侯永超，張君，黃勝，李夏峰，陳永甲

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032；2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著我國航空航天、核電、汽車、國防軍工、高鐵和軌道交通等行業(yè)的快速發(fā)展，對高性能鋁及鋁合金型材的需求逐年增加，我國鋁型材年產(chǎn)量超過4000萬噸，是世界第一大鋁型材生產(chǎn)國，但不是鋁型材生產(chǎn)強(qiáng)國；鋁型材擠壓生產(chǎn)能耗高、效率低、成品率低、產(chǎn)品競爭力和附加值低等一直都是制約我國鋁擠壓行業(yè)由大向強(qiáng)發(fā)展的瓶頸。以大型工業(yè)鋁型材為例，大型工業(yè)鋁型材的成品率在45%～50%，按照我國現(xiàn)有的鋁型材的產(chǎn)量來計(jì)算，如能提高成品率5%，降低生產(chǎn)能耗15%，將大幅提升我國鋁型材的產(chǎn)品競爭力和附加值。

西南鋁125 MN水壓擠壓機(jī)是上世紀(jì)60年代“九大設(shè)備”之一，由沈陽重型機(jī)器廠設(shè)計(jì)制造，是我國自力更生設(shè)計(jì)生產(chǎn)的第一臺大型鋁擠壓設(shè)備，是我國國防工業(yè)和基礎(chǔ)建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備，也是西南鋁業(yè)的重大設(shè)備。該設(shè)備已投產(chǎn)50余年，由于是水壓驅(qū)動(dòng)，能耗很高，設(shè)備故障率逐年加大，可靠性降低，不適應(yīng)目前高效節(jié)能綠色生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。

1 升級前的裝備水平

125 MN臥式擠壓機(jī)是由原沈陽重型機(jī)器廠在20世紀(jì)60年代初期設(shè)計(jì)、制造，主要用于國防軍工、航空航天、軌道運(yùn)輸?shù)却笠?guī)格、高精度鋁及鋁合金、鎂合金管材、棒材、型材及預(yù)拉伸排材的生產(chǎn)。

該擠壓機(jī)為正向雙動(dòng)前上料形式，張力柱結(jié)構(gòu)，前、后梁由四根張力柱連成整體承力構(gòu)架，共有四個(gè)主缸，前面的兩個(gè)主缸分別可產(chǎn)生35 MN的作用力，后面的兩個(gè)主缸分別可產(chǎn)生27.5 MN的作用力。穿孔缸設(shè)在后動(dòng)梁上，可產(chǎn)生31.5 MN的穿孔力。設(shè)備所有缸體銹蝕嚴(yán)重，滑板磨損嚴(yán)重設(shè)備精度差，只能進(jìn)行正向單、雙動(dòng)擠壓，上料設(shè)備控制和送料精度不夠，不易控制，后部設(shè)備沒有配備牽引機(jī)，移動(dòng)鋸等輔助設(shè)備如圖1所示。

圖1 技術(shù)升級前的125 MN鋁擠壓機(jī)

液壓系統(tǒng)非常落后，為上世紀(jì)60年代技術(shù)，傳動(dòng)方式為泵-蓄勢站傳動(dòng)，介質(zhì)為乳化液，介質(zhì)工作壓力為32 MPa，充水壓力為1.2 MPa，泄漏量大，消耗高。

電氣控制系統(tǒng)控制精度不高，設(shè)備整體自動(dòng)化水平底，操作困難，不能滿足高性能精度型材的擠壓。

該設(shè)備投入生產(chǎn)以來，為我國國防軍工、航空航天、軌道運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域生產(chǎn)了大量的專用特種鋁型材，具有重大歷史功勛。但是由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)和制造能力的限制，加之幾十年來的生產(chǎn)運(yùn)行，已不能適應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)和技術(shù)要求，主要表現(xiàn)在能耗高、效率低、精度差、操作困難，因此急需進(jìn)行徹底全面的技術(shù)升級。

2 關(guān)鍵技術(shù)升級制造

2.1 擠壓機(jī)功能技術(shù)升級關(guān)鍵技術(shù)升級改造

在保留正向擠壓功能的前提下，增加反向擠壓功能，使該設(shè)備成為目前國內(nèi)最大的正反向單雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)，完善墊片運(yùn)輸機(jī)構(gòu)改造，使上下墊片及模墊移動(dòng)平穩(wěn)、流暢，壓余處理簡潔、可靠。

首次在大型擠壓機(jī)上使用反向擠壓固定模具技術(shù)，使生產(chǎn)工藝簡潔高效，如圖2所示。

圖2 125 MN擠壓機(jī)固定模具技術(shù)

采用先進(jìn)的有效摩擦擠壓技術(shù)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的組織性能和表面質(zhì)量。

重新設(shè)計(jì)制造125 MN水壓機(jī)鎖鍵缸、墊片定位缸、擠壓墊轉(zhuǎn)送機(jī)傾車缸和墊片提升缸等裝置；工作臺改為液壓油缸直接驅(qū)動(dòng)。

