双动铝挤压机液压定针控制技术.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 01 2 0 3 0 0 7 1 0 3 双 动 铝 挤 压 机 液 压 定 针 控 制 技 术 韩 太 原 重 型 机 械 集 团 有 限 公 司 ； 弘 技 术 中 心 ， 山西太 原0 3 0 0 2 4 摘要 介 绍 了双动 卧式铝 挤压 机液 压定 针 系统 的结构 、 工 艺流程及 其 自动控制 系统 。 该 控 制 系统响应 快 ， 定针 精度 高 ， 具 有很 高 的可 靠性。目前该 液压 定针 控制 系统 已应用 于 实际 生产 ， 定 针控 制精 度 ≤l mm， 完全 满 足 工艺 要求 ， 对 后 续 同类产 品 的设 计起 到 了借 鉴作 用 。 关键 词 机 械设 计 ； 液压定 针 ； 控制 系统 ； 铝挤 压机 中 图 分 类 号 T G3 7 5 ． 9 文 献 标 识 码 A 管材挤 压加 工有 许多 突 出优点 降低 原 材料 消 耗 ； 与切 削加工 相 比生产 率可 大幅度 提高 ， 在 挤压 变 形 后 ， 金属 材料 的 晶粒 组 织更加 致 密 ； 由于挤 压成 形 时的纤 维组 织不 破坏 ， 使挤 压件 的强 度 明显 提 高 。 由 于挤 压可节 省材 料 和加工 工时 ，因此必 然降 低生 产 成本 ； 热挤 压加 工一些 形 状复 杂 的对 称零 件 ， 效果 特 别 明显 ； 可 以获 得较 高 的尺寸精 度 和表 面精度 l l I 2 ] 。 现 在 市场上 对无缝 管 材需求 量极 大 。合 格 的无 缝 管材 要求 管壁 厚度精 度 高 、 内壁表 面质 量好 ， 因此 生 产 无 缝 管 材 对 设 备 定 针 系 统 要 求 极 高 l 3 】 。 目前 I O O MN 双动 卧式 短 行 程 前 上 料 铝 挤 压 机 的 液 压 定 针 系统 试 车成功 ， 该液 压定 针控 制 系统 响应 快 ， 定 针 控 制精 度 ≤1 ram， 具有 很 高 的可靠 性 ， 完全 满 足工 艺 要 求 ， 对后续 同类 产 品的设 计起 到 了借鉴作 用 。 1液 压 定 针 系统 的 结 构 穿 孔 系 统 的结 构 如 图 1所 示 ，采 用 穿 孔 缸 内 置 穿 孔梁 外置 系统 ， 配有 先进 的 中心机 械定 针 系统 ， 允 许 穿孔 针 和挤压 杆之 间无应 力 的相对 移动 。穿孔 针 图 1 穿孔系统的结构 收稿 日期 2 0 1 2 0 1 1 1 作者简介 韩泓 1 9 7 2 一 ， 女， 高级工程师， 从事锻压产品电控设计 定位 采用 液压 方式 ，把 穿孔 针尖 固定在 挤 压模 具前 端 。穿孔 系统 的结 构适 用于 管材挤 压 的随 针工 艺和 定针 工 艺 ， 可 方便 调整 穿孔针 精度 。 这 种 结 构 的 优 点 ① 穿孔缸 沿 主柱塞 中心 导 向 ，穿孔 和 挤压在 一 条直 线 上进行 。 ② 穿孔机 可 以进行 浮动 穿孔 和 固定 穿孔 。 ③ 固定穿 孔操作 依靠 电液 控制 定位 ，可 以确 保 穿孔 针尖 在模 具 内的精 确定位 。 2液 压 定 针 系 统 的 工 艺 流 程 液 压 定 针 系 统 采 用 挤 压 杆 将 空 心 锭 镦 粗 定 位 后 ， 从挤 压筒后 部上 挤压 垫 的上垫 方式 。 供锭 器将 加热好 的坯锭送 到挤 压 中心位 ，挤 压 杆前 进 ， 顶 料 ， 供 锭 器返 回 。挤压 筒 套 料 、 闭 合 和锁 紧 ， 挤 压杆 将 空心锭镦 粗定 位 。挤压 杆返 回 ， 供垫 机 械手 将挤 压垫送 到挤 压 中心 ，挤压 杆将 挤压 垫推 到 挤 压 筒 内 部 顶 住 坯 料 。 接 着 ， 穿 孔 针 从 空 心 挤 压 垫 中 穿 过 ， 到达 定 针 带 ， 穿孔 缸 前 后 腔 同时 加压 ， 开始 定 针 。充 液 阀关 闭 ， 挤压 循环 开始 。图 2为液 压定针 系 统 工 艺 流 程 图 。 3液 压 定 针 系 统 自动 控 制 挤压 时流 动 的金 属 和模具 之 间存 在 着接 触摩 擦 力 ，其 中挤 压筒 上 的摩擦 力对 金属 流动 的影 响 大 。 当挤 压筒 内壁 上 的摩擦 力很 小时 ， 变形 区范 且集 中在模 孔 附件 ， 金 属 流动 比较均 匀 。 