高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)的設(shè)計研究

陳朝偉，張榮欣

（廣東冠邦科技有限公司，廣東 佛山 528311）

拉拔是指用外力作用于被拉金屬的前端，將金屬坯料從小于坯料斷面的?？字欣?，使其斷面減小而長度增加的加工方法。由于拉拔多在冷態(tài)下進(jìn)行，因此也叫冷拔或冷拉。拉拔具有尺寸精確、產(chǎn)品表面光潔、生產(chǎn)效率高、拉拔工具和設(shè)備簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在管/棒/型材加工中的應(yīng)用很廣泛［1-3］。連續(xù)式拉拔機(jī)是拉拔棒材、線材、管材的設(shè)備，對其進(jìn)行研究很有必要［4-7］。

1 連續(xù)拉拔機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，常用的連續(xù)拉拔機(jī)分為凸輪式和履帶式兩大類。

凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)已經(jīng)過三十多年的實(shí)踐驗(yàn)證，其技術(shù)相對成熟。由主電機(jī)驅(qū)動的兩個雙面圓柱凸輪（完全相同但相位相差180°，安裝在同一傳動主軸上）分別帶動兩個拉拔小車做往復(fù)運(yùn)動；當(dāng)裝有夾鉗的兩個拉拔小車從前向后交替移動時，即可連續(xù)不斷地將坯料拉出?？祝瑥亩鴮?shí)現(xiàn)對坯料的連續(xù)拉拔［8-10］。

對于凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)來說，由于坯料是由兩個拉拔小車交替實(shí)現(xiàn)拉拔的，同步性難以精確保證。若后面的拉拔小車快，則使坯料形成二次拉伸；若前面的拉拔小車快，則會出現(xiàn)坯料在兩個小車之間拱起的現(xiàn)象。拉拔速度的波動，會影響成品表面質(zhì)量及尺寸精度，對于小規(guī)格坯料，可導(dǎo)致坯料折斷迫使拉拔中斷。速度越高，兩個小車的同步差異越明顯，工作時拉拔速度一般在50～120 m/min。在金屬精整生產(chǎn)線中，定尺飛鋸（剪）通常是連續(xù)拉拔機(jī)的后道在線配套設(shè)備，定尺精度與連續(xù)拉拔速度的均勻性成正比關(guān)系。目前，由于采用凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)的精整生產(chǎn)線一次鋸（剪）切后無法滿足產(chǎn)品的定尺精度需要，而在其后增加了二次精鋸切工序；因此降低了產(chǎn)品的成材率，增加了能耗和生產(chǎn)成本，并容易造成產(chǎn)品表面劃傷［8-10］。

與凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)相比，現(xiàn)有的履帶式連續(xù)拉拔機(jī)是近十余年逐漸發(fā)展起來的新技術(shù)，具有明顯優(yōu)勢。由于閉環(huán)鏈條不存在同步差異，履帶式連續(xù)拉拔機(jī)也就實(shí)現(xiàn)了真正意義上的連續(xù)拉拔。

國外的高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)雖然有技術(shù)優(yōu)勢，但由于價格偏高，加上售后服務(wù)反應(yīng)周期較長，大多數(shù)國內(nèi)企業(yè)不能接受，導(dǎo)致國外的高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)難以在國內(nèi)推廣。但是由于國內(nèi)生產(chǎn)廠家在關(guān)鍵技術(shù)上尚未攻克，因此目前只能做拉拔速度較低的低端履帶式連續(xù)拉拔機(jī)。

2 連續(xù)拉拔機(jī)的發(fā)展趨勢

國外能設(shè)計、制造高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)的制造商有意大利達(dá)涅利、德國西馬克等企業(yè)。而國內(nèi)目前僅有江蘇一家企業(yè)可以制造，但產(chǎn)品仍處于試用階段，尚未大范圍推廣應(yīng)用。

近年來，同樣作為銅管鑄軋生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備的三輥行星軋管機(jī)，軋制速度越來越快，壁厚越來越厚，作為三輥行星軋管機(jī)后道工序的連續(xù)拉拔機(jī)的速度必須相應(yīng)提高才能匹配。履帶式傳動較為平穩(wěn)，容易實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，國外高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)的運(yùn)行速度高達(dá)400 m/min，拉拔效率是凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)的2～3倍。作為金屬加工領(lǐng)域管/棒/型材生產(chǎn)中關(guān)鍵的加工、精整設(shè)備，高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)將是今后實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)管/棒/型材的首選。

