經濟型鋁擠壓機研發

李 翔

（1.太原重工股份有限公司，山西 太原 030024；2.太重（天津）濱海重型機械有限公司，天津 300452）

經濟型鋁擠壓機研發

李 翔1，2

（1.太原重工股份有限公司，山西 太原 030024；2.太重（天津）濱海重型機械有限公司，天津 300452）

闡述了“一帶一路”背景下，以生產建筑鋁型材為主的經濟型鋁擠壓機研發與制造優勢。設計過程采用標準化和模塊化，應用多種商業化計算機輔助軟件，縮短了研發周期，降低了研發成本和風險；制造過程嚴格按照設計圖紙、施工規范和相關標準執行，采用專用高效設備，使鋁擠壓機具備最佳功能和效益。通過分析鋁擠壓機各功能組成，確定鋁擠壓機的經濟性主要體現為投資成本低，功能實用，運行高效和可靠性高。

一帶一路；鋁擠壓機；經濟性

太原重工股份有限公司已躋身全球三大擠壓機制造公司之列[1]。我公司自1999生產第一臺75MN鋁擠壓機，直至2016年生產的225MN鋁擠壓機，其產品研發一直向大型化、智能化和高端化方向發展。近年來，在全球經濟復蘇乏力、貿易暗流涌動的大環境下，我國提出共建“一帶一路”倡議，使全球資本向基礎設施、實體經濟和發展中國家轉移。在此倡議中曾明確指出：“基礎設施互聯互通作為‘一帶一路’建設的優先領域，需強化進行綠色低碳化建設”。眾所周知，建筑鋁型材是基礎設施綠色低碳化建設的優選材料之一。與此同時，“一帶一路”沿線的發展中國家，如越南、緬甸、巴基斯坦、土耳其和印度也積極回應，紛紛慕名與我公司洽談以生產建筑鋁型材為主的鋁擠壓機產品業務。面對風生水起、如火如荼的“一帶一路”市場，我公司充分發揮產品快速研發和先進制造優勢，成功地進行了經濟型鋁擠壓機的系列化開發、短周期生產和大批量交貨，不僅使我公司增強了擠壓機產品的全系列供貨能力，也進一步提升了我公司在擠壓機產品領域的全球影響力。

1 設計組成

經濟型鋁擠壓機采用短行程、前上料方式，由擠壓機本體、機械化輔機、液壓系統和電氣控制系統組成[2]。以建筑鋁型材為生產對象，所需設備擠壓力通常較小。按擠壓力大小劃分，具體規格包括12.5MN、16MN、20MN、25MN、27.5MN 和 36MN。

1.1 本體結構

本體由預應力組合機架、工作缸、擠壓筒、擠壓梁和主剪等主要部件構成。

預應力組合機架是承受擠壓力的最基本結構。該機架采用梁柱組合式，由整體式前梁和后梁、圓柱形張力柱、方形壓柱組成。方形壓柱套上圓柱形張力柱，此壓柱可兼作擠壓梁、擠壓筒座導軌，通過前梁外側用預緊裝置對張力柱施加預緊力使其拉伸，同時壓柱受壓，然后背緊張力柱螺母，從而使整個機架具有較高整體剛度，更有利于保證擠壓制品質量[3]。

工作缸均置于后梁，包括主缸、側缸和鎖緊缸。主缸為柱塞缸，置于后梁中心；兩側缸為活塞缸，水平置于主缸左右兩側；兩鎖緊缸為活塞缸，斜置于主缸上下兩側。擠壓筒與擠壓梁置于前梁與后梁之間。擠壓筒由組件和外殼組成，采用三鍵定位方式，將組件固定在外殼中心。組件由內襯和外套過盈裝配而成，加熱時，采用直管電阻式電熱元件，沿軸向分兩段加熱，由熱電偶測量和反饋各段溫度。外殼與鎖緊缸活塞桿連接。擠壓梁由擠壓梁、擠壓墊和擠壓桿快換裝置組成，用來傳遞擠壓力。

