金属挤压机动梁精度恢复技术创新研究

王华星,杨胜泉,刘永义

(1.中铝洛阳铜加工有限公司,河南 洛阳 471039;2.博澳精密工业(大连)有限公司,辽宁 大连 116620)

金属挤压机是金属结构材料生产的重要装备,广泛应用于黑色、有色金属生产加工领域,可生产管材、棒材、线材、型材等结构形式的产品。其加工金属结构材料的方法称为挤压生产法,是金属压力加工的一种主要方法,该方法的工作原理是利用金属塑性成形特性,采取机械外力以三向压应力方式强迫金属变形,以使金属材料结构形态发生改变,实现将金属锭坯加工成需求的结构性材料。

有色金属挤压机经过上百年的发展史,其产品的材料组织成分和结构形态也在不断发展与创新,多元成分、复杂结构、精准尺寸已成为产品的发展趋势。在卧式金属挤压机挤压生产过程中,常见的质量问题就是挤压管材偏心的问题,其产品形态特性是以截面圆形管材内外径不同心(偏心)偏差、壁厚不均为显现形式,也是一个产品几何尺寸精度的问题,直接影响后续的直接使用或后道延伸工序的加工。经观察和统计发现其偏差缺陷量的大小和装备精度密切相连,一般情况下,偏差缺陷量小的可以通过后续的轧制、拉伸工序或机加工进行纠正,超过一定数值偏差缺陷量大的制品,将无法继续加工或使用,只能直接报废。此类质量缺陷将导致产品成材率、生产效率的下降和制造成本的上升,影响企业的健康发展。

大型金属挤压机具有造价高、结构庞大、机械寿命长的特点,在生产实践维修应用中存在着解体难、维修成本高的状况,同时也存在因维修时间长影响产品市场稳定的问题。精准施策、降低维修难度、缩短维修工期、减少维修成本是一个重大的维修课题。

1 挤压机精度研究与分析

分析卧式金属挤压机产品质量缺陷产生原因时,首先分析的是挤压机是否正常完好、状态精度是否在许可范围内。经过挤压机结构和应用形态分析,可以知道其运动部件的磨损、承压件的规范度、挤压工具完好状态等都是引起挤压管材产生偏心的因素。一般情况下,及时在工装方面采取预防和纠正措施,生产时即可有效减轻和消除产品的缺陷,达到下游工序或客户的需求。常规采取的措施是通过调整或更换滑板来弥补运动件磨损量,通过更换合格的生产工具实现工装稳定,通过增加补偿体或解体拆卸加工维修挤压动梁承压区域的恢复基准。

在以上涉及设备精度恢复的因素中,前两项措施相对容易和经常实施,后一项措施挤压动梁承压区域维修存在难度。挤压动梁因其结构庞大,位置特殊,在其承压区域纠正变形存在着技术复杂、经济代价大、长期得不到解决的现实问题。因而,在这里我们研究和剖析卧式挤压机挤压动梁承压区域的形态变化,从而达到解决管材生产中产生偏心缺陷的问题。

1.1 挤压机结构分析

金属卧式挤压机是使用最广泛的挤压机,以水平方式安装。主要由机械框架部分、液压部分、辅助机械化和电气部分组成。

机械框架为设备的主体结构,是我们研究的重点。多数挤压机机械框架采用三梁四柱式的预应力结构,即前横梁、挤压动梁、后横梁和预应力框架力柱。挤压动梁依附在框架力柱的导轨上,是一个双向运动结构件,其动力由液压缸提供,在挤压动梁上还装有挤压杆、穿孔系统等生产性工具。预应力框架内还有X型导向的挤压筒座、供锭机构、残料分离机构和滑动模座等其他附属结构部件。

1.2 机械结构件受力与变形分析

机械框架作为工作核心单元,框架内各种动态要素在此发生相互作用,形成一个封闭力的作用体。主要承受作用力的部位是动梁承压面、前梁承压面,以及相关挤压生产工具,如承压垫、挤压杆、垫片、模具等。

工作中,液压缸柱塞的作用使得挤压动梁产生水平作用力,通过挤压工具传递给热态挤压锭坯,使得锭坯发生定向形变,达成预定设计几何结构的产品。在锭坯形变的过程中,由初始低于挤压中心线的偏载力形成作用力与反作用力,逐渐向近似中心线演变,同时工装和锭坯自身还存在一定的向下的重力。在挤压作用力、反作用力和工装及锭坯重力等力的共同作用下,必然会产生与挤压中心线方向有一定偏差的合力。通过以上受力分析,我们即可得知实际挤压力的中心线和机械框架结构的中心线存在一定的差异。

