5MN多功能金屬擠壓機結構設計

裴志強，權曉惠

(金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032)

0 前言

按照“金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室(以下簡稱“國家重點實驗室”)”的建設計劃，需要建造一臺小噸位實驗用臥式擠壓機。要求該機:①可實現(xiàn)正向擠壓和反向擠壓工藝;②能夠實現(xiàn)無穿孔(單動)擠壓和穿孔(雙動)擠壓;③能夠對多種變形有色合金及黑色金屬都進行擠壓工藝實驗;④擠制產(chǎn)品為管材、棒材、型材;⑤作為科研設備，具有充分的檢測功能，能夠檢測壓機在不同工作條件下的力能、位置、速度等參數(shù)的實際變化，積累可靠的科研數(shù)據(jù);⑥同時，作為大中型臥式擠壓機的結構樣機，該機必須為液壓傳動，臥式結構，預應力框架。即這臺擠壓機在設備結構上和可實現(xiàn)的工藝方法上都具有廣泛的代表性、相似性和先進性。為了達到上述要求，設計難點在于必須兼顧:①設備要兼顧正向擠壓和反向擠壓工藝的需要;②具備穿孔系統(tǒng);③能夠對多種有色合金及黑色金屬進行擠壓，由于各種金屬材料允許的擠壓速度相差很大，這就要求設備各運動部件(尤其活動梁)具有很大速度運行范圍，且具有較高的運動位置和速度可控性;④“國家重點實驗室”的研究重點在于擠壓工藝和設備開發(fā)兩方面。所以，這臺小型擠壓機要作為大中型臥式擠壓機的結構樣機來設計，在結構設計上應確保可實現(xiàn)基本的工藝方法，同時具有與現(xiàn)代化大中型臥式擠壓機結構的相似性。因此，該機應為臥式結構，預應力框架，具有橫向移動模架和機內垂直剪切的主剪刀等;⑤檢測功能完善，滿足科研的需要。

1 確定擠壓機設計方案

1.1 設計方案

由于要求擠壓機具有多功能、多用途，且具有設備結構的代表性，其設計方案要點如下:

(1)主體結構為臥式。主框架為預應力組合結構;

(2)作為正向擠壓和反向擠壓兩用設備，設計為“雙軸”結構，即在橫向移動模架上設“模軸”安裝位，用于反向擠壓時安裝模軸，正向擠壓時安裝模具;在活動梁上設“擠壓軸”安裝位，用于在正向擠壓時安裝擠壓軸，在反向擠壓時安裝擠壓堵頭或擠壓軸;

(3)采用內置式穿孔系統(tǒng)，即主柱塞同時作為穿孔油缸的缸體。

(4)主剪刀安裝在左右上壓套上，為適應正向擠壓和反向擠壓時不同剪切位置的需要，設計兩個剪刀安裝位，按工藝需要可將剪刀移位;

(5)因擠壓黑色金屬時需要設備的擠壓速度最快，工作過程需要傳動介質的流速最大，故按擠壓黑色金屬的需要確定相應工作油缸的油路，液壓傳動系統(tǒng)各元件和零部件也必須按最大需要流量配置;

(6)具有完善的檢測功能，能夠實時檢測和記錄壓機在不同工作條件下的力能、位置、速度等參數(shù)的實際變化。

1.2 確定主參數(shù)

