鋁型材牽引機(jī)如何適應(yīng)輕薄鋁型材的探討

黃漚東

摘 要：針對(duì)牽引機(jī)在鋁型材擠壓生產(chǎn)中需要適應(yīng)越來越多種類規(guī)格，結(jié)合目前在用牽引機(jī)的實(shí)際狀況，探討適應(yīng)輕薄鋁型材牽引機(jī)的改造方案。

關(guān)鍵詞：牽引機(jī);鋁型材;輕薄;改造

1 前言

鋁型材作為當(dāng)今最為流行的建材之一，它的物理機(jī)械特性良好，導(dǎo)電導(dǎo)溫，在電子、化工、機(jī)械、航空等領(lǐng)域使用越來越廣泛。

而在鋁型材生產(chǎn)過程中，擠壓是鋁型材生產(chǎn)最為關(guān)鍵的一個(gè)工序。鋁棒加熱后進(jìn)入擠壓機(jī)，擠壓機(jī)將鋁棒從模具里擠出，在滑出臺(tái)形成一條幾十米筆直的型材。然后進(jìn)行拉直，鋸切成標(biāo)準(zhǔn)長度的鋁材。

擠出時(shí)型材是否成型完整，尺寸標(biāo)準(zhǔn)，表面無缺陷、磕碰，決定了產(chǎn)品是否合格。除了模具因素外，擠壓鋁型材時(shí)，前部有牽引機(jī)對(duì)型材施加一個(gè)恒定的力進(jìn)行牽引有利于鋁材成型。不僅可以使模具里的鋁液能更順暢擠出，也可以把擠出的鋁材拉直，避免冷卻彎曲，減少在滑出臺(tái)的碰撞，比較有效的保證了擠出產(chǎn)品的質(zhì)量。在這個(gè)需求下，牽引機(jī)的研發(fā)步入快速發(fā)展階段，產(chǎn)品也日趨成熟。在新投入的生產(chǎn)線，牽引機(jī)已經(jīng)成為標(biāo)配。

但隨著近些年工業(yè)鋁型材的開發(fā)使用及個(gè)性化定制越來越多，客戶的需求當(dāng)中出現(xiàn)了許多即薄又寬的料，當(dāng)擠壓壁厚在0.8mm左右的鋁型材時(shí)，對(duì)牽引機(jī)的適應(yīng)性提出了更高的要求，而目前大部分主流的牽引機(jī)無法適應(yīng)這類特別材料的生產(chǎn)，因此需要對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造。

2 目前市面上主流的牽引機(jī)類型。

2.1 牽引機(jī)的基礎(chǔ)機(jī)型

圖1為國外廠家在國內(nèi)推廣的牽引機(jī)類型，單軌雙機(jī)頭牽引，機(jī)頭上安裝有動(dòng)力裝置，可實(shí)現(xiàn)鋸切與牽引一體化。早期的牽引機(jī)考慮的是牽引力與穩(wěn)定，因此制作的比較厚重，采用鏈條進(jìn)行拖曳，可以適應(yīng)比較大噸位的擠壓機(jī)。在擠壓速度比較快的小噸位擠壓機(jī)比較難適應(yīng)。有了以上兩點(diǎn)的局限性，針對(duì)1800噸以下擠壓機(jī)的市場，國內(nèi)牽引機(jī)廠家在近十年間設(shè)計(jì)了不少的改進(jìn)機(jī)型。

2.2 兩種使用較廣的牽引機(jī)改進(jìn)機(jī)型

圖3 是為了減少場地限制研發(fā)出來的三機(jī)頭牽引機(jī)，即把鋸切功能單獨(dú)分離出來，制作了一個(gè)同步鋸，而牽引的機(jī)頭則分為上下導(dǎo)軌，不需要進(jìn)行交接，兩個(gè)機(jī)頭都可單獨(dú)進(jìn)行反復(fù)牽引運(yùn)動(dòng)。機(jī)頭返回速度不需要太快，基本滿足中小擠壓機(jī)的生產(chǎn)需求。

2.3 牽引機(jī)目前使用的情況概述

圖1-3中牽引機(jī)是國內(nèi)牽引機(jī)目前在用的主流機(jī)型，在1800噸位生產(chǎn)線以上選擇時(shí)，基本是以圖1為機(jī)型選型，800-1800噸一般選擇圖3機(jī)型，也有部分選擇輕量化的圖1機(jī)型，800噸以下基本就是圖2機(jī)型。國內(nèi)目前鋁材使用大部分集中在建材領(lǐng)域，因?yàn)榻ㄖ牧嫌袊倚袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，厚度尺寸都有一定的要求，因此生產(chǎn)建材工藝難度不算太高，牽引機(jī)都能符合建筑鋁材的生產(chǎn)需求。

