陳 峰， 闕仕明， 魏長(zhǎng)傳， 叢陽(yáng)陽(yáng)， 段錦濤

（1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司， 陜西 西安 710032；2.核興航材（天津）科技有限公司，天津 東麗 300300）

行業(yè)縱橫

國(guó)產(chǎn)首套超硬鋁合金型材扭轉(zhuǎn)矯整機(jī)

陳 峰1， 闕仕明2， 魏長(zhǎng)傳2， 叢陽(yáng)陽(yáng)1， 段錦濤1

（1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司， 陜西 西安 710032；2.核興航材（天津）科技有限公司，天津 東麗 300300）

復(fù)雜斷面、變斷面硬鋁合金型材是航空、航天器材所需的關(guān)鍵性材料，這類(lèi)型材熱處理后，存在著彎曲和扭轉(zhuǎn)變形程度大的特點(diǎn)，由于缺乏有效的矯整手段，廢品率高達(dá)65%以上，無(wú)法滿(mǎn)足批量高效生產(chǎn)的實(shí)際要求，通過(guò)引入扭轉(zhuǎn)整形的概念，研制出國(guó)內(nèi)首套硬鋁合金型材扭轉(zhuǎn)整形機(jī)，一次性的將成品率提高到95%以上，不僅解決了工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際問(wèn)題，而且也完善了現(xiàn)有的矯整理論。

硬鋁合金 矯整 型材

復(fù)雜斷面、變斷面超硬鋁合金型材主要用于航天、航空領(lǐng)域，是這些領(lǐng)域所急需的關(guān)鍵材料之一。此類(lèi)材料淬火后變形程度大、致廢率高、現(xiàn)有生產(chǎn)過(guò)程人工干預(yù)程度大，導(dǎo)致生產(chǎn)效率極為低下。歐美國(guó)家以該類(lèi)型材的精整工藝和裝備為敏感技術(shù)為由，限制對(duì)我國(guó)出口及技術(shù)轉(zhuǎn)讓?zhuān)源碎L(zhǎng)期壟斷該類(lèi)產(chǎn)品的國(guó)際市場(chǎng)，攫取高額利潤(rùn)。2015年中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司聯(lián)合核興航天（天津）科技有限公司對(duì)此類(lèi)型材的精整工藝和裝備進(jìn)行了聯(lián)合攻關(guān)，研制了國(guó)內(nèi)首套硬鋁合金型材扭轉(zhuǎn)矯整機(jī)，提出了扭轉(zhuǎn)和輥式聯(lián)合矯整的工藝路線(xiàn)，使該類(lèi)型材的成品率提高到95%以上，保障了航空、航天用材的同時(shí)也徹底打破了西方國(guó)家在復(fù)雜斷面超硬鋁合金型材生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)壟斷和封鎖，為我國(guó)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)特殊合金配方的型材精整生產(chǎn)提供了設(shè)備方案，為進(jìn)一步生產(chǎn)大斷面型材提供了技術(shù)和設(shè)備經(jīng)驗(yàn)；為民用復(fù)雜斷面異型材的精整提供了設(shè)備選型方案，同時(shí)為特殊材料的六角、八角狀產(chǎn)品提供了直線(xiàn)度的提高方案。

1 復(fù)雜斷面超硬鋁合金型材熱處理后的形態(tài)及加工特性

硬鋁合金復(fù)雜斷面型材、變斷面型材具有常溫狀態(tài)下塑性加工性能差、脆變性強(qiáng)、極限溫度下機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域。熱處理后受合金配方和斷面形狀的影響，變形程度大、變形控制困難。變形狀態(tài)主要呈彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種形態(tài)。精整過(guò)程中加工硬化現(xiàn)象明顯，熱處理工序、被整材轉(zhuǎn)場(chǎng)頻繁，又因目前以人工矯整為主，導(dǎo)致其廢品率約為65%，生產(chǎn)效率極為低下。

2 復(fù)雜斷面超硬鋁合金型材扭轉(zhuǎn)矯整方案

2.1 方案的提出

對(duì)于鋁合金型材的矯整，目前國(guó)內(nèi)外采用拉伸或者輥式矯整的方案[2]，通過(guò)這兩種解決方案，主要輔助提高型材的機(jī)械性能和直線(xiàn)精度，對(duì)于有角度扭轉(zhuǎn)傾向的缺陷，不能很好地實(shí)施矯整。因此對(duì)于具有扭轉(zhuǎn)和彎曲復(fù)合缺陷的型材，如何進(jìn)行高效、高品質(zhì)精整成為一個(gè)難題。經(jīng)過(guò)大量的工業(yè)性試驗(yàn)，結(jié)合對(duì)超硬鋁合金型材彎曲和扭轉(zhuǎn)程度進(jìn)行地量化分析，認(rèn)為首先對(duì)型材進(jìn)行扭轉(zhuǎn)矯整，通過(guò)扭轉(zhuǎn)整形達(dá)到型材能喂入輥式整形裝備的條件，從而對(duì)型材實(shí)施精確矯整，達(dá)到提高成品率的目的。確定扭轉(zhuǎn)矯整為先的工藝方案后，將所要解決的問(wèn)題細(xì)化為七個(gè)方面，進(jìn)行機(jī)械、液壓、電氣控制機(jī)構(gòu)突破。

