郭永安，荊云海，高朋昌，董曉娟，馬炳川

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014)

0 前言

擠壓機生產(chǎn)線一般包括擠壓機主機、機械化系統(tǒng)、后部出料系統(tǒng)、感應加熱爐等部分[1-4]。其中，擠壓機機械化系統(tǒng)主要是通過自動化控制，完成錠坯潤滑、裝錠上料、制品鋸切、壓余模具分離及殘料回收、擠壓墊及清理墊循環(huán)、擠壓筒清理等功能，用以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，降低環(huán)境污染。高效率、低成本化也是未來擠壓機技術(shù)發(fā)展方向[5-8]?？梢?，擠壓機機械化系統(tǒng)的合理設(shè)計，對保證擠壓生產(chǎn)線正常運行、提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

1 重金屬擠壓工藝對機械化系統(tǒng)的要求

目前在用的擠壓機大多為鋁、銅擠壓機，鋁擠壓溫度相對較低，而在重金屬擠壓過程中，一般都是在高溫下快速完成，其金屬流動劇烈，變形量大，熱量的傳導和輻射劇烈，不僅擠壓機主機要特別設(shè)計，其機械化系統(tǒng)也必須滿足這種特殊的工藝要求。雙動擠壓機多用于擠壓長軸類管型制品，坯料通常為加工好內(nèi)孔的空心錠坯。一般是錠坯加熱后先經(jīng)過除磷，內(nèi)外孔需要進行充分涂粉潤滑，且不同于鋁擠壓后通過剪刀剪斷壓余，重金屬擠壓后制品切斷一般通過鋸切，鋸切后壓余和擠壓墊通過壓余分離裝置分離，然后擠壓墊通過溜槽循環(huán)利用。重金屬擠壓不僅要能夠適應高溫快速動作的需要，還要有高的可靠性和準確性、可重復性，要求設(shè)備強度高、剛性高、運動平穩(wěn)性好。

大中型重金屬雙動擠壓機機械化系統(tǒng)的設(shè)計，依據(jù)重金屬擠壓工藝的實際需要，能夠完成錠坯出加熱爐后，實現(xiàn)全自動上料、錠坯內(nèi)孔和外表面潤滑、制品鋸切、殘料回收及模具自動定位、循環(huán)利用等功能。隨著自動化和智能化水平的不斷提高，未來將對機械化系統(tǒng)的設(shè)計提出新的要求。

2 系統(tǒng)組成

大中型重金屬擠壓機機械化系統(tǒng)主要包括：殘料框1、壓余分離裝置2、熱鋸3、升錠機械手4、涂粉臺和內(nèi)孔涂粉裝置5、擠壓墊溜槽6、擠壓墊提升及推進裝置7等，并設(shè)有獨立的液壓和電氣控制裝置，圖1為該機械化系統(tǒng)平面布置圖。

圖1 大中型重金屬擠壓機機械化系統(tǒng)平面布置圖

3 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)特點

(1)升錠機械手(圖2)。對于重金屬擠壓，需要在盡量短的時間內(nèi)將錠坯送入擠壓中心，采用升錠機械手能夠快速上料，避免錠坯溫度降低過多影響擠壓。升錠機械手將擠壓墊及加熱好的錠坯通過鉗口夾緊，送到擠壓機中心位置，由兩段機械手組成，安裝固定在主機的下壓套上。每臺機械手均具有夾緊和擺動動作，分別由各自的油缸驅(qū)動。兩臺機械手可以同步運動或單獨動作，以滿足擠壓工藝的要求。機械手的動作由比例閥控制，以實現(xiàn)平穩(wěn)快速運動、準確定位。針對不同尺寸的錠坯設(shè)計了可以快速更換的夾具，當工藝需要的錠坯直徑變化后，可以直接更換鉗口的夾具以滿足生產(chǎn)需要。

圖2 升錠機械手

(2)內(nèi)涂粉裝置。重金屬擠壓由于擠壓溫度相對鋁、銅等更高，且本身在高溫高壓下易與穿孔針和擠壓筒黏連，不通過潤滑無法實現(xiàn)擠壓變形，因此需要設(shè)計錠坯涂粉潤滑裝置，潤滑劑一般采用玻璃粉和粘結(jié)劑等制成的粉料。內(nèi)涂粉裝置用于對錠坯內(nèi)孔涂玻璃粉料潤滑，由內(nèi)涂粉臺架和錠坯旋轉(zhuǎn)機構(gòu)組成。錠坯旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由減速電機、一組并列主動旋轉(zhuǎn)輥輪和被動旋轉(zhuǎn)輥輪組成，主動輥輪由減速電機帶動，被動輥輪和錠坯被帶動旋轉(zhuǎn)，并使預先或在旋轉(zhuǎn)過程中置于內(nèi)孔的玻璃粉均勻粘結(jié)在錠坯內(nèi)孔中。

