張 君 ，侯永超 ，楊紅娟 ，薛菲菲 ，段麗華

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室 中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安710032；2.西北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710072）

125MN水壓擠壓機(jī)建成于1971年，是我國國寶級設(shè)備之一，也是當(dāng)時的國之重器。125MN臥式擠壓水壓機(jī)由沈陽重機(jī)廠設(shè)計制造，為四柱臥式結(jié)構(gòu)、內(nèi)附穿孔系統(tǒng)，有三級壓力。125MN臥式擠壓水壓機(jī)使我國成為繼蘇美之后第三個擁有萬噸擠壓機(jī)的國家。經(jīng)過了四十多年，125MN臥式擠壓水壓機(jī)目前仍是亞洲最大的合金管擠壓機(jī)之一；期間為我國軍用、民用飛機(jī)提供了各種高精度、大規(guī)格的型材、管材、棒材[1]。

長期的使用和近些年擠壓技術(shù)的迅速發(fā)展，使得這臺國寶級的設(shè)備（圖1）不僅顯得技術(shù)落后，而且能耗極高，尤其是水壓驅(qū)動元件壽命低，系統(tǒng)易泄露，造成工作條件惡劣，同時采用蓄勢器傳動方式，擠壓速度等不易控制精確，雖然經(jīng)過幾次改造，但水驅(qū)動方式效率還是很低[2～8]。因此從2016年開始，中國重型院開始對此設(shè)備進(jìn)行全面升級改造，技術(shù)升級主要包括：①驅(qū)動介質(zhì)由水壓改為油壓；②增加設(shè)備反向擠壓功能；③升級穿孔針控制技術(shù)，在提高固定針精度的情況下，增加變徑管的擠壓；④升級改造了整套機(jī)械化裝備；⑤更新了全套電氣控制系統(tǒng)，增加了智能化控制技術(shù)；⑥升級了后部精整系統(tǒng)。本文主要介紹125MN雙動水壓擠壓機(jī)改為油壓驅(qū)動的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 125MN水壓雙動鋁擠壓生產(chǎn)線

1 125MN臥式擠壓水壓機(jī)改油壓的關(guān)鍵技術(shù)

水壓擠壓機(jī)為水泵蓄勢站傳動，壓力分為幾個等級，125MN水壓擠壓機(jī)主要缸的結(jié)構(gòu)形式為柱塞缸，采用水壓驅(qū)動時速度控制精度較差。水壓改為油壓驅(qū)動，液壓系統(tǒng)除了滿足擠壓速度和穿孔速度等的流量要求，還要對主要幾個部件進(jìn)行速度精度控制，這幾個部件包括擠壓桿、擠壓筒和穿孔針。對于雙動正反向擠壓機(jī)來說，反向擠壓的固定模具技術(shù)也是需要研究的關(guān)鍵技術(shù)。

升級后125MN油壓雙動擠壓機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下：

1.1 125MN水壓雙動擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)形式

125MN雙動擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

如圖2所示，整機(jī)為前后梁和四個拉桿組成的框架結(jié)構(gòu)，移動橫梁和擠壓筒在機(jī)架內(nèi)部來回運(yùn)動。擠壓桿安裝在移動橫梁上，移動橫梁由兩個前主缸和兩個后主缸驅(qū)動，移動橫梁通過四個拉桿和后主缸的橫梁機(jī)架相連；每個前主缸產(chǎn)生的擠壓力為35MN，每個后主缸產(chǎn)生的擠壓力為27.5MN；后主缸驅(qū)動的移動機(jī)架有兩個回程柱塞缸驅(qū)動移動橫梁回程。

傳控系統(tǒng)為內(nèi)置式穿孔系統(tǒng)，同時設(shè)有機(jī)械定針機(jī)構(gòu)；擠壓中心線上布置一個穿孔柱塞缸，中心線以外水平分別布置兩個穿孔回程柱塞缸，用于穿孔系統(tǒng)的回程。

擠壓筒移動柱塞缸布置在后梁上，來回移動擠壓筒，也可在有效摩擦擠壓時對擠壓筒產(chǎn)生動力。

殘料分離布置在前梁以外，將模具和殘料一起移動到前梁外的主剪刀處進(jìn)行分離。

1.2 擠壓桿速度控制技術(shù)