綜合研究國內(nèi)外連續(xù)拉拔機(jī)行業(yè)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，可發(fā)現(xiàn)高速、連續(xù)是拉拔機(jī)發(fā)展的必然趨勢，而目前能實(shí)現(xiàn)高速、連續(xù)拉拔的只有履帶式連續(xù)拉拔機(jī)。

3 高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)的特點(diǎn)

凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)與履帶式連續(xù)拉拔機(jī)的速度比較如圖1所示。

圖1 凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)與履帶式連續(xù)拉拔機(jī)的速度比較示意

從圖1可以看出：使用交替抱鉗的拉拔系統(tǒng)不能保證恒定的拉拔速度；每個夾鉗行程更換時，使用雙凸輪時坯料的速度下降2%～4%，使用單凸輪時坯料的速度下降6%～8%，而履帶式連續(xù)拉拔機(jī)為勻速。拉拔速度的不連續(xù)性意味著將對拉拔成品的質(zhì)量和長度鋸（剪）切公差產(chǎn)生負(fù)面影響。

目前，市場上常見的普通履帶式連續(xù)拉拔機(jī)主要存在以下缺陷：①鏈條與壓緊裝置之間是滑動摩擦，影響鏈條的使用壽命，且會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象；摩擦產(chǎn)生較多的金屬屑，導(dǎo)致拉拔產(chǎn)品的含鐵量超標(biāo)；最高拉拔速度只有100 m/min。②夾鉗壓塊為橡膠制品，易磨損，更換頻繁且更換困難，工作量大，耗時長。③采用牽引桿引頭方式，效率低，勞動強(qiáng)度大。

高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)采用了金屬塊式夾鉗，其400 m/min的拉拔速度是凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)和普通履帶式連續(xù)拉拔機(jī)不能相比的。與凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)相比，高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)可以通過壓力反饋系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)塊式夾鉗對坯料的壓緊力，較凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)的壓痕輕。

凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)與高速履帶式連續(xù)連拉機(jī)的受力分析如圖2～3所示。

圖2 凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)受力分析示意

圖3 高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)受力分析示意

由圖2得：

由圖3得：

式中f——摩擦因數(shù)。

凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)采用楔形夾鉗結(jié)構(gòu)，為了減少夾鉗打滑，其楔角α通常取3.5°～5.0°，由式（1）計算得到凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)的夾緊力2R為12～16T（材料表面的壓力較高）。履帶式連續(xù)拉拔機(jī)塊式夾鉗與坯料的摩擦因數(shù)f為0.10～0.15，由式（2）計算得到履帶式連續(xù)拉拔機(jī)的夾緊力2R大約為10T。由此可見，凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)作用于材料表面的力（夾緊力）最大為拉拔力的16倍，而履帶式拉拔機(jī)最大夾緊力為拉拔力的10倍。

高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)采用拉拔鏈加惰性滾動鏈的雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計，兩鏈條都實(shí)現(xiàn)了滾動摩擦，可有效避免金屬屑和發(fā)熱現(xiàn)象的產(chǎn)生；金屬塊式夾鉗采用了燕尾槽加球頭聯(lián)合定位的結(jié)構(gòu)形式，裝卸便捷、維護(hù)簡易；采用上下鏈條，快速分開，驅(qū)動拉拔小車快速引頭，提高了生產(chǎn)效率。

綜上所述，高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）生產(chǎn)率高。拉拔有色金屬材料時，拉拔速度高達(dá)400 m/min。

（2）成品質(zhì)量好。采用電子控制的液壓壓力閉環(huán)系統(tǒng)，夾鉗作用在坯料上的單位壓力較小。

（3）生產(chǎn)成本低。在工作條件和操作性能相同時，與凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)相比，可節(jié)省約10%的能源。

