鋁型材擠壓機液壓部分的設計【鋁型材擠壓機液壓系統(tǒng)的設計及研究】

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The text firstly introduced both the related knowledge technical of the extruding and the related requirements of the hydraulic system, aiming at applying the request of the design, the author used the new energy pump, and designed the whole slide valve loop. Then, the author made some improvement to the valves of the chief loop; completed simple conversion of valve from the traditional to the inserted pattern, let the switch of the oil loop and the movement of the parts respectively controlled, simplified the system. This text also designed the electrical control system in order to gain the comprehensive training containing machinery, electricity, hydraulics. Key Word: Extruder、Cartridge Valve、Hydraulic system 文獻綜述 當代經濟的飛速發(fā)展促動城市建設的穩(wěn)步推進，進而對行業(yè)提出了更高的要求，高強度、低重量的鋁型材結構鋼架日益成為建筑領域的主導。由此，如何高效率、大批量生產各種高質量的鋁型材成為機械行業(yè)的一大課題。傳統(tǒng)的鑄造、熔煉方法已經不能滿足對產品質量和大批量生產的要求，因此，將目標集中在壓力加工領域成為必然。擠壓機的系統(tǒng)設計應運而生。用機械方式實現(xiàn)擠壓伴隨而來的是高噪音，擠壓速度不穩(wěn)定等問題，這對型材質量來說是致命的危害，而用液壓系統(tǒng)實現(xiàn)卻有結構簡單、擠壓平穩(wěn)、自動化程度高等優(yōu)點，完全可以滿足對材料的要求，由此，我們承擔了此次鋁型材液壓系統(tǒng)的設計任務。 所謂擠壓，就是通過對放在容器（擠壓筒）中的錠坯施加壓力，使之通過?？壮尚蔚囊环N壓力加工方法。在生產斷而較復雜的管材、型材方面，擠壓法是唯一可行的壓力加工方法。因此，鋁型材加工采用擠壓法實現(xiàn)。一臺性能優(yōu)良的擠壓機是決定擠壓產品質量的關鍵。擠壓機按其總體機構形式一般分為臥式擠壓機與立式擠壓機兩大類。目前，用于鋁及其合金型、棒、帶材的擠壓機主要的是臥式的。按其驅動方式不同，又分為油壓機和水壓機。根據(jù)擠壓機的用途與機構的不同，臥式擠壓機又分為棒型擠壓機和管式擠壓機，或稱之為單動式復動式擠壓機，兩者之間區(qū)別是前者沒有獨立的穿孔系統(tǒng)。臥式擠壓機按其擠壓方法又分為正向擠壓機、反向擠壓機和聯(lián)合擠壓機（即在此種設備上可以實現(xiàn)正擠壓或反擠壓）三種類型。正向擠壓機與反向擠壓機在基本結構上沒有的差異。 目前我國鋁材擠壓機的數(shù)量已居世界前列，但裝機水平仍很落后，工業(yè)發(fā)達國家98%擠壓機的擠壓力超過15MN，而我國90%擠壓機的擠壓力在15MN以下。可以預見，在今后十多年內，我國現(xiàn)有大多數(shù)小壓機將被淘汰，計算機輔助擠壓系統(tǒng)，以使等溫擠壓期間都處于最大擠壓水平作用下，盡量縮短實際時間，提高鋁材質量；超精細的液壓油過濾器，并有連續(xù)側液壓油質量與溫度的儀器；各項工藝參數(shù)顯示與監(jiān)控電子系統(tǒng)；管理信息與診斷顯示系統(tǒng)，顯示各項工藝參數(shù)與生產情況的種種信息，以及對設備故障及時發(fā)出警告與顯示信號，指導維護與檢修，最大限度地縮短停機時間等，使擠壓機工作達到最大優(yōu)化。 鋁及其鋁合金具有一系列優(yōu)異特性，在金屬材料的應用中僅次于剛才而居第二位。目前，全世界鋁材的銷量1800萬噸以上，其中由用于交通運輸?shù)匿X材約占27%，用于建筑裝修的鋁材約為23%，用于包裝工業(yè)的鋁材約占20%。我國鋁材消費趨向更有獨特的情況，尤其是進入改革開放的80年代以來，建筑鋁型材、特薄鋁板、軟包裝鋁箔等急劇增加，鋁型材的應用已經擴展到了國民經濟的各個領域和人民生活的各個層面。1980年我國鋁型材的消費量約30萬噸，到1992年猛增到70萬噸，12年增長了1.3倍。 建筑業(yè)是國民經濟的支柱產業(yè)，也是鋁消費最大的市場之一。鋁材在建筑業(yè)上主要用做門窗、幕墻框格、鋁塑復合板和管材等。目前建筑用鋁已占全世界鋁產量的25%左右，而我國建筑用鋁材已超100萬噸/年，占據(jù)產量的1/3以上，其中鋁型材已超過100萬噸/年，占據(jù)產量的1/3以上，其中鋁型材年消耗量達90萬噸。 