雙動(dòng)反向擠壓機(jī)有效摩擦擠壓技術(shù)的研究應(yīng)用

柴 星，侯永超，蘇振華,孫 迪，韓 笑

(1. 中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.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 西安 710032；3.西安航空制動(dòng)科技有限公司，陜西 興平 713106)

0 前言

隨著各行各業(yè)飛速發(fā)展和我國(guó)綜合國(guó)力的不斷增強(qiáng)，高性能鋁合金無(wú)縫管等管線材廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航天、高鐵、核電、車(chē)輛等領(lǐng)域[1]。鋁合金無(wú)縫管主要采取熱擠壓的方式生產(chǎn)，通常使用臥式雙動(dòng)鋁擠壓機(jī)來(lái)制造[2～3]。根據(jù)擠壓方式，臥式雙動(dòng)擠壓機(jī)分正向擠壓和反向擠壓兩種類(lèi)型。正向擠壓即擠壓筒不動(dòng)，擠壓桿沿?cái)D壓方向?qū)饘馘V坯施加擠壓力，使金屬錠坯從模具口擠出，此種方式擠壓過(guò)程簡(jiǎn)單，非擠壓時(shí)間較短，但擠壓時(shí)擠壓筒與金屬錠坯存在較大的摩擦阻力；反向擠壓即擠壓筒隨著堵頭被動(dòng)沿著擠壓方向移動(dòng)，使金屬錠坯從模軸中擠出，此種擠壓方式非擠壓時(shí)間較正向擠壓長(zhǎng)一些，但擠壓時(shí)擠壓筒與金屬錠坯不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此無(wú)摩擦阻力。

在正向擠壓過(guò)程中，擠壓筒與金屬錠坯接觸面摩擦阻力較大，影響金屬錠坯在塑性變形過(guò)程中金屬流動(dòng)的均勻性，使得金屬制品的表面晶粒較為粗大，形成一層粗晶環(huán)，嚴(yán)重影響了金屬制品的表面質(zhì)量和表層力學(xué)性能，尤其是應(yīng)用于軍工上的產(chǎn)品成品率不高。然而，在反向擠壓過(guò)程中，擠壓筒與金屬錠坯之間無(wú)摩擦力，使得生產(chǎn)同規(guī)格的金屬制品時(shí)反向擠壓機(jī)所需要的擠壓力小，且金屬錠坯在塑性變形過(guò)程中金屬流動(dòng)的均勻性較正向擠壓更好一些，金屬制品表面形成的粗晶環(huán)較正向擠壓薄許多，因此生產(chǎn)出的金屬制品表面質(zhì)量和力學(xué)性能更好一些，產(chǎn)品的成品率也較正向擠壓高。

考慮到節(jié)能、提高成品率和金屬制品的質(zhì)量，國(guó)內(nèi)高質(zhì)量的無(wú)縫管材制品多采用臥式雙動(dòng)反向擠壓機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)。但金屬制品表面仍存在粗晶環(huán)，且生產(chǎn)效率不高，本文通過(guò)對(duì)正、反向擠壓的技術(shù)特點(diǎn)分析，并在反向擠壓的基礎(chǔ)上研發(fā)了一種反向有效摩擦擠壓方法，介紹了該工藝的具體內(nèi)容，最終在60 MN臥式雙動(dòng)反向擠壓機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 雙動(dòng)反向有效摩擦擠壓新工藝研究

1.1 雙動(dòng)反向有效摩擦擠壓新工藝的技術(shù)特點(diǎn)

有效摩擦擠壓實(shí)質(zhì)上是在反向擠壓的基礎(chǔ)上給擠壓筒施加一個(gè)沿?cái)D壓方向的外力(反向擠壓時(shí)，擠壓筒是被鋁錠傳遞的摩擦力帶動(dòng)沿?cái)D壓方向同時(shí)前進(jìn))，即將擠壓筒由被動(dòng)跟隨狀態(tài)轉(zhuǎn)變成主動(dòng)引領(lǐng)狀態(tài)，此時(shí)擠壓筒和鋁錠之間產(chǎn)生的摩擦力從有害力變?yōu)橛幸媪?，該力有效的提高了擠壓時(shí)金屬沿?cái)D壓方向的流動(dòng)效率，如圖1所示。

圖1 有效摩擦擠壓過(guò)程示意圖

1.2 雙動(dòng)反向有效摩擦擠壓受力分析

在雙動(dòng)反向有效摩擦擠壓時(shí)，對(duì)其擠壓過(guò)程進(jìn)行模擬分析，受力情況如圖2所示。

圖2 有效摩擦擠壓過(guò)程受力分析

當(dāng)穿孔針就位后，擠壓力開(kāi)始攀升，鋁錠發(fā)生塑性鐓粗變形后，隨著金屬流動(dòng)，在模具和穿孔針之間形成鋁環(huán)，擠壓桿逐漸擠壓前進(jìn)，最終生產(chǎn)出無(wú)縫鋁管，通過(guò)對(duì)該過(guò)程的分析，建立力學(xué)模型[9]

