擠壓筒

擠壓筒是擠壓機的關鍵部件之一。擠壓筒設計通常採用熱作模具鋼, 因此, 作為最昂貴的擠壓工具之一, 擠壓筒使用壽命對擠壓生產成本的影響很大, 必須保證其在高温、高壓、高摩擦條件下的長時間、可靠運行。

為滿足大型擠壓機高生產率、高可靠性的要求,擠壓筒在機械結構、加熱、電氣控制等方面的設計越來越複雜, 尤其是大型擠壓筒加熱設計。通過對擠壓筒使用現狀進行調查, 發現擠壓筒加熱設計存在許多不合理之處 ^[1]  。

擠壓筒大致分為三類。目前, 多層襯套組合式結構仍被普遍採用, 且以3 層最為常見。3層擠壓筒通過內襯、中襯和外套過盈裝配而成, 此種預應力結構可以大大降低裝配應力和工作應力,而且其徑向應力分佈也更趨均勻, 有助於延長擠壓筒使用壽命。

擠壓筒加熱作用有兩個, 即預熱和保温。目前,擠壓筒廣泛採用的加熱方式有兩種, 即電阻加熱和感應加熱, 這兩種加熱方式都以擠壓筒應力分佈均勻為原則。

擠壓筒採用電阻加熱時, 熱量在擠壓筒外表面散失較大, 很難到達擠壓筒內襯, 熱效率較低。為了克服電阻加熱的缺點, 擠壓筒可採用工頻( 50 Hz)感應加熱方式, 這種加熱方式可使擠壓筒內襯温度最高, 而外套温度最低。

為了安裝加熱元件或電路, 以及定位、安裝等需要, 擠壓筒外套上槽孔較多, 形成若干個絕緣薄弱點和應力薄弱點。在使用中, 加熱元件或電路引起的過熱、較大應力均可能在以上部位造成燒蝕和裂縫, 導致擠壓筒報廢 ^[2]  。

在早期擠壓機上, 為了避免冷擠壓筒對第1 個熱坯錠的急冷, 採用電阻加熱器對擠壓筒內孔進行加熱的方法。

環繞式電阻加熱器和低頻感應加熱器被普遍應用在現代擠壓機的擠壓筒上。分為環繞式電阻加熱器和低頻感應加熱器, 其中, 環繞式電阻加熱器被安裝在擠壓筒外套上, 而低頻感應加熱器則是將一組串聯絕緣銅棒縱向插入擠壓筒外套的鑽孔中。感應加熱器自身壽命對擠壓筒使用壽命有重要影響, 因此, 感應加熱器正逐漸被插入式電阻加熱器所取代, 此種加熱器可直接插入擠壓筒外套的鑽孔中。

擠壓筒預熱要求快速和高效。許多擠壓筒由外部加熱器進行加熱, 這時會在擠壓筒內產生一條温度曲線, 此曲線顯示擠壓筒外套温度最高, 內襯温度最低, 顯然, 這種加熱方式不可取, 原因在於:擠壓筒外套與內襯之間的温差不適合擠壓。插入式加熱元件由於更接近擠壓筒內襯, 熱傳遞效率大大提高, 僅需要很少的熱量便能達到理想温度。因此,加熱器安裝應接近擠壓筒中心, 以減少擠壓筒外套與內襯之間温差。

當擠壓筒加熱功率過大時, 很容易導致擠壓筒軟化, 破壞擠壓筒預應力結構, 因此, 對擠壓筒進行温度控制非常必要。擠壓筒温度穩定, 不僅能夠保證擠壓筒的正常使用性能, 還會延長其使用壽命。