1）通過(guò)1臺(tái)裝備既能達(dá)到對(duì)復(fù)雜斷面型材沿全長(zhǎng)直線(xiàn)度的矯直，又能實(shí)現(xiàn)斷面的矯形。

2）針對(duì)復(fù)雜斷面型材扭轉(zhuǎn)彎曲的特點(diǎn)，對(duì)扭轉(zhuǎn)缺陷進(jìn)行矯整。

3）對(duì)經(jīng)過(guò)矯形之后的復(fù)雜斷面型材進(jìn)行在線(xiàn)矯整效果測(cè)量。

4）能夠適應(yīng)長(zhǎng)度較長(zhǎng)的復(fù)雜斷面型材的整形。

5）為了提高金屬收得率，矯整后盡可能地不切除型材端部。

6）復(fù)雜斷面矯整的過(guò)程中，不允許產(chǎn)生任何形式的擦傷缺陷。

7）裝備需具備快速模具更換功能，以適應(yīng)不同規(guī)格型材的矯整，并在模具更換過(guò)程中降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2 基本方案

國(guó)產(chǎn)首套硬鋁合金型材扭轉(zhuǎn)矯整機(jī)主要由機(jī)械、液壓、電氣傳動(dòng)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)組成，機(jī)械裝置由主機(jī)和輔助機(jī)械組成，主機(jī)裝置示意如圖1所示。

圖1 硬鋁合金型材扭轉(zhuǎn)矯整機(jī)示意圖

主機(jī)機(jī)械由扭轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1、固定扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2、移動(dòng)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3、固定扭轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)4、移動(dòng)扭轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)5、床身6等裝置組成。通過(guò)固定扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2和移動(dòng)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3及其型材夾持機(jī)構(gòu)4和5，對(duì)所夾持的型材進(jìn)行扭轉(zhuǎn)矯整，扭轉(zhuǎn)矯整的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為扭轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1。

2.2.1 實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)功能的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)

固定扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2和移動(dòng)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3是實(shí)現(xiàn)型材扭轉(zhuǎn)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，固定扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2的底部通過(guò)螺栓與床身6連接，床身6上安裝有可沿床身上的軌道滑動(dòng)的移動(dòng)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3，移動(dòng)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3的外側(cè)有驅(qū)動(dòng)裝置，在驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下沿床身上的道軌滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和固定扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)之間距離的調(diào)節(jié)；當(dāng)型材的兩端分別被固定扭轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)4和移動(dòng)扭轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)5夾持時(shí)，隨著固定扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2的扭轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)型材角度的扭轉(zhuǎn)。固定與移動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)4和5均采用柔性?shī)A緊技術(shù)，可以避免型材被夾持部位損傷，降低了扭轉(zhuǎn)矯整產(chǎn)生的切損。

固定扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2的內(nèi)部為扭轉(zhuǎn)用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)蝸輪內(nèi)部有夾持窗口，固定夾持機(jī)構(gòu)4的夾持部分位于蝸輪內(nèi)部的夾持窗口中。扭轉(zhuǎn)蝸桿的端部和傳功蝸輪連結(jié)。

2.2.2 扭轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

扭轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1與固定扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2通過(guò)聯(lián)軸器連接，扭轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1的底座通過(guò)螺栓與固定扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2連接，扭轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1的驅(qū)動(dòng)裝置為一交流變頻電機(jī)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向箱的分配進(jìn)入蝸桿傳動(dòng)箱帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)扭轉(zhuǎn)蝸桿和蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。上述結(jié)構(gòu)從機(jī)械上保證了兩根蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)的同步性，在力矩分配上也實(shí)現(xiàn)了均等劃分。

扭轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1的制動(dòng)在電機(jī)出軸處設(shè)計(jì)了電磁式制動(dòng)器，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械式制動(dòng)，同時(shí)在電氣系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)有能耗制動(dòng)環(huán)節(jié)，保證旋轉(zhuǎn)部位的準(zhǔn)確停車(chē)。為了進(jìn)一步對(duì)扭轉(zhuǎn)角度實(shí)施精確控制，在實(shí)際扭轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、被扭轉(zhuǎn)型材的塑性特性進(jìn)行了研究，給出了經(jīng)驗(yàn)式的扭轉(zhuǎn)力矩加載時(shí)間控制曲線(xiàn)，指導(dǎo)扭轉(zhuǎn)矯整過(guò)程。