Pe+fc=Pm

式中，Pe為擠壓力;fc為有效摩擦力;Pm為模具對(duì)鋁錠坯的反向作用力。

Pe=βA0σ0lnλ-0.577σ0πDL

fc=0.577σ0πDL

Pm=0.25πσ0(D2-d2)

式中，λ為擠壓比；A0為擠壓筒與穿孔針之間的環(huán)形面積，mm2；σ0為變形抗力，MPa；D為擠壓筒直徑，mm；L為塑性鐓粗變形的錠坯長(zhǎng)度，mm；β為修正系數(shù)，取β=1.3～1.5，硬合金取下限，軟合金取上限；d為模具內(nèi)徑，mm；μ為鋁錠坯和穿孔針的熱摩擦系數(shù)。

1.3 擠壓筒和擠壓桿同向主動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制原理

在雙頂桿有效摩擦擠壓機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)擠壓力和擠壓筒受力與擠壓行程曲線變化趨勢(shì)規(guī)律，通過(guò)擠壓筒單獨(dú)驅(qū)動(dòng)并采用力和速度同時(shí)控制的方法，建立擠壓筒和擠壓桿同向運(yùn)動(dòng)并使擠壓筒和鋁錠坯之間產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，從而對(duì)鋁錠坯產(chǎn)生無(wú)級(jí)可調(diào)的有效摩擦擠壓力，使摩擦力得到有效利用，促進(jìn)金屬的流動(dòng)速度, 實(shí)現(xiàn)了有效摩擦擠壓工藝工業(yè)化生產(chǎn)[11]，如圖3所示。

圖3 有效摩擦擠壓裝置擠壓筒控制技術(shù)路線

2 60MN雙動(dòng)反向有效摩擦擠壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)及設(shè)備

通過(guò)本文的研究成果，在60 MN 雙動(dòng)反向擠壓機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并成功將60 MN雙動(dòng)反向擠壓機(jī)升級(jí)成60 MN雙動(dòng)反向有效摩擦擠壓機(jī)。

2.1 60 MN 臥式雙動(dòng)反向有效摩擦擠壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

某鋁合金廠家的60 MN雙動(dòng)反向有效摩擦擠壓機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2.2 60 MN 雙動(dòng)反向有效摩擦鋁擠壓機(jī)設(shè)備

60 MN雙動(dòng)反向有效摩擦鋁擠壓生產(chǎn)線如圖4所示，其本體主要由主油缸、后梁、移動(dòng)橫梁、擠壓筒、拉桿壓套和前梁構(gòu)成。穿孔油缸布置在主油缸主柱塞內(nèi)部，穿孔針座固定在穿孔活塞桿上另一端，連接穿孔針，穿孔針端部固定連結(jié)穿孔“瓶針”頭；擠壓桿固定在移動(dòng)橫梁上，模軸固定在移動(dòng)模架上，擠壓桿和模軸之間的空間用來(lái)進(jìn)入擠壓墊、空心鋁錠和模具。

圖4 60 MN雙動(dòng)反向有效摩擦擠壓機(jī)

3 60 MN 雙動(dòng)反向有效摩擦鋁擠壓機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 擠壓筒與擠壓桿獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)

根據(jù)60 MN 雙動(dòng)反向有效摩擦擠壓機(jī)工作過(guò)程原理，建立其擠壓過(guò)程有限元模型如圖5所示，擠壓桿通過(guò)單獨(dú)的液壓系統(tǒng)控制其向錠坯施力，使錠坯開(kāi)始鐓粗，同時(shí)產(chǎn)生向模具方向流動(dòng)的趨勢(shì)，當(dāng)錠坯完全鐓粗后，錠坯外表面完全與擠壓筒貼實(shí)，其向擠壓方向的流動(dòng)趨勢(shì)使其對(duì)擠壓筒產(chǎn)生摩擦力，于此同時(shí)，擠壓筒通過(guò)單獨(dú)的液壓系統(tǒng)控制其向擠壓方向移動(dòng)，由于錠坯對(duì)擠壓筒產(chǎn)生的摩擦力阻止擠壓筒沿?cái)D壓方向移動(dòng)，此時(shí)，錠坯沿?cái)D壓方向不僅受到擠壓桿對(duì)其施加的擠壓力，而且受到擠壓筒對(duì)其施加的摩擦力，這種擠壓桿和擠壓筒獨(dú)立驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，使得擠壓過(guò)程中金屬流動(dòng)速度更有利于金屬的塑性變形。擠壓制品的表面質(zhì)量更高，力學(xué)性能更好。

圖5 雙動(dòng)有效摩擦擠壓過(guò)程有限元模型網(wǎng)格劃分圖

建立60 MN有效摩擦擠壓分析模型后，對(duì)其進(jìn)行有限元模擬，同時(shí)對(duì)比反向擠壓時(shí)同條件下的金屬流動(dòng)速度，結(jié)果如圖6所示，傳統(tǒng)的反向擠壓時(shí)金屬最大流動(dòng)速度為24.5 mm/s，有效摩擦擠壓金屬流動(dòng)速度明顯高于反向擠壓，最大速度可達(dá)38.7 mm/s，金屬流動(dòng)速度最大提高58%。

