大型鋁擠壓機(jī)擠壓桿快速更換裝置的研究和應(yīng)用

楊紅娟，張 君，高宏章，楊 建，馮東曉

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司， 陜西 西安 710032)

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大型鋁擠壓機(jī)擠壓桿快速更換裝置的研究和應(yīng)用

楊紅娟，張 君，高宏章，楊 建，馮東曉

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司， 陜西 西安 710032)

文章介紹了鋁擠壓機(jī)幾種傳統(tǒng)的擠壓桿固定方式及更換方法，提出了一種適合大型鋁擠壓機(jī)擠壓桿的新型的快速更換裝置。該裝置通過(guò)碟簧使擠壓桿壓蓋壓緊擠壓桿，法蘭壓蓋和動(dòng)梁固定在一起，簡(jiǎn)化了動(dòng)梁結(jié)構(gòu)。同時(shí)采用斜楔機(jī)構(gòu)使擠壓桿壓蓋的松開(kāi)更方便，且減小了高壓油缸的尺寸，降低了成本。使用情況表明該裝置設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠。

擠壓桿；更換裝置；斜楔機(jī)構(gòu)

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，航空壁板、飛機(jī)大梁、高速列車(chē)車(chē)體、船用壁板等大型薄壁寬幅、高精度和復(fù)雜斷面的鋁合金型材市場(chǎng)需求量越來(lái)越大。特別是地鐵客運(yùn)車(chē)輛和飛機(jī)制造行業(yè)對(duì)大型鋁合金擠壓型材的需求量呈逐步上升的趨勢(shì)[1-3]。而這些大型擠壓型材必須用現(xiàn)代化的大型擠壓機(jī)來(lái)生產(chǎn)。

擠壓機(jī)擠壓桿在運(yùn)行中要承受擠壓負(fù)荷及高溫的作用，且長(zhǎng)期經(jīng)受摩擦，工作條件十分惡劣，所以，在生產(chǎn)過(guò)程中，擠壓桿是需要經(jīng)常更換的擠壓工具[4-6]。大型擠壓機(jī)擠壓桿外形尺寸大、重量重，因此，如何輕松快捷地更換擠壓桿在鋁合金擠壓企業(yè)十分重要。

1 傳統(tǒng)的擠壓桿固定方式及更換方法

擠壓桿是將擠壓機(jī)主缸內(nèi)產(chǎn)生的壓力傳遞給擠壓筒內(nèi)的錠坯，使錠坯產(chǎn)生塑性變形從擠壓模具孔中流出，形成擠壓制品的擠壓工具。擠壓桿分空心和實(shí)心兩種?？招臄D壓桿內(nèi)裝有穿孔針，用于管材擠壓機(jī)。實(shí)心擠壓桿用于棒型材擠壓機(jī)。對(duì)于擠壓桿的固定和更換，空心桿和實(shí)心桿是相同的，因此本文以實(shí)心桿為例來(lái)講述。

擠壓桿一般安裝在活動(dòng)橫梁內(nèi)，隨活動(dòng)橫梁一起前進(jìn)或后退。擠壓桿傳統(tǒng)的固定方式和更換方法有三種。

1.活動(dòng)橫梁 2.擠壓桿墊 3.擠壓桿定位環(huán) 4.擠壓桿 5.擠壓桿壓套圖1 擠壓桿傳統(tǒng)固定方式之一Fig.1 Traditional fixed method of extrusion rod 1

(1)第一種方式。如圖1所示，擠壓桿墊2通過(guò)螺釘固定在活動(dòng)橫梁1上，擠壓桿壓套5和擠壓桿墊2之間留有間隙t，擠壓桿4通過(guò)擠壓桿壓套5固定在擠壓桿墊2上。擠壓桿和活動(dòng)橫梁的位置精度靠擠壓桿定位環(huán)3來(lái)保證。

這種結(jié)構(gòu)更換擠壓桿的過(guò)程如下：松螺釘-拆擠壓桿壓套-拆擠壓桿-裝所需擠壓桿-裝擠壓桿壓套-緊螺釘。

這種結(jié)構(gòu)對(duì)小噸位的擠壓機(jī)比較合適，擠壓桿壓套5和擠壓桿墊2之間的連接螺釘小，拆卸比較方便，對(duì)于大型擠壓機(jī)就很不方便，螺釘拆卸既費(fèi)力又費(fèi)時(shí)。

