中南大学硕士学位论文第一章绪论但是由于该挤压机建成于上世纪六十年代末期，控制方式落后、自动化程度低、控制元器件老化，其控制系统控制精度不高、响应速度慢、可靠性低，已不能满足现代化生产的需要。随着电子技术、液压控制技术以及液压元器件的进步和发展、控制学科的发展等，采用现代化的科学技术对挤压机进行改造，以提高设备的控制精度、加工精度以及生产效率，改善设备的操作方式，提升设备的自动化水平，是完全必要和迫切的。１．２挤压机的技术现状及发展趋势１．２．１国内外大型铝挤压机的技术现状我们一般称挤压力大于５０ＭＮ的为大型挤压机，挤压力大于８０ＭＮ的为特大型挤压机。据不完全统计，目前全世界已投产的挤压力大于５０ＭＮ的铝型材挤压机约有６５台左右。美国拥有大型挤压机最多，达２０台，超过ＩＯＯＭＮ的有４台。俄罗斯有ｌＯ台，大部分是８０年代以前投产的，泵一蓄势器传动方式居多，其中前苏联古比雪夫铝加工厂的２００ＭＮ挤压机是世界上最大的挤压机。日本有４台，挤压力最大的为９５ＭＮ。德国有５台，德国ＶＡＷ波恩工厂１９９９年投产了一台ＩＯＯＭＮ的双动油压挤压机。韩国、波兰、瑞士、挪威、瑞典各有ｌ台大型挤压机，挤压力在６５ＭＮ一－－，９０ＭＮ之间。意大利有３台大型挤压机，２０００年建成投产了一台１３０ＭＮ的铜、铝油压挤压机。我国拥有大型、特大型挤压机数量大约是２０台。在挤压机本体方面，近年来国外发展了钢板组合框架和预应力“Ｔ”型头板柱结构机架及预应力混凝土机架，大量采用扁挤压筒、固定挤压垫片、活动模架和内置式独立穿孔系统。在传动形式方面发展了自给油机传动系统，甚至在ＩＯＯＭＮ－－一１５０ＭＮ挤压机上也采用了油泵直接传动装置。现代挤压机及其辅助系统的工作都采用了ＰＬＣ（程序逻辑控制）系统和ＣＡＤＥＸ等控制系统，即实现了速度自动控制和等温一等速挤压、工模具自动快速装卸，乃至全机自动化控制。挤压机的机前设备（如长坯料自控加热炉，坯料热切装置和坯锭运送装置等）和机后设备（如牵引装置，精密水、雾、气在线淬火装置，前梁锯，活动工作台，冷床和横向运输装置，拉伸矫直机，成品锯，人工时效炉等）已经实现了自动化和连续化运行ｆ¨。美国通用合金（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＡｌｌｏｙ）公司对其购进的二手二战时期德国杜依斯堡（Ｄｒｉｓｂｕｒｇ）液压公司制造的１２５ＭＮ挤压机进行了技术改造。主要改造内容：一是挤压力由１２５ＭＮ提高至１４５ＭＮ；二是由原来的正向挤压改为正、反向两用挤压机；三是由泵一蓄势站传动改为油泵直接传动。改造的目标是为波音公司生产２中南大学硕上学位论文第一章绪论７Ｅ７型飞机、欧洲空中客车公司生产的Ａ３８０飞机从机身到机翼的各种特大型材，如纵梁、板条、一体化带筋壁板等。可生产长３２ｍ，最宽壁板１０１６ｍｍ、单位质量１３４Ｋｇ／ｍ的铝型材。改造完成后，该挤压机将是北美最大铝型材挤压机，世界上最大的泵直接传动的挤压机，世界第三大铝型材挤压机【２】【３】【４】。近年来，我国改造或者新建的大型挤压机主要有：１、１９９９年我国太原重型机械集团有限公司设计、制造出了７５ＭＮ泵直接传动铝挤压机。２、西南铝业集团有限责任公司９５／８０ＭＮ挤压机现代化配套改造；３、２００２年山东丛林集团投资，西安重型机械研究所设计、上海重型机器厂制造的世界第一条ＩＯＯＭＮ油压双动铝挤压机。