125 MN正反向單雙動鋁擠壓生產線升級改造

侯永超，張君，黃勝，李夏峰，陳永甲

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032；2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著我國航空航天、核電、汽車、國防軍工、高鐵和軌道交通等行業的快速發展，對高性能鋁及鋁合金型材的需求逐年增加，我國鋁型材年產量超過4000萬噸，是世界第一大鋁型材生產國，但不是鋁型材生產強國；鋁型材擠壓生產能耗高、效率低、成品率低、產品競爭力和附加值低等一直都是制約我國鋁擠壓行業由大向強發展的瓶頸。以大型工業鋁型材為例，大型工業鋁型材的成品率在45%～50%，按照我國現有的鋁型材的產量來計算，如能提高成品率5%，降低生產能耗15%，將大幅提升我國鋁型材的產品競爭力和附加值。

西南鋁125 MN水壓擠壓機是上世紀60年代“九大設備”之一，由沈陽重型機器廠設計制造，是我國自力更生設計生產的第一臺大型鋁擠壓設備，是我國國防工業和基礎建設的關鍵設備，也是西南鋁業的重大設備。該設備已投產50余年，由于是水壓驅動，能耗很高，設備故障率逐年加大，可靠性降低，不適應目前高效節能綠色生產的發展趨勢。

1 升級前的裝備水平

125 MN臥式擠壓機是由原沈陽重型機器廠在20世紀60年代初期設計、制造，主要用于國防軍工、航空航天、軌道運輸等大規格、高精度鋁及鋁合金、鎂合金管材、棒材、型材及預拉伸排材的生產。

該擠壓機為正向雙動前上料形式，張力柱結構，前、后梁由四根張力柱連成整體承力構架，共有四個主缸，前面的兩個主缸分別可產生35 MN的作用力，后面的兩個主缸分別可產生27.5 MN的作用力。穿孔缸設在后動梁上，可產生31.5 MN的穿孔力。設備所有缸體銹蝕嚴重，滑板磨損嚴重設備精度差，只能進行正向單、雙動擠壓，上料設備控制和送料精度不夠，不易控制，后部設備沒有配備牽引機，移動鋸等輔助設備如圖1所示。

圖1 技術升級前的125 MN鋁擠壓機

液壓系統非常落后，為上世紀60年代技術，傳動方式為泵-蓄勢站傳動，介質為乳化液，介質工作壓力為32 MPa，充水壓力為1.2 MPa，泄漏量大，消耗高。

電氣控制系統控制精度不高，設備整體自動化水平底，操作困難，不能滿足高性能精度型材的擠壓。

該設備投入生產以來，為我國國防軍工、航空航天、軌道運輸等領域生產了大量的專用特種鋁型材，具有重大歷史功勛。但是由于受當時技術和制造能力的限制，加之幾十年來的生產運行，已不能適應當前生產和技術要求，主要表現在能耗高、效率低、精度差、操作困難，因此急需進行徹底全面的技術升級。

2 關鍵技術升級制造

2.1 擠壓機功能技術升級關鍵技術升級改造

在保留正向擠壓功能的前提下，增加反向擠壓功能，使該設備成為目前國內最大的正反向單雙動鋁擠壓機，完善墊片運輸機構改造，使上下墊片及模墊移動平穩、流暢，壓余處理簡潔、可靠。

