复合定针式双动挤压技术研究

时间：2024-09-03

黄胜张君杨建侯永超辛宏斌付永涛柴星

(1.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西7100322；2.中国重型机械研究院股份公司，陕西710032)

随着我国航空航天、核电、汽车、国防军工、高铁和轨道交通等行业的快速发展，对高性能铝合金无缝铝管的需求逐年增加[1]。无缝铝管多采用热挤压的生产方式，通常在双动铝挤压机上进行[2-3]。双动挤压穿孔针的定针是影响挤压管材内表面质量和成品率的关键因素。所以，无缝铝管材挤压工艺成为铝挤压急需研究的关键技术[4-7]。但是，由于无缝铝管材挤压过程的复杂性、材料流动预测的困难性、材料组织性能的变化、挤压过程中压力与速度的不恒定、材料工具表面的摩擦生热以及进行热量传递的不稳定性等因素，又因为挤压过程中各变量之间相互依赖，不能单独分析解决，导致现有的方法已不能满足对无缝铝管挤压技术发展越来越高的需求。

在现有的双动挤压机中，穿孔系统的布置方式采用外置式布置或内置式布置。外置式穿孔系统布置的穿孔针定位准确，定位精度高，挤压机移动横梁长而且复杂，造成机架长，压机成本高，挤压机整体刚度差。内置式穿孔系统布置采用后置式机械定针后液压支撑的方式进行穿孔针固定，此结构不增加机架长度，挤压机整体刚性好，但定针精度差，在瓶针挤压时，定针精度更差。

针对双动挤压穿孔针的定针问题和无缝管内壁质量问题，大量学者进行了研究：谢东钢和张君等[9]提出了一种外置式的液压定针方法，李峰等[10]研究了铝合金和AZ80镁合金管材的挤压工艺和组织，张君等[11]采用理论分析和有限元模拟相结合的方法对大型无缝铝管的固定针工艺进行了研究，并提出了超长无缝铝管和变截面无缝铝管的新技术路线。

通过对双动挤压技术特点的分析，提出了一种复合穿孔式双动挤压的方法，并对其具体控制方式和工艺路线进行了详细阐述，并在125 MN复合穿孔式双动挤压机上得以应用。

1 复合定针式双动挤压技术

1.1 双动挤压技术特点

双动挤压一般分为固定针挤压和随动针挤压。

随动针挤压时，穿孔完成后穿孔针在模具中可以随挤压方向移动。随动针挤压时，穿孔针油缸两腔不用精确控制，穿孔针在摩擦力的作用下向前运动，随着挤压的进行，挤压变形后的管材内表面和穿孔针接触的长度增加，导致无缝铝管内表面质量很差。

而固定针挤压时，穿孔完成后穿孔针在模具中的位置固定不动，如图1。也就是说挤压变形后的管材内表面和穿孔针接触的长度固定，因此无缝铝管内表面质量很高。

1—模具 2—铝锭 3—挤压筒 4—挤压垫 5—挤压杆 6—穿孔针

1—挤压杆 2—挤压垫 3—挤压筒 4—铝锭坯 5—针尖 6—模具

1.2 双动挤压受力分析

固定针挤压时，穿孔针上受力分析如图2所示。镦粗后穿孔针从定针设定位置附近到达定针设定位置这段时间，通过随动针工艺穿孔针随挤压杆到达定针设定位置。穿孔针上的摩擦力为：

Fr=πμrσr(D1L1+D2L2)-πσa(D12-D22)/4

式中，Fr为针上受到的摩擦力；μr为穿孔针与铝锭之间的摩擦系数；σr为穿孔针径向承受的压应力；σa为穿孔针轴向所受的压应力；D1为穿孔针名义直径；L1为穿孔针在变形铝锭坯中的长度；D2为穿孔针针尖瓶针部分直径；L2为穿孔针针尖瓶针部分在变形铝锭坯中的长度，受力方向与挤压方向相同，穿孔针处于拉应力状态。

通过研究液压定针系统的结构和液压定针挤压工艺发现，穿孔针的平衡方程式为：

FS=FA-FB=-Fr

式中，FS为穿孔缸持针力；Fr为穿孔针上受到的摩擦力；FA为穿孔缸前腔产生的液压力；FB为穿孔缸后腔产生的液压力。

FS所能提供的最大持针力是确定的，即如果FS max

1.3 复合定针式双动挤压结构特征

穿孔缸位于主缸的后部，由支架支撑，前端与主缸后部相连接，穿孔活塞杆穿过主缸和主柱塞与穿孔针针座连接，主柱塞里面装有穿孔针导向装置，保证穿孔针的对中精度，主柱塞的前端通过移动横梁与挤压杆相连接，穿孔针安装在挤压杆中，并在挤压杆内部导向，如图3所示。采用复合式的穿孔系统，穿孔系统为后置式，穿孔缸位于挤压设备的尾部，穿孔针可以随动针挤压和固定针挤压。

