雙動鋁擠壓機擠壓筒溫度控制的優(yōu)化設計

文／郭爽爽·太原重工股份有限公司技術中心鍛壓所

雙動鋁擠壓機擠壓筒溫度控制的優(yōu)化設計

文／郭爽爽·太原重工股份有限公司技術中心鍛壓所

擠壓筒作為擠壓機的重要組成部分，其加熱的溫度對保證擠壓制品的質量起著關鍵的作用，采用閉環(huán)的擠壓筒溫度控制方式，可提高擠壓筒溫度的控制精度，縮短響應時間，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

市場對無縫鋁合金管件需求的攀升，促使鋁合金管件擠壓機向雙動擠壓機方向發(fā)展。擠壓筒作為擠壓機的重要組成部分，造價昂貴，其使用壽命對擠壓生產成本有著很大的影響，并且其加熱的溫度對保證擠壓制品的質量起著關鍵的作用。

擠壓筒的工作狀況非常惡劣，在使用過程中長時間承受高溫和高摩擦等惡劣條件，盡管在零件設計時，通常選擇能在此狀況下工作的優(yōu)質材料，并對擠壓筒的所有結構尺寸進行有限元應力分析及計算，且計算結果也在安全裕度范圍內，但是擠壓筒的實際使用情況卻并不盡如人意，擠壓筒的過早失效經常發(fā)生，如外套與內襯的膨脹變形、開裂，內襯的軸向竄動，內襯端面和擠壓模面的接觸面發(fā)生塑性變形等。為滿足擠壓機生產效率、可靠性的要求，除了從力學方面考慮分析外，還要對擠壓筒的加熱過程進行嚴格的控制。本文針對常用3區(qū)擠壓筒加熱控制的不合理處進行了優(yōu)化設計，提高了擠壓筒的使用壽命，降低了擠壓鋁合金管件的生產成本。

系統(tǒng)控制組成

擠壓筒采用分區(qū)電阻加熱，可控硅控制功率。通過熱電偶檢測擠壓筒每個區(qū)的溫度，由PLC分別控制電熱元件的輸出功率。信號送入PLC，再進入上位機，可進行溫升速度控制，實現加熱時筒內的傳熱平衡，達到節(jié)能和延長電熱元件壽命的目的，上位機可顯示擠壓筒溫升曲線。

系統(tǒng)控制采用S7-400可編程序控制器，CPU選用416-2DP，通訊PROFIBUS-DP總線(工業(yè)現場控制通訊總線），測溫熱電偶通過模擬量輸入模塊進入PLC，再由模擬量輸出模塊控制按鈕、指示燈、繼電器等元件，在PLC中完成對擠壓筒報警觸點、輔助觸點等加熱控制。

上位機監(jiān)控界面(HMI）選用工業(yè)計算機(IPC）加視窗控制中心(Wincc）組態(tài)軟件，如圖1所示，擠壓筒溫度控制包括控制最高溫度、控制溫升和溫差、分區(qū)加熱、熱電偶多點測量。

圖1 操作界面

電氣系統(tǒng)的創(chuàng)新

圖2 新舊加熱方式比較

以往的擠壓筒加熱電器元件由熔斷器、接觸器、熱電偶組成，通過在上位機設定最高溫度、增量溫度、保溫時間，再由熱電偶傳遞溫度值來控制接觸器的通斷，這樣的控制方式雖然比較簡單，成本低，但不能使擠壓筒均勻受熱膨脹，減少了擠壓筒的壽命，影響了坯料的溫度和制品質量；接觸器通斷過于頻繁，容易對熔斷器、接觸器造成損壞；在元件損壞后報警的信息也過于單一。

優(yōu)化后的擠壓筒加熱方式在原來的基礎上增加了可控硅控制功率，通過上位機設定的參數與可控硅相互配合控制，可以實現擠壓筒加熱多少度、每隔多少度進行保溫、保溫多長時間等功能，這樣可以使擠壓筒均勻受熱，達到保護擠壓筒和保證制品質量的效果。另外在每個可控硅的上方增加了3個電流互感器，通過檢測每相的電流值來保證擠壓筒的正常加熱，一旦電流值異常，它將發(fā)出信號斷掉加熱程序，同時上位機報警通知操作工人有異常信息。與以前單一的使用熔斷器的方式相比，這樣的加熱方式可以更好地保護可控硅、接觸器等元件不受損壞，具體比較如圖2所示。

程序設計

擠壓機按生產的產品類型大體可分為鋁擠壓機、鎂擠壓機和鋼擠壓機，其擠壓筒的溫度通常要求保持在400～450℃之間。為了保證擠出件的產品質量，擠壓筒需要按照較為平緩的溫升曲線使其從常溫升高到所要求適合擠壓的溫度，使擠壓筒均勻受熱。

擠壓筒加熱功率過大是導致擠壓筒軟化、預應力結構被破壞的常見原因，因此，對擠壓筒在加熱過程中的溫度控制要求非常嚴格，其中控制溫升斜率很有必要。如果溫升斜率過大，則擠壓筒容易出現溫升不均勻，導致擠壓筒內外套膨脹變形、開裂等現象的發(fā)生；如果溫升斜率過小，則會降低生產效率。因此，擠壓筒溫升斜率的控制是非常重要的。除了升溫控制，擠壓筒在保溫階段的控制同樣非常重要，當擠壓筒溫度升高到規(guī)定溫度時，此時的擠壓筒進入保溫過程，這個階段的擠壓筒溫度通常要求控制在5℃左右的浮動范圍內，這樣才能保證擠壓制品的質量。

優(yōu)化后的擠壓筒溫度控制方式采用閉環(huán)控制，對擠壓筒溫度的控制精度較之以前的方式有很大的提高，縮短了響應時間，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

結束語

實踐證明，優(yōu)化后的擠壓筒加熱方式使擠壓筒內部熱量均勻，通過對溫升斜率的控制，提高了擠壓筒溫度的穩(wěn)定性，不僅能夠保證擠壓筒的正常使用，還更符合擠壓工藝的要求，保證了擠壓機的生產效率，提高了擠壓筒的使用壽命，在實際應用中產生了顯著的經濟效果。

郭爽爽，工程師，主要從事電氣設備的設計、調試工作。