主剪置于前梁內側正上方，采用正裝式結構。主剪驅動缸為活塞缸，缸體通過拉桿、立柱等組件垂直固定于前梁，活塞桿則通過連接帶有主剪刃的矩形滑塊驅動主剪刃下降，分離制品和壓余。主剪上還設計有打壓余裝置，避免壓余與主剪刃粘接。

1.2 機械化輔機

機械化輔機包括坯錠運送小車、推錠裝置和供錠機械手。坯錠從加熱爐出爐，出爐裝置將其輸送至坯錠運送小車的車架上。坯錠由車架上的V形輥道支撐，同時被傳送至供錠機械手的入口側，由推錠裝置將其推入供錠機械手鉗口。供錠機械手動作包括前進、后退，鉗口松開、鉗口夾緊和供錠，其中前進、后退采用機械方法實現，鉗口松開、夾緊和供錠采用液壓方法實現。供錠機械手設計有帶輥輪的雙夾持臂，即活動臂和固定臂，活動臂可直線移動，其位置可以自動調節，以滿足不同長度坯錠的供錠要求。

1.3 液壓系統

液壓系統采用油泵直接傳動形式，由動力系統、主控系統、外控系統和過濾冷卻循環系統組成。動力系統由油箱、泵站、柱塞泵、泵頭閥塊及其連接管道組成。油箱安裝在擠壓機后上方，油箱上設置有空氣濾清器和溫度傳感器等。泵站采用集成化設計，集中布置在擠壓機后部地坑內。主控系統由集成控制閥塊組成，集中布置在油箱頂部。集成控制閥塊采用二通插裝閥，由不同功能的插裝件、控制蓋板和先導控制閥組成。各閥組按設定程序實現系統柔性升壓、卸壓，同時各閥組之間進行必要的安全聯鎖。外控系統由恒壓變量軸向柱塞泵、泵頭閥塊及其連接管道組成，該系統中設有穩壓、精濾和壓力保護元件。過濾冷卻循環系統由三螺桿泵、過濾器，以及與過濾器串列式布置的油冷卻器、電加熱器組成。

1.4 電氣控制系統

電氣控制系統包括電源控制、電機控制和PLC控制系統。設備設有總電源開關柜，用于整機的動力電源供給和保護，使擠壓機電控與車間電源隔離。380V/220V動力供電全部集中于泵站，機上電氣設備、檢測、發訊元件和電磁閥線圈電壓均采用DC 24V。55kW以上（含55kW）電機啟動方式采用Y-△啟動，其余電機采用直接起動；為避免大電流沖擊，系統聯鎖控制各臺電機分別啟動。PLC控制系統采用PROFIBUS-DP通訊協議，PROFIBUS-DP網絡選用主站-從站結構。PLC為1類DP主站，產品選用CPU315-2DP，其集成的MPI/DP接口可以用于PROFIBUS-DP總線操作，實現上位機與DP主站之間的高速數據通信；TP為2類DP主站，產品選用觸摸屏MP270B，將其連接至PROFIBUS-DP總線，完成設備在線監控和參數設置；分布式I/0為DP從站，包括2個ET200M和1個絕對值旋轉編碼器從站，作為輸入信息采集和輸出信息發送的外圍設備，它將與組態它的DP主站交換用戶數據，報告本地診斷中斷和過程中斷信息。

2 設計方法和手段

在經濟型鋁擠壓機研發過程中，采用了多種先進設計方法和手段，有效提高了設計質量和效率，縮短了研發周期，降低了研發成本和風險。

2.1 設計標準化

設計標準化是產品研發成敗的關鍵。在經濟型鋁擠壓機設計過程中，認真貫徹各類有關標準，積極采用國際標準和國外先進標準，并充分調研“一帶一路”國家的國家標準和行業標準，充分運用標準化原則進行產品設計，最大限度地提高產品零部件的標準化。設計標準化的主要內容：一是結合用戶需要、市場動態和公司產品開發規劃，研討、確定產品系列化要求；二是參加產品設計任務書審查，確保任務書對標準化有明確要求；三是提出產品標準化綜合要求；四是參加產品設計方案評審；五是提供應貫徹的有關現行標準；六是根據實際采用國際標準和國外先進標準[4]。