高節(jié)能建筑的興起催進了門窗制品的結構、功能及相關材料的迅速發(fā)展。國家建設部1996年9月就頒發(fā)了“建筑節(jié)能政策” ，具有規(guī)定了發(fā)展節(jié)能窗的方針與方法， 明確提出了到2000年要實現(xiàn)節(jié)能50%的新目標，這給鋁合金門窗和幕墻的結構設計、擠壓工模具的設計與制造以及鋁合金擠壓與熱處理工藝優(yōu)化提出了新的要求。由此，設計了鋁型材擠壓機。 第一章 擠壓機的結構分析 擠壓機就其結構來看主要分為三大部分：機械部分、液壓部分、電氣部分。由于該課題由三人完成，我承擔是液壓系統(tǒng)設計部分，因此對于機械和電氣部分在此只做簡單介紹，后面不再對此做敘述。 1、 主要機構 此鋁型材擠壓機主要包括以下幾個機構部分： 供錠機構 用于將加到一定溫度的鋁錠運送至擠壓中心上。它利用一只活塞的上下往復運動實現(xiàn)。其運動過程速度當可控，以便實現(xiàn)快速上升、慢速調整到位、快速返回等不同過程。 合模機構 靠兩個柱塞缸將料膽筒在整個擠壓過程始終緊壓模口以進行擠壓而不出現(xiàn)飛邊（流涏）等不良現(xiàn)象，為實現(xiàn)此功能，要求液壓系統(tǒng)有保壓環(huán)節(jié)，普通滑閥系統(tǒng)多采用蓄能器或壓力繼電器等措施來完成。 擠壓機構 鑒于活塞缸對內筒加工要求高且大噸位擠壓設備中需要很大的活塞面積，相比之下柱塞缸機構簡單，輸出同樣擠壓所需要面積小等原因，采用柱塞缸來實現(xiàn)整個平穩(wěn)擠壓過程。伴隨而來，需要兩個側缸保證柱塞返程，這個過程也要經歷推錠到位、擠壓、保壓、快退等不同階段，且擠壓階段速度要求高，因此也要求速度可調，傳統(tǒng)方式采用定量泵節(jié)流系統(tǒng)實現(xiàn)。 剪切機構 擠出的型材達到一定長度后，需要將型材剪斷或將壓余部分分離，用剪切筒來完成。它是一個立式柱塞缸，運動過程要求剪切速度恒定，無沖擊、爬行現(xiàn)象。 換模機構 為了實現(xiàn)對不同形狀型材的加工，需要更換模座，它由一活塞缸往返運動實現(xiàn)。要求在擠壓過程中模座不動，常用雙向液壓鎖達到目的。整個壓力過程簡述如下： 泵啟動→料膽缸前進，料膽筒緊壓模座→供錠缸上升送錠至擠壓中心→擠壓缸快進推錠入?！╁V缸復原→擠壓缸工進擠壓成形→料膽缸退使壓余、墊片脫離料膽筒→擠壓缸快退復原→料膽缸復原→剪切缸下行剪斷型材→剪切缸復原→模座缸下行換模→模座缸復原并鎖定。一個循環(huán)結束 2、 液壓系統(tǒng) 該部分是我這次畢業(yè)設計的主要任務，對此先在這里做一個概括性的介紹，后面將非常詳細的介紹液壓系統(tǒng)的每個方面。 液壓系統(tǒng)設計思路 （1）多采用定量泵節(jié)流調速系統(tǒng)。這無疑對系統(tǒng)能源不能充分利用，而且積累節(jié)流調速系統(tǒng)往往不能達到精確控制的目的。但鋁型材在擠壓過程中是否能精確均勻擠壓將直接影響泵其表面及整體質量 。因此，考慮在本次設計中采用變量泵容積調速系統(tǒng)。較先進的速度反饋控制系統(tǒng)見圖1.1所示。 其工作原理是這樣的，給定電壓信號經放大后輸入給電液比例閥電控器。使比例閥動作，閥口打開一定量，控制泵輸出油經比例閥動作，閥口打開一定量，控制泵輸出油經比例閥口驅動變量機構，改變泵輸出流量而實現(xiàn)擠壓調速。同時泵變量機構上裝有位移 傳感器進行位置反饋，產生位移電信號與給 定電壓信號相減直到為零，此時變量機構不 再動作，泵輸出流量固定在某一穩(wěn)定值上，擠壓速度保持不變。 這種傳動方式的突出優(yōu)點是流量變化的線 圖1.1 調速系統(tǒng)液壓原理圖 性度好，小流量輸出時流量任保持穩(wěn)定，低 速穩(wěn)定性極佳；且控制油采用變量泵供給，功率損失小，發(fā)熱少，更可以大大提高快速響應性。設計中將考慮移植。 （2）多采用滑閥實現(xiàn)控制。這對擠壓機大噸位大流量來說存在一個致命的矛盾：大流量伴隨大的液壓動力，普通電磁閥難以實現(xiàn)。甚至需要電液閥，大大增加了系統(tǒng)復雜性。而且，滑閥系統(tǒng)存在死區(qū)，使得精確控制成為紙上談兵。另外，滑閥采用面密封形式，泄露較大難以實現(xiàn)前述保壓等功能。而插裝閥系統(tǒng)不存在上述問題。它靠獨特的線密封保證泄露少，基本可以在不外加設備（如蓄能砌等）的情況下現(xiàn)實保壓。更有，插裝閥系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同回路單獨控制的功能，大大 便利了對系統(tǒng)提出的不同要求的滿足。 （3）以往系統(tǒng)多采用單步驟工況逐步實現(xiàn)循環(huán)。（例如，擠壓缸工進與供錠缸下降復原，本可以在同一時間段內完成卻采用了分步執(zhí)行）這大大延長了工作循環(huán)周期，而且不利于能源的有效利用，考慮如何在同一時間段內完成多個動作將是傳統(tǒng)的一大突破。 綜上，本次設計將在采用容積調速回路、插裝閥控制以及多動作同時進行的思路下進行。 3、 電氣控制 該部分的內容是本次設計所要了解的部分，隨著信息化的時代來臨，要真正掌握一臺機床的每個方面已不能只停留在單純的人工控制了。為了減少勞動強度，提高生產率，自動控制是當代機械領域的一個必不可少的環(huán)節(jié)。 