國(guó)產(chǎn)首套鋁及鋁合金十二輥型材矯整機(jī)

馬賓鋒，李 輝，秦 金

（1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.湖北新冶鋼集團(tuán)有限公司，湖北 黃石 435001；3.西北鋁加工廠，甘肅 隴西 748111）

引言

鋁及鋁合金型材因其優(yōu)良的力學(xué)性能廣泛應(yīng)用于航空、航天產(chǎn)業(yè)。特別是航空領(lǐng)域內(nèi)的軍工產(chǎn)業(yè)，諸如中遠(yuǎn)程彈體的發(fā)射架、機(jī)載彈體的存儲(chǔ)和發(fā)射機(jī)構(gòu)、彈射座椅等，這類產(chǎn)品外形多為異形，所選母材（型材）的斷面形狀變化多端，生產(chǎn)加工異常困難，矯整作為這類產(chǎn)品母材加工的最后工序?qū)ζ渲本€度和斷面尺寸精度有決定性作用，現(xiàn)有矯整機(jī)對(duì)該類型材矯整時(shí)存在失穩(wěn)和直線度偏低嚴(yán)重的問(wèn)題，廢品率接近78%，因此對(duì)于此類型材多為人工矯直，勞動(dòng)強(qiáng)度以及廢品率均居于上限，隨著市場(chǎng)需求量的劇增，開(kāi)發(fā)自動(dòng)高效矯整設(shè)備迫在眉睫。

因上述型材主要用于軍工行業(yè)，較為敏感，西方國(guó)家限制出口和技術(shù)轉(zhuǎn)讓，只能自主開(kāi)發(fā)。2007年受中國(guó)鋁業(yè)下屬某公司的委托，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司和該公司對(duì)該類型材的自動(dòng)高效矯整工藝和設(shè)備展開(kāi)攻關(guān)研究，最終成功成套研發(fā)了鋁及鋁合金十二輥型材矯整機(jī)并于2010年投入生產(chǎn)，設(shè)備運(yùn)行4年來(lái)，技術(shù)指標(biāo)完全合乎用戶要求，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠，受到行業(yè)內(nèi)用戶的極大關(guān)注。

1 所矯型材的典型規(guī)格及基本矯整要求

1.1 典型規(guī)格型材斷面特點(diǎn)

鋁及鋁合金型材矯整所矯型材以W 形狀為其典型代表，如圖1所示，該類斷面型材具有寬高大、支撐段壁厚較薄的特點(diǎn)，且斷面不封口，精密矯整時(shí)不宜采用臥姿矯整，因而型材極易失穩(wěn)，斷面尺寸精度很難控制。

圖1 W 型材輪廓示意圖

1.2 矯整主要技術(shù)要求

型材高度：不大于220mm；型材寬度：不大于360mm；型材材質(zhì)：1xxx－8xxx；型材長(zhǎng)度：35 000～135 000mm；型材抗彎截面系數(shù)：不大于725 000mm3；矯整精度要求：直線度不大于0.5mm／m，斷面尺寸波動(dòng)范圍±0.35mm，矯后型材表面不得有任何形式的劃傷缺陷，機(jī)組能夠適應(yīng)淬火后頭部彎曲型材的喂料和上料。

2 總體解決方案的提出

普通鋁及鋁合金型材的矯整一般采用輥式或壓力矯直，壓力矯直機(jī)不適宜薄壁型材矯直，矯直過(guò)程中易于在模具周邊產(chǎn)生鼓肚缺陷，從而使型材更傾向失穩(wěn)，因此仍以輥式矯直為最佳方案。

用戶提出的矯整精度分為矯直和矯整2個(gè)要求，與以往有色型材矯整機(jī)有所不同，而且提出的矯后型材直線精度也是現(xiàn)有型材矯整所不易達(dá)到的，解決精度問(wèn)題首先從矯直環(huán)節(jié)多少的量化問(wèn)題入手，也就是說(shuō)確定該矯直機(jī)參與矯直的輥?zhàn)訑?shù)量。結(jié)合所矯產(chǎn)品具有失穩(wěn)傾向的特點(diǎn)，輥?zhàn)硬贾玫姆绞綌M采用對(duì)置布置方式，使所矯型材進(jìn)入咬入矯整輥?zhàn)雍蟊M可能在封閉孔型中矯整，以提高對(duì)型材斷面尺寸的矯整精度。參與矯直的矯直輥數(shù)量的確定是建立在由中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司自主研究開(kāi)發(fā)的矯直精度模型的基礎(chǔ)上的，經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算和多年的工業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，確定矯直輥數(shù)為12輥（如圖2所示）。因此涉及商業(yè)秘密，不再贅述。

