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        鋁型材牽引機(jī)如何適應(yīng)輕薄鋁型材的探討

        2019-09-10 12:55:48黃漚東
        關(guān)鍵詞:牽引機(jī)鋁型材改造

        黃漚東

        摘 要:針對牽引機(jī)在鋁型材擠壓生產(chǎn)中需要適應(yīng)越來越多種類規(guī)格,結(jié)合目前在用牽引機(jī)的實(shí)際狀況,探討適應(yīng)輕薄鋁型材牽引機(jī)的改造方案。

        關(guān)鍵詞:牽引機(jī);鋁型材;輕薄;改造

        1 前言

        鋁型材作為當(dāng)今最為流行的建材之一,它的物理機(jī)械特性良好,導(dǎo)電導(dǎo)溫,在電子、化工、機(jī)械、航空等領(lǐng)域使用越來越廣泛。

        而在鋁型材生產(chǎn)過程中,擠壓是鋁型材生產(chǎn)最為關(guān)鍵的一個工序。鋁棒加熱后進(jìn)入擠壓機(jī),擠壓機(jī)將鋁棒從模具里擠出,在滑出臺形成一條幾十米筆直的型材。然后進(jìn)行拉直,鋸切成標(biāo)準(zhǔn)長度的鋁材。

        擠出時型材是否成型完整,尺寸標(biāo)準(zhǔn),表面無缺陷、磕碰,決定了產(chǎn)品是否合格。除了模具因素外,擠壓鋁型材時,前部有牽引機(jī)對型材施加一個恒定的力進(jìn)行牽引有利于鋁材成型。不僅可以使模具里的鋁液能更順暢擠出,也可以把擠出的鋁材拉直,避免冷卻彎曲,減少在滑出臺的碰撞,比較有效的保證了擠出產(chǎn)品的質(zhì)量。在這個需求下,牽引機(jī)的研發(fā)步入快速發(fā)展階段,產(chǎn)品也日趨成熟。在新投入的生產(chǎn)線,牽引機(jī)已經(jīng)成為標(biāo)配。

        但隨著近些年工業(yè)鋁型材的開發(fā)使用及個性化定制越來越多,客戶的需求當(dāng)中出現(xiàn)了許多即薄又寬的料,當(dāng)擠壓壁厚在0.8mm左右的鋁型材時,對牽引機(jī)的適應(yīng)性提出了更高的要求,而目前大部分主流的牽引機(jī)無法適應(yīng)這類特別材料的生產(chǎn),因此需要對其進(jìn)行升級改造。

        2 目前市面上主流的牽引機(jī)類型。

        2.1 牽引機(jī)的基礎(chǔ)機(jī)型

        圖1為國外廠家在國內(nèi)推廣的牽引機(jī)類型,單軌雙機(jī)頭牽引,機(jī)頭上安裝有動力裝置,可實(shí)現(xiàn)鋸切與牽引一體化。早期的牽引機(jī)考慮的是牽引力與穩(wěn)定,因此制作的比較厚重,采用鏈條進(jìn)行拖曳,可以適應(yīng)比較大噸位的擠壓機(jī)。在擠壓速度比較快的小噸位擠壓機(jī)比較難適應(yīng)。有了以上兩點(diǎn)的局限性,針對1800噸以下擠壓機(jī)的市場,國內(nèi)牽引機(jī)廠家在近十年間設(shè)計了不少的改進(jìn)機(jī)型。

        2.2 兩種使用較廣的牽引機(jī)改進(jìn)機(jī)型

        圖3 是為了減少場地限制研發(fā)出來的三機(jī)頭牽引機(jī),即把鋸切功能單獨(dú)分離出來,制作了一個同步鋸,而牽引的機(jī)頭則分為上下導(dǎo)軌,不需要進(jìn)行交接,兩個機(jī)頭都可單獨(dú)進(jìn)行反復(fù)牽引運(yùn)動。機(jī)頭返回速度不需要太快,基本滿足中小擠壓機(jī)的生產(chǎn)需求。

        2.3 牽引機(jī)目前使用的情況概述

        圖1-3中牽引機(jī)是國內(nèi)牽引機(jī)目前在用的主流機(jī)型,在1800噸位生產(chǎn)線以上選擇時,基本是以圖1為機(jī)型選型,800-1800噸一般選擇圖3機(jī)型,也有部分選擇輕量化的圖1機(jī)型,800噸以下基本就是圖2機(jī)型。國內(nèi)目前鋁材使用大部分集中在建材領(lǐng)域,因?yàn)榻ㄖ牧嫌袊倚袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn),厚度尺寸都有一定的要求,因此生產(chǎn)建材工藝難度不算太高,牽引機(jī)都能符合建筑鋁材的生產(chǎn)需求。

