高速履带式连续拉拔机的设计研究

2014-12-28陈朝伟张荣欣

钢管 2014年5期

陈朝伟，张荣欣

（广东冠邦科技有限公司，广东佛山 528311）

拉拔是指用外力作用于被拉金属的前端，将金属坯料从小于坯料断面的模孔中拉出，使其断面减小而长度增加的加工方法。由于拉拔多在冷态下进行，因此也叫冷拔或冷拉。拉拔具有尺寸精确、产品表面光洁、生产效率高、拉拔工具和设备简单、维护方便等优点，在管/棒/型材加工中的应用很广泛［1-3］。连续式拉拔机是拉拔棒材、线材、管材的设备，对其进行研究很有必要［4-7］。

1 连续拉拔机的发展现状

目前，常用的连续拉拔机分为凸轮式和履带式两大类。

凸轮式连续拉拔机已经过三十多年的实践验证，其技术相对成熟。由主电机驱动的两个双面圆柱凸轮（完全相同但相位相差180°，安装在同一传动主轴上）分别带动两个拉拔小车做往复运动；当装有夹钳的两个拉拔小车从前向后交替移动时，即可连续不断地将坯料拉出模孔，从而实现对坯料的连续拉拔［8-10］。

对于凸轮式连续拉拔机来说，由于坯料是由两个拉拔小车交替实现拉拔的，同步性难以精确保证。若后面的拉拔小车快，则使坯料形成二次拉伸；若前面的拉拔小车快，则会出现坯料在两个小车之间拱起的现象。拉拔速度的波动，会影响成品表面质量及尺寸精度，对于小规格坯料，可导致坯料折断迫使拉拔中断。速度越高，两个小车的同步差异越明显，工作时拉拔速度一般在50～120 m/min。在金属精整生产线中，定尺飞锯（剪）通常是连续拉拔机的后道在线配套设备，定尺精度与连续拉拔速度的均匀性成正比关系。目前，由于采用凸轮式连续拉拔机的精整生产线一次锯（剪）切后无法满足产品的定尺精度需要，而在其后增加了二次精锯切工序；因此降低了产品的成材率，增加了能耗和生产成本，并容易造成产品表面划伤［8-10］。

与凸轮式连续拉拔机相比，现有的履带式连续拉拔机是近十余年逐渐发展起来的新技术，具有明显优势。由于闭环链条不存在同步差异，履带式连续拉拔机也就实现了真正意义上的连续拉拔。

国外的高速履带式连续拉拔机虽然有技术优势，但由于价格偏高，加上售后服务反应周期较长，大多数国内企业不能接受，导致国外的高速履带式连续拉拔机难以在国内推广。但是由于国内生产厂家在关键技术上尚未攻克，因此目前只能做拉拔速度较低的低端履带式连续拉拔机。

2 连续拉拔机的发展趋势

国外能设计、制造高速履带式连续拉拔机的制造商有意大利达涅利、德国西马克等企业。而国内目前仅有江苏一家企业可以制造，但产品仍处于试用阶段，尚未大范围推广应用。

近年来，同样作为铜管铸轧生产线关键设备的三辊行星轧管机，轧制速度越来越快，壁厚越来越厚，作为三辊行星轧管机后道工序的连续拉拔机的速度必须相应提高才能匹配。履带式传动较为平稳，容易实现高速运转，国外高速履带式连续拉拔机的运行速度高达400 m/min，拉拔效率是凸轮式连续拉拔机的2～3倍。作为金属加工领域管/棒/型材生产中关键的加工、精整设备，高速履带式连续拉拔机将是今后实现大规模生产管/棒/型材的首选。

综合研究国内外连续拉拔机行业的发展历史与现状，可发现高速、连续是拉拔机发展的必然趋势，而目前能实现高速、连续拉拔的只有履带式连续拉拔机。

3 高速履带式连续拉拔机的特点

凸轮式连续拉拔机与履带式连续拉拔机的速度比较如图1所示。

图1 凸轮式连续拉拔机与履带式连续拉拔机的速度比较示意

从图1可以看出：使用交替抱钳的拉拔系统不能保证恒定的拉拔速度；每个夹钳行程更换时，使用双凸轮时坯料的速度下降2%～4%，使用单凸轮时坯料的速度下降6%～8%，而履带式连续拉拔机为匀速。拉拔速度的不连续性意味着将对拉拔成品的质量和长度锯（剪）切公差产生负面影响。