而 当摩 很 大 时 ， 变形 区压缩锥 和死 区 的高度增 大 ， 金属 则 很 不 均 匀 ， 产 生 很 大 的 附 加 应 力 ， 这 是 造 成 金 品扭 拧 、 弯 曲等 缺 陷的 主要 原 因 。 铝合金 型材 高 挤压 的 时候 ， 由于工 件 与模具 具有 十分 强烈 的 开始 此时压机应在原始位置 百 挤压杆前进 ， 顶料 充填挤压 『 l 充填结束 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．． I ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 一 挤压杆返回 l 。 。 。 。 。 _ _ ● 。- 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一 』 充 填 结 束 机械手上垫 i - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - -_ _J } 挤压结束位 挤压杆前进推垫到位 穿孔针到定针位置 开始液压定针 f 完成 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 一 开始 正常挤压 图2 液压定针系统工艺流程 作 用 ， 会 产 生很大 的接触 摩擦 力 ， 此 应力 近似 相 当于 金属 的剪 切屈 服强度 ，这将 使工 件 的表面层 和 中心 层 之 间 剪 切 变 形 量 产 生 很 大 的差 异 ，从 而 加 剧 了金 属流 动 的不均匀 性 ，所 以铝 合金 挤压要 调 整金 属 的 流速 ， 以便 得到 较为 均匀 的流速 。 液压 定针 自动 控制 系统采 用I 2 业 控制 计算 机 和 工 业 可 编程 序 控 制器 P L C 两 级 控 制 ， P L C选 用 西 门子 s 7 4 0 0 ／ E T 2 0 0 M 系列可编 程序控 制器 。 压力 检测 设置 压力传 感器 ，分别 对挤 压杆 主 缸 和 穿孔缸 前后 腔 的压力进 行检 测 ，检 测信 号转 换 为 4 2 0 mA的模 拟 量信 号 ，通 过模 拟 量输 入模 块 传人 CP U。实 际压力 值在上 位机 触摸屏 上显 示 。 液 压定 针时 ， 首先 穿孔针 从空 心挤压 垫 中穿 过 ， 到 达定针 带 ， 然后 穿孔缸 前后 腔 同时加压 ， 保 持定 针 状 态 ， 挤 压 杆 开 始 挤 压 。 此 时 挤 压 杆 按 设 定 的 挤 压 速 度 向模 口移 动 ，穿孔针 相对 于挤压 杆按 相 同 的速度 反方 向移动 ，穿孔 针针 尖 固定在挤 压模 具前 端保 持 不 变 。 液压定 针 的位置 控制是 通过 穿孔针 位 置 的检 测 信号 与定针 位 置设 定参 数相 比较 ，控制 穿孔 针液 压 系统 的动 作来 实现 。液压定 针4 ,2置控制 的驱动 油 源 由穿 孔变量 泵 提供 。 通 过控制穿 孔变 量泵输 出 ， 即控 制变 量泵 的偏 角 ，就 可 以控 制穿孔 缸液 压 油 的进 给 量 ， 从 而决定 液压定 针位 置控制 的 响应 速度 。 液 压定针 系统 的位置 检测选 用拉 线式 绝对 值 光 电编码器 ， 分别 对挤 压杆 和穿孔 针 的位 置 进行检 测 ， 检 测信 号通 过 S M3 3 8模 块传 人 C P U， 挤 压 杆 和穿 孔 针 实 时位 置在 上位 机触摸 屏上 显示 。 绝对 值光 电编码 器检 测到 的是挤 压杆 相对 模具 的位置 和穿孔 针相 对挤压 杆 的位置 。 穿 孔针 相 对模 具 的位 置 挤 压杆 相 对模 具 的位 置 穿 孔针 相对 于挤压 杆 的位 置 。 液压定 针4 ,2置控制 框 图如 图 3所示 。 开始 J ＼ 一／ ． ． ．． ． ． ． ．． ． ． ．． ． ． ． ．． ． ． ．j [．．．． ．．．． ．．一 检测挤压杆位置 检测穿孔针相对挤压杆位置 计算穿孔针相对模具的位置 检测定针设定位置 比较定针设定位置 与实际位置误差 满 足要求 否 ＼／ } Y O K挤压杆继续挤压 N 启动液压定针位置调节 检测挤压杆挤压速度 计算定针设 定位置 与 实际位置误差 P ， 变量泵流量 K x 挤 l 图 3 液压定针位置控制框图 3 ． 2压力 控制 液 压定 针挤压 时 ，如果 流动 的金属 与穿 孔针 之 间 的摩 擦力 超过 液压定 针力 ，那 么穿孔 针将 在摩 擦 力作用 下 ， 随着金 属流 动 向模 具方 向移 动 ， 液压定 针 的位 置控制 失效 。 