擠壓桿安裝在移動橫梁上，擠壓桿的速度精度主要由移動橫梁的移動速度精度來保證。移動橫梁連接前主缸和后主缸，可以由前主缸和后主缸單獨驅(qū)動或者聯(lián)合驅(qū)動。擠壓桿的速度控制就是控制前主缸和后主缸的速度。

圖2 125MN雙動鋁擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 125MN雙動鋁擠壓機(jī)擠壓桿液壓系統(tǒng)控制原理圖

鋁合金種類千變?nèi)f化，不同的合金需要的擠壓速度也是不一樣的，對于高性能特種航空航天用鋁合金，有時不僅要求擠壓速度很慢，而且對于速度的穩(wěn)定性要求很高。因此對于擠壓桿的速度控制是擠壓機(jī)三個重要運(yùn)動部件中要求最高的[9，10]。一般來講，鋁擠壓對于擠壓速度的精度要求如下：

擠壓速度精度v=0.2～3mm/s△v≤±5%v

v=3～30mm/s△v≤±3%v

對于擠壓桿的速度控制，參見如下公式：

式中：v為擠壓桿的速度；△v為擠壓桿的速度變化；也就是擠壓桿的速度精度；S為擠壓桿的位移；△S為擠壓桿的位移變化；V為主工作缸中液體流量；△V為主工作缸中液體流量的變化。從上式可以看出對于速度精度的控制，體現(xiàn)在對于液體流量變化的控制上。

由于液體的壓縮性和伯努利方程可知，不同壓力下液體的體積變化不同，因此在對液體流量和流量變化控制時，還需考慮液體壓力的變化。

由于125MN雙動擠壓機(jī)油缸都為柱塞缸，擠壓桿由四個柱塞缸驅(qū)動前進(jìn)，由兩個柱塞缸驅(qū)動后退，考慮到壓力變化帶來速度控制的不穩(wěn)定性，針對此系統(tǒng)建立了如下的擠壓桿速度控制原理。

圖中，左右兩個閥塊分別是前后主缸的控制閥塊，每個閥塊上包括進(jìn)液閥、排液閥和比例卸荷閥，按照主油缸要求速度確定的流量選擇閥口的大小。中間閥塊為主缸回程缸的控制閥塊，也是設(shè)有進(jìn)液閥和排液閥，排液閥上設(shè)有控制回程缸排液流量的比例閥。

比例閥選用力士樂2WCR高頻響比例插裝閥，其滯環(huán)精度小于0.2%，相應(yīng)靈敏度小于0.1%。圖4所示為此種型號比例插裝閥在液體溫度為40℃±5℃，主閥口壓差為5bar時的名義流量曲線。

圖4 WRCE系列插裝比例伺服閥名義流量曲線

實際選用的是圖中2WRCE40S1000L，該閥在小流量時，曲線斜率較小，即小流量時控制精度更高，而在大流量時，曲線斜率大，適合于快速排出液體。因此選用此種型號的比例伺服閥。

在回程缸排液調(diào)整流量控制擠壓速度，可以消除壓力波動的影響，提高速度控制的精度。通過結(jié)合擠壓桿的速度/位移傳感器可以實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。

速度控制精度也和設(shè)備的安裝精度、四個主缸的同步精度有關(guān)系。對125MN擠壓機(jī)原有的導(dǎo)向銅板，柱塞銅套等都進(jìn)行了重制，主柱塞堆焊加工，進(jìn)而提高了設(shè)備的安裝精度。四個主缸的管道盡可能等長，管徑也盡可能相互匹配，從而保證四個主缸的同步性。

1.3 擠壓筒速度控制技術(shù)

此125MN雙動擠壓機(jī)不僅可進(jìn)行正向擠壓和反向擠壓，經(jīng)過技術(shù)升級之后，還可進(jìn)行有效摩擦擠壓。有效摩擦擠壓過程中關(guān)鍵是擠壓筒上的力量和速度控制，控制的合適，可以施加給鋁錠坯最大靜摩擦力，盡可能地改變鋁錠坯擠壓過程中的變形規(guī)律。如果速度過快，則可能使擠壓筒和鋁錠坯相對運(yùn)動，產(chǎn)生漏鋁的現(xiàn)象，而如果速度過慢，就不能對鋁錠坯產(chǎn)生向前的摩擦力，實現(xiàn)不了有效摩擦擠壓。