20世紀80年代以后，隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技術的迅速發(fā)展，16位和32位微處理器應用于PLC中，使PLC得到迅速發(fā)展。PLC不僅控制功能增強，同時可靠性提高，功耗、體積減小，成本降低，編程和故障檢測更加靈活方便，而且具有通信和聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理和圖象顯示等功能，使PLC真正成為具有邏輯控制、過程控制、運動控制、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的名符其實的多功能控制器。 ? ? 自從第一臺PLC出現(xiàn)以后，日本、德國、法國等也相繼開始研制PLC，并得到了迅速的發(fā)展。目前，世界上有200多家PLC廠商，400多品種的PLC產品，按地域可分成美國、歐洲、和日本等三個流派產品，各流派PLC產品都各具特色，如日本主要發(fā)展中小型PLC，其小型PLC性能先進，結構緊湊，價格便宜，在世界市場上占用重要地位。對于擠壓機控制環(huán)節(jié)采用PLC是一個即實惠又可以很好的滿足設計要求。 機械、液壓、電控三大部分很好的連接起來設計是該課題的關鍵，脫離了其中任何一樣都可能最終引起擠壓機的設計問題。因此，為了能將三大部分很好的連接，我們這組成員在設計中應該很好的配合。在確定好方案之后，各自的設計最終能夠組合起來構成一臺完整的機器。 第二章 液壓缸機構形式確定 由擠壓工藝要求，擠壓系統(tǒng)應當由模座、料膽、機械手、剪刀、擠壓等五部分組成，其中各部件運動的實現(xiàn)應當由液壓缸完成。下面分別設計。 ·模座缸 用來更換擠壓缸模以達到加工不同鋁錠材的目的。工作時，應當保證穩(wěn)定不動，所以應當有鎖緊裝置?？捎闷胀ɑ钊讓崿F(xiàn)，如圖2.1 ·料膽缸 用于限制錠坯橫向運動。由于在擠壓過程中，它要以左邊模座接受錠坯，且模座缸在其右的中央位置，故料膽缸不宜采用單臂工作。將其設計為水平雙缸操作是合理的，其機構見圖2.2. ·機械手（供錠手） 用來將熱錠坯運送到擠壓中心線上。它的工作循環(huán)僅僅是上升下降，故機構也應為普通活塞缸。見圖2.1 ·剪切缸 它將擠壓結束后棒料剩余部分剪下，剪切完畢后自動退回，其運動方向應是豎直平面內的上下往復，故機構形式也應如圖2.1，只不過在柱塞狀頭部加一合金刀具而已(圖2.3)。 ·主缸 主缸是整個擠壓過程的關鍵，其要求有很多特點： 圖2.1 模座缸、機械手機構示意 圖2.2料膽缸機構示意 圖2.3剪切缸 結構示意 （1）承受大的擠壓力，要求有較大油壓面積。 （2）主缸在推動棒料進入料膽時，應當是快速前進。 （3）全壓擠壓時，速度緩慢，應當可調。 （4）主缸退回也應當快速進行。 由以上四項要求，不難發(fā)現(xiàn)許多矛盾之處：大的承壓面積將要求大的流量，對泵的規(guī)格要求偏大，不符合節(jié)能原則。同一個擠壓過程同時要求兩種擠壓速度。顯然，用普通活塞缸是無法實現(xiàn)的。因此考慮采用圖2.4所示主要側缸的復合形式。它的工作原理就是：在快速推錠與快速返回時只對側缸共同接受泵來油。這樣不僅大大節(jié)約了耗油量，而且不會降低擠壓力。至于主缸與油箱之間可通過電磁閥控制針閥實現(xiàn)。 以上初定各缸機構，至于具體尺寸則要根據(jù) 設計任務書中的數(shù)據(jù)要求加以確定，見表2.1。 1—側缸 2—主缸 圖2.4 擠壓缸結構示圖 表2.1 800噸鋁型材擠壓機性能參數(shù)表 最大擠壓力 高噸位 7850KN 低噸位 6540KN 擠壓回程力 650KN 擠壓速度 （高噸位） 工進 54～12.5mm/s 快退 130mm/s 最大擠壓力 高噸位 7850KN 低噸位 6540KN 機械手 最大負載 15 KN 最大運動速度 100 mm/s 料膽缸 前進阻力 80 KN 鎖緊力 80 KN 前進速度 140 mm/s 模座缸 推力 25 KN 移動速度 280 mm/s 剪切缸 剪切力 350 KN 剪切速度 110 mm/s 第三章 擠壓力確定 要計算擠壓力必須了解一下擠壓原理，擠壓法的實現(xiàn)方式又可分為兩種：正擠壓和反擠壓。正擠壓時，金屬的流動方式與擠壓桿的運動方向相同，其主要特征是錠坯與擠壓筒內壁間存在著較大的外摩擦。反擠壓時，金屬的流動方向與擠壓的運動方向相反，其特點是金屬與擠壓筒內壁間無相對滑動，繼而也就不存在外摩擦。正擠壓和反擠壓的不同特點對擠壓過程、產品質量和生產效率都有著極大影響。 本設計采用正向法，原因如下： （1） 鋁合金流動性較大，摩擦力對型材質量影響較小。 （2） 反向擠壓是將模子設置在擠壓桿內部，這樣對擠壓桿擠壓強度要求較高，且模座更換異常復雜，生產效率不高。 （3） 反向擠壓法對型材長度有一定限制，應用場合將大大減小。 正向擠壓法產生棒材、線材、型材的示意圖如圖3.1所示，通常是將鑄錠加熱至規(guī)定的溫度后放入擠壓筒中，比擠壓筒內徑稍小的擠壓桿迫使金屬通過?？琢鞒龆兂膳c?？仔螤?、尺寸相同的制品。為了減少擠壓桿磨損，將擠壓桿直徑做得比擠壓筒內徑稍小，并在其端頭加一個直徑幾乎與擠壓閥中的部分金屬1—棒材 2—模座 3—模子 4—錠坯 5—墊片 擠壓機構由擠壓機和擠壓工具組成。 