125MN水改油挤压机改造关键技术研究

张 君 ，侯永超 ，杨红娟 ，薛菲菲 ，段丽华

（1.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室 中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安710032；2.西北工业大学 材料科学与工程学院，陕西 西安710072）

125MN水压挤压机建成于1971年，是我国国宝级设备之一，也是当时的国之重器。125MN卧式挤压水压机由沈阳重机厂设计制造，为四柱卧式结构、内附穿孔系统，有三级压力。125MN卧式挤压水压机使我国成为继苏美之后第三个拥有万吨挤压机的国家。经过了四十多年，125MN卧式挤压水压机目前仍是亚洲最大的合金管挤压机之一；期间为我国军用、民用飞机提供了各种高精度、大规格的型材、管材、棒材[1]。

长期的使用和近些年挤压技术的迅速发展，使得这台国宝级的设备（图1）不仅显得技术落后，而且能耗极高，尤其是水压驱动元件寿命低，系统易泄露，造成工作条件恶劣，同时采用蓄势器传动方式，挤压速度等不易控制精确，虽然经过几次改造，但水驱动方式效率还是很低[2～8]。因此从2016年开始，中国重型院开始对此设备进行全面升级改造，技术升级主要包括：①驱动介质由水压改为油压；②增加设备反向挤压功能；③升级穿孔针控制技术，在提高固定针精度的情况下，增加变径管的挤压；④升级改造了整套机械化装备；⑤更新了全套电气控制系统，增加了智能化控制技术；⑥升级了后部精整系统。本文主要介绍125MN双动水压挤压机改为油压驱动的关键技术。

图1 125MN水压双动铝挤压生产线

1 125MN卧式挤压水压机改油压的关键技术

水压挤压机为水泵蓄势站传动，压力分为几个等级，125MN水压挤压机主要缸的结构形式为柱塞缸，采用水压驱动时速度控制精度较差。水压改为油压驱动，液压系统除了满足挤压速度和穿孔速度等的流量要求，还要对主要几个部件进行速度精度控制，这几个部件包括挤压杆、挤压筒和穿孔针。对于双动正反向挤压机来说，反向挤压的固定模具技术也是需要研究的关键技术。

升级后125MN油压双动挤压机的技术参数如下：

1.1 125MN水压双动挤压机结构形式

125MN双动挤压机结构形式如图2所示。

如图2所示，整机为前后梁和四个拉杆组成的框架结构，移动横梁和挤压筒在机架内部来回运动。挤压杆安装在移动横梁上，移动横梁由两个前主缸和两个后主缸驱动，移动横梁通过四个拉杆和后主缸的横梁机架相连；每个前主缸产生的挤压力为35MN，每个后主缸产生的挤压力为27.5MN；后主缸驱动的移动机架有两个回程柱塞缸驱动移动横梁回程。

传控系统为内置式穿孔系统，同时设有机械定针机构；挤压中心线上布置一个穿孔柱塞缸，中心线以外水平分别布置两个穿孔回程柱塞缸，用于穿孔系统的回程。

挤压筒移动柱塞缸布置在后梁上，来回移动挤压筒，也可在有效摩擦挤压时对挤压筒产生动力。

残料分离布置在前梁以外，将模具和残料一起移动到前梁外的主剪刀处进行分离。

1.2 挤压杆速度控制技术

挤压杆安装在移动横梁上，挤压杆的速度精度主要由移动横梁的移动速度精度来保证。移动横梁连接前主缸和后主缸，可以由前主缸和后主缸单独驱动或者联合驱动。挤压杆的速度控制就是控制前主缸和后主缸的速度。

图2 125MN双动铝挤压机结构示意图

图3 125MN双动铝挤压机挤压杆液压系统控制原理图

铝合金种类千变万化，不同的合金需要的挤压速度也是不一样的，对于高性能特种航空航天用铝合金，有时不仅要求挤压速度很慢，而且对于速度的稳定性要求很高。因此对于挤压杆的速度控制是挤压机三个重要运动部件中要求最高的[9，10]。一般来讲，铝挤压对于挤压速度的精度要求如下：

挤压速度精度v=0.2～3mm/s△v≤±5%v

v=3～30mm/s△v≤±3%v

对于挤压杆的速度控制，参见如下公式：

式中：v为挤压杆的速度；△v为挤压杆的速度变化；也就是挤压杆的速度精度；S为挤压杆的位移；△S为挤压杆的位移变化；V为主工作缸中液体流量；△V为主工作缸中液体流量的变化。从上式可以看出对于速度精度的控制，体现在对于液体流量变化的控制上。