2.2 設計模塊化

設計模塊化是歐美國家在20世紀50年代提出的一種新設計方法，并在許多發達國家機械行業中普遍應用[5,6]。鋁擠壓機產品一直被認定為屬于單件、小批和定制生產模式。對經濟型鋁擠壓機進行系列化研發，一方面要保證短周期交貨，另一方面要降低研發成本，引入模塊化設計可以有效應對這一挑戰。模塊化設計的零部件具有功能獨立性、結構獨立性和接口標準化。在對已有鋁擠壓機產品特點分析基礎上，規劃出機架、工作缸、柱塞壓蓋、導套、擠壓筒、固定擠壓墊、油箱、平臺欄桿、油泵電機組、充液閥和預緊工具等模塊。在模塊的具體設計過程中，通過模塊的模板參數化設計實現三維建模的快速化、知識化、標準化和規范化，從而提升模塊設計的變型效率，實現產品的系列化。在模塊設計完成后，根據模塊的層級結構，在產品數據管理系統建立產品模塊管理平臺，對模塊進行維護和管理。

2.3 設計手段先進化

在經濟型鋁擠壓機產品研發設計過程中，有很多重復繁雜的設計工作，嚴重制約著研發周期。在產品CAD/CAE/CAM/PDM集成系統解決方案高速發展的今天，廣泛應用成熟、商業化的計算機輔助軟件，提高設計質量和效率，縮短產品研發周期，推動產品持續創新已勢在必行。

SOLIDWORKS已成為世界主流CAD軟件市場的標準，其主體功能是機械三維CAD設計，它從根本上摒棄了傳統二維CAD軟件設計效率和設計水平方面的痼疾。SOLIDWORKS是基于特征的三維實體建模設計工具，也是完全基于Windows平臺的軟件，具有Windows的圖形化界面，操作簡單方便、易學易用，為設計人員提供了良好的環境。SOLIDWORKS不僅功能強大，而且為用戶二次開發提供了開放的接口。經濟型鋁擠壓機設計過程中，利用SOLIDWORKS軟件，針對本體結構進行了全三維CAD設計和工程圖制作，同時考慮到擠壓機工作缸是重要部件，數量較多，結構大同小異，而油箱部件設計量大而繁瑣，需要繪制不同規格的孔和焊接法蘭，嚴重影響設計周期，以油缸和油箱部件為突破重點，借助SOLIDWORKS平臺的API函數開發了具有人機交互界面的設計插件[7]，實現了油缸、油箱部件的三維CAD自動化和智能化設計。

MSC.Marc是世界知名的高級通用非線性有限元分析軟件，具有極強的結構分析能力。在利用SOLIDWORKS建立鋁擠壓機本體結構三維模型基礎上，利用MSC.Marc軟件，進行本體結構的三維全接觸有限元建模與分析，獲取了預應力組合機架和工作缸等關鍵部件的應力和變形云圖，通過結構優化設計，確定了最佳剛度和強度下的幾何尺寸，使鋁擠壓機各結構件材料分配合理化。

EPLAN是電氣計算機輔助設計的先鋒軟件，在一些裝備制造強國中電氣設計應用EPLAN已相當普遍。EPLAN強調標準化理念，針對經濟型鋁擠壓機電氣設計，我公司組織制定了擠壓機的EPLAN標準，在完善一系列背景數據，包括標準化文件和數據庫基礎上，經歷繪制圖紙、生成報表及整理等設計過程，最終完成了擠壓機電氣EPLAN標準圖紙的制作和應用[8]，大大提高了設計質量和效率，縮短了研發周期。