1.活動(dòng)橫梁 2.擠壓桿墊 3.擠壓桿定位環(huán) 4.擠壓桿 5.擠壓桿壓套 6.銅套 7.鎖緊螺母 8.定位法蘭圖2 擠壓桿傳統(tǒng)固定方式之二Fig.2 Traditional fixed method of extrusion rod 2

(2)第二種方式。如圖2所示，擠壓桿墊2通過(guò)螺釘固定在活動(dòng)橫梁1上，定位法蘭8通過(guò)螺釘固定在活動(dòng)橫梁1上，擠壓桿4通過(guò)擠壓桿壓套5和鎖緊螺母7固定在擠壓桿墊2上。擠壓桿和活動(dòng)橫梁的位置精度靠擠壓桿定位環(huán)3來(lái)保證。擠壓桿壓套5和鎖緊螺母7之間的配合面是螺旋面，鎖緊螺母7和定位法蘭8之間是螺紋連接，擠壓桿壓套5可以在銅套6內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

這種結(jié)構(gòu)更換擠壓桿的過(guò)程如下：旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母7和擠壓桿壓套5，使壓套5和擠壓桿4之間出現(xiàn)間隙，同時(shí)使擠壓桿壓套5的內(nèi)孔(如圖2左視圖所示，圓內(nèi)接正方形)和擠壓桿尾部臺(tái)階的外形(如圖2左視圖所示，圓內(nèi)接正方形)相重合，拔出原來(lái)擠壓桿，裝入所需擠壓桿，反向旋轉(zhuǎn)擠壓桿壓套5，使擠壓桿壓套5的內(nèi)孔(和擠壓桿尾部臺(tái)階的外形相差45°，擠壓桿壓套5正好壓住擠壓桿4，旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母7鎖住擠壓桿壓套5，更換完畢。

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是松開(kāi)和擰緊擠壓桿壓蓋的工序比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是對(duì)大型擠壓機(jī)，松擠壓桿壓蓋的旋轉(zhuǎn)力矩較大，不易操作。特別是壓機(jī)長(zhǎng)時(shí)間使用后，鎖緊螺母7和定位法蘭8之間的螺紋容易生銹，更不易拆裝。因此，這種結(jié)構(gòu)適合于中等噸位的擠壓機(jī)。

1.主柱塞 2.擠壓桿墊 3.擠壓桿定位環(huán) 4.擠壓桿 5.擠壓桿壓套 6.銅套 7.碟簧油缸裝置 8.減速機(jī)鏈輪齒輪裝置 9.活動(dòng)橫梁圖3 擠壓桿傳統(tǒng)固定方式之三Fig.3 Traditional fixed method of extrusion rod 3

(3)第三種方式。如圖3所示，主柱塞1和活動(dòng)橫梁9通過(guò)螺釘連接在一起，擠壓桿墊2卡在主柱塞1和活動(dòng)橫梁9之間，碟簧油缸裝置7施力于擠壓桿壓套5，擠壓桿4通過(guò)擠壓桿壓套5固定在擠壓桿墊2上。擠壓桿和活動(dòng)橫梁的位置精度靠擠壓桿定位環(huán)3來(lái)保證。碟簧油缸裝置7活塞桿腔通壓力油源時(shí)，碟簧壓并，擠壓桿壓套5松開(kāi)。擠壓桿壓套5外圈是齒輪結(jié)構(gòu)，可以在減速機(jī)鏈輪齒輪裝置8的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。

這種結(jié)構(gòu)更換擠壓桿的過(guò)程如下：碟簧油缸裝置7活塞桿腔通壓力油，升壓，碟簧壓并，擠壓桿壓套5松開(kāi)。減速機(jī)鏈輪齒輪裝置8通電，驅(qū)動(dòng)擠壓桿壓套5旋轉(zhuǎn)，使擠壓桿壓套5的內(nèi)孔(如圖3左視圖所示，圓內(nèi)接正方形)和擠壓桿尾部臺(tái)階的外形(如圖3左視圖所示，圓內(nèi)接正方形)相重合，拔出原來(lái)擠壓桿，裝入所需擠壓桿，反向旋轉(zhuǎn)擠壓桿壓套5，使擠壓桿壓套5的內(nèi)孔(如圖3左視圖所示，圓內(nèi)接正方形)和擠壓桿尾部臺(tái)階的外形(如圖3左視圖所示，圓內(nèi)接正方形)相差45°，壓套5正好壓住擠壓桿4，碟簧油缸裝置7活塞桿腔壓力油卸壓，碟簧返回，帶動(dòng)活塞桿壓緊壓套5，擠壓桿4固定，更換完畢。

