復(fù)合定針式雙動(dòng)擠壓技術(shù)研究

黃 勝 張 君 楊 建 侯永超 辛宏斌 付永濤 柴 星

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西7100322；2.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西710032)

隨著我國(guó)航空航天、核電、汽車(chē)、國(guó)防軍工、高鐵和軌道交通等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)高性能鋁合金無(wú)縫鋁管的需求逐年增加[1]。無(wú)縫鋁管多采用熱擠壓的生產(chǎn)方式，通常在雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)上進(jìn)行[2-3]。雙動(dòng)擠壓穿孔針的定針是影響擠壓管材內(nèi)表面質(zhì)量和成品率的關(guān)鍵因素。所以，無(wú)縫鋁管材擠壓工藝成為鋁擠壓急需研究的關(guān)鍵技術(shù)[4-7]。但是，由于無(wú)縫鋁管材擠壓過(guò)程的復(fù)雜性、材料流動(dòng)預(yù)測(cè)的困難性、材料組織性能的變化、擠壓過(guò)程中壓力與速度的不恒定、材料工具表面的摩擦生熱以及進(jìn)行熱量傳遞的不穩(wěn)定性等因素，又因?yàn)閿D壓過(guò)程中各變量之間相互依賴(lài)，不能單獨(dú)分析解決，導(dǎo)致現(xiàn)有的方法已不能滿足對(duì)無(wú)縫鋁管擠壓技術(shù)發(fā)展越來(lái)越高的需求。

在現(xiàn)有的雙動(dòng)擠壓機(jī)中，穿孔系統(tǒng)的布置方式采用外置式布置或內(nèi)置式布置。外置式穿孔系統(tǒng)布置的穿孔針定位準(zhǔn)確，定位精度高，擠壓機(jī)移動(dòng)橫梁長(zhǎng)而且復(fù)雜，造成機(jī)架長(zhǎng)，壓機(jī)成本高，擠壓機(jī)整體剛度差。內(nèi)置式穿孔系統(tǒng)布置采用后置式機(jī)械定針后液壓支撐的方式進(jìn)行穿孔針固定，此結(jié)構(gòu)不增加機(jī)架長(zhǎng)度，擠壓機(jī)整體剛性好，但定針精度差，在瓶針擠壓時(shí)，定針精度更差。

針對(duì)雙動(dòng)擠壓穿孔針的定針問(wèn)題和無(wú)縫管內(nèi)壁質(zhì)量問(wèn)題，大量學(xué)者進(jìn)行了研究：謝東鋼和張君等[9]提出了一種外置式的液壓定針?lè)椒ǎ罘宓萚10]研究了鋁合金和AZ80鎂合金管材的擠壓工藝和組織，張君等[11]采用理論分析和有限元模擬相結(jié)合的方法對(duì)大型無(wú)縫鋁管的固定針工藝進(jìn)行了研究，并提出了超長(zhǎng)無(wú)縫鋁管和變截面無(wú)縫鋁管的新技術(shù)路線。

通過(guò)對(duì)雙動(dòng)擠壓技術(shù)特點(diǎn)的分析，提出了一種復(fù)合穿孔式雙動(dòng)擠壓的方法，并對(duì)其具體控制方式和工藝路線進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并在125 MN復(fù)合穿孔式雙動(dòng)擠壓機(jī)上得以應(yīng)用。

1 復(fù)合定針式雙動(dòng)擠壓技術(shù)

1.1 雙動(dòng)擠壓技術(shù)特點(diǎn)

雙動(dòng)擠壓一般分為固定針擠壓和隨動(dòng)針擠壓。

隨動(dòng)針擠壓時(shí)，穿孔完成后穿孔針在模具中可以隨擠壓方向移動(dòng)。隨動(dòng)針擠壓時(shí)，穿孔針油缸兩腔不用精確控制，穿孔針在摩擦力的作用下向前運(yùn)動(dòng)，隨著擠壓的進(jìn)行，擠壓變形后的管材內(nèi)表面和穿孔針接觸的長(zhǎng)度增加，導(dǎo)致無(wú)縫鋁管內(nèi)表面質(zhì)量很差。

而固定針擠壓時(shí)，穿孔完成后穿孔針在模具中的位置固定不動(dòng)，如圖1。也就是說(shuō)擠壓變形后的管材內(nèi)表面和穿孔針接觸的長(zhǎng)度固定，因此無(wú)縫鋁管內(nèi)表面質(zhì)量很高。

