双动铝挤压机液压固定针技术的实现

丁建文，杨 涛，郑守东

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；2.营口忠旺机械设备制造有限公司，辽宁 辽阳 115000)

0 前言

目前，铝及铝合金无缝管材主要在双动铝挤压机上生产，固定针挤压工艺是双动铝挤压机广泛采用的一种挤压工艺，穿孔针定针的精度直接关系到产品的质量。双动铝挤压机的定针方式主要为液压定针和机械定针两种，液压定针方式的双动铝挤压机相对于机械定针方式而言，结构紧凑，设备成本低。

1 液压固定针挤压的机械结构及工艺

图1为正向双动铝挤压机的液压定针机械结构，其主要特点为采用内置式，穿孔装置与穿孔活塞杆9通过导向机构相连内置于主柱塞10中，挤压杆6和穿孔针5上分别设有位移传感器8，用于检测挤压杆的绝对位置和穿孔针相对于挤压杆的相对位置。液压固定针挤压时，挤压筒3将送至挤压中心的坯料2套住，穿孔针前进穿过坯料中心通孔直至进入模具1，到进入定针带设定距离后停止，挤压杆6前进，坯料2被墩粗,当达到的坯料突破压力后，坯料从模具1出口挤出，形成管材制品，挤压过程中穿孔针与模具的相对位置保持不变，当挤压至预留压余位置时挤压停止，挤压筒3和挤压杆4退回，完成一次挤压。

图1 液压固定针挤压的机械结构

2 液压固定针挤压的工作原理

图2为正向双动铝挤压机的液压定针原理图，液压控制系统主要由穿孔缸和主缸的变量供液泵、进液阀和排液阀等组成。挤压时根据工艺设定的挤压速度，主缸变量泵7运行，以相应流量通过主缸进液阀8向主缸供液，驱动挤压杆以设定速度前进，同时穿孔缸变量泵1以一定排量通过穿孔缸活塞杆腔进液阀2向穿孔缸活塞杆腔供液，穿孔缸活塞腔通过活塞腔排液阀3排液，同时高频响应比例阀4以一定较小的排量排液对进液量进行微调。当穿孔针的绝对位置发生变化时，高频响应比例阀的开口度变化，从而该阀的排量调整，穿孔针相对于模具的绝对位置得以保持。当根据工艺需要挤压速度作调整时，穿孔缸变量泵1的排量跟随主缸变量泵7的排量变化，同时高频响应比例阀的排量作调整，使得穿孔速度跟随挤压速度的同时，定针位置保持不变。

图2 固定针挤压的液压原理

3 液压固定针挤压时穿孔针的受力情况

挤压时穿孔针在挤压方向主要受到油缸的支撑力、坯料流动变形时对穿孔针的摩擦力及金属流动变形时对针尖的推力。

Fx=Fy-Fz

(1)

式中，Fx为油缸对穿孔针的支撑力；Fy为坯料流动变形时对穿孔针的摩擦力；Fz流动金属对针尖的推力。

式(1)可近似为

(2)

式中，σb为挤压金属在当前挤压温度下的抗拉强度；f为挤压金属材料与穿孔针之间的摩擦系数；L1当前挤压坯料的长度；D1为穿孔针的直径；D2为穿孔针的针尖直径。

由式(2)可看出，挤压时穿孔支撑力随挤压长度的减小而减小，为维持平衡，穿孔活塞杆腔的压力做适当调整以保持穿孔针稳定。

4 液压固定针的控制原理

虽然能近似地将挤压时穿孔针的受力状态公式化，但在真实的挤压过程中，由于受到挤压速度、温度、挤压材质流动性及挤压填充程度等的影响，穿孔针的受力情况远比公式复杂，且考虑到变量泵、电磁阀等的响应特性及油缸、液压油等，很难获得准确的穿孔针定针数学模型。PID调节是被控对象数学模型为未知时广泛采用的一种控制手段，非常适合液压固定针挤压时的情况。

图3为实际挤压时采用PID闭环反馈控制的的液压定针控制方式。系统检测挤压杆的位置变化，计算出实际挤压速度，根据挤压速度值计算穿孔针保持固定不动时穿孔缸的进液量，转化成穿孔缸供液变量泵驱动控制放大板的电气信号值，穿孔缸供液变量泵输出相应流量到穿孔缸；根据穿孔针位移传感器位置及挤压杆位移传感器位置，得出穿孔针相对于模具的位置，与固定针设定值比较，得出定针偏差。定针偏差与挤压速度分别经控制器以合适的PID参数计算拟合后相加，计算并输出高频响应阀控制放大板的电气值，高频响应阀通过开口度变化对穿孔缸的进液量做精确调整，对定针位置做快速微调使得穿孔针的位置控制在误差范围内。

图3 液压固定针控制框图

5 结 论

该液压固定针工艺及相应机械、液压和控制方式在16MN双动铝挤压机和25MN反向双动铝挤压机上得到应用，挤压机工作时定针精度小于1 mm，满足制品质量对固定针定针精度的要求。