提高鋁擠壓機主剪刀剪切效果方法研究

謝東鋼，張 君，楊紅娟，丁建文，黃 勝

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

提高鋁擠壓機主剪刀剪切效果方法研究

謝東鋼1，2，張 君1，2，楊紅娟1，2，丁建文1，2，黃 勝1，2

（1.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

對鋁擠壓機主剪刀剪切過程受力進行了分析，介紹了不同鋁擠壓機主剪刀結(jié)構形式，提出了旋轉(zhuǎn)式大型擠壓機主剪刀結(jié)構，建立了旋轉(zhuǎn)供油裝置，提出了旋轉(zhuǎn)式主剪刀剪切過程控制方法，應用重型運動部件慣性控制手段顯著提高了主剪刀的運行速度。研究結(jié)果在120MN鋁型材擠壓機上得到了應用，結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)式主剪刀可有效提高剪切效果。

鋁擠壓機；主剪刀；旋轉(zhuǎn)式結(jié)構；剪切效果

進入21世紀，我國高速鐵路得到快速發(fā)展，高鐵車體用特種高性能工業(yè)鋁型材的需求和質(zhì)量要求越來越高；軌道交通、航空航天、核電、汽車和電力輸送等行業(yè)的發(fā)展同樣需要大量高性能工業(yè)鋁型材，中國已成為全球最大的工業(yè)鋁型材生產(chǎn)國家。目前已經(jīng)建成的萬噸級鋁擠壓生產(chǎn)線超過40條，最大的為160 MN雙動鋁擠壓生產(chǎn)線[1～3]；國內(nèi)鋁擠壓生產(chǎn)線總數(shù)超過4000條，成為全球鋁型材生產(chǎn)基地，2014年中國的鋁擠壓產(chǎn)品超過1100萬t。

連續(xù)擠壓是提高鋁型材擠壓最有效的辦法[4]。鋁擠壓時，坯料中間的金屬流動速度快于與擠壓筒接觸部分的流動速度，導致在擠壓結(jié)束時，最后的坯料是由與擠壓筒接觸部分和與擠壓墊接觸部分組成的，此兩部分晶粒粗大，雜質(zhì)較多，不能作為鋁型材被擠出，需要擠壓機的主剪刀剪切掉[5～8]。在擠壓結(jié)束后，擠壓筒打開，主剪刀下降，將與模具表面接觸的殘料剪切掉[9]。提高剪切速度和剪切后的模具表面清潔度是主剪刀剪切的關鍵技術。

邢建斌等[10]基于Forge軟件和Crockroft Latham斷裂準則對壓余剪切過程進行了有限元模擬，研究了剪切速度和壓余厚度對最大剪切力的影響。達涅利布瑞達（Danieli Breda）公司[11]研究并開發(fā)應用了確保高質(zhì)量擠壓型材的壓余剪切系統(tǒng)。這種剪切的高質(zhì)量體現(xiàn)在不影響剪切時間的前提下，能確保模具和剪切刀刃的低磨損以及鋁型材的剪切精度。以上研究對剪切過程進行了分析，并提出了一些改進辦法，但沒有徹底改進剪切過程中刀刃偏離殘料的趨勢，同時也沒有提出提高剪切速度的有效方法。

1 鋁擠壓機主剪刀剪切效果方法研究

1.1 鋁擠壓機主剪刀剪切過程受力分析

鋁擠壓機主剪刀剪切過程簡化如圖1所示。

圖1中主剪刀驅(qū)動油缸簡化為一個柱狀滑塊，直徑為油缸直徑d，其上所受的壓力q即為油缸液壓系統(tǒng)壓力，主剪刀下降速度為V1，施加于殘料的剪切力為F，在主剪切力F的作用下，會給殘料產(chǎn)生一個與擠壓方向相反的作用力f0主剪刀在下降過程中，油缸液壓系統(tǒng)壓力為q1，在剪切過程中，主剪刀的運動速度為V0