目前，市场上常见的普通履带式连续拉拔机主要存在以下缺陷：①链条与压紧装置之间是滑动摩擦，影响链条的使用寿命，且会产生发热现象；摩擦产生较多的金属屑，导致拉拔产品的含铁量超标；最高拉拔速度只有100 m/min。②夹钳压块为橡胶制品，易磨损，更换频繁且更换困难，工作量大，耗时长。③采用牵引杆引头方式，效率低，劳动强度大。

高速履带式连续拉拔机采用了金属块式夹钳，其400 m/min的拉拔速度是凸轮式连续拉拔机和普通履带式连续拉拔机不能相比的。与凸轮式连续拉拔机相比，高速履带式连续拉拔机可以通过压力反馈系统，自动调节块式夹钳对坯料的压紧力，较凸轮式连续拉拔机的压痕轻。

凸轮式连续拉拔机与高速履带式连续连拉机的受力分析如图2～3所示。

图2 凸轮式连续拉拔机受力分析示意

图3 高速履带式连续拉拔机受力分析示意

由图2得：

由图3得：

式中f——摩擦因数。

凸轮式连续拉拔机采用楔形夹钳结构，为了减少夹钳打滑，其楔角α通常取3.5°～5.0°，由式（1）计算得到凸轮式连续拉拔机的夹紧力2R为12～16T（材料表面的压力较高）。履带式连续拉拔机块式夹钳与坯料的摩擦因数f为0.10～0.15，由式（2）计算得到履带式连续拉拔机的夹紧力2R大约为10T。由此可见，凸轮式连续拉拔机作用于材料表面的力（夹紧力）最大为拉拔力的16倍，而履带式拉拔机最大夹紧力为拉拔力的10倍。

高速履带式连续拉拔机采用拉拔链加惰性滚动链的双层结构设计，两链条都实现了滚动摩擦，可有效避免金属屑和发热现象的产生；金属块式夹钳采用了燕尾槽加球头联合定位的结构形式，装卸便捷、维护简易；采用上下链条，快速分开，驱动拉拔小车快速引头，提高了生产效率。

综上所述，高速履带式连续拉拔机有以下技术特点：

（1）生产率高。拉拔有色金属材料时，拉拔速度高达400 m/min。

（2）成品质量好。采用电子控制的液压压力闭环系统，夹钳作用在坯料上的单位压力较小。

（3）生产成本低。在工作条件和操作性能相同时，与凸轮式连续拉拔机相比，可节省约10%的能源。

（4）设备利用率高。可以快速更换拉拔链和链架，整套块式夹钳的更换时间小于20 min。

（5）装配简单。由于采用自对中履带式组合，所以不需要调整夹钳。

（6）结构简单，维修成本低。

（7）拉拔后材料的直线度较好。

（8）速度平稳的拉拔能够保证高质量的产品及定尺锯（剪）切精度，定尺精度高达±1 mm（凸轮式连续拉拔机难以达到该精度）。

（9）噪音低，设备维护简易，自动化程度高。

4 GB-LLB-8型高速履带式连续拉拔机

高速履带式连续拉拔机通过上下链板间的压力夹紧坯料，链条传递拉拔力，使拉拔力持续而均匀。

广东冠邦科技有限公司自主研发的GB-LLB-8型高速履带式连续拉拔机主要由上链系统、下链系统、机架、拉模、主传动、夹紧机构、引头机构等部件组成。GB-LLB-8型高速履带式连续拉拔机如图4所示。

4.1主要技术参数

管坯规格 Φ25～35 mm

拉拔速度 0～400 m/min（拉拔力大时速度相应降低）

拉拔力 80 kN

主电机功率 280 kW

4.2 设计计算

4.2.1 压下力矩

链架压下受力情况如图5所示。

图4 GB-LLB-8型高速履带式连续拉拔机

图5 链架压下受力情况示意

曲轴转矩M可由下式计算：

式中e——曲轴偏距，mm。

已知 T=80（kN），f=0.10～0.15，θ=45°，e=50（mm），代入式（2）～（3）得：曲轴转矩 M=16 000～25 500（N·m）。

如果油缸的压臂为300 mm，则油缸规格可选Φ80 mm，工作压力11～17 MPa，曲轴转矩M=16 600～25 600（N·m）。

4.2.2 链架、曲轴受力分析

链架和曲轴的应力分布情况如图6~7所示。

图6 链架应力分布

通过分析链架和曲轴应力分布情况发现，链架承受拉拔机的压紧力呈水平分布，应力集中在中间缺口周边，在不加厚链架的情况下，调整中间缺口的位置并加大圆角，可以改善链架的强度，满足设计的安全系数；在额定载荷作用下，曲轴前轴肩处局部的应力较大，适当缩短曲轴偏距，并加大前轴外径，可提高曲轴整体的机械性能。

