125 MN正反向单双动铝挤压生产线升级改造

侯永超，张君，黄胜，李夏峰，陈永甲

(1.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西 西安 710032；2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032)

0 前言

随着我国航空航天、核电、汽车、国防军工、高铁和轨道交通等行业的快速发展，对高性能铝及铝合金型材的需求逐年增加，我国铝型材年产量超过4000万吨，是世界第一大铝型材生产国，但不是铝型材生产强国；铝型材挤压生产能耗高、效率低、成品率低、产品竞争力和附加值低等一直都是制约我国铝挤压行业由大向强发展的瓶颈。以大型工业铝型材为例，大型工业铝型材的成品率在45%～50%，按照我国现有的铝型材的产量来计算，如能提高成品率5%，降低生产能耗15%，将大幅提升我国铝型材的产品竞争力和附加值。

西南铝125 MN水压挤压机是上世纪60年代“九大设备”之一，由沈阳重型机器厂设计制造，是我国自力更生设计生产的第一台大型铝挤压设备，是我国国防工业和基础建设的关键设备，也是西南铝业的重大设备。该设备已投产50余年，由于是水压驱动，能耗很高，设备故障率逐年加大，可靠性降低，不适应目前高效节能绿色生产的发展趋势。

1 升级前的装备水平

125 MN卧式挤压机是由原沈阳重型机器厂在20世纪60年代初期设计、制造，主要用于国防军工、航空航天、轨道运输等大规格、高精度铝及铝合金、镁合金管材、棒材、型材及预拉伸排材的生产。

该挤压机为正向双动前上料形式，张力柱结构，前、后梁由四根张力柱连成整体承力构架，共有四个主缸，前面的两个主缸分别可产生35 MN的作用力，后面的两个主缸分别可产生27.5 MN的作用力。穿孔缸设在后动梁上，可产生31.5 MN的穿孔力。设备所有缸体锈蚀严重，滑板磨损严重设备精度差，只能进行正向单、双动挤压，上料设备控制和送料精度不够，不易控制，后部设备没有配备牵引机，移动锯等辅助设备如图1所示。

图1 技术升级前的125 MN铝挤压机

液压系统非常落后，为上世纪60年代技术，传动方式为泵-蓄势站传动，介质为乳化液，介质工作压力为32 MPa，充水压力为1.2 MPa，泄漏量大，消耗高。

电气控制系统控制精度不高，设备整体自动化水平底，操作困难，不能满足高性能精度型材的挤压。

该设备投入生产以来，为我国国防军工、航空航天、轨道运输等领域生产了大量的专用特种铝型材，具有重大历史功勋。但是由于受当时技术和制造能力的限制，加之几十年来的生产运行，已不能适应当前生产和技术要求，主要表现在能耗高、效率低、精度差、操作困难，因此急需进行彻底全面的技术升级。

2 关键技术升级制造

2.1 挤压机功能技术升级关键技术升级改造

在保留正向挤压功能的前提下，增加反向挤压功能，使该设备成为目前国内最大的正反向单双动铝挤压机，完善垫片运输机构改造，使上下垫片及模垫移动平稳、流畅，压余处理简洁、可靠。

首次在大型挤压机上使用反向挤压固定模具技术，使生产工艺简洁高效，如图2所示。

图2 125 MN挤压机固定模具技术

采用先进的有效摩擦挤压技术，进一步提高产品的组织性能和表面质量。

重新设计制造125 MN水压机锁键缸、垫片定位缸、挤压垫转送机倾车缸和垫片提升缸等装置；工作台改为液压油缸直接驱动。

重新设计制造制品收集机构，制品出料采用横向移出方式；在制品出料工作台方向设计制造热锯和牵引机构；重新设计润滑系统，对滑板、导柱及柱塞压盖等活动部件进行润滑。

为了适应反挤压要求，对上料装置钳口进行适应性改造，并增设清理垫接收循环装置，该装置设置在挤压筒前端下部，并对相关辅助支撑进行改造加工。

2.2 本体部分技术升级关键技术升级改造

本体部分技术升级以提高设备精度为主，采用新的工艺对工作缸柱塞进行修复。对工作缸内表面打磨、酸洗除垢；工作缸缸体柱塞压盖螺栓底孔重新攻丝，法兰螺栓用35CrMo材料更换；选用新的耐磨材料ZCuAl10Fe3对导套、压套、滑板进行改进，密封采用进口Merkel密封,确保缸体无泄漏；对机架钢滑板选用新的耐磨材料(42CrMn)进行更换，热处理表面硬度达到HRC48～52，厚度不小于3 mm，恢复并提高设备的精度，使得设备运行平稳；柱塞与动梁及穿孔动梁的连接采用带润滑的球面铰连接。

2.3 液压系统技术升级关键技术升级改造

125 MN挤压机将原水系统全部拆除，改为全新设计制造的油压系统。

该油压系统采用油泵直接传动，通过液压系统实现对压机各液压执行机构的控制。该系统由高压油泵站系统与控制阀站系统两大部分组成。高压油泵站系统主要包括：泵及泵组、泵头集成控制阀站、主油箱系统、主油箱冷却/过滤循环系统、主泵供油系统、先导控制系统、辅助油箱及液压系统、泵站管路系统、蓄能器组、保压系统等部分；控制阀站系统主要包括：前后主工作缸及大车返回集成控制阀站、穿孔缸及穿孔回程集成控制阀站、挤压筒集成控制阀站、充液系统控制阀站、移动工作台及定位集成控制阀站、制品和垫片分离剪控制阀站及定位集成控制阀站、垫片提升、倾翻装置、锁键、承托控制阀站、输料阀站、低压罐压力及液位控制阀站、备用阀块。