圖1 主剪刀剪切過程受力分析示意圖

由動量定律可得在剪切開始階段，剪切力為

在剪切階段，剪切力為：

式中：m為主剪刀滑動部分重量；t為主剪刀快速降到剪切速度的時間，一般取0.25秒；[τ]為擠壓鋁合金剪切強度；A為擠壓鋁合金剪切面積。

圖1中主剪刀驅(qū)動油缸中心線和模具表面重合，在剪切過程中，由于滑塊之間的間隙和模具溫度的變化，都會引起剪刃不一定緊貼模具，這樣就會造成剪切過程會使剪刃產(chǎn)生離開模具表面的彎矩，進而使主剪刃隨著剪切的進行，在模具下部離開模具表面越遠，殘留的殘料加厚，最厚達到10mm以上。因此要使主剪刃在剪切過程中，要有緊貼模具剪切的趨勢，才能剪切干凈。

1.2 不同的鋁擠壓機主剪刀結(jié)構

目前常用的主剪刀結(jié)構包括活塞桿活動式的正裝結(jié)構和活塞缸體活動式的倒裝結(jié)構，如圖2所示。

圖2 擠壓機常用主剪刀結(jié)構示意圖

圖2a為正裝結(jié)構，主剪刀活塞缸缸體2由拉桿立柱3固定在固定架4上，固定架安裝在擠壓機前梁上，活塞桿在缸體內(nèi)來回運動并和滑塊連接，滑塊下部安裝主剪刃。油缸驅(qū)動主剪刃上升下降，剪切殘料。

圖2b為倒裝式結(jié)構，活塞桿1由立柱拉桿3固定在固定架4上，固定架和擠壓機前梁固定連接，活塞缸缸體4作為主剪刀的滑塊在主剪刀框架內(nèi)來回運動，主剪刃安裝在缸體下部。油缸驅(qū)功缸體上升下降，帶動主剪刃上升下降，完成剪切動作。

為了使主剪刃剪切過程中盡可能貼近模具表面，干凈地剪切殘料，主剪刀驅(qū)動油缸中心線和主剪刃刀刃上下移動線及模具表面有一定距離的偏移，從而使在剪切過程中給刀刃產(chǎn)生一個緊貼模具表面的彎矩，剪切過程干凈整齊。

1.3 擺動式擠壓機主剪刀結(jié)構形式

根據(jù)以上對剪切過程的研究和現(xiàn)有主剪刀的結(jié)構，提出一種鋁擠壓機用擺動式液壓剪切方式，在剪切過程中使剪刃一直保持向模具方向靠攏的趨勢，從而干凈地剪切掉粘連在模具上的殘料。

這種裝置的主剪刀裝置支座安裝在擠壓機的前梁上，使主剪刀擺動的油缸安裝在前梁上，主剪刀裝置采用液壓驅(qū)動的活塞桿動式結(jié)構，通過銷軸連接在主剪刀支座上，主剪刀滑塊在導向裝置內(nèi)上下滑動，完成剪切動作；主剪刀下部設計有模具壓緊裝置，主剪刀和主剪刀擺動油缸采用鉸接式的連接方式。在進行殘料剪切時，擺動油缸向前運動，將主剪刀壓緊在模具上，主剪刀滑塊在主剪刀油缸液壓力的驅(qū)動下快速下降，剪切殘料，在剪切過程中，由于擺動油缸的壓緊，使剪刃一直緊貼模具下降，從而干凈地剪切掉殘料。這種裝置的優(yōu)點是：由于采用了擺動式的液壓剪切方式，在主剪刀下降剪切殘料過程中，剪刃一直緊貼著模具進行剪切，使殘料剪切干凈，利于后續(xù)擠壓的順利進行。

這種擺動式擠壓機主剪刀結(jié)構如圖3所示。

圖3 擺動式擠壓機主剪刀結(jié)構示意圖

其中，圖3a是傾斜式主剪刀結(jié)構示意圖主視圖，圖3b是圖3a的左視圖，圖3c是圖3a的局部剖視圖，圖3d是圖3b的俯視圖。

如圖3a所示，主剪刀裝置支座4安裝在擠壓機前梁6上，主剪刀擺動油缸3安裝在擠壓機前梁6上，主剪刀1和主剪刀擺動油缸3采用鉸接的連接方式。如圖3d所示，主剪刀1采用液壓驅(qū)動的活塞桿動式結(jié)構，在支撐軸10的作用下連接在主剪刀裝置支座4上，主剪刀1在導向裝置7內(nèi)上下滑動。打殘料缸2連接在主剪刀1上。如圖3b、3c所示，模具壓緊裝置5安裝在主剪刀1上，在主剪刀擺動油缸3的作用下將模具9壓緊，主剪刀7安裝在主剪刀1上，與模具端面保持平齊。

