國產首套鋁及鋁合金十二輥型材矯整機

馬賓鋒，李 輝，秦 金

（1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.湖北新冶鋼集團有限公司，湖北 黃石 435001；3.西北鋁加工廠，甘肅 隴西 748111）

引言

鋁及鋁合金型材因其優良的力學性能廣泛應用于航空、航天產業。特別是航空領域內的軍工產業，諸如中遠程彈體的發射架、機載彈體的存儲和發射機構、彈射座椅等，這類產品外形多為異形，所選母材（型材）的斷面形狀變化多端，生產加工異常困難，矯整作為這類產品母材加工的最后工序對其直線度和斷面尺寸精度有決定性作用，現有矯整機對該類型材矯整時存在失穩和直線度偏低嚴重的問題，廢品率接近78%，因此對于此類型材多為人工矯直，勞動強度以及廢品率均居于上限，隨著市場需求量的劇增，開發自動高效矯整設備迫在眉睫。

因上述型材主要用于軍工行業，較為敏感，西方國家限制出口和技術轉讓，只能自主開發。2007年受中國鋁業下屬某公司的委托，中國重型機械研究院股份公司和該公司對該類型材的自動高效矯整工藝和設備展開攻關研究，最終成功成套研發了鋁及鋁合金十二輥型材矯整機并于2010年投入生產，設備運行4年來，技術指標完全合乎用戶要求，設備運行平穩可靠，受到行業內用戶的極大關注。

1 所矯型材的典型規格及基本矯整要求

1.1 典型規格型材斷面特點

鋁及鋁合金型材矯整所矯型材以W 形狀為其典型代表，如圖1所示，該類斷面型材具有寬高大、支撐段壁厚較薄的特點，且斷面不封口，精密矯整時不宜采用臥姿矯整，因而型材極易失穩，斷面尺寸精度很難控制。

圖1 W 型材輪廓示意圖

1.2 矯整主要技術要求

型材高度：不大于220mm；型材寬度：不大于360mm；型材材質：1xxx－8xxx；型材長度：35 000～135 000mm；型材抗彎截面系數：不大于725 000mm3；矯整精度要求：直線度不大于0.5mm／m，斷面尺寸波動范圍±0.35mm，矯后型材表面不得有任何形式的劃傷缺陷，機組能夠適應淬火后頭部彎曲型材的喂料和上料。

2 總體解決方案的提出

普通鋁及鋁合金型材的矯整一般采用輥式或壓力矯直，壓力矯直機不適宜薄壁型材矯直，矯直過程中易于在模具周邊產生鼓肚缺陷，從而使型材更傾向失穩，因此仍以輥式矯直為最佳方案。

用戶提出的矯整精度分為矯直和矯整2個要求，與以往有色型材矯整機有所不同，而且提出的矯后型材直線精度也是現有型材矯整所不易達到的，解決精度問題首先從矯直環節多少的量化問題入手，也就是說確定該矯直機參與矯直的輥子數量。結合所矯產品具有失穩傾向的特點，輥子布置的方式擬采用對置布置方式，使所矯型材進入咬入矯整輥子后盡可能在封閉孔型中矯整，以提高對型材斷面尺寸的矯整精度。參與矯直的矯直輥數量的確定是建立在由中國重型機械研究院股份公司自主研究開發的矯直精度模型的基礎上的，經過反復計算和多年的工業實踐經驗結合，確定矯直輥數為12輥（如圖2所示）。因此涉及商業秘密，不再贅述。

圖2 矯整輥排列示意圖

3 機組主要設備組成及設計特點

3.1 機組設備組成及主要功能

機組主要由前臺、主機、后臺、電氣控制系統和液壓系統組成。

前臺主要實現散料和輔助型材喂入主機，由若干組皮帶和運輸輥道組成。設置皮帶的作用是將成捆的型材在皮帶傳遞的過程中均勻散開，待散開的型材傳遞至運輸輥道工位時，輥道起升將被矯型材運輸至矯整機主機。由于被矯型材多為淬火后型材，彎曲程度嚴重，喂料較為困難，因此在前臺后主機之間設計一頂升裝置，通過人工調節頂升裝置的升降輔助型材的喂入。

主機是該機組的關鍵設備，如圖3 所示。該矯整機有5個矯整環節，矯整輥數量為12個，對置布置，上、下個6個輥，上6輥均可實現輥縫壓下調整，下輥2號、3號、4號、5號也可實現壓上調節，滿足調節反彎量的要求。壓上調節和壓下調節均設計有指針裝置，能夠準確地顯示當前輥縫和反彎量數值，以便準確地控制各調節參數，保障高精度矯直。12個輥為集體傳動，主電機經過一次減速之后進入分配箱，供12 個矯整輥傳遞扭矩使用。前后2片鑄鋼牌坊對稱開有6個窗口，6對矯整輥系在窗口內實現上下滑動。2片牌坊通過預應力結構拉近，并設計有止口和定位鍵保證2 片牌坊窗口始終保持對正。