1—模具 2—鋁錠 3—擠壓筒 4—擠壓墊 5—擠壓桿 6—穿孔針

1—擠壓桿 2—擠壓墊 3—擠壓筒 4—鋁錠坯 5—針尖 6—模具

1.2 雙動(dòng)擠壓受力分析

固定針擠壓時(shí)，穿孔針上受力分析如圖2所示。鐓粗后穿孔針從定針設(shè)定位置附近到達(dá)定針設(shè)定位置這段時(shí)間，通過(guò)隨動(dòng)針工藝穿孔針隨擠壓桿到達(dá)定針設(shè)定位置。穿孔針上的摩擦力為：

Fr=πμrσr(D1L1+D2L2)-πσa(D12-D22)/4

式中，F(xiàn)r為針上受到的摩擦力；μr為穿孔針與鋁錠之間的摩擦系數(shù)；σr為穿孔針徑向承受的壓應(yīng)力；σa為穿孔針軸向所受的壓應(yīng)力；D1為穿孔針名義直徑；L1為穿孔針在變形鋁錠坯中的長(zhǎng)度；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(zhǎng)度，受力方向與擠壓方向相同，穿孔針處于拉應(yīng)力狀態(tài)。

通過(guò)研究液壓定針系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和液壓定針擠壓工藝發(fā)現(xiàn)，穿孔針的平衡方程式為：

FS=FA-FB=-Fr

式中，F(xiàn)S為穿孔缸持針力；Fr為穿孔針上受到的摩擦力；FA為穿孔缸前腔產(chǎn)生的液壓力；FB為穿孔缸后腔產(chǎn)生的液壓力。

FS所能提供的最大持針力是確定的，即如果FS max

1.3 復(fù)合定針式雙動(dòng)擠壓結(jié)構(gòu)特征

穿孔缸位于主缸的后部，由支架支撐，前端與主缸后部相連接，穿孔活塞桿穿過(guò)主缸和主柱塞與穿孔針針座連接，主柱塞里面裝有穿孔針導(dǎo)向裝置，保證穿孔針的對(duì)中精度，主柱塞的前端通過(guò)移動(dòng)橫梁與擠壓桿相連接，穿孔針安裝在擠壓桿中，并在擠壓桿內(nèi)部導(dǎo)向，如圖3所示。采用復(fù)合式的穿孔系統(tǒng)，穿孔系統(tǒng)為后置式，穿孔缸位于擠壓設(shè)備的尾部，穿孔針可以隨動(dòng)針擠壓和固定針擠壓。

1—穿孔缸 2—穿孔缸支架 3—主缸 4—穿孔活塞桿 5—主柱塞 6—穿孔針座 7—穿孔針導(dǎo)向裝置 8—移動(dòng)橫梁 9—擠壓桿 10—穿孔針 11—擠壓模具

1.4 復(fù)合定針式雙動(dòng)擠壓控制方式

復(fù)合定針式雙動(dòng)擠壓的控制原理如圖4所示。

復(fù)合定針式雙動(dòng)擠壓控制系統(tǒng)包括大腔進(jìn)液閥402DT、大腔排液閥403DT和406DT、大腔比例泄壓閥組件404DT和405DT、小腔進(jìn)液閥401DT、小腔排液閥407DT和410DT、小腔比例泄壓閥組件408DT和409DT、補(bǔ)液閥和液壓管道等組件，如圖4所示。

進(jìn)行隨動(dòng)針擠壓時(shí)，如圖3所示，在穿孔缸的驅(qū)動(dòng)下穿孔活塞桿和主柱塞同步前進(jìn)，使鋁錠坯在穿孔針和模具之間的縫隙中被擠出來(lái)，從而生產(chǎn)出無(wú)縫管材。

進(jìn)行固定針擠壓時(shí)，在穿孔缸的驅(qū)動(dòng)下，穿孔活塞桿在穿孔針導(dǎo)向裝置中先移動(dòng)到擠壓位置，然后將穿孔缸中的前腔和后腔的進(jìn)液閥和排液閥關(guān)閉鎖死，即大腔進(jìn)液閥402DT和大腔排液閥406DT失電關(guān)閉，403DT帶電關(guān)閉，小腔進(jìn)液閥401DT和小腔排液閥407DT失電關(guān)閉，410DT帶電關(guān)閉。

此時(shí)，穿孔缸前后腔處于完全關(guān)閉狀態(tài)，對(duì)整個(gè)穿孔系統(tǒng)起液壓支撐作用，保證了穿孔針相對(duì)于模具固定不動(dòng)。正常擠壓時(shí)，受到主缸施加于主柱塞的作用力，擠壓桿對(duì)鋁坯錠進(jìn)行擠壓，使其在穿孔針和模具之間的縫隙中擠出，從而生產(chǎn)出無(wú)縫管材。