然而隨著鋁材在其它領(lǐng)域的開發(fā)運(yùn)用，更多的尺寸規(guī)格出現(xiàn)，特別是一些用于裝飾的工業(yè)材，即寬又薄，鋁材米重較輕。這類鋁材一般會(huì)選取1000噸以下擠壓機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，擠壓機(jī)生產(chǎn)這類材料時(shí)，使用上述3種牽引機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)出現(xiàn)了各種各樣的問題，導(dǎo)致成材率較低。

3 面對(duì)輕薄鋁材，牽引機(jī)所遇到的挑戰(zhàn)

3.1 輕薄鋁型材突破時(shí)的難題

擠壓機(jī)生產(chǎn)輕薄鋁型材時(shí)，當(dāng)?shù)诙О暨M(jìn)入擠壓出料，滑出臺(tái)上面第一支生產(chǎn)出來的鋁材駁接著第二條鋁材由靜止開始向前運(yùn)動(dòng)，前方牽引住鋁材的牽引機(jī)頭也開始由靜止加速牽引。

鋁材的出口速度V=（S1xV1）/S2

S1：擠壓機(jī)盛錠筒截面積

S2：輕薄鋁型材的截面積

V1：擠壓機(jī)主缸擠壓速度

擠壓機(jī)主缸擠壓速度在擠壓突破初始階段的速度曲線圖如下：

可以看到擠壓機(jī)的速度一旦突破后，馬上就會(huì)以一個(gè)比較陡的速度上升，說明此時(shí)的加速度比較大。由于是輕薄的鋁材，截面積比較小，擠壓機(jī)盛錠筒的截面積通常會(huì)是鋁型材截面積的50-100倍。因此擠壓機(jī)的擠壓速度在10mm/s時(shí)，鋁材出料口的速度可能已經(jīng)達(dá)到了1M/s。這里會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題，就是牽引機(jī)的加速度不夠大，從而造成在瞬間出料的時(shí)候，滑出臺(tái)的鋁型材因?yàn)闋恳龣C(jī)的不及時(shí)牽引，導(dǎo)致鋁材拱起，造成彎曲或者碰撞周邊而報(bào)廢。此情況在擠壓速度越快越容易出現(xiàn)。

3.2 牽引機(jī)拉細(xì)鋁材尺寸難題

如圖1所示，在生產(chǎn)時(shí)牽引機(jī)頭一直拉住鋁材，在擠壓完成的瞬間，牽引機(jī)頭是具有重量慣性向前的，而此時(shí)擠壓已經(jīng)停止，牽引著的鋁材在瞬間充當(dāng)了機(jī)頭剎車的作用?？拷＞叨说匿X材還在高溫狀態(tài)，一經(jīng)拉扯，高溫狀態(tài)隨即被拉長。從我司實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中測得，末端2-3米的長度經(jīng)過這一扯，偏差可以達(dá)到0.1-0.2mm厚度，如果是管狀類薄料外觀尺寸偏小達(dá)到5%。這末端的一段已經(jīng)不合格，從而造成成材浪費(fèi)。

牽引機(jī)頭在停止瞬間其實(shí)都有做剎車動(dòng)作，但是鋁材本身已經(jīng)是一個(gè)硬連接，剎車動(dòng)作哪怕需要零點(diǎn)幾秒動(dòng)作，鋁材已經(jīng)在瞬間被牽扯了。機(jī)頭越重，速度越快，鋁材被拉細(xì)的效應(yīng)則越明顯。

4 解決問題的思路

4.1 解決牽引機(jī)在擠壓初始時(shí)啟動(dòng)慢的問題

處理這個(gè)問題從兩方面著手，第一方面：優(yōu)先將牽引機(jī)的加速度提起來，讓機(jī)頭更靈活。我們知道加速度a=F/M，要想加速度越大除了配置一定功率的動(dòng)力，剩下的就是降低機(jī)頭重量。

a）圖1機(jī)型降低重量方面可以考慮將一些部件可以由原來的鋼材轉(zhuǎn)而用更輕的鋁材制作，架子等實(shí)心部件也可以轉(zhuǎn)為用空心替代。

在傳動(dòng)方面機(jī)頭由130米長的鏈條拖動(dòng)，摩擦阻力較大，在圖1機(jī)型可考慮改進(jìn)為鋼絲繩傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。由于該牽引機(jī)機(jī)型采用六角鋼結(jié)構(gòu)，摩擦阻力較大，只能調(diào)直軌道并在底部安裝多組滑輪。

也有部分廠家考慮機(jī)頭上液壓做動(dòng)力太過沉重（包含液壓油箱，電機(jī)、泵、閥塊，油缸、油管等，總重量超過70KG），將液壓動(dòng)力改為全電氣動(dòng)力。