我们再分析一下,生产过程中,在挤压合力作用下,受力体的变形情况。生产中挤压合力处于一种交变状态,挤压动梁及前梁承压区域的局部沿受力方向产生弹性变形,当受力区域超过材料许可应力,结构就会产生永久塑性变形。由于挤压工具采用的是热处理后4Cr5MoSiV类别的合金钢材料,其强度和硬度远高于主机动梁承压区域基材(中碳钢)的材料性能,变形的部分就必然体现在动梁的承压区域。同时工作中合力方向还受到铸锭尺寸规则性、基体位置等方面的影响,存在不定向转移的现象,随着受力时间的推移,在挤压冲击力的作用下,承压区域也遵循强者愈强弱者愈弱原则,受力端面局部结构性的塑性变形就会加大。变形超过设计许可范围后,导致设备工作基准发生由量到质的变化,工作精度降低,生产中挤压产品管材、型材就会出现壁厚不均、偏心等现象,无法进行后续加工和使用。

1.3 挤压管材偏心的调整

卧式铜及铜合金挤压机生产管材时,产品质量精度常规设计为偏心率≤6%。设备运行初期或经过精度调整后,在一定时段内精度是可以保证达到设计范围内的。但是随着挤压生产持续运行,在各种内外因素的影响下,出现滑道磨损、基体局部变形,导致挤压运动精度下降,超出许可范围,造成管材产品偏心、壁厚不均。设备纠偏策略,常规采用以下几种主要措施:

(1)采取偏心垫片的方式。采用在挤压动梁承压区域变形面加偏心调整垫片来减少制品偏心率的措施。主要措施是:当设备中心线工作中发生偏离之后,调整滑板位置或挤压工具位置也无法恢复到设计许可范围内时,通常采用拆除挤压生产工具系统后,对挤压动梁承压区域端面进行中心线同轴度、垂直平面度等方面检测。测量工具主要选用千分尺、千分表、平尺、垂吊等,对于大型挤压机,也可借助激光经纬仪、水准仪、全站仪等手段检测。根据检测结果,对于变形区域采用相应的局部补偿,补偿多采用斜垫片方式。实践中检测到动梁承压区域端面变形,存在沿中心线下180°范围内不定向的现象,变形最大的不一定在正下方,受压力大的地方压缩量最大,形成侧向斜面。通过测量薄厚区间,加工制作一面倾斜、另一面平面的圆形斜垫片,安放在对应的变形区,不规则的局部凹陷还可补偿薄垫片,增加贴合度,从而改善承压区域端面垂直度,实现对中纠偏的目的。

(2)通过定期大型维修方式。设备解体大修是一种完全补偿方式,在专用机加工设备上对动梁承压区域端面进行修复,实现原始设计的基准和功能。主要方法是:挤压动梁解体后,在维修工厂对动梁承压面磨损和变形件区域进行补焊修复,然后进行机加工;或者直接对动梁承压区域端面进行机加工,然后增加平垫片的补偿方式,恢复该部件的原始设计尺寸精度,最后重新组装挤压机各零件、部件,使整个设备的精度恢复到原始设计。

2 适应现代设备精度恢复的技术创新

企业装备技术团队对企业多年来挤压机生产纠偏工作实践经验,进行充分、全面、系统性总结和分析,并开展对国内五十余台在用大型卧式铜、铝挤压机及其他有色金属挤压机应用情况调研,及专业咨询,结合企业卧式挤压机现场实际,提出在线修复的设想,联合专业机床公司技术人员成立课题组,共同分析、探讨和研发,经多次方案优化和模拟试验,研制出一套可以在挤压机不解体的情况下、快速在线处理动梁承压区域端面不平度的机械加工装置。应用后,成功恢复挤压动梁承压区域端面精度及设备基准精度。

2.1 创新设计理念

抛弃大修方能恢复设备精度的传统观点,运用精准施策、靶向用药的思路解决关键问题,把设备精度调整问题和修理问题区分开来,明确调整界限范围,从而使复杂问题简单化。创新思路重点是以问题、目标、结果为导向,针对挤压机设备基准精度的特点,抓住动梁机械结构精度决定运动精度这一关键要素,寻找如何用最经济、最简便、用时最少的方法,进行设备动梁承压结构功能恢复,达到解体大修此关键部位修理的效果。