圖2 矯整輥排列示意圖

3 機(jī)組主要設(shè)備組成及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.1 機(jī)組設(shè)備組成及主要功能

機(jī)組主要由前臺(tái)、主機(jī)、后臺(tái)、電氣控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成。

前臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)散料和輔助型材喂入主機(jī)，由若干組皮帶和運(yùn)輸輥道組成。設(shè)置皮帶的作用是將成捆的型材在皮帶傳遞的過(guò)程中均勻散開(kāi)，待散開(kāi)的型材傳遞至運(yùn)輸輥道工位時(shí)，輥道起升將被矯型材運(yùn)輸至矯整機(jī)主機(jī)。由于被矯型材多為淬火后型材，彎曲程度嚴(yán)重，喂料較為困難，因此在前臺(tái)后主機(jī)之間設(shè)計(jì)一頂升裝置，通過(guò)人工調(diào)節(jié)頂升裝置的升降輔助型材的喂入。

主機(jī)是該機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備，如圖3 所示。該矯整機(jī)有5個(gè)矯整環(huán)節(jié)，矯整輥數(shù)量為12個(gè)，對(duì)置布置，上、下個(gè)6個(gè)輥，上6輥均可實(shí)現(xiàn)輥縫壓下調(diào)整，下輥2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)也可實(shí)現(xiàn)壓上調(diào)節(jié)，滿足調(diào)節(jié)反彎量的要求。壓上調(diào)節(jié)和壓下調(diào)節(jié)均設(shè)計(jì)有指針裝置，能夠準(zhǔn)確地顯示當(dāng)前輥縫和反彎量數(shù)值，以便準(zhǔn)確地控制各調(diào)節(jié)參數(shù)，保障高精度矯直。12個(gè)輥為集體傳動(dòng)，主電機(jī)經(jīng)過(guò)一次減速之后進(jìn)入分配箱，供12 個(gè)矯整輥傳遞扭矩使用。前后2片鑄鋼牌坊對(duì)稱開(kāi)有6個(gè)窗口，6對(duì)矯整輥系在窗口內(nèi)實(shí)現(xiàn)上下滑動(dòng)。2片牌坊通過(guò)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)拉近，并設(shè)計(jì)有止口和定位鍵保證2 片牌坊窗口始終保持對(duì)正。

圖3 矯整機(jī)主機(jī)

后臺(tái)結(jié)構(gòu)和前臺(tái)類似，矯直完畢后，通過(guò)運(yùn)輸輥道輸送到皮帶接料工位，輥道落下，皮帶啟動(dòng)將矯后型材從矯直中心線已出。

3.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

3.2.1 靈活多變的矯直工藝設(shè)計(jì)

如圖4所示，為矯整機(jī)的2種矯直工藝，其優(yōu)點(diǎn)在于：可以采用大變形的方式矯整極易失穩(wěn)的型材，采用小變形多循環(huán)的方式矯直型材原始彎曲曲率大的型材，使矯整機(jī)矯直不同彎曲程度的型材的可能性更大，可靠性更高。

圖4 矯整工藝示意圖

3.2.2 彎曲型材的喂料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

淬火后鋁型材的彎曲程度大，特別是型材頭部彎曲嚴(yán)重，矯整前的上料和喂料困難是困擾行業(yè)的難題。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，操作工人不僅要付出巨大的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且時(shí)常會(huì)發(fā)生不安全事故。該機(jī)組為了解決這一難題，設(shè)計(jì)了主機(jī)1號(hào)下輥快速開(kāi)啟機(jī)構(gòu)（如下頁(yè)圖5 所示）。1 號(hào)下輥快速開(kāi)啟機(jī)構(gòu)能夠迅速將入口輥輥縫打開(kāi)，使輥縫快速增大，方便頭部彎曲的型材進(jìn)入矯直機(jī)主機(jī)。

3.2.3 預(yù)應(yīng)力式連接牌坊的設(shè)計(jì)

