3000T铝型材挤压线拉直机设计与应用

胡 升，苏柱海，胡建国，蓝恩辉

（广亚铝业有限公司，广东 佛山528200）

伴随着铝型材在各个领域的应用越来越广泛，对挤压铝合金型材质量提出了越来越严格的要求。因此，提高铝合金型材制造工艺水平是工程师们迫切需要解决的问题[1]。

铝型材的直线度是一项重要的技术指标。直线度不良主要是热加工或热处理时冷却速度不均，收缩不一致造成的。因此，铝型材的校直是提高其品质必不可少的工艺环节。在此条件下，本文针对产线产品特点，设计研制了铝型材拉直机，重点分析其结构及技术特点。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

图1所示为拉直机整体结构图，主要由固定导轨、移动拉伸头、旋转头、固定拉伸头、拉伸杆、主拉伸油缸、液压站等部件组成。

图1 铝型材拉直机

1.2 工作原理

拉直机作业时，移动拉伸头与固定拉伸头分别夹持住铝型材两端，固定拉伸头通过插销固定在导轨上。在液压缸的作用下，移动拉伸头向后移动，材料产生塑性变形，大小不一、长短不齐的组织在塑性拉伸后长度一致，卸掉加载拉力后，材料便以相近的变形量恢复到稳定状态。

1.3 拉直机设计要求

根据线体所生产铝型材的大小、形状，得到拉直机的设计要求如下：

（1）校直方式及拉力：机械拉伸，1.58*106 N。

（2）行走速度：30 m/min。

（3）工件夹持最大尺寸：高260 mm。

（4）液压压力：24 MPa±5%。

（5）最大型材拉直长度：45 m。

（6）旋转头转速：10°/s。

（7）旋转头输出扭曲：130 N·m

2 关键零部件设计

2.1 旋转头传动系统的设计分析

在进行铝型材的拉直之前，若铝型材存在明显的扭曲、弯曲问题，需要预先进行型材的扭转，保证其相对平直。本方案采用涡轮蜗杆的传动提供旋转扭矩。根据拉直机旋转头的尺寸大小，选取涡轮、蜗杆、直齿轮的参数如表1所示。

表1 涡轮、蜗杆及齿轮参数表

则传动比i=60/1=60，涡轮蜗杆中心距：a=1/2*（d1+d2）=1/2*（300+63）=181.5 mm

直齿轮中心距：a=1/2*（d1+d2）=1/2*（150+150）=150 mm。旋转头转速为 10°/s，即 1/36圈，则蜗轮每秒钟转动的齿数为：60/36=1.7个，蜗杆的转速为1.7圈/s（102圈/min）。蜗杆的输出扭矩可表示为：

式中：T1为蜗杆的输出扭矩，N·m；T2为蜗轮的输出扭矩，N·m；i为传动比；η 为总效率，取 0.7。

由（1）得出蜗杆输出扭矩为3.09 N·m。因电机与蜗杆之间的传动采用相同的直齿轮进行传动，因此，电机的输出扭矩也为3.09 N·m。综合以上因素，选择台湾精工GH卧式三相电机，额定减速比为15，额定频率为50 Hz，额定功率为0.75 kW，额定输出转数为100 r/min，额定输出扭矩为6.8 N·m。见图2。

图2 旋转头传动系统图

2.2 夹钳系统的设计分析

拉直机的型材的夹紧采用的是夹指式自锁结构，在开始阶段，气缸需要给予一个初始的预压力F预，随着型材的拉动，夹指逆时针转动，液压缸F拉逐渐增大，作用点到轴心的距离逐渐增大，对型材的夹紧力也随着增大。见图3。

图3 夹钳系统结构图

对夹指受力点O进行受力分析，对型材的拉力F拉可分解为对型材的压力F压及对夹指的径向力F径，经过可推算出夹指产生自锁时，α的大小的公式为：

式中：夹指的摆角为α；型材与钳夹指间摩擦系数为μ。见图4。

图4 夹指受力分析图

从式1可得，夹指的摆角与夹指与型材的摩擦系数μ有关，α越大，自锁性就越好，但也会对夹钳系统产生较大的冲击力。铝型材与夹指之间的摩擦系数按照铝与钢的摩擦，取μ=0.3[2]，代入式（1）得出α≥59°。为了减小α，将夹指与铝型材的接触面加工为锯齿状，使得摩擦系数μ趋于1，代入式（1）得出α≥27°。因此，当夹指摆动角度大于27°后，夹钳系统产生自锁。

3 现场的应用

通过对其他装置如型材的提升装置、送料装置等进行设计，使得拉直机在功能上更加完善，并将其转化为了现场实际应用的产品。图5为移动拉伸头的现场实物图。

图5 移动拉伸头实物图

铝型材经挤压、淬火后，型材出现扭曲、弯曲（如图6所示），使用自行设计开发的拉直机拉直后，型材的直线度显著提高，使得生产成品率显著提升，增加了企业的生产效益。见图7。

图6 铝型材拉直前

图7 铝型材拉直后

4 结束语

铝型材拉直机有效地改善了型材的弯曲变形问题，并对整机结构、功能优化改进，在整个生产工艺过程中，各个环节动作都是用了自动化的生产方式，不仅降低了工人了劳动强度，提高了生产效率，而且产品质量、成品合格率大幅度上升。