４、２００５年，辽宁忠旺集团投资，西安重型机械研究所设计、上海重型机器厂有限公司制造的１２５ＭＮ油压双动铝挤压机。它是目前世界上采用油压驱动的最大双动卧式铝挤压机，标志着我国重型机械设计制造进入了世界领先的水平。在这些挤压机改造或者新建过程中，通过采用世界最先进的制造技术、挤压工艺技术、液压技术和电控技术，将其配套改造、开发成具有国际先进水平的现代化挤压生产线，并且在改造、新建期间研制开发了一系列新设备、新机构、新工具、新工艺，并解决了许多关键技术。（１）液压系统９５／８０ＭＮ挤压机在改造中，由泵一蓄势器传动方式改造为油泵直接传动。用５台ＰＶＶ一５４０大流量伺服变量轴向柱塞泵给主系统供油，泵的额定工作压力为３１．５ＭＰａ，最高压力可达４０ＭＰａ。控制阀选用集成式插装阀，各控制回路阀块除有特定控制功能外，还具有超压保护功能。主缸控制回路阀采用先进的差动式比例锥阀。通过计算机设置回路压力或流量大小，实现主缸准确的无级卸压及回程调速控制，使挤压机能够快速、无冲击的平稳工作。控制回路中利用位移传感器将变量缸位移信号反馈给伺服放大器前端，从而实现高精度的远程可变流量控制。利用压力传感器将压力反馈信号与预置压力信号进行比较，实现泵的压力控制。由于控制回路采用了先进的流量、压力双指令控制，可实现主油泵的稳定变量控制，进而准确稳定的控制挤压、剪切等运动部件的速度【５】【６】。ＩＯＯＭＮ挤压机在挤压速度为０．２～５ｍｍ／ｓ专门配置了小流量高压变量泵和高频响应的电磁比例阀联合调速的闭坏回路，通过ＰＩＤ调节器使挤压轴按挤压工艺要求的速度一行程曲线来调整，使重达１８０ｔ的活动部分在０．２ｍｍ／ｓ低速工作下不爬行，调速响应频率不超过５０ｍｓ，达到较高的调速精度。挤压速度大于５ｍｍ／ｓ时，直接用变量泵加定量泵进行开环容积调节，为挤压机创造了可实现等温挤压工艺的变速条件。针对挤压机挤压力大于ＩＯＯＭＮ时，主缸内油液压缩量达１８４Ｌ，中南大学硕士学位论文第一章绪论按３ｓ卸压时间计算，瞬时排出的流量高达３６００Ｌ／ｍｉｎ，相当于７台５００Ｌ／ｍｉｎ流量的大泵在同时排放，容易产生大的振动，给系统造成大的危害的情况，应用了西重所的专利技术“带阻尼卸压、排液用三级插装阀＂１７Ｊ，使系统能按理想的卸压曲线进行快速卸压、振动小、挤压机工作平稳。主机液压控制系统集中在油箱顶部，采用新一代的二通插装阀集成式分配器，该阀具有开启行程小、过油量大、动作响应快等特点。对几只流量特大的主阀采用西重所专利技术“用于高压大流量进、排液控制的三级插装阀”，在先导控制阀和大通径插装锥阀之间增加一套中间插装阀，并通过功能元件控制三级阀的启闭速度构成理想的液压控制回路，减少了系统冲击，加快了阀的启闭速度瞄】。中间主缸的柱塞直径达２ｍ，为确保高速空程前进的缸内充液和回程时大流量的排液，要避免主缸吸空，西重所自行开发设计了国内卧式液压机最大口径ＤＮ４００的充液阀【９】’在主缸后部三只并联使用【１０】。１２５ＭＮ挤压机选用预卸压阀和比例溢流阀两种卸压元件来实现挤压机的卸压。通过电控系统控制的比例溢流阀在卸压初始阶段有良好的卸压性能，但当压力减小到３ＭＰａ左右时，其卸压速度急剧减慢，此时启用预卸压阀，使工作缸的压力快速卸掉。比例溢流阀可根据不同的挤压工艺及挤压工具，设定挤压机最高工作压力，从而对挤压工具起到有效保护作用。１２５ＭＮ挤压机采用了与ＩＯＯＭＮ挤压机类似的充液系统，并自行开发研制了相应规格为ＤＮ４５０的充液蝌¨Ｊ。