（4）設(shè)備利用率高?？梢钥焖俑鼡Q拉拔鏈和鏈架，整套塊式夾鉗的更換時間小于20 min。

（5）裝配簡單。由于采用自對中履帶式組合，所以不需要調(diào)整夾鉗。

（6）結(jié)構(gòu)簡單，維修成本低。

（7）拉拔后材料的直線度較好。

（8）速度平穩(wěn)的拉拔能夠保證高質(zhì)量的產(chǎn)品及定尺鋸（剪）切精度，定尺精度高達(dá)±1 mm（凸輪式連續(xù)拉拔機(jī)難以達(dá)到該精度）。

（9）噪音低，設(shè)備維護(hù)簡易，自動化程度高。

4 GB-LLB-8型高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)

高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)通過上下鏈板間的壓力夾緊坯料，鏈條傳遞拉拔力，使拉拔力持續(xù)而均勻。

廣東冠邦科技有限公司自主研發(fā)的GB-LLB-8型高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)主要由上鏈系統(tǒng)、下鏈系統(tǒng)、機(jī)架、拉模、主傳動、夾緊機(jī)構(gòu)、引頭機(jī)構(gòu)等部件組成。GB-LLB-8型高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)如圖4所示。

4.1主要技術(shù)參數(shù)

管坯規(guī)格 Φ25～35 mm

拉拔速度 0～400 m/min（拉拔力大時速度相應(yīng)降低）

拉拔力 80 kN

主電機(jī)功率 280 kW

4.2 設(shè)計計算

4.2.1 壓下力矩

鏈架壓下受力情況如圖5所示。

圖4 GB-LLB-8型高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)

圖5 鏈架壓下受力情況示意

曲軸轉(zhuǎn)矩M可由下式計算：

式中e——曲軸偏距，mm。

已知 T=80（kN），f=0.10～0.15，θ=45°，e=50（mm），代入式（2）～（3）得：曲軸轉(zhuǎn)矩 M=16 000～25 500（N·m）。

如果油缸的壓臂為300 mm，則油缸規(guī)格可選Φ80 mm，工作壓力11～17 MPa，曲軸轉(zhuǎn)矩M=16 600～25 600（N·m）。

4.2.2 鏈架、曲軸受力分析

鏈架和曲軸的應(yīng)力分布情況如圖6~7所示。

圖6 鏈架應(yīng)力分布

通過分析鏈架和曲軸應(yīng)力分布情況發(fā)現(xiàn)，鏈架承受拉拔機(jī)的壓緊力呈水平分布，應(yīng)力集中在中間缺口周邊，在不加厚鏈架的情況下，調(diào)整中間缺口的位置并加大圓角，可以改善鏈架的強(qiáng)度，滿足設(shè)計的安全系數(shù)；在額定載荷作用下，曲軸前軸肩處局部的應(yīng)力較大，適當(dāng)縮短曲軸偏距，并加大前軸外徑，可提高曲軸整體的機(jī)械性能。

圖7 曲軸應(yīng)力分布

4.3 設(shè)備結(jié)構(gòu)與原理

4.3.1 可調(diào)整模座

拉拔模與拉拔坯料的同心度會直接影響到產(chǎn)品的尺寸偏差，尤其是管坯的壁厚偏差及模具的使用壽命。由于加工裝配過程中不可避免地存在誤差，因此拉拔模必須各方向可調(diào)、具備固定功能，操作方便。采用球面配合，均布的4件螺栓頂緊的結(jié)構(gòu)方式，通過調(diào)整4顆螺栓的壓下量，可實(shí)現(xiàn)模座在任何方向的擺動和鎖緊。

4.3.2 快速引頭小車

拉拔機(jī)的引頭方式較多，連接牽引桿方式自動化程度較低，油缸多次反復(fù)拉拔方式的效率低。GB-LLB-8型高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)利用上下鏈打開的空間，直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，借助拉拔鏈條外銷軸來驅(qū)動引頭小車，實(shí)行了單次完成拉拔引頭。拉拔小車夾鉗副由氣缸控制同步開合，導(dǎo)向面為20°斜錐面，可給坯料提供足夠的夾緊力，且結(jié)構(gòu)緊湊。

4.3.3 鏈條系統(tǒng)

鏈條系統(tǒng)是高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)的關(guān)鍵部件，由鏈架將鏈輪、外鏈、惰鏈及張緊裝置組合成一體，可分為結(jié)構(gòu)相同的上下鏈系統(tǒng)。鏈條系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 鏈條系統(tǒng)示意

