收稿日期:2004-07-20
作者简介：刘静安(1941-)，男，湖南涟源人，教授级高级工程师。
T echnology T ransform ation and Development Practice about Large Extrusion Press
刘静安
LI U Jing 2an
(西南铝业(集团)责任有限公司，重庆401326)
摘要：详细介绍和讨论了我公司95/80M N 挤压机的现代化配套改造内容。着重论述了挤压机本体的机械部分、液压系统、电气控制系统及机前后设备的技术改造。比较了改造前后的挤压生产工艺特点。分析了该项目的社会效益与经济效益。 关键词:95/80M N 重型挤压机；大型铝合金型材生产线；液压系统；控制系统；扁挤压系统；精密淬火装置；等温挤压系统
中图分类号:TG 375 文献标识码:B 文章编号:1007-7235(2004)11-0024-05
1 95/80MN 重型挤压机改造的意义
高速、节能、安全、舒适、环保是现代化交通运输面临的重要课题。大型扁宽薄壁铝合金型材是实现交通工具，特别是地铁列车、高速列车、轻轨列车、双层客车和豪华大巴高速化和轻量化的关键材料。它的大量使用可使车辆制造工作量减少40%，车体自重减轻30%～50%；可提高车辆的运行性能、运行速度，降低能耗，减少噪声和环境污染；减少磨损，减少车辆和路况维修，降低整体成本，提高综合效益。这不但可使我国交通运输业缩短与世界先进水平的差距，而且对加速我国国防和国民经济的现代化发展具有重要的战略意义。
近年来，我国交通运输业高速发展，国家要求新建项目用材的国产化率达到70%以上，而国产大型铝合金型材是完成车辆用材国产化指标的关键。因此，大型扁宽薄壁铝合金型材的研制开发极其重要。此外，航天航空、电子通讯、舰船兵器、集装箱和散热器等也急需大量大型铝合金型材。
大型扁宽、
薄壁、高精、多孔空心型材和壁板型材，其壁厚2.5～3.0mm ，高度20～150mm ，宽度250～700mm ，长度2～28.5m ，质量要求高，生产技术难度特别大，必须有80MN 以上重型挤压机和其相应
配套设备，以及一系列的关键技术和开发各种实用软件才能批量生产。国外只有日本、德国、瑞士等少数几个工业发达国家能大批量生产。图1为高速列车用大型铝合金型材断面图[1]。
图1 高速列车车辆用大型铝合金型材断面图
西南铝业(集团)有限责任公司(后面简称西南铝)拥有1台1970年由“二重”设计制造的95/80MN 挤压机，属于储备产品。1992年进行了动维护安装，经有负荷试车，证明主机运转正常，能完成大、中型
铝合金管、棒、型材的挤压工艺过程，但没有机前、机后配套设备，不能形成生产能力。1998年原国家计委同意西南铝开展“车辆用大型铝合金型材产业化前期关键技术的研制开发项目”，定点开发生产车辆用铝合金大型材。该项目充分利用现有95/80MN 挤压机和工厂公辅设施，引进关键设备和开发关键技术，用较短的时间，较低的投入，建成了技术先进的现代化重型挤压生产线，生产出扁宽、薄壁、高精度、大型铝合金大型材[2～5]。
2 95/80M N挤压机改造前的装备水平原95/80MN卧式挤压机整机装机水平很低，只能挤压一些军工用模锻件坯料和精度较低的型材和管材。只有一台主机，没有配套设备，不能形成生产能力。原95/80MN挤压机的主要技术性能和工艺特点分析如下:
(1)它是适应性很强的以生产军工产品为主的卧式双动水压挤压机，主要技术参数如下:
①型式：卧式双动水压机。
②传动方式：水泵蓄热站传动，传动介质为乳化液。
③额定挤压力:80MN(分级为30、50、80MN)。
④工作压力:31.5N/mm2。
⑤穿孔力:15MN，可叠加到挤压力上，使挤压力达到95MN。
⑥挤压工作速度:0.2～18mm/s，无级可调。
⑦挤压筒直径:Φ250,Φ300,Φ360,Φ420,Φ500,Φ650mm。
⑧挤压筒长度:1600mm。
⑨可实现的工艺过程：正向挤压，反向挤压，穿孔挤压，变断面挤压。
⑩用途：生产铝合金大断面管、棒、型材，以军工产品为主。
λϖ产品:1×××～8×××系铝合金，以2×××、7×××、5×××、6×××系为主，制品最大单位质量60 kg/m，制品最大直径500mm，制品最大高度300mm，制品最大长度18m。