6—擠壓筒內襯 7—料膽 8—擠壓缸 擠壓機分臥式和立式兩類。擠壓桿運動3.1擠壓示意圖 方向與地面平行的稱其為臥式機，能力 一般為1000～5000噸；擠壓桿運動方向與地面垂直的為立式機，能力一般為300～1000噸。考慮到立式機對型材長度要求有限制，故本設計采用臥式擠壓機。 擠壓工具一般包括模子、穿孔針（管材用），擠壓墊和擠壓筒（或稱料膽筒）以及一些其他配件。 模座 模座是擠壓產生中重要的工具，它的結構形式，各部件尺寸，以及所用材料和加工處理擠壓力、金屬流動均勻性、制品尺寸的精度、表面質量及其使用壽命都有極大影響。最基本的使用最廣泛的是平模和錐模。 穿針孔 穿孔針或芯棒是用來確定空心制品內部尺寸和形狀的工具。當用實心錠擠壓時，用來穿針工具稱為穿孔針，而在用空心錠擠壓時，稱為芯棒。 擠壓墊 它用來將錠坯與擠壓桿隔離，一方面防止驟熱損壞擠壓桿表面質量；一方面代替擠壓桿與擠壓筒內壁摩擦。二者都有利于提高擠壓質量。 擠壓桿 它用來向錠坯施加壓力。由于在擠壓過程中長時間承擔大噸位壓力，故對其質量要求也相當嚴格。否則，擠壓不均勻或者使管材偏心都是常見的廢品形成原因。此外，工作時擠壓桿還可能產生壓潰、龜裂和碎裂等，都會影響產品質量。 擠壓筒 它由兩層或者三層以上的村套以過盈熱配合組裝在一起，是擠壓過程中的關鍵部件。擠壓筒內表面裝態(tài)和潤滑情況決定了鑄錠與筒壁相接觸表面上摩擦力的大小。當表面光滑且潤滑良好時，摩擦力小，擠壓均勻。所以將擠壓筒設置多層銅套降低摩擦，且摩損后易更換。加工過程中擠壓筒應緊靠模座，并保持一定鎖 緊力，以避免出現(xiàn)飛邊、流涏。以上部件見圖3.2. 1. 模子 2. 擠壓桿 3.穿孔針 4. 擠壓筒內襯 5.擠壓墊 圖3.2 擠壓機部件圖 在對擠壓原理有了以上認識后，下面我們著重闡述液壓系統(tǒng)的擠壓力計算。 擠壓力P就是擠壓桿通過墊片作用在被擠壓的金屬坯料上的力，它的大小、方向隨擠壓桿的行程而變化（見圖3.3） 圖3.3 正向擠壓 在擠壓的第一階段—填充階段，坯料受到墊片和模壁的鐓粗作用。其長度縮短，直徑增加，直至充滿整個擠壓筒。在此階段內，坯料變形所需的力和圓柱體鐓粗一樣，隨著擠壓桿向前運動，P不斷增加。第二階段為（平流階段）。在此階段內，對正向擠壓來說，擠壓力隨擠壓的推進下降；而對反向擠壓，則P幾乎保持不變。在上述兩個階段中間，有一個過渡階段，其特點是填充還沒完成，但坯料已從?？谙蛲饬鞒?，所以壓力還繼續(xù)上升，直到坯料完全充滿擠壓筒，進入穩(wěn)定擠壓階段為此。第三階段為擠壓中了階段（紊流階段）。這時擠壓殘余已很薄，坯料依靠墊片與模壁間的強大壓力而產生橫向流動，到達模口處再轉流出?？冢瑝|片與橫壁 的摩擦影響增強，所以擠壓力出現(xiàn)回升。此階段在正常生產中很少出現(xiàn)，因為這部分金屬擠出的制品，大部分將出現(xiàn)粗晶環(huán)、縮尾等缺陷。 計算擠壓力的公式很多，下列為一個簡便的計算公式： 式中：P—擠壓力，MPa； A—擠壓筒或擠壓筒減擠壓針面積，cm； —與變形速度和溫度有關的變形抗力，MPa； 第四章 液壓缸尺寸計算 1、 液壓缸尺寸計算公式 （1）根據(jù)A=F/(p·η)計算面積； （2）根據(jù)d=計算桿徑d并圓整； （3）計算面積A=d; (4) 根據(jù)P=F/(Aη),計算實際工作壓力P； （5）根據(jù)Q=v·A計算所需流量。 2、主缸尺寸計算 初定液壓缸工作動力P=28MPa，綜合考慮摩擦和負載，取機械效率η=0.96. A1 為柱塞缸柱塞面積；d1 為柱塞直徑； A2 為側缸無桿腔面積；d2 為側缸內徑； A3 為側缸有桿腔有效面積；d3為活塞桿直徑； A1-A2即活塞桿面積。列方程組如下: p1(A1+2A2)= p1A1= 2p1A3= A1=0.23834m A2=27.07×10m A3=12.32×10m 側 d1= ×10=×10=550.88mm d2 =×10=×10=185.66mm d3 =×10=×10=137.04mm 對柱塞及活塞桿直徑進行圓整。 取d1=560mm, d3=125mm, d2=180mm,側 A1= d×10=×560×10=0.2463m A2= d×10=×180×10=0.02545m A3 = A2 -d×10=0.02545-×125×10=0.01317m 各工作階段實際工作壓力及流量計算如下： 工進時：p==×10=27.51MPa Q=(A1+2A2)ν=（0.02545×2+0.2463）×10×5.4×60×10 =96.26L/min 快退時： p==×10=20.9MPa Q=2A3·v=2×0.013175×130×10×60×10=205.58L/min 工進時： Q=(A1+2A2)ν=2×0.02545×13.5×60+0.2463×13.5×60 =240.7L/min 若無特別說明，以下缸速比均為1:1.25,以后將不再說明。 3、 剪切缸尺寸計算 剪切缸要求壓力較高可以與主缸同壓，取p=280MPa; η=0.9,由表3.1，剪切缸面積 A===0.0127m D=×10=×10=127.4mm 取標準系列D=140mm A= D=140×10=0.0154m 剪切缸工作壓力 p= ==25.2MPa 工作所需流量 P=v·A=0.0154×110×60=101.64L/min 4、 料膽缸尺寸計算 初定其工作壓力為p=10MPa（兩個 缸的緣故），由表2.1，液壓缸面積2A== ，A=0.004445m，即 D-d=0.004445m。 ?。模剑福埃恚?，經上式篩選ｄ＝２８ｍｍ，速比１.１５較合適。此時，Ａ＝（０.０８－０.０２８）＝０.００４４０９m，側 料膽缸工作壓力 　　　　　　?。穑剑健?0＝１０.０７ＭＰａ 工作所需流量 Q=2Ａv＝2×0.004409×240×60=117.8L/min 5、 機械手計算 機械手負載力較小，可初設其工作壓力P=15MPa，由表2.1，計算機機械手活塞缸面積 A===1.1×10m D=×10=×10=37.4mm 按標準（資料1）圓整為D=40mm。 側 A=d=×（40×10）=12.564×10m 機械手工作壓 P==×10=13.262MPa 所需工作流量 Q=v·A=100×10×12.564×10×60×10=7.54L/min 6、 模座缸尺寸計算 模座缸用來固定模子，其工作壓力也較低，初設為p=15MPa，由表3.1計算液壓缸面積。 A===1.85×10m D==×10=48.56mm 由標準（見資料1）圓整為D=50mm。側 A= D×10=50×10=19.64×10m 所以模座缸工作壓力為 P==×10=14MPa 所需工作流量為 Q=vA=19.64×10×280×60×10=33L/min 將以上計算結果列表4.1。 表4.1 液壓缸尺寸參數(shù) 料膽缸 剪切缸 機械手 模座缸 擠壓缸 主缸 側缸 數(shù)量 2 1 1 1 1 1 直徑/mm 45 140 50 50 560 180 負載/mm 80 350 15 15 7859KN 速度/mm·s 240 110 100 280 工進 快退 5.4～13.5 130 壓力/MPa 10.07 25.2 13.26 14 7.51 — 流量/L·min 117.8 101.54 7.54 33 96.29～22.8 205.58 供油泵 泵1、2 泵1、2 泵1 泵1 泵1、2 此欄為泵源設計結果 第五章 泵源的確定 因為擠壓缸的工作穩(wěn)定性要求最高（這樣才能保證產品質量），所以選擇泵源應從擠壓缸要求入手。 在開題報告部分，介紹了由定量泵與變量泵相互組合并由同一電機帶動的泵源，分析過它的優(yōu)點是低速穩(wěn)定性極佳、流量變化的線性度好。這正是鋁型材擠壓所需要的，因此我們選用此泵。同時注意到其調速想系統(tǒng)又是由一小功率PGY恒壓變量泵在一定壓力下流量可迅速減小至系統(tǒng)所需值，因此功率損失小，發(fā)熱小，又有節(jié)能之功效。其控制部分見圖5.1所示。 當主泵選好后，我們再看其他執(zhí)行元件。剪切缸壓力大于25MPa，而剪切缸與料膽缸二者所需流量均超過100L/min因而將二者主缸共用主泵是合理的。這樣做同時帶來的好處是：主缸、剪切缸、料膽缸動作全部采用了容積調速方式，大大降低了系統(tǒng)的功率損失?？梢哉f在這一點上，本次設計比以往有了一個新突破。 然而，當我們再看機械手和模座缸兩個執(zhí)行元件時卻發(fā)現(xiàn)它們的壓力均很低， 流量又很小。這時將面臨是否再選擇小規(guī)格泵的問題。經過深入考慮，我們放棄 了這種思路。原因如下： （1）我們已經用昂貴的代價裝置了上述新型泵源，若再設置外源則存在利用不足問題。 （2）機械手和模座缸動作時間相對主缸擠壓時間來說微不足道，因此，若用單獨泵源來控制，則在大部分工作循環(huán)中此泵將閑置。這樣，將下來的問題就是要使選泵源為此低壓回路供油的問題。 首先，這兩個執(zhí)行元件所需流量不大，故無須雙泵合流。至于采用定量 圖5.1變量控制部分 泵還是變量泵單獨供油，則需考慮各自調速方式的可行性。采用變量泵 雖有容積調速的優(yōu)點，但我們可發(fā)現(xiàn)在動作循環(huán)中變量泵從大到小流量調整的跳 躍，這會對其控制部分產生沖擊，降低泵源壽命，同樣對執(zhí)行元件的初始動作也 會產生沖擊等現(xiàn)象。而采用定量泵則無此缺點，至于由此帶來的節(jié)流調速的功率 損失則因為其工作時間短而變得微不足道了。 綜上，可畫出泵源示意 圖5.2（其作用列入表4.1）。 泵的規(guī)格應當按主側缸工作、料膽缸和剪切缸所需最大規(guī)格來選。由表4.1 可知P為27.95MPa，Q為205.58L/min。由此可選擇泵額定壓力31.5MPa， Q為125L/min的CY（P）14—1。 而控制泵3則只需最小流量規(guī)格的 PCY泵，考慮到要用它對料膽缸實行保 壓壓力為 P==×10=9.07MPa 因而泵選取額定壓力為10MPa完全符 合，這同時滿足控制油路用低壓的要求。 其規(guī)格為30MPaY14—1B。 圖5.2 泵源示意 第六章 系統(tǒng)原理設計 1、 擠壓回路設計 擠壓回路最大的問題就是在于擠壓終了不能立即返程。因為此時回路內壓力很高，若換向閥立即換向，則會引起很大的沖擊。這樣必須在換向閥加置一個緩沖閥（它是由液控單向閥來完成的）。 此外，主缸在快進時不用泵供油，就要求一個上置油箱來為主缸充液，而充液閥必須在主缸工進時關閉，并且，只有當側缸壓力達到規(guī)定壓力（27.5MPa）才會主缸共同擠壓，這又要求一個順序閥。為了保證快退時主缸回路通暢，還應需要在順序閥下加一個單向閥。 充液閥的開關是由輔助泵來控制的，他需要一個兩位四通閥來換向。 