王國(guó)紅
(太原重型機(jī)械(集團(tuán))有限公司技術(shù)中心,山西太原030024)
采用何種類型的擠壓機(jī)和擠壓工藝,應(yīng)根據(jù)擠壓材料的合金狀態(tài)、規(guī)格、用途、尺寸允許偏差、表面質(zhì)量和組織性能要求等來(lái)確定。
對(duì)于焊合性能好的金屬,如軟鋁合金等低強(qiáng)度材料,用分流組合?;驑蚴浇M合模,采用實(shí)心鑄錠,在單動(dòng)擠壓機(jī)上就能擠壓成中空型材。擠壓時(shí)實(shí)心鑄錠經(jīng)分流橋?qū)⒔饘俜殖?~4股后流進(jìn)焊合室內(nèi),在高溫高壓下,使金屬焊合而生產(chǎn)出擠壓有縫中空管型材[5]。
而硬鋁合金、銅、鋼等高強(qiáng)度的材料,被擠壓分開后就不能再結(jié)合在一起形成封閉的截面。因此要想通過(guò)熱擠壓的方法得到這些合金的中空截面的管型材,擠壓機(jī)就必須配備穿孔針。穿孔針從坯錠中穿過(guò)到達(dá)模具孔定徑帶,與擠壓模之間形成環(huán)形空間,在模具口處形成一個(gè)給定孔型。金屬?gòu)目仔椭辛鞒?,成形為無(wú)縫的中空型材。
用穿孔針法正向擠壓方式是管材最基本的、廣泛采用的生產(chǎn)方法。其工藝包括穿孔針隨動(dòng)針擠壓方法和穿孔針固定針擠壓方法。
本文通過(guò)敘述在立式單動(dòng)擠壓機(jī)和臥式雙動(dòng)擠壓機(jī)上擠壓生產(chǎn)無(wú)縫管材的工藝特點(diǎn),對(duì)臥式雙動(dòng)擠壓機(jī)穿孔針的機(jī)械和液壓定針結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,分析了擠壓過(guò)程中兩種定針結(jié)構(gòu)的力量傳遞過(guò)程和作用在穿孔針上的受力情況的變化。簡(jiǎn)述了液壓定針電液控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。
無(wú)獨(dú)立穿孔針系統(tǒng)的擠壓機(jī)稱為單動(dòng)擠壓機(jī)。圖1所示是單動(dòng)擠壓機(jī)擠壓工具示意圖,穿孔針通過(guò)螺紋連接在擠壓軸前端。
圖1 單動(dòng)擠壓機(jī)擠壓工具
此連接方式主要應(yīng)用于立式擠壓機(jī)。立式擠壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件垂直于地面,各運(yùn)動(dòng)部件的磨損小,部件受熱膨脹后變形均勻,擠壓中心不易失調(diào),擠出管材的偏心小。
該連接方式在臥式擠壓機(jī)上應(yīng)用不多。在臥式單動(dòng)擠壓機(jī)的擠壓過(guò)程,由于此結(jié)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整中心的效果差,擠壓管材的偏心較大。
該連接方式有較多的局限性,由于上料的原因,坯錠的長(zhǎng)度受到了限制。由于穿孔針強(qiáng)度的原因,最小的橫截面受到了限制。擠壓時(shí),只能采用隨動(dòng)針方式,并必須使用空心錠,因?yàn)椴捎眠@種連接方式的穿孔針,在實(shí)心坯錠上穿孔是不精確和困難的。擠壓過(guò)程中穿孔針隨擠壓軸一起動(dòng)作,穿孔針與模具孔工作帶的相對(duì)位置是隨著擠壓過(guò)程而變動(dòng)的,穿孔針通過(guò)模具孔在整個(gè)長(zhǎng)度方向的內(nèi)側(cè)形成空心截面。當(dāng)改變擠壓管材規(guī)格時(shí),必須更換整根穿孔針,同時(shí)還需要相應(yīng)變更坯錠的內(nèi)孔尺寸。
這種連接方式,只能擠壓比較短的中小規(guī)格管材。不能擠壓大直徑的管子。
有獨(dú)立穿孔系統(tǒng)的擠壓機(jī)被稱為雙動(dòng)擠壓機(jī),擠壓管材的設(shè)備形式大多數(shù)都是臥式擠壓機(jī)。圖2所示是雙動(dòng)擠壓機(jī)擠壓工具示意圖,穿孔針是長(zhǎng)圓柱型的,穿孔針的端部還可以帶有可更換的針頭。穿孔針相對(duì)于擠壓軸可以單獨(dú)運(yùn)動(dòng)。穿孔針是多用途的擠壓工具,擠壓時(shí)它不但能對(duì)實(shí)心坯錠進(jìn)行穿孔,而且在擠壓過(guò)程中穿孔針能在模具孔工作帶保持相對(duì)不動(dòng)。