λω机前、机后设备：未配置。
(2)本体结构设计合理，安全系数大，有足够的强度和刚度。所用材料选择、热处理质量和机加工质量都很好。可在最大挤压力下实现各种挤压工艺过程。
(3)挤压工具齐全，挤压筒配置过多，未配置生产大型扁宽型材的扁挤压筒。
(4)液压系统非常落后，为20世纪60年代水平。传动方式为水泵蓄势站间接传动，传动介质为乳化液，泄漏量大，消耗高。整个系统必须改造。
(5)电气控制系统十分落后，为20世纪60年代水平，自动化程度非常低，需全面彻底改造。
(6)机前、机后必须进行现代化配套改造，才能适应大型扁宽型材的生产。
3 改造开发的主要内容及关键技术
3.
x5011 液压系统的改造
将泵蓄势站传动改为油泵直接传动。用水作为传动介质易造成水系统中的阀件、柱塞缸锈蚀。柱塞缸表面产生锈蚀斑点后密封易损坏。用水分配器不易实现控制，易造成挤压机运动不平稳，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，传动平稳，动作可靠。可实现挤压压力、速度自动控制，能满足挤压制品高精度的要求。
液压系统的改造是95/80MN挤压机改造的最主要内容。用5台PVV2540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31.5N/ mm2，最高压力可达40N/mm2。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，从而实现了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。其控制方框图见图2。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、回程等各运动部件的速度。
图2 主泵控制原理方框图
3.2 以S72400P LC为核心的电气控制系统改造
对95/80MN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与液压系统和机械部分的改造相适应，又要考虑设备配套后整条
生产线的全线自动控制，以及满足车辆大型铝合金型材、大直径薄壁管和其他各种产品的生产工艺要求。电控部分选用目前世界最先进的西门子公司的S72400P LC 作为主控组件和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2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。
S72400P LC 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
。
图3 控制分配示意图
系统的主要配置是以两台S72400P LC 为主站组
成两个Profilbus 对等网，两台主站共带21个ET 200M 远程1/10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MP1网络连在一起，完成主站间的数据交换。系统具有如下功能:
①数据收集与处理。②通讯组态与资源共享。③远程故障诊断与程序修改。④工艺与设备参数修改。⑤系统保护。
形象直观的人机界面有较强的功能:①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。
②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，使设备工作处在最佳状态。
视频浪涌保护器
③在线监控，可通过按键切换显示各个工况画面，监控整个系统各部分的实时工作状况。
④故障诊断，可准确提供故障点，方便故障处
理。3.3 挤压速度自动控制系统的建立与开发
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26m 的车辆型材，要保证产品在26m 长度上的尺寸精度、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
