雙動鋁擠壓機液壓定針控制技術(shù)

韓 泓

（太原重型機械（集團）有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024）

雙動鋁擠壓機液壓定針控制技術(shù)

韓 泓

（太原重型機械（集團）有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024）

介紹了雙動臥式鋁擠壓機液壓定針系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工藝流程及其自動控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)響應(yīng)快，定針精度高，具有很高的可靠性。目前該液壓定針控制系統(tǒng)已應(yīng)用于實際生產(chǎn)，定針控制精度≤1mm，完全滿足工藝要求，對后續(xù)同類產(chǎn)品的設(shè)計起到了借鑒作用。

機械設(shè)計；液壓定針；控制系統(tǒng)；鋁擠壓機

管材擠壓加工有許多突出優(yōu)點：降低原材料消耗；與切削加工相比生產(chǎn)率可大幅度提高，在擠壓變形后，金屬材料的晶粒組織更加致密；由于擠壓成形時的纖維組織不破壞，使擠壓件的強度明顯提高。由于擠壓可節(jié)省材料和加工工時，因此必然降低生產(chǎn)成本；熱擠壓加工一些形狀復(fù)雜的對稱零件，效果特別明顯；可以獲得較高的尺寸精度和表面精度[1][2]。

現(xiàn)在市場上對無縫管材需求量極大。合格的無縫管材要求管壁厚度精度高、內(nèi)壁表面質(zhì)量好，因此生產(chǎn)無縫管材對設(shè)備定針系統(tǒng)要求極高[3]。目前100MN雙動臥式短行程前上料鋁擠壓機的液壓定針系統(tǒng)試車成功，該液壓定針控制系統(tǒng)響應(yīng)快，定針控制精度≤1mm，具有很高的可靠性，完全滿足工藝要求，對后續(xù)同類產(chǎn)品的設(shè)計起到了借鑒作用。

1 液壓定針系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

穿孔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用穿孔缸內(nèi)置穿孔梁外置系統(tǒng)，配有先進的中心機械定針系統(tǒng)，允許穿孔針和擠壓桿之間無應(yīng)力的相對移動。穿孔針定位采用液壓方式，把穿孔針尖固定在擠壓模具前端。穿孔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)適用于管材擠壓的隨針工藝和定針工藝，可方便調(diào)整穿孔針精度。

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：

①穿孔缸沿主柱塞中心導(dǎo)向，穿孔和擠壓在一條直線上進行。

②穿孔機可以進行浮動穿孔和固定穿孔。

③固定穿孔操作依靠電液控制定位，可以確保穿孔針尖在模具內(nèi)的精確定位。

2 液壓定針系統(tǒng)的工藝流程

液壓定針系統(tǒng)采用擠壓桿將空心錠鐓粗定位后，從擠壓筒后部上擠壓墊的上墊方式。

供錠器將加熱好的坯錠送到擠壓中心位，擠壓桿前進，頂料，供錠器返回。擠壓筒套料、閉合和鎖緊，擠壓桿將空心錠鐓粗定位。擠壓桿返回，供墊機械手將擠壓墊送到擠壓中心，擠壓桿將擠壓墊推到擠壓筒內(nèi)部頂住坯料。接著，穿孔針從空心擠壓墊中穿過，到達定針帶，穿孔缸前后腔同時加壓，開始定針。充液閥關(guān)閉，擠壓循環(huán)開始。圖2為液壓定針系統(tǒng)工藝流程圖。