圖2 雙動(dòng)擠壓機(jī)擠壓工具
該方式擠壓機(jī)適用于多種無(wú)縫管材擠壓工藝,即穿孔擠壓法、固定針擠壓法、隨動(dòng)針擠壓法等。
穿孔針頭是穿孔針的主要組成部分,其制造容易,更換方便。當(dāng)更換產(chǎn)品規(guī)格時(shí),一般只更換針頭和模子。用穿孔針頭能比較容易擠出非常復(fù)雜的空心截面。
擠壓過(guò)程中如果采用固定針擠壓法,即穿孔針在模具口保持相對(duì)不動(dòng)的工作方法,要求擠壓機(jī)必須具有固定和調(diào)整穿孔針的功能。機(jī)械固定和調(diào)整裝置是一套復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
根據(jù)穿孔缸對(duì)主工作缸中的相對(duì)位置不同,機(jī)械定針裝置分為內(nèi)置(圖3)和外置(圖4)兩種典型結(jié)構(gòu)[1]。盡管兩種結(jié)構(gòu)不同,但定針擠壓工藝時(shí)的特點(diǎn)相同:即如果要保持穿孔針固定在模具口相對(duì)不動(dòng),其支撐都靠剛性的機(jī)械完成。擠壓過(guò)程中擠壓筒中金屬流動(dòng)施加在穿孔針上的摩擦力和施加在擠壓筒壁的摩擦力傳遞到機(jī)架上的方式相同。機(jī)械定針擠壓時(shí)有效的擠壓力都是總擠壓力減去穿孔針上和擠壓筒壁中的摩擦力。這樣常規(guī)正向擠壓機(jī)的擠壓力用于有效變形的力不到50%。
圖3 內(nèi)置結(jié)構(gòu)(穿孔缸在主柱塞中)
圖4 外置結(jié)構(gòu)(穿孔缸在主柱塞外)
為了獲得最大而有效的擠壓力,就必須克服穿孔針上和擠壓筒壁中的摩擦力。如何通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)措施和改變擠壓方法,獲得最大的、有效的擠壓力成為工程技術(shù)人員努力的方向。反向擠壓的方法克服了擠壓筒壁的摩擦力。而下文描述了如何補(bǔ)償穿孔針上的摩擦力的方法。
機(jī)械定針的方法最早用在鋁擠壓機(jī)上。相對(duì)于機(jī)械的方法,設(shè)計(jì)出了液壓控制穿孔針位置的定針系統(tǒng)。穿孔針的位置是通過(guò)電液位置控制系統(tǒng)控制的。在這種系統(tǒng)中穿孔針在擠壓機(jī)擠壓工作時(shí)可以自由移動(dòng)或固定到需要的位置。
圖5所示為液壓定針系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,穿孔液壓缸內(nèi)置于擠壓機(jī)的主缸柱塞內(nèi)。穿孔缸是活塞缸,活塞杠的延伸部分與穿孔針連接,雙動(dòng)作的穿孔活塞缸驅(qū)動(dòng)穿孔針移動(dòng)。穿孔針完全由液壓支撐,由于擠壓時(shí),金屬流動(dòng)作用在穿孔針上的拉力較高,所以活塞桿的桿腔的面積要足夠大,使它產(chǎn)生的液壓力能抵擋作用在穿孔針上的拉力。這種結(jié)構(gòu)的穿孔針,工作開始時(shí)僅需前進(jìn)通過(guò)空心坯錠,所以很小的力就能滿足穿孔針的運(yùn)動(dòng),工作結(jié)束后僅需從壓余抽回,由于穿孔缸活塞桿腔面積較大,穿孔系統(tǒng)快速回程時(shí),液壓系統(tǒng)必須提供大流量液體或單獨(dú)設(shè)置穿孔快回缸,以減少非擠壓時(shí)間,提高生產(chǎn)率。
圖5 液壓定針系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
擠壓時(shí)穿孔針和擠壓軸一起運(yùn)動(dòng)(即做隨針擠壓工藝),用這種方法可以生產(chǎn)大直徑的管子,但不能擠壓生產(chǎn)小直徑和截面比較復(fù)雜的管子。