考慮到擠壓時流量過大，因而必須伴隨極大的液動力，用普通換向閥顯然是不合要求的。電液換向閥的選擇成為必然，其控制的油應當由壓力身來提供，以保證換向可靠。 先導比列電磁溢流閥用來調定主油路所需壓力。 此部分原理圖見6.1。其工作順序如下： 11DT得電，主側缸快進，待到位后壓力漸升，繼電器發(fā)訊，2DT得電，擠壓成型，12DT得電，2DT失電，擠壓缸卸荷并快退返回。 2、剪切回路的設計 剪切缸由泵1、2供油，速度可根據(jù)對變量泵比列閥施加不同信號得以控制。所以設計的只要任務就應當是保證剪切缸不能有爬行現(xiàn)象，也即剪切缸可以在任意位置鎖緊。因此，回路中添加單向閥是必要的。 其回路原理見圖6.2。使用電液換向閥也是為了滿足的需要。其循環(huán)原理較簡單，不再多述。 圖6.1 擠壓回路設計 圖6.2 剪切回路 3、料膽缸回路的設計 料膽缸動作時所需要較大流量，應當由泵1、2合流供應。這就需要一個液動換向閥。當合模結束，主缸工進進行擠壓時，必須有一定的鎖緊力作用于料膽缸上，也就是說料膽缸應在一定壓力下保持一段時間。在滑閥系統(tǒng)中考換向閥置中位切斷油路是不能滿足要求的，這是由滑閥面密封的局限性決定的。因此需要保壓泵供油。考慮到泵3此時無甚動作，故取其油源。這樣需要一個兩位三通閥來切換。另外，泵3在主缸工進前一瞬間要關閉充液閥，因而壓力將驟減，為避免引起流動缸卸壓，應串聯(lián)單行閥?；芈芬妶D6.3。 動作順序如下： 5DT得電、合模，到位后5DT失電，13DT得電保壓。擠壓結束后13DT失電，由其自然卸荷。6DT得電，料膽缸復原。 4、供錠回路設計 供錠缸流量需求較小，可單定量泵控制。因為供錠手速度要求可調，故而應當增加節(jié)流閥調速。加入雙節(jié)流閥后會導致回油路不暢，應在節(jié)流閥旁并聯(lián)單向閥。另外，供錠手供錠到位后應能保持一定時間不會發(fā)生爬行下滑現(xiàn)象，所以液控單向閥也是必要的?；芈芬妶D6.4，動作順序略。 圖6.3 料膽缸回路 5、模座缸回路設計 模座缸流量也較小，故任采用單定量泵節(jié)流調速回路。但是模座缸的更高要求是出于特定位置后應當有雙向鎖定裝置，否則會引起嚴重質量問題。辦法是加雙液控單向閥。如圖6.5所示。因為在中位時液控單向閥控制部分必須接油箱才能保障單向閥準確關閉，因而換向閥中位應為Y型。動作順序略。 圖6.4供錠回路 圖6.5模座缸回路 6、 合分流裝置 因為整個系統(tǒng)有兩種供油方式，即定、變量泵合流供料膽缸、剪切缸、擠壓缸、定量泵單獨供應機械手、模座缸、所以應有分流措施。圖6.3已經示出了用單向閥加以分離的措施，但是，當定量泵單獨工作時變量泵是閑置的，為避免定量泵再次通過單向閥與變量泵同時卸荷，變量泵應處于系統(tǒng)工作在高壓時壓力建立不起，全部從低壓回路溢流閥流掉。為此我們增加了液控單向閥，如圖6.4所示。 第七章 元件選擇 元件選擇的原則是： （1）滿足回路壓力要求； （2）滿足執(zhí)行元件所需流量。 將圖6.1、6.2、6.3、6.4、6.5組合成系統(tǒng)回路，見“擠壓機液壓系統(tǒng)圖”，各元件詳見圖中明細表。 圖7.1 泵源回路 第八章 電機選擇 考慮選用冶金及起重用三相異步電機。它具有較大的過載能力和較高的機械強度，特別適用于短時間或繼續(xù)周期運行、頻繁啟動和制動、有時過負載及有顯著震動沖擊的設備，并能在金屬粉塵和高溫的環(huán)境下工作。這類電機大多采用繞線型轉子。 從系統(tǒng)看，泵1、2周期性負荷叫嚴重，且負荷均較大，適于選用Y系列電機。而泵3負載較小，工作平穩(wěn)，若功率滿足要求，可選鼠龍式YZ系列。 泵驅動功率可用式N=（W）計算。 本系統(tǒng)：泵1、2實際工作壓力p為缸最大工作壓力加上損失△p（設為1MPa），則P=27.51+1=28.51MPa 泵1、2在最大工作壓力下實際總流量為222.8L/min，考慮泄露， Q=222.8×1.1=245L/min，設η=85% 則 N==136.9kw 泵3最大工作壓力p=9.07MPa，實際工作流量極小，故選取小規(guī)格即可， 綜上，電機1（供泵1、2）選Y280M—2，電機2（供泵3）選YZ112M—6. 第九章 各電液換向閥改裝 傳統(tǒng)液壓控制方向閥普通采用“圓柱滑閥型”,這種閥通過閥芯在閥體孔內的往復運動改變閥口過流面積來控制。其缺點是顯著的：動作不靈敏、有死區(qū)；并且其各閥口是同步控制的，不能單獨調整，局限性大。特別在大流量下伴隨液動力大，動作不可靠的問題。 為了解決以上問題，早在70年代初，就有用錐閥控制閥口啟閉的控制形式，通過多個錐閥組合實現(xiàn)各種換向要求，因其僅僅表現(xiàn)為閥口的開啟與閉合，故稱之為“邏輯閥“之后，隨著先導控制技術的揉和，越來越發(fā)展成為方向、流量、壓力的綜合控制，此時，錐閥稱之為主級。因為這種錐閥結構采用閥芯與閥套組合為單元，配之以控制蓋板和先導閥直接插入閥體孔內。因此又稱之插裝閥。因為每一個錐閥單元僅有一個進口，一個出口，因此稱為二通插裝閥。目前，已廣泛應用于液壓系統(tǒng)中，特別是與比例控制技術結合之后，已構成一種新控制技術——電液比例插裝技術。 內嵌式邏輯錐閥，雖然單個成本高，但將其集成化后，與現(xiàn)實的功能相比，成本是不值一提的，況且實踐證明，此種結構在應用中有體積小，易安裝，故障檢測方便可靠等優(yōu)點，鑒于此，本設計將液壓系統(tǒng)進行插裝閥改進，各部分改進如下。 