雙動鋁擠壓機內置式液壓定針技術與控制方法

中國重型機械研究院股份公司 付永濤 張君 李正利 柴星 谷瑞杰

雙動鋁擠壓機內置式液壓定針技術與控制方法

中國重型機械研究院股份公司 付永濤 張君 李正利 柴星 谷瑞杰

介紹了雙動鋁擠壓機內置式液壓定針系統(tǒng)的結構和擠壓工藝，分析了穿孔針在擠壓過程中的受力情況，建立了穿孔針受力的力學計算公式，并提出了內置式液壓定針液壓控制系統(tǒng)。為了保證液壓定針的控制精度，提出以位置控制和壓力控制同時參與的控制方法。同時，為了避免定針位置控制和壓力控制超限造成設備損壞，采用了液壓定針的控制保護措施。

無縫鋁管；雙動鋁擠壓機；液壓定針

目前，雙動鋁擠壓機擠壓管材尺寸范圍為壁厚2～65mm，最小內徑5～15mm，最大外徑600 mm[1-2]。隨著國內國防軍工、交通、電力和航空航天等領域對鋁合金無縫鋁管材需求量的增大[3]，無縫鋁管材的需求向薄壁、大直徑方向發(fā)展。合格的無縫鋁管材不僅要求擠壓出的無縫管壁厚均勻，而且管內壁表面質量好[4]。因此生產無縫鋁管材對擠壓設備和擠壓工藝過程提出很高要求，特別是對擠壓機液壓定針系統(tǒng)要求極高。

1 內置式液壓定針系統(tǒng)的結構

內置式液壓定針系統(tǒng)的結構如圖1所示。該系統(tǒng)采用穿孔缸和穿孔動梁內置于主柱塞，并沿主柱塞中心導向的結構形式。設有液壓相對行程調節(jié)裝置，允許穿孔針和擠壓桿之間無應力的相對移動。穿孔針定位采用液壓方式，把穿孔針尖固定在擠壓模具前端。穿孔系統(tǒng)的結構可方便調整穿孔針位置，適用于管材擠壓的隨動針工藝和固定針工藝。

圖1 內置式液壓定針系統(tǒng)結構圖

2 內置式液壓定針技術

2.1 內置式液壓定針擠壓工藝

內置式液壓定針擠壓工藝過程根據擠壓機的結構形式（正向雙動前上料和反向雙動前上料）和鋁錠形狀（實心錠或空心錠）有所不同，可分為正向雙動鋁擠壓機實心錠穿孔、正向雙動鋁擠壓機空心錠穿孔、反向雙動鋁擠壓機實心錠穿孔和反向雙動鋁擠壓機空心錠穿孔四種工藝流程。這四種工藝流程的主要區(qū)別是上擠壓墊的方式、穿孔和鐓粗的次序不同。但對于擠壓過程中液壓定針過程基本一致。因此，我們著重討論正向雙動鋁擠壓機空心錠液壓定針擠壓工藝過程。其具體過程為：送錠機械手將加熱好的坯錠送到擠壓中心位，擠壓桿前進，頂料，供錠器返回；擠壓筒套料、閉合和鎖緊；擠壓桿返回，取墊機械手將擠壓墊送到擠壓中心，擠壓桿將擠壓墊推到擠壓筒內部接近頂住坯料位置；接著，充液閥關閉，側缸前、后腔加壓，同時穿孔針從空心擠壓墊中穿過，到達定針帶，開始定針，擠壓循環(huán)開始。

2.2 液壓定針穿孔針受力分析

液壓定針穿孔針上受力如圖2所示。通過分析以上液壓定針擠壓工藝過程，我們可以看出穿孔針上受力分四個過程：

圖2 穿孔針受力示意圖

（1）穿孔針穿過空心（或實心）鋁錠過程。此時穿孔針主要受鋁錠對其的摩擦力為：

式中，F針為針上受到的摩擦力；σr為穿孔針徑向承受的壓應力，f滑為穿孔針與鋁錠之間的滑動摩擦系數，D1為穿孔針名義直徑，L1為穿孔針在變形鋁錠坯中的長度。其受力方向是與擠壓方向相反，穿孔針處于壓應力狀態(tài)。

（2）鐓粗過程穿孔針因要保證其與模具的相對位置固定，因而在擠壓桿前進時，擠壓桿需后退。因此，穿孔針上的摩擦力為：

式中，σa為穿孔針軸向所受的壓應力，D2為穿孔針針尖瓶針部分直徑，L2為穿孔針針尖瓶針部分在變形鋁錠坯中的長度。其受力方向與擠壓方向相同，穿孔針處于拉應力狀態(tài)。