有效摩擦擠壓主要控制擠壓筒和擠壓桿同向主動運(yùn)動，而且要使擠壓筒能夠給鋁錠坯施加有效摩擦力，按照這個要求，結(jié)合前面擠壓桿的速度控制，建立的擠壓筒液壓系統(tǒng)控制原理如圖5所示。

由圖5可以看出：擠壓筒閉合柱塞缸設(shè)有進(jìn)液閥和排液閥，還設(shè)有高壓比例卸荷閥，此柱塞缸接有擠壓筒鎖緊油泵系統(tǒng)，在正向擠壓過程中對擠壓筒進(jìn)行鎖緊；擠壓筒打開柱塞缸也設(shè)有進(jìn)液閥和排液閥，同時設(shè)有溢流閥和防止吸空的單向閥。

為了實現(xiàn)有效摩擦擠壓，擠壓桿和擠壓筒均有各自的驅(qū)動油泵。擠壓筒的速度由比例變量泵調(diào)整，擠壓筒的驅(qū)動力由比例溢流閥調(diào)整，這樣就可以對擠壓筒進(jìn)行速度和力量的各自閉環(huán)調(diào)整，擠壓筒也就是在這兩個閉環(huán)調(diào)整的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)和擠壓桿的同向主動運(yùn)動并施加鋁錠坯與摩擦力，如圖6所示。

圖5 125MN雙動鋁擠壓機(jī)擠壓筒液壓系統(tǒng)控制原理圖

圖6 有效摩擦擠壓裝置擠壓筒速度控制技術(shù)路線

從圖6可以看出：擠壓筒控制是速度環(huán)飽和的情況下調(diào)整力量環(huán)，也就是先用比例變量泵調(diào)整擠壓筒的速度，速度滿足的情況下，采用比例溢流閥調(diào)整驅(qū)動力量，實現(xiàn)擠壓筒和擠壓桿的同向主動運(yùn)動，進(jìn)而實現(xiàn)有效摩擦擠壓。

1.4 穿孔針?biāo)俣瓤刂坪凸潭ㄡ樇夹g(shù)

作為雙動擠壓機(jī)，穿孔針?biāo)俣鹊目刂剖顷P(guān)鍵核心技術(shù)。無縫管材擠壓分為隨動針擠壓和固定針擠壓，尤其是固定針擠壓，對于穿孔針的位置控制精度要求很高，固定針的定針精度要求在±1mm，穿孔針震蕩精度在±0.1mm 以內(nèi)[11，12]。

固定穿孔針工藝具有以下優(yōu)點：①對于同一種規(guī)格的穿孔針，通過更換針前部的屏針頭，可以實現(xiàn)較大范圍管材內(nèi)徑的擠壓。②對于直徑不變化的穿孔針，采用固定針代替隨動針擠壓，減少了變形處內(nèi)部定徑帶的長度，可以提高管材內(nèi)表面的質(zhì)量。

為了實現(xiàn)125MN雙動擠壓機(jī)的固定針和變徑管的擠壓，建立的125MN雙動擠壓機(jī)穿孔系統(tǒng)液壓控制原理如圖7所示。

穿孔缸控制閥塊進(jìn)液插裝閥和排液插裝閥、排液比例卸荷閥以及調(diào)整速度的2WCR高頻響比例插裝閥，穿孔缸回程控制閥塊進(jìn)液插裝閥和排液插裝閥、排液比例卸荷閥、調(diào)整速度的2WCR高頻響比例插裝閥以及用于固定針精度控制的高頻響比例閥4WRSE。

無縫鋁管有效摩擦擠壓過程中穿孔針有時需要通過前進(jìn)或后退調(diào)整位置，與此同時，穿孔針的受力也在發(fā)生變化，因此需要對穿孔針進(jìn)行位置控制的同時，進(jìn)行力量的調(diào)整，采用穿孔回程缸調(diào)整穿孔針的位置，以便實現(xiàn)穿孔針力量和速度兩個閉環(huán)控制。調(diào)整好后進(jìn)行機(jī)械鎖死。

