图 １ 达涅利布雷达公司双筒挤压机 Ｆｉｇ.１ Ｄａｎｉｅｌｉ Ｂｒｅｄａ ｄｏｕｂｌｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｅｘｔｒｕｄｅｒ

　　收稿日期:２０１８－０８－１４ 作者简介:赵富胜(１９８２－) ꎬ男ꎬ高级工程师ꎮ

　　( １) 节能 根据达涅利公司的测算ꎬ此类型挤压机与常规单 筒挤压机相比ꎬ其能源消耗下降 １２.５％ꎬ即从常规挤 压机的 ２７７.３ｋＷｈ / ｈ 下降到 ２４２.７ｋＷｈ / ｈꎻ比能耗下 降 １７.４％ ꎬ即从常规挤压机的 ０.１０８ ｋＷｈ / ｋｇ 减少到 ０. ０８９ ｋＷｈ / ｋｇ( 按门窗型材测算) ꎮ ( ２) 生产效率提升 因空载时间显著减少ꎬ由常规挤压机的 １７ｓ 缩短 到 １０ ｓꎬ即缩短了 ４１.２％ꎻ产量提高 ５.９％ꎬ从常规挤压 机的 ２５７７.９ｋｇ / ｈ 增加到 ２７２９.６ｋｇ / ｈꎮ

　　其结构特点是采用了双挤压筒ꎬ需要两套加热系 统和铸锭填装系统ꎮ 其工作流程是ꎬ第一个挤压筒完 成挤压作业后ꎬ挤压轴后退ꎬ将第一个挤压筒侧移出 挤压机ꎬ将第二个挤压筒移入挤压机ꎬ开始挤压ꎬ两个 挤压筒交替作业ꎮ 当第一个挤压筒用于挤压时ꎬ另一 个挤压筒可利用前一个挤压筒的挤压时间备料ꎬ比传 统挤压机节省了铸锭装入挤压筒、挤压筒前移、后移 的非生产时间和挤压机的空载时间ꎮ 具有以下优点:

　　表 １ 两种挤压机装机功率对比 Ｔａｂ.１ Ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｅｘｔｒｕｄｅｒ

　　( ３) 装机功率显著减少 挤压机的装机功率与挤压机吨位和挤压速度有 关ꎬ在挤压机吨位确定的情况下ꎬ挤压速度越快ꎬ装机 功率越大ꎮ 铝合金型材挤压机的最大挤压速度一般 不超过 ２５ｍｍ / ｓꎬ但是常规挤压机的装机功率会远远 超过按此最大挤压速度计算出来的功率值ꎬ是因为 常规挤压机装设的多数泵不是为了更好的提高挤压速度ꎬ而 是为缩短空载时间ꎮ 常规挤压机在挤压周期内随 着挤压过 程 进 入 到 稳 定 挤 压 阶 段ꎬ 挤 压 力 趋 于 稳 定 时ꎬ不需要所有的泵参与工作ꎬ这时需要用变流器将 １ 台或多台泵关闭ꎻ而在下一个挤压周期开始之前即挤 压机空载时间内则需要这些关闭的泵能立即启动ꎬ以 便参与下一个挤压周期ꎮ 而双筒挤压机由于显著缩 短了空载时间ꎬ其所需的安装功率也显著减少ꎮ 表 １ 为 ２２ＭＮ 挤压机及 ２２ＭＮ Ｔ－Ｗｉｎ 挤压机的装机功率对 比ꎬ前者的总功率为 ９００ｋＷꎬ而后者仅为 ５００ｋＷꎬ为前 者的 ５６％ꎮ

　　即对挤压过程 的 速 度、 温 度 参 数 进 行 热 － 力 耦 合 仿真ꎬ用热－力耦 合 仿 真的 温 度 － 速 度 曲 线ꎬ 对 挤 压 速 度来控制ꎮ 此种方法无需对挤压型材进行温度测 量ꎬ而是通过对挤压型材预先的仿真计算ꎬ给出挤压 型材的温度－速度曲线及输入温度参考值ꎬ预测出挤 压型材的最高出口温度ꎬ作为挤压型材优化的出口温 度值ꎮ 当所测坯料的温度偏离输入温度参考值时ꎬ根 据二者的差值ꎬ 可 对 挤 压 预 测 的 温 度 － 速 度 曲 线 进 行 修正ꎬ以使挤压型材的出口温度值保持在其优化的出 口温度值上ꎮ 在建立挤压热－力耦合仿真系统时ꎬ除

　　即根据挤压型材的质量发展要求ꎬ在安装新模的条件 下ꎬ由人工初次设定挤压出口温度控制的目标值ꎬ经 过 ３ ~ ５ 根坯料的试挤后ꎬ可得到最大的等温挤压温度 值ꎬ将此温度值作为该挤压模余下坯料的出口温度控 制目标值ꎮ 在该坯料的挤压循环中ꎬ采取了专用的红外 线测温仪ꎬ对其出口温度进行连续测量ꎬ如果型材的 测量温度值低于温度控制的目标值ꎬ则立即提高挤压 速度ꎬ反之ꎬ则立即降低挤压速度ꎮ 用这种方法ꎬ挤压 型材的出口温度误差可被控制在±５ ℃ 内ꎮ