(3)涂粉臺(圖3)。對于重金屬擠壓，錠坯外表面必須加潤滑劑來減小錠坯與擠壓筒和模具間的摩擦力，所設(shè)計涂粉臺主要包括：涂粉臺架、推料小車、雙側(cè)齒條機構(gòu)。錠坯完成內(nèi)涂粉后，推料小車推動錠坯在涂粉臺架的水平涂粉板上連續(xù)滾動，使涂粉板上預先鋪好的玻璃粉均勻熔融粘結(jié)在錠坯外表面。涂粉板有效長度適于錠坯外表面能充分涂粉潤滑，兩側(cè)帶有擋板，防止錠坯跑偏和粉料散落。涂粉臺能夠?qū)Σ煌?guī)格錠坯實現(xiàn)外表面潤滑，并最終將錠坯送至上料工位。推料小車由變頻電機驅(qū)動，通過兩側(cè)齒輪齒條嚙合傳動，其結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠保證錠坯往返運動，并且運動速度位置可控。

圖3 涂粉臺

(4)熱鋸(圖4)。通過鋸片旋轉(zhuǎn)和送進，將擠壓完的制品與壓余分離。一般鋁制品分離采用軸剪等方式，銅制品分離可以鋸切，但線速度一般<50 m/s，而重金屬在熱態(tài)下鋸切極易粘鋸，因此鋸切設(shè)計線速度在100～200 m/s。在固定機架上設(shè)計了電磁閥組件，用于控制冷卻水對鋸切后的鋸片進行冷卻，延長鋸片使用壽命。在鋸罩下方設(shè)置鋸屑收集盒，用于收集飛濺出的碎屑。熱鋸的擺入動作由油缸驅(qū)動擺臂，帶動鋸片到達制品鋸切工位，采用比例閥控制，使速度可調(diào)、動作平穩(wěn)。鋸切動作由電機帶動皮帶旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可調(diào)。當鋸片提升到非鋸切位置時，為防止因泄漏或誤動作使鋸片下移而引起事故，設(shè)有安全鎖緊裝置，由油缸驅(qū)動插銷使擺臂固定于上極限位。分體式鋸罩設(shè)計能夠在保護鋸片的同時保證鋸片易于拆卸，更換。

圖4 熱鋸

(5)壓余分離裝置(圖5)。壓余分離主要具有壓余頂出及擠壓墊分離兩個動作，每個動作均由各自的油缸驅(qū)動。通過比例閥控制的頂出裝置將壓余筒中的壓余和擠壓墊頂入分離裝置中，然后分離剪通過剪切使擠壓墊與壓余分離。在剪切時，通過壓墊機構(gòu)來固定擠壓墊和壓余的位置，擠壓墊掉入墊溜槽循環(huán)，壓余進入殘料箱。在完成壓余與擠壓墊分離的同時，又保證了擠壓墊的循環(huán)使用，壓縮了非擠壓時間。對于大中型擠壓機生產(chǎn)線，擠壓墊和壓余重量較重，若采用人工則需要2～3名工人共同操作，常見的壓余分離裝置結(jié)構(gòu)繁瑣，該壓余分離裝置結(jié)構(gòu)簡單，分離過程為全自動，無需人工輔助，能夠有效減少人工，提高生產(chǎn)效率。

圖5 壓余分離裝置

(6)擠壓墊溜槽。將與壓余分離后的擠壓墊經(jīng)冷卻潤滑，送到擠壓墊提升與推進裝置中，配合提升推進裝置從而實現(xiàn)擠壓墊的自動定位、接收、循環(huán)輸送使用，無需人工搬運。在擠壓生產(chǎn)過程中，既可以對前一次的擠壓墊進行檢查、修復和潤滑，又能夠使擠壓墊得到冷卻，提高模具壽命和產(chǎn)品質(zhì)量[9-10，11]。設(shè)有擋墊機構(gòu)及兩組碟簧吸收沖擊載荷，避免擠壓墊速度過快沖擊脫出軌道。溜槽要適應系統(tǒng)中的多個擠壓墊循環(huán)使用，同時保證擠壓墊的安全性和唯一性，不致產(chǎn)生誤動作。

(7)擠壓墊提升及推進裝置。擠壓墊提升與推進裝置由提升裝置和推進裝置組成，提升和推進分別由兩個油缸驅(qū)動。用于將從擠壓墊溜槽運來的擠壓墊提升到升錠機械手接料中心位置，并通過推進裝置將擠壓墊推進到升錠機械手鉗口中。

