挤压机的控制系统分析

贾杰

(南山集团航材园挤压厂,山东 龙口 265700)

挤压机的控制系统分析

贾杰

(南山集团航材园挤压厂,山东 龙口 265700)

随着制造业的快速发展,工业铝型材已被广泛的应用到各个高新产业,如航空、动车、船舶等.金属铝型材的成型工艺方法主要包含挤压、锻造、压延.根据挤压的成型工艺,重点阐述挤压机的控制系统.该套控制系统结合了PLC、MES、上位机四大系统,实现了生产工艺过程的在线智能化管理、可视化管理、过程控制、过程分析及产品的可追溯性.

挤压机;控制;自动化

目前用于铝型材挤压的150MN正反向双动短行程挤压机,为国际铝挤压生产线吨位最大、技术最先进的挤压设备,并通过采用大量的编码器、传感器、接近开关、通讯等辅助元件控制挤压机各部件的动作,以达到控制精度准确,实现等温恒速挤压,以确保挤压的型材断面尺寸、表面质量、各项力学性能等均合格的型材.

1 挤压机的基本组成

1.1 机械部分

机械包括框架前、后梁,压余剪刀,移动梁,挤压杆,机械手,液压侧缸,挤压筒,装锭机,推料器,交接台,压余清理站等.

1.2 液压部分

液压包括液压泵站、阀站(插装阀、换向阀、单向阀、比例阀、节流阀、调速阀、溢流阀、稳压阀、截止阀)管路等.

1.3 电气部分

电气包括断路器、接触器、继电器、接近开关、光电开关、传感器、编码器、变频器、PLC控制模块、伺服电机、通讯模块等.

1.4 软件部分

软件包括西门子S7编程软件、上位机软件等.

2 挤压工艺流程

挤压工艺流程分为正向与反向挤压.

正向挤压:型材的流出方向与挤压轴运动方向相同,特点是应用广泛,操作简单,生产灵活,截面跨度大但是摩擦力较大,对模具的磨损程度高.

反向挤压:型材的流出方向与挤压轴运动方向相反,特点是摩擦力小但是生产局限性较大,性能优越.

以上两种挤压方式虽然不同,但是整个生产的工艺流程基本一致.(1)准备工作:铝棒、模具、挤压筒等加热到适宜的温度,启动液压站,校准各部件的位置编码器、将各部件归初始位;(2)上模,将模具装到挤压机的模座上;(3)上棒,利用推料器已加热的铝棒送到装锭机钳口内;装锭机将铝棒送到挤压筒与模具中间;移动挤压筒,将铝棒放置到挤压筒内;(4)挤压杆进行加压,开始挤压;(5)利用牵引机从出料口牵引带料;(6)继续挤压至该支铝棒挤压完;(7)切压余,后退挤压筒,利用压余剪刀剪掉铝棒尾部的压余;(8)利用压余传送装置将压余传到压余料斗;(9)完成一次挤压工作,同时进入下一次循环.

3 挤压机的控制系统

3.1 上位机系统

上位机指能够直接发出相应操控指令的人机界面计算机,能够设定各种参数、显示各种动作及信号的变化.包括挤压温度、挤压速度、挤压力、温度、液位、各部件的动作状态及相关工艺参数的设定及报警故障显示,既方便了我们操作,使我们能够随时掌握设备的动作状态及设备的故障报警信息,又便于我们能够快速而准确的排除故障,实现可视化操作及管理.

3.2 PLC控制系统

PLC可编程逻辑控制器,主要包含电源模块、CPU模块、输入模块、输出模块、通讯模块等,通过编程软件STEP7-V5.5编写控制程序,当挤压机由正向挤压切换为反向挤压时,只需选择反向功能切换按钮,即可激活并执行反向控制程序,操作极为方便.

3.3 通讯系统

PLC控制系统与现场的传感器、编码器及上位机均是可以互相通讯交换数据信息的,整个挤压生产线各设备之间也是通过通讯系统进行信息数据的交换及传递,达到各设备之间动作协调与配合,减少等待时间,提高生产效率.各设备之间的信息传递与交换均是通过以太网及Profibus-DP 等通讯方式实现的.

3.4 MES系统

MES制造执行系统,把物料需求计划通过执行系统同车间作业现场控制系统联系起来,主要负责车间的生产管理及调度执行.并通过系统收集挤压生产的相关数据(同时包括设备的运行、点检、巡检、保养、检修、易损备件等)并对该数据进行分析,既可实现产品的可追溯性又可有效的做好设备保养、预防设备故障等.