通過上述幾方面的改進(jìn)，整機(jī)頭的重量可以縮減至原來的二分之一。但是由于該機(jī)型為帶飛鋸，P1機(jī)頭還攜帶了近50KG的鋸切裝置，15KG的噴油裝置，機(jī)頭的絕對(duì)重量較大，軌道摩擦力也比較難降低，因此該機(jī)型經(jīng)過改進(jìn)后，適應(yīng)到最低機(jī)型為1000噸。

b）圖2本身就是為適應(yīng)800噸以下的機(jī)型開發(fā)的簡易牽引機(jī)，在反應(yīng)速度上是可以滿足需求，但是其導(dǎo)軌于簡單，快速時(shí)擺動(dòng)大，不能完全適應(yīng)高精度的鋁材生產(chǎn)。

c）圖3機(jī)型，將鋸切系統(tǒng)與噴油系統(tǒng)分離出來單獨(dú)作為一個(gè)機(jī)頭，這樣有效降低了P1的重量。除了減輕機(jī)頭重量，將軌道改為工字鋼結(jié)構(gòu)，底部4組底輪，有效的降低了摩擦系數(shù)。但是該機(jī)型經(jīng)過輕量化的改進(jìn)后，由于需要精準(zhǔn)的與鋸切機(jī)頭同步，必須采用鏈條傳動(dòng)，限制該機(jī)型進(jìn)一步降低自重，最終能適用到800噸機(jī)型。

綜上所述，我們對(duì)比3種機(jī)型以及它們的改進(jìn)潛力，單從機(jī)頭重量方面來說圖2的簡易結(jié)構(gòu)最為理想生產(chǎn)輕薄料。

針對(duì)機(jī)頭啟動(dòng)慢的第二個(gè)方面是選用反應(yīng)速度快的電機(jī)，目前主流牽引機(jī)都使用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，它不僅反應(yīng)速度達(dá)到毫秒級(jí)，而且還可以設(shè)置相對(duì)牽引力，即在鋁材啟動(dòng)瞬間，它會(huì)加大加速度保持與鋁材間的力矩，從而使機(jī)頭更為迅速的啟動(dòng)。

4.2 解決牽引機(jī)拉細(xì)料的難題

我們根據(jù)慣量公式F=M*V知道：當(dāng)機(jī)頭質(zhì)量越大，則慣性越大，速度越大，慣量也越大，牽引機(jī)在停止時(shí)牽扯鋁材的力也越大。在之前已經(jīng)討論了如何降低機(jī)頭的重量，我們還可以從另外兩個(gè)地方減少機(jī)頭停止時(shí)候的牽扯力。

a）由于現(xiàn)在的擠壓機(jī)都安裝了長度測量傳感器，比如磁力尺，拉線編碼器等，可以設(shè)定在何處時(shí)擠壓完成，那么我們可以通過修改擠壓機(jī)程序，在擠壓完成之前提前發(fā)出完成信號(hào)，這樣可以使?fàn)恳龣C(jī)頭有時(shí)間來進(jìn)行剎車動(dòng)作，由驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī)來給個(gè)反向力抵消向前慣性。一般我們根據(jù)擠壓速度，設(shè)置提前0.5秒左右發(fā)出停止信號(hào)，然后伺服電機(jī)設(shè)置好減速制動(dòng)時(shí)間，可以調(diào)試得比較好的抵消那瞬間牽扯力。

b）如果擠壓速度較快，在0.5秒內(nèi)可能比較難完成剎車，我們就只能在速度上想辦法。由于鋁材擠壓會(huì)產(chǎn)生熱量，長期的高速擠壓會(huì)導(dǎo)致出口溫度過高，因此一般的擠壓機(jī)都設(shè)置了擠壓末端衰減速度，因此可以在末端將速度降到一定的程度，讓牽引機(jī)能夠以比較慢的速度停止，從而解決了拉細(xì)料的難題。

5 綜合后得到的改進(jìn)方案

從上面三種牽引機(jī)遇到的挑戰(zhàn)分析改進(jìn)來看，我們得到了以下的結(jié)論：

要解決反應(yīng)速度快，圖2的簡易結(jié)構(gòu)是最好的。

機(jī)頭采用鋁材材質(zhì)，導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)采用工字鋼結(jié)構(gòu)，同步鋸采用直線導(dǎo)軌，伺服控制系統(tǒng)等，我們綜合到的牽引機(jī)改進(jìn)類型如下圖：

6 結(jié)束語

目前我們改進(jìn)的輕量化、三機(jī)頭的牽引機(jī)已經(jīng)能基本滿足我們現(xiàn)在的生產(chǎn)需求，但是隨著鋁型材運(yùn)用到不同領(lǐng)域，客戶的需求也會(huì)不斷變化，由此引發(fā)生產(chǎn)工藝對(duì)牽引機(jī)提出更高的要求。因此牽引機(jī)仍舊需要在穩(wěn)定性，耐用性兩方面不斷的提升，用新的制造技術(shù)及控制技術(shù)來不斷完善，使我們的牽引機(jī)在面對(duì)復(fù)雜種類的鋁型材生產(chǎn)也能從容不迫。

參考文獻(xiàn)

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[3]電工技術(shù) 2018/02期刊