鋁擠壓機輔機生產線新技術

周少凡，張君，李正利，陳永甲，孟春

(金屬擠壓/鍛造裝備技術國家重點實驗室，中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著高鐵、地鐵、城市輕軌的建設，鋁型材的需求快速增長。鋁擠壓機后部處理設備是生產鋁型材的重要設備。中國重型機械研究院有限公司給山東三星集團設計的60 MN鋁擠壓機后部處理設備主要用于牽引、淬火、冷卻、傳送、拉伸矯直、鋸切和裝框擠壓成形的鋁型材。該生產線自投產以來，設備運行良好，產品質量高。

1 生產線設備組成及主要技術參數(shù)

1.1 設備組成

60 MN鋁擠壓機輔機設備包括:氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置1、雙牽引機2、導出輥道3、出料輥道4、出料輥道挑料5、皮帶輸送式冷床6、過橋7、拉伸矯直機8、儲料冷床9、鋸前輥道挑料10、鋸前輥道11、成品鋸12、定尺裝置13、鋸后輥道14、鋸后輥道挑料15等，并設有獨立的液壓和電氣控制裝置。圖1為60 MN鋁擠壓機平面布置圖。

圖1 60 MN鋁擠壓機平面布置圖Fig.1 Layout chart of 60 MN aluminum extrusion press

1.2 主要技術參數(shù)

牽引力(可調)/N 500～6 000

牽引速度/m·min－10～50

返回速度/m·min－1150～180

水淬區(qū)長度(風+水)/m 4

風冷速度/m·s－10～60

水淬總流量/m3·h－1360

風淬區(qū)長度/m 8

拉伸力/MN 6

最大拉伸行程/m 2.0

定尺精度/mm ±2

2 雙牽引機技術

2.1 雙牽引機的結構特點

鋁型材擠壓時，由于鋁錠坯與擠壓工模具(擠壓筒、模具、擠壓墊等)之間的摩擦，引起了鋁錠坯擠壓過程中沿截面方向流動速度的不均勻。牽引機牽引鋁型材，有利于模具內焊合室中金屬的成形;牽引機導引擠壓制品沿其導軌直線行進，保證制品的直線度，防止制品扭曲，減少制品表面的損傷。牽引機采用恒張力控制，同時，在此張力作用下對型材進行風冷或水冷，不僅減少型材的冷卻變形，而且使微觀組織結構均勻。

60 MN鋁擠壓機采用雙牽引機技術，雙牽引機的組成如圖2所示。主要有帶飛鋸的副牽引1、路軌2、主牽引3、除塵裝置4等，其上配備牽引機所用小液壓站。牽引機的夾鉗可以根據(jù)鋁型材形狀進行調節(jié)夾緊，夾緊力根據(jù)牽引力而定;上鉗口可以上升下降，以適應鋁型材高度的變化。上下鉗口采用側夾型，采用直線導軌導向，鉗口裝置升降由油缸驅動完成。

圖2 雙牽引機組成Fig.2 Composition of double-traction machine

2.2 雙牽引機的技術優(yōu)點

(1)雙牽引機提高生產效率，達到連續(xù)擠壓的目的。單牽引機一般采用直流電機驅動通過夾料裝置在軌道上的鏈條作來回往返動作，當單牽引機夾料走到最后端時，松開所夾料，從最末端移動到最前端，再重新夾料。雙牽引機采用接力式交接料的方式，并采用帶輥輪的小車結構，輪式小車沿一固定軌道滑行。當雙牽引中的一臺牽引機夾第一根料走到最后端時，另一臺牽引機就可以夾第二根料了，大大節(jié)約了時間。采用雙牽引機可以提高生產效率，不停機鋸切，達到連續(xù)擠壓的目的。

(2)雙牽引機采用無線以太網(WLAN)的方法傳遞數(shù)據(jù)。單牽引機最早采用的是劃出線數(shù)據(jù)傳送方式，這種方式不夠可靠，有時候接觸不上會導致停機。后來又采用過紅外數(shù)據(jù)傳送方式，但對安裝精度要求高，現(xiàn)場不易安裝。目前，雙牽引機采用分布站的控制方式，牽引機之間、牽引機和主PLC之間采用無線以太網(WLAN)。無線以太網(WLAN)具有協(xié)議標準化、小型靈活、成本低、抗干擾性強、高帶寬、數(shù)據(jù)傳輸率高等優(yōu)點。采用無線以太網(WLAN)的方法傳遞數(shù)據(jù)后，擴大了設備的控制范圍和距離，長達10公里的數(shù)據(jù)傳輸足以滿足一般工廠內的無限監(jiān)控。經過現(xiàn)場應用，使用效果效果良好。