1、剪切缸控制閥（見圖9.1） 由表4.1可知，剪切缸下行所需要流量101.64L/min，在其反向運動時回油流量為127.05L/min，故選用LD—16規(guī)格的邏輯閥即可。其控制部分則由一個三位四通閥的得失電實現(xiàn)。但是這樣的回路是不完善的，因為當主油路去執(zhí)行其他元件時，會發(fā)生壓力降低的情況，此時，二通插裝閥不能可靠地關閉，原因是剪切缸下腔由于承受較大的剪切桿重量建立另外一定壓力，此壓力與主油路壓力比較時（作用面積對換向閥來說是1:1）,會使插裝閥芯開啟產生誤動作。因此，在三位四通閥上設置梭閥，由主油路壓力與剪切缸下腔壓力比較，較高者來鎖定閥芯。見圖9.2。 選用ф6規(guī)格換向閥的動作順序為：1ＤＴ得電，P→Ａ，剪刀上行，上腔回油Ｂ→Ｏ：２ＤＴ得電，Ｐ→Ｂ剪刀下行，下腔回油Ａ→Ｏ：中位Ｏ型。 　　　　　　　　　　　　　圖9.1 剪切缸插裝閥回路 2、　料膽缸回路改裝 　料膽缸回路的改裝較簡單，只需選用三位四通閥控制的四個插裝閥單元即可，其規(guī)格由流量確定。 料膽缸合模時流過油量為117.8L/min（表4.1），同時回油流量為135.47L/min（速比1.15）?？梢奓D—型滿足要求。 其動作簡單，此處不多述。 3、 擠壓缸回路改裝 擠壓缸回路要求快進時柱塞缸與壓力油切斷由充液閥補油；等到推錠到位，側缸壓力上升到27.5MPa后，壓力油同時供應主側缸，實現(xiàn)工進；工進結束要先使主側缸卸荷，然后才能后退。這要求：①有壓力插裝閥單元，實現(xiàn)達到27.5MPa后的順序動作。②有卸荷單元，要用緩沖閥實現(xiàn)。將這些壓力插裝閥單元與四個方向組合后，回路如圖9.2所示。 其動作順序為：2DT得電，P→B，側缸進油快速推錠到位，壓力上升，達到溢流閥開啟壓力，主缸進油（此時針閥關）擠壓；3DT、4DT得電，主側缸卸荷（經過1、2回油至O），1DT得電，P→ A，快退（針閥開）回油B→ O。 圖9.2 擠壓缸插裝閥回路 第十章 系統(tǒng)回路的組合與優(yōu)化 若簡單將剪切缸，料膽缸和擠壓缸插裝閥回路疊加，完全可以滿足要求，但是，考慮到各執(zhí)行元件間的動作順序不能重疊，故而不能發(fā)現(xiàn)元件利用不足的情況，譬如同是一個回油方向插裝閥，本可以在不同時侯供不同執(zhí)行元件回路，而此處卻重復許多個。 最初，我們考慮的方案是所有執(zhí)行元件由一個插裝閥單元控制進油，即將其進油路并聯(lián)。而保證某一執(zhí)行元件動作，同時其他元件不誤動的措施是在各執(zhí)行件回油路上分別設置方向插裝閥單元，靠電磁鐵控制某一個的開啟達到某一執(zhí)行元件動作。這種思路將大大減少插裝閥單元個數(shù)(由13個減為9個)。 但是，這種回路的可靠性是欠佳的，①某一個元件動作時，其他元件進油路均建立著高壓，盡管它們的回油路封死無法動作，但是仍舊由于油壓縮性會產生微小動作，這對電氣系統(tǒng)中的行程開關控制是危險的。②上述產生的回油路將是個密閉容積，長時間雙向高壓會使密封件壞損，且隨著負載變化，此密閉容積也將發(fā)生變化，必然帶來噪聲、氣蝕等現(xiàn)象。 為解決上述不足，我們將各執(zhí)行元件兩端設置一對方向控制插裝閥，僅僅用來控制其動作與否，至于其油路方向，則所有執(zhí)行元件可以共用一個三位四通式插裝閥，這種思路下，系統(tǒng)回路如圖10.1所示。具體動作順序如附圖“擠壓機插裝閥系統(tǒng)圖”部分。 其中，各插裝閥單元的規(guī)格均是由執(zhí)行元件的最大流量決定的，這里因為系統(tǒng)有所改變，故應重新選擇。 1、2、3、4組成的換向的換向單元是由各執(zhí)行元件的最大流量決定的。而5、6餓流量如前所述為101.64L/min和127.05L/min；7、8的流量分別為135.48L/min和117.8L /min；10、9的流量這樣計算，工進時分別為222.8L/min和222.8=222.8/=115.4L/min?？焱藭r至少為115.4與222.8L/min，故取兩者較大值，即9、10流量分別為222.8和222.8L/min，至于11、12，因為二者要承擔主側缸卸荷時的大流量，因此，其流量分別為240.7L/min和Av=0.2463×12.5×60=184.8L/min。 圖 10.1 插裝閥規(guī)格及流量 綜上，可列出表10.1，來選出各單元規(guī)格。 表10.1 插裝閥系統(tǒng)回路 序號 流量/L?min 規(guī)格 序號 流量/L?min 規(guī)格 序號 流量/L?min 規(guī)格 1 390 LD—25 5 101.64 LD—16 9 222.8 LD—25 2 205.58 LD—25 6 127.05 LD—16 10 222.8 LD—25 3 240.7 LD—25 7 135.48 LD—16 11 240.7 LD—25 4 125 LD—16 8 117.8 LD—16 12 184.8 LD—25 至于其類型選擇是這樣考慮的：1~10號插裝閥單元僅僅起方向切換和流量開關作用，完全可以選擇方向主閥單元，由于此類型元件的開啟面積比1：2，故其油口可互換。