丁建文，楊 濤，鄭守東

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.營口忠旺機(jī)械設(shè)備制造有限公司，遼寧 遼陽 115000)

0 前言

目前，鋁及鋁合金無縫管材主要在雙動鋁擠壓機(jī)上生產(chǎn)，固定針擠壓工藝是雙動鋁擠壓機(jī)廣泛采用的一種擠壓工藝，穿孔針定針的精度直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量。雙動鋁擠壓機(jī)的定針方式主要為液壓定針和機(jī)械定針兩種，液壓定針方式的雙動鋁擠壓機(jī)相對于機(jī)械定針方式而言，結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備成本低。

1 液壓固定針擠壓的機(jī)械結(jié)構(gòu)及工藝

圖1為正向雙動鋁擠壓機(jī)的液壓定針機(jī)械結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)為采用內(nèi)置式，穿孔裝置與穿孔活塞桿9通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)相連內(nèi)置于主柱塞10中，擠壓桿6和穿孔針5上分別設(shè)有位移傳感器8，用于檢測擠壓桿的絕對位置和穿孔針相對于擠壓桿的相對位置。液壓固定針擠壓時(shí)，擠壓筒3將送至擠壓中心的坯料2套住，穿孔針前進(jìn)穿過坯料中心通孔直至進(jìn)入模具1，到進(jìn)入定針帶設(shè)定距離后停止，擠壓桿6前進(jìn)，坯料2被墩粗,當(dāng)達(dá)到的坯料突破壓力后，坯料從模具1出口擠出，形成管材制品，擠壓過程中穿孔針與模具的相對位置保持不變，當(dāng)擠壓至預(yù)留壓余位置時(shí)擠壓停止，擠壓筒3和擠壓桿4退回，完成一次擠壓。

圖1 液壓固定針擠壓的機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 液壓固定針擠壓的工作原理

圖2為正向雙動鋁擠壓機(jī)的液壓定針原理圖，液壓控制系統(tǒng)主要由穿孔缸和主缸的變量供液泵、進(jìn)液閥和排液閥等組成。擠壓時(shí)根據(jù)工藝設(shè)定的擠壓速度，主缸變量泵7運(yùn)行，以相應(yīng)流量通過主缸進(jìn)液閥8向主缸供液，驅(qū)動擠壓桿以設(shè)定速度前進(jìn)，同時(shí)穿孔缸變量泵1以一定排量通過穿孔缸活塞桿腔進(jìn)液閥2向穿孔缸活塞桿腔供液，穿孔缸活塞腔通過活塞腔排液閥3排液，同時(shí)高頻響應(yīng)比例閥4以一定較小的排量排液對進(jìn)液量進(jìn)行微調(diào)。當(dāng)穿孔針的絕對位置發(fā)生變化時(shí)，高頻響應(yīng)比例閥的開口度變化，從而該閥的排量調(diào)整，穿孔針相對于模具的絕對位置得以保持。當(dāng)根據(jù)工藝需要擠壓速度作調(diào)整時(shí)，穿孔缸變量泵1的排量跟隨主缸變量泵7的排量變化，同時(shí)高頻響應(yīng)比例閥的排量作調(diào)整，使得穿孔速度跟隨擠壓速度的同時(shí)，定針位置保持不變。

圖2 固定針擠壓的液壓原理

3 液壓固定針擠壓時(shí)穿孔針的受力情況

擠壓時(shí)穿孔針在擠壓方向主要受到油缸的支撐力、坯料流動變形時(shí)對穿孔針的摩擦力及金屬流動變形時(shí)對針尖的推力。

Fx=Fy-Fz

(1)

式中，F(xiàn)x為油缸對穿孔針的支撐力；Fy為坯料流動變形時(shí)對穿孔針的摩擦力；Fz流動金屬對針尖的推力。

式(1)可近似為

(2)

式中，σb為擠壓金屬在當(dāng)前擠壓溫度下的抗拉強(qiáng)度；f為擠壓金屬材料與穿孔針之間的摩擦系數(shù)；L1當(dāng)前擠壓坯料的長度；D1為穿孔針的直徑；D2為穿孔針的針尖直徑。

由式(2)可看出，擠壓時(shí)穿孔支撐力隨擠壓長度的減小而減小，為維持平衡，穿孔活塞桿腔的壓力做適當(dāng)調(diào)整以保持穿孔針穩(wěn)定。

4 液壓固定針的控制原理

雖然能近似地將擠壓時(shí)穿孔針的受力狀態(tài)公式化，但在真實(shí)的擠壓過程中，由于受到擠壓速度、溫度、擠壓材質(zhì)流動性及擠壓填充程度等的影響，穿孔針的受力情況遠(yuǎn)比公式復(fù)雜，且考慮到變量泵、電磁閥等的響應(yīng)特性及油缸、液壓油等，很難獲得準(zhǔn)確的穿孔針定針數(shù)學(xué)模型。PID調(diào)節(jié)是被控對象數(shù)學(xué)模型為未知時(shí)廣泛采用的一種控制手段，非常適合液壓固定針擠壓時(shí)的情況。

圖3為實(shí)際擠壓時(shí)采用PID閉環(huán)反饋控制的的液壓定針控制方式。系統(tǒng)檢測擠壓桿的位置變化，計(jì)算出實(shí)際擠壓速度，根據(jù)擠壓速度值計(jì)算穿孔針保持固定不動時(shí)穿孔缸的進(jìn)液量，轉(zhuǎn)化成穿孔缸供液變量泵驅(qū)動控制放大板的電氣信號值，穿孔缸供液變量泵輸出相應(yīng)流量到穿孔缸；根據(jù)穿孔針位移傳感器位置及擠壓桿位移傳感器位置，得出穿孔針相對于模具的位置，與固定針設(shè)定值比較，得出定針偏差。定針偏差與擠壓速度分別經(jīng)控制器以合適的PID參數(shù)計(jì)算擬合后相加，計(jì)算并輸出高頻響應(yīng)閥控制放大板的電氣值，高頻響應(yīng)閥通過開口度變化對穿孔缸的進(jìn)液量做精確調(diào)整，對定針位置做快速微調(diào)使得穿孔針的位置控制在誤差范圍內(nèi)。

圖3 液壓固定針控制框圖

5 結(jié) 論

該液壓固定針工藝及相應(yīng)機(jī)械、液壓和控制方式在16MN雙動鋁擠壓機(jī)和25MN反向雙動鋁擠壓機(jī)上得到應(yīng)用，擠壓機(jī)工作時(shí)定針精度小于1 mm，滿足制品質(zhì)量對固定針定針精度的要求。