(1)錠坯材料及規(guī)格。擠壓制品材料范圍:各種變形有色金屬及合金、黑色金屬;鑄錠直徑:φ100 mm，φ120 mm。

(2)工藝參數(shù)。

擠壓筒內徑/mm φ105，φ125

鑄錠最大長度/mm 420

擠壓筒長度/mm 500

(3)擠壓機主參數(shù)。

公程擠壓力/MN 5

活動梁空程前進力/MN 0.86

活動梁回程力/MN 0.42

擠壓筒鎖緊力/MN 0.86

擠壓筒松開力/MN 0.42

額定穿孔力/MN 1.37

穿孔支撐力/MN 0.88

剪切力/MN 0.34

移動模座移動力/kN 80

主柱塞行程/mm 1 200

擠壓筒行程/mm 1 200

最大穿孔行程/mm 520

擠壓筒加熱溫度/℃ ～550

擠壓速度/mm·s－10.2～180，無級可調

穿孔速度/mm·s－10～100，無級可調

系統(tǒng)工作介質 抗磨液壓油LHP46

主系統(tǒng)工作壓力/MPa 28

擠壓中心線高度/mm 850

(4)擠壓機控制精度。

速度控制精度/mm·s－1±0.1

穿孔針定位精度/mm ±3

擠制品偏心率 85%的制品±2%

2 擠壓機的結構

2.1 總體結構

按設計方案，實驗用5MN多功能金屬擠壓機設計為臥式三梁四柱結構、預應力框架、采用模軸與擠壓軸“雙軸”系統(tǒng)、內置式穿孔系統(tǒng)，擠壓筒移動缸安裝在后梁上。框架的承壓壓套同時兼做活動梁和擠壓筒運動的導向板安裝基體，活動梁和擠壓筒的運動導向采用下導向為水平平面導向，上導向為“X”導向。5 MN多功能金屬擠壓機主機的主要構成部件如圖1所示。

圖1 實驗用5 MN多功能金屬擠壓機Fig.1 5MN experimental multi-functional metal extrusion press

2.2 擠壓機主機組成部件的結構特點

(1)框架。主機框架采用預應力結構，由四根拉桿和空心壓套在預應力作用下經(jīng)螺母擰緊，將前梁、后梁組成一個剛性整體。從技術角度看，小型擠壓機的框架可以設計成鑄造式整體結構或焊接式整體結構，而組合式預應力框架是適合于大中型液壓機的框架結構，為保持結構相似性，該壓機采用了組合式預應力框架。預應力結構提高了框架的剛性，從而提高了壓機的精度。①拉桿經(jīng)予伸長、空心壓套經(jīng)預壓縮后，拉桿僅承受拉應力，壓套起支撐作用，在擠壓過程中框架彎曲變形小，因而框架結構剛性好。②拉桿伸長量不足非普通張立柱的40%，前梁移動量大大減少，各拉桿相對伸長量誤差很小，對中精度的偏差減到了最小，因此壓機精度高，利于保證制品精度。③拉桿拉應力脈動幅度減小至約40%，疲勞壽命得到極大的提高。

(2)活動梁及穿孔系統(tǒng)。按功能可分為主缸組及活動梁、內置式穿孔系統(tǒng)兩部分。

活動梁為實現(xiàn)擠壓工藝的傳力件，主缸組包括主工作缸和兩個側缸。主工作缸為柱塞缸，主柱塞裝于后梁的中心;兩個側缸為活塞缸，對稱安裝于主缸兩側，用于控制活動梁空程前進、擠壓和回程?；顒恿汉蠖嗣媾c主柱塞及側缸活塞桿相連，前端面安裝擠壓軸。活動梁在四根壓套外表面的導軌上滑動。擠壓軸的中心可通過調節(jié)其與導軌之間的滑動副的螺紋調整。

穿孔系統(tǒng)由穿孔缸、穿孔針座及其導向滑道構成，置于主柱塞內。穿孔缸為活塞缸，主柱塞兼作穿孔缸缸體。主柱塞內設穿孔針座的運動導向機構。穿孔系統(tǒng)穿孔針后拉力設有液壓限定保護，可設定最大允許拉力?？赏ㄟ^開在主柱塞上的孔人工對穿孔針進行旋轉。

(3)擠壓筒。由擠壓筒支座(外殼)、預應力組合擠壓筒、擠壓筒移動缸組、擠壓筒加熱及其連接件等組成部件。采用兩層預應力組合筒。采用軸向直棒式電阻加熱，加熱棒沿圓周均勻分布在擠壓筒外套內，擠壓筒加熱溫度可達550℃。外套和擠壓筒支座(外殼)之間填有絕熱保溫材料。擠壓筒支座(外殼)在四根壓套外表面導軌上滑動。擠壓筒的中心可通過調節(jié)其與導軌之間的滑動副的螺紋調整。擠壓筒的運動采用兩個活塞缸驅動，驅動油缸安裝在后梁上。