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)就是省力省時(shí)，擠壓桿壓蓋壓緊擠壓桿靠碟簧，松開(kāi)靠壓力油，旋轉(zhuǎn)靠電機(jī)減速機(jī)。對(duì)于大型擠壓機(jī)，這種結(jié)構(gòu)可以使用，但是，大型擠壓機(jī)擠壓桿自重的比重相對(duì)較大，這就使得擠壓桿壓蓋的壓緊力很大。對(duì)于壓緊，碟簧規(guī)格多，而且組合形式靈活，所以大的壓緊力很容易解決。但是，對(duì)于松開(kāi)，受液壓泵和液壓閥的限制，壓力不可能太高，因此，碟簧油缸尺寸比較大，而碟簧是直接裝在活動(dòng)橫梁中，活動(dòng)橫梁就是碟簧油缸的缸體。這導(dǎo)致活動(dòng)橫梁尺寸變大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量增加?；顒?dòng)橫梁是連接主柱塞和擠壓桿的運(yùn)動(dòng)的受力大件，所以設(shè)計(jì)時(shí)盡可能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量小，這樣壓機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)阻力小、能耗少、壽命長(zhǎng)。

2 新型擠壓桿快速更換裝置

從傳統(tǒng)的擠壓機(jī)擠壓桿固定方式及更換方法的分析中可以看出，對(duì)于大型擠壓機(jī)，一種省力省時(shí)、可操作性強(qiáng)、活動(dòng)橫梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的擠壓桿更換裝置非常迫切和必要。中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司在長(zhǎng)期的擠壓機(jī)設(shè)計(jì)制造中研制出了一種適合大型鋁擠壓機(jī)擠壓桿的新型快速更換裝置。

2.1 擠壓桿快速更換裝置的結(jié)構(gòu)

如圖4所示，擠壓桿墊2通過(guò)螺釘固定在活動(dòng)橫梁1上，嵌在法蘭壓蓋7中的碟簧裝置8通過(guò)錐面壓蓋9作用在擠壓桿壓套5上，擠壓桿4被擠壓桿壓套5緊緊地壓靠在擠壓桿墊2上。擠壓桿和活動(dòng)橫梁的位置精度靠擠壓桿定位環(huán)3來(lái)保證。碟簧裝置8和錐面壓蓋9之間有2～3mm間隙。擠壓桿壓套5外圈是齒輪結(jié)構(gòu)，當(dāng)擠壓桿壓套5上的壓緊力松開(kāi)時(shí)，可以在減速機(jī)鏈輪齒輪裝置6的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。

1.活動(dòng)橫梁 2.擠壓桿墊 3.擠壓桿定位環(huán) 4.擠壓桿 5.擠壓桿壓套 6.減速機(jī)鏈輪齒輪裝置 7.法蘭壓蓋 8.碟簧裝置 9.錐面壓蓋 10.高壓油缸圖4 一種新型的適合大型鋁擠壓機(jī)的擠壓桿快速更換裝置Fig.4 A new extrusion rod rapid replacement device for large aluminium extrusion press

