具有斷帶緩沖保護功能的拉伸機預夾緊系統

常 瑜，張 超，汪恩輝，何 潛，左雁冰

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

對于高強度鋁合金板材來講，在其前端制造工序(熔鑄、軋制、擠壓或淬火、鋸切等工藝)中，會產生較大的殘余應力及彎曲變形，隨著我國航空航天、軍工以及交通運輸業的飛速發展，對鋁合金材料特別是高品質的鋁合金板材的質量要求越來越高，需求越來越迫切。拉伸機主要用于消除鋁合金材料內部殘余應力、矯正材料的彎曲變形以及拉伸強化。這樣經過預拉伸后的鋁合金板材具有強度高、韌性好、內應力小等優良性能。

斷帶(工件因材料等原因突然斷裂)是拉伸中不可避免的工況，因此緩沖保護技術是拉伸機必須的重要技術。

傳統的張力拉伸機鉗口夾緊系統存在如下兩點問題：第一，預夾緊裝置只設置同步夾緊裝置或者單獨夾緊裝置，同步夾緊裝置很難保證每對鉗口對被拉伸板材的均勻夾緊，而單獨夾緊裝置又無法保證每對鉗口與材料接觸位置沿材料長度方向誤差較小，甚至可能出現一對鉗口夾緊材料位置錯位現象。第二，完全依靠夾緊液壓缸(同步缸或單獨夾緊缸)的動作來實現夾緊或者松開鋁板，這樣在發生板帶斷裂時，強烈的沖擊會直接作用在鉗口上，并最終造成設備的損壞。

本文主要講述一種新的預夾緊系統，可以解決傳統拉伸機存在的以上弊端。

1 拉伸機工作原理

圖1所示拉伸機組主要由固定夾頭、壓梁、主拉伸缸、活動夾頭等重要部件組成, 采用全浮動結構設計，即固定夾頭、壓梁、主拉伸缸內部柱塞、活動夾頭等部件在拉伸時形成整體受力封閉框架，并沿拉伸力作用方向不做限位，可以沿該方向運動。

1.復位裝置 2.活動機頭 3.壓梁 4.拉伸材料 5.主拉伸缸 6.固定機頭圖1拉伸機機組的組成

拉伸時固定夾頭和活動頭分別夾緊材料的一端，固定架頭通過插銷與兩個壓梁連接在一起，主拉伸缸一端柱塞與活動夾頭連接，另一端柱塞與壓梁固定。活動夾頭由兩個主拉伸缸驅動相對固定機頭產生位移以實現對材料的拉伸。在拉伸機的設計中，固定夾頭和活動夾頭是最關鍵的，該兩個部件不僅需要承受巨大的拉伸力還要保持對鋁合金板材的均勻夾緊，也就是保證鋁合金板材的延伸率的一致性。

2 預夾緊系統的組成

在板材被拉伸之前，必須先保證鋁板在鉗口之間被均勻、穩定有效地夾持，不會導致板材從鉗口里滑落，這個夾持過程被稱為“板材預夾緊”過程， 拉伸機鉗口的預夾緊系統主要由夾鉗、滑板、同步夾緊橫梁、同步夾緊缸、二次夾緊缸、導向輪、鋼絲繩和退回缸等組成，如圖2所示。

鉗口采用組合形式，安裝在機架的V形空間內，根據板材的寬度來確定鉗口的數量(即鉗口可能有多組)。上下滑板固定在機架上，其上有“T”型滑槽，上下夾鉗沿著滑板上的“T” 型滑槽往復運動來實現對鋁板的夾緊與松開。圖1中導向架、上下導向輪、上下退回缸均固定在機架上，同步夾緊缸安裝在導向架的后端，同步夾緊橫梁可沿著導向架上的導向槽往復運動，二次夾緊缸安裝在同步夾緊橫梁上且與推桿聯接。上下鋼絲繩的一端經過上下導向輪與上下退回缸聯接，另一端穿過上下夾鉗內部通過螺母及彈性阻尼體與夾鉗連接。