（3）鐓粗后穿孔針從定針設定位置附近到達定針設定位置這段時間，穿孔針通過隨動針工藝隨擠壓桿到達定針設定位置。穿孔針上的摩擦力為：

式中，f靜為穿孔針與鋁錠之間的靜摩擦系數。其受力方向和擠壓方向一致，穿孔針處于拉應力狀態(tài)。

（4）穿孔針位置固定后，隨著擠壓桿前進速度，穿孔針以一定速度反方向后退，此時穿孔針上的摩擦力F針，據式（2）可以計算得出，其受力方向與擠壓方向相同，穿孔針處于拉應力狀態(tài)。

從以上公式可以看出，在液壓定針擠壓工藝過程中，不僅穿孔針上受力變化復雜，而且由于變形鋁錠坯長度、穿孔針軸向所受的壓應力、穿孔針徑向所受的壓應力、穿孔針與鋁錠之間的摩擦系數等一直處于變化狀態(tài)，因此很難根據以上公式計算出穿孔針上摩擦力F針。但液壓定針擠壓過程中需要準確計算出穿孔針上的摩擦力來控制穿孔針的位置和保護穿孔針不被破壞。

通過研究內置式液壓定針系統(tǒng)的結構和內置式液壓定針擠壓工藝發(fā)現，在恒速穿孔、隨針工藝和固定針工藝中穿孔針存在以下平衡方程式：

F持=P小A小-P大A大=-F針

式中，F持為穿孔缸持針力，F針為穿孔針上受到的摩擦力，P小為穿孔缸環(huán)形腔壓力，A小為穿孔缸環(huán)形腔面積，P大為穿孔缸活塞腔壓力，A大為穿孔缸活塞腔面積。

通過以上液壓定針穿孔針受力分析，我們可以看出，要控制好穿孔針的液壓定針位置精度和保護穿孔針，需解決以下問題：

（1）液壓定針過程中，坯料內溫度不均勻，導致穿孔針上受到的摩擦力存在突變而產生針的震蕩，為了防止穿孔針的微小震蕩，在液壓定針過程中需要給穿孔缸活塞腔施加一定的背壓，降低針的震蕩幅度。

（2）采用瓶針針頭擠壓時，在擠壓接近結束時，可能存在針上摩擦力不能維持瓶針針頭部向后的壓力，因此，需要給穿孔缸活塞腔加一定背壓，使針受力平衡，維持針的位置。

（3）穿孔和液壓定針時，持針力過大會導致穿孔針損傷，因此，需要對穿孔針進行保護。

2.3 內置式液壓定針液壓控制系統(tǒng)

圖3 內置式液壓定針液壓控制系統(tǒng)

要解決穿孔針在模具定徑帶的準確定位和擠壓過程中針的震蕩，提出了內置式液壓定針液壓控制系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)穿孔缸活塞腔接比例溢流閥和壓力傳感器，環(huán)形腔接高頻響比例換向閥和壓力傳感器，比例變量泵提供油源。此系統(tǒng)有以下三個特點：（1）通過控制比例變量泵和高頻響比例閥換向閥可以對穿孔針的位置進行精確控制；（2）穿孔缸活塞腔的比例卸荷閥可以對活塞腔壓力進行壓力分級控制，來降低穿孔針的震蕩；（3）通過檢測穿孔缸活塞腔和環(huán)形腔壓力，可以對穿孔針進行保護。

3 內置式液壓定針的控制方法

通過以上分析，要使內置式液壓定針系統(tǒng)在擠壓過程中，穿孔針定位穩(wěn)定和穿孔針不被損壞，因此，需要對穿孔針進行位置控制、壓力控制和穿孔針的控制保護三種控制方法。

3.1 位置控制

穿孔針針尖端面到模具端面的位置是通過檢測擠壓桿位置和穿孔針及擠壓桿相對位置信號獲得的（圖4）。

圖4 穿孔針位置控制示意圖

擠壓桿的參考零位為活動墊和模具端面接觸時，穿孔針和擠壓桿相對參考零位為穿孔針端面和擠壓桿端面平齊。但需要指出的是，由于擠壓過程中持針力的存在，使穿孔針發(fā)生彈性變形被拉長，伸長量可由以下公式計算：

式中，F持為穿孔針持針力，L針為穿孔針發(fā)生彈性變形部分的有效長度，D內為穿孔針的直徑，E為彈性模量。

因此，穿孔針針尖到模具端面的距離計算公式如下：

式中，l桿為擠壓桿的位置，l墊為擠壓墊的厚度，l針相對為擠壓桿和針的相對位置。

液壓定針的位置控制是通過穿孔針位置的檢測信號與定針位置設定參數相比較，控制穿孔針液壓系統(tǒng)的動作來實現的。液壓定針控制的驅動油源由穿孔變量泵提供，為了提高穿孔針速度控制精度，在穿孔腔設置了一個高頻響換向閥，該閥具有控制精度高和響應速度快的特點。在速度調節(jié)時，通過控制穿孔變量泵輸出，即控制變量泵的偏角，將穿孔針速度粗調到接近于速度設定值，然后通過高頻響比例閥將速度精調至設定值，從而達到穿孔針的位置控制調節(jié)精度≤±1 mm，進而保證了穿孔針的位置精度。

