周少凡，張君，李正利，陳永甲，孟春

(金屬擠壓/鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著高鐵、地鐵、城市輕軌的建設(shè)，鋁型材的需求快速增長(zhǎng)。鋁擠壓機(jī)后部處理設(shè)備是生產(chǎn)鋁型材的重要設(shè)備。中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司給山東三星集團(tuán)設(shè)計(jì)的60 MN鋁擠壓機(jī)后部處理設(shè)備主要用于牽引、淬火、冷卻、傳送、拉伸矯直、鋸切和裝框擠壓成形的鋁型材。該生產(chǎn)線自投產(chǎn)以來，設(shè)備運(yùn)行良好，產(chǎn)品質(zhì)量高。

1 生產(chǎn)線設(shè)備組成及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 設(shè)備組成

60 MN鋁擠壓機(jī)輔機(jī)設(shè)備包括:氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置1、雙牽引機(jī)2、導(dǎo)出輥道3、出料輥道4、出料輥道挑料5、皮帶輸送式冷床6、過橋7、拉伸矯直機(jī)8、儲(chǔ)料冷床9、鋸前輥道挑料10、鋸前輥道11、成品鋸12、定尺裝置13、鋸后輥道14、鋸后輥道挑料15等，并設(shè)有獨(dú)立的液壓和電氣控制裝置。圖1為60 MN鋁擠壓機(jī)平面布置圖。

圖1 60 MN鋁擠壓機(jī)平面布置圖Fig.1 Layout chart of 60 MN aluminum extrusion press

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

牽引力(可調(diào))/N 500～6 000

牽引速度/m·min－10～50

返回速度/m·min－1150～180

水淬區(qū)長(zhǎng)度(風(fēng)+水)/m 4

風(fēng)冷速度/m·s－10～60

水淬總流量/m3·h－1360

風(fēng)淬區(qū)長(zhǎng)度/m 8

拉伸力/MN 6

最大拉伸行程/m 2.0

定尺精度/mm ±2

2 雙牽引機(jī)技術(shù)

2.1 雙牽引機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鋁型材擠壓時(shí)，由于鋁錠坯與擠壓工模具(擠壓筒、模具、擠壓墊等)之間的摩擦，引起了鋁錠坯擠壓過程中沿截面方向流動(dòng)速度的不均勻。牽引機(jī)牽引鋁型材，有利于模具內(nèi)焊合室中金屬的成形;牽引機(jī)導(dǎo)引擠壓制品沿其導(dǎo)軌直線行進(jìn)，保證制品的直線度，防止制品扭曲，減少制品表面的損傷。牽引機(jī)采用恒張力控制，同時(shí)，在此張力作用下對(duì)型材進(jìn)行風(fēng)冷或水冷，不僅減少型材的冷卻變形，而且使微觀組織結(jié)構(gòu)均勻。

60 MN鋁擠壓機(jī)采用雙牽引機(jī)技術(shù)，雙牽引機(jī)的組成如圖2所示。主要有帶飛鋸的副牽引1、路軌2、主牽引3、除塵裝置4等，其上配備牽引機(jī)所用小液壓站。牽引機(jī)的夾鉗可以根據(jù)鋁型材形狀進(jìn)行調(diào)節(jié)夾緊，夾緊力根據(jù)牽引力而定;上鉗口可以上升下降，以適應(yīng)鋁型材高度的變化。上下鉗口采用側(cè)夾型，采用直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，鉗口裝置升降由油缸驅(qū)動(dòng)完成。

圖2 雙牽引機(jī)組成Fig.2 Composition of double-traction machine

2.2 雙牽引機(jī)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

(1)雙牽引機(jī)提高生產(chǎn)效率，達(dá)到連續(xù)擠壓的目的。單牽引機(jī)一般采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過夾料裝置在軌道上的鏈條作來回往返動(dòng)作，當(dāng)單牽引機(jī)夾料走到最后端時(shí)，松開所夾料，從最末端移動(dòng)到最前端，再重新夾料。雙牽引機(jī)采用接力式交接料的方式，并采用帶輥輪的小車結(jié)構(gòu)，輪式小車沿一固定軌道滑行。當(dāng)雙牽引中的一臺(tái)牽引機(jī)夾第一根料走到最后端時(shí)，另一臺(tái)牽引機(jī)就可以?shī)A第二根料了，大大節(jié)約了時(shí)間。采用雙牽引機(jī)可以提高生產(chǎn)效率，不停機(jī)鋸切，達(dá)到連續(xù)擠壓的目的。