采用高頻響應(yīng)的比例閥4WRSE控制穿孔回程油缸油的壓力和流量，通過穿孔針和擠壓桿的位移傳感器的數(shù)據(jù)比較，快速控制穿孔針的快速前進(jìn)和后退。通過采用高頻響的比例閥，快速反應(yīng)的PLC和檢測元件，提高穿孔油缸的響應(yīng)速度，提高穿孔針的位置精度，提高管材的內(nèi)表面質(zhì)量。

圖7 125MN雙動鋁擠壓機(jī)穿孔系統(tǒng)液壓系統(tǒng)控制原理圖

1.5 反向固定模具技術(shù)

工模具是擠壓產(chǎn)品成型的核心部件，當(dāng)生產(chǎn)中等批量的擠壓產(chǎn)品時，工模具的成本往往占擠壓總成本的35%～50%。如在125MN擠壓機(jī)上配備五種不同的擠壓工具，每套工具需消耗高級合金模具鋼200t以上，制造周期一年以上，耗資超過1000萬元。如果使用壽命提高一倍，則產(chǎn)品成本降低約20%左右。有效摩擦擠壓采用活動模具，在每次擠壓過程中，模具被送入取出，取出后還需進(jìn)行殘料分離，導(dǎo)致非擠壓時間較長，而且還需配置模具分離、送入和取出等復(fù)雜的機(jī)械化裝置。

在125MN雙動擠壓機(jī)上研制了用于有效摩擦擠壓用的固定模具擠壓裝置（如圖8所示），降低固定非擠壓時間，簡化有效摩擦擠壓機(jī)機(jī)械化裝置結(jié)構(gòu)。有效摩擦擠壓用的固定模具采用卡套式模套和模軸連接，模具安裝在卡套式模套內(nèi)部，卡套式模套外設(shè)有膨脹環(huán)，模具和模墊之間剛性接觸，模墊和模軸之間剛性接觸；模軸安裝在移動模架上，通過模支撐和前梁剛性接觸。其優(yōu)點是采用固定的有效摩擦擠壓模具，簡化了有效摩擦擠壓機(jī)械化裝置結(jié)構(gòu)，減少了機(jī)械化部分的設(shè)備數(shù)量，降低了有效摩擦擠壓固定非擠壓時間，提高了有效摩擦擠壓生產(chǎn)效率。

如圖8所示，擠壓過程中，伸入到擠壓筒內(nèi)的膨脹環(huán)1受擠壓力脹大，與擠壓筒內(nèi)壁之間的接觸，使得鋁錠坯不會進(jìn)入模軸與擠壓筒之間的間隙，方便后期清理。

圖8 固定模具結(jié)構(gòu)示意圖

2 125MN油壓雙動正反向擠壓機(jī)試驗研究

125MN雙動擠壓機(jī)采用以上技術(shù)進(jìn)行了升級改造，如圖9所示。生產(chǎn)了高性能精密工業(yè)鋁材，用于航空航天和軍工等，如圖10所示。

125MN雙動鋁擠壓機(jī)采用以上集成技術(shù)，擠壓機(jī)擠壓速度控制精度高、壓力輸出穩(wěn)定，運(yùn)行平穩(wěn)，精度高，穿孔系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)準(zhǔn)確，擠壓筒不僅和擠壓桿同步性好，而且產(chǎn)生的有效摩擦擠壓力準(zhǔn)確可控；擠壓產(chǎn)品延長度方向性能穩(wěn)定，無粗晶環(huán)出現(xiàn)，無“竹節(jié)”現(xiàn)象，表面質(zhì)量得到大幅提高。

圖9 升級改造后的125MN雙動鋁擠壓機(jī)

圖10 改造后雙動擠壓機(jī)生產(chǎn)的高性能精密工業(yè)鋁材

3 結(jié)論

通過本文的研究可以得出如下結(jié)論：

（1）采用回程缸排油處插裝比例閥可以精確控制擠壓桿的擠壓速度；

（2）采用壓力和速度雙閉環(huán)同步控制可以準(zhǔn)確控制擠壓筒產(chǎn)生的有效摩擦力；

（3）高頻響的比例閥調(diào)整穿孔回程缸的壓力和流量可以準(zhǔn)確調(diào)整穿孔針的位置；

（4）固定模具技術(shù)極大地提高了有效摩擦擠壓的生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。