        然而隨著鋁材在其它領(lǐng)域的開發(fā)運(yùn)用,更多的尺寸規(guī)格出現(xiàn),特別是一些用于裝飾的工業(yè)材,即寬又薄,鋁材米重較輕。這類鋁材一般會選取1000噸以下擠壓機(jī)進(jìn)行生產(chǎn),擠壓機(jī)生產(chǎn)這類材料時,使用上述3種牽引機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)出現(xiàn)了各種各樣的問題,導(dǎo)致成材率較低。

        3 面對輕薄鋁材,牽引機(jī)所遇到的挑戰(zhàn)

        3.1 輕薄鋁型材突破時的難題

        擠壓機(jī)生產(chǎn)輕薄鋁型材時,當(dāng)?shù)诙О暨M(jìn)入擠壓出料,滑出臺上面第一支生產(chǎn)出來的鋁材駁接著第二條鋁材由靜止開始向前運(yùn)動,前方牽引住鋁材的牽引機(jī)頭也開始由靜止加速牽引。

        鋁材的出口速度V=(S1xV1)/S2

        S1:擠壓機(jī)盛錠筒截面積

        S2:輕薄鋁型材的截面積

        V1:擠壓機(jī)主缸擠壓速度

        擠壓機(jī)主缸擠壓速度在擠壓突破初始階段的速度曲線圖如下:

        可以看到擠壓機(jī)的速度一旦突破后,馬上就會以一個比較陡的速度上升,說明此時的加速度比較大。由于是輕薄的鋁材,截面積比較小,擠壓機(jī)盛錠筒的截面積通常會是鋁型材截面積的50-100倍。因此擠壓機(jī)的擠壓速度在10mm/s時,鋁材出料口的速度可能已經(jīng)達(dá)到了1M/s。這里會產(chǎn)生一個問題,就是牽引機(jī)的加速度不夠大,從而造成在瞬間出料的時候,滑出臺的鋁型材因?yàn)闋恳龣C(jī)的不及時牽引,導(dǎo)致鋁材拱起,造成彎曲或者碰撞周邊而報廢。此情況在擠壓速度越快越容易出現(xiàn)。

        3.2 牽引機(jī)拉細(xì)鋁材尺寸難題

        如圖1所示,在生產(chǎn)時牽引機(jī)頭一直拉住鋁材,在擠壓完成的瞬間,牽引機(jī)頭是具有重量慣性向前的,而此時擠壓已經(jīng)停止,牽引著的鋁材在瞬間充當(dāng)了機(jī)頭剎車的作用??拷>叨说匿X材還在高溫狀態(tài),一經(jīng)拉扯,高溫狀態(tài)隨即被拉長。從我司實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中測得,末端2-3米的長度經(jīng)過這一扯,偏差可以達(dá)到0.1-0.2mm厚度,如果是管狀類薄料外觀尺寸偏小達(dá)到5%。這末端的一段已經(jīng)不合格,從而造成成材浪費(fèi)。

        牽引機(jī)頭在停止瞬間其實(shí)都有做剎車動作,但是鋁材本身已經(jīng)是一個硬連接,剎車動作哪怕需要零點(diǎn)幾秒動作,鋁材已經(jīng)在瞬間被牽扯了。機(jī)頭越重,速度越快,鋁材被拉細(xì)的效應(yīng)則越明顯。

        4 解決問題的思路

        4.1 解決牽引機(jī)在擠壓初始時啟動慢的問題

        處理這個問題從兩方面著手,第一方面:優(yōu)先將牽引機(jī)的加速度提起來,讓機(jī)頭更靈活。我們知道加速度a=F/M,要想加速度越大除了配置一定功率的動力,剩下的就是降低機(jī)頭重量。

        a)圖1機(jī)型降低重量方面可以考慮將一些部件可以由原來的鋼材轉(zhuǎn)而用更輕的鋁材制作,架子等實(shí)心部件也可以轉(zhuǎn)為用空心替代。

        在傳動方面機(jī)頭由130米長的鏈條拖動,摩擦阻力較大,在圖1機(jī)型可考慮改進(jìn)為鋼絲繩傳動結(jié)構(gòu)。由于該牽引機(jī)機(jī)型采用六角鋼結(jié)構(gòu),摩擦阻力較大,只能調(diào)直軌道并在底部安裝多組滑輪。