圖6 兩種擠壓方法下的金屬流動(dòng)速度模擬

3.2 擠壓筒與擠壓桿同向運(yùn)動(dòng)的協(xié)同控制技術(shù)

分析60 MN 雙動(dòng)反向有效摩擦擠壓機(jī)的擠壓工藝過(guò)程，本文提出一種新型控制方法，即擠壓筒與擠壓桿同向運(yùn)動(dòng)的協(xié)同控制技術(shù)。在擠壓過(guò)程中，擠壓筒與擠壓桿分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，但又必須保證其移動(dòng)速度一致，不允許出現(xiàn)差動(dòng)現(xiàn)象，通過(guò)PLC控制單元對(duì)控制擠壓筒和擠壓桿的比例閥進(jìn)行偏角開(kāi)啟比例控制，保證其任意一個(gè)出現(xiàn)速度偏差趨勢(shì)時(shí)，另一個(gè)即隨之增加或減小控制其行進(jìn)速度的比例閥偏角。

同時(shí)對(duì)擠壓筒受力和擠壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)PLC控制單元來(lái)控制其相互成正比例影響，當(dāng)擠壓力增大時(shí)，擠壓筒受力也增大相應(yīng)比例，當(dāng)擠壓力減小時(shí)，擠壓筒受力也隨之減小相應(yīng)比例。始終保持?jǐn)D壓筒受力與擠壓力相互關(guān)聯(lián)，協(xié)同控制擠壓過(guò)程始終處于最佳狀態(tài)。

如圖7、圖8所示為有效摩擦擠壓過(guò)程擠壓力和擠壓筒與擠壓行程關(guān)系曲線，從圖7中可以看出，在鐓粗過(guò)程中，擠壓力快速上升，當(dāng)鐓粗完成后，錠坯開(kāi)始被擠出，擠壓力隨著擠壓行程的推進(jìn)，整體呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，當(dāng)行程達(dá)到100 mm，擠壓力整體趨勢(shì)呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì)。從圖8中可以看出，擠壓筒受力與擠壓力基本呈現(xiàn)一致的趨勢(shì)，通過(guò)協(xié)同控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了擠壓力和擠壓筒雖然獨(dú)立主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，但依然卻相互關(guān)聯(lián)，并成正相關(guān)的關(guān)系。

圖7 有效摩擦擠壓過(guò)程擠壓力和擠壓行程曲線圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

超長(zhǎng)無(wú)縫管有效摩擦擠壓生產(chǎn)過(guò)程為穿孔針座從擠壓桿中間穿過(guò)，前端固定連結(jié)穿孔針，其端部固定連結(jié)穿孔“瓶針”頭，導(dǎo)向套固定在穿孔針上，在擠壓桿內(nèi)來(lái)回滑動(dòng)，位于擠壓筒內(nèi)腔的擠壓墊套在穿孔針上；模具位于擠壓筒內(nèi)腔另一端，模具和模軸端面接觸固定，擠壓過(guò)程中的鋁錠充滿內(nèi)腔，無(wú)縫鋁管從穿孔針頭和模具之間擠出。

以60 MN臥式雙動(dòng)反向有效摩擦鋁擠壓生產(chǎn)線為例，擠壓筒內(nèi)徑為Φ380 mm，選擇鋁錠坯規(guī)格為Φ380/Φ115×1 000 mm，鋁合金牌號(hào)為6061，設(shè)置擠壓速度為3 mm/s，采用內(nèi)置穿孔系統(tǒng)、后端機(jī)械定針的固定針結(jié)構(gòu)，“瓶針”大端直徑Φ110 mm，針頭直徑Φ35 mm，擠壓筒溫度450 ℃ ，工模具溫度350 ℃ ，鋁錠坯溫度480 ℃，擠壓過(guò)程采用600 kg的牽引機(jī)牽引，之后用卷取機(jī)自動(dòng)卷曲。根據(jù)以上工藝參數(shù)，通過(guò)有效摩擦擠壓成形的Φ40 mm×2.5 mm的超長(zhǎng)無(wú)縫鋁管產(chǎn)品如圖9所示。采用有效摩擦擠壓方法生產(chǎn)比反向擠壓方法生產(chǎn)降低擠壓力30%，減少擠壓能耗15%，提高成品率約20%。

圖9 通過(guò)有效摩擦擠壓成形的超長(zhǎng)無(wú)縫鋁管

5 結(jié)論

(1)在反向擠壓的基礎(chǔ)上提出了一種反向有效摩擦擠壓方法。

(2)提出的臥式雙動(dòng)反向有效摩擦擠壓方法通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，生產(chǎn)出高質(zhì)量超長(zhǎng)細(xì)無(wú)縫鋁合金管。

(3)采用有效摩擦擠壓方法生產(chǎn)比反向擠壓方法生產(chǎn)降低擠壓力30%，減少擠壓能耗15%，提高成品率約20%。