2.2.3 型材夾持機(jī)構(gòu)

固定扭轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)4的驅(qū)動(dòng)為液壓驅(qū)動(dòng)，下模通過(guò)燕尾式結(jié)構(gòu)和蝸輪內(nèi)芯接觸，上模通過(guò)夾持液壓缸驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)型材的夾持。液壓缸為比例控制液壓缸，可實(shí)現(xiàn)缸的位移和壓力控制。移動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)5的夾緊裝置類(lèi)似于固定夾持機(jī)構(gòu)4。

仔細(xì)研判工藝需求后，考慮到夾持模具和型材緊密接觸，夾持長(zhǎng)度直徑影響到型材扭轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)變段的矯整，因此確定模具設(shè)計(jì)方案為組合式快換方案，組合式的目的是為了對(duì)角度扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變段的型材斷面進(jìn)行充分的矯整，快換方案是為了滿(mǎn)足復(fù)雜斷面型材規(guī)格多，批量小的實(shí)際生產(chǎn)需求。

2.2.4 床身

床身為一焊接結(jié)構(gòu)件，經(jīng)過(guò)合理的熱處理工藝后進(jìn)行導(dǎo)軌基準(zhǔn)面加工，導(dǎo)軌為機(jī)床用專(zhuān)業(yè)導(dǎo)軌，保證移動(dòng)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的平穩(wěn)和準(zhǔn)確。床身的導(dǎo)軌下部設(shè)計(jì)有C型鉤狀機(jī)構(gòu)，防止在工作過(guò)程移動(dòng)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的傾翻。

2.2.5 輔助設(shè)備

輔機(jī)由升降寬輥道和收集料架組成，寬輥道的表面包裹有尼龍層，防止在運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)型材表面劃傷。收集料架采用多組皮帶運(yùn)輸裝置，確保整形后的型材在皮帶的運(yùn)輸下平穩(wěn)脫離矯整中心線(xiàn)。脫離矯整中心線(xiàn)的型材，被逐根的進(jìn)行質(zhì)量檢查，沒(méi)有質(zhì)量問(wèn)題的轉(zhuǎn)入下道生產(chǎn)工序。

2.2.6 基本扭轉(zhuǎn)工藝

初始狀態(tài)下，根據(jù)扭轉(zhuǎn)型材的長(zhǎng)度要求，調(diào)整好固定扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和移動(dòng)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的距離，后端型材夾緊裝置和前端型材夾緊裝置的夾緊裝置松開(kāi)，待型材穿過(guò)后端型材夾緊裝置之后，根據(jù)型材扭曲角度，轉(zhuǎn)動(dòng)扭轉(zhuǎn)用蝸輪的角度，使型材頭部順利進(jìn)入前端型材夾緊裝置，隨后將前端型材夾緊裝置和后端型材夾緊裝置同時(shí)將型材夾緊，驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)用蝸輪反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，即可達(dá)到扭轉(zhuǎn)矯整對(duì)型材扭轉(zhuǎn)角度矯整的目的。對(duì)于適合于床身長(zhǎng)度的型材可以一次扭轉(zhuǎn)矯整，長(zhǎng)度超過(guò)床身長(zhǎng)度的型材，可以分段扭轉(zhuǎn)矯整，對(duì)型材長(zhǎng)度規(guī)格的調(diào)整適應(yīng)性很強(qiáng)。

3 主要技術(shù)突破及設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

3.1 雙蝸桿平衡型扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

采用轉(zhuǎn)向箱分配箱同時(shí)傳動(dòng)位于蝸輪兩側(cè)的蝸桿的平衡傳動(dòng)方式，其優(yōu)勢(shì)在于：2個(gè)蝸桿同時(shí)于蝸輪嚙合，嚙合部位相對(duì)于蝸輪中心對(duì)稱(chēng)，受力狀態(tài)好，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn)，蝸輪制動(dòng)效果好。

3.2 柔性復(fù)雜斷面型材夾持機(jī)構(gòu)

由于型材所夾持的部位不允許有任何形式的擦傷、角度激變、扭痕等缺陷，為了克服這一難題，提出并實(shí)施了柔性型材夾持技術(shù)及機(jī)構(gòu)方案。其原理為：作為液壓驅(qū)動(dòng)的夾持機(jī)構(gòu)通過(guò)比例控制系統(tǒng)，在壓力傳感和位移傳感的雙重反饋下，對(duì)夾持初期的型材夾持部位進(jìn)行位移保證，防止夾傷型材，在扭轉(zhuǎn)力矩加載階段對(duì)夾持部位進(jìn)行壓力控制，依據(jù)扭轉(zhuǎn)力矩所產(chǎn)生的附加夾持力的大小，動(dòng)態(tài)的對(duì)夾持機(jī)構(gòu)的夾持力進(jìn)行調(diào)整，防止夾持部位的扭轉(zhuǎn)破壞。