首次在大型擠壓機上使用反向擠壓固定模具技術，使生產工藝簡潔高效，如圖2所示。

圖2 125 MN擠壓機固定模具技術

采用先進的有效摩擦擠壓技術，進一步提高產品的組織性能和表面質量。

重新設計制造125 MN水壓機鎖鍵缸、墊片定位缸、擠壓墊轉送機傾車缸和墊片提升缸等裝置；工作臺改為液壓油缸直接驅動。

重新設計制造制品收集機構，制品出料采用橫向移出方式；在制品出料工作臺方向設計制造熱鋸和牽引機構；重新設計潤滑系統，對滑板、導柱及柱塞壓蓋等活動部件進行潤滑。

為了適應反擠壓要求，對上料裝置鉗口進行適應性改造，并增設清理墊接收循環裝置，該裝置設置在擠壓筒前端下部，并對相關輔助支撐進行改造加工。

2.2 本體部分技術升級關鍵技術升級改造

本體部分技術升級以提高設備精度為主，采用新的工藝對工作缸柱塞進行修復。對工作缸內表面打磨、酸洗除垢；工作缸缸體柱塞壓蓋螺栓底孔重新攻絲，法蘭螺栓用35CrMo材料更換；選用新的耐磨材料ZCuAl10Fe3對導套、壓套、滑板進行改進，密封采用進口Merkel密封,確保缸體無泄漏；對機架鋼滑板選用新的耐磨材料(42CrMn)進行更換，熱處理表面硬度達到HRC48～52，厚度不小于3 mm，恢復并提高設備的精度，使得設備運行平穩；柱塞與動梁及穿孔動梁的連接采用帶潤滑的球面鉸連接。

2.3 液壓系統技術升級關鍵技術升級改造

125 MN擠壓機將原水系統全部拆除，改為全新設計制造的油壓系統。

該油壓系統采用油泵直接傳動，通過液壓系統實現對壓機各液壓執行機構的控制。該系統由高壓油泵站系統與控制閥站系統兩大部分組成。高壓油泵站系統主要包括：泵及泵組、泵頭集成控制閥站、主油箱系統、主油箱冷卻/過濾循環系統、主泵供油系統、先導控制系統、輔助油箱及液壓系統、泵站管路系統、蓄能器組、保壓系統等部分；控制閥站系統主要包括：前后主工作缸及大車返回集成控制閥站、穿孔缸及穿孔回程集成控制閥站、擠壓筒集成控制閥站、充液系統控制閥站、移動工作臺及定位集成控制閥站、制品和墊片分離剪控制閥站及定位集成控制閥站、墊片提升、傾翻裝置、鎖鍵、承托控制閥站、輸料閥站、低壓罐壓力及液位控制閥站、備用閥塊。

控制閥站采用插裝式邏輯閥集成系統，分為各種功能組，靠近執行機構分布式布置，能夠以優化和節能方式適應擠壓程序不斷變化的要求，工作負荷按照材料的變形阻力大小而相應變化，使電能的消耗減少到最小，表1所示為液壓控制系統主要參數。

表1 液壓控制系統主要參數

2.4 后部出料設備技術升級關鍵技術升級改造

原后部出料設備全部拆除，增設全新設計0.2 MN單牽引機，具備0.7 MN拔模力。牽引機和擠壓機聯動，牽引有效行程37 m，鉗口尺寸：料寬Max0.7 m,料高Max0.55 m。

增設旁置移動熱鋸，要求鋸切位置距焊接環±60 mm內，鋸切進給速度可調，具有鋸屑收集裝置，沿擠壓方向移動范圍8 m。

設計出料工作臺及其輥道和傳輸裝置，臺面輥道采用軟接觸高溫毛氈，耐溫不低于600 ℃。

設計制品平移裝置及軟接觸料架收集裝置，制品最大重量2 t，每米料重0.8 t/m(Max1 t/m)，儲料臺整體承重20 t，長20 m,寬6 m，間距1.2 m。

2.5 電氣控制系統技術升級關鍵技術升級改造

原電氣控制系統全部拆除，設計新的電氣控制系統，擠壓機新的自動化控制系統是由可編程序控制器(PLC)、遠程I/O從站及操作員站(HMI)、工業以太網(TCP/IP)以及工業現場總線(Profibus-DP)、傳感器及檢測元件等組成。

自動化系統的設計采用分布式遠程I/O從站，遠程I/O從站分別設置在主操縱室、各地操縱箱、控制閥組以及主體設備附近，每個遠程I/O從站通過Profibus-DP總線電纜分別掛在PLC主站上。