(2)雙牽引機(jī)采用無線以太網(wǎng)(WLAN)的方法傳遞數(shù)據(jù)。單牽引機(jī)最早采用的是劃出線數(shù)據(jù)傳送方式，這種方式不夠可靠，有時(shí)候接觸不上會(huì)導(dǎo)致停機(jī)。后來又采用過紅外數(shù)據(jù)傳送方式，但對(duì)安裝精度要求高，現(xiàn)場(chǎng)不易安裝。目前，雙牽引機(jī)采用分布站的控制方式，牽引機(jī)之間、牽引機(jī)和主PLC之間采用無線以太網(wǎng)(WLAN)。無線以太網(wǎng)(WLAN)具有協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化、小型靈活、成本低、抗干擾性強(qiáng)、高帶寬、數(shù)據(jù)傳輸率高等優(yōu)點(diǎn)。采用無線以太網(wǎng)(WLAN)的方法傳遞數(shù)據(jù)后，擴(kuò)大了設(shè)備的控制范圍和距離，長(zhǎng)達(dá)10公里的數(shù)據(jù)傳輸足以滿足一般工廠內(nèi)的無限監(jiān)控。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，使用效果效果良好。

采用無線以太網(wǎng)(WLAN)的方法傳遞數(shù)據(jù)解決了長(zhǎng)行程設(shè)備布線難的問題。應(yīng)用無線以太網(wǎng)技術(shù)不僅節(jié)省了大量電線、電纜，降低了系統(tǒng)的安裝難度，減少了硬件投資，而且其組網(wǎng)方便靈活，新增設(shè)備入網(wǎng)方便快捷，便于以后的系統(tǒng)擴(kuò)容。設(shè)備維護(hù)人員可以用帶有無線網(wǎng)絡(luò)的電腦在工廠任意位置訪問網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控維護(hù)設(shè)備，十分便捷。

(3)雙牽引機(jī)消除牽引機(jī)輥輪在軌道交接處的震動(dòng)。為了消除牽引機(jī)輥輪在軌道交接處的震動(dòng)，雙牽引機(jī)軌道交接處采用交錯(cuò)的連接形式，即一節(jié)導(dǎo)軌的軌道伸入到另外一節(jié)中，從而連接得更緊密。原先單牽引機(jī)軌道不交接，所以牽引機(jī)在走到交界處時(shí)有震動(dòng)，牽引機(jī)又夾著型材，所以牽引機(jī)的震動(dòng)會(huì)在型材上產(chǎn)生震動(dòng)波紋，影響型材質(zhì)量。

(4)帶飛鋸的副牽引機(jī)提高了生產(chǎn)效率。牽引機(jī)上的鋸有兩種工作方式:一種是在擠壓制品停止的情況下，切斷擠壓制品，鋸裝置本身不移動(dòng)只有鋸片鋸切以;二是與牽引機(jī)同步的情況下，鋸裝置也一起移動(dòng)(一邊移動(dòng)一邊鋸切叫飛鋸)，切斷擠壓制品，處于跟隨狀態(tài)。切斷后，牽引機(jī)把切斷的制品放到同步輥道上(不同步就會(huì)擦傷制品)，而開始回程。此時(shí)鋸要繼續(xù)一段時(shí)間牽引制品，直至牽引機(jī)到位再次夾住制品;飛鋸此時(shí)松開制品返回原始位置。大大提高了生產(chǎn)效率。

飛鋸、牽引機(jī)、輥道實(shí)現(xiàn)三同步，在控制上有一定難度，在設(shè)計(jì)、調(diào)試上都要做很多細(xì)致的工作。

(5)雙牽引的其他優(yōu)點(diǎn)。雙牽引裝置采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，易于工廠使用和維護(hù)。單牽引機(jī)采用直流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，維護(hù)成本高。雙牽引采用同步帶傳輸牽引機(jī)運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)穩(wěn)定可靠。單牽引采用鋼絲繩傳動(dòng)，不時(shí)有打滑顯現(xiàn)。