3.2 壓力控制

內置式液壓定針擠壓時，需要對以下過程進行壓力控制：（1）在穿孔針穿過空心錠過程中，為了防止穿孔缸活塞腔壓力增加，使主柱塞向后移動，產生壓力不穩(wěn)及穿孔針的位置定位不準，需要在穿孔前，側缸活塞腔和環(huán)形腔同時加壓，同時充液閥關閉，保證整個穿孔針穿過空心錠過程主柱塞位置基本保持不變。（2）在鐓粗過程中，由于鐓粗時擠壓桿速度較快，這樣導致穿孔針的后退較快，為了使針停止到準確位置，在針回退到設定位置時，給穿孔缸活塞腔給定一定的背壓，將針停穩(wěn)。（3）在鐓粗后穿孔針從定針設定值附近接近設定值時，穿孔針跟隨擠壓桿隨動，此時穿孔針受到的靜摩擦力逐漸增大，隨著穿孔位置達到設定值后，穿孔缸環(huán)形腔開始進液，穿孔針開始后退。此時，最大靜摩擦轉化成滑動摩擦，穿孔針存在一個震蕩，這時需要在穿孔缸活塞腔加一定背壓防止降低震蕩幅度。（4）當穿孔針定位模具定徑帶后，若穿孔缸環(huán)形腔壓力升高到200 bar以上時，穿孔缸活塞腔不加背壓，若穿孔缸環(huán)形腔壓力下降至140 bar時，給穿孔活塞腔加一定的背壓，若穿孔缸環(huán)形腔壓力低于100 bar時，此時穿孔活塞腔通過比例溢流閥值逐步增加穿孔缸活塞腔壓力，這樣會使孔缸環(huán)形腔壓力升高，并使其維持在100 bar左右。（5）通過設定最大穿孔力和最大把持力來限定穿孔過程和固定針擠壓過程中針上受到的最大摩擦力，防止穿孔針被損壞。

3.3 穿孔針的控制保護

為了使不同規(guī)格的穿孔針在整個擠壓過程中不受損壞，需要對穿孔針進行位置保護、最大持針力保護和最大穿孔力保護。

（1）定針位置保護

定針最小極限位置=定針設定位置-最大偏離距離

定針最大極限位置=定針設定位置+最大偏離距離

穿孔針相對模具的位置＜定針最小極限位置或穿孔針相對模具的位置＞處于定針最大極限位置時，擠壓速度設定自動歸零，控制穿孔針回到定針設定位置時，擠壓繼續(xù)。

（2）最大持針力保護

通過計算在拉應力狀態(tài)下，穿孔針所能承受的最大拉力設定為穿孔缸最大持針力，在擠壓過程中若實際檢測持針力大于設定的穿孔缸最大持針力，擠壓速度下降，隨后持針力下降，進而達到保護穿孔針的目的。

（3）最大穿孔力保護

通過計算在壓應力狀態(tài)下，穿孔針所能承受的最大壓力設定為最大穿孔力，在擠壓過程中若實際檢測持針力大于設定最大穿孔力，穿孔速度自動歸零，進而達到保護穿孔針的目的。

4 結論

內置式液壓定針的位置精度問題一直是雙動鋁擠壓機控制的一個技術難點。本文通過分析內置式液壓定針中穿孔針受力情況，推導出其力學計算公式，進而提出了內置式液壓定針液壓控制系統(tǒng)來保證穿孔針定位時的位置控制和壓力控制。在控制過程中，以位置控制和壓力控制同時控制的方式，提高了液壓定針控制精度。同時，采用了液壓定針的控制保護措施，避免了定針位置控制和壓力控制超限而造成設備的損壞。

[1]劉靜安,謝建新.大型鋁合金型材擠壓機技術與工模具優(yōu)化設計[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2003.

[2]張君,韓炳濤,李正利等.大型無縫鋁管材固定針擠壓工藝研究[J].重型機械,2012（3）:41～46.

[3]魏軍.金屬擠壓機[M].北京：化學工業(yè)出版社,2006.

[4]韓泓.雙動鋁擠壓機液壓定針控制技術[J].鍛壓制造與裝備技術,2012（3）:71～73.

付永濤，男，1982年出生，中國重型機械研究院股份公司工程師，研究方向：金屬擠壓技術與裝備研究。

國家科技重大專項（2009ZX04005-031，2011ZX04016 -081）。