大管径铝包覆连续挤压技术研究范文

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《电器工业》2014年第四期

1连续挤压原理

连续挤压的原理是英国原子能管理局斯菲尔德实验室（UKAEA）的格林（D.Green）教授于20世纪60年代中期首先提出的，并申请了专利。1972年，单轮单槽连续挤压工艺得以完善,他称之为CONFORM连续挤压法（ContinuousExtrusionForming）。连续挤压法主要由一个带槽的旋转轮(挤压轮)和一只与之配合的固定靴座（作为槽封块、腔体和模具的支撑）构成了挤压成型的机构。挤压轮的部分圆周与槽封块配合并保持一个很小的间隙，腔体的堵头伸入挤压轮槽内与之配合，挤压模具安装在腔体内。这就形成了一个封闭的型腔，相当于常规挤压机的挤压筒。型腔的三面为旋转的挤压轮凹槽的槽壁，第四个面是固定的槽封块内壁，固定的堵头则将挤压型腔出口端封住。当采用杆料或条料作坯料时，挤压轮槽夹持坯料的力靠坯料相对于轮槽的过盈量来产生。由于旋转挤压轮槽的槽壁是向前运动的，坯料在摩擦力的挟持作用下，随着轮子的转动而向模口移动，直到碰到堵头。当夹持长度足够长时，摩擦力的作用足以在模孔附近产生高达1000MPa的挤压力，在堵头前面的附

随着连续挤压技术的不断发展，出现了多种结构的挤压形式，根据挤压轮数量来分有单轮挤压（如图1、图2）和双轮挤压（如图3）；根据轮槽数量来分有单轮单槽、单轮双槽；双轮单槽、双轮双槽等挤压方式；根据挤出产品的挤出方向来分有径向式和切向式，径向式挤压是指挤出产品在挤压轮的直径方向（图1所示），切向式挤压是指挤出的产品方向与挤压轮相切（图2所示）；根据组合形式来分有单轮单槽切向挤压、单轮双槽切向挤压等方式。20世纪70年代中期，英国Babcock公司（BWE公司前身）和HOLTON公司同时获得制造机器的特许。随后，BWE公司开发了单轮双槽的挤压结构的机器（包括生产型材的径向挤压机器和生产包覆产品的切向挤压机器）。而HOLTON公司则开发了单轮单槽的切向挤压和双轮单槽挤压结构的机器，既可生产型材也可生产包覆产品。连续挤压技术经过近30年的发展，现已广泛应用于铜、铝及其合金的加工。在图1中的径向挤压方式主要用于生产铝材的实心或空心产品，实芯铝材截面可达上千平方毫米，管材直径范围在5-50mm。对于铜材，由于铜的变形温度高,变形抗力大,限于模具材料和成本等因素,目前尚只能生产实心铜材，实心的截面范围5-6400mm2，挤压铜材宽度可到达350mm。采用径向挤压方式的连续挤压机主要机型(以挤压轮直径为主参数)有250、280、300、350、400、500、550、600、630、700等。在图2中，切向挤压方式主要用于包覆产品。目前，只能用于铝材的包覆，可实现间接包覆和直接包覆。如铝包钢线、同轴电缆（CATV）、光纤复合架空地线（OGPW）铁路信号通信电缆、铝包耐火电缆等产品。采用切向挤压方式的连续挤压机主要机型有300、350、400等。在图3中，双轮单槽挤压方式，可看成是两个切向挤压的组合。该技术结构由英国霍尔顿公司（HOLTON公司）在80年代推出，两挤压轮为水平布置，挤压轮直径为300mm。国内当时引进了两条生产线，主要用于生产小铝管包覆产品及复合金属线等产品。