11、12號插裝閥單元雖然是壓力控制部分用，但由于其壓力控制部分我們是用外引節(jié)流口的形式實現(xiàn)的，故此，仍可將主閥部分用方向替代。當然，方向互換也是可行的。 用來控制各插裝閥單元的電磁換向閥均選6通徑，它是疊加閥（見資料Ⅱ）的標準。 電磁閥的開關過程 在電氣設計部分有必要提高一份電磁閥的開啟循環(huán)表供其他成員參考，以此達到互相銜接的目的。 其各閥的開啟循環(huán)如表10.2 表10.2 閥的開啟循環(huán) 動作序號 必須用到的電磁閥 必須關閉的電磁閥 1料膽進 13DT,3DT 4DT 2機械手上 9DT,5DT 10DT 3主缸快進 3DT,7DT 12DT 4機械手下 5DT,10DT 9DT 5主缸工進 3DT,7DT,11DT 6料膽缸工進 4DT,13DT 3DT 7主缸退 4DT,8DT,11DT,7DT 8剪切缸下 4DT,6DT 3DT 9剪切缸下 3DT,6DT 4DT 第十一章 附加液壓系統(tǒng)圖 根據(jù)前面所提出方案，再參考一下另外一種方案以增加此次設計的內容，用此來對比一下前面的設計的優(yōu)越性。此方案只是一個插曲，本設計主要以前面的為主。 前面的系統(tǒng)設計是一插裝連接設計的，附加方案是板式連接，但其工作原理與前面方案一樣。只是所用的設備與前面的差異較大。此系統(tǒng)圖較前面的復雜，需要的設計功底也較深，難度很大，牽連的知識面比較廣。 擠壓機的液壓系統(tǒng)及原理 自裝擠壓機的液壓系統(tǒng)原理圖如圖11.1所示。系統(tǒng)的執(zhí)行器有驅動擠壓桿29的主液壓缸24、供錠液壓缸25、擠壓筒移動液壓缸26、剪刀液壓缸27和模架移動液壓缸28等5種液壓缸，除了主缸24為多工作腔的復合缸外，其余輔助作用的缸均為單活塞桿液壓缸。缸24~28的運動方向分別由三位四通電液換向閥12~16控制，其中，閥12、14、20為O型中位機能，可用于常態(tài)時保壓和鎖定液壓缸而不至于因外力而移位。 系統(tǒng)的油源為定量柱塞泵1、定量葉片泵2和變量柱塞泵3、4，泵的壓力和卸荷分別由電磁溢流閥5、6、7、8控制，各泵出口均設有單向閥，用以防止壓力油倒灌。系統(tǒng)中右邊（缸25~28）的油路與左邊（主缸1）的油路可以通過起合流作用的二位二通換向閥9實現(xiàn)連通和隔開，以便于實現(xiàn)液壓缸的快慢速控制。主缸1快速動作時，泵1的壓力油通過二位二通電磁換向閥11控制主缸充液活塞F的升降，啟閉充液油口D，實現(xiàn)副油箱34向主缸B腔的充液工作，泵2、3和4一并向缸1大量供油（閥9切換至下位），調速閥2用于調節(jié)主缸1慢速擠壓時的速度；單向節(jié)流閥20和21用于調節(jié)供錠缸25的升降速度。減壓閥10用于調定主缸之外的其他液壓的工作壓力。 擠壓過程的動作原理如下： 1）主缸快速前進（右行） 電磁鐵1YA、2YA、3YA、4YA、5YA、6YA、7YA、17ＹＡ通電，泵４的壓力油經閥９的下位與泵２和泵３的壓力油在換向閥９之前匯合后，通過換向閥１２的左位進入主缸１的小腔Ａ（作用面積為小柱塞的橫截面積），驅動擠壓桿２９快速前進（右行），同時泵１的壓力油經出口單向閥、換向閥１１餓右位進入主１的Ｅ腔，使活塞Ｆ上移，打開充液口Ｄ，副油箱向主缸的Ｂ腔充液。 ?。玻D壓　　當擠壓桿２９將鋁錠料送進擠壓筒３１時，系統(tǒng)壓力升高，當壓力升高到順序閥６的調定值打開時，泵２和泵３的壓力油經閥６進入主缸Ｂ腔，同時壓力繼電器７發(fā)信號，使電磁鐵６ＹＡ斷電使閥１１復至作位，充液活塞Ｆ受彈簧Ｇ的作用下移，關閉充液口Ｄ，同時電磁閥１ＹＡ斷電使泵１經閥５卸荷，電磁閥４ＹＡ斷電隔離開左右回路。此時僅泵２和３向主缸供油，輸入主缸的高壓油作用面積變?yōu)椋虑幻娣e和Ａ腔面積之和，主缸以較大的他推力推動擠壓桿慢慢向前擠出制品，擠壓速度由旁路調速閥２２的開度調定。 ?。常≈鞲仔逗舍寜骸　D壓結束后，電磁鐵７ＹＡ斷電，換向閥１２復至中位，該閥的４個油口互不系統(tǒng)系統(tǒng)相通，主缸中殘余的高壓油不能使主缸立即停住，此時，使電磁鐵１７ＹＡ斷電，主缸中的殘余高壓油經電磁溢流閥１９卸荷釋壓（通油箱）。但主缸也要保持一定的壓力，以便使擠壓筒順利后退，所以卸荷時間不宜過長，通過時間繼電器一般將卸荷時間設定為２ｓ。壓力繼電器５用于擠壓過程中的安全保護，亦即擠壓過程中一旦主缸壓力超過５的設定值就發(fā)信號，自動停止擠壓。 ４）主缸快速退回（左行）　　當擠壓筒后退至中位后，電磁鐵８ＹＡ通電，泵２和泵３的壓力油經換向閥１２的右位進入主缸１的Ｃ腔，主缸快速退回。而主缸Ｂ腔的油液經單向順序閥１７中的單向閥與Ａ腔的油液一并經換向閥１２的右位排回油箱。 如果要求主缸１有更高的快退速度，還可以使合流閥９切換至下位，讓泵４與泵２、泵３－起向主缸供油。 　 11.1 自裝擠壓機的液壓系統(tǒng)原理圖 結束語及感謝 歷時三個月的畢業(yè)設計終于接近尾聲，伴隨而來的是大學生涯的圓滿結束。由這一點來看，畢業(yè)設計是整個大學學習的一個總結，它是我們畢業(yè)生在踏入社會之前對自己的一次徹底的檢查，也是人身第一次走向具體實踐的過渡期。從很大程度上衡量了自己以后工作的能力。有了這個程序對今后從事的崗位是一個很好的培訓。 本次設計的內容是800噸鋁型材擠壓機的液壓系統(tǒng)。它主要是為了滿足當今建筑領域對鋁型材的要求。設計的第一階段就是熟悉