如圖3b、3c所示，在進行殘料剪切時，主剪刀1受到主剪刀擺動油缸3作用的壓力，模具壓緊裝置5緊壓模具9，主剪刀1在主剪刀油缸液壓力的驅(qū)動下，沿著導向裝置7快速下降，剪切殘料。在剪切過程中，由于主剪刀擺動油缸3的壓緊，使剪刃8一直緊貼模具9下降，從而快速干凈的剪切掉殘料。

如圖 3c、3d所示，在主剪刀擺動油缸3作用下，主剪刀在支撐軸10的支撐下來回擺動。主剪刀1工作時，受到主剪刀擺動油缸的壓緊作用，使模具壓緊裝置5緊貼在模具9上，從而使得剪切時，剪刃8一直緊貼模具9快速下降。如圖3c所示，主剪刀擺動油缸3的作用下，主剪刀1左右擺動，控制著模具壓緊裝置5與模具9的壓緊和分離。

1.4 主剪刀旋轉(zhuǎn)供油裝置

對于上述結(jié)構的擺動式主剪刀，關鍵技術之一就是提供一種擺動式主剪刀旋轉(zhuǎn)供油方式以滿足擺動式主剪刀旋轉(zhuǎn)時供油的要求，并使大型擠壓機實現(xiàn)擺動式主剪刀功能成為可能。

研究提出了一種主剪刀旋轉(zhuǎn)供油裝置，使主剪刀油缸大小腔的進油管道的中心線均和旋轉(zhuǎn)裝置的中心線重合，小腔進油管道、小腔進油法蘭和小腔旋轉(zhuǎn)法蘭組成主剪刀缸小腔供油系統(tǒng)；大腔進油法蘭、大腔進油管道、大腔進油管道管夾組件和大腔旋轉(zhuǎn)法蘭組成主剪刀缸的大腔供油系統(tǒng)；剪刀擺動是由剪刀擺動油缸伸縮使整個主剪刀繞旋轉(zhuǎn)裝置中心線軸旋轉(zhuǎn)，由于小腔旋轉(zhuǎn)法蘭和大腔旋轉(zhuǎn)法蘭中心與旋轉(zhuǎn)裝置中心線重合，當整個主剪刀體擺動時，小腔旋轉(zhuǎn)法蘭和大腔旋轉(zhuǎn)法蘭依靠設計的旋轉(zhuǎn)特征使大腔供油系統(tǒng)和腔供油系統(tǒng)也能以旋轉(zhuǎn)裝置中心線為中心旋轉(zhuǎn)，滿足擺動式主剪刀旋轉(zhuǎn)供油。該裝置的特點是由于通過使小腔供油系統(tǒng)和供油系統(tǒng)能夠繞主剪刀的擺動中心線旋轉(zhuǎn)，完成擺動式主剪刀的旋轉(zhuǎn)供油要求，一方面使大型甚至特大型擠壓機的實現(xiàn)擺動式主剪刀功能成為可能，另外一方面通過采用本的供油方式較傳統(tǒng)的采用膠管連接的方式能有效的降低成本。旋轉(zhuǎn)供油裝置結(jié)構如圖4所示。

圖4 擺動式主剪刀旋轉(zhuǎn)供油裝置結(jié)構示意圖

如圖4a所示，小腔進油管道1、小腔進油法蘭2和小腔旋轉(zhuǎn)法蘭13組成小腔供油系統(tǒng)，其中小腔進油法蘭2、小腔進油管道1和小腔旋轉(zhuǎn)法蘭13中的出口法蘭20焊接在一起。大腔進油法蘭4、缸大腔進油管道5、大腔進油管道管夾組件6和大腔旋轉(zhuǎn)法蘭7組成大腔供油系統(tǒng)，其中大腔進油法蘭4、大腔進油管道5和大腔旋轉(zhuǎn)法蘭7中出口法蘭焊接在一起。