采用無線以太網(WLAN)的方法傳遞數(shù)據(jù)解決了長行程設備布線難的問題。應用無線以太網技術不僅節(jié)省了大量電線、電纜，降低了系統(tǒng)的安裝難度，減少了硬件投資，而且其組網方便靈活，新增設備入網方便快捷，便于以后的系統(tǒng)擴容。設備維護人員可以用帶有無線網絡的電腦在工廠任意位置訪問網絡，監(jiān)控維護設備，十分便捷。

(3)雙牽引機消除牽引機輥輪在軌道交接處的震動。為了消除牽引機輥輪在軌道交接處的震動，雙牽引機軌道交接處采用交錯的連接形式，即一節(jié)導軌的軌道伸入到另外一節(jié)中，從而連接得更緊密。原先單牽引機軌道不交接，所以牽引機在走到交界處時有震動，牽引機又夾著型材，所以牽引機的震動會在型材上產生震動波紋，影響型材質量。

(4)帶飛鋸的副牽引機提高了生產效率。牽引機上的鋸有兩種工作方式:一種是在擠壓制品停止的情況下，切斷擠壓制品，鋸裝置本身不移動只有鋸片鋸切以;二是與牽引機同步的情況下，鋸裝置也一起移動(一邊移動一邊鋸切叫飛鋸)，切斷擠壓制品，處于跟隨狀態(tài)。切斷后，牽引機把切斷的制品放到同步輥道上(不同步就會擦傷制品)，而開始回程。此時鋸要繼續(xù)一段時間牽引制品，直至牽引機到位再次夾住制品;飛鋸此時松開制品返回原始位置。大大提高了生產效率。

飛鋸、牽引機、輥道實現(xiàn)三同步，在控制上有一定難度，在設計、調試上都要做很多細致的工作。

(5)雙牽引的其他優(yōu)點。雙牽引裝置采用交流電機驅動，易于工廠使用和維護。單牽引機采用直流調速電機驅動，維護成本高。雙牽引采用同步帶傳輸牽引機運動，傳動穩(wěn)定可靠。單牽引采用鋼絲繩傳動，不時有打滑顯現(xiàn)。

3 氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置

3.1 氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置的結構特點

氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置的組成如圖3所示。聯(lián)合冷卻裝置分為三部分，第一部分是風和水聯(lián)合冷卻的區(qū)域，第二部分是風冷卻區(qū)域，第三部分是風冷卻區(qū)域。

第一個冷卻區(qū)域長4 m，冷卻裝置由上冷卻罩和下冷卻風道組成，上冷卻罩由電機減速機驅動，通過齒輪齒條傳動驅動上冷卻罩升降，在第一次擠壓時牽引機通過后落下，直到連續(xù)擠壓停止才升起。下冷卻風道一個，與風機相連，其中設有耐溫600℃的支撐輥，支撐輥可升降，適應不同厚度的鋁型材。

圖3 氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置Fig.3 Air-water quenching cooling device

上冷卻罩長度4 m，冷卻罩風嘴包括上部三個風嘴和左右風嘴，上冷卻罩由大功率風機供風，在風道上安裝有電動擋板，可以調整風嘴的風量;風機采用變頻器控制，控制風嘴風量的大小。

下風道長度4m，冷卻罩的風嘴為三個依次布置，也由大功率風機供風，在風道上安裝有電動擋板，可以調整風嘴的風量，風機也采用變頻器控制，控制下風嘴風量的大小。

所有風嘴交錯排布，并和出料方向成一角度，使整個強風向出料方向流出，以順利帶走熱量。冷卻通道內設有保護風嘴的裝置。風冷系統(tǒng)可以提供接近高達300 W/m2K的熱傳導系數(shù)。

在風嘴的間隙，排布霧化冷卻水嘴;噴嘴沿型材截面方向均勻排布，整個水冷裝置在全長上分為兩個3 m的冷卻區(qū)域。

在淬火裝置兩邊，設有擋水擋板，在水霧冷卻時落下，在風冷時自動抬起。

第一段淬火裝置兩端均設有風刀，以防止水冷時水霧溢出。

第一段淬火裝置后，上下安裝有液壓支撐輥輪，防止鋁型材淬火時上下彎曲，在淬火裝置內部，左右由人工安裝支撐輥輪，防止鋁型材淬火時左右彎曲，此輥輪可根據(jù)鋁型材寬度調整。

第二、三冷卻區(qū)域分別長2 m，只進行空氣空卻，其結構布置和控制方式與第一冷卻區(qū)域基本相同。

淬火裝置內部的輥子可以升降，并承受600℃的高溫。

此冷卻裝置還具有駐波過水冷卻功能。過水冷卻由水墻來形成，鋁型材完全浸入水中。淬火裝置的兩端各設有風墻，使空冷與水淬之間形成了一個平穩(wěn)的過渡區(qū)，防止鋁型材表面色斑的產生。水泵站中的水位和水溫可實現(xiàn)自動控制。