        也有部分廠家考慮機(jī)頭上液壓做動力太過沉重(包含液壓油箱,電機(jī)、泵、閥塊,油缸、油管等,總重量超過70KG),將液壓動力改為全電氣動力。

        通過上述幾方面的改進(jìn),整機(jī)頭的重量可以縮減至原來的二分之一。但是由于該機(jī)型為帶飛鋸,P1機(jī)頭還攜帶了近50KG的鋸切裝置,15KG的噴油裝置,機(jī)頭的絕對重量較大,軌道摩擦力也比較難降低,因此該機(jī)型經(jīng)過改進(jìn)后,適應(yīng)到最低機(jī)型為1000噸。

        b)圖2本身就是為適應(yīng)800噸以下的機(jī)型開發(fā)的簡易牽引機(jī),在反應(yīng)速度上是可以滿足需求,但是其導(dǎo)軌于簡單,快速時擺動大,不能完全適應(yīng)高精度的鋁材生產(chǎn)。

        c)圖3機(jī)型,將鋸切系統(tǒng)與噴油系統(tǒng)分離出來單獨(dú)作為一個機(jī)頭,這樣有效降低了P1的重量。除了減輕機(jī)頭重量,將軌道改為工字鋼結(jié)構(gòu),底部4組底輪,有效的降低了摩擦系數(shù)。但是該機(jī)型經(jīng)過輕量化的改進(jìn)后,由于需要精準(zhǔn)的與鋸切機(jī)頭同步,必須采用鏈條傳動,限制該機(jī)型進(jìn)一步降低自重,最終能適用到800噸機(jī)型。

        綜上所述,我們對比3種機(jī)型以及它們的改進(jìn)潛力,單從機(jī)頭重量方面來說圖2的簡易結(jié)構(gòu)最為理想生產(chǎn)輕薄料。

        針對機(jī)頭啟動慢的第二個方面是選用反應(yīng)速度快的電機(jī),目前主流牽引機(jī)都使用伺服電機(jī)作為驅(qū)動,它不僅反應(yīng)速度達(dá)到毫秒級,而且還可以設(shè)置相對牽引力,即在鋁材啟動瞬間,它會加大加速度保持與鋁材間的力矩,從而使機(jī)頭更為迅速的啟動。

        4.2 解決牽引機(jī)拉細(xì)料的難題

        我們根據(jù)慣量公式F=M*V知道:當(dāng)機(jī)頭質(zhì)量越大,則慣性越大,速度越大,慣量也越大,牽引機(jī)在停止時牽扯鋁材的力也越大。在之前已經(jīng)討論了如何降低機(jī)頭的重量,我們還可以從另外兩個地方減少機(jī)頭停止時候的牽扯力。

        a)由于現(xiàn)在的擠壓機(jī)都安裝了長度測量傳感器,比如磁力尺,拉線編碼器等,可以設(shè)定在何處時擠壓完成,那么我們可以通過修改擠壓機(jī)程序,在擠壓完成之前提前發(fā)出完成信號,這樣可以使?fàn)恳龣C(jī)頭有時間來進(jìn)行剎車動作,由驅(qū)動的伺服電機(jī)來給個反向力抵消向前慣性。一般我們根據(jù)擠壓速度,設(shè)置提前0.5秒左右發(fā)出停止信號,然后伺服電機(jī)設(shè)置好減速制動時間,可以調(diào)試得比較好的抵消那瞬間牽扯力。

        b)如果擠壓速度較快,在0.5秒內(nèi)可能比較難完成剎車,我們就只能在速度上想辦法。由于鋁材擠壓會產(chǎn)生熱量,長期的高速擠壓會導(dǎo)致出口溫度過高,因此一般的擠壓機(jī)都設(shè)置了擠壓末端衰減速度,因此可以在末端將速度降到一定的程度,讓牽引機(jī)能夠以比較慢的速度停止,從而解決了拉細(xì)料的難題。

        5 綜合后得到的改進(jìn)方案

        從上面三種牽引機(jī)遇到的挑戰(zhàn)分析改進(jìn)來看,我們得到了以下的結(jié)論:

        要解決反應(yīng)速度快,圖2的簡易結(jié)構(gòu)是最好的。

        機(jī)頭采用鋁材材質(zhì),導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)采用工字鋼結(jié)構(gòu),同步鋸采用直線導(dǎo)軌,伺服控制系統(tǒng)等,我們綜合到的牽引機(jī)改進(jìn)類型如下圖:

        6 結(jié)束語

        目前我們改進(jìn)的輕量化、三機(jī)頭的牽引機(jī)已經(jīng)能基本滿足我們現(xiàn)在的生產(chǎn)需求,但是隨著鋁型材運(yùn)用到不同領(lǐng)域,客戶的需求也會不斷變化,由此引發(fā)生產(chǎn)工藝對牽引機(jī)提出更高的要求。因此牽引機(jī)仍舊需要在穩(wěn)定性,耐用性兩方面不斷的提升,用新的制造技術(shù)及控制技術(shù)來不斷完善,使我們的牽引機(jī)在面對復(fù)雜種類的鋁型材生產(chǎn)也能從容不迫。

        參考文獻(xiàn)

        [1]鋁型材加工實(shí)際技術(shù)手冊,作者吳錫坤,中南大學(xué)出版社,2006版

        [2]廣東鋁加工技術(shù)研討會論文集,2015版

        [3]電工技術(shù) 2018/02期刊

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