4 挤压工艺参数控制

4.1 挤压速度的控制

挤压机在进行挤压工艺的过程中,要求必须保持恒定的挤压速度,如果挤压速度不稳定,那么挤出的型材表面必定会呈现波纹状态,造成表面光洁度差,且型材容易发生变形,造成断面尺寸不合格等严重影响产品的质量问题,因此控制挤压速度的稳定是挤压工艺过程的关键因素之一.为了精确的控制挤压速度,我们采用了闭环反馈的控制方式,即在上位机上手动设定一挤压速度值,然后通过模拟量转换,经液压泵站的输出流量传递形成挤压运动速度,根据各传感器等检测并将其转换为电压或电流信号,再将该信号与设定的速度模拟信号量进行比较,然后根据这两个信号量的差值经放大器等处理器来进行信号放大或转换成电磁比例阀等能够识别的电压、电流信号,这个可识别的信号反馈控制相应的电磁阀、比例阀等以控制阀开比例及液压泵站输出的流量,从而达到控制速度稳定的效果.

4.2 挤压筒的加热控制

型材的挤压工艺采用的是热挤压方式,所以挤压所用的铝棒、模具、挤压筒等都需要控制在一定的温度范围内,但是也不是温度越高越好,因为温度越高,金属的内部组织晶粒生长加快,焊缝组织粗大,影响焊缝质量.由于不同的合金加热的温度有所不同,在此就不一一列举,只重点说明一下挤压筒的加热及控制.铝棒成型的工艺过程是铝棒在挤压筒内承受三个方向的不均匀压力,使其产生塑性变形,然后通过相应的模具孔或缝隙而形成的截面积较小、长度较长的型材.在此过程中挤压筒需要承受挤压过程中的高温、高压、高摩擦作用.考虑到挤压筒内衬、中衬、外衬的膨胀系数不同,本套系统采用梯度多段式加热,可以降低挤压筒内、中、外衬的温度分布梯度,缩小之间膨胀差,从而有效地防止内、中、外衬产生裂纹或脱出,进而提高挤压筒的使用寿命.

4.3 型材的等温挤压控制

等温挤压是指在整个挤压工艺过程中,确保出料口的温度始终保持恒定的状态.下面简述等温挤压的特点.(1)等温挤压能够使型材内部组织保持稳定的变形,良好的改善并提高材料塑性,从而形成复杂的断面型材.(2)在等温的条件下完成成型工作可以有效的保证型材的质量.(3)在等温的条件下挤压可以使得铝棒在受力的情况流过模具时,保证模具的温度基本一致,从而减少模具的磨损.

挤压速度与挤压温度之间存在一定的关系,比如,提高挤压速度必定会导致挤压温度的升高,挤压温度升高反过来直接影响铝棒的受力变形速度,相当于改变了挤压速度.为了提高对挤压温度的控制,我们在挤压成型的出料口增加了高精度的红外测温仪,实时的监测挤压温度,并将此温度上传给PLC控制系统,PLC控制系统再将其与设定的挤压温度进行比较.(1)如果比较的结果是当前温度在预设的挤压温度范围内,那PLC继续按照当前的状态控制主缸速度继续挤压.(2)如果当前温度低于预设的挤压温度,那PLC控制系统会慢慢的增加主缸的速度从而提高挤压速度以达到温度一致(3)如果当前温度高于预设的挤压温度,那PLC控制系统会逐渐的减少主缸的速度,进而降低挤压速度以达到温度一致.

挤压机最为完善的控制挤压方式采用的是将挤压筒的梯度加热、在挤压筒中通入冷却介质、恒速挤压及等温挤压4种方式结合起来,以实现整个挤压过程的自动控制.

5 挤压模具的液氮冷却系统

5.1 液氮冷却的原理

为了更好的控制挤压温度,我们正在考虑增加挤压模具液态氮冷却系统进行恒温控制,同时,氮气属惰性气体,对挤压的型材不会产生影响,且氮气的沸点温度为-196℃,1kg液氮气化成-196℃的氮气时会吸收198J的热量,因此,在挤压过程中通过液氮对挤压模具温度进行实时的控制,确保在恒速挤压过程中的挤压温度保持恒定,从而真正的实现恒速等温挤压,若采用该套冷却系统,就可以将挤压速度进一步提升,可有效的提高生产效率.

5.2 液氮冷却的方法

液氮冷却模具是在模套上增加冷却通道,通过控制系统控制液氮通过冷却通道喷射在模具工作带上亦或是直接喷到模套、模垫上,吸收热量,降低模具温度,使模具温度、型材出料口温度保持在稳定温度范围内,达到恒温的目的;同时,液氮气化后,形成惰性保护,可有效提高型材表面光洁度.

6 结语

挤压工艺中最为关键的两因素是挤压速度与挤压温度.挤压速度过高,金属变形功增大,挤压温度就会升高,挤压力降低,结果导致焊合力降低,直接影响产品的表面质量及力学性能等.要做到真正意义上的恒温等速挤压就必须不断的探索研究新思路,尽可能的准确监测并控制相关的工艺参数,同时加强优化完善控制程序,争取在控制方面取得进一步突破.

[1]张君,杨合,何养民,韩炳涛,詹梅. 铝及铝合金型材等温挤压关键技术研究进展[J].重型机械 2003.

TG334.9

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1671-0711(2017)11(下)-0127-02