新型銅包鋁水平連鑄牽引機的設計

2012-04-12 00:00:00丁龍

中國新技術新產品 2012年6期

摘要：設計開發了一種新型銅包鋁水平連鑄牽引機，該牽引機由動力系統、傳動系統、牽引系統和可調底座四部分組成，其牽引精度高，能保證牽引及反推精度誤差控制到在10μm以內，時間精度控制在10ms以內，輸出響應無延遲；牽引線可調性好，有效保證了牽引線和結晶器出料中心線重合；牽引機結構簡單，維修方便；采用PLC控制伺服電機來實現牽引，可抗電磁干擾。

關鍵詞：銅包鋁；水平連鑄；牽引機；結晶器

中圖分類號：TF77文獻標識碼：A

1.概述

水平連鑄工藝始于五十年代，該技術最早應用于有色金屬生產。后來，美國Davy-Loewy公司、日本鋼管公司、美國通用汽車公司以及西德T.G公司等迅速發展了水平連鑄技術，現已經實現了普通鋼和特殊鋼水平連鑄的工業化生產。與傳統金屬制備工藝相比，由于水平連鑄技術具有以下特點，被公認為是提供高質量鑄坯的高精尖的連鑄新技術。

1）鑄機設備高度低，無需建高大廠房，特別適用于中小型車間；

2）水平連鑄機設備結構簡單，設備重量比弧形機少40%，故基建投資較省；由于設備水平放置，安裝維修方便；

3）中間包與結晶器練成一個整體，避免了二次氧化，鑄坯的純潔度高，可以澆鑄的金屬液范圍大；

4）由于鑄坯是按水平連鑄方式拉出的，無需矯直。

隨著有色金屬加工工業的不斷發展，對水平連鑄帶坯成品質量的要求越來越高，牽引機控制系統的可靠性和精確性決定了帶坯的質量和產品的成材率，所以對連鑄牽引機的要求也越來越高。

銅包鋁是一種銅鋁雙金屬復合材料，目前生產銅鋁復合材料大多采用固相結合法，即通過塑性變形使兩金屬結合面接近到原子間距離形成大量的結合點，經過擴散熱處理最終形成界面的牢固結合，如軋制壓接法包覆焊接法、連續擠壓包覆法、和靜液擠壓法，但這些方法都有其不足之處，而銅包鋁復合水平連鑄工藝可大大簡化銅包鋁復合材料的生產工藝，降低生產成本，而且易于實現生產的連續化和自動化，是一種新型銅鋁復合加工方法。

銅包鋁水平連鑄是雙金屬連續鑄造，鑄造條件要求較一般鑄造較高，其既要滿足銅管的鑄造質量，又要求能夠使鋁液在銅管中按照設計的模式進行凝固，還要求銅鋁復合界面能夠達到冶金結合。所以相應的在鑄造過程中對牽引機提出了較高的要求：（1）牽引精度高，反推精度誤差控制到在10μm以內，時間精度控制在10ms以內，輸出響應無延遲。（2）設備穩定，可在三維空間調整位置，牽引控制系統的可靠性和精確性決定了鑄坯的質量和產品的成材率。本文意在通過對牽引機的研究和設計能夠解決以上所存在的問題。

2. 結構設計

根據銅包鋁水平連鑄的特點并結合實際生產的經驗，確定新型牽引機的設計方案。新型牽引機能夠滿足以下要求：牽引線三維可調。由于各種原因，結晶器的出料軸線每次都會有所變化，為了保證結晶器的出料軸線與牽引線共線，這就要求新型牽引機的牽引線必須三維可調。2、牽引機正反轉間隙要足夠小。水平連鑄牽引工藝一般通過控制牽引機的正轉、停、反轉、停這四組動作和動作時間，來實現坯料拉-停-反推-停的牽引工藝，動作執行時間通常很短，從幾毫秒到幾秒，這就要求新型牽引機必須有足夠小的正反轉間隙，以防止間隙消耗動作執行時間。3、牽引機能方便更換牽引輥，隨著牽引輥的磨損和牽引坯料的改變，都需要更換牽引輥，這就要求新型牽引機一定要能方便快速地更換牽引輥。4、牽引機易與其他設備配套實現自動控制。