ITI-SimulationX是德國ITI有限公司開發的面向工程系統高級建模和多學科仿真的軟件平臺。利用ITI-SimulationX軟件組建虛擬擠壓系統，可以對產品進行全面、整體建模與仿真。虛擬擠壓系統包括機械系統、液壓系統和擠壓成形力三部分。機械系統利用三維軟件SOLIDWORKS建模，液壓系統利用多學科仿真軟件ITI-SimulationX建模，擠壓成形力則借助成形工藝軟件SIMUFACT獲取。按典型擠壓產品生產流程，結合各典型工況，建立各機械系統模型、液壓系統模型，然后集成于多學科仿真軟件ITI-SimulationX平臺進行仿真，獲取擠壓時間與非擠壓時間性能指標，機械結構的位移、速度和運行時間，工作缸內壓力、柱塞或活塞桿的行程，以及管道內流量和流速，在對系統進行整體分析與評估基礎上，進行設計修正與優化，降低產品研發風險[9]。

3 制造優勢

沒有制造標準化，就沒有現代化生產。制造標準化是創新成果走向生產和向生產力轉化的重要推力。制造標準化，就是以規定的成本、規定的工時，生產出品質均勻、符合規格的產品。制造標準化是降低生產成本、提高產品質量的重要保證。除產品本身標準外，對生產產品的原材料、零部件和半成品制訂相應標準，通過合理選擇和使用，簡化原材料的供應，減少了零部件和半成品的物資儲備；對生產工藝、工裝等制訂了相互適應、相互配套的標準，對產品的檢驗方法、包裝、標志、運輸和儲存也作了相應規定。通過嚴格按制造標準，采用高效率的專用設備組織生產，推行標準化的作業規程、標準化的操作程序和標準化的評價機制，有力保障了產品制造在科學、有序基礎上進行，產品質量達到和超過標準規定要求，使經濟型鋁擠壓機產品具備最佳功能和效益，并最終完成了產品全系列、短周期和大批量制造目標。

圖1 鋁擠壓機制造現場

4 經濟性分析

經濟型鋁擠壓機的經濟性主要體現在機械結構、液壓系統和電氣控制系統方面，具體特點包括：①價格低廉，設備投資成本低；②結構簡單，功能實用；③運行經濟、高效；④可靠性高。

4.1 機械結構

采用了短行程、前上料結構形式，擠壓機結構簡單、緊湊，擠壓桿行程和主缸長度顯著減小。擠壓機結構簡單、緊湊，占地面積小，設備投資成本低；擠壓桿行程減小，不存在無功行程，縮短了非擠壓時間，運行高效；主缸長度減小，升壓和卸壓使用油液量少，升壓、卸壓時間短，且卸壓沖擊振動小，運行既經濟、高效，又提高了可靠性。擠壓桿行程和主缸長度減小，各連接結構件尺寸也相應減小、重量減輕，這將使某些結構件的功能實用化設計具備可行性，如擠壓桿和擠壓筒的快換裝置，以傳統的螺紋、卡環連接代替電機、齒輪和齒圈傳動；推錠裝置，以液壓缸代替電機變頻推錠；坯錠潤滑裝置，以乙炔氣燃燒噴火代替氮化硼系統。

預應力組合機架具有較高整體剛度，有利于對機架進行結構優化。應用有限元分析軟件，采用整機全接觸算法，獲取各部件的應力、變形云圖，在滿足機架較高剛度要求基礎上，降低局部應力集中，提高運行可靠性。同時，此機架具有較大的抗彎截面，擠壓時的方形壓柱伸長和彎曲變形小，在其上固定導軌，導向精度高，擠壓筒、擠壓梁和模具之間對中調整方便，對于實現無摩擦裝料，提高運行可靠性也極為有利。

新型脹環式固定擠壓墊的應用取消了擠壓墊與殘料分離設備、擠壓墊輸送裝置，不僅使擠壓機結構簡化，而且縮短了非擠壓時間[10]。另外，此種固定擠壓墊具有相對恒定溫度，有利于坯錠擠壓變形，縮短擠壓時間，而且在其磨損后僅需更換脹環部分，提高了運行的經濟性。

4.2 液壓系統

所有工作缸運用標準化原則，采用標準缸，不僅降低了設計、制造成本，也使工作缸具備了互換性，同時也為縮短相關零部件的供貨周期創造了有利條件。所有油泵電機采用變頻控制，所有柱塞泵采用進口全變量高壓泵，實現了擠壓速度無級調節，有效降低了無功功率，從根本上提高了運行經濟性。