當(dāng)普通履帶式拉拔機(jī)鏈條傳動時，鏈條主要承受拉應(yīng)力，而高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)，其上下鏈壓緊力非常大，且高速運(yùn)動，必須減少鏈條與鏈架之間的摩擦力。將滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦是降低摩擦因數(shù)的有效方法。根據(jù)直線軸承的結(jié)構(gòu)和傳動原理，惰鏈滾柱由銅鏈板（保持架）連接，形成封閉鏈，并以導(dǎo)軌為導(dǎo)向。惰鏈設(shè)在外鏈和鏈架中間，大大減少了設(shè)備的磨損、發(fā)熱及噪音。

外鏈由內(nèi)外鏈板、銷軸和滾套等組成，銷軸從鏈板兩側(cè)伸出，并裝有滾套，與雙鏈輪滾動嚙合，形成雙鏈輪帶動單鏈條的結(jié)構(gòu)，提高了傳動的平穩(wěn)度。

惰鏈加外鏈的雙鏈條組合結(jié)構(gòu)給鏈條張緊提出了難題，必須解決鏈條單獨(dú)張緊問題。因此，利用外鏈兩端的鏈輪支撐，惰鏈從兩鏈輪中間自由通過，由此對惰鏈進(jìn)行單獨(dú)張緊。在鏈架中間增加壓緊機(jī)構(gòu)，則可實(shí)現(xiàn)惰鏈和外鏈的同時張緊。

夾鉗裝在外鏈中間鏈板上，雖然為合金材料，使用壽命長，但數(shù)量較多，工藝調(diào)整時需要更換規(guī)格。簡單快捷的鎖緊機(jī)構(gòu)在此發(fā)揮了很好的作用，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。鎖緊機(jī)構(gòu)由定位球、頂銷、彈簧和限位銷等組成。當(dāng)人工推動頂銷，同時側(cè)向拉夾鉗時，定位球落到頂銷的缺槽中，夾鉗與內(nèi)鏈板脫離；當(dāng)松開頂銷，同時將夾鉗從側(cè)向推入，頂銷在彈簧作用下自動復(fù)位，定位球被頂起，卡在夾鉗中間的定位槽中，快速完成打開或鎖緊動作。

圖9 鎖緊機(jī)構(gòu)示意

4.3.4 壓下系統(tǒng)

引頭時需要將上下鏈條打開，便于引頭小車通過。正常工作時，上下鏈條需要夾緊坯料進(jìn)行拉拔。鏈條的開合由壓下系統(tǒng)完成，由液壓缸驅(qū)動下曲軸擺動，上下曲軸通過扇形齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動。曲軸選用適當(dāng)?shù)膲壕o角，可以較小的擺角實(shí)現(xiàn)較大開口度。液壓系統(tǒng)中的伺服閥根據(jù)壓力繼電器檢測到的拉拔力動態(tài)準(zhǔn)確地調(diào)整壓緊力，用盡可能小的壓緊力滿足連續(xù)拉拔的需要。

4.3.5 相位調(diào)整機(jī)構(gòu)

坯料的拉拔靠夾鉗提供的摩擦力來完成。夾鉗固定在上下鏈架上，且存在節(jié)距。為確保夾鉗對坯料有足夠的摩擦力和盡可能小的壓緊力，上下夾鉗必須對齊。在拉拔過程中，上下鏈條的變形量是不同的，所以需要經(jīng)常調(diào)整上下鏈條的相位。相位調(diào)整機(jī)構(gòu)通過摩擦力實(shí)現(xiàn)分配箱輸出軸與鏈軸的快速離合，相位無級可調(diào)，方便可靠。

5 結(jié) 語

履帶式連續(xù)拉拔機(jī)是目前較為常見的拉拔設(shè)備，而高速履帶式連續(xù)拉拔機(jī)作為一種新型拉拔設(shè)備，具有生產(chǎn)率高、成品質(zhì)量好、生產(chǎn)成本低、設(shè)備利用率高、裝配簡單、維修成本低、拉拔速度平穩(wěn)等優(yōu)良的性能特點(diǎn)，可以推廣應(yīng)用。

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