金屬擠壓機的定針方式及控制

王國紅

（太原重型機械（集團）有限公司技術中心，山西太原030024）

采用何種類型的擠壓機和擠壓工藝，應根據擠壓材料的合金狀態、規格、用途、尺寸允許偏差、表面質量和組織性能要求等來確定。

對于焊合性能好的金屬，如軟鋁合金等低強度材料，用分流組合模或橋式組合模，采用實心鑄錠，在單動擠壓機上就能擠壓成中空型材。擠壓時實心鑄錠經分流橋將金屬分成2～4股后流進焊合室內，在高溫高壓下，使金屬焊合而生產出擠壓有縫中空管型材[5]。

而硬鋁合金、銅、鋼等高強度的材料，被擠壓分開后就不能再結合在一起形成封閉的截面。因此要想通過熱擠壓的方法得到這些合金的中空截面的管型材，擠壓機就必須配備穿孔針。穿孔針從坯錠中穿過到達模具孔定徑帶，與擠壓模之間形成環形空間，在模具口處形成一個給定孔型。金屬從孔型中流出，成形為無縫的中空型材。

用穿孔針法正向擠壓方式是管材最基本的、廣泛采用的生產方法。其工藝包括穿孔針隨動針擠壓方法和穿孔針固定針擠壓方法。

本文通過敘述在立式單動擠壓機和臥式雙動擠壓機上擠壓生產無縫管材的工藝特點，對臥式雙動擠壓機穿孔針的機械和液壓定針結構進行了研究，分析了擠壓過程中兩種定針結構的力量傳遞過程和作用在穿孔針上的受力情況的變化。簡述了液壓定針電液控制系統的特點。

1 機械定針結構

1.1 單動擠壓機上擠壓生產無縫管材

無獨立穿孔針系統的擠壓機稱為單動擠壓機。圖1所示是單動擠壓機擠壓工具示意圖，穿孔針通過螺紋連接在擠壓軸前端。

圖1 單動擠壓機擠壓工具

此連接方式主要應用于立式擠壓機。立式擠壓機的運動部件垂直于地面，各運動部件的磨損小，部件受熱膨脹后變形均勻，擠壓中心不易失調，擠出管材的偏心小。

該連接方式在臥式擠壓機上應用不多。在臥式單動擠壓機的擠壓過程，由于此結構自動調整中心的效果差，擠壓管材的偏心較大。

該連接方式有較多的局限性，由于上料的原因，坯錠的長度受到了限制。由于穿孔針強度的原因，最小的橫截面受到了限制。擠壓時，只能采用隨動針方式，并必須使用空心錠，因為采用這種連接方式的穿孔針，在實心坯錠上穿孔是不精確和困難的。擠壓過程中穿孔針隨擠壓軸一起動作，穿孔針與模具孔工作帶的相對位置是隨著擠壓過程而變動的，穿孔針通過模具孔在整個長度方向的內側形成空心截面。當改變擠壓管材規格時，必須更換整根穿孔針，同時還需要相應變更坯錠的內孔尺寸。

這種連接方式，只能擠壓比較短的中小規格管材。不能擠壓大直徑的管子。

1.2 雙動擠壓機上擠壓生產無縫管材

有獨立穿孔系統的擠壓機被稱為雙動擠壓機，擠壓管材的設備形式大多數都是臥式擠壓機。圖2所示是雙動擠壓機擠壓工具示意圖，穿孔針是長圓柱型的，穿孔針的端部還可以帶有可更換的針頭。穿孔針相對于擠壓軸可以單獨運動。穿孔針是多用途的擠壓工具，擠壓時它不但能對實心坯錠進行穿孔，而且在擠壓過程中穿孔針能在模具孔工作帶保持相對不動。

圖2 雙動擠壓機擠壓工具

該方式擠壓機適用于多種無縫管材擠壓工藝，即穿孔擠壓法、固定針擠壓法、隨動針擠壓法等。

穿孔針頭是穿孔針的主要組成部分，其制造容易，更換方便。當更換產品規格時，一般只更換針頭和模子。用穿孔針頭能比較容易擠出非常復雜的空心截面。

擠壓過程中如果采用固定針擠壓法，即穿孔針在模具口保持相對不動的工作方法，要求擠壓機必須具有固定和調整穿孔針的功能。機械固定和調整裝置是一套復雜的機械結構。

1.3 機械定針裝置的結構形式

根據穿孔缸對主工作缸中的相對位置不同，機械定針裝置分為內置（圖3）和外置（圖4）兩種典型結構[1]。盡管兩種結構不同，但定針擠壓工藝時的特點相同：即如果要保持穿孔針固定在模具口相對不動，其支撐都靠剛性的機械完成。擠壓過程中擠壓筒中金屬流動施加在穿孔針上的摩擦力和施加在擠壓筒壁的摩擦力傳遞到機架上的方式相同。機械定針擠壓時有效的擠壓力都是總擠壓力減去穿孔針上和擠壓筒壁中的摩擦力。這樣常規正向擠壓機的擠壓力用于有效變形的力不到50%。