圖3 矯整機主機

后臺結構和前臺類似，矯直完畢后，通過運輸輥道輸送到皮帶接料工位，輥道落下，皮帶啟動將矯后型材從矯直中心線已出。

3.2 設計特點

3.2.1 靈活多變的矯直工藝設計

如圖4所示，為矯整機的2種矯直工藝，其優點在于：可以采用大變形的方式矯整極易失穩的型材，采用小變形多循環的方式矯直型材原始彎曲曲率大的型材，使矯整機矯直不同彎曲程度的型材的可能性更大，可靠性更高。

圖4 矯整工藝示意圖

3.2.2 彎曲型材的喂料機構設計

淬火后鋁型材的彎曲程度大，特別是型材頭部彎曲嚴重，矯整前的上料和喂料困難是困擾行業的難題。在實際工業生產當中，操作工人不僅要付出巨大的勞動強度，而且時常會發生不安全事故。該機組為了解決這一難題，設計了主機1號下輥快速開啟機構（如下頁圖5 所示）。1 號下輥快速開啟機構能夠迅速將入口輥輥縫打開，使輥縫快速增大，方便頭部彎曲的型材進入矯直機主機。

3.2.3 預應力式連接牌坊的設計

圖5 1號下輥輥縫快速開啟機構示意圖

對置式輥列布置形式的矯整機，特別是對置式多輥矯整機從設備結構上對上下輥的對正要求嚴格，為了降低加工成本，保證上、下輥的對正精度，采用了預應力連接牌坊技術，將設備的加工難度通過牌坊的組合轉化為加工和裝配兩個步驟。不僅降低了加工難度，而且使設備的安裝調整更為方便。預應力連接牌坊技術最早的設計目的是為了解決超大件運輸的難題，用在此處旨在解決提高加工精度和降低加工成本的難題。

3.2.4 快速換輥機構的設計

鋁及鋁合金型材生產過程中有著規格多、換輥頻繁的特點，本機組為換輥設計了專用吊車、插塊以及輥環換輥止口裝置。換輥時只需將矯直輥上的插塊取下，便可以進行矯直輥拆卸，拆卸完畢后，專用吊車啟動，吊具直接插進矯直輥換輥止口位置將舊輥卸下，新輥安裝與舊輥拆卸順序正好相反。極大地減輕了操作工人勞動強度的機構，縮短換輥時間提高生產效率。

3.2.5 矯整輥軸向調整機構的設計

對矯整輥實施軸向調整，是實現斷面矯整的關鍵技術，配合對置類封閉孔型的使用很好地解決了型材斷面的矯整，但因來料的個性差異，調整有著頻繁、微量的特點，如何能快捷、直觀地調整軸向抽動機構是有效地提高矯形精度的關鍵，該機設計的操作側軸向調整，指針顯示調整量的技術有效地解決了此問題。調整機構的傳動鏈為棘輪－齒圈－螺母－絲杠軸，矯直輥環安裝在絲杠軸上，隨著絲杠的移動實現了矯直輥的軸向調整，本機構具有自鎖能力。

4 工業生產應用情況

該機組是一臺主要解決非標W 形軍用鋁及鋁合金型材的矯整設備，是軍用特殊型材的保障型設備。經過1個月的安裝調試，隨后轉入試生產，于2010年8月進入生產。經過4年的生產考核表明：本矯直機的各項技術指標不僅達到合同技術要求，而且遠遠優于技術附件要求，是1臺不僅解決了敏感材料的矯直、矯正問題的設備，而且是1臺高精度的普通規格型材矯直設備。

5 結語

當前我國航天、航空產業以及特殊材產業進入一個蓬勃發展的時期，但生產裝備水平仍處于比較落后的情形，精整過程中存在工人勞動強度大、技術指標低等缺陷，因此積極開發高精度的精整設備迫在眉睫，鋁及鋁合金12輥型材矯整機是解決了型材精整的一個范例，是對傳統型材矯整設備的挑戰和提升。從解決異型材的失穩和方便喂料著手，開發相應的機構及矯直機核心矯直工藝，不僅是矯直后的型材在直線度上得到提高，同時對長期以來不大關注的斷面尺寸也到得了很好的矯形。設計的各種新穎機構，盡可能地將操作者從繁重的勞動中解放出來，并將此類技術移植到相關民用產業，提高了鋁及鋁合金相關加工產業的整體裝備水平。