3 液壓定針系統(tǒng)自動控制

擠壓時流動的金屬和模具之間存在著接觸摩擦力，其中擠壓筒上的摩擦力對金屬流動的影響尤其大。當(dāng)擠壓筒內(nèi)壁上的摩擦力很小時，變形區(qū)范圍小且集中在?？赘郊?，金屬流動比較均勻。而當(dāng)摩擦力很大時，變形區(qū)壓縮錐和死區(qū)的高度增大，金屬流動則很不均勻，產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力，這是造成金屬制品扭擰、彎曲等缺陷的主要原因。鋁合金型材高溫正擠壓的時候，由于工件與模具具有十分強烈的粘結(jié)作用，會產(chǎn)生很大的接觸摩擦力，此應(yīng)力近似相當(dāng)于金屬的剪切屈服強度，這將使工件的表面層和中心層之間剪切變形量產(chǎn)生很大的差異，從而加劇了金屬流動的不均勻性，所以鋁合金擠壓要調(diào)整金屬的流速，以便得到較為均勻的流速[4-6]。

圖2 液壓定針系統(tǒng)工藝流程

液壓定針自動控制系統(tǒng)采用工業(yè)控制計算機和工業(yè)可編程序控制器（PLC）兩級控制，PLC選用西門子S7 400/ET200M系列可編程序控制器。

壓力檢測設(shè)置壓力傳感器，分別對擠壓桿主缸和穿孔缸前后腔的壓力進行檢測，檢測信號轉(zhuǎn)換為4-20mA的模擬量信號，通過模擬量輸入模塊傳入CPU。實際壓力值在上位機觸摸屏上顯示。

液壓定針時，首先穿孔針從空心擠壓墊中穿過，到達定針帶，然后穿孔缸前后腔同時加壓，保持定針狀態(tài)，擠壓桿開始擠壓。此時擠壓桿按設(shè)定的擠壓速度向?？谝苿?，穿孔針相對于擠壓桿按相同的速度反方向移動，穿孔針針尖固定在擠壓模具前端保持不變。

3.1 位置控制

液壓定針時，要求穿孔針相對模具的位置與定針設(shè)定位置保持一致。在實際擠壓過程中，由于擠壓筒溫度、鋁錠溫度、鋁錠材質(zhì)和變形率等不同，導(dǎo)致擠壓時流動的金屬與穿孔針的摩擦力會發(fā)生變化，這種變化會影響穿孔針相對于擠壓桿的反向移動速度，從而使穿孔針相對模具的位置發(fā)生變化。此時，需要進行液壓定針位置控制[7]。

液壓定針的位置控制是通過穿孔針位置的檢測信號與定針位置設(shè)定參數(shù)相比較，控制穿孔針液壓系統(tǒng)的動作來實現(xiàn)。液壓定針位置控制的驅(qū)動油源由穿孔變量泵提供。通過控制穿孔變量泵輸出，即控制變量泵的偏角，就可以控制穿孔缸液壓油的進給量，從而決定液壓定針位置控制的響應(yīng)速度。

液壓定針系統(tǒng)的位置檢測選用拉線式絕對值光電編碼器，分別對擠壓桿和穿孔針的位置進行檢測，檢測信號通過SM338模塊傳入CPU，擠壓桿和穿孔針實時位置在上位機觸摸屏上顯示。

絕對值光電編碼器檢測到的是擠壓桿相對模具的位置和穿孔針相對擠壓桿的位置。

穿孔針相對模具的位置=擠壓桿相對模具的位置+穿孔針相對于擠壓桿的位置。

液壓定針位置控制框圖如圖3所示。

圖3 液壓定針位置控制框圖

3.2 壓力控制

液壓定針擠壓時，如果流動的金屬與穿孔針之間的摩擦力超過液壓定針力，那么穿孔針將在摩擦力作用下，隨著金屬流動向模具方向移動，液壓定針的位置控制失效。如果不采取有效措施降低摩擦力，穿孔針將繼續(xù)移動，直至穿孔針尖超過定針帶最后撞到模具上，導(dǎo)致設(shè)備損壞，同時這種移動過程影響管材制品的內(nèi)表面精度。因此，液壓定針控制需要采用壓力控制。