圖5 1號(hào)下輥輥縫快速開(kāi)啟機(jī)構(gòu)示意圖

對(duì)置式輥列布置形式的矯整機(jī)，特別是對(duì)置式多輥矯整機(jī)從設(shè)備結(jié)構(gòu)上對(duì)上下輥的對(duì)正要求嚴(yán)格，為了降低加工成本，保證上、下輥的對(duì)正精度，采用了預(yù)應(yīng)力連接牌坊技術(shù)，將設(shè)備的加工難度通過(guò)牌坊的組合轉(zhuǎn)化為加工和裝配兩個(gè)步驟。不僅降低了加工難度，而且使設(shè)備的安裝調(diào)整更為方便。預(yù)應(yīng)力連接牌坊技術(shù)最早的設(shè)計(jì)目的是為了解決超大件運(yùn)輸?shù)碾y題，用在此處旨在解決提高加工精度和降低加工成本的難題。

3.2.4 快速換輥機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

鋁及鋁合金型材生產(chǎn)過(guò)程中有著規(guī)格多、換輥頻繁的特點(diǎn)，本機(jī)組為換輥設(shè)計(jì)了專用吊車、插塊以及輥環(huán)換輥止口裝置。換輥時(shí)只需將矯直輥上的插塊取下，便可以進(jìn)行矯直輥拆卸，拆卸完畢后，專用吊車啟動(dòng)，吊具直接插進(jìn)矯直輥換輥止口位置將舊輥卸下，新輥安裝與舊輥拆卸順序正好相反。極大地減輕了操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度的機(jī)構(gòu)，縮短換輥時(shí)間提高生產(chǎn)效率。

3.2.5 矯整輥軸向調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

對(duì)矯整輥實(shí)施軸向調(diào)整，是實(shí)現(xiàn)斷面矯整的關(guān)鍵技術(shù)，配合對(duì)置類封閉孔型的使用很好地解決了型材斷面的矯整，但因來(lái)料的個(gè)性差異，調(diào)整有著頻繁、微量的特點(diǎn)，如何能快捷、直觀地調(diào)整軸向抽動(dòng)機(jī)構(gòu)是有效地提高矯形精度的關(guān)鍵，該機(jī)設(shè)計(jì)的操作側(cè)軸向調(diào)整，指針顯示調(diào)整量的技術(shù)有效地解決了此問(wèn)題。調(diào)整機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)鏈為棘輪－齒圈－螺母－絲杠軸，矯直輥環(huán)安裝在絲杠軸上，隨著絲杠的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)了矯直輥的軸向調(diào)整，本機(jī)構(gòu)具有自鎖能力。

4 工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用情況

該機(jī)組是一臺(tái)主要解決非標(biāo)W 形軍用鋁及鋁合金型材的矯整設(shè)備，是軍用特殊型材的保障型設(shè)備。經(jīng)過(guò)1個(gè)月的安裝調(diào)試，隨后轉(zhuǎn)入試生產(chǎn)，于2010年8月進(jìn)入生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)4年的生產(chǎn)考核表明：本矯直機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)不僅達(dá)到合同技術(shù)要求，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于技術(shù)附件要求，是1臺(tái)不僅解決了敏感材料的矯直、矯正問(wèn)題的設(shè)備，而且是1臺(tái)高精度的普通規(guī)格型材矯直設(shè)備。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前我國(guó)航天、航空產(chǎn)業(yè)以及特殊材產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期，但生產(chǎn)裝備水平仍處于比較落后的情形，精整過(guò)程中存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、技術(shù)指標(biāo)低等缺陷，因此積極開(kāi)發(fā)高精度的精整設(shè)備迫在眉睫，鋁及鋁合金12輥型材矯整機(jī)是解決了型材精整的一個(gè)范例，是對(duì)傳統(tǒng)型材矯整設(shè)備的挑戰(zhàn)和提升。從解決異型材的失穩(wěn)和方便喂料著手，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)及矯直機(jī)核心矯直工藝，不僅是矯直后的型材在直線度上得到提高，同時(shí)對(duì)長(zhǎng)期以來(lái)不大關(guān)注的斷面尺寸也到得了很好的矯形。設(shè)計(jì)的各種新穎機(jī)構(gòu)，盡可能地將操作者從繁重的勞動(dòng)中解放出來(lái)，并將此類技術(shù)移植到相關(guān)民用產(chǎn)業(yè)，提高了鋁及鋁合金相關(guān)加工產(chǎn)業(yè)的整體裝備水平。