可以通過(guò)用穿孔針尖相對(duì)于模具口靜止不動(dòng)的擠壓方法(即做定針擠壓工藝),把難溶金屬擠壓成空心截面和小直徑的管子。這種擠壓工藝是通過(guò)擠壓設(shè)備的位置控制系統(tǒng)來(lái)控制穿孔活塞的運(yùn)動(dòng)。
穿孔針與模具口相對(duì)位置,可以通過(guò)穿孔針的機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置調(diào)整,機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置能旋轉(zhuǎn)穿孔針和固定設(shè)定的角度。其作用有二:一是穿孔針應(yīng)定期旋轉(zhuǎn),避免擠出的管子前端出現(xiàn)管壁上薄下厚,使其變形均勻。二是當(dāng)采用組合針擠壓空心型材時(shí),需要精確定位組合針與模具的相對(duì)角度,通過(guò)旋轉(zhuǎn)穿孔針來(lái)實(shí)現(xiàn)。
由于是通過(guò)液壓定針而不是通過(guò)機(jī)械調(diào)整裝置固定穿孔針,操作人員容易選定、調(diào)整或改變穿孔針的位置。此外,自由運(yùn)動(dòng)的穿孔針能使輔助操作快速和容易。例如:擠壓以后的軸向縱剪功能。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是,由于沒有機(jī)械定針限程結(jié)構(gòu),工作周期內(nèi)僅有很少的機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)。
由于內(nèi)置穿孔系統(tǒng),主缸柱塞又作為穿孔活塞的缸體,使壓機(jī)本體長(zhǎng)度縮短。穿孔缸活塞桿直接通過(guò)旋轉(zhuǎn)芯軸與穿孔針座相連接,穿孔系統(tǒng)大大縮短。穿孔針除后部針座處導(dǎo)向外,前部在擠壓桿內(nèi)導(dǎo)向,大大提高了導(dǎo)向精度。由于整機(jī)的縮短,予應(yīng)力受力框架的剛度也相應(yīng)加大了。
由于不設(shè)機(jī)械固定針機(jī)構(gòu),不需要單獨(dú)的穿孔動(dòng)梁在主動(dòng)梁內(nèi)運(yùn)動(dòng)。所以這種結(jié)構(gòu)與單動(dòng)擠壓機(jī)具有可比性,占地面積與單動(dòng)擠壓機(jī)一樣,投資和維護(hù)費(fèi)用介于單動(dòng)擠壓機(jī)和常規(guī)的管棒壓機(jī)之間。
圖6所示是機(jī)械支撐隨針擠壓時(shí)力的分布示意圖,作用在穿孔針上摩擦力達(dá)到正常(工作)狀態(tài)總擠壓力的20%~30%。特別是用定針擠壓大直徑高強(qiáng)度鋁合金。剛性連接的穿孔針,在擠壓時(shí)隨擠壓桿一起運(yùn)動(dòng)(隨針擠壓),防止了變形力的損失,使得作用在穿孔針上摩擦力能自動(dòng)得到補(bǔ)償。
式中:F1——擠壓力;
F2——擠壓筒摩擦力;
F3——穿孔針上摩擦力;
F4——有用的變形力。
圖6 機(jī)械支撐隨針擠壓時(shí)力的分布
圖7所示為機(jī)械支撐定針擠壓時(shí)力的分布示意圖,剛性連接的穿孔針,在擠壓時(shí)不隨擠壓桿一起運(yùn)動(dòng)(固定針擠壓)。擠壓機(jī)的機(jī)架必須克服了作用在穿孔針上摩擦力,才能使得穿孔針對(duì)模具定經(jīng)帶保持不動(dòng),被機(jī)架吸收的擠壓力是損失的力,擠壓力被大幅度地減少。
圖7 機(jī)械支撐定針擠壓時(shí)力的分布
式中各參數(shù)的含義同式(1)。
圖8所示是液壓支撐定針擠壓時(shí)力的分布示意圖,機(jī)械支撐定針擠壓的缺點(diǎn),在液壓定針擠壓時(shí)被克服掉。
圖8 液壓定針擠壓時(shí)力的分布
由于擠壓機(jī)沒有機(jī)械固定針機(jī)構(gòu),作用在穿孔針上摩擦力無(wú)法傳遞到機(jī)架上。穿孔針上摩擦力只能通過(guò)穿孔缸中的液壓“油墊”傳回主工作缸,使得作用在穿孔針上摩擦力變?yōu)閿D壓桿上的擠壓力。如此在液壓定針擠壓過(guò)程中,作用在??讌^(qū)的擠壓力同機(jī)械支撐隨針擠壓時(shí)的擠壓力相同。