如果不 采取有 效措 施降低 摩擦 力 ， 穿 孔针将 继续移 动 ，直至 穿孔针 尖超 过定 针带 最后 撞 到模具 上 ， 导 致设备 损 坏 ， 同时这种 移动 过程 影 响 管材 制 品的 内表 面精 度 。 因此 ， 液压 定针 控制需 要采 用 压力 控制 。 液 压定针 的压力 控制 是根据 通过 压力 传感 器 检 测 穿孔 缸前后 腔 的压 力变 化 ，当压力 变化 到设 定值 时 ， 开始 降低 挤压 速 度 ， 从 而调 节 金 属 的流 动 速度 ， 减 少流 动 的金 属 与穿孔针 之 间的摩擦 力 ，使 该摩擦 力 ／ l , 于 液压定 针力 ，液压 定针 位置 控制 可 以有效 控 制 定 针 位 置 。 液压 定针压 力 控制框 图如 图 4所示 。 ／ 、 开始 检测穿孔缸前腔压力 检测穿孔缸后腔压力 计算穿孔缸前后腔压力差 压力差 2 7 ． 5 MP a N Y Y 启动定针压力控制 O K 挤压杆继续挤压 压力差 2 7 ． 5 MP a时 ， 按 0 ． 2 mm／ S的速 率 降低 挤 压 速度 ， 直 到 定 针压 力 2 6 MP a时 ， 挤压 速 度 停 止 降 低 ， 保 持 稳定 。 当定 针 压力 2 5 MP a时 ， 按 0 ． 2 mm／ S的 速 率升 高挤 压 速度 ， 直 到定 针压 力 2 7 ． 5 MP a或 挤压 速 度到 达设定 时 ， 挤压速 度停 止升 高 ， 保 持稳 定 。 3 I 3液压 定针 的控制 保护 1 定 针 位 置 保 护 定 针 最 小 极 限位 置 定 针设 定 位 置 一 最 大 偏 离 距 离 定 针 最 大 极 限 位 置 定 针 设 定 位 置 最 大 偏 离 距 离 穿 孔 针 相 对 模 具 的位 置 定 针最 大极 限位 置时 ， 挤压 速度 设定 自动 归零 ，控 制穿孔 针 回到定 针设 定 位置 时 ， 挤 压继 续 。 2 定 针压 力保 护 穿孔 缸定针 压力 到达 设定 保护 压力 后 ，挤压 速 度设定 自动归零 。 4结 束 语 液压 定针 的精 度 问题 一 直是挤 压机 控制 的一个 难题 。本 控制方 式 以位置 控制 和压 力控 制 同时参 与 的方式 ， 提 供 了解决 液压 定针控 制精 度 的思路 。 通 过 现场 验证 ，这种 控 制方式 有效 解决 了流 动 的金属 与 穿孑 L 针 之 间 的摩擦 力 过 高 时液 压 定 针失 败 的问题 ， 提高 了液 压定针 的控 制精 度 。 同时 液压 定针 的控 制 保护措 施 ， 避免 了定 针位 置控制 和压 力控 制超 限 ， 造 成设 备损 坏或把 管材 挤成 棒材 的现 象 ，现场 反 映效 果 很 好 。 【 参 考文 献 】 [ 1 】 张士宏， 王忠堂， 许沂， 等． 管材挤压工艺分析及实验研究[ J 1 _ 金 属成形工艺 ， 2 0 0 2 ， 2 0 1 6 ． [ 2 ] 王忠堂 ， 张士宏 ， 许沂 ， 等． 镁合 金管材挤压工艺及力 能参数实 验研究 ． 沈阳工业学 院学报 ， 2 0 0 1 ， 2 0 4 6 6 ． 【 3 ] 刘静安． 铝合金挤压工业及技术装备发展现状与趋势【 J J ． 中国金 属通报 ， 2 0 0 7 ， 4 1 8 一 l 1 ． [ 4 】 于沪平， 彭颖红， 阮雪榆．平面分流焊合模成形过程的数值模拟 明． 锻压技术 ， 1 9 9 9 ， 5 8 - 1 1 ． 【 5 ] 刘伟．铝型材挤压过程数值模拟及模具参数优化【 D ] ． 东南大学， 2 0 0 6 ． [ 6 】 魏军． 有色金属挤压加工技术 的现状及其发展趋 势 ． 铜加 工 ， 2 0 0 6 ． 4 6 1 8 ． [ 7 】 李东和． 热挤压的一次成形技术概述 [ J 1 ．辽宁省交通高等专科学 校学报 ， 2 0 0 7 ， 9 1 4 1 4 3 ． Hy dr a ul i c p o s i t i o ni ng c o nt r o l t e c h no l o g y o f d o ub l e -a c t i o n a l u mi n um e x t r us i o n m a c h i n e HA N H o ng K e yw ords Al um i num ex t r us i on mac hi n