挤压设备的发展

陈国斌 田德

摘 要：本文概括了挤压工艺的进步及与其相关设备的发展，其发展为铜、铝等有色金属，钢铁，钛、镍、锆等稀有金属材料的加工提供了先进、环保、节能的机电液（水）装备，也为材料加工业提供了创新思路。

关键词：挤压机;操作控制系统

国内有色金属尤其铝合金挤压在二十年前就得到了长足发展，九十年代末期塑钢门窗材料的出现抑制了铝合金挤压的发展。随着高铁、地铁和城市轨道交通等绿色交通的发展，以及塑钢门窗寿命小于20年等得到验证，近十年铝合金挤压又向大吨位、高精度方向发展。国内因此成长了一批企业和成熟了大批人才，设计研制了大量的挤压、出料设备、离线拉伸机等。铝合金型材、棒材、管材和异形材基本能够满足国民经济各个领域的需求与发展愿景。

1.挤压机主机

近年新建挤压机几乎全部采用拉压预应力结构。典型结构有圆柱拉杆式预应力结构和SMS的多层叠板结构这两种。

1.1圆柱拉杆式预应力结构

圆柱拉杆式预应力结构由前梁，后梁，拉杆，压柱，螺母等组成。这种机架的结构特点是用圆柱拉杆和空心压柱代替了传统的用螺母紧固的圆柱形张力柱，将前后梁用预应力组成一个刚性机架。拉杆处于拉应力状态，外层空心压柱处于压应力状态，压柱具有较大的抗弯截面。在挤压过程中拉杆的周期性应力只有传统张力柱结构的一半左右。再加上压柱有较大的抗弯截面，因而在挤压力的作用下，机架伸长和弯曲变形小，有很大的机架刚度，利于保证制品精度。直接利用机架的上两个压柱做活动横梁和挤压筒移动的上X导轨，其连线通过压机中心，再加上采用了复合调节装置，对热胀冷缩有一定的补偿作用，可少留至不留热间隙。框架内保持有较高的预应力，避免了传统张力柱结构在交变载荷下，螺母易松动，造成张力柱受力不均匀等现象。用下压套做动梁和挤压筒的下平面导轨的预应力框架提高了框架的疲劳极限。

1.2 SMS的多层叠板结构

西北铝3600吨单柱采用三层厚板（45MN四层板）作为“拉杆”，压套为结构件并为活动横梁及挤压筒的导轨提供支撑，最新出厂的挤压机已经采用了辊柱直线导轨作为活动横梁及挤压筒的导轨，太原重工也采用了叠板式拉杆。

为提高模具支撑刚度，减少加载时模具变形（尤其针对复杂断面模具），重庆12000吨单动挤压机前横梁采用了整体锻件。挤压机活动横梁及挤压筒的下导向采用平面导向或者直线导轨，上导向采用X平面导向，已经是主机设计、使用的共识。差别在于，国内厂家和SMS将下導轨直接安装在下面两个预应力压柱上;而UBE设置了独立于预应力压柱的机座，为活动横梁及挤压筒提供下水平平面导向。上部X导向对于保证活动横梁及挤压筒与模具挤压中心的左右水平方向的同心起着重要作用。而有些厂家提供的设备精度不够，上导向间隙不能留小，使活动横梁及挤压筒位置重复精度差，甚至限制了铝挤压固定垫片的使用。

2.液压系统

挤压机降低主缸液压系统公称压力（如UBE挤压机系统压力一般为21MPa），使主缸直径相对变大，便于穿孔缸及针支撑结构设计与安排，尤其适合于设置穿孔针内温水气冷却的挤压机，液压系统压力降低还使液压漏油减少。比例液压技术的应用，提高了挤压机机械化水平。非挤压的辅助时间是影响挤压机生产节奏的关键因素，挤压机机械化设备的液压控制，影响非挤压的辅助时间。为使挤压机更加高效率，大量采用液压比例控制的专用机械手，如SMS的36MN双动反向挤压机采用了挤压垫片和模具垫片共用机械手，专用机械手轴向（沿着挤压中心）移动采用伺服减速电机齿轮齿条驱动，使机械手在封闭直线导轨上高速度前后移动。机械手的大回转和小回转全部采用了比例油缸加位移传感器闭环控制，极限位置机械定位。抓垫的机械手手指也采用了比例油缸加位移传感器闭环控制，最大程度减少非挤压的辅助时间。借助机械手支撑力的可控，垫片与压余在机上进行分离。

一般工业材的挤压速度范围很大，一般为0.05mm/s至19mm/s，需要速度闭环控制挤压甚至等温挤压。由于采用了模具液氮冷却、挤压筒的强风冷却，6061型材的挤压速度已经达到16mm/s（活动横梁）。水压控制挤压机时，采用高精度比例节流阀。

挤压机油液压控制速度控制方式多样。大型和超大型挤压机主要采用了以比例变流量泵为主的控制方式，由于速度范围大，采用大泵加小泵结合的控制方式，低速时，小泵偏角在合理和灵敏的流量范围内。采用力士乐泵，以伺服阀作为变量泵的先导控制（A4VSO355HS--），泵头电磁溢流阀采用先导式溢流阀。变量泵+电磁溢流阀，是所有挤压机的基本配置方式，当挤压机负载超过公称吨位85%以上时，先导溢流阀开始溢流，这样主泵输出的流量一部分去工作缸使制品成形，一部分溢流使液压系统发热，其结果是泵头电磁溢流阀寿命一般为6～12个月。随着挤压力的增大，溢流流量也加大，为满足设定挤压速度要求，变量泵的输出也增大，造成液压系统发热。合理的配置，应该变量泵加比例溢流阀，在公称吨位内挤压时，溢流阀溢流流量最小化。变量泵控制速度外有节流阀速度控制。也有主泵电机采用变频控制，通过主泵转速的变化调整主泵输出流量，实现挤压速度的控制。

挤压结束，工作缸仍然积蓄着液压能。传统的卸压方法为多级插装阀卸压，通过插装阀先导节流阀的调整与阻尼的设置，使卸压分级并柔和;随着比例技术的发展，工作缸也采用了比例卸荷技术，卸压曲线设置为半正弦曲线，冲击振动最小;SMS新型挤压机采用了工作缸蓄能器卸压，工作缸的压力先卸菏到蓄能器，柔和平稳，压力卸到12MPa（可以设定）时，关闭蓄能器，再用阀把剩余压力卸到回油管路中，下个挤压周期开始时，已经储存在蓄能器中的压力油用于侧缸前进，加快了活动横梁的启动速度和前进速度，节省了液压能;采用正弦变量泵控制挤压速度，挤压结束，变量泵吸收工作缸压力油而卸压，卸压曲线为半正弦曲线，正弦柔性卸压快速节能、减少系统发热，必将是挤压机的发展方向。

参考文献：

[1]俞新陆.液压机：现代设计理论[M].机械工业出版社，1987.

[2]路甬祥等. 电液比例控制技术[M].机械工业出版社，1988.

[3]铝型材技术（国际）论坛文集. Lw2004

作者简介：陈国斌（1985-）， 男， 汉族，助理工程师。