3.3 扭轉(zhuǎn)角度的檢測(cè)及精準(zhǔn)控制

扭轉(zhuǎn)矯整的效果檢測(cè)是以測(cè)量型材的扭轉(zhuǎn)角度為參考的，在扭轉(zhuǎn)過(guò)程和扭轉(zhuǎn)終了都必須對(duì)扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)。過(guò)程中的檢測(cè)是為了實(shí)時(shí)掌握扭轉(zhuǎn)角度變化情況，以便控制扭轉(zhuǎn)力矩和扭轉(zhuǎn)時(shí)間，終了檢測(cè)是對(duì)扭轉(zhuǎn)效果的檢測(cè)。當(dāng)扭轉(zhuǎn)終了時(shí)，固定扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和移動(dòng)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)之間的角度絕對(duì)差值在±0.5°以?xún)?nèi)，即認(rèn)為達(dá)到技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)。角度檢測(cè)是通過(guò)編碼器及檢測(cè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，編碼器直接和蝸桿連接，換算其傳動(dòng)機(jī)械當(dāng)量，直接反應(yīng)出扭轉(zhuǎn)蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。檢測(cè)到的角度，作為整個(gè)扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的反饋條件，通過(guò)設(shè)定程序，也可采用人工干預(yù)對(duì)扭轉(zhuǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。

3.4 組合式夾持模具及其快速更換機(jī)構(gòu)

設(shè)計(jì)組合式模具的目的是為了對(duì)角度扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變段的型材斷面進(jìn)行充分的矯整。組合式模具的實(shí)質(zhì)是選擇和控制模具與被矯材的接觸段長(zhǎng)度?？鞊Q方案是為了滿(mǎn)足復(fù)雜斷面型材規(guī)格多，批量小的實(shí)際生產(chǎn)需求。快換機(jī)構(gòu)由模具組合體、組合體配合燕尾，模具快速鎖緊機(jī)構(gòu)組成。

3.5 設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)（見(jiàn)表1）

表1 設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

4 使用效果

雙蝸桿平衡式蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)、組合式大型蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、柔性?shī)A持機(jī)構(gòu)，組合模具及其快換機(jī)構(gòu)。為非同一方向扭轉(zhuǎn)的硬鋁合金復(fù)雜斷面型材的力矩整形提供了成套的設(shè)備解決方案。經(jīng)過(guò)實(shí)踐所驗(yàn)證的扭轉(zhuǎn)整形方案對(duì)六角、八角形特殊鋼的斷面扭轉(zhuǎn)精整提供了解決依據(jù)。

通過(guò)摸索，提出一整套復(fù)雜斷面硬鋁合金型材高效精整工藝，力矩整形、輥式矯直—定尺鋸切—包裝的完備工藝，使硬鋁合金型材的精整工藝從人工干預(yù)較多的現(xiàn)實(shí)中解放出來(lái)，真正實(shí)現(xiàn)硬鋁合金型材的高效、批量生產(chǎn)。

[1] 鐘利，馬英義，謝延翠.鋁合金中厚板生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009：33-46.

[2] 馬賓峰，李輝，秦金.國(guó)產(chǎn)首套鋁及鋁合金十二輥型材矯整機(jī)[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2014（6）：14-16.

The First Domestically-made Reversing M achine for Hard Alum inum A lloy Straightening

Chen Feng1,Que Shim ing2,WeiChagnchuan2,Cong Yangyang1,Duan Jintao1
（1.China National Heavy M achinery Research Institute Co.,Ltd.,Xi'an Shaanxi710032 2.Hexing Aeronautical M aterials(Tianjin)Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300300）

The hard aluminum alloy profiles with complex and variable sections are key basic materials for military aviation and aerospace equipments,and there are characteristics of bending and torsional deformation for this type of profile after heat treatment.The rejection rate is over 65%due to the lack of effectivemeasures,which is unable to meet the requirement of high efficiency production.So the domestic first set of reversing and correcting machine is developed for hard aluminum alloy profiles by introducing the concept of reversion and correction,which increases the rate of finished products formore than 95%one-time,not only solves the practical problems of industrial productions,butalso improves the existing correct theory.

hard aluminum alloy;straightening;section bar

TG339

A

1672-1152（2017）05-0039-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.15

2017-09-06

陳峰（1981—），男，大學(xué)本科，畢業(yè)于太原科技大學(xué)，高級(jí)工程師，主要從事管材和型材精整裝備和工藝的研究與開(kāi)發(fā)。

（編輯：苗運(yùn)平）