何海崗，梁界光，李 凱

（廣東豪美鋁業(yè)股份有限公司，廣東清遠(yuǎn) 511540）

鋁及鋁合金擠壓型材由于強(qiáng)度與質(zhì)量比值高、易于加工等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑、交通運(yùn)輸、電力、航空航天和國防建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域。近年來，隨著鋁型材工業(yè)的不斷現(xiàn)代化，只有一孔的模具逐漸不能滿足生產(chǎn)的需求了。發(fā)展鋁型材一模多孔的擠壓技術(shù)，對發(fā)展我國的鋁型材生產(chǎn)技術(shù)和提高鋁型材生產(chǎn)效率具有重要意義[1-3]。

為了提高一模多孔擠壓鋁型材成品率，增強(qiáng)多孔出材的穩(wěn)定性，使制品保持平直不扭曲，現(xiàn)代擠壓設(shè)備都采用型材牽引裝置[4]。在牽引機(jī)作用下的鋁型材擠壓過程是一個(gè)多方面作用的過程，牽引技術(shù)是擠壓技術(shù)的關(guān)鍵，對牽引技術(shù)的研究有著重要意義。本文利用Solidworks軟件，對一模多孔鋁型材擠壓作了受力分析，提出雙牽引技術(shù)工藝，并在14 MN擠壓生產(chǎn)線上進(jìn)行了試驗(yàn)。

1 一模多孔鋁型材牽引技術(shù)研究

鋁型材擠壓工進(jìn)時(shí)，擠壓桿以高壓對加熱鋁棒擠壓而造成鋁棒跟盛錠筒和模具之間的摩擦，從而引起鋁棒內(nèi)部的分子運(yùn)動(dòng)更劇烈，以致型材在模具表面的出口速度不均勻。尤其現(xiàn)今鋁型材為了提高效率，從而使用更多的一模多孔。但一模多孔由于各種原因很容易造成擠壓型材的長度參差不齊、扭曲。利用牽引機(jī)以恒定張力牽引鋁型材，可以均勻控制型材在模具出料口的速度，以改善型材的長度參差不齊、扭曲等問題。牽引機(jī)以恒定張力夾著擠壓型材沿著直線導(dǎo)軌往前拉，保證制品的直線度，防止制品扭曲。采用恒定張力控制，在制品截面產(chǎn)生一個(gè)恒定的張力，保證其正常成型[5]。

1.1 一模多孔的鋁型材擠壓過程數(shù)值模擬

該數(shù)值模擬所使用的鋁型材材料為6063，其力學(xué)性能如表1所示。

表1 鋁型材的力學(xué)性能表

本次模擬所采用的參數(shù)是根據(jù)18 MN油壓正向擠壓機(jī)的實(shí)際參數(shù)確定，模擬所采用的工件為40 mm×2.5 mm的方管，擠壓所用鋁棒直徑為178 mm，忽略鐓粗過程，直接從突破擠壓過程開始模擬。6063的擠壓溫度范圍在430℃～490℃，模擬時(shí)選取鋁錠坯的擠壓溫度為450℃，盛錠筒的溫度為420℃。模具的溫度為450℃，環(huán)境溫度取室內(nèi)溫度。擠壓突破壓力為200 bar。18 MN的油壓正向擠壓機(jī)主缸的擠壓速度6 mm/s，因此在模擬中采用6 mm/s的擠壓速度進(jìn)行模擬。

根據(jù)以上擠壓條件和參數(shù)，可以生成計(jì)算模型對擠壓過程的模擬測試，結(jié)果用Solidworks進(jìn)行處理，其中鋁型材在突破擠壓后的受力分布圖如圖1所示。

圖1 鋁型材在突破擠壓后的受力分布圖

從圖1可以看出：鋁型材在突破擠壓后的受力分布不均勻，從而造成其在模具定徑帶處沿截面的方向流動(dòng)速度不均勻。左上方的那支料所受的力為最大。其變形彎曲也是最大，右下方的料所受的力最小。其原因是在擠壓鋁棒過程中，熱鋁棒和模具之間的摩擦造成型材在模具表面出口的速度與受力不均勻。由于其在模具沿截面的方向受力和速度不均勻，導(dǎo)致型材的長度不齊和表面質(zhì)量差。

1.2 在恒力牽引下擠壓突破模擬

為了減少鋁型材在突破擠壓后的受力分布不均的情況，在擠壓突破后給一個(gè)恒力來進(jìn)行模擬，在本次試驗(yàn)中，嘗試在擠出的鋁型材端部施加一個(gè)恒力7 kN的牽引力，然后繼續(xù)模擬。在施加恒力7 kN的牽引力后，其受力分布圖如圖2所示。

圖2 恒力7 kN的牽引力作用下模具鋁型材出料口的受力分布

圖2 顯示，在模具出料口處增加一個(gè)外部拉力后，一模多孔的擠壓型材在模具出口表面的受力比沒有外部拉力時(shí)均勻。由于增加一個(gè)外部拉力，型材在模具表面的出料速度也會(huì)略大一些，從測試看出鋁型材在擠壓過程中，模具出料口外部增加一個(gè)外部拉力后，其速度與受力的效果比較明顯。