4.3 電氣控制系統

電氣控制系統采用安全繼電器控制，提高了運行安全等級和可靠性；配電控制和網絡配置進行優化，減少了控制柜和PLC主站數量；人機界面用西門子TP系列觸摸屏代替研華上位機；擠壓筒加熱采用電阻棒，溫度控制系統采用接觸器，使用壽命長，故障率低；主剪、推錠裝置和供錠機械手檢測以接近開關代替編碼器，結構簡單，功能實用；機械化輔機的電機、控制器和變頻器采用國產元件，從根本上降低了維護成本，提高了運行經濟性和可靠性。

5 結論

在全球經濟一體化趨勢下，標準已演化為參與國內外市場競爭必不可少的利器。借“一帶一路”契機，積極推進企業標準化建設，全面實施規范化、流程化和科學化管理，既是國家全面深化改革的需要，也是企業長期保持競爭優勢的需要；積極采用國際標準和國外標準，既是企業適應國際貿易規則、謀求國際合作的需要，也是企業提高產品研發、創新和競爭力的需要。經濟型鋁擠壓機產品的成功研發僅僅是個好的開端，盡管“一帶一路”讓我國企業看到了更廣闊的市場前景，但正可謂“機遇與挑戰”并存，要想在“一帶一路”市場中爭當弄潮兒，在某一產品領域提升全球影響力，我國企業仍將任重而道遠。

[1]王祝堂.鋁擠壓機發展路上的新里程碑：HygrEx擠壓機面世 [J].輕合金加工技術，2016，44（2）：43.

[2]郭玉璽，趙國棟.對我國鋁擠壓技術與裝備的思考[J].輕合金加工技術，2011，39（9）：13-18.

[3]石如磐，王 勇，王麗薇.36MN預應力結構擠壓機機架變形分析[J].鍛壓技術，2011，36（4）：100-103.

[4]李小華.企業標準化在新產品開發工作中的意義[J].科技情報開發與經濟，2004，14（7）：250-251.

[5]徐小東，韓 穎.工程機械產品模塊化設計的研究[J].機械制造，2016，54（11）：34-37.

[6]李棟升，楊 軍，張 輝.工程機械產品模塊化設計實踐淺探[J].機械工業標準化與質量，2012，（10）：39-42.

[7]劉慧軍，趙國棟，王麗薇.利用Solidworks API輸出曲面點坐標的方法[J].CAD/CAM 制造業信息化，2011，（5）：46-49.

[8]常 嫦.EPLAN軟件在擠壓機電氣設計中的應用 [J].機械工程與自動化，2016，（6）：216-217.

[9]王玲玲.大型鋁擠壓機虛擬擠壓系統建模與仿真[J].液壓與氣動，2014，（4）：28-30.

[10]王麗薇，王曉磊，吳凱凱.55MN鋁擠壓機固定擠壓墊熱-結構分析 [J].鍛壓技術，2011，36（5）：170-172.

Development of economical aluminum extrusion press under the Belt and Road Initiatives

LI Xiang1,2
（1.Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd,Taiyuan 030024,Shanxi China；2.TZ（Tianjin)Binhai Heavy Machinery Co.,Ltd,Tianjin 300452,China）

It was described the development and manufacturing advantages of economical aluminum extrusion press,which was mainly used for constructive aluminum profiles producing under the Belt and Road Initiatives.The design process can shorten developing period,reduce cost and risk by using standardization,modularization,and various commercial computer aided software.The manufacturing process was carry out by strictly following design paper,construction specification and relevant standard,and based on special efficient equipment,in order to ensure optimal function and benefit of aluminum extrusion press.Through analyzing the function components of aluminum extrusion press,it was proposed that the economy of aluminum extrusion press mainly embody low investment cost,practical function,efficient operation,and high reliability.

The Belt and Road Initiatives；Aluminum extrusion press；Economy

TG375

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.011

1672-0121（2017）04-0037-04

2017-05-20；

2017-07-25

李 翔（1965-），男，高級工程師，從事鍛壓設備技術管理與開發。E-mail：tzdyslx@163.com