由于液体的压缩性和伯努利方程可知，不同压力下液体的体积变化不同，因此在对液体流量和流量变化控制时，还需考虑液体压力的变化。

由于125MN双动挤压机油缸都为柱塞缸，挤压杆由四个柱塞缸驱动前进，由两个柱塞缸驱动后退，考虑到压力变化带来速度控制的不稳定性，针对此系统建立了如下的挤压杆速度控制原理。

图中，左右两个阀块分别是前后主缸的控制阀块，每个阀块上包括进液阀、排液阀和比例卸荷阀，按照主油缸要求速度确定的流量选择阀口的大小。中间阀块为主缸回程缸的控制阀块，也是设有进液阀和排液阀，排液阀上设有控制回程缸排液流量的比例阀。

比例阀选用力士乐2WCR高频响比例插装阀，其滞环精度小于0.2%，相应灵敏度小于0.1%。图4所示为此种型号比例插装阀在液体温度为40℃±5℃，主阀口压差为5bar时的名义流量曲线。

图4 WRCE系列插装比例伺服阀名义流量曲线

实际选用的是图中2WRCE40S1000L，该阀在小流量时，曲线斜率较小，即小流量时控制精度更高，而在大流量时，曲线斜率大，适合于快速排出液体。因此选用此种型号的比例伺服阀。

在回程缸排液调整流量控制挤压速度，可以消除压力波动的影响，提高速度控制的精度。通过结合挤压杆的速度/位移传感器可以实现速度的闭环控制。

速度控制精度也和设备的安装精度、四个主缸的同步精度有关系。对125MN挤压机原有的导向铜板，柱塞铜套等都进行了重制，主柱塞堆焊加工，进而提高了设备的安装精度。四个主缸的管道尽可能等长，管径也尽可能相互匹配，从而保证四个主缸的同步性。

1.3 挤压筒速度控制技术

此125MN双动挤压机不仅可进行正向挤压和反向挤压，经过技术升级之后，还可进行有效摩擦挤压。有效摩擦挤压过程中关键是挤压筒上的力量和速度控制，控制的合适，可以施加给铝锭坯最大静摩擦力，尽可能地改变铝锭坯挤压过程中的变形规律。如果速度过快，则可能使挤压筒和铝锭坯相对运动，产生漏铝的现象，而如果速度过慢，就不能对铝锭坯产生向前的摩擦力，实现不了有效摩擦挤压。

有效摩擦挤压主要控制挤压筒和挤压杆同向主动运动，而且要使挤压筒能够给铝锭坯施加有效摩擦力，按照这个要求，结合前面挤压杆的速度控制，建立的挤压筒液压系统控制原理如图5所示。

由图5可以看出：挤压筒闭合柱塞缸设有进液阀和排液阀，还设有高压比例卸荷阀，此柱塞缸接有挤压筒锁紧油泵系统，在正向挤压过程中对挤压筒进行锁紧；挤压筒打开柱塞缸也设有进液阀和排液阀，同时设有溢流阀和防止吸空的单向阀。

为了实现有效摩擦挤压，挤压杆和挤压筒均有各自的驱动油泵。挤压筒的速度由比例变量泵调整，挤压筒的驱动力由比例溢流阀调整，这样就可以对挤压筒进行速度和力量的各自闭环调整，挤压筒也就是在这两个闭环调整的基础上，实现和挤压杆的同向主动运动并施加铝锭坯与摩擦力，如图6所示。

图5 125MN双动铝挤压机挤压筒液压系统控制原理图

图6 有效摩擦挤压装置挤压筒速度控制技术路线

从图6可以看出：挤压筒控制是速度环饱和的情况下调整力量环，也就是先用比例变量泵调整挤压筒的速度，速度满足的情况下，采用比例溢流阀调整驱动力量，实现挤压筒和挤压杆的同向主动运动，进而实现有效摩擦挤压。

1.4 穿孔针速度控制和固定针技术

作为双动挤压机，穿孔针速度的控制是关键核心技术。无缝管材挤压分为随动针挤压和固定针挤压，尤其是固定针挤压，对于穿孔针的位置控制精度要求很高，固定针的定针精度要求在±1mm，穿孔针震荡精度在±0.1mm 以内[11，12]。