式中各參數(shù)的含義同式(1)。
如圖9所示,穿孔液壓系統(tǒng)采用二通插裝閥設(shè)計(jì),穿孔活塞缸后腔的主要液壓元件有進(jìn)油閥1,電液比例壓力閥2和壓力傳感器3等組成,穿孔活塞缸前腔的主要液壓元件有進(jìn)油閥6,電液比例壓力閥4、壓力傳感器5和比例流量閥7等組成。
圖9 穿孔針液壓原理圖
調(diào)節(jié)電液比例壓力閥2,可以控制穿孔力的大小,建立回程時(shí)必要的背壓,避免拉斷穿孔針,同時(shí)實(shí)現(xiàn)柔性泄壓。電液比例壓力閥4,可以控制前腔的支撐背壓,在穿孔時(shí)對(duì)穿孔針起到保護(hù)作用。
穿孔針系統(tǒng)的位置測(cè)量控制裝置,需裝在穿孔針上。穿孔針運(yùn)動(dòng)控制的主要目的是控制穿孔針與擠壓桿或模具的相對(duì)位置,然而由穿孔針的液壓缸完全內(nèi)置于主缸柱塞內(nèi),在擠壓過(guò)程中穿孔針的運(yùn)動(dòng)不能直接從外部觀察到。
液壓定針系統(tǒng)的位置檢測(cè)利用拉線式編碼器,分別對(duì)擠壓桿和穿孔針的位置進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)信號(hào)通過(guò)SM338模塊傳入CPU,擠壓桿和穿孔針的實(shí)時(shí)位置在上位機(jī)觸摸屏上顯示,操作人員可直觀地看出穿孔針擠相對(duì)模具的位置。
擠壓桿上編碼器檢測(cè)到的是擠壓桿相對(duì)模具的位置,穿孔針上編碼器檢測(cè)到的是穿孔針擠相對(duì)壓桿的位置。穿孔針擠相對(duì)模具的位置是上述兩個(gè)位置之和。
準(zhǔn)確的穿孔針尖位置是很重要的參數(shù),如果沒有它就無(wú)法確定針尖的位置。瓶針式組合針在工作過(guò)程中受到強(qiáng)烈的力,其彈性變形可達(dá)幾毫米。為了補(bǔ)償由于工具延伸帶來(lái)的影響。在用來(lái)測(cè)量位置的PLC程序中增加了一個(gè)修正因子,即增加了一個(gè)彈性常數(shù)。通過(guò)不斷測(cè)量受力的變化,自動(dòng)補(bǔ)償穿孔針尖應(yīng)變。
這種裝置能把穿孔針尖固定在所要求的相對(duì)于??谖恢玫氖种环秶鷥?nèi),并在擠壓過(guò)程中不會(huì)隨擠壓速度和力的變化而改變位置。
穿孔針系統(tǒng)的壓力控制是通過(guò)液壓系統(tǒng)中的比例壓力閥實(shí)現(xiàn)的,在穿孔活塞缸的前后腔都設(shè)計(jì)有比例壓力閥和壓力傳感器,特別在穿孔活塞缸前腔設(shè)計(jì)有比例流量閥,參見圖9。
當(dāng)隨動(dòng)擠壓時(shí),穿孔活塞缸前腔由比例壓力閥4設(shè)定好支承壓力來(lái)保護(hù)穿孔針,當(dāng)穿孔針上所受摩擦力過(guò)大,前腔通過(guò)溢流閥卸掉一定流量,能在一定范圍內(nèi)使穿孔針比擠壓桿速度較快地往前沖一定行程,不必馬上停止擠壓,避免穿孔針受力過(guò)大而拉斷。
當(dāng)固定針擠壓時(shí),穿孔針相對(duì)于??诓粍?dòng)而相對(duì)擠壓桿移動(dòng)。這種相反的動(dòng)作,是靠擠壓桿前進(jìn)時(shí),穿孔活塞缸前腔通過(guò)比例流量閥7不斷地補(bǔ)充壓力油,穿孔缸的后腔不斷排出液壓油,在這個(gè)過(guò)程中壓力傳感器3和5檢測(cè)活塞缸前后腔壓力變化,當(dāng)壓力變化到設(shè)定值時(shí),開始調(diào)整擠壓速度,從而調(diào)節(jié)金屬的流動(dòng)速度,改變流動(dòng)的金屬與穿孔針之間摩擦力。支持力與作用在穿孔針上摩擦力平衡,使穿孔針以擠壓桿同樣的速率向后退,保持其定徑帶在模具口內(nèi)位置固定不變。
液壓泵組中的變量泵,按照穿孔針?biāo)俣纫?,控制流量大小,提供?qū)動(dòng)力。擠壓的最大速度是由全體主泵組最大流量獲得的。在實(shí)際工作時(shí),擠壓中空型材或管材時(shí),不會(huì)輸出最大速度,因此只用其中的變量泵控制穿孔缸,而不需要另外增加油泵。