圖3 內置結構（穿孔缸在主柱塞中）

圖4 外置結構（穿孔缸在主柱塞外）

為了獲得最大而有效的擠壓力，就必須克服穿孔針上和擠壓筒壁中的摩擦力。如何通過適當的設計措施和改變擠壓方法，獲得最大的、有效的擠壓力成為工程技術人員努力的方向。反向擠壓的方法克服了擠壓筒壁的摩擦力。而下文描述了如何補償穿孔針上的摩擦力的方法。

2 液壓定針結構

2.1 液壓穿孔系統的結構形式

機械定針的方法最早用在鋁擠壓機上。相對于機械的方法，設計出了液壓控制穿孔針位置的定針系統。穿孔針的位置是通過電液位置控制系統控制的。在這種系統中穿孔針在擠壓機擠壓工作時可以自由移動或固定到需要的位置。

圖5所示為液壓定針系統結構示意圖，穿孔液壓缸內置于擠壓機的主缸柱塞內。穿孔缸是活塞缸，活塞杠的延伸部分與穿孔針連接，雙動作的穿孔活塞缸驅動穿孔針移動。穿孔針完全由液壓支撐，由于擠壓時，金屬流動作用在穿孔針上的拉力較高，所以活塞桿的桿腔的面積要足夠大，使它產生的液壓力能抵擋作用在穿孔針上的拉力。這種結構的穿孔針，工作開始時僅需前進通過空心坯錠，所以很小的力就能滿足穿孔針的運動，工作結束后僅需從壓余抽回，由于穿孔缸活塞桿腔面積較大，穿孔系統快速回程時，液壓系統必須提供大流量液體或單獨設置穿孔快回缸，以減少非擠壓時間，提高生產率。

圖5 液壓定針系統結構示意圖

擠壓時穿孔針和擠壓軸一起運動（即做隨針擠壓工藝），用這種方法可以生產大直徑的管子，但不能擠壓生產小直徑和截面比較復雜的管子。

可以通過用穿孔針尖相對于模具口靜止不動的擠壓方法（即做定針擠壓工藝），把難溶金屬擠壓成空心截面和小直徑的管子。這種擠壓工藝是通過擠壓設備的位置控制系統來控制穿孔活塞的運動。

穿孔針與模具口相對位置，可以通過穿孔針的機械旋轉裝置調整，機械旋轉裝置能旋轉穿孔針和固定設定的角度。其作用有二：一是穿孔針應定期旋轉，避免擠出的管子前端出現管壁上薄下厚，使其變形均勻。二是當采用組合針擠壓空心型材時，需要精確定位組合針與模具的相對角度，通過旋轉穿孔針來實現。

2.2 液壓穿孔系統結構的特點

由于是通過液壓定針而不是通過機械調整裝置固定穿孔針，操作人員容易選定、調整或改變穿孔針的位置。此外，自由運動的穿孔針能使輔助操作快速和容易。例如：擠壓以后的軸向縱剪功能。這種結構的最大優點是，由于沒有機械定針限程結構，工作周期內僅有很少的機械部件運動。

由于內置穿孔系統，主缸柱塞又作為穿孔活塞的缸體，使壓機本體長度縮短。穿孔缸活塞桿直接通過旋轉芯軸與穿孔針座相連接，穿孔系統大大縮短。穿孔針除后部針座處導向外，前部在擠壓桿內導向，大大提高了導向精度。由于整機的縮短，予應力受力框架的剛度也相應加大了。

由于不設機械固定針機構，不需要單獨的穿孔動梁在主動梁內運動。所以這種結構與單動擠壓機具有可比性，占地面積與單動擠壓機一樣，投資和維護費用介于單動擠壓機和常規的管棒壓機之間。

3 穿孔針上摩擦力的變化情況

3.1 采用機械支撐，隨針擠壓工藝時力的分布

圖6所示是機械支撐隨針擠壓時力的分布示意圖，作用在穿孔針上摩擦力達到正常（工作）狀態總擠壓力的20%～30%。特別是用定針擠壓大直徑高強度鋁合金。剛性連接的穿孔針，在擠壓時隨擠壓桿一起運動（隨針擠壓），防止了變形力的損失，使得作用在穿孔針上摩擦力能自動得到補償。