以擺動式小腔的旋轉(zhuǎn)供油為例，當主剪刀擺動油缸8伸縮推動整個主剪刀體繞旋轉(zhuǎn)裝置中心線旋轉(zhuǎn)時，小腔進油法蘭2和小腔進油管道1帶動出油法蘭20，旋轉(zhuǎn)體19及端蓋14，在小軸承15和大軸承18的作用下繞旋轉(zhuǎn)裝置中心線一起旋轉(zhuǎn)。殼體16和進油法蘭22固定在支座上。由于殼體16和旋轉(zhuǎn)體19之間留有足夠的空間保證在圓周方向能夠給旋轉(zhuǎn)體19供油然后通過出口法蘭20，小腔進油管道1和小腔進油法蘭2給主剪刀供油，所以即使是旋轉(zhuǎn)體16隨整個主剪刀一起擺動也能保證擺動式主剪刀的旋轉(zhuǎn)供油。擺動式大腔的旋轉(zhuǎn)供油與上述過程相同。

在旋轉(zhuǎn)體16與外界之間采用兩道旋轉(zhuǎn)密封21，并且在兩道旋轉(zhuǎn)密封21之間設計有管接頭17便于給旋轉(zhuǎn)密封潤滑，增強密封效果，提高旋轉(zhuǎn)密封的使用壽命。

1.5 擺動式主剪刀控制方法

在連續(xù)擠壓過程中，一個重要的參數(shù)是固定非擠壓時間，固定非擠壓時間越短，生產(chǎn)效率和成材率越高。主剪刀的下降和上升速度直接影響著固定非擠壓時間，目前的主剪刀上升和下降速度一般在400 mm/s左右。如何提高主剪刀運動速度即擺動式主剪刀運動控制方法是其另一關鍵技術。

研究提出了擺動式主剪刀高速運動液壓控制方法，即油泵通過插裝式錐閥直接驅(qū)動主剪刀滑塊，考慮到主剪刀運動的高速性，插裝式錐閥口徑足夠大以適用于主剪刀滑塊的高速性。當主剪刀滑塊高速運行時，油泵通過插裝式錐閥供給主剪刀滑塊所需液壓油流量，速度變化通過油泵流量的調(diào)整完成。

當高速運行的主剪刀滑塊停止時，進排液插裝閥保持原有狀態(tài)，供油的油泵停止，主剪刀滑塊由于滑動部分的摩擦力停止，考慮到停止的快速性，可以在排液閥處設計一定的小背壓，從而使主剪刀滑塊快速停止。當主剪刀滑塊停止后再關閉進液閥，減少系統(tǒng)的沖擊。該方法的特點是在主剪刀滑塊高速停止時，依靠重力、摩擦力和小的背壓力消除主剪刀滑塊的慣性，使高速運行的主剪刀滑塊停止平穩(wěn)可靠，提高了主剪刀滑塊運行速度。具體控制原理如圖5所示。

圖5 擺動式主剪刀選液壓控制原理圖

如圖5所示，油泵7通過插裝式錐閥5和插裝式錐閥6來驅(qū)動主剪刀滑塊2，插裝式錐閥口徑應足夠大以適用于高速運轉(zhuǎn)的主剪刀滑塊2。當主剪刀滑塊2向下運動，油泵7、進液插裝式錐閥5和排液閥4處于開啟狀態(tài)，油泵7通過插裝式錐閥5給液壓缸1的大腔供油來驅(qū)動主剪刀滑塊2。當主剪刀滑塊2高速下降時，通過調(diào)整油泵7的流量來控制運動速度。主剪刀滑塊2停止時，關閉油泵7，進液插裝式錐閥5和排液閥4保持原有狀態(tài)，考慮到主剪刀滑塊2停止的快速性，在排液閥處可設計一定的小背壓，使得主剪刀滑塊2快速平穩(wěn)的停止。當主剪刀滑塊2停止后，再關閉進液插裝式錐閥5，以減少系統(tǒng)的沖擊。

當主剪刀滑塊2向上運動時，油泵7、進液插裝式錐閥6和排液閥3處于開啟狀態(tài)，油泵7通過插裝式錐閥6給液壓缸1的小腔供油來驅(qū)動主剪刀滑塊2。當主剪刀滑塊2高速上升時，通過調(diào)整油泵7的流量來控制運動速度。主剪刀滑塊2停止時，關閉油泵7，進液插裝式錐閥6和排液閥3保持原有狀態(tài)，考慮到主剪刀滑塊2停止的快速性，在排液閥處可設計一定的小背壓，使得主剪刀滑塊2快速平穩(wěn)的停止。當主剪刀滑塊2停止后，再關閉進液插裝式錐閥6，以減少系統(tǒng)的沖擊。