2.2 创新设计方案

课题组团队深度开展分析研究,制定了创新工作方案,即在设备不解体的情况下,设计一种非人力驱动的特殊机械加工装置,对挤压动梁承压区域已经发生变形的承压端面进行机加工,加工后使得承压端面平面规则化,且与挤压中心线处于垂直的相对关系,实现在线修复,此加工装置命名为在线端面加工装置。

(1)工作原理。该创新方案是一种特殊的机械铣削加工方式。工作时首先将特制的在线端面加工装置安装在挤压动梁上适宜的位置上定位,然后手动将装置上双头刀具调整到合适的加工位置,启动装置主电机,驱动传动齿轮系统,双头刀具开始公转和自转运动,控制刀具的铣削进给量,实现对挤压动梁端面缺陷切削加工,通过循序渐进的、多层次的铣削加工操作,达到预期的尺寸精度。

(2)设备组成。主要有支承系统、操作机构、回转机构、驱动系统、切削机构和电气部分(图1)。支承系统包括:上盖、支承板、联接板、固定基座,上盖安装在支承板上方,支承板通过联接板与固定基座连接。利用挤压梁上的螺孔定位紧固,固定在挤压梁上。操作机构包括:手柄、支架、若干组齿轮传动模块,支架安装在支承系统上,手柄安装在支架上,手柄与齿轮传动模块连接,若干组齿轮传动模块依次传动连接。

1-支承系统;2-操作系统;3-回转机构;4-驱动系统;5-切削机构图1 在线机械结构加工装置总图Fig.1 General drawing of online mechanical structure processing device

回转机构包括:回转体由回转主轴、旋转基板、手动回转传动系统组成,通过手动达到360°旋转。驱动系统、刀具和电气部分由电机、齿轮转动系统,主轴组成。切削机构包括:刀体、旋转刀体、主轴移动套筒、齿轮,齿轮安装在主轴上端,移动套筒安装在齿轮上,主轴下端连接旋转刀体,旋转刀体上安装若干刀体。电气部分通过开关、接触器、小型编程器形成相关控制。

(3)基本参数。外形尺寸:高690 mm,宽800 mm,长1 500 mm;电机1kW,主轴转数196转/min;进刀行程200 mm;手动轮旋转一圈,回转盘回转移动2.84 mm;可采用手动操作方式和巡航两种操作方式。

(4)主要工作步骤。利用挤压动梁上工装专用螺孔,将在线端面加工装置定位、紧固在挤压动梁端面上。刀具装在旋转刀架上,转动铣头上螺母,调整刀具高度。开动电源铣头旋转,利用升降螺母,调整切削深度,确认后即可转动手轮。转动手轮需人工操作,根据刀具切削状况,确定手轮旋转速度。回转旋转360°后,利用升降螺母调整两次吃刀量,重复之前操作顺序,直至将所需修理的端面加工完成。

3 创新技术应用

3.1 挤压机应用现状

某铜加工厂的40MN铜及铜合金卧式双动挤压机,目前是国内生产品种最复杂、规格最多、综合功能最强的一台大型挤压机,产品涉及紫铜、黄铜、青铜、白铜四大系列,规格涵盖外圆直径Φ60～Φ300 mm的管、棒、型材,设计管材产品的偏心率<6%,产品广泛应用于国防军工和高端科技领域。该挤压机已投产运行20余年,因其处于生产重要地位及企业生产经营所需,从未进行过解体功能恢复性修理。生产运行中管材产品偏心问题经常发生,常规纠偏措施稳定时间短,且偏心超出6%的许可范围,长期困扰生产顺利进行。

40MN挤压机挤压动梁是一个大型的核心部件,重量约45 t,安装挤压机的框架结构中。偏心问题严重超标无法正常生产时,技术团队对挤压动梁系统结构情况检查,发现挤压杆(生产工具)有严重的头部下沉现象,偏差最大的为偏向操作一侧,下沉方向与中心垂线约35°,最大偏差量6.3 mm。拆卸挤压杆后对承压区域端面(图2)检测,端面与挤压中心线不垂直,采用激光经纬仪配合深度尺检测,端面偏斜方向和挤压杆的下沉方向成对应关系,最严重的变形与中心线垂直面偏差8 mm,严重变形是导致系统精度降低的主要原因。

图2 动梁承压端面结构示意图Fig.2 Schematic diagram of bearing end structure of moving beam

3.2 挤压动梁承压端面在线修复的实施

首先,拆除挤压动梁上安装的相应工装件,如挤压杆固定法兰、挤压杆、穿孔针及其相连的支承系统、挤压承压垫等挤压工具。

第二,清理挤压动梁上固定法兰的端面及螺纹孔,检查端面的平整度,并确认此端面相对完整程度。以挤压动梁上固定法兰的端面为基准,检查动梁承压区域端面变形程度,经检测相对原始结构,塑形变形最深区域为观察正对方向面左侧偏下,其深度7.83 mm,另外中心水平线左侧处变形深5.42 mm,右侧处变形深3.78 mm,上部处变形最浅区域深1.68 mm。