固定穿孔针工艺具有以下优点：①对于同一种规格的穿孔针，通过更换针前部的屏针头，可以实现较大范围管材内径的挤压。②对于直径不变化的穿孔针，采用固定针代替随动针挤压，减少了变形处内部定径带的长度，可以提高管材内表面的质量。

为了实现125MN双动挤压机的固定针和变径管的挤压，建立的125MN双动挤压机穿孔系统液压控制原理如图7所示。

穿孔缸控制阀块进液插装阀和排液插装阀、排液比例卸荷阀以及调整速度的2WCR高频响比例插装阀，穿孔缸回程控制阀块进液插装阀和排液插装阀、排液比例卸荷阀、调整速度的2WCR高频响比例插装阀以及用于固定针精度控制的高频响比例阀4WRSE。

无缝铝管有效摩擦挤压过程中穿孔针有时需要通过前进或后退调整位置，与此同时，穿孔针的受力也在发生变化，因此需要对穿孔针进行位置控制的同时，进行力量的调整，采用穿孔回程缸调整穿孔针的位置，以便实现穿孔针力量和速度两个闭环控制。调整好后进行机械锁死。

采用高频响应的比例阀4WRSE控制穿孔回程油缸油的压力和流量，通过穿孔针和挤压杆的位移传感器的数据比较，快速控制穿孔针的快速前进和后退。通过采用高频响的比例阀，快速反应的PLC和检测元件，提高穿孔油缸的响应速度，提高穿孔针的位置精度，提高管材的内表面质量。

图7 125MN双动铝挤压机穿孔系统液压系统控制原理图

1.5 反向固定模具技术

工模具是挤压产品成型的核心部件，当生产中等批量的挤压产品时，工模具的成本往往占挤压总成本的35%～50%。如在125MN挤压机上配备五种不同的挤压工具，每套工具需消耗高级合金模具钢200t以上，制造周期一年以上，耗资超过1000万元。如果使用寿命提高一倍，则产品成本降低约20%左右。有效摩擦挤压采用活动模具，在每次挤压过程中，模具被送入取出，取出后还需进行残料分离，导致非挤压时间较长，而且还需配置模具分离、送入和取出等复杂的机械化装置。

在125MN双动挤压机上研制了用于有效摩擦挤压用的固定模具挤压装置（如图8所示），降低固定非挤压时间，简化有效摩擦挤压机机械化装置结构。有效摩擦挤压用的固定模具采用卡套式模套和模轴连接，模具安装在卡套式模套内部，卡套式模套外设有膨胀环，模具和模垫之间刚性接触，模垫和模轴之间刚性接触；模轴安装在移动模架上，通过模支撑和前梁刚性接触。其优点是采用固定的有效摩擦挤压模具，简化了有效摩擦挤压机械化装置结构，减少了机械化部分的设备数量，降低了有效摩擦挤压固定非挤压时间，提高了有效摩擦挤压生产效率。

如图8所示，挤压过程中，伸入到挤压筒内的膨胀环1受挤压力胀大，与挤压筒内壁之间的接触，使得铝锭坯不会进入模轴与挤压筒之间的间隙，方便后期清理。

图8 固定模具结构示意图

2 125MN油压双动正反向挤压机试验研究

125MN双动挤压机采用以上技术进行了升级改造，如图9所示。生产了高性能精密工业铝材，用于航空航天和军工等，如图10所示。

125MN双动铝挤压机采用以上集成技术，挤压机挤压速度控制精度高、压力输出稳定，运行平稳，精度高，穿孔系统运行平稳准确，挤压筒不仅和挤压杆同步性好，而且产生的有效摩擦挤压力准确可控；挤压产品延长度方向性能稳定，无粗晶环出现，无“竹节”现象，表面质量得到大幅提高。

图9 升级改造后的125MN双动铝挤压机

图10 改造后双动挤压机生产的高性能精密工业铝材

3 结论

通过本文的研究可以得出如下结论：

（1）采用回程缸排油处插装比例阀可以精确控制挤压杆的挤压速度；

（2）采用压力和速度双闭环同步控制可以准确控制挤压筒产生的有效摩擦力；

（3）高频响的比例阀调整穿孔回程缸的压力和流量可以准确调整穿孔针的位置；

（4）固定模具技术极大地提高了有效摩擦挤压的生产率和产品质量。