其定位精度是靠電氣系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器控制液壓比例閥閉環(huán)系統(tǒng),用高精度的位移傳感器,由PLC來(lái)采集擠壓桿和穿孔針的位移和速度的在線數(shù)據(jù)進(jìn)行閉環(huán)控制。穿孔針的固定位置精度在2~3mm,滿足了無(wú)縫管和組合針空心型材固定針擠壓工藝的要求。
在實(shí)際工作時(shí),作用在穿孔針上的摩擦拉伸力達(dá)到總擠壓力的30%。最新設(shè)計(jì)金屬擠壓機(jī),采用了圖2的擠壓工具和圖5的液壓定針系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。由于在擠壓過(guò)程采用了液壓定針(壓力補(bǔ)償)的方法,提高了有用的變形力,使其具備了用大坯錠擠壓大外截圓的產(chǎn)品的能力。實(shí)踐表明在同樣擠壓力的情況下,在擠壓中空型材時(shí)液壓定針比機(jī)械定針?biāo)玫降挠行D壓力上了一個(gè)臺(tái)階。
變截面產(chǎn)品的擠壓通常使用的鋁合金管材絕大多數(shù)都是等截面的,即沿長(zhǎng)度方向其截面是不變化的。
階段變截面管材,是指沿著管材長(zhǎng)度方向其截面尺寸呈階段性變化的管材[3]。多數(shù)情況下,階段變截面管材和端部閉合的中空管型材有許多優(yōu)勢(shì)。例如:照明用的電線桿、船的桅桿等。鋁合金管材是飛機(jī)工業(yè)輕量化的首先材料。
逐漸變截面管材,是指沿著管材長(zhǎng)度方向其截面尺寸是逐漸變化的[3],即管材按照線性或非線性,沿著管材長(zhǎng)度方向壁厚均勻的改變。常見的壁厚變化能達(dá)到6∶1,多數(shù)情況下節(jié)約材料超過(guò)50%。端部加厚的管子,在后續(xù)的工序中被加工成螺紋接頭或整體對(duì)接法蘭。中空截面和端部閉合的管材非常容易進(jìn)行深加工或已接近成品。因而省去了許多加工工序。
在機(jī)械定針的擠壓機(jī)上,能擠壓簡(jiǎn)單截面的管材。如:用錐形的穿孔針,通過(guò)隨針擠壓工藝,能擠出壁厚變化的無(wú)縫管子。由于在擠壓過(guò)程中,機(jī)械定針的擠壓機(jī)不能改變穿孔針于模具口的相對(duì)位置和不規(guī)則的穿孔針通常造價(jià)昂貴,所以用機(jī)械定針的擠壓機(jī)不能生產(chǎn)形狀較復(fù)雜的中空截面的管材。
在液壓定針的擠壓機(jī)上,中空截面的形狀從一種形狀變成另一種形狀是可行的。如:內(nèi)截面從圓形到距形的變化。在擠壓過(guò)程中移動(dòng)針尖在模具定徑帶的位置。
僅用合適的針尖,就能改變中空截面,工具的制造簡(jiǎn)單了。針尖通過(guò)螺紋擰在長(zhǎng)圓柱穿孔針桿部,根據(jù)產(chǎn)品的形狀針尖可以做成錐形的也可以是臺(tái)階式的。在擠壓過(guò)程中軸向改變穿孔針尖于模具口的相對(duì)位置,相應(yīng)地就改變沿著管材長(zhǎng)度方向壁厚。
液壓定針系統(tǒng)既可做隨動(dòng)針擠壓工藝也可做固定針擠壓工藝。這種系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)為:
(1)工藝適應(yīng)性強(qiáng):既能改變中空截面的尺寸也能改變中空截面的形狀。
(2)擠壓力補(bǔ)償功能:在固定針擠壓工藝時(shí),能將作用在穿孔針上摩擦力變?yōu)閿D壓桿上的擠壓力。
(3)經(jīng)濟(jì)性:不設(shè)機(jī)械固定針機(jī)構(gòu),壓機(jī)本體長(zhǎng)度縮短,結(jié)構(gòu)緊湊,重量減少,降低了投資成本。
在固定針擠壓工藝時(shí),液壓定針系統(tǒng)通過(guò)補(bǔ)償穿孔針上摩擦力,減少了擠壓力的損失,提高了擠壓力的有用成分。通過(guò)改變穿孔針與模具孔定徑帶的位置,可以擠壓生產(chǎn)截面比較復(fù)雜的無(wú)縫管材。
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