1—穿孔缸 2—穿孔缸支架 3—主缸 4—穿孔活塞杆 5—主柱塞 6—穿孔针座 7—穿孔针导向装置 8—移动横梁 9—挤压杆 10—穿孔针 11—挤压模具

1.4 复合定针式双动挤压控制方式

复合定针式双动挤压的控制原理如图4所示。

复合定针式双动挤压控制系统包括大腔进液阀402DT、大腔排液阀403DT和406DT、大腔比例泄压阀组件404DT和405DT、小腔进液阀401DT、小腔排液阀407DT和410DT、小腔比例泄压阀组件408DT和409DT、补液阀和液压管道等组件，如图4所示。

进行随动针挤压时，如图3所示，在穿孔缸的驱动下穿孔活塞杆和主柱塞同步前进，使铝锭坯在穿孔针和模具之间的缝隙中被挤出来，从而生产出无缝管材。

进行固定针挤压时，在穿孔缸的驱动下，穿孔活塞杆在穿孔针导向装置中先移动到挤压位置，然后将穿孔缸中的前腔和后腔的进液阀和排液阀关闭锁死，即大腔进液阀402DT和大腔排液阀406DT失电关闭，403DT带电关闭，小腔进液阀401DT和小腔排液阀407DT失电关闭，410DT带电关闭。

此时，穿孔缸前后腔处于完全关闭状态，对整个穿孔系统起液压支撑作用，保证了穿孔针相对于模具固定不动。正常挤压时，受到主缸施加于主柱塞的作用力，挤压杆对铝坯锭进行挤压，使其在穿孔针和模具之间的缝隙中挤出，从而生产出无缝管材。

图4 复合定针式双动挤压液压控制原理图Figure 4 Hydraulic control principle diagram of double action extrusion with compound fixed pin

当进行难变形合金挤压，或者挤压时铝锭坯与穿孔针表面的摩擦力大于穿孔针的支撑力时，铝锭坯会拖拽穿孔针前进，穿孔缸的前腔溢流，容易造成穿孔针或模具的损坏，因此一般挤压程序都会对穿孔针的位置进行保护。在挤压过程中，当穿孔针的位置变化时，程序会将挤压中断，这种挤压中断容易形成挤压制品的“停车痕”和“褶皱”，从而降低了成材率，影响生产效率。针对这种情况，液压定针的控制方式无法实现固定针挤压，采用复合穿孔式双动挤压结构，可以避免此种情况的发生。由于穿孔缸小腔的法兰压盖对穿孔针起到机械限位作用，因此即便是穿孔缸前腔的支撑力小于铝锭坯与穿孔针的摩擦力，依靠自身的机械限位也能保证穿孔针的位置不动，完成固定针挤压过程。

2 125 MN复合定针式油压双动铝挤压机

将以上的研究结果应用在125 MN油压双动铝挤压机上，成功研制出125 MN复合定针式双动挤压机。

2.1 设备主要技术参数

公称挤压力：125 MN

铝锭坯直径/挤压筒内径：600 mm

铝锭坯长度/挤压筒长度：1900 mm

挤压杆行程：2350 mm

挤压筒行程：2580 mm

穿孔针行程：1850 mm

回程力：8.3 MN

挤压筒锁紧力：12 MN

穿孔力：30 MN

挤压速度：0.2～20 mm/s

2.2 穿孔系统

如图5所示，125 MN复合定针式双动挤压机采用了复合式的穿孔系统，穿孔系统为后置式，穿孔缸位于挤压设备的尾部。穿孔缸位于主缸的后部，由支架支撑，前端与主缸后部相连接，穿孔活塞杆穿过主缸和主柱塞与穿孔针针座进行连接，主柱塞里面装有穿孔针导向装置，保证穿孔针的对中精度，主柱塞的前端通过移动横梁与挤压杆连接，穿孔针安装在挤压杆中，并在挤压杆内部导向。在进行固定针挤压时，穿孔缸小腔的法兰压盖对穿孔针起到机械限位作用。整个穿孔系统外置，使得系统供油和维修十分方便，易于实现快速穿孔，适合于重型和超重型双动挤压机。

图5 125 MN复合定针式双动挤压机Figure 5 125 MN double action extruder with compound fixed pin

3 实验验证

在125 MN复合定针式油压双动铝挤压机上，采用空心铝锭坯挤压外径为∅350 mm、内径为∅320 mm的6061铝合金无缝管材。现场实测125 MN复合定针式油压双动铝挤压机的液压定针精度在±1 mm以内，偏心率<3%，当穿孔针所受摩擦力大于穿孔针的支撑力时，液压机械复合定针方式能很好地完成整个固定针挤压过程。