车辆大型铝合金型材挤压生产线的研制与开发

车辆大型铝合金型材挤压生产线的研制与开发

Study and Development of Extrusion Iine

of Aluminium Profiles for Vehicle

陈 功 德

西南铝业（集团）有限责任公司

【摘 要】车辆大型铝合金型材是国家实现交通运输现代化急需的材料，也是重庆等西部城市地铁、轻轨车辆急需的材料。通过对80MN挤压机的技术改造和现代化配套，研制开发成功了车辆大型铝合金型材挤压生产线，产品填补了国内空白，满足了国家的急需。

【关键词】挤压机 铝型材 生产线 一、前言

高速、节能、安全、舒适、环保是现代化交通运输所面临的重要课题，车辆铝材化是交通运输现代化的重要趋向，而大型国产铝合金型材又是完成车辆铝材化国产化的关键。

大型扁宽、薄壁、高精、复杂的多孔空心型材和壁板型材，属高、精、尖铝加工材。质量要求高，技术难度特别大，不仅对硬件，而且对软件要求高。目前只有日本、德国、瑞士等少数几个工业发达国家能大批量生产。而我国目前尚属空白，长期依赖进口不仅价格昂贵，而且受制于人，制约了我国交通运输的发展。

为了满足我国交通运输现代化，特别是地铁国产化对大型扁宽薄壁铝合金型材的急需，完全替代进口，实现国产化和产业化，满足国防军工和其它工业领域的需要，西南铝业（集团）有限责任公司在国家的大力支持下，实施了《车辆大型铝合金型材挤压生产线研制与开发》项目。

该项目包括80MN挤压机的技术改造与配套，车辆大型铝合金型材挤压模具的研制，大型扁宽型材挤压工艺研究等工程。 二、生产线的研制与开发

研制与开发的生产线要求以生产车辆用大型铝合金型材为主，同时也能生产大直径铝合金管材和其它大断面工业型材的生产线。通过对主要产品生产工艺的分析，确定了将水压机改造为油压机，并配套铸锭感应加热炉、水雾淬火装置、牵引机、热锯、张力矫直机、定尺冷锯、辊矫机、时效炉等设备的现代化改造配套方案。80MN挤压机的技术改造是生产线研制与开发的核心。

1、80MN挤压机的技术改造 1)．液压系统的改造

该挤压机原为水泵蓄势站传动水压机，传动介质为乳化液。由于池漏量大，乳液消耗费用高，现在水压机一般都直接用水作为传动介质。控制组件为电机带动凸轮机构开闭的水分配器。用水作为传动介质，造成水系统中的阀件、柱塞缸锈蚀。柱塞表面而产生锈蚀斑点后，密封易损坏。用水分配器作为控制组件，不易实现自动

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控制，且造成压机运动不平稳，动作不可靠等。改为油压传动后，所有与介质接触的金属表面不会产生锈蚀，密封寿命长，动作可靠，传动平稳，可实现挤压机的自动控制及挤压速度的自动控制，能满足挤压高精度产品的要求。

系统配置了大流量伺服变量泵，额定压力31.5Mpa。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。如主缸控制回路采用了先进的差动式比例锥阀，通过计算机能很方便地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缸调速控制，使挤压机能快速、无冲击的平稳工作。

2)．电气部分的改造

挤压机的电控部分进行了全面彻底的改造。电气部分的改造既要考虑液压系统和机械部分的改造相适应，同时又要考虑设备配套后整条生产线的全线自动控制及满足车辆用大型铝合金型材生产的工艺要求。电控部分选用了西门子公司的S7—400PLC作为主控组件，使用Profilbus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，及拉伸矫直机的延伸率自动控制。

3)．机械部分的改造：

为了适应车辆用大型铝合金型材的需要，原挤压机、供锭机、分离剪、移动模架、容室锁紧、残料移出、残料垫片分离等都作了

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彻底的改造。供锭机采用了两级水平移动送料方式，送料平稳，对中性能好，可满足扁锭、园锭的送料要求。主分离剪增加了导向滑轨的长度，加强了剪刀机的刚度。移动模架改造为推拉式移动模架，可方便的实现快速换模。更换了4个容室移动缸，使容室锁紧的力量增大到6MN，避免了因锁紧力不够产生挤压大帽现象，并增加了容室上导轨，组成`X`导向。残料与垫片分离传送机构改造后可满足活动挤压垫、固定挤压垫两种挤压方式的需要。机械部分和液压、电控系统改造后，可实现穿孔力迭加到挤压力上，达到95MN挤压力的挤压方式。

2.生产线的设备配套

生产线除80MN挤压机改造外，还配置了必要的设备。配置的主要设备有铸锭感应加热炉，可加热扁锭和园锭，以适应扁锭挤压的需要。出料部分配置了水雾淬火装置、随动热锯、牵引机、冷床及横向运输装置、拉伸机、定尺冷锯等。形成了一条从铸锭加热、挤压、淬火、牵引、拉伸矫直到锯切成品的全自动生产线。

生产线的设备配置见图1。

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80MN挤压机 水雾淬火 热锯 牵引机

拉伸机 感应炉 冷锯 图1 设备平面配置

3.生产线的主要技术要点

生产线研制与开发的原则是安全可靠、经济实用。采用国际上先进成熟的经验，技术改造起点要高，投资要省，不但要满足当前的工艺要求，还要给工艺技术的发展进步创造条件，留有空间。根据以上的原则，确定了液压系统水改油，电控系统采用S7—400PLC控制器，铸锭加热采用感应加热，配套完善的出料设备，形成一条工艺先进、配套合理、自动化程度高的生产线。