圖4 復(fù)合定針式雙動(dòng)擠壓液壓控制原理圖Figure 4 Hydraulic control principle diagram of double action extrusion with compound fixed pin

當(dāng)進(jìn)行難變形合金擠壓，或者擠壓時(shí)鋁錠坯與穿孔針表面的摩擦力大于穿孔針的支撐力時(shí)，鋁錠坯會(huì)拖拽穿孔針前進(jìn)，穿孔缸的前腔溢流，容易造成穿孔針或模具的損壞，因此一般擠壓程序都會(huì)對(duì)穿孔針的位置進(jìn)行保護(hù)。在擠壓過(guò)程中，當(dāng)穿孔針的位置變化時(shí)，程序會(huì)將擠壓中斷，這種擠壓中斷容易形成擠壓制品的“停車(chē)痕”和“褶皺”，從而降低了成材率，影響生產(chǎn)效率。針對(duì)這種情況，液壓定針的控制方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)固定針擠壓，采用復(fù)合穿孔式雙動(dòng)擠壓結(jié)構(gòu)，可以避免此種情況的發(fā)生。由于穿孔缸小腔的法蘭壓蓋對(duì)穿孔針起到機(jī)械限位作用，因此即便是穿孔缸前腔的支撐力小于鋁錠坯與穿孔針的摩擦力，依靠自身的機(jī)械限位也能保證穿孔針的位置不動(dòng)，完成固定針擠壓過(guò)程。

2 125 MN復(fù)合定針式油壓雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)

將以上的研究結(jié)果應(yīng)用在125 MN油壓雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)上，成功研制出125 MN復(fù)合定針式雙動(dòng)擠壓機(jī)。

2.1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

公稱(chēng)擠壓力：125 MN

鋁錠坯直徑/擠壓筒內(nèi)徑：600 mm

鋁錠坯長(zhǎng)度/擠壓筒長(zhǎng)度：1900 mm

擠壓桿行程：2350 mm

擠壓筒行程：2580 mm

穿孔針行程：1850 mm

回程力：8.3 MN

擠壓筒鎖緊力：12 MN

穿孔力：30 MN

擠壓速度：0.2～20 mm/s

2.2 穿孔系統(tǒng)

如圖5所示，125 MN復(fù)合定針式雙動(dòng)擠壓機(jī)采用了復(fù)合式的穿孔系統(tǒng)，穿孔系統(tǒng)為后置式，穿孔缸位于擠壓設(shè)備的尾部。穿孔缸位于主缸的后部，由支架支撐，前端與主缸后部相連接，穿孔活塞桿穿過(guò)主缸和主柱塞與穿孔針針座進(jìn)行連接，主柱塞里面裝有穿孔針導(dǎo)向裝置，保證穿孔針的對(duì)中精度，主柱塞的前端通過(guò)移動(dòng)橫梁與擠壓桿連接，穿孔針安裝在擠壓桿中，并在擠壓桿內(nèi)部導(dǎo)向。在進(jìn)行固定針擠壓時(shí)，穿孔缸小腔的法蘭壓蓋對(duì)穿孔針起到機(jī)械限位作用。整個(gè)穿孔系統(tǒng)外置，使得系統(tǒng)供油和維修十分方便，易于實(shí)現(xiàn)快速穿孔，適合于重型和超重型雙動(dòng)擠壓機(jī)。

圖5 125 MN復(fù)合定針式雙動(dòng)擠壓機(jī)Figure 5 125 MN double action extruder with compound fixed pin

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在125 MN復(fù)合定針式油壓雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)上，采用空心鋁錠坯擠壓外徑為?350 mm、內(nèi)徑為?320 mm的6061鋁合金無(wú)縫管材?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)125 MN復(fù)合定針式油壓雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)的液壓定針精度在±1 mm以?xún)?nèi)，偏心率<3%，當(dāng)穿孔針?biāo)苣Σ亮Υ笥诖┛揍樀闹瘟r(shí)，液壓機(jī)械復(fù)合定針?lè)绞侥芎芎玫赝瓿烧麄€(gè)固定針擠壓過(guò)程。

4 結(jié)論

(1)復(fù)合定針式油壓雙動(dòng)擠壓方法有效實(shí)現(xiàn)了固定針擠壓工藝，提高了固定針精度。

(2)在固定針擠壓的過(guò)程中，當(dāng)液壓式定針支撐力不夠時(shí)，導(dǎo)致整個(gè)擠壓過(guò)程中斷或降速，造成成材率下降，復(fù)合定針式雙動(dòng)擠壓方法成功地解決了這一問(wèn)題，完成了整個(gè)固定針的擠壓過(guò)程。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合定針式油壓雙動(dòng)擠壓技術(shù)路線切實(shí)可行。

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