擠壓筒温度控制包括控制最高温、控制最低温、控制温升和温差、分區加熱、熱電偶多點測量。

1 温升和温差控制

擠壓筒突然加熱可能會產生較高熱應力, 導致擠壓筒組件開裂, 或內襯相對於外套移動。為儘量減小擠壓筒熱應力, 需要控制擠壓筒温升, 使其温度梯度最小。一般情況下, 擠壓筒加熱到需要温度時, 保温時間必須超過8 h 以上, 温升速率應不超過50℃/h- 1 。在擠壓過程中, 擠壓筒温度應儘量低於450℃。一旦產生過熱, 擠壓筒硬度會發生軟化, 只能重新進行熱處理。

控制擠壓筒温差即控制温度徑向、軸向分佈。温度徑向分佈很難控制, 原因在於: 擠壓過程中,擠壓筒內襯內孔靠近熱坯錠, 內襯內表面温度最高,而且其温度徑向分佈遵循非線性温度曲線。一般情況下, 擠壓過程中的擠壓筒外套不會比內襯温度高, 但如果擠壓筒外套內安裝環形電阻加熱器, 由於控制熱電偶遠離加熱器, 擠壓筒外套可能會比內襯温度高, 在這種情況下, 如果擠壓筒再承受較大壓力, 將會損壞擠壓筒內襯。

擠壓筒温度軸向分佈相對變化小。擠壓筒兩端存在熱量損失, 這將導致擠壓筒兩端比中心温度低, 而且可能使擠壓筒中心凸起。另外, 擠壓筒模口端温度比進口端温度高, 這是由於熱坯錠在模口端的停留時間較長。

2 分區加熱

在擠壓過程中, 由於熱坯錠及熱坯錠與內襯之間摩擦產生了大量熱能, 因此, 通常只需要在擠壓筒內相應區域補充很少熱量, 以保證擠壓筒温度分佈均勻。例如, 擠壓筒進口端和模口端存在温差,為保持軸向温度分佈均勻, 前、後兩個區域分別採用獨立加熱系統, 通過各自熱電偶識別, 測量前、後區域温差並進行補償。另外, 擠壓筒頂部和底部沿周向和徑向也分別對應設置多個測温點, 以及冷卻區。對於軸向長度較短的擠壓筒, 可以考慮僅在進口端和模口端設計獨立加熱區域; 若擠壓筒較長, 則應沿擠壓筒長度方向增加加熱區域, 加熱區域數量及各區域間隔根據加熱元件功率確定。

擠壓筒頂部和底部也需要獨立加熱系統, 原因在於: 擠壓筒底部失去的熱量會上升到頂部, 導致頂部比底部温度高, 即擠壓筒上半部分比下半部分熱。與熱傳導相比, 儘管通過此種方式傳遞的熱量並不大, 但為獲得均勻應力場, 在擠壓筒底部增加獨立加熱系統仍是非常必要的。

對於大型擠壓機, 擠壓筒軸向和徑向尺寸均較大, 為獲得理想的擠壓筒加熱狀態, 不得不採用多個獨立加熱系統, 而且必須對擠壓筒温度及温度變化率進行程序控制, 使温度嚴格按給定温控曲線變化。現代大型擠壓機生產線上普遍應用PLC 作為温度閉環控制系統核心, 通過上位機對温度控制參數進行設定和顯示, 並進行故障報警和警告。PLC 温度閉環控制系統原理: 根據温度檢測值與給定值偏差, 通過PLC 程序控制脈衝發生器的脈衝輸出寬度, 進而控制調功器啓動和停止, 改變加熱元件通電時間, 對加熱元件功率進行控制。控制系統硬件主要包括測温熱電偶、模擬量輸入模塊、可編程序控制器、數字量輸入和輸出模塊、按鈕、繼電器、指示燈、報警和輔助觸點等。

擠壓筒採取合理加熱設計, 並進行温度控制,是大型擠壓機生產高效率、高可靠性運行的重要保證。生產實踐證明, 對擠壓筒不同區域採取獨立加熱系統, 並對多區加熱元件正確定位, 實現温升和温差控制, 可以使温度及應力分佈均勻, 從而大大提高大型擠壓筒使用壽命 ^[3]  。