液壓定針的壓力控制是根據(jù)通過壓力傳感器檢測穿孔缸前后腔的壓力變化，當(dāng)壓力變化到設(shè)定值時，開始降低擠壓速度，從而調(diào)節(jié)金屬的流動速度，減少流動的金屬與穿孔針之間的摩擦力，使該摩擦力小于液壓定針力，液壓定針位置控制可以有效控制定針位置。

液壓定針壓力控制框圖如圖4所示。

圖4 液壓定針壓力控制框圖

在100MN雙動臥式鋁擠壓機液壓定針控制中，當(dāng)定針壓力＞27.5MPa時，按0.2mm/S的速率降低擠壓速度，直到定針壓力＜26MPa時，擠壓速度停止降低，保持穩(wěn)定。當(dāng)定針壓力＜25MPa時，按0.2mm/S的速率升高擠壓速度，直到定針壓力=27.5MPa或擠壓速度到達設(shè)定時，擠壓速度停止升高，保持穩(wěn)定。

3.3 液壓定針的控制保護

（1）定針位置保護

定針最小極限位置=定針設(shè)定位置－最大偏離距離

定針最大極限位置=定針設(shè)定位置+最大偏離距離

穿孔針相對模具的位置＜定針最小極限位置或穿孔針相對模具的位置＞定針最大極限位置時，擠壓速度設(shè)定自動歸零，控制穿孔針回到定針設(shè)定位置時，擠壓繼續(xù)。

（2）定針壓力保護

穿孔缸定針壓力到達設(shè)定保護壓力后，擠壓速度設(shè)定自動歸零。

4 結(jié)束語

液壓定針的精度問題一直是擠壓機控制的一個難題。本控制方式以位置控制和壓力控制同時參與的方式，提供了解決液壓定針控制精度的思路。通過現(xiàn)場驗證，這種控制方式有效解決了流動的金屬與穿孔針之間的摩擦力過高時液壓定針失敗的問題，提高了液壓定針的控制精度。同時液壓定針的控制保護措施，避免了定針位置控制和壓力控制超限，造成設(shè)備損壞或把管材擠成棒材的現(xiàn)象，現(xiàn)場反映效果很好。

[1] 張士宏，王忠堂，許 沂，等.管材擠壓工藝分析及實驗研究[J].金屬成形工藝，2002，20（1）：6.

[2] 王忠堂，張士宏，許 沂，等.鎂合金管材擠壓工藝及力能參數(shù)實驗研究[J].沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2001，20（4）：66.

[3] 劉靜安.鋁合金擠壓工業(yè)及技術(shù)裝備發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].中國金屬通報，2007，（41）：8－11.

[4] 于滬平，彭穎紅，阮雪榆.平面分流焊合模成形過程的數(shù)值模擬[J].鍛壓技術(shù)，1999，（5）：8－11.

[5] 劉 偉.鋁型材擠壓過程數(shù)值模擬及模具參數(shù)優(yōu)化[D].東南大學(xué)，2006.

[6] 魏 軍.有色金屬擠壓加工技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].銅加工，2006，（4）：6－18.

[7] 李東和.熱擠壓的一次成形技術(shù)概述[J].遼寧省交通高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2007，9（1）：41－43.

Hydraulic positioning control technology of double-action aluminum extrusion machine

HAN Hong
（Technical Center,Taiyuan Heavy－Duty Machinery(Group)Co.,Ltd.,Taiyuan 030024,Shanxi China）

The structure and technical process of the hydraulic positioning system for double－action horizontal aluminum extrusion machine have been introduced in the text,as well as the automatic control of the system.The system has quick response,high accuracy,and good reliability.Now the system has been applied in the production.The results show that the positioning accurate is not above 1mm,which can satisfy the process requirement and provide reference for the design of similar follow－up products.

Aluminum extrusion machine;Tube extrusion;Hydraulic positioning system

TG375+.9

A

1672－0121（2012）03－0071－03

2012-01-11

韓 泓（1972-），女，高級工程師，從事鍛壓產(chǎn)品電控設(shè)計