拉直機鉗口自鎖及拉斷預(yù)防與保護關(guān)鍵技術(shù)研究

代英男，張大維，楊作為，鐘偉添，劉俊平

(1.遼寧忠旺機械設(shè)備制造有限公司，遼寧 遼陽 111003； 2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

在中國科技水平不斷發(fā)展和提高的今天，高端工業(yè)鋁材已成為軌道交通等各領(lǐng)域最重要的應(yīng)用基礎(chǔ)材料。隨著2、7系鋁合金的廣泛應(yīng)用，對拉直機的拉伸力及拉伸穩(wěn)定性要求越來越高。隨之而來的技術(shù)問題也更難攻破，其中如何保證拉伸過程中鋁材被夾緊而避免 “脫齒”、如何預(yù)防鋁材被拉斷而發(fā)生危險、如何降低拉斷后沖擊力對設(shè)備的損傷等是所需要解決的保證拉伸穩(wěn)定性核心問題。

本文將對比總結(jié)以往拉直機設(shè)計經(jīng)驗，針對問題闡述相關(guān)設(shè)計注意事項及設(shè)計方案，對今后設(shè)計拉直機提供一定的參考及依據(jù)。

1 拉直機設(shè)備組成

拉直機主要由主油缸、主拉伸、尾拉伸和路軌組成。拉直機在工作時通過主尾拉伸的鉗口夾緊型材兩端，尾拉伸通過插銷等結(jié)構(gòu)固定在路軌上，主拉伸由主油缸驅(qū)動發(fā)力，將型材拉伸至屈服極限以上，使其產(chǎn)生塑性變形，以達到拉直、去除內(nèi)部應(yīng)力以及性能強化的作用，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拉直機主要結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鉗口自鎖

拉直機鉗口形式主要有楔形虎鉗式、凸輪壓刀式和豎直夾緊式，其結(jié)構(gòu)原理及適用工況各不相同。其中楔形虎鉗式鉗口因其自鎖的結(jié)構(gòu)原理越來越多的被應(yīng)用于中大型機臺中，可有效避免“脫齒”。

圖2 鋁棒“脫齒”后的現(xiàn)象

2.1.1 楔形結(jié)構(gòu)設(shè)計

楔形虎鉗式拉直機主要由機體、滑塊、齒板、夾緊油缸組成，其結(jié)構(gòu)及拉伸時受力如圖3所示。其中T為鋁材拉伸力，N為機體給滑塊的支撐力，f為滑塊與機體的摩擦力，F(xiàn)n為夾緊力，T0為油缸給滑塊的預(yù)緊力，u為機體與滑塊間的摩擦系數(shù)，設(shè)齒板與鋁材夾緊所需要的摩擦系數(shù)為μ2，忽略滑塊、齒板自重及預(yù)緊力T0。

圖3 拉直機結(jié)構(gòu)及拉伸時受力圖

根據(jù)圖3，列平衡方程可得

Fn=N(cosα-μsinα)，T=N(sinα+μcosα)

設(shè)定μ=tanβ,則

2μ2=T/Fn=tan(α+β)

即齒板與鋁材夾緊所需要的摩擦系數(shù)μ2的大小取決于α與β的總和，由于自潤滑銅板耐磨和易更換的特點，目前國內(nèi)滑塊與機體間大多采用此結(jié)構(gòu)，試驗得μ=0.1，則β=5.7°，為定值，所以α為唯一變量。整理經(jīng)驗數(shù)值，當(dāng)α為20°和25°時，得μ2為0.24和0.3，經(jīng)過實際應(yīng)用，自鎖效果好，可以滿足2、7系鋁材的拉伸自鎖要求。實際數(shù)據(jù)，當(dāng)α為26°時，且此時滑塊與機體為鋼與鋼摩擦，取μ=0.15，β=8.5°，得到μ2為0.34，實際生產(chǎn)中夾緊6系鋁材，可以實現(xiàn)自鎖，但夾緊7系鋁材，會有偶爾的 “脫齒”現(xiàn)象，經(jīng)改進，將滑塊與機體之間改為自潤滑銅板與鋼摩擦，脫齒現(xiàn)象消失，自鎖效果好，此時μ2=0.31。當(dāng)滿足各狀態(tài)鋁材的拉伸自鎖，需要μ2≤0.31，即滑塊與機體采用自潤滑銅板與鋼摩擦?xí)r，α角需小于26°，可以滿足自鎖要求。

2.1.2 夾緊油缸微量補償

在拉伸過程中，鋁材在夾緊力作用下會產(chǎn)生微量變形，此時如果夾緊油缸位置保持不變則鋁材很容易出現(xiàn)水平方向的滑移，嚴(yán)重時將出現(xiàn)“脫齒”現(xiàn)象。針對此問題，液壓系統(tǒng)設(shè)計了鉗口夾緊油缸微量補償功能，當(dāng)鋁材出現(xiàn)微變形時，夾緊油缸繼續(xù)伸出，保證鋁材一直處于夾緊狀態(tài)，有效避免滑移現(xiàn)象，進而防止“脫齒”。另外液壓系統(tǒng)還設(shè)計了松鉗口時主缸微量回退補償功能，有效地解決在拉伸結(jié)束、主缸泄壓結(jié)束時鉗口依然打不開的難題。