。
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、拉矫率自动控制等功能。3.4 95/80MN 挤压机机械部分的改造与技术开发
为了适应车辆用大型铝合金型材生产的需要，对原挤压机的供锭机、分离剪、移动模架、容器锁紧、残料及垫片的分离与移出等都进行了彻底的改造。并增加了扁挤压系统。供锭机采用两级水平移动送料方式，动作平稳，对中性好，可满足扁锭和圆锭的送料要求。移动模架改为推拉式移动模架，可实现快速换模。主分离剪增加了导向滑轨的长度，加强了剪刀机的刚度，刀片加宽以适于剪切宽度达700mm 的型材。更换4个容室移动缸，使锁紧力增大至6MN ，以防大帽现象产生。增加容室上导轨，
组成“X ”导向，提高挤压机对中性，以适应固定挤压垫片挤压和穿孔挤压。改造残料与垫片分离与传送机构，使之同时满足活动垫片和固定垫片挤压方式的需要。机械部分和液压、电控系统改造后，可实现穿孔力(15MN )叠加到挤压力(80MN )上，可使最大挤压力达95MN 。同时预留了反向挤压的空间和
接口。3.5 大型材挤压生产线的现代化配套改造与开发
除了对挤压机本体进行现代化的改造与开发外，为了满足大型材和大管材生产的工艺要求，还对机前、机后的辅助设备进行了现代化配套改造和开发。机前配置了由波兰设计与制造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S MS 、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要求；同步热锯和牵引机以及出料台和横向运输装置；自动控制拉伸矫直机；自动定尺锯床；多功能辊矫机和30m 长件人工时效炉等。形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，见图5
。食品可追溯系统
图5 铝合金大型材挤压生产线方框图
4 改造后95/80MN 挤压生产线的技
术特性与工艺特点
95/80MN 重型挤压生产线的主要技术特性和工艺特点如下。
4.1 生产线的主要技术特性
(1)挤压机
①型式：卧式、双动、油压单独传动挤压机。②传动方式及工作压力：油泵直接传动，工作压力为31.5N/mm 2。
③额定挤压力:80MN 。④穿孔力:15MN 。⑤最大挤压力:80MN +15MN =95MN 。⑥挤压工作速度:0.2～25mm/s 。⑦圆挤压筒规格:Φ500/Φ580mm ×1600mm 。⑧扁挤压筒规格:670mm ×270mm ×1600mm 。⑨可实现的工艺过程：正向挤压，反向挤压(预留)，穿孔挤压，扁筒挤压，活动垫片挤压，固定垫片挤压。烟气脱硝催化剂
⑩用途：生产铝及铝合金军用和民用大型扁宽薄壁空心和实心型材，大断面棒材和型材，大径薄壁管材。
λϖ产品数据：所有铝及铝合金，制品最大单位质量40～60kg/m ，制品最大宽度650mm ，制品最大高度300mm ，制品最大长度28.5m 。
(2)铸锭感应加热炉①加热功率:1400kW 。②扁锭尺寸:655mm ×255mm ×600～1400mm 。③圆锭尺寸:Φ485/Φ565mm ×600～1400mm 。④最高加热温度:550℃。(3)出料系统①精密水雾气淬火装置：淬火区长度6m ，最大喷雾压力1.2N/mm 2。
②随动热锯：锯片直径Φ1120mm ，锯切速度与挤压制品速度同步。
③牵引机：牵引力8.0kN ，最大牵引速度0.4m/s 。
④冷床及横向运输装置：冷床长度36m ，横向输送方式，耐高温皮带输送。
⑤拉矫机：拉矫力3600kN ，夹口最大开口度340mm 。
⑥定尺锯：锯片直径Φ920mm ，锯切长度2～28.5m 。
(4)辊矫机
被矫材料的抗拉强度R m ≤350N/mm 2，主矫直辊的工作宽度100～750mm ，上下辊之间最大可调距离600mm 。
(5)人工时效炉
洗瓶
加热功率1020kW ，时效材料最大长度28.5m ，最高使用温度(250±3)℃。4.2 生产线的工艺特点