3 液壓控制系統(tǒng)

對于大中型重金屬擠壓機液壓系統(tǒng)，要同時兼顧大流量和精確控制的需求，因此采用了泵直傳和蓄能器聯(lián)合控制系統(tǒng)。系統(tǒng)工作壓力20 MPa，采用比例變量泵作為動力油源，設(shè)若干閥站，采用滑閥組合集成，通過比例閥、比例泵和電磁閥控制，實現(xiàn)機械化系統(tǒng)各部件動作。輔助閥站布置在油箱上頂面，各閥塊均帶有永久標識，以方便維護[12-13]。

(1)通過比例變量泵容積調(diào)速，滿足不同工藝需求。針對位置精度有較高要求的升錠機械手、熱鋸和壓余分離裝置，采用比例閥電液控制調(diào)節(jié)閥口，實現(xiàn)各部件主要動作慢速啟動，快速運行，慢速靠近，精準定位。

(2)設(shè)有冷卻循環(huán)系統(tǒng)對液壓油過濾，以保證介質(zhì)清潔度。因系統(tǒng)流量大、控制閥數(shù)量多回油難以集中的特點，選擇旁路冷卻循環(huán)系統(tǒng)，即液壓油通過低壓泵輸送經(jīng)過濾器、冷卻器后回油箱吸油區(qū)。在該系統(tǒng)工作壓力下主要考慮油的溫度影響，一般控制在19～55℃，根據(jù)環(huán)境和實際溫度變化對液壓油加熱或冷卻[14-15]。

4 電氣控制

電氣控制系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求對設(shè)備進行整線控制，具有良好的人機界面、方便對工藝參數(shù)和控制參數(shù)進行設(shè)定、具有監(jiān)控和故障診斷、對關(guān)鍵部件速度位置自動控制等功能[16]。

(1)控制系統(tǒng)采用MPI網(wǎng)使工業(yè)控制計算機IPC和可編程控制器PLC互聯(lián)通訊[17]。主機 PLC采用德國西門子PLC S7-1500系列。

其中，Profinet工業(yè)控制計算機IPC主要完成擠壓工作制度及工藝制度顯示及工藝過程記錄和存儲、擠壓參數(shù)設(shè)定、機組主要技術(shù)參數(shù)工作狀態(tài)模擬圖、故障報警與設(shè)備維護顯示界面、生產(chǎn)管理等多層界面以滿足甲方生產(chǎn)需求，并預留與 MES(用戶方生產(chǎn)管理軟件)系統(tǒng)對接接口。

可編程控制器PLC控制擠壓機機械化部分的各種動作，包括：升錠機械手、熱鋸、壓余分離裝置、擠壓墊提升推進裝置、擠壓墊循環(huán)輸送、液壓系統(tǒng)泵的啟動停止等。機械手上料、熱鋸進入鋸切中心、壓余分離裝置壓余拉出油缸運動速度均按PLC設(shè)定閥口開度進行速度控制，并通過設(shè)定不同速度段來縮短擠壓周期，提高生產(chǎn)效率。操作臺內(nèi)設(shè)置有PLC分布站，通過ProfiBus-DP與可編程控制器PLC相連，由可編程控制器PLC進行遠程控制，可以減少柜、臺聯(lián)線，提高系統(tǒng)的可靠性[18-20]。

(2)熱鋸、推錠缸和升錠機械手行程均采用無觸點開關(guān)檢測，由PLC采集位置信號，其極限位置設(shè)有機械安全極限保護，有效保證了設(shè)備使用和操作過程的安全、可靠。

5 結(jié)論

(1)本文提出的重金屬雙動擠壓機機械化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，能夠使錠坯從出加熱爐到上料實現(xiàn)自動控制，強度剛度高、定位準確、重復性好，并成功在63 MN重金屬擠壓生產(chǎn)線上使用。

(2)機械化系統(tǒng)自動化程度高，各部件之間配合緊密，動作銜接迅速，可以防止錠坯在運輸過程溫度過多降低造成悶車、制品質(zhì)量下降等不利影響。工模具更換快捷方便，生產(chǎn)效率高。

(3)對上料機械手、壓余分離裝置、鋸切裝置采用比例閥及比例泵控制，實現(xiàn)慢速啟動、平穩(wěn)快速運動、慢速靠近停止、快速回程，使運動過程沖擊小，定位準確，并且有效壓縮了非擠壓時間。

(4)液壓及電氣控制系統(tǒng)能夠?qū)C械化生產(chǎn)線系統(tǒng)進行有效可靠的控制，并通過實時監(jiān)控顯示對各部件的故障報警，便于及時對設(shè)備進行維護。