主控液压系统采用带外控功能的两级控制插装测１２】，通过调整先导控制阀下叠加的双作用单向节流阀，实现对主阀启闭速度的有效控制，所带外控功能可以有效改善大型两级插装阀动作响应慢的缺点。辅控系统的油源是由定量泵与蓄能器构成的恒压传动系统，选用带叠加式高开启压力液压锁的Ｊ型中位机能比例或普通电磁滑阀作为控制阀，确保在阀断电状态时辅机装置的位置固定，为挤压机的自动化提供保障。１２５ＭＮ挤压机在液压系统设计时分析了引起油温升高的原因，采用变量泵或变量泵与定量泵组合的形式通过容积调速的方法来实现工作缸工作速度的调整，尽可能少用节流阀和减压阀，使系统溢流尤其是高压溢流情况的出现减少到最低程度。挤压筒锁紧保压系统、主泵外控系统、阀外控系统均采用恒压变量泵与蓄能器组合而成的恒压传动系统，保证了微量溢流情况下的恒定控制压力输出，既节能又降低了发热１１引。（２）电控系统７５ＭＮ铝挤压机机后区分成三个相对独立的控制区，采用三台ＰＬＣ对其进行控制，可独立工作，互不依赖，同时应用网络技术将ＰＬＣ联网，实现集中监督、管理。ＰＬＣ选用高可靠性的ＳＩＭＡＴＩＣＳ７系列产品，配置为１套Ｓ７—４００ＰＬＣ、２套４中南大学硕士学位论文第一章绪论Ｓ７—３００ＰＬＣ以及分布式ｉ／ｏ和人机界面ＴＤｌ７、０Ｐ２７，通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ网络连接起来，实现联网控制【１４】。为了实现生产车辆用大型铝合金型材所要求的铸锭加热温度准确、挤压速度稳定可控、牵引与热锯同步、成品精密锯切等性能，９５／８０ＭＮ挤压机电控系统选用西门子公司的Ｓ７—４００ＰＬＣ作为主控组件和ＰＲＯＦＩＢＵＳ网络，组成全机列的控制系统。有良好的人机界面，可方便地实现工艺参数和控制参数的设定，并具有监控和故障诊断功能。与液压系统共同组成的液一电闭环系统，可实现挤压速度的自动控制，挤压速度与热锯、牵引机速度的同步控制，以及拉伸矫直机的拉伸率自动控制等【１５Ｊ。ＩＯＯＭＮ挤压机电气控制系统由独立的三部分组成：主机、活动出料台以及后部出料系统，它们通过ＭＰＩ网络相互通讯，对挤压生产线进行联网控制。主机控制系统采用西门子Ｓ７—４００系列ＰＬＣ，ＣＰＵ为４１６－２，通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＤＰ与分布式Ｉ／０模块ＥＴ２００Ｍ进行通讯，共同担负主机的数据采集、处理、挤压工作程序的执行。操作台上两台ＳＩＭＡＴＩＣＴＰ３７－１０触摸屏与主机、活动出料台以及后部出料系统的ＰＬＣ通过ＭＰＩ构成网络，来完成下列主要操作功能：泵的启动停止；联机设定挤压机参数；图形显示挤压速度、压力、位置的实际值；故障显示与报警等。（３）等温挤压与速度控制挤压过程是挤压轴将挤压筒中的锭坯从模具孔挤出的过程。２０世纪６０年代以前，挤压机大多是泵一蓄势器传动，挤压速度随负荷的大小有明显变化，使人们着眼于如何保持挤压速度恒定，即努力追求所谓的等速挤压。经过长期的研究和生产实践，人们注意到挤压过程中金属的温度有所升高，接触的挤压工具冷却的条件有所变化，因而影响金属内部的组织部均，并直接影响产品的质量，因此提出了保持挤压制品出口温度恒定的等温挤压的新概念。