重新設(shè)計(jì)制造制品收集機(jī)構(gòu)，制品出料采用橫向移出方式；在制品出料工作臺方向設(shè)計(jì)制造熱鋸和牽引機(jī)構(gòu)；重新設(shè)計(jì)潤滑系統(tǒng)，對滑板、導(dǎo)柱及柱塞壓蓋等活動(dòng)部件進(jìn)行潤滑。

為了適應(yīng)反擠壓要求，對上料裝置鉗口進(jìn)行適應(yīng)性改造，并增設(shè)清理墊接收循環(huán)裝置，該裝置設(shè)置在擠壓筒前端下部，并對相關(guān)輔助支撐進(jìn)行改造加工。

2.2 本體部分技術(shù)升級關(guān)鍵技術(shù)升級改造

本體部分技術(shù)升級以提高設(shè)備精度為主，采用新的工藝對工作缸柱塞進(jìn)行修復(fù)。對工作缸內(nèi)表面打磨、酸洗除垢；工作缸缸體柱塞壓蓋螺栓底孔重新攻絲，法蘭螺栓用35CrMo材料更換；選用新的耐磨材料ZCuAl10Fe3對導(dǎo)套、壓套、滑板進(jìn)行改進(jìn)，密封采用進(jìn)口Merkel密封,確保缸體無泄漏；對機(jī)架鋼滑板選用新的耐磨材料(42CrMn)進(jìn)行更換，熱處理表面硬度達(dá)到HRC48～52，厚度不小于3 mm，恢復(fù)并提高設(shè)備的精度，使得設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)；柱塞與動(dòng)梁及穿孔動(dòng)梁的連接采用帶潤滑的球面鉸連接。

2.3 液壓系統(tǒng)技術(shù)升級關(guān)鍵技術(shù)升級改造

125 MN擠壓機(jī)將原水系統(tǒng)全部拆除，改為全新設(shè)計(jì)制造的油壓系統(tǒng)。

該油壓系統(tǒng)采用油泵直接傳動(dòng)，通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對壓機(jī)各液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。該系統(tǒng)由高壓油泵站系統(tǒng)與控制閥站系統(tǒng)兩大部分組成。高壓油泵站系統(tǒng)主要包括：泵及泵組、泵頭集成控制閥站、主油箱系統(tǒng)、主油箱冷卻/過濾循環(huán)系統(tǒng)、主泵供油系統(tǒng)、先導(dǎo)控制系統(tǒng)、輔助油箱及液壓系統(tǒng)、泵站管路系統(tǒng)、蓄能器組、保壓系統(tǒng)等部分；控制閥站系統(tǒng)主要包括：前后主工作缸及大車返回集成控制閥站、穿孔缸及穿孔回程集成控制閥站、擠壓筒集成控制閥站、充液系統(tǒng)控制閥站、移動(dòng)工作臺及定位集成控制閥站、制品和墊片分離剪控制閥站及定位集成控制閥站、墊片提升、傾翻裝置、鎖鍵、承托控制閥站、輸料閥站、低壓罐壓力及液位控制閥站、備用閥塊。

控制閥站采用插裝式邏輯閥集成系統(tǒng)，分為各種功能組，靠近執(zhí)行機(jī)構(gòu)分布式布置，能夠以優(yōu)化和節(jié)能方式適應(yīng)擠壓程序不斷變化的要求，工作負(fù)荷按照材料的變形阻力大小而相應(yīng)變化，使電能的消耗減少到最小，表1所示為液壓控制系統(tǒng)主要參數(shù)。

表1 液壓控制系統(tǒng)主要參數(shù)

2.4 后部出料設(shè)備技術(shù)升級關(guān)鍵技術(shù)升級改造

原后部出料設(shè)備全部拆除，增設(shè)全新設(shè)計(jì)0.2 MN單牽引機(jī)，具備0.7 MN拔模力。牽引機(jī)和擠壓機(jī)聯(lián)動(dòng)，牽引有效行程37 m，鉗口尺寸：料寬Max0.7 m,料高M(jìn)ax0.55 m。

增設(shè)旁置移動(dòng)熱鋸，要求鋸切位置距焊接環(huán)±60 mm內(nèi)，鋸切進(jìn)給速度可調(diào)，具有鋸屑收集裝置，沿?cái)D壓方向移動(dòng)范圍8 m。

設(shè)計(jì)出料工作臺及其輥道和傳輸裝置，臺面輥道采用軟接觸高溫毛氈，耐溫不低于600 ℃。

設(shè)計(jì)制品平移裝置及軟接觸料架收集裝置，制品最大重量2 t，每米料重0.8 t/m(Max1 t/m)，儲料臺整體承重20 t，長20 m,寬6 m，間距1.2 m。

2.5 電氣控制系統(tǒng)技術(shù)升級關(guān)鍵技術(shù)升級改造

原電氣控制系統(tǒng)全部拆除，設(shè)計(jì)新的電氣控制系統(tǒng)，擠壓機(jī)新的自動(dòng)化控制系統(tǒng)是由可編程序控制器(PLC)、遠(yuǎn)程I/O從站及操作員站(HMI)、工業(yè)以太網(wǎng)(TCP/IP)以及工業(yè)現(xiàn)場總線(Profibus-DP)、傳感器及檢測元件等組成。