(4)橫向移動模架。橫向移動模架由模架及其上下導軌、模架移動油缸及其安裝支座等組成。移動模架采用兩工位直線移動式，用于擠壓和清筒的交替工作。一個工位用于安裝模軸及模具，另一工位用于安裝清筒軸或清理墊。模架的運動設有上下、左右導向，導向裝置具有足夠的剛度。反向擠壓時，模軸安裝在移動模架上，采用錐面預壓壓緊，隨移動模架精確定位，能實現(xiàn)快速更換。模軸具有足夠的穩(wěn)定性，在反向擠壓和分離壓余時，裝在前梁上的4個液壓缸鎖緊模架。

(5)分離剪。用于制品與壓余的分離，分離剪垂直安裝在上壓套的上方。分離剪有兩個安裝位置，分別適用于正向擠壓或反向擠壓工藝。在改變擠壓方式時，需要將分離剪移位。剪刀片的運動由活塞缸驅動，為降低高度，驅動油缸采用缸動式，缸體直接作為導向滑塊，可拆卸的剪刀片安裝在油缸下端面。剪刀片與模具端面的間隙可以調整。當提升到上極限位時，為了防止滑塊下落引起事故，設有氣缸驅動的插銷式安全裝置。

(6)擠壓工具。由擠壓軸、模軸、接料筒、組合模具和清理墊組成。

(7)充液閥。在主缸底部設有大通徑充液閥，保證動梁快速前進和后退時主缸進排液壓油流動暢通。

3 擠壓機運動部件的驅動及檢測控制方式

(1)擠壓機主機的主要動作均為液壓傳動，采用油泵直接傳動形式。按設備工作速度的要求，通過流量組合的方式實現(xiàn)擠壓機主要運動部件速度的無級調整和空程快速動作;

(2)采用位移測距。監(jiān)控擠壓筒和擠壓軸相對于擠壓中心位置的偏移;

(3)設有壓力傳感器，活動橫梁、穿孔針的壓力可根據(jù)不同產(chǎn)品的工藝需要設定并實時控制;

(4)設有速度及位移傳感器，活動橫梁、穿孔針、擠壓筒的位置和運行速度可根據(jù)工藝需要通過比例流量閥設定并實時控制，實現(xiàn)運動平穩(wěn)、位置準確;

(5)設有位移傳感器，主剪刀、橫向移動模架的運動通過比例流量閥實現(xiàn)慢速啟動－快速運動－慢速接近的方式控制，實現(xiàn)運動平穩(wěn)、位置準確。

4 正向擠壓及反向擠壓功能的實現(xiàn)

5MN多功能擠壓機可完成正向擠壓、反向擠壓兩種工藝模式。當活動梁上安裝擠壓軸、橫向移動模架上安裝擠壓模時，壓機處于正向擠壓模式;當活動梁上安裝擠壓軸或擠壓堵頭、橫向移動模架上安裝模軸、擠壓模具安裝在模軸上時，壓機處于反向擠壓模式。在這兩種模式下，均可實現(xiàn)穿孔擠壓(雙動擠壓)和不穿孔擠壓(單動擠壓)。

通過液壓系統(tǒng)提供的不同傳動介質流量，活動梁帶動擠壓軸可以在不同的速度下工作，完成多種材料(包括各種變形有色合金和黑色金屬)的擠壓。按照錠坯上料時，錠坯與擠壓筒位置的前后不同，可實現(xiàn)前上料和后上料。

5 結束語

5MN多功能金屬擠壓機做為研發(fā)新型擠壓機的樣機，已于2010年成功安裝在金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室。該機具有廣泛的工藝適應性，可完成正向擠壓、反向擠壓兩種工藝模式;可實現(xiàn)穿孔擠壓(雙動擠壓)和不穿孔擠壓(單動擠壓);可以按不同材料對擠壓速度的要求，在不同的速度下工作，完成多種材料的擠壓;還可實現(xiàn)前上料和后上料。

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