(1)新建的生产线既保留了原挤压机生产军工产品的优势，又增添了生产车辆用大型扁宽薄壁高精度空心型材和实心壁板的功能，型材的最大宽度可达650mm ，最大交货长度可达28.5m 。完全可以满足航天航空、交通运输、电子通讯、电力能源，散热空调等产业对铝型材的需求。
(2)可满足圆锭挤压(包括宽展模挤压、组合模挤压)和扁锭挤压的工艺要求，用Φ580mm 挤压筒可挤压Φ500mm 的铝合金大棒材；用670mm ×250mm ×1600mm 扁挤压筒可挤压宽度为250～650mm ，壁厚为2～10mm ，长度为2～28.5m 的软铝合金和硬铝合金型材。
(3)可用随动针、固定针和穿孔法生产大径薄壁无缝管材，中心对正好，壁厚偏差小；可挤压大径厚
壁硬铝合金无缝管材，最大外径可达Φ500mm。
(4)95/80MN挤压机具有反向挤压的功能，可用反挤压法挤压各种硬铝合金棒材、管材和型材。
(5)可适应活动挤压垫片和固定挤压垫片的工艺要求；无缝管挤压和反向挤压时必须用活动垫挤压，而其他方法挤压时既可以用活动垫也可以用固定垫挤压，用固定垫挤压可提高生产效率，减轻劳动强度。
吊葫芦
(6)挤压机用油泵直接传动，动作平稳可靠，密封性好，泄漏少。先进的电控系统保证了挤压全过程和整个生产线的高度自动化。高度自动控制的感应加热炉可实现分段梯度加热，挤压筒可实现分段控温加热，这些都为等温挤压创造了条件。挤压速度闭环控制系统、在线精密淬火系统、同步牵引及随动锯切系统、自动可调拉矫装置、制品高精度定尺锯以及精密辊矫装置等，这些都有利于保证挤压产品的力学性能、内部组织和尺寸精度的均匀和高的质量。
(7)整个生产线布置紧凑、流程合理、功能齐全，技术先进、经济合理。
5 改造开发成果和效益分析
(1)建成我国第1条具有国际先进水平的大型铝合金型材和大径薄壁管材的现代化挤压生产线，填补国内空白，替代进口产品，对我国国防现代化、地铁和轨道车辆轻量化和高速化将起到重要作用。
(2)通过生产单位、学校、研究单位、用户联合攻关，以及对进口设备与技术的消化吸收，将使我国重型挤压装备和挤压工艺技术水平进入世界先进行列。
(3)利用原有条件对现有设备进行配套改造，与新建一条同等规模的重型挤压生产线相比，可节省投资30%～40%，时间缩短50%。
(4)使长期闲置的设备转化为一个新的经济增长点，并带动一批相关产业和企业发展。大型扁宽薄壁高
精复杂空心或实心型材的推广应用前景非常好，可大大促进我国轨道车辆、汽车、飞机、电力能源、通讯、机械制造、集装箱、公路桥梁以及坦克、装甲车等产业的发展。
(5)改造后的95/80MN挤压生产线，自2001年5月18日投产以来，已研制开发和批量生产不同规格品种的大型铝合金型材和管材2000余吨，其产品质量达到国际先进水平，并已成功应用于飞机和广2深高速列车、武汉地铁列车、重庆轻轨列车和沃尔沃豪华大巴等车厢的试制生产，具有显著的经济效益和社会效益。
6 结束语
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，将一台装机水平低且已闲置了20多年的水压机配套改造与开发成一条具有国际先进水平的现代化挤压生产线，可用于生产大型铝合金型材和大直径薄壁管材。改造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。在生产线上成功研制出我国首批大型铝合金型材和管材，满足国防和现代化交通运输的急需，填补了国内空白。为重型挤压机的新建、改建及大型铝合金挤压材的研制开发积累了经验，推动了我国大型挤压机和挤压技术的发展。
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书 讯
编辑部目前有部分文集出售，这些文集所收录文章涉及从熔铸到加工的内容。有意者请与编辑部联系，电话:0451-********。
《全国铝合金熔铸技术交流会论文集》2004年10月出版,137页,36篇文章;《全国第十二届轻合金加工学术交流会论文集》2003年8月出版,370页,114篇文章;《首届中国国际轻金属冶炼加工与装备会议文集》2002年4月出版,487页,129篇文章。
《轻合金加工技术》编辑部 2004.11.20
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