自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用分布式遠(yuǎn)程I/O從站，遠(yuǎn)程I/O從站分別設(shè)置在主操縱室、各地操縱箱、控制閥組以及主體設(shè)備附近，每個(gè)遠(yuǎn)程I/O從站通過Profibus-DP總線電纜分別掛在PLC主站上。

在主操縱室設(shè)置二個(gè)操作員站(HMI)，一臺為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，另一臺為帶觸摸屏功能一體化工作站，二臺互為備用，以完成相應(yīng)工藝設(shè)備的控制及運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)。

操作員站與PLC之間采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，通過以太網(wǎng)100M的通訊速率進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)HMI與PLC之間的高速通訊目的，充分保證控制信號的實(shí)時(shí)性，并預(yù)留可實(shí)現(xiàn)壓機(jī)與工廠管理網(wǎng)絡(luò)的通訊接口。DP通訊采用專用通訊電纜，各傳感器、PLC通訊具有強(qiáng)的抗干擾能力。PLC與遠(yuǎn)程I/O從站之間均采用Profibus-DP進(jìn)行通訊，如圖3所示。

圖3 125 MN擠壓機(jī)電控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 升級后技術(shù)參數(shù)和主要功能

125 MN正反向油壓雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)的主要參數(shù)為

擠壓力 125 MN

穿孔力 31.5 MN

擠壓回程力 8 MN

穿孔回程力 8 MN

擠壓容室鎖緊力 6.4 MN

擠壓行程 2500 mm

穿孔行程 1650 mm

擠壓速度 0.2～12 mm/s

空程穿孔速度 0～100 mm/s

實(shí)心穿孔速度 15 mm/s

鋁錠坯長度 1800 mm

擠壓容室直徑 Ф500，Ф650，Ф800 mm

擠壓容室長度 2000 mm

主剪力 5 MN

擠壓鋁錠坯規(guī)格 Ф485 mm，Ф635 mm，Ф785 mm

技術(shù)升級后的125 MN正反向雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)如圖4所示，主要功能有：

(1)設(shè)備具備正、反向單雙動(dòng)擠壓功能；

(2)設(shè)備具備高精度速度閉環(huán)控制功能；

(3)設(shè)備具備牽引、熱鋸中斷、平行移料、制品回收轉(zhuǎn)移功能；

(4)設(shè)備具備與送錠機(jī)構(gòu)與主機(jī)聯(lián)動(dòng)控制功能，確保鑄錠能順利進(jìn)入擠壓筒內(nèi)；

(5)設(shè)備具備正、反擠壓管、棒型材選擇功能；

(6)設(shè)備具備悶車保護(hù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能；

(7)設(shè)備具備擠壓筒鎖緊、大墊片分離剪上限位保壓及穿孔缸工作機(jī)械、液壓定針功能；

(8)設(shè)備具備液壓油獨(dú)立的循環(huán)、冷卻、過濾功能；

(9)設(shè)備具備獨(dú)立先導(dǎo)外控系統(tǒng)功能；

(10)設(shè)備具備故障檢測、顯示、報(bào)警自診斷及控制功能(故障保護(hù))；

(11)設(shè)備具備全景式監(jiān)控功能。

圖4 技術(shù)升級后的125 MN正反向雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)

4 結(jié)束語

(1)建成我國最大的正反向單雙動(dòng)鋁擠壓生產(chǎn)線，對我國國防現(xiàn)代化、地鐵和軌道車輛輕量化和高速化起到重要作用。

(2)利用原有條件對現(xiàn)有設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行升級改造，與新建一套同等規(guī)模的擠壓生產(chǎn)線相比，可節(jié)省投資60%～70%，縮短時(shí)間50%。

(3)技術(shù)升級后的125 MN鋁擠壓生產(chǎn)線，自2018年1月8日投產(chǎn)以來，產(chǎn)品成材率提高5%，設(shè)備能耗減少30%，生產(chǎn)效率提高20%，維護(hù)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度降低50%以上，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性大幅提高，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

將一臺生產(chǎn)工藝?yán)匣?，生產(chǎn)精度低下的大型老舊設(shè)備，經(jīng)過對關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用，對生產(chǎn)線進(jìn)行全面的技術(shù)升級，開發(fā)成了一條國內(nèi)最大正反向單雙動(dòng)鋁擠壓生產(chǎn)線，同時(shí)具有國際先進(jìn)正反向擠壓工藝，可用于生產(chǎn)大型鋁合金型材、棒材和大直徑薄壁管材，在技術(shù)升級過程中研制出了一系列新裝備、新結(jié)構(gòu)、新工藝、新擠壓工具，解決了許多關(guān)鍵技術(shù)難題，滿足了國防、軌道交通、新能源汽車、船舶、飛機(jī)等市場重大需求，為大型鋁擠壓機(jī)的研制，技術(shù)升級和新的鋁擠壓型材工藝的開發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)了我國大型鋁擠壓機(jī)和擠壓技術(shù)的發(fā)展。