1).大流量伺服变量泵直接传动。液压系统的改造是最主要的改造内容之一，五台PVV—0伺服变量轴向柱塞泵给主系统供油，泵的额定工作压力31.5Mpa，最高压力可达40 Mpa。泵的控制回路由伺服阀、过滤器、蓄势器及相应的检测组件组成。控制回路中利用位移传感器将变量缸位移信号反馈给伺报放大器前端，从而实现高

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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。其控制方框图见图2。

流量指令 ΔU1 ΔU2 Vi QL XΦ QP Uq1 Ur Us 伺 报 放大器 伺服阀变量缸变量泵 挤压机 位移传感器 比例—积分 放大器 ΔU3 压力指令 UP Uq2 压力传感器图2 主泵控制原理方框图

由方框图看出，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、回程等各运动部分的速度。

2).以S7—400PLC为核心的电控系统

为了能够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，对电控系统进行了彻底的改造。选用了目前最先进的S7—400PLC控制器组成的控制系统，按生产线的设备分布为主机和出料系统两大部分。其控制分配示意图见图3。

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人机界面HMI S7—400 S7—400 出料辊道牵引机供锭机主液压系统辅液压系统循环过滤系统随动锯感应加热炉水雾淬火 冷 床 拉伸机 冷锯

图3 控制分配示意图

系统的主要配置是以两台S7—400PLC为主站组成两个Profilbus对等网，两台主站共带21个ET200M远程I/O工作站，两台OP7和一块WF705，软件配置为Win98操作系统，STEP7V5.0控制软件，Profool监控软件，主机和OP37通过MPI网络连在一起，完成主站间的数据交换。

系统具有如下功能： 󰁺 数据收集与处理 󰁺 通讯组态与资源共享 󰁺 远程故障诊断与程序修改

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󰁺 工艺与设备参数修改 󰁺 系统保护

形象直观的人机界面有较强的功能：

󰁺 工艺参数的输入：可输入铸锭长度、型材长度、挤压系统、残料厚度等。根据挤压产品的要求灵活方便的制订挤压工艺。

󰁺 控制参数设置，可设置液压系统参数、挤压轴、挤压筒、供锭机等的速度及位置，牵引机和挤压轴的速度同步参数等。可根据生产工艺要求灵活改变参数，调节设备性能，使设备工作在最佳状态。

󰁺 在线监控：可通过按键切换显示工况各个画面，监控整个系统各部分的实时工作状况。

󰁺 故障诊断：可准确提供故障点，方便故障处理。 3).挤压速度自动控制系统

挤压速度的控制是挤压机控制系统中最重要的控制环节之一。由于该挤压机改造后的主要产品是长度26米的车辆型材，要保证产品在26米长度上尺寸精度，性能指标满足技术要求，对挤压速度的控制就提出了高精度、高稳定性的要求。

挤压机改造为油泵直接传动后，只要精确地控制油泵的输出油量，就可以准确地控制挤压速度。

挤压速度闭环控制框图见图4。

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Vs PID伺 报放大器L・V・D・T速度给定 伺服阀变量缸变量泵 挤压缸 压力给定 KP・KI压力反馈位移（速度）反馈图4 挤压速度闭环控制框图

由图4看出，该系统采用的挤压机主柱塞的位移反馈即挤压机的速度反馈，同时为了消除压力波动的影响，又采用了压力反馈，这样可以进一步提高挤压速度的控制精度。速度给定可在人机界面上设置不同的挤压速度曲线，同时在挤压过程中可以人工干预。这样就可以通过挤压速度的曲线设置，实现等速挤压、模拟等温挤压等工艺操作，同时也为探索更先进合理的挤压速度曲线提供了控制手段。

此外，该机列还具有同步牵引控制、随动锯切控制、延伸率自动控制等功能。

三、 生产线的主要技术性能

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车辆大型铝合金型材挤压生产线研制与开发成功后，形成一条完整的大型材挤压生产线。其主要技术性能如下：

挤压机型式：卧式油压双动挤压机 挤 压 力：80MN 穿 孔 力：15MN

（穿孔力可迭加到挤压力上形成95MN挤压力） 挤压方式：可实现固定垫挤压和活动垫挤压 挤 压 筒：配有扁挤压筒，可实现扁锭挤压

铸锭加热：采用1400KV感应加热炉，可加热园锭和扁锭 出料系统：配置有水雾淬火装置，随动热锯、牵引机、拉伸机、定尺锯等设备

全机列可实现连续自动控制，具有挤压速度闭环控制，在线连续淬火，同步牵引及随动锯切，拉伸矫直过程中的延伸率自动控制，制品的高精度定尺锯切等功能。 四.应用效果

车辆大型铝合金型材挤压生产线的研制与开发项目，采用了目前世界上最先进的液压电气控制技术，将一台闲置多年的水压机改造成为具有国际先进水平的大型铝合金型材挤压生产线，并在此生产线上，生产出了合格的地铁车辆用大型铝合金型材，填补了国内空白。到目前为止，该生产线已生产出国家急需的地铁、轻轨列车用大型铝合金型材数千吨，为武汉地铁、广深高速列车、重庆轻轨列车提

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供了车用型材，替代了进口，为国家节约了大量外汇。同时也生产出了一定数量的工业型材，满足了国防军工的需求。同时为重型挤压机的改造积累了经验，该项目的成功，具有显着的经济效益和重大社会效益。

作者简介：陈功德，山东淄博人，教授级高级工程师，从事铝加工厂设备管理和设备技术改造30余年。

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