式中：F1——擠壓力；

F2——擠壓筒摩擦力；

F3——穿孔針上摩擦力；

F4——有用的變形力。

圖6 機械支撐隨針擠壓時力的分布

3.2 采用機械支撐，定針擠壓工藝時力的分布

圖7所示為機械支撐定針擠壓時力的分布示意圖，剛性連接的穿孔針，在擠壓時不隨擠壓桿一起運動（固定針擠壓）。擠壓機的機架必須克服了作用在穿孔針上摩擦力，才能使得穿孔針對模具定經帶保持不動，被機架吸收的擠壓力是損失的力，擠壓力被大幅度地減少。

圖7 機械支撐定針擠壓時力的分布

式中各參數的含義同式（1）。

3.3 采用液壓支撐，定針擠壓工藝時力的分布

圖8所示是液壓支撐定針擠壓時力的分布示意圖，機械支撐定針擠壓的缺點，在液壓定針擠壓時被克服掉。

圖8 液壓定針擠壓時力的分布

由于擠壓機沒有機械固定針機構，作用在穿孔針上摩擦力無法傳遞到機架上。穿孔針上摩擦力只能通過穿孔缸中的液壓“油墊”傳回主工作缸，使得作用在穿孔針上摩擦力變為擠壓桿上的擠壓力。如此在液壓定針擠壓過程中，作用在模孔區的擠壓力同機械支撐隨針擠壓時的擠壓力相同。

式中各參數的含義同式（1）。

4 液壓定針的電液控制

4.1 穿孔針系統的液壓設計

如圖9所示，穿孔液壓系統采用二通插裝閥設計，穿孔活塞缸后腔的主要液壓元件有進油閥1，電液比例壓力閥2和壓力傳感器3等組成，穿孔活塞缸前腔的主要液壓元件有進油閥6，電液比例壓力閥4、壓力傳感器5和比例流量閥7等組成。

圖9 穿孔針液壓原理圖

調節電液比例壓力閥2，可以控制穿孔力的大小，建立回程時必要的背壓，避免拉斷穿孔針，同時實現柔性泄壓。電液比例壓力閥4，可以控制前腔的支撐背壓，在穿孔時對穿孔針起到保護作用。

4.2 穿孔針位置控制

穿孔針系統的位置測量控制裝置，需裝在穿孔針上。穿孔針運動控制的主要目的是控制穿孔針與擠壓桿或模具的相對位置，然而由穿孔針的液壓缸完全內置于主缸柱塞內，在擠壓過程中穿孔針的運動不能直接從外部觀察到。

液壓定針系統的位置檢測利用拉線式編碼器，分別對擠壓桿和穿孔針的位置進行檢測，檢測信號通過SM338模塊傳入CPU，擠壓桿和穿孔針的實時位置在上位機觸摸屏上顯示，操作人員可直觀地看出穿孔針擠相對模具的位置。

擠壓桿上編碼器檢測到的是擠壓桿相對模具的位置，穿孔針上編碼器檢測到的是穿孔針擠相對壓桿的位置。穿孔針擠相對模具的位置是上述兩個位置之和。

準確的穿孔針尖位置是很重要的參數，如果沒有它就無法確定針尖的位置。瓶針式組合針在工作過程中受到強烈的力，其彈性變形可達幾毫米。為了補償由于工具延伸帶來的影響。在用來測量位置的PLC程序中增加了一個修正因子，即增加了一個彈性常數。通過不斷測量受力的變化，自動補償穿孔針尖應變。

這種裝置能把穿孔針尖固定在所要求的相對于模口位置的十分之一范圍內，并在擠壓過程中不會隨擠壓速度和力的變化而改變位置。

4.3 穿孔針系統的壓力控制

穿孔針系統的壓力控制是通過液壓系統中的比例壓力閥實現的，在穿孔活塞缸的前后腔都設計有比例壓力閥和壓力傳感器，特別在穿孔活塞缸前腔設計有比例流量閥，參見圖9。

當隨動擠壓時，穿孔活塞缸前腔由比例壓力閥4設定好支承壓力來保護穿孔針，當穿孔針上所受摩擦力過大，前腔通過溢流閥卸掉一定流量，能在一定范圍內使穿孔針比擠壓桿速度較快地往前沖一定行程，不必馬上停止擠壓，避免穿孔針受力過大而拉斷。

當固定針擠壓時，穿孔針相對于模口不動而相對擠壓桿移動。這種相反的動作，是靠擠壓桿前進時，穿孔活塞缸前腔通過比例流量閥7不斷地補充壓力油，穿孔缸的后腔不斷排出液壓油，在這個過程中壓力傳感器3和5檢測活塞缸前后腔壓力變化，當壓力變化到設定值時，開始調整擠壓速度，從而調節金屬的流動速度，改變流動的金屬與穿孔針之間摩擦力。支持力與作用在穿孔針上摩擦力平衡，使穿孔針以擠壓桿同樣的速率向后退，保持其定徑帶在模具口內位置固定不變。