在主操縱室設置二個操作員站(HMI)，一臺為工業控制計算機，另一臺為帶觸摸屏功能一體化工作站，二臺互為備用，以完成相應工藝設備的控制及運轉狀態監控任務。

操作員站與PLC之間采用工業以太網進行通訊，通過以太網100M的通訊速率進行數據交換，從而實現HMI與PLC之間的高速通訊目的，充分保證控制信號的實時性，并預留可實現壓機與工廠管理網絡的通訊接口。DP通訊采用專用通訊電纜，各傳感器、PLC通訊具有強的抗干擾能力。PLC與遠程I/O從站之間均采用Profibus-DP進行通訊，如圖3所示。

圖3 125 MN擠壓機電控系統網絡拓撲圖

3 升級后技術參數和主要功能

125 MN正反向油壓雙動鋁擠壓機的主要參數為

擠壓力 125 MN

穿孔力 31.5 MN

擠壓回程力 8 MN

穿孔回程力 8 MN

擠壓容室鎖緊力 6.4 MN

擠壓行程 2500 mm

穿孔行程 1650 mm

擠壓速度 0.2～12 mm/s

空程穿孔速度 0～100 mm/s

實心穿孔速度 15 mm/s

鋁錠坯長度 1800 mm

擠壓容室直徑 Ф500，Ф650，Ф800 mm

擠壓容室長度 2000 mm

主剪力 5 MN

擠壓鋁錠坯規格 Ф485 mm，Ф635 mm，Ф785 mm

技術升級后的125 MN正反向雙動鋁擠壓機如圖4所示，主要功能有：

(1)設備具備正、反向單雙動擠壓功能；

(2)設備具備高精度速度閉環控制功能；

(3)設備具備牽引、熱鋸中斷、平行移料、制品回收轉移功能；

(4)設備具備與送錠機構與主機聯動控制功能，確保鑄錠能順利進入擠壓筒內；

(5)設備具備正、反擠壓管、棒型材選擇功能；

(6)設備具備悶車保護自動轉換功能；

(7)設備具備擠壓筒鎖緊、大墊片分離剪上限位保壓及穿孔缸工作機械、液壓定針功能；

(8)設備具備液壓油獨立的循環、冷卻、過濾功能；

(9)設備具備獨立先導外控系統功能；

(10)設備具備故障檢測、顯示、報警自診斷及控制功能(故障保護)；

(11)設備具備全景式監控功能。

圖4 技術升級后的125 MN正反向雙動鋁擠壓機

4 結束語

(1)建成我國最大的正反向單雙動鋁擠壓生產線，對我國國防現代化、地鐵和軌道車輛輕量化和高速化起到重要作用。

(2)利用原有條件對現有設備關鍵技術進行升級改造，與新建一套同等規模的擠壓生產線相比，可節省投資60%～70%，縮短時間50%。

(3)技術升級后的125 MN鋁擠壓生產線，自2018年1月8日投產以來，產品成材率提高5%，設備能耗減少30%，生產效率提高20%，維護成本和勞動強度降低50%以上，產品質量穩定性大幅提高，經濟效益十分顯著。

將一臺生產工藝老化，生產精度低下的大型老舊設備，經過對關鍵技術研究和應用，對生產線進行全面的技術升級，開發成了一條國內最大正反向單雙動鋁擠壓生產線，同時具有國際先進正反向擠壓工藝，可用于生產大型鋁合金型材、棒材和大直徑薄壁管材，在技術升級過程中研制出了一系列新裝備、新結構、新工藝、新擠壓工具，解決了許多關鍵技術難題，滿足了國防、軌道交通、新能源汽車、船舶、飛機等市場重大需求，為大型鋁擠壓機的研制，技術升級和新的鋁擠壓型材工藝的開發積累了經驗，推動了我國大型鋁擠壓機和擠壓技術的發展。