　　图 ４ 挤压成型极限示意 Ｆｉｇ.４ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｌｉｍｉｔ ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ

　　高、后端温度低的状态ꎬ通常是在感应炉内ꎬ对坯料进 行分段加热( 也可以对均匀加热的坯料来控制冷 却)ꎬ使坯料在长度方向上形成温度梯度ꎮ 如果温度 梯度设计合理ꎬ无论采用哪一种方式ꎬ挤压速度都可得 到提高ꎬ挤压过程更接近于等温挤压ꎮ 为进一步提升 梯温加热的效果ꎬ 应对坯料的梯温加热来优化ꎬ 即 需要考虑加热过程、上料过程、挤压过程在内的 整个挤压循环周期的坯料气温变化ꎮ 这些气温变化 包括:加热过程中的温度误差ꎬ如在感应炉内加热ꎬ约 有±５ ℃ 的温度误差ꎻ坯料从感应炉经上料装置ꎬ再到 挤压筒的传送过程中温度的变化ꎻ在坯料数量不足ꎬ 如小于 ３０ 根时ꎬ挤压机本身未达到热平衡状态的情 况下ꎬ挤压过程坯料的气温变化ꎮ 对此ꎬ应考虑建立 一个包含这一些因素的梯温加热控制算法ꎬ以达到优化 的梯温加热温度值ꎮ ２.２ 挤压参数的热－力耦合仿真

　　随着我国铝型材市场之间的竞争愈来愈剧烈ꎬ国家去产 能及供给侧改革带来的市场压力ꎬ以及越来越严格的 节能、环保和安全要求ꎬ使得我国铝型材生产企业必 须持续不断的发展ꎬ采用更加节能、环保的新装备和新技术 才能在未来激烈的市场之间的竞争、严格的环保和安全要求 下获得先机ꎮ

　　１.１ 双筒挤压机 意大 利 达 涅 利 布 雷 达 公 司 ( Ｄａｎｉｅｌｉ Ｂｒｅｄａ ) 在

　　摘 要:文章介绍了几种新型挤压机ꎬ以及近年来国内采用的新型挤压润滑系统、等温挤压、ＣＡＥ 系统应用、封闭式模具 碱洗系统、感应式模具加热炉等新技术和设备ꎮ 关键词:铝型材ꎻ挤压机ꎻ等温挤压ꎻ热扒皮ꎻ模具碱洗ꎻ润滑ꎻ模具感应加热炉 中图分类号:ＴＧ３７５ 文献标识码:Ａ 文章编号:１６７１－６７９５(２０１９)０１－００１６－０８

　　图 ５ 等速挤压与等温挤压对比 Ｆｉｇ.５ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｓｐｅｅｄ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ

　　美国 Ｗｅｌｌｓ 公司和 Ｗｅｒｎｅｒ 公司使用 Ｏｐｔａｌｅｘ 恒温 挤压控制管理系统后其生产率提升最高可达 １２％ꎮ

　　从图 ５ 能够准确的看出ꎬ在普通挤压条件下ꎬ主缸速度 是基本恒定的ꎬ而出口温度会随着挤压的进行不断升 高ꎬ直至一个挤压周期的结束ꎮ 而等温挤压过程则是 出口温度基本恒定ꎬ主缸速度成曲线变化ꎬ并可节约 挤压时间 １０％ ~ ３０％ꎬ据报道该系统恒温控制精度达 到±３℃ ꎬ可使单台挤压机产量提高 １０％ ~ ２０％ꎬ废料减 少 ２％ ~ ５％ꎬ大幅度的提升了生产效率和产品质量ꎮ

　　图 ３ 某吨位常规挤压机和 ＨｙｂｒＥｘ 挤压机对比图 Ｆｉｇ.３ Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｅｘｔｒｕｄｅｒ ａｎｄ

　　ＨｙｂｒＥｘ ｅｘｔｒｕｄｅｒ ｆｏｒ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｔｏｎｎａｇｅ

　　( ３) 节约能源的效果显著 由于液压系统得到了精简ꎬ从而使液压系统的散 热和能量损失得到减少ꎬ同时非生产时间的缩短ꎬ大 大提升了生产效率 ( 约 ２０％) ꎮ 据西马克资料介绍ꎬ ＨｙｂｒＥｘ 挤压机最高可节能 ５５％ꎮ 西马克公司在 ＨｙｂｒＥｘ 挤压机液压系统中采用的 关键技术还有ꎬ液压缸带有预注室与气密槽ꎬ后者还 有除气装置ꎮ 这种挤压机采用了新型“ ＯｘｉＳｔｏｐ” 技术ꎬ 因而液压油中的空气含量由 １０％ 下降到 １％ꎮ 这对 泵、阀和其他磨损件寿命延长极为有利ꎮ 目前ꎬＨｙｂｒＥｘ 挤压机的最大设计吨位为 ３８ＭＮꎬ 可挤 ２５４ｍｍ(１０″) 铝棒ꎮ 其售价约为西马克传统挤压 机的 １.３ 倍ꎮ