這種結(jié)構(gòu)更換擠壓桿的過(guò)程如下：高壓油缸10活塞腔通入壓力油，活塞桿斜面和錐面壓蓋9相互作用，碟簧裝置8被壓縮，擠壓桿壓套5上的壓緊力松開(kāi)，錐面壓蓋9和擠壓桿壓套5之間出現(xiàn)間隙。減速機(jī)鏈輪齒輪裝置6通電，驅(qū)動(dòng)擠壓桿壓套5旋轉(zhuǎn)，使擠壓桿壓套5的內(nèi)孔(如圖4左視圖所示，圓內(nèi)接正方形)和擠壓桿尾部臺(tái)階的外形(如圖4左視圖所示，圓內(nèi)接正方形)相重合，拔出原來(lái)擠壓桿，裝入所需擠壓桿，反向旋轉(zhuǎn)擠壓桿壓套5，使擠壓桿壓套5的內(nèi)孔(如圖4左視圖所示，圓內(nèi)接正方形)和擠壓桿尾部臺(tái)階的外形(如圖4左視圖所示，圓內(nèi)接正方形)相差45°，擠壓桿壓套5正好壓住擠壓桿4，高壓油缸10活塞腔卸壓，活塞桿腔通壓力油，活塞桿返回，擠壓桿壓套5在碟簧裝置8的作用下壓緊擠壓桿4，高壓油缸10活塞桿腔卸壓，擠壓桿更換完畢。

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)就是省力省時(shí)，擠壓桿壓蓋壓緊擠壓桿靠碟簧，松開(kāi)靠高壓油缸，旋轉(zhuǎn)靠電機(jī)減速機(jī)。相比于圖3的結(jié)構(gòu)，碟簧裝置裝在法蘭壓蓋中，法蘭壓蓋通過(guò)螺釘和動(dòng)梁固定在一起，這就大大簡(jiǎn)化了動(dòng)梁的結(jié)構(gòu)。另外，松開(kāi)碟簧裝置因?yàn)閼?yīng)用了斜楔機(jī)構(gòu)的省力原理，擠壓桿壓蓋的松開(kāi)方便得多。高壓油缸尺寸也小很多，降低了成本。

2.2 擠壓桿快換裝置中的斜楔機(jī)構(gòu)

斜楔機(jī)構(gòu)由主動(dòng)斜楔、從動(dòng)斜楔和機(jī)架組成，也稱(chēng)楔塊機(jī)構(gòu)或斜面機(jī)構(gòu)。斜楔機(jī)構(gòu)工作時(shí)傳動(dòng)準(zhǔn)確、平穩(wěn)、無(wú)噪音，具有自鎖、省力、速比大和容易改變構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)方向或方式等特點(diǎn)，它能將主動(dòng)斜楔的垂直運(yùn)動(dòng)(或水平運(yùn)動(dòng))轉(zhuǎn)化為從動(dòng)斜楔的水平運(yùn)動(dòng)(或垂直運(yùn)動(dòng))[7～8]。在擠壓桿快速更換裝置中，高壓油缸推開(kāi)斜面壓蓋，正是充分利用了斜楔機(jī)構(gòu)省力的特點(diǎn)。

在圖5所示的斜楔機(jī)構(gòu)中，兩楔塊的運(yùn)動(dòng)方向互相垂直。在楔塊1上主動(dòng)施加力F，在從動(dòng)楔塊上產(chǎn)生力Q，R12為楔塊1對(duì)楔塊2的作用力合力，R12為楔塊2對(duì)楔塊1的作用力合力，R31為機(jī)架3對(duì)楔塊1的作用力合力，R32為機(jī)架3對(duì)楔塊2的作用力合力，摩擦角為θ，楔角為α。由圖5可得P和R21，R12和Q的關(guān)系式為[9，10]

1.主動(dòng)楔塊 2.從動(dòng)楔塊3.機(jī)架圖5 斜楔機(jī)構(gòu)的受力分析Fig.5 Force analysis of inclined wedge mechanism