1.機架 2.上滑板 3.上夾鉗 4.上鋼絲繩 5.推桿 6.上導向輪 7.同步夾緊橫梁 8.導向架 9.二次夾緊缸 10.上退回缸 11.同步夾緊缸 12.下滑板 13.下夾鉗 14.下鋼絲繩 15.下導向輪 16.下退回缸圖2 預夾緊系統

3 預夾緊系統的工作原理

預夾緊系統分為同步預夾緊和二次預夾緊兩步。首先，同步夾緊缸推動同步夾緊橫梁沿導向架向夾鉗方向運動，與此同時，安裝在同步夾緊橫梁上的二次夾緊缸等組件也跟著同步向夾鉗方向運動，這時，推桿將推動鉗體組件向夾緊方向同步運動，當同步夾緊缸驅動力達到設定值時，同步夾緊橫梁停止運動，同步夾緊動作完成。接著，同步夾緊橫梁上所有的二次夾緊缸開始動作，再次推動推桿各自夾緊鋁板，二次夾緊動作完成。在二次夾緊過程中，同步夾緊橫梁和同步夾緊缸保持不動，在整個預夾緊過程中，所有的退回缸均保持浮動狀態，充分讓鋼絲繩跟隨鉗體向夾緊方向運動。

在預夾緊完成之后，拉伸機組對板材進行拉伸，為了保持夾持的可靠性，此時 “預夾緊”的外載荷是繼續保持的。當斜面的自夾緊形成的正壓力足以夾緊板材時，同步夾緊缸驅動同步夾緊橫梁及二次夾緊缸組件沿著導向架回退，此時，“預夾緊”機構完全脫離，鋁板的夾緊就完全依靠拉伸力產生的夾緊力來實現，也稱之為“自適應夾緊”。當鋁板拉伸完成后，所有的回退缸開始工作，驅動鋼絲繩帶動鉗體向松開方向運動，此時鉗口打開，板材被取出。

4 預夾緊系統的關鍵技術

在對拉伸機鉗口進行深入研究時，一定要堅持“均勻夾緊、斷帶保護”的設計理念。

(1)“均勻夾緊”技術。該技術是為了保證板材延伸變形均勻而對一組(多對)鉗口夾緊鋁板效果的要求，均勻夾緊的含義包括了鉗口相對板材位置均勻和每個鉗口預夾緊力的一致。采用同步夾緊+二次單獨夾緊的方案，在被夾緊材料有翹曲或沿夾緊寬度方向高度不一致的情況下，夾緊鉗口可自動調整夾緊位置，保證夾緊可靠，且夾緊控制及檢測簡單。完美地解決了寬度大以及厚度尺寸不均勻的鋁板的均勻夾緊問題，同時解決了因鉗口本身加工誤差造成夾緊不可靠的問題。

(2)“斷帶保護”技術。斷帶是拉矯機不可避免的，當板材發生斷裂時，鉗體快速回退形成的巨大沖擊載荷對推桿的損壞，會直接或間接地作用到鉗口組件及預夾緊系統上，嚴重時會破壞設備。本文提到的結構中，由于拉伸時，所有的預夾緊系統均已退回，鉗體的回退均依靠退回缸動作來實現，柔性的鋼絲繩的巧妙應用有效地緩沖了斷帶產生的沖擊力，避免了設備的破壞。另外， 在鉗體內部設計有彈性阻尼體元件，在發生斷帶沖擊時，鉗體的快速回退形成的沖擊載荷將由該彈性阻尼體來承擔一部分而減少預夾緊系統的破壞。除了在拉伸機設備結構上考慮緩沖以外，現在正在研究斷帶預警系統，如果成功，將是拉矯技術的重大進步，目前世界上還沒解決這個難題。

5 結束語

該預夾緊系統分同步夾緊和二次夾緊兩步完成,且鉗口具有斷帶緩沖保護功能,有效地避免了斷帶沖擊對鉗口的破壞。此結構已成功地應用到西南鋁2000噸薄板拉伸機設備中, 實際生產表明：此結構非常合理，能保證鉗口夾持的均勻性、可靠性及穩定性，保證拉伸機生產線的持續生產。另外，張力拉伸機發生斷帶，如何保護設備在巨大沖擊下不受損壞仍是世界性的難題，所以斷帶緩沖技術仍需要繼續研究。

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