　　此设计带来的好处有: ( １) 明显降低挤压机的非挤压时间 采用高速伺服电机驱动ꎬ其响应速度更快ꎬ运行 速 度 更 快 ( 可 达 １０００ｍｍ / ｓꎬ 液 压 驱 动 一 般 不 超 过 ３００ｍｍ / ｓ) ꎬ同时更加精确ꎬ不再需要机械停止ꎮ 因此 与常规挤压机驱动系统相比ꎬ非生产时间可缩短到仅 １０.５ ｓꎮ ( ２) 设备更加紧凑 由于液压系统仅用于纯挤压过程的挤压轴驱动、 压余剪和模座滑移ꎬ因此其液压系统得到了精简ꎬ所 需的液压油量减少ꎬ由此减少了主油缸的的容积和尺 寸ꎬ与常规挤压机的油槽相比ꎬＨｙｂｒＥｘ 挤压机的油槽

　　实现等温挤压的理论基础是挤压极限原理 ( 图 ４) ꎮ 由图 ４ 可见铸锭在挤压过程中ꎬ一方面受到合金 挤压能力曲线的限制ꎬ另一方面受到挤压制品表面质 量曲线限制ꎮ 整个铸锭必须以同一温度挤压才能达 到最大的挤压速度ꎬ因此等温挤压对挤压速度的影响 至关重要ꎮ 图 ４ 描述了挤压温度( Ｔ)、挤压速度( Ｖ)、

　　容积减小 ９０％ꎬ同时降低了液压系统的电气装机功 率ꎮ 减少了设备长度和占地面积ꎬ设备整体布局更加 紧凑ꎮ 图 ３ 为某吨位常规挤压机和 ＨｙｂｒＥｘ 挤压机的 长度对比图ꎬ从图中可见 ＨｙｂｒＥｘ 挤压机布置非常紧 凑ꎬ长度方向仅为常规挤压机的 ２ / ３ꎮ

　　挤压能力(Ｐ)与制品表面上的质量( Ｑ) 之间的关系ꎮ 两条 曲线的交点为理论上制品的最大挤压速度与最佳出 口温度ꎮ 实现等温挤压基本方法有坯料的梯度加热、 挤压参数的热－力耦合仿真和闭环控制等温挤压ꎮ

　　西马克公司 ２０１５ 年左右推出了新一代挤压机机 型—ＨｙｂｒＥｘ 混合动力挤压机( 图 ２) ꎮ

　　图 ２ 西马克公司 ＨｙｂｒＥｘ 混合动力挤压机 Ｆｉｇ.２ ＨｙｂｒＥｘ ｈｙｂｒｉｄ ｅｘｔｒｕｄｅｒ ｏｆ ＳＭＳ

　　统仅用于挤压过程建立挤压力、压余剪驱动和模座滑 移ꎮ 而高速伺服电机则用于下列所有辅助驱动:(１) 取代传统的侧缸ꎬ主柱塞的快速回程和前进采用的电 机驱动ꎻ( ２) 挤压筒的移动ꎬ具有附加轴向行程的锁定 单元确保必要的剥离和锁紧力ꎻ(３) 供锭器的所有动 作均采用电机驱动ꎮ

　　双筒挤压机与常规挤压机比较ꎬ其节约能源的效果显 著ꎬ但是其需要 ２ 套加热系统和离线装锭系统ꎬ其结 构较传统挤压机复杂ꎬ造价也比常规挤压机高ꎮ １.２ 油电混合动力挤压机

　　考虑挤压型材 变 形 场 － 温 度 场 的 耦 合 作 用 外ꎬ 还 需 考 虑挤压型材与挤压工具间的接触热传导ꎬ挤压工具自 身的热传导ꎬ以及挤压工具与环境间的热对流ꎮ 对挤 压型材不同的断面形状与合金成分ꎬ需要分别建立仿 真系统ꎮ 因此ꎬ需对挤压型材按其断面形状与合金成 分ꎬ进行一定的分类ꎬ以最小的仿真代价ꎬ达到最大的 适合使用的范围ꎮ 采用挤压热－力耦合仿真系统实施等温挤 压ꎬ硬件花费少ꎬ对现有的工艺、设备改动很小ꎮ ２.３ 闭环控制等温挤压

　　１９９５ 年爱尔兰 Ｏｐｔａｌｅｘ 公司推广其研制开 发 的 Ｏｐｔａｌｅｘ 恒温挤压控制管理系统ꎬ该系统是一套通过对型材 出口温度实时监测反馈并调整挤压速度的温度－速度 闭环控制管理系统ꎬ由丹麦阿列罗得市( Ａｌｌｅｒｏｅｄ) 阿卢马 克公司( Ａｌｕｍａｃ) 开发ꎬ目前已在国外 ２０ 余家铝型材 挤压制造商中安装ꎬ其与普通等速挤压对比示意图 如图 ５ 所示ꎮ

　　ＤＯＩ:１０.３９６９ / ｊ.ｉｓｓｎ.１６７１－６７９５.２０１９.００３

　　Ｖｏｌ ４８ Ｎｏ １ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１９