3.2 氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置的技術優(yōu)點

(1)氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置是一種新裝置。利用材料對淬火溫度不敏感的特性，充分利用擠壓產生的余熱，從而免去了建淬火爐的投資、縮短了工藝流程，同時，提高了勞動生產率。具有明顯的經濟、實用價值。

(2)氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置除了冷卻、淬火之外，對控制擠壓制品變形、保護擠壓制品的表面質量做了很多工作。對于截面較大的型材，利用了鋁的良好導熱性，采用了快速冷卻的方法，以降低截面溫度場分布不均的問題，減少了淬火后的型材變形。在從空氣進入水冷淬火裝置的過程中，淬火裝置的兩端各設有風墻，使空冷與水淬之間形成了一個平穩(wěn)的過渡區(qū)，防止鋁型材表面色斑的產生。

(3)氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置在每個冷卻區(qū)域內沿長度方向一條線上的水嘴，均由一個電磁比例閥控制水嘴的流量，以適應不同截面和厚度的鋁型材。水霧裝置的噴嘴流量通過氣動比例閥實現(xiàn)無級調整，并且調整后的優(yōu)化數(shù)據(jù)可以在專家數(shù)據(jù)庫中存儲與讀取，讀取后，噴嘴可自動按相應數(shù)據(jù)調整好流量。

4 6 MN在線拉伸矯直機

4.1 在線拉伸矯直機的結構特點

6 MN拉伸矯直機用扭擰和張力矯直來消除擠壓制品的變形及內應力，使制品平直并提高其屈服極限。移動頭是由鋼板焊成的車體，車體上有輪子，可在機架導軌上運動。車體上裝有旋轉頭和液壓系統(tǒng)，旋轉頭扭擰角度為±30°。尾架是由鋼板焊成的車體及液壓系統(tǒng)組成。車體上有四個輪子由液壓馬達驅動在機架導軌上運動。機架分移動頭用機架和尾架用機架兩大部分。機架由鋼板組焊而成，機架上面有導軌。鉗口分為拉型材的平鉗口和拉管棒的V形鉗口兩種型式。鉗口帶有可更換芯棒的裝置。

4.2 拉伸矯直機的技術優(yōu)點

(1)拉伸機路軌下方設置有可以升降的輥子。在拉伸時輥子升起，使鋁型材和過橋的皮帶脫離，保護過橋的皮帶。在拉伸時將型材用輥子支撐起來，使型材不會因為過長而導致產生彎曲，拉伸后的型材性能均勻。

(2)采用WCS位置編碼系統(tǒng)的編碼器檢測尾架的位置。拉伸矯直機具有拉伸力、拉伸率的實時顯示，尾架可以自動根據(jù)鋁型材的長度調整位置，在設定鋁型材長度、初始屈服力和拉伸率后，拉伸頭可以按照設定的鋁型材長度、初始屈服力和拉伸率進行自動拉伸程序。

(3)拉伸矯直機控制系統(tǒng)采用比例閥控制。比例閥能滿足拉伸矯直機控制的要求。鋸片進給也采用比例控制系統(tǒng)，使機構能實現(xiàn)動作快捷，啟動和停止時平穩(wěn)且停位準確。

5 結束語

60 MN鋁擠壓機輔機采用雙牽引機提高生產效率，達到連續(xù)擠壓的目的;采用無線以太網(WLAN)的方法傳遞數(shù)據(jù);消除牽引機輥輪在軌道交接處的震動;帶飛鋸的副牽引機提高了生產效率等等。氣-水霧聯(lián)合淬火冷卻裝置提高了勞動生產率;保護擠壓制品的表面質量;并有特有的專家數(shù)據(jù)庫。拉伸矯直機特設升降輥;WCS位置編碼系統(tǒng)編碼器檢測尾架的位置;比例閥控制等。60 MN鋁擠壓機輔機在設計中采用的這些新技術在實際安裝調試過程中節(jié)約了時間，提高了設備精度，極大的提高了生產率，降低了生產成本，提高了產品質量，因此產生了非常好的效益。

［1］魏軍.金屬擠壓機［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2006.

［2］劉靜安，謝建新.大型鋁合金型材擠壓技術與工模具優(yōu)化設計［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2003.

［3］張君，韓炳濤，李正利，等.大型無縫鋁管材固定針擠壓工藝研究［J］.重型機械，2012(3):41－46.

［4］王祝堂.鋁合金及其加工手冊［M］.長沙:中南大學出版社，1989.

［5］重有色金屬材料加工手冊編寫組.重有色金屬材料加工手冊［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1980.