2.2 斷前預(yù)防

6系和7系鋁合金的力學(xué)性能對比如圖4所示。由于2、7系鋁合金屈服強度為6系鋁合金的2倍左右，所以需要拉伸力更大，且6系鋁合金拉伸率大，屈服曲線明顯，幾乎不會出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象。而2、7系鋁合金拉伸率低，脆性大，且屈服點不易捕捉，導(dǎo)致2、7系鋁合金拉伸過程中受力更敏感，更易被拉斷,如圖5所示。因此，控制系統(tǒng)集成斷前預(yù)警程序，會實時判斷拉伸數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)自動中斷拉伸進程或者降低拉伸速度，從而最大程度的避免鋁材被拉斷。

圖4 6系和7系鋁合金的力學(xué)性能對比

圖5 鋁棒拉斷圖

2.2.1 超長度拉伸強制低速模式

如圖6所示為鋁材拉伸全過程數(shù)據(jù)圖。屏蔽拉直機啟動對傳感器干擾所產(chǎn)生的力Fo，檢測拉直機空載拉力Fa，10 ms作為一個周期采集一組壓力傳感器信號，每5個周期作為一步，分步計算當(dāng)前拉伸力Fb與Fa的差值，得出鋁材繃直拉伸力FΔ,從此時間節(jié)點計算設(shè)定的拉伸比，根據(jù)GJB1741A-2008相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如果拉伸長度達到拉伸率3%，則系統(tǒng)將會強制降低拉伸速度95%，通過消除速度影響的方法防止鋁材被拉斷。而且，即使鋁材被拉斷，因拉伸速度很小，對機構(gòu)產(chǎn)生的沖擊力也很小。

圖6 鋁材拉伸全過程數(shù)據(jù)圖表

2.2.2 穩(wěn)壓補償

拉伸過程中，油缸非做功腔依靠系統(tǒng)控制持續(xù)給壓，保證與作功腔存在壓差值PA，系統(tǒng)通過自編寫的PID算法控制這個數(shù)值在合理范圍內(nèi),根據(jù)拉伸時做功腔壓力的變化調(diào)整非做功腔的壓力值，進而保證拉伸過程機構(gòu)運行的穩(wěn)定性。

2.2.3 拉伸力及速度自動補償匹配

當(dāng)拉直機達到最大拉伸力而不能完成工藝要求時，系統(tǒng)在拉直機拉不動鋁材時自動判斷拉力抖動及變化，如果抖動嚴(yán)重，則系統(tǒng)強制中斷拉伸動作，以防止繼續(xù)拉伸時鋁材被拉斷或者鉗口崩齒,如圖7所示。

圖7 拉伸時在241坐標(biāo)點拉力抖動，終止拉伸

2.2.4 形變掉壓保護功能

拉伸過程中，如圖8中在838坐標(biāo)點已經(jīng)顯示拉伸力降低，則系統(tǒng)默認(rèn)鋁材拉伸過度，立即中斷拉伸，防止鋁材被拉斷。

圖8 拉伸時在838坐標(biāo)點拉力降低，終止拉伸

2.3 斷后保護

斷后保護主要以液壓系統(tǒng)為主，減少鋁材拉斷時造成的沖擊，最大程度保護液壓系統(tǒng)和設(shè)備本體，同時降低斷料時產(chǎn)生的安全隱患。

2.3.1 有桿腔拉伸布置

拉直機主油缸驅(qū)動輸出分為無桿腔和有桿腔(圖9)兩種，通過對比分析，當(dāng)采用無桿腔輸出拉伸，當(dāng)拉斷時，因兩腔面積差，有桿腔排油不及時導(dǎo)致油量極速增加，會在有桿腔產(chǎn)生高于系統(tǒng)壓力幾倍的液壓沖擊，嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)、油缸密封和機械結(jié)構(gòu)。改為有桿腔拉伸后，當(dāng)拉斷時在無桿腔產(chǎn)生的沖擊為系統(tǒng)壓力的幾分之一，可有效降低拉斷時對系統(tǒng)及設(shè)備的沖擊。

圖9 有桿腔拉伸布置圖

2.3.2 主油缸斷料保護

為保證工作可靠性，液壓系統(tǒng)采取壓-流-泵-閥聯(lián)控模式，在油缸進回油管路上均設(shè)計有安全泄壓閥，而且回油管路上設(shè)計有壓力傳感器。當(dāng)鋁材被拉斷時，回油腔壓力瞬間增加，此時回油腔液壓閥工作，減小回油腔的壓力；與此同時，壓力信號觸發(fā)進油管路上的泄壓閥打開并減小油泵的輸出，以減小進油腔的壓力。通過以上控制模式，可在鋁材被拉斷的瞬間將沖擊降到最低，最終減小對液壓系統(tǒng)及設(shè)備本體的損傷。

2.3.3 夾緊油缸高壓保護

鉗口夾緊油缸設(shè)計高壓保護功能，當(dāng)斷帶后，鉗口受工件回彈力影響，鉗口夾緊油缸無桿腔將迅速升壓，高壓保護可有效解決爆管現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

拉直機在拉伸過程中的鉗口自鎖、斷前預(yù)防與斷后保護是保證拉伸工藝穩(wěn)定性及提高設(shè)備使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)。通過楔形虎鉗式鉗口與夾緊油缸微量補償功能的設(shè)計可有效保證鋁材在拉伸過程中越夾越緊；通過自動化程序與定比例拉伸相結(jié)合，可滿足斷前預(yù)防要求；通過改變油缸布置方式并增加液壓系統(tǒng)的相關(guān)保護，可實現(xiàn)拉斷后的緩沖保護。本文中所采用的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)過實踐證明，可作為今后設(shè)計拉直機的參考。