3 氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置

3.1 氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置的組成如圖3所示。聯(lián)合冷卻裝置分為三部分，第一部分是風(fēng)和水聯(lián)合冷卻的區(qū)域，第二部分是風(fēng)冷卻區(qū)域，第三部分是風(fēng)冷卻區(qū)域。

第一個(gè)冷卻區(qū)域長(zhǎng)4 m，冷卻裝置由上冷卻罩和下冷卻風(fēng)道組成，上冷卻罩由電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過齒輪齒條傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)上冷卻罩升降，在第一次擠壓時(shí)牽引機(jī)通過后落下，直到連續(xù)擠壓停止才升起。下冷卻風(fēng)道一個(gè)，與風(fēng)機(jī)相連，其中設(shè)有耐溫600℃的支撐輥，支撐輥可升降，適應(yīng)不同厚度的鋁型材。

圖3 氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置Fig.3 Air-water quenching cooling device

上冷卻罩長(zhǎng)度4 m，冷卻罩風(fēng)嘴包括上部三個(gè)風(fēng)嘴和左右風(fēng)嘴，上冷卻罩由大功率風(fēng)機(jī)供風(fēng)，在風(fēng)道上安裝有電動(dòng)擋板，可以調(diào)整風(fēng)嘴的風(fēng)量;風(fēng)機(jī)采用變頻器控制，控制風(fēng)嘴風(fēng)量的大小。

下風(fēng)道長(zhǎng)度4m，冷卻罩的風(fēng)嘴為三個(gè)依次布置，也由大功率風(fēng)機(jī)供風(fēng)，在風(fēng)道上安裝有電動(dòng)擋板，可以調(diào)整風(fēng)嘴的風(fēng)量，風(fēng)機(jī)也采用變頻器控制，控制下風(fēng)嘴風(fēng)量的大小。

所有風(fēng)嘴交錯(cuò)排布，并和出料方向成一角度，使整個(gè)強(qiáng)風(fēng)向出料方向流出，以順利帶走熱量。冷卻通道內(nèi)設(shè)有保護(hù)風(fēng)嘴的裝置。風(fēng)冷系統(tǒng)可以提供接近高達(dá)300 W/m2K的熱傳導(dǎo)系數(shù)。

在風(fēng)嘴的間隙，排布霧化冷卻水嘴;噴嘴沿型材截面方向均勻排布，整個(gè)水冷裝置在全長(zhǎng)上分為兩個(gè)3 m的冷卻區(qū)域。

在淬火裝置兩邊，設(shè)有擋水擋板，在水霧冷卻時(shí)落下，在風(fēng)冷時(shí)自動(dòng)抬起。

第一段淬火裝置兩端均設(shè)有風(fēng)刀，以防止水冷時(shí)水霧溢出。

第一段淬火裝置后，上下安裝有液壓支撐輥輪，防止鋁型材淬火時(shí)上下彎曲，在淬火裝置內(nèi)部，左右由人工安裝支撐輥輪，防止鋁型材淬火時(shí)左右彎曲，此輥輪可根據(jù)鋁型材寬度調(diào)整。

第二、三冷卻區(qū)域分別長(zhǎng)2 m，只進(jìn)行空氣空卻，其結(jié)構(gòu)布置和控制方式與第一冷卻區(qū)域基本相同。

淬火裝置內(nèi)部的輥?zhàn)涌梢陨?，并承?00℃的高溫。

此冷卻裝置還具有駐波過水冷卻功能。過水冷卻由水墻來形成，鋁型材完全浸入水中。淬火裝置的兩端各設(shè)有風(fēng)墻，使空冷與水淬之間形成了一個(gè)平穩(wěn)的過渡區(qū)，防止鋁型材表面色斑的產(chǎn)生。水泵站中的水位和水溫可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

3.2 氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

(1)氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置是一種新裝置。利用材料對(duì)淬火溫度不敏感的特性，充分利用擠壓產(chǎn)生的余熱，從而免去了建淬火爐的投資、縮短了工藝流程，同時(shí)，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。具有明顯的經(jīng)濟(jì)、實(shí)用價(jià)值。