图7 曲轴应力分布

4.3 设备结构与原理

4.3.1 可调整模座

拉拔模与拉拔坯料的同心度会直接影响到产品的尺寸偏差，尤其是管坯的壁厚偏差及模具的使用寿命。由于加工装配过程中不可避免地存在误差，因此拉拔模必须各方向可调、具备固定功能，操作方便。采用球面配合，均布的4件螺栓顶紧的结构方式，通过调整4颗螺栓的压下量，可实现模座在任何方向的摆动和锁紧。

4.3.2 快速引头小车

拉拔机的引头方式较多，连接牵引杆方式自动化程度较低，油缸多次反复拉拔方式的效率低。GB-LLB-8型高速履带式连续拉拔机利用上下链打开的空间，直线导轨导向，借助拉拔链条外销轴来驱动引头小车，实行了单次完成拉拔引头。拉拔小车夹钳副由气缸控制同步开合，导向面为20°斜锥面，可给坯料提供足够的夹紧力，且结构紧凑。

4.3.3 链条系统

链条系统是高速履带式连续拉拔机的关键部件，由链架将链轮、外链、惰链及张紧装置组合成一体，可分为结构相同的上下链系统。链条系统如图8所示。

图8 链条系统示意

当普通履带式拉拔机链条传动时，链条主要承受拉应力，而高速履带式连续拉拔机，其上下链压紧力非常大，且高速运动，必须减少链条与链架之间的摩擦力。将滑动摩擦转变为滚动摩擦是降低摩擦因数的有效方法。根据直线轴承的结构和传动原理，惰链滚柱由铜链板（保持架）连接，形成封闭链，并以导轨为导向。惰链设在外链和链架中间，大大减少了设备的磨损、发热及噪音。

外链由内外链板、销轴和滚套等组成，销轴从链板两侧伸出，并装有滚套，与双链轮滚动啮合，形成双链轮带动单链条的结构，提高了传动的平稳度。

惰链加外链的双链条组合结构给链条张紧提出了难题，必须解决链条单独张紧问题。因此，利用外链两端的链轮支撑，惰链从两链轮中间自由通过，由此对惰链进行单独张紧。在链架中间增加压紧机构，则可实现惰链和外链的同时张紧。

夹钳装在外链中间链板上，虽然为合金材料，使用寿命长，但数量较多，工艺调整时需要更换规格。简单快捷的锁紧机构在此发挥了很好的作用，其结构如图9所示。锁紧机构由定位球、顶销、弹簧和限位销等组成。当人工推动顶销，同时侧向拉夹钳时，定位球落到顶销的缺槽中，夹钳与内链板脱离；当松开顶销，同时将夹钳从侧向推入，顶销在弹簧作用下自动复位，定位球被顶起，卡在夹钳中间的定位槽中，快速完成打开或锁紧动作。

图9 锁紧机构示意

4.3.4 压下系统

引头时需要将上下链条打开，便于引头小车通过。正常工作时，上下链条需要夹紧坯料进行拉拔。链条的开合由压下系统完成，由液压缸驱动下曲轴摆动，上下曲轴通过扇形齿轮啮合，实现同步运动。曲轴选用适当的压紧角，可以较小的摆角实现较大开口度。液压系统中的伺服阀根据压力继电器检测到的拉拔力动态准确地调整压紧力，用尽可能小的压紧力满足连续拉拔的需要。

4.3.5 相位调整机构

坯料的拉拔靠夹钳提供的摩擦力来完成。夹钳固定在上下链架上，且存在节距。为确保夹钳对坯料有足够的摩擦力和尽可能小的压紧力，上下夹钳必须对齐。在拉拔过程中，上下链条的变形量是不同的，所以需要经常调整上下链条的相位。相位调整机构通过摩擦力实现分配箱输出轴与链轴的快速离合，相位无级可调，方便可靠。