1.3 牽引過程中的速度與恒力控制

外加恒力作用下的擠壓過程示意圖如圖3所示。

根據(jù)現(xiàn)場擠壓鋁型材的情況，設(shè)定擠壓桿前進(jìn)速度為v，在模具出料口施加外部恒力F1后，鋁型材在模具出料口處的速度為v1，兩者之間的關(guān)系為：

（1）式中，ER為擠壓比，Δv為模具出料口施加外部恒力后的速度增量。

在模具出料口附加外部張力的擠壓鋁型材牽引過程中，為了型材的表面質(zhì)量，必須保持外部張力在過程中的恒定不變。而牽引速度必須隨著模具出料口速度的變化而變化。因此附加外部張力一般有直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供動(dòng)力。由系統(tǒng)的速度與恒力雙閉環(huán)控制，外環(huán)的速度環(huán)控制速度，內(nèi)環(huán)的電流環(huán)控制電機(jī)的恒力。

在帶張力工作的設(shè)備中，設(shè)定忽略電機(jī)和機(jī)械裝置的空載損耗[7]，則關(guān)系為：

其中，TM為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；?為磁通量；I為電樞電流；D為主傳動(dòng)鏈輪的直徑；i為傳動(dòng)比。

由公式（2）可得

由公式（3）可以得出：為了得到恒定的附加張力，必須保證直流電機(jī)的電流恒定不變。

圖3 在恒定牽引力下的鋁型材擠壓過程

圖4 雙頭單軌牽引機(jī)示意簡圖

在擠壓鋁型材過程中，必須先給直流電機(jī)設(shè)定恒定的張力，然后對直流電機(jī)進(jìn)行速度補(bǔ)償，其張力設(shè)定必須合理，才能保證牽引機(jī)正常工作。如果張力設(shè)定過高，容易把鋁型材的表面尺寸拉小或變形。如果設(shè)定張力過小，會(huì)引起牽引系統(tǒng)振動(dòng)，造成牽引力的不穩(wěn)定，在鋁型材表面造成振動(dòng)紋。按照實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，其張力數(shù)值必須大于其克服牽引裝置的摩擦力，否則設(shè)備不能正常運(yùn)作。

2 牽引機(jī)在擠壓過程中的工藝

根據(jù)擠壓鋁型材工藝生產(chǎn)過程，鋁型材從擠壓機(jī)中擠壓出來后，需要經(jīng)過外部牽引，鋸切和卸料到冷床的過程。由此，一套完整的牽引系統(tǒng)必須能夠完成以上幾點(diǎn)基本功能。目前鋁材行業(yè)一般采用雙頭單軌牽引工藝，其結(jié)構(gòu)簡如圖4所示，其中P1為靠近擠壓機(jī)的帶飛鋸牽引機(jī)頭，牽引工藝流程如圖4所示。

圖5 牽引機(jī)工藝流程

為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)牽引機(jī)的定位準(zhǔn)確，順利交接，牽引機(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)，才用同步鏈條傳動(dòng)，并用絕對值光電編碼器檢測位置，雙牽引的技術(shù)關(guān)鍵是牽引機(jī)與擠壓機(jī)的出料口速度一致和保證兩個(gè)機(jī)頭交接的時(shí)候速度同步，同步交接的時(shí)候在鋁型材上施加的牽引力穩(wěn)定不變，為了滿足這些條件，可以通過牽引控制系統(tǒng)中的速度和張力兩個(gè)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)。其動(dòng)作工藝流程如圖5所示。

3 測試研究

為了測試其理論結(jié)果，在18 MN擠壓生產(chǎn)線上進(jìn)行試驗(yàn)，按照理論擠壓牽引型材的工藝路線，其牽引系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 雙牽引的技術(shù)參數(shù)

采用此雙牽引機(jī)生產(chǎn)一模四孔的鋁型材，生產(chǎn)設(shè)定的牽引力為10 kN，牽引速度為20 m/min，生產(chǎn)的鋁型材機(jī)械系能均勻，在牽引機(jī)的作用下鋁型材平直，表面質(zhì)量良好。

4 結(jié)論

（1）在一模多孔的鋁型材擠壓過程中，鋁型材在模具出口的受力和流動(dòng)速度不均勻。

（2）在施加恒定的牽引力后，鋁型材在模具出口的受力和出料速度均勻。

（3）提出的牽引機(jī)工藝路線可以提高鋁型材的質(zhì)量和成材率，同時(shí)也提高擠壓生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化程度，減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

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［5］張君，何養(yǎng)民，楊合，等.基于有限元數(shù)值模擬的大型鋁型材牽引技術(shù)研究［J］.中國機(jī)械工程，2007（1）：6-10.

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