鋁扁管擠壓生產線收卷系統的設計

張 峻，劉國剛，荊云海，董曉娟，張立波，邱立朋，李 博

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.西北鋁業有限責任公司，甘肅 隴西 748111;3.西安現代控制技術研究所，陜西 西安 710065)

0 前言

鋁扁管(又稱“鋁合金多孔微通道管”)是用精煉鋁棒通過熱擠壓、表面噴鋅防腐處理等工藝制作而成的薄壁多孔扁形管材，主要用于制作空調系統中的平行流換熱器，作為新型環保制冷劑承載管道部件材料。與傳統的銅管穿管式和鋁管蛇盤管式熱交換器相比，鋁扁管熱交換器能效高、重量輕，制造和使用成本低。

1996年開始，美國在以環保冷媒R134a為制冷劑的汽車空調系統中強制應用鋁扁管平行流換熱器。目前，幾乎全球所有汽車空調系統均使用這種微通道熱交換器，而且正逐步應用于商用和家用空調領域。隨著我國汽車和空調的需求逐年增加，鋁扁管的市場需求也越來越大。但由于其技術含量高，生產難度極大，且生產技術基本被國外壟斷，我國無法掌握鋁扁管產品生產及供應的自主權，只能從國外直接進口或從其在中國設立的獨資子公司購買成品，且購置成本非常高，不利于我國熱交換器行業的發展和進步[1-3]。為了打破國外對鋁扁管生產技術的壟斷，本文對生產鋁扁管的關鍵設備——收卷系統進行了研究。

1 鋁扁管擠壓生產線收卷系統及組成

常規擠壓生產線的生產流程是擠壓機將制品擠出后，由牽引機鉗住料頭牽引一段距離，然后鋸切裝置按工藝要求將制品鋸切成特定長度的產品，并將其平直地放在冷床上或堆垛裝置中，以供后續的拉伸或矯直等二次處理[4-10]。而鋁扁管擠壓生產線的生產工藝要求鋁扁管在被擠壓機擠出的同時，被收卷到卷盤上。待卷盤收卷完成后，立即將等待位的空卷盤切換到工作位繼續進行收卷，而將滿卷盤在線拆卸并轉運到精處理生產線，對其進行開卷、矯直、拋光等后續處理。鋁扁管外形如圖1所示。

圖1 鋁扁管

無論是工作方式，還是結構功能，常規擠壓生產線的后部出料系統都難以滿足鋁扁管產品的收卷要求。鋁扁管擠壓生產線的收料系統，必須配備專門的收卷裝置。該收卷系統主要由收卷裝置、導向裝置、機架、升降裝置、水平運動裝置等部分組成[11-15]。其結構及布局如圖2所示。

圖2 鋁扁管擠壓生產線收卷系統

2 工作原理

鋁扁管由擠壓設備擠出后，經收卷系統的導向裝置精確導向到料頭固定裝置上，待料頭被牢牢固定住后，卷盤開始旋轉收卷。收卷過程可根據工藝需求選擇轉速控制或者轉矩控制，以使收卷速度與送料速度同步。

收卷過程中，控制系統根據卷盤內筒上收卷材料的厚度，實時升降卷盤，以調整卷盤的中心高度，保證鋁扁管進入卷盤時，基本保持水平狀態，且使壓料輥將鋁扁管緊緊壓在卷盤內筒上。

當收卷完成后，卷盤停止轉動，在料尾附近的輪輻間嵌上擋料軸以固定料尾。升降裝置控制卷盤下降，直到導向裝置的懸臂完全露出卷盤。然后平移裝置驅動主機架沿卷盤軸向運動，將空的收卷槽切換到工作位，然后升降裝置驅動卷盤升起，直至導向裝置的壓料輥與卷盤內筒外表面間的間隙約為鋁扁管厚度。然后再重復前述的收卷動作。

當處于工作位的卷盤完成收卷后，滿卷盤被移到了等待位，而另一個等待位的空卷盤通過平移裝置被切換到工作位，開始繼續收卷。此時，收卷電機減速機與卷盤主動軸之間的離合裝置脫開，收卷裝置將等待位的滿卷盤吊出，并重新換上空卷盤等待控制系統的指令信號。

3 關鍵技術

3.1 雙盤三工位收卷技術

卷盤采用四排并列式結構，每個儲料槽都可以獨立收卷[16]，這樣不僅增加了卷盤的儲料能力，還避免了卷盤的頻繁更換。

該收卷系統配備了兩個收卷盤，三個工位，其中一個工作位，兩個等待位[17]。工作位的收卷盤完成收卷后，等待位的收卷盤被切換到工作位繼續收卷，而切換到另一等待位的卷盤可在線進行拆卸、吊出以及更換空卷盤等輔助操作，無需停機等待，使工作效率得到較大提高。

3.2 卷盤與主動軸及從動軸分體式結構

主動軸組件和從動軸組件作為卷盤旋轉卷料的運動副單元的重要組成，加工精度及制造成本都相對較高。而卷盤為儲料裝置，根據生產要求可能需要配備大量的備件，為每個卷盤都配置主動軸組件和從動軸組件成本太高，且沒有必要。

因此將主動軸組件和從動軸組件均設計成獨立的、可拆裝的模塊化結構[16]，在儲料時將其從卷盤拆除，僅在需要收卷的卷盤裝上主動軸組件和從動軸組件即可。這種分體式模塊化結構，降低了制作卷盤備件的成本，且便于后期的維護及修理。

3.3 高柔性自適應導向裝置

導向裝置的懸臂裝置與其架體的連接為柔性結構[18]，即使在收卷時出現卷盤下降速度低于卷盤上材料厚度增加的速度，或出現誤操作導致卷盤上升超限時，卷盤至多也只會使懸臂逆時針旋轉抬起，不會出現損壞導向裝置或壓壞鋁扁管等問題。這種高柔性的結構大大增強了導向懸臂的容錯性和自適應性，確保了收卷裝置的順利可靠運行。

3.4 料頭固定技術

鋁扁管先經導向裝置精確導向到卷盤內筒上，被料頭固定組件牢牢固定住[19]，然后卷盤開始旋轉收卷。料頭固定組件主要由倒刺板和防滑輪等組成，這種料頭固定方式結構簡單，操作便利，無需在卷盤上設置動力裝置，成本低廉，且能穩定可靠地自動固定料頭，大大降低了人工勞動強度。

3.5 壓料軸裝置

針對收卷系統的使用需求，研制出了一種新型的壓料軸裝置(圖3)，該裝置在軸向壓力作用下可軸向壓縮，外力釋放后，在彈簧的作用下能回復原位[20-21]。因此可快速在卷盤輪輻上拆裝，便于固定卷盤上的材料，防止卷盤在某一料槽中已儲有材料，而需在另一料槽收料時，或者卷盤收卷完成后起吊搬運過程中，材料料尾從料槽中彈出，與其它物體剮蹭和磕碰。

圖3 壓料軸裝置

4 結束語

擠壓鋁扁管收卷系統主要用于需要收料成盤的擠出制品的收卷，其結構及功能都完全不同于常規擠壓生產線的收料系統。

中國重型機械研究院股份公司從擠壓鋁扁管收卷系統獨特的工藝要求出發，研制了具有自主知識產權的在線式鋁扁管擠壓生產線的收卷系統，并擁有多項發明專利。該鋁扁管收卷系統已順利通過用戶驗收并投入使用。實際生產證明，新研制的收卷系統在使用過程中穩定可靠，自動化程度高，降低了成本，提高了鋁扁管的擠壓生產線的生產效率及產品質量。