根據以上要求設計出來的新型牽引機主要包括動力系統、傳動系統、牽引系統和可調底座四大部分。

2.1動力與控制系統

如圖1所示，動力系統由伺服電機、減速機組成，用PLC控制水平連鑄工藝中牽引動作的執行，即通過PLC控制伺服電機的正轉、停、反轉、停這四組動作和動作時間，來實現坯料拉-停-反推-停的牽引工藝。

自動控制系統構成：坯料連鑄過程控制采用集電氣控制、儀表控制和計算機控制三電一體的PLC控制系統，提高了控制的安全性和可靠性。PLC主站有控制機一臺，PLC都配置有主機架、電源、CPU模板(具有Profibus DP通訊接口功能)、以太網通訊接口模板、高速計數模板以及數字量和模擬量輸入/輸出模板。

以上設計體現了編程方便，可操作性強的特點，能夠實現牽引節距、牽引時間、牽引停時、及退程、退時等動作命令的準確執行，牽引參數的設定、修改和存儲等則在觸摸屏上完成。

2.2 傳動系統

傳動系統由主動齒輪、從動齒輪和聯軸器等組成，主動齒輪安裝在牽引系統的下牽引輥主軸上，主軸通過聯軸器與動力系統中減速機輸出軸聯接。從動齒輪為同軸的兩個齒輪，兩個從動齒輪通過漲套固定在一起，共同安裝在下牽引輥軸上，并且正轉和反轉時分別與主動齒輪嚙合，從而消除齒側間隙，保證了牽引機在正轉和反轉時都能瞬間嚙合，縮短或消除了齒側間隙的響應時間，結構如圖2所示。

以上結構實現了伺服電機命令輸出的準確執行，經過測試位移傳動誤差能夠小于10μm，時間延遲也小于10ms，下輥雙動力輥牽引的結構設計保證了牽引動力以及提高了動作執行的準確性，傳動裝置結構緊湊，生產過程中設備穩定無噪音。

2.3 牽引系統

牽引系統主要由龍門式安裝箱、上牽引輥、下牽引輥、下牽引輥支撐和上牽引輥氣缸等組成。上牽引輥共兩對，前后排列，為從動輥，主要起壓緊作用，由氣缸驅動前后兩輥同時或各自做壓緊和松開動作。下牽引輥共兩對，前后排列為主動輥，通過下牽引輥軸上的

齒輪帶動轉動。下牽引輥可以繞主軸做一定角度轉動，通過調整下牽引輥支撐的高度，進而實現牽引中心線的上下調節，并且前后輥可分別調整。另外上、下牽引輥都采用分體結構，安裝時只需用螺栓將分開的兩半固定在牽引輥軸上即可，安裝和拆卸方便。上牽引輥氣缸由電磁閥控制動作，由調速閥控制動作的快慢。具體結構如圖3所示

可調底座主要由固定座和可調座組成，牽引機所有部件都安裝在可調座上，通過調整可調座相對固定座的位置和角度，來實現牽引線位置的調整。

工作時，牽引參數根據鑄造條件而定，牽引機的牽引速度為：0~210mm/min，牽引、反推、停時總時間為0.8~1.5s。通過觸摸屏設定牽引節距、反推執行方式、反推長度、牽引動作執行時間、反推動作執行時間、停止時間等參數，由PLC控制伺服電機的工作狀態。通過調節前后牽引輥和可調座的位置和角度，讓牽引線和結晶器出料線共線。通過上牽引輥驅動氣缸氣源壓力來改變牽引坯料的牽引力。

以上牽輥采用氣動壓下方式，壓下力可調范圍0~1.0MPa，完全滿足牽引輥所需壓下力，前后雙排牽引輥；前牽引輥有左右限位輥槽，可使坯料控制到鑄造線上，防止鑄造中坯料偏位；下輥表面滾花增大了表面摩擦力易于牽引；可調機座的設計可以實現x、y、z三個坐標的調節，實現了快速牽引機的快速找正。

結論

通過上述設計，我們設計的新型牽引機具實現了一下幾個方面要求：

1）牽引精度高，能保證反推精度誤差控制到在10μm以內，時間精度控制在10ms以內，輸出響應無延遲。

2）牽引線可調性好，有效保證了牽引線和結晶器出料中心線的共線問題。

3）牽引機結構簡單，維修方便。

4）采用PLC控制伺服電機來實現牽引，抗電磁干擾能力強，易實現機電一體化。

參考文獻

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