等温挤压的特点就是要确保在整个挤压过程中，模孔附近变形区金属的温度始终恒定或基本恒定，尽量保持金属变形抗力和金属流动的均匀性，使模孔的压力不变或基本不变，从而获得较高的挤压速度，同时挤压型材的形状与尺寸精确、组织与性能沿断面和长度方向均匀性也能获得提耐１３】。目前，国内外有关等温挤压技术已经完全成熟【１７】【１８】【１９】【２０】【２１１【２２】【２３１，现在用的等温挤压，实质是模拟等温挤压，是以计算机对典型挤压制品实际挤压过程分析所建立的模型为基础，控制、调节挤压速度而建立的接近于等温的挤压过程。太原重机所设计的７５ＭＮ挤压机、西南铝的９５／８０ＭＮ挤压机、西重所设计的ＩＯＯＭＮ和１２５ＭＮ挤压机都能够实现等温挤压。（４）辅助设备根据工艺要求，７５ＭＮ铝挤压机机后区划分为相对独立的三个控制区即热锯５中南火学硕｝＝学位论文第一章绪论控制区、拉扭控制区和冷锯控制区。热锯控制区由出料台、水冷淬火、随动热锯、过渡辊道、出料辊道、风冷装置、牵引机、锯屑收集、移料、冷床组成。拉扭控制区由拉扭上下料装置、拉扭娇直机、过渡台，储料台组成。冷锯控制区由运输辊道、锯钱辊道、冷锯、锯后辊道、定尺装置、定尺辊道检验平台组成。通过应用先进的电气传动、控制、网络、信息交换以及计算机管理技术，使机后区的控制达到国内外先进水平。为了满足大型材和大管材生产的工艺要求，９５／８０挤压机前配置了由波兰设计的具有现代化水平的扁锭和圆锭工频感应加热炉，温度控制准确，可实现梯度加热等温挤压。机后出料部分配置了由德国ＳＭＳ、波兰与西南铝共同开发的精密水雾气在线淬火装置，可保证扁宽薄壁型材的平直度与力学性能。同步热锯和牵引机以及出料台和横向运输装置；自动控制拉伸娇直机、自动定尺锯床、多功能辊矫机和３０ｍ长件人工时效炉等，行成了一条从铸锭加热、挤压、在线淬火、牵引、拉矫、锯切、辊矫到人工时效、包装、交货的全自动生产线【２４１。为了生产出高质量的产品，ＩＯＯＭＮ挤压机的后部处理设备综合了国际流行后部处理设备的先进技术与工艺流程，遵循最大可能减少摩擦，尤其是滑动摩擦，保证产品的力学性能与组织性能的设计思想，关键控制元件和高强耐热毡带选用国际，成为国内外先进水平的后部处理设备。其后部处理设备包括初始台、适用于大型铝型材的８００Ｋｇ牵引机、气一水联合淬火装置、移动式热锯、６０ｍ长冷床（包括横向提升机构、拉伸机处的活动过桥）、带辊子的升降式过桥、４ＭＮ在线拉伸娇直机、步进式储料平台、锯前辊道、成品锯、锯后定尺台、制品检验台等。１．２．２挤压机的发展趋势电子技术的发展、计算机的应用和普及，促进了挤压设备控制系统的高度自动化，提高了挤压机速度闭环控制的精度，进一步满足了挤压工艺的要求。通过金属加工理论的研究，新工艺、新设备的开发，以及有效移植现代科学技术的成果，挤压机在以下几个主要方面的发展将引起人们的关注：（１）挤压设备挤压机将向大型化、紧凑型、组装式、成套化、自动化、高效节能环保型方向发展。世界正兴起一股大挤压机热潮，预计在近几年内２５ＭＮ以上的挤压机所占比例会超过２０％，５０ＭＮ以上的挤压机可达１００台以上，８０ＭＮ以上的挤压机可达４０台以上。挤压机本体结构更趋紧凑，刚度和强度更高，工模具配置更合理，功能更齐全，全部采用泵直接传动，其液压系统、电控系统达到相当高的自动化水平。机前的坯料加热与剪切装置、机后的在线自动淬火、牵引机、同步热锯和精密定尺锯、自动输出系统和冷却系统、拉矫、辊矫精整系统和热处理配套齐全６