2 120MN鋁型材擠壓機

以上研究結(jié)果已經(jīng)應用在120MN油壓單動鋁擠壓機上，研制成功擺動式主剪刀結(jié)構的120MN油壓單動鋁擠壓機。

2.1 120MN鋁型材擠壓機主要參數(shù)

120MN油壓單動鋁擠壓機的主要參數(shù)為：

2.2 120MN鋁型材擠壓機旋轉(zhuǎn)式主剪刀

根據(jù)以上研究結(jié)果研制成功的120MN油壓單動鋁擠壓機和擠壓的大型工業(yè)鋁型材如圖6所示。

圖6 120MN油壓單動鋁擠壓機和擠壓的工業(yè)鋁型材

120MN油壓單動鋁擠壓機為世界上前后梁采用鍛件的首臺萬噸級擠壓機，也是目前國內(nèi)技術最先進的一臺短行程前上料鋁擠壓機，形成了一系列技術創(chuàng)新：

（1）液壓集成控制技術使動作快速可靠，是目前的擠壓機空程速度的一倍，極大地降低了固定非擠壓時間；試生產(chǎn)過程中，固定非擠壓時間為45s，成為首個進入50s大關的國產(chǎn)萬噸級擠壓機。

（2）擺動式主剪刀裝備技術，剪切干凈快速；

（3）固定擠壓墊設計新理念，提高了擠壓墊壽命，減少了擠壓筒清理次數(shù)；

（4）擠壓桿液壓快速可靠更換，減少了工具更換時間；

（5）全新的安全防護措施提高了安全性。

120MN油壓單動鋁擠壓機是引進、消化、吸收和再創(chuàng)新的典范，設備的成功研制，極大地提高了我國大型擠壓裝備的整體水平，達到了世界先進水平，為航空航天、軌道交通、高速鐵路、汽車和電力行業(yè)等生產(chǎn)特種高性能工業(yè)鋁型材奠定了基礎。

3 實驗驗證

120MN鋁型材擠壓機投產(chǎn)后，擠壓了大量的特種高性能工業(yè)鋁型材。圖7為連續(xù)擠壓經(jīng)擺動式主剪刀剪切后的模具端面圖，從圖中可以看出：剪切后的鋁型材表面光潔度好，模具表面干凈，無殘料殘留，從而驗證了擺動式主剪刀優(yōu)良的剪切性能。同時，按照以上主剪刀運動的控制方法，主剪刀上升和下降的速度均達到800mm/s，在短短7s中就完成了整個剪切動作，極大地縮短了固定非擠壓時間，提高了擠壓機的生產(chǎn)效率。

圖7 120MN鋁擠壓機剪切后的模具端面

4 結(jié)論

根據(jù)前面的研究和實驗，可以得出以下結(jié)論：

（1）擺動式主剪刀的結(jié)構形式，可有效提高剪切表面的光潔度，使模具表面干凈整齊；

（2）擺動式主剪刀旋轉(zhuǎn)供油裝置能夠有效解決主剪刀擺動供油問題，密封可靠；

（3）油泵直接控制主剪刀滑塊啟停控制方法可大幅度提高主剪刀運動速度，降低固定非擠壓時間。

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Research of method to improve the shearing effect of the main shear in Al extrusion press

XIE Donggang1,2，ZHANG Jun1,2，YANG Hongjuan1,2,DING Jianwen1,2，HUANG Sheng1,2
（1.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology,Xi'an 710032,Shaanxi China; 2.China National Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Xi'an 710032,Shaanxi China）

The force analysis of cutting process has been conducted to the main shear in the Al extrusion press.The different structures of main shear in Al extrusion press have been introduced.The rotary style main shear of heavy extrusion press has been put forward.The rotary oil pipeline device has been established.The control method of cutting process for the rotary style main shear has been introduced.The running speed of main shear has been obviously improved by use of heavy part inertial controlling ways.The research result has been applied on the 120 MN AL section extrusion press.It shows that the rotary style main shear can improve the cutting effect greatly.

Aluminum extrusion;Main shear;Rotary style main shear;Cutting effect

TG375+.25

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.019

1672－0121（2016）04－0058－05

2016－04－07；

2016－05－29

高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備國家科技重大專項（04專項）資助項目（2009ZX04005－031，2011ZX04016－081）；陜西省重點科技創(chuàng)新團隊項目（2013KCT－10）

謝東鋼（1956－），男，教授級高工，金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室主任。E－mail：chungjun＠163.com