液壓泵組中的變量泵，按照穿孔針速度要求，控制流量大小，提供驅動力。擠壓的最大速度是由全體主泵組最大流量獲得的。在實際工作時，擠壓中空型材或管材時，不會輸出最大速度，因此只用其中的變量泵控制穿孔缸，而不需要另外增加油泵。

4.4 穿孔針系統的精度控制

其定位精度是靠電氣系統的PID調節器控制液壓比例閥閉環系統，用高精度的位移傳感器，由PLC來采集擠壓桿和穿孔針的位移和速度的在線數據進行閉環控制。穿孔針的固定位置精度在2～3mm，滿足了無縫管和組合針空心型材固定針擠壓工藝的要求。

在實際工作時，作用在穿孔針上的摩擦拉伸力達到總擠壓力的30%。最新設計金屬擠壓機，采用了圖2的擠壓工具和圖5的液壓定針系統的結構。由于在擠壓過程采用了液壓定針（壓力補償）的方法，提高了有用的變形力，使其具備了用大坯錠擠壓大外截圓的產品的能力。實踐表明在同樣擠壓力的情況下，在擠壓中空型材時液壓定針比機械定針所得到的有效擠壓力上了一個臺階。

5 液壓定針的應用

變截面產品的擠壓通常使用的鋁合金管材絕大多數都是等截面的，即沿長度方向其截面是不變化的。

階段變截面管材，是指沿著管材長度方向其截面尺寸呈階段性變化的管材[3]。多數情況下，階段變截面管材和端部閉合的中空管型材有許多優勢。例如：照明用的電線桿、船的桅桿等。鋁合金管材是飛機工業輕量化的首先材料。

逐漸變截面管材，是指沿著管材長度方向其截面尺寸是逐漸變化的[3]，即管材按照線性或非線性，沿著管材長度方向壁厚均勻的改變。常見的壁厚變化能達到6∶1，多數情況下節約材料超過50%。端部加厚的管子，在后續的工序中被加工成螺紋接頭或整體對接法蘭。中空截面和端部閉合的管材非常容易進行深加工或已接近成品。因而省去了許多加工工序。

在機械定針的擠壓機上，能擠壓簡單截面的管材。如：用錐形的穿孔針，通過隨針擠壓工藝，能擠出壁厚變化的無縫管子。由于在擠壓過程中，機械定針的擠壓機不能改變穿孔針于模具口的相對位置和不規則的穿孔針通常造價昂貴，所以用機械定針的擠壓機不能生產形狀較復雜的中空截面的管材。

在液壓定針的擠壓機上，中空截面的形狀從一種形狀變成另一種形狀是可行的。如：內截面從圓形到距形的變化。在擠壓過程中移動針尖在模具定徑帶的位置。

僅用合適的針尖，就能改變中空截面，工具的制造簡單了。針尖通過螺紋擰在長圓柱穿孔針桿部，根據產品的形狀針尖可以做成錐形的也可以是臺階式的。在擠壓過程中軸向改變穿孔針尖于模具口的相對位置，相應地就改變沿著管材長度方向壁厚。

6 結束語

液壓定針系統既可做隨動針擠壓工藝也可做固定針擠壓工藝。這種系統的優勢為：

（1）工藝適應性強：既能改變中空截面的尺寸也能改變中空截面的形狀。

（2）擠壓力補償功能：在固定針擠壓工藝時，能將作用在穿孔針上摩擦力變為擠壓桿上的擠壓力。

（3）經濟性：不設機械固定針機構，壓機本體長度縮短，結構緊湊，重量減少，降低了投資成本。

在固定針擠壓工藝時，液壓定針系統通過補償穿孔針上摩擦力，減少了擠壓力的損失，提高了擠壓力的有用成分。通過改變穿孔針與模具孔定徑帶的位置，可以擠壓生產截面比較復雜的無縫管材。

[1]馬懷憲.金屬塑性加工學——擠壓、拉拔與管材冷軋[M].北京：冶金工業出版社，2002.

[2]魏 軍.金屬擠壓機[M].北京：化學工業出版社，2006.

[3]鄧小民.鋁合金無縫管生產原理與工藝[M].北京：冶金工業出版社，2007.

[4]謝建新，劉靜安.金屬擠壓理論與技術[M].北京：冶金工業出版社，2002.

[5]曹秀平，石建業.鋁及鋁合金管材生產[M].長沙：中南大學出版社，2010.

[6]韓 泓.雙動鋁擠壓機液壓定針控制技術[J].鍛壓裝備與制造技術，2012，47（3）.

[7]郭玉璽，趙國棟.75MN“短行程”單動臥式鋁擠壓機[J].鍛壓裝備與制造技術，2005，40（1）.

[8]王國紅.金屬擠壓機的穿孔針調整機構及其同步連接結構.中國，ZL201210108861[P].2012-08-01.