鋁及鋁合金反向擠壓裝備的應用及發展現狀

龔 燃

(洛陽有色金屬加工設計研究院，河南 洛陽471039)

反向擠壓機與正向擠壓機的區別是鑄錠與擠壓筒之間在擠壓過程中不產生相對運動。因此，與正向擠壓相比，反向擠壓所要求的擠壓力要小，擠壓速度更快，金屬流動均勻，制品的組織性能均勻、尺寸精度更高，很少甚至不會產生粗晶環。這就使得反向擠壓機在生產高精度、高質量的硬鋁合金無縫管材和棒材時具有明顯的優勢，此類產品多應用于航空航天、交通運輸、軍工、核工業等重要領域，對精度和強度有著十分嚴格的要求。

近年來，市場對于高精度高強度鋁合金產品的需求越來越多，研究和掌握反向擠壓工藝的技術人員日益增加，一些老企業的專業人才輸出也推動了反向擠壓技術的應用。在當今鋁加工市場競爭激烈的情況下，越來越多的企業已經或正在建設反向擠壓生產線用于生產高精度高強度鋁合金產品以拓寬企業的市場范圍。

本文對國內反向擠壓裝備及擁有反向擠壓能力的企業進行了相關統計，介紹反向擠壓裝備在國內外的應用情況及最新技術進展。

1 國內外反向擠壓裝備的應用情況

經過半個世紀的發展，我國已經建立起完整的擠壓工業體系，擠壓機噸位從大到小配套齊全，其中即將投產的最大的擠壓機能力已達到了150MN，而且225MN、250MN擠壓機也正在設計驗證中。據不完全統計，截止到2010年，我國共有鋁擠壓機約3900臺，居世界第一位。其中，反向擠壓機約30臺(包括簽訂了供貨合同尚未投產的)，在全世界也是數量最多的。

目前，世界上最大的反向擠壓機是美鋁(Alcoa)的140MN反向擠壓機，德國辛根(Singen)鋁業公司有1臺100MN正反向擠壓機，德國福克斯(Fuchs)公司擠壓廠有1臺65MN正反向擠壓機。國內最大噸位的反向擠壓機是吉林麥達斯鋁業有限公司的95MN正反向擠壓機，由太原重工制造，但反向功能是預留的，暫不會使用反向擠壓生產。已投入使用的最大噸位反向擠壓機是青海國鑫股份有限公司引進的55MN反向擠壓機，由德國西馬克(SMS)公司制造，2010年正式投產。山東兗礦集團也引進了1臺德國SMS公司制造的55MN反向擠壓機，計劃于2012年交付使用。

表1 為國內鋁及鋁合金反向擠壓機統計表。

表1 為國內鋁及鋁合金反向擠壓機統計表

序號企業名稱擠壓機噸位制造廠商備注5金橋鋁材集團28MN,2臺德國SMS6金橋鋁材集團10MN,2臺德國SMS7青海國鑫股份有限公司55MN德國SMS8青海國鑫股份有限公司28MN德國SMS9吉林利源股份有限公司45MN德國SMS10山東兗礦集團55MN德國SMS11山東兗礦集團36MN德國SMS12吉林麥達斯鋁業有限公司55MN德國SMS預留反向功能13吉林麥達斯鋁業有限公司95MN太原重工預留反向功能14哈爾濱中飛股份有限公司25MN西重所已訂貨15哈爾濱中飛股份有限公司75MN太原重工已訂貨16河南博然鋁業有限公司36MN意大利Pressezzi已訂貨17中南大學擠壓平臺25MN西重所已訂貨18廣東創科達鋁業有限公司10MN偉成機械19深圳特種鋁合金制造廠10MN偉成機械20江蘇亞太鋁業有限公司20MN臺灣馨杰21江蘇亞太鋁業有限公司8MN,2臺臺灣馨杰22昆山捷安特輕合金有限公司7.5 MN臺灣23昆山捷安特輕合金有限公司11 MN臺灣24昆山捷安特輕合金有限公司14.5 MN臺灣25昆山捷安特輕合金有限公司16.5 MN臺灣26昆山捷安特輕合金有限公司18MN臺灣27昆山捷安特輕合金有限公司22MN臺灣

從表1中可以看出我國鋁及鋁合金反向擠壓機具有以下特點：

① 反向擠壓機裝機水平高。我國的反向擠壓機多是從國外引進，特別是2000年以后建設的反向擠壓機中，有13臺擠壓機是引進自德國西馬克SMS公司的。德國SMS公司被業界公認為擠壓機制造尤其是反向擠壓機制造的領頭羊，這些擠壓機無論在機械制造還是在軟件控制上，均代表了當時的國際最高水平。