第三,采用4只M64双头螺栓将本在线端面加工装置框架固定在挤压动梁原固定法兰的端面上,用塞尺检查连接缝隙,调整至与挤压动梁端面平行。安装好刀架,根据加工平面大小调整伸缩刀架至合适的区域,此处双头刀具自转工作直径调整为300 mm,用专用工具把铣刀调整至最外加工面,锁紧铣刀螺丝。然后将铣削加工量调整控制在0.2 mm左右。

第四,端面铣削加工。接通电源并启动,刀架在传动系统作用下旋转,手动匀速转动铣刀架机械装置,沿环面铣削加工约30 min旋转360°。加工一周后,刀具退出加工面,停止加工,人工检查加工实际量,并根据加工情况制定下道次加工率。再次通过松开和紧固铣刀锁紧螺丝,调整刀具的位置,给定下道次的铣削加工量。然后再次沿环面进行铣削加工。经过约20 h、40余次在360°环面上进给量调整的循序渐进铣削加工,完成了挤压梁承压端面变形量高达7.83 mm的修整工作。

第五,经检测,修复后承压面表面粗糙度Ra为3.2,平面度()为0.03,与挤压梁端面平行度(∥)为0.05。加工结束,复检确认承压端面加工量8.05 mm,做好加工档案记录。停电电源,拆除电源线,将本装置从挤压动梁上拆除下来。存放到指定专用区域做好相关保养和保管工作。

最后,对挤压动梁基准功能恢复成果验证,根据加工量选择和安装高强度过渡承压垫片厚度为8.00 mm±0.03 mm,用以补偿加工切削量,恢复原始设计尺寸和精度。回装合格的挤压杆、穿孔针及相关的零部件,恢复挤压动梁的结构完整性。

全面检测挤压机静止和动态相对位置精度,调整挤压动梁、挤压筒外壳、穿孔动梁进行相关调整,挤压杆的水平度为0,整机中心线同轴度(⊙)∮0.1,试生产60根TUIΦ110 mm×8 mm管材制品,所有制品偏心率≤4.6%,满足产品质量要求,挤压机恢复正常挤压生产工作。

经过修复后,经两年应用的统计,40MN挤压机生产规格Φ212 mm×11 mm的白铜管材(最容易产生偏心的管材制品规格),偏心率≤5.6%。生产其它牌号的铜及铜合金管材偏心率均没有超过5.68%。维修一次可保障6个月以内不会出现超标的问题,可以确定以6个月作为承压区域端面维修周期,按此周期操作维修量小,维修时间可以控制在2个班次时间内完成。

3.3 在线端面加工装置应用成效

该项技术应用后,效果显著。首先在企业内部推广应用,及时修复某铜加工厂的40MN、31.5MN和30MN卧式挤压机等挤压动梁受力端面,减少挤压管材偏心报废率,降低后续轧管机、拉伸机的生产难度,极大地提升产品的成材率,保证了产品质量。经统计同比提高挤压成品率大于5%,可节约大于80%的辅助调整时间,降低相应备件加工费用以及非计划调整期间动能的损耗,3台挤压机年度同比增效160余万元。

4 结论

40MN挤压机挤压动梁在线修复技术,经过企业技术团队和机床专业制造厂家两年多的时间共同研发,2019年10月成功投入应用,实现了在挤压机本体不解体条件下,进行核心巨型部件—45t挤压动粱承压端面垂直度的修复,恢复了设备的调整基准。该挤压机挤压动梁承压端面修复的处理方式,与现有承压端面变形必须采用楔垫片的中心基准的修复方式进行比较,减少了维修频次,基准恢复精准可靠,提高设备中心基准的恢复效率,设备运行稳定周期长,缩短了维修时间和降低了维修费用,进一步保证了设备中心基准的恢复及时性和可靠性。

该在线修复技术的突破和应用,成功解决了卧式挤压机挤压管材偏心调整的技术难关,解决了长期以来高成本解体维修的难题,及时纠偏和解决阶段性设备稳定性问题,具有先试先行创新领先的代表性。该技术可以应用到国内数百台类似大型铜、铝卧式挤压机上,具有广泛的示范效应和推广价值。