3 新型擠壓桿快速更換裝置的應(yīng)用

中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司為某公司設(shè)計(jì)制造的120 MN油壓?jiǎn)蝿?dòng)鋁擠壓機(jī)采用了新型擠壓機(jī)快速更換裝置。該120 MN油壓?jiǎn)蝿?dòng)鋁擠壓機(jī)回程力F(7.9 MN)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如圖4所示錐面壓蓋9和擠壓桿壓套5之間的壓緊力取0.5F(3.95 MN)，間隙 2 mm，即更換擠壓桿時(shí)，高壓油缸10推開(kāi)錐面壓蓋9的行程最多2 mm。碟簧裝置8的設(shè)計(jì)比較靈活，主要根據(jù)法蘭壓蓋7所允許的空間，通過(guò)不同的組合就能方便地湊出所要求的力和行程(3.95 MN，2 mm)。該快換裝置共設(shè)16組碟簧，每組0.25 MN(正常壓緊時(shí))，當(dāng)高壓油缸10推開(kāi)2 mm行程時(shí)，每組碟簧力0.385 MN，共6.16 MN。綜合考慮省力和高壓油缸活塞桿的機(jī)械強(qiáng)度，楔角α=23°。摩擦角θ=6°。高壓油缸所需的推力P=6.16×tg35°=4.312 MN。根據(jù)120 MN油壓?jiǎn)蝿?dòng)鋁擠壓機(jī)的安裝空間，高壓油缸共設(shè)8個(gè)，即每個(gè)推力約0.54 MN。減速機(jī)鏈輪齒輪裝置6的參數(shù)主要類(lèi)比相類(lèi)似的結(jié)構(gòu)。該壓機(jī)的擠壓桿和擠壓桿壓套共2.5 t，選電機(jī)減速機(jī)3 kW，1 500 r/min，減速比87，輸出轉(zhuǎn)矩1 539 N·m。減速機(jī)鏈輪齒輪裝置整體是個(gè)減速轉(zhuǎn)矩放大機(jī)構(gòu)，放大比8.7，所以最終轉(zhuǎn)矩13 390 N·m。

120 MN油壓?jiǎn)蝿?dòng)鋁擠壓機(jī)擠壓桿快速更換裝置如圖6所示。

圖6 120 MN油壓?jiǎn)蝿?dòng)鋁擠壓機(jī)擠壓桿快速更換裝置Fig.6 The rod rapid replacement device for 120 MN hydraulic single action aluminium extrusion

在設(shè)計(jì)和使用該裝置過(guò)程中，應(yīng)該注意：

(1)擠壓桿壓蓋的壓緊力可以適當(dāng)?shù)乇葌?cè)缸回程力小，這樣可以使整個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊。

(2)碟簧的壓縮行程取2 mm左右即可。太小不利于擠壓桿拔出，太大松開(kāi)碟簧時(shí)所需力量變大，會(huì)使高壓油缸尺寸加大。

(3)設(shè)計(jì)時(shí)要注意減速機(jī)鏈輪齒輪裝置的安裝空間，要便于維修。

(4)高壓油缸盡量沿圓周對(duì)稱(chēng)布置，這樣擠壓桿壓蓋松開(kāi)時(shí)受力均勻，便于操作。

(5)實(shí)際操作時(shí)，高壓油缸的升壓要緩慢平穩(wěn)，以防出現(xiàn)過(guò)大的沖擊。

4 結(jié)論

120 MN油壓?jiǎn)蝿?dòng)鋁擠壓機(jī)采用該快速更換裝置，性能可靠穩(wěn)定，極大地提高了整體裝機(jī)水平。每更換一次擠壓桿，平均周期30 min，而且大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。該機(jī)從2012年投產(chǎn)至今，一直運(yùn)行良好，深得用戶(hù)好評(píng)。在隨后的幾年中，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司又相繼在多臺(tái)套擠壓機(jī)中推廣應(yīng)用該新型的擠壓桿快速更換裝置。

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Research and application of the rapid replacement device for the extrusion rod of large sized aluminum extrusion press

YANG Hong-juan, ZHANG Jun, GAO Hong-zhang, YANG Jian, FENG Dong-xiao

(China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd.， Xi’an 710032，China)

This paper introduces some traditional fixed and replacement method of extrusion rod, puts forwards a new extrusion rod rapid replacement device for large aluminium extrusion press. In the device, the extrusion rod is compressed by extrusion rod gland with disc spring, the flange gland and movable beam are fastened together by screws, so the moving beam structure is simplified. Meanwhile, extrusion rod gland is more easily loosened by inclined wedge mechanism, and the size of high pressure cylinder and the equipment cost are reduced. Using results show that the device is reasonable and reliable.

extrusion rod; the replacement device; inclined wedge mechanism

2016-04-15；

2016-06-28

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(04專(zhuān)項(xiàng)) (2009ZX04005-031, 2011ZX04016-081) 陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(2013KCT-10)

楊紅娟(1972-)，女，金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師。

TG375

A

1001-196X(2016)05-0017-05