② 國內反向擠壓機制造數量少，正處于起步階段。目前國內如太重、西重所制造了數十臺大中型鋁擠壓機，包括大中型雙動擠壓機，如山東叢林100MN雙動正向擠壓機、遼寧忠旺125MN雙動正向擠壓機、出口巴基斯坦的55MN雙動正向擠壓機等，但鋁反向擠壓機的業績卻很少。西重所設計制造了25MN雙動反向擠壓機，太重設計制造了95MN雙動正反向擠壓機，75MN雙動反向擠壓機也正在研制中，廣東偉成機械設計制造了10MN反向擠壓機。

③ 國內反向擠壓機制造與國際先進水平相比尚有差距。與正向擠壓機相比，反向擠壓機的主機結構比較復雜，輔助機械動作多，控制水平要求高。從國內制造的雙動擠壓機來看，擠壓機的同心度、速度控制精度、穿孔針的定位精度等存在的問題，在反向擠壓機中更加需要解決。

2 鋁及鋁合金反向擠壓裝備的發展現狀及最新進展

2.1 疊板式張力柱結構

圖1

疊板式張力柱結構(見圖1)的特點是用多層疊板代替了傳統的圓柱形張力柱，通過高壓液壓缸同時對張力柱施加一個經過精確計算的拉應力，同時在疊板的外圍、后梁和前梁之間設置了方形的壓縮箱體，形成具有剛性的預應力框架結構。組成同一根張力柱的疊板，要求機械性能、加工量一致，材料最好是同一爐次的熱軋鋼板，保證框架受力均勻。

2.2 直線導軌導向系統

擠壓筒座和動梁的移動導軌(見圖2)固定在下機架的壓柱上，上機架的壓柱作為輔助導軌。與傳統的X型導軌不同的是直線導軌系統的移動導軌平行于下機架的平面。該系統通過有限元分析，優化導向結構，使得導向更加精確。另外，傳統的滑靴式導軌接觸面大，磨損大，每3個月左右就要進行維護，而直線導軌為輥輪式接觸，磨損小，可以提高各機械元件的使用壽命，減少維護時間。調整擠壓筒、動梁的對中性也很方便，只需調節擠壓筒座的墊板以及導軌底部的螺母即可。

圖2

2.3 擠壓分離站

擠壓分離站位于擠壓線外，可全自動控制，功能包括：清理和分離經運輸機構運送至此的壓余和擠壓墊片；清理擠壓模具，可通過旋轉機構將模具旋轉，清理掉模具外殼包覆的鋁皮；對活動擠壓墊和模具進行氮化硼(NB)潤滑，可使用粉末潤滑或液態潤滑；模套旋轉裝置和定位裝置對模套進行激光測量并旋轉定位，主要用于異型管材和型材的擠壓，在不受機械振動的影響下，定位精度可達到0.2度。

2.4 穿孔針的定位、清潔和潤滑

多采用內置式穿孔系統，可實現固定針和隨動針的穿孔擠壓。穿孔針的固定通過配備高頻響應的比例閥和編碼器控制主柱塞內部穿孔缸前腔的油壓來實現精確的液壓定位，響應時間可達10毫秒。目前最先進的擠壓機配備的穿孔針的定位精度能夠達到±1mm，可以在擠壓過程中實現穿孔針的精確前進與后退，實現變斷面管材的連續擠壓。

穿孔針的清潔和潤滑裝置包括一個可旋轉的清潔刷，可以繞穿孔針轉動，實現對穿孔針的清潔；潤滑裝置可以按照設定的間距旋轉進入擠壓機，兩片式的潤滑頭圍繞穿孔針，在穿孔針的旋轉和后退中噴射氮化硼，完成潤滑。

2.5 模具及其循環

反向擠壓機的模具(見圖3)設計成帶錐度的型式，橫截面呈六邊形，擠壓時鑄錠表面氧化層或雜質流入模具的外腔里，利于擠壓制品的質量改善，相當于起到了剝皮的作用。

圖3

模具與擠壓墊被機械手取下經過傳送機構送至分離站后，經清理、潤滑返回至上料位，該過程可實現自動化操作。反向擠壓機可提供單模具單擠壓墊的循環模式，還可提供雙模具雙擠壓墊的循環模式，以節約非擠壓周期時間。