(2)氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置除了冷卻、淬火之外，對(duì)控制擠壓制品變形、保護(hù)擠壓制品的表面質(zhì)量做了很多工作。對(duì)于截面較大的型材，利用了鋁的良好導(dǎo)熱性，采用了快速冷卻的方法，以降低截面溫度場(chǎng)分布不均的問題，減少了淬火后的型材變形。在從空氣進(jìn)入水冷淬火裝置的過程中，淬火裝置的兩端各設(shè)有風(fēng)墻，使空冷與水淬之間形成了一個(gè)平穩(wěn)的過渡區(qū)，防止鋁型材表面色斑的產(chǎn)生。

(3)氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置在每個(gè)冷卻區(qū)域內(nèi)沿長(zhǎng)度方向一條線上的水嘴，均由一個(gè)電磁比例閥控制水嘴的流量，以適應(yīng)不同截面和厚度的鋁型材。水霧裝置的噴嘴流量通過氣動(dòng)比例閥實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)整，并且調(diào)整后的優(yōu)化數(shù)據(jù)可以在專家數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)與讀取，讀取后，噴嘴可自動(dòng)按相應(yīng)數(shù)據(jù)調(diào)整好流量。

4 6 MN在線拉伸矯直機(jī)

4.1 在線拉伸矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

6 MN拉伸矯直機(jī)用扭擰和張力矯直來消除擠壓制品的變形及內(nèi)應(yīng)力，使制品平直并提高其屈服極限。移動(dòng)頭是由鋼板焊成的車體，車體上有輪子，可在機(jī)架導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。車體上裝有旋轉(zhuǎn)頭和液壓系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)頭扭擰角度為±30°。尾架是由鋼板焊成的車體及液壓系統(tǒng)組成。車體上有四個(gè)輪子由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)在機(jī)架導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。機(jī)架分移動(dòng)頭用機(jī)架和尾架用機(jī)架兩大部分。機(jī)架由鋼板組焊而成，機(jī)架上面有導(dǎo)軌。鉗口分為拉型材的平鉗口和拉管棒的V形鉗口兩種型式。鉗口帶有可更換芯棒的裝置。

4.2 拉伸矯直機(jī)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

(1)拉伸機(jī)路軌下方設(shè)置有可以升降的輥?zhàn)印Ｔ诶鞎r(shí)輥?zhàn)由?，使鋁型材和過橋的皮帶脫離，保護(hù)過橋的皮帶。在拉伸時(shí)將型材用輥?zhàn)又纹饋恚剐筒牟粫?huì)因?yàn)檫^長(zhǎng)而導(dǎo)致產(chǎn)生彎曲，拉伸后的型材性能均勻。

(2)采用WCS位置編碼系統(tǒng)的編碼器檢測(cè)尾架的位置。拉伸矯直機(jī)具有拉伸力、拉伸率的實(shí)時(shí)顯示，尾架可以自動(dòng)根據(jù)鋁型材的長(zhǎng)度調(diào)整位置，在設(shè)定鋁型材長(zhǎng)度、初始屈服力和拉伸率后，拉伸頭可以按照設(shè)定的鋁型材長(zhǎng)度、初始屈服力和拉伸率進(jìn)行自動(dòng)拉伸程序。

(3)拉伸矯直機(jī)控制系統(tǒng)采用比例閥控制。比例閥能滿足拉伸矯直機(jī)控制的要求。鋸片進(jìn)給也采用比例控制系統(tǒng)，使機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作快捷，啟動(dòng)和停止時(shí)平穩(wěn)且停位準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語

60 MN鋁擠壓機(jī)輔機(jī)采用雙牽引機(jī)提高生產(chǎn)效率，達(dá)到連續(xù)擠壓的目的;采用無線以太網(wǎng)(WLAN)的方法傳遞數(shù)據(jù);消除牽引機(jī)輥輪在軌道交接處的震動(dòng);帶飛鋸的副牽引機(jī)提高了生產(chǎn)效率等等。氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率;保護(hù)擠壓制品的表面質(zhì)量;并有特有的專家數(shù)據(jù)庫(kù)。拉伸矯直機(jī)特設(shè)升降輥;WCS位置編碼系統(tǒng)編碼器檢測(cè)尾架的位置;比例閥控制等。60 MN鋁擠壓機(jī)輔機(jī)在設(shè)計(jì)中采用的這些新技術(shù)在實(shí)際安裝調(diào)試過程中節(jié)約了時(shí)間，提高了設(shè)備精度，極大的提高了生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，因此產(chǎn)生了非常好的效益。

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