控制阀站采用插装式逻辑阀集成系统，分为各种功能组，靠近执行机构分布式布置，能够以优化和节能方式适应挤压程序不断变化的要求，工作负荷按照材料的变形阻力大小而相应变化，使电能的消耗减少到最小，表1所示为液压控制系统主要参数。

表1 液压控制系统主要参数

2.4 后部出料设备技术升级关键技术升级改造

原后部出料设备全部拆除，增设全新设计0.2 MN单牵引机，具备0.7 MN拔模力。牵引机和挤压机联动，牵引有效行程37 m，钳口尺寸：料宽Max0.7 m,料高Max0.55 m。

增设旁置移动热锯，要求锯切位置距焊接环±60 mm内，锯切进给速度可调，具有锯屑收集装置，沿挤压方向移动范围8 m。

设计出料工作台及其辊道和传输装置，台面辊道采用软接触高温毛毡，耐温不低于600 ℃。

设计制品平移装置及软接触料架收集装置，制品最大重量2 t，每米料重0.8 t/m(Max1 t/m)，储料台整体承重20 t，长20 m,宽6 m，间距1.2 m。

2.5 电气控制系统技术升级关键技术升级改造

原电气控制系统全部拆除，设计新的电气控制系统，挤压机新的自动化控制系统是由可编程序控制器(PLC)、远程I/O从站及操作员站(HMI)、工业以太网(TCP/IP)以及工业现场总线(Profibus-DP)、传感器及检测元件等组成。

自动化系统的设计采用分布式远程I/O从站，远程I/O从站分别设置在主操纵室、各地操纵箱、控制阀组以及主体设备附近，每个远程I/O从站通过Profibus-DP总线电缆分别挂在PLC主站上。

在主操纵室设置二个操作员站(HMI)，一台为工业控制计算机，另一台为带触摸屏功能一体化工作站，二台互为备用，以完成相应工艺设备的控制及运转状态监控任务。

操作员站与PLC之间采用工业以太网进行通讯，通过以太网100M的通讯速率进行数据交换，从而实现HMI与PLC之间的高速通讯目的，充分保证控制信号的实时性，并预留可实现压机与工厂管理网络的通讯接口。DP通讯采用专用通讯电缆，各传感器、PLC通讯具有强的抗干扰能力。PLC与远程I/O从站之间均采用Profibus-DP进行通讯，如图3所示。

图3 125 MN挤压机电控系统网络拓扑图

3 升级后技术参数和主要功能

125 MN正反向油压双动铝挤压机的主要参数为

挤压力 125 MN

穿孔力 31.5 MN

挤压回程力 8 MN

穿孔回程力 8 MN

挤压容室锁紧力 6.4 MN

挤压行程 2500 mm

穿孔行程 1650 mm

挤压速度 0.2～12 mm/s

空程穿孔速度 0～100 mm/s

实心穿孔速度 15 mm/s

铝锭坯长度 1800 mm

挤压容室直径 Ф500，Ф650，Ф800 mm

挤压容室长度 2000 mm

主剪力 5 MN

挤压铝锭坯规格 Ф485 mm，Ф635 mm，Ф785 mm

技术升级后的125 MN正反向双动铝挤压机如图4所示，主要功能有：

(1)设备具备正、反向单双动挤压功能；

(2)设备具备高精度速度闭环控制功能；

(3)设备具备牵引、热锯中断、平行移料、制品回收转移功能；

(4)设备具备与送锭机构与主机联动控制功能，确保铸锭能顺利进入挤压筒内；

(5)设备具备正、反挤压管、棒型材选择功能；

(6)设备具备闷车保护自动转换功能；

(7)设备具备挤压筒锁紧、大垫片分离剪上限位保压及穿孔缸工作机械、液压定针功能；

(8)设备具备液压油独立的循环、冷却、过滤功能；

(9)设备具备独立先导外控系统功能；

(10)设备具备故障检测、显示、报警自诊断及控制功能(故障保护)；

(11)设备具备全景式监控功能。

图4 技术升级后的125 MN正反向双动铝挤压机

4 结束语

(1)建成我国最大的正反向单双动铝挤压生产线，对我国国防现代化、地铁和轨道车辆轻量化和高速化起到重要作用。

(2)利用原有条件对现有设备关键技术进行升级改造，与新建一套同等规模的挤压生产线相比，可节省投资60%～70%，缩短时间50%。

(3)技术升级后的125 MN铝挤压生产线，自2018年1月8日投产以来，产品成材率提高5%，设备能耗减少30%，生产效率提高20%，维护成本和劳动强度降低50%以上，产品质量稳定性大幅提高，经济效益十分显著。

将一台生产工艺老化，生产精度低下的大型老旧设备，经过对关键技术研究和应用，对生产线进行全面的技术升级，开发成了一条国内最大正反向单双动铝挤压生产线，同时具有国际先进正反向挤压工艺，可用于生产大型铝合金型材、棒材和大直径薄壁管材，在技术升级过程中研制出了一系列新装备、新结构、新工艺、新挤压工具，解决了许多关键技术难题，满足了国防、轨道交通、新能源汽车、船舶、飞机等市场重大需求，为大型铝挤压机的研制，技术升级和新的铝挤压型材工艺的开发积累了经验，推动了我国大型铝挤压机和挤压技术的发展。