設置單獨的模具保溫裝置，在擠壓的間隔期間對模具進行保溫。

2.6 擠壓筒與擠壓軸的同步

在反向擠壓中擠壓筒和擠壓軸的同步性至關重要，很多擠壓機使用專用的輔助泵單獨控制擠壓筒的移動，通過安裝在擠壓筒和主缸上的線性傳感器的閉環控制來保證同步的運行速度，以防止在擠壓速度比較高的情況下，有可能出現擠壓筒跟不上擠壓軸的情況。

有些反向擠壓機則通過主泵控制擠壓筒的移動，采用PID電氣控制，通過位置傳感器檢測擠壓筒與動梁的距離，從而閉環調節擠壓筒的移動速度，以保證擠壓筒和擠壓軸的同步運行。

2.7 擠壓速度控制

擠壓速度可實現閉環控制，通過PLC和高頻響應的比例閥控制各主變量泵的流量，來控制擠壓桿的速度。在操作臺設定擠壓速度后，主柱塞位置檢測系統提供反饋信號，經PLC程序進行控制處理，從而實現速度的閉環控制。

一般來說，主泵控制的最低擠壓速度為0.2mm/s，但是在擠壓某些硬合金管材、型材產品時，從墩粗到突破擠壓這一階段的擠壓速度要求低于0.2mm/s，甚至低于0.1mm/s，這就需要考慮增加單獨的小流量泵了。小流量泵在一定的速度范圍內運行，當擠壓速度超過小流量泵的額定值時，系統自動跳轉到大流量泵。

2.8 液壓系統

液壓系統采用集成化設計，主泵為軸向柱塞變量泵，通過一定的組合、排列形式使泵組產生不同的流量，以滿足系統各機構的運行速度和壓力的要求。先導泵和其它低壓油泵可采用恒壓變量軸向柱塞泵，用于先導控制和其它輔助機構的動作控制。

液壓操作系統由集成控制閥塊構成，主系統的集成控制閥塊采用二通插裝閥，由不同功能的插裝件、控制元件和先導控制閥組成，控制油路中的油流方向、壓力和流量，具有流阻小、響應快、內泄漏少、啟閉特性和過載保護性能好等特點。

根據需要在各集成塊的各個閥之間進行必要的安全聯鎖，設置便于監測和控制系統壓力的壓力傳感器。在主缸、側缸、穿孔缸系統中采用電液比例閥調壓，可實現擠壓噸位控制與保護，以及系統柔性卸壓。

2.9 自動化控制系統

反向擠壓機采用PLC控制生產機列的操作，配備與PLC通訊的上位機，可在主操作臺上顯示和控制擠壓的全過程。在計算機的多畫面屏幕菜單上，可預設擠壓速度，限定使用的油泵數量，可減少泄露損失，節能降耗；設定最大的壓力載荷允許值，在擠壓過程中防止擠壓工具由于承受過高的載荷而損壞；連續檢測和控制擠壓軸、擠壓筒、穿孔針、主剪、推錠裝置、供錠機械手等工具和機構的行程；數字化顯示擠壓梁和擠壓筒的水平、垂直對中位置，超值警示；數字化顯示主缸、側缸、穿孔缸和鎖緊缸的工作壓力，可進行聯鎖控制、安全保護和泄荷操作；擠壓結束后，根據機后輔機的運行狀況控制擠壓速度，優化擠壓機及輔機的動態參數；擠壓速度閉環控制，并對因液壓油泄露、鋁錠溫度變化或液壓油黏度變化產生的擠壓速度變化進行自動補償。

3 結束語

國內對反向擠壓裝備的研究工作起步比較晚，最早的反向擠壓機是1986年西北鋁加工公司從日本宇部(UBE)引進的25MN雙動反向擠壓機，雖然在2000年以后又掀起了反向擠壓機的建設熱潮，但這些擠壓機都是引進的。近年來，國內幾家擠壓機制造廠消化吸收了國外的先進技術，并采用國外性能良好、運轉穩定可靠的液壓部件和電氣控制元件配套，使國產擠壓機裝備水平有了很大的提高，大中型的正向擠壓機制造了不少，且裝機水平也正在向國際先進水平靠攏。隨著國內市場對高精度、高強度鋁合金管材的需求越來越大，反向擠壓機的需求也越來越多，擠壓機制造廠應加速開展對反向擠壓裝備的機械、液壓系統的研究和優化設計，使國產反向擠壓裝備早日達到國際先進水平。

[1] 肖亞慶，謝水生，劉靜安. 鋁合金技術實用手冊[M]，北京：冶金工業出版社，2005

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[3]張宏輝. 鋁及鋁合金反向擠壓(1)[J]，輕合金加工技術，2007,35(2)：28—30