繞穿孔針轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對穿孔針的清潔；潤滑裝置可以按照設定的間距旋轉(zhuǎn)進入擠壓機，兩片式的潤滑頭圍繞穿孔針，在穿孔針的旋轉(zhuǎn)和后退中噴射氮化硼，完成潤滑。

2.5 模具及其循環(huán)

反向擠壓機的模具(見圖3)設計成帶錐度的型式，橫截面呈六邊形，擠壓時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，相當于起到了剝皮的作用。

圖3

模具與擠壓墊被機械手取下經(jīng)過傳送機構(gòu)送至分離站后，經(jīng)清理、潤滑返回至上料位，該過程可實現(xiàn)自動化操作。反向擠壓機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)約非擠壓周期時間。

設置單獨的模具保溫裝置，在擠壓的間隔期間對模具進行保溫。

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，很多擠壓機使用專用的輔助泵單獨控制擠壓筒的移動，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。

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

2.7 擠壓速度控制

擠壓速度可實現(xiàn)閉環(huán)控制，通過PLC和高頻響應的比例閥控制各主變量泵的流量，來控制擠壓桿的速度。在操作臺設定擠壓速度后，主柱塞位置檢測系統(tǒng)提供反饋信號，經(jīng)PLC程序進行控制處理，從而實現(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，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的小流量泵了。小流量泵在一定的速度范圍內(nèi)運行，當擠壓速度超過小流量泵的額定值時，系統(tǒng)自動跳轉(zhuǎn)到大流量泵。

2.8 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)采用集成化設計，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)各機構(gòu)的運行速度和壓力的要求。先導泵和其它低壓油泵可采用恒壓變量軸向柱塞泵，用于先導控制和其它輔助機構(gòu)的動作控制。

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、響應快、內(nèi)泄漏少、啟閉特性和過載保護性能好等特點。

根據(jù)需要在各集成塊的各個閥之間進行必要的安全聯(lián)鎖，設置便于監(jiān)測和控制系統(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，可實現(xiàn)擠壓噸位控制與保護，以及系統(tǒng)柔性卸壓。

2.9 自動化控制系統(tǒng)

反向擠壓機采用PLC控制生產(chǎn)機列的操作，配備與PLC通訊的上位機，可在主操作臺上顯示和控制擠壓的全過程。在計算機的多畫面屏幕菜單上，可預設擠壓速度，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)檢測和控制擠壓軸、擠壓筒、穿孔針、主剪、推錠裝置、供錠機械手等工具和機構(gòu)的行程；數(shù)字化顯示擠壓梁和擠壓筒的水平、垂直對中位置，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，可進行聯(lián)鎖控制、安全保護和泄荷操作；擠壓結(jié)束后，根據(jù)機后輔機的運行狀況控制擠壓速度，優(yōu)化擠壓機及輔機的動態(tài)參數(shù)；擠壓速度閉環(huán)控制，并對因液壓油泄露、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行自動補償。

3 結(jié)束語

國內(nèi)對反向擠壓裝備的研究工作起步比較晚，最早的反向擠壓機是1986年西北鋁加工公司從日本宇部(UBE)引進的25MN雙動反向擠壓機，雖然在2000年以后又掀起了反向擠壓機的建設熱潮，但這些擠壓機都是引進的。近年來，國內(nèi)幾家擠壓機制造廠消化吸收了國外的先進技術(shù)，并采用國外性能良好、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠的液壓部件和電氣控制元件配套，使國產(chǎn)擠壓機裝備水平有了很大的提高，大中型的正向擠壓機制造了不少，且裝機水平也正在向國際先進水平靠攏。隨著國內(nèi)市場對高精度、高強度鋁合金管材的需求越來越大，反向擠壓機的需求也越來越多，擠壓機制造廠應加速開展對反向擠壓裝備的機械、液壓系統(tǒng)的研究和優(yōu)化設計，使國產(chǎn)反向擠壓裝備早日達到國際先進水平。

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