2大管径连续包覆的实现

进入21世纪以来，随着高压、超高压交联聚乙烯绝缘电力电缆在中国的快速发展，许多电缆制造厂商希望借鉴连续挤压技术在同轴电缆、OPGW等领域的应用经验，开发大管径（直径50-160mm）铝护套包覆设备。2006-2007年，英国BWE有限公司（以下简称：BWE公司）和合肥神马科技股份有限公司（以下简称：合肥神马）分别对大管径连续包覆工艺及设备开展了研制工作。BWE公司在单轮双槽切向挤压的基础上推出了SheathEx550型机器。合肥神马则开发了具有自主知识产权的双轮双槽四根铝杆的新结构机器。对于大管径50-160mm的铝管包覆挤压，在传统的300、350或400等机型的连续包覆挤压机上不论是单轮单槽或是单轮双槽，或是双轮单槽，都难以实现。因为工装模具受到了空间的限制，堵头间距小，挤压室（料腔）小，无法实现更大的扩展。如图4所示为350包覆挤压机的挤压工装腔体B64示意图。挤压室料腔的直径A最大为64mm，挤压腔体堵头间距C为60mm，挤出铝管最大直径B只能到达32mm。在2006年之前，未曾有过挤压大管径成功的报道。采用单轮双槽挤压，为了实现大管径的挤压，只有扩大挤压室，并使挤压室的直径大于挤压铝管的外径，从挤压小铝管包覆的工装图4中可以看出，挤压室直径的大小是挤压最大管径的2倍；堵头的宽度，可以根据挤压室的大小、工装的机械强度及铝料扩展流道的偏转角度来确定。对于挤压直径160mm及以上大管径的工装其挤压室直径应在300mm以上，挤压堵头间距宽度可根据轮槽结构选取，在80-160mm之间，其它部分根据机械强度来考虑，如图5所示。采用单轮双槽挤压大管径铝包覆产品，具有工装结构简单，使用方便等特点，但也存在下缺点。第一，工装大，挤压室直径较大，铝料从堵头入口到达挤压模具出口，流道较长，会导致挤压铝的摩擦阻力很大；第二，铝杆从同一个方向通过流道进入挤压室，铝料在挤压室内要分成两个对称的方向，并由径向流动转为水平流动。然后再由两对称的水平流动分流成比较均匀的圆周。这样的分流，铝料路径比较曲折，会产生很大的阻力，对挤压成形相当不利。结果会使挤压阻力增加，造成更多的溢料和壁厚不均匀等缺陷；增加辅助热源。考虑到热量的散发，热源还需足够的大功率才能维持挤压所需的温度。热源温度并且必须跟踪下面的温度变化，才能实现正常的挤压成形。所以，这种结构挤压大管径成形难度大，工装模具容易损坏。

2007年，合肥神马在充分分析单轮双槽和双轮单槽结构特点的基础上,推出了如图6所示的具有自主知识产权的新型结构（之前未曾有相关文献报道），即采用双轮双槽四根铝杆的挤压新结构。挤压铝杆、挤压轮、压轮、槽封块、堵头、进料通道等采用上下（或左右）对称结构。这种结构的好处如下：第一，挤压铝料的流程距离比用两根杆料的流程距离减少近一半，挤压阻力比两铝杆挤压的小，相对说，也就提高了工装模具的使用寿命。第二，在一个圆周上有四个对称的方向提供挤压铝料，即对于一个圆铝管来说，一个方向的挤压铝料负责圆周四分之一即可。所以容易形成均匀的分流，这给分流模芯座分的设计带来方便，减少工作量。第三，四个方向的挤压铝料进入工装的挤压室汇合后并熔合在一起,很容易形成均匀的流速流入模具，从而实现大管径的连续挤压。这种结构比两根铝料进料更容易生产出更大直径的铝管。第四，由于采用上下（或左右）对称结构，四个方向的铝料摩擦及剪切变形产生的热量是相同的，铝料在到达模具出口时容易形成均匀的挤压温度。第五，工装上下（或左右）都有摩擦、剪切变形的热源，所以外部用以维持工装温度的热源不需太大的功率即可满足挤压的温度要求。正因为设备的上述结构特点，合肥神马仅用两年多的时间，就成功试制出了符合要求的包覆产品。此外，单轮双槽挤压与双轮双槽挤压工作时工装受力状态有所不同，如图7所示。从图中可以看出，单轮双槽的挤出方式，挤压轮的径向力Fy全部施加给了工装，上面的固定靴受到很大的推力Fy。为了固定住靴，压紧缸对固定靴施加的力要大于推力Fy；工装受挤压轮的切向力Fx，也全部施加于工装的堵头上。所以，在机器上设置了堵头支撑座，以固定工装防止向前移动。对于双轮双槽挤压将挤压通道轴线与两挤压轮轴心连接线设计成呈一定角度θ，挤压轮1施加给工装的径向力F1也呈一定角度θ。对固定靴而言，其所受的推力为径向力F1在水平方向的分力F1x；同样，挤压轮2，施加给固定靴的力为F2x；在挤压轮轴线方向上，F1的分力为F1y，F2的分力为F2y。因挤压条件相同，而挤压轮相对旋转，所以F1y与F2y大小相同，方向相反。对于工装来说只受到了一定的压力，而不会使工装产生轴心连线方向的移动；挤压轮1、挤压轮2对工装的切向力分别为F3、F4，他们对固定靴施加的水平分力F3x、F4x；在轴心连线方向上的力F3y、F4y也是大小相等，方向相反，对工装不会产生移动影响；双轮双槽挤压方式在工装状态下，固定靴所受推力为F1x、F2x、F3x、F4x之和。由此可见，如在挤压杆料总截面相等、其他条件也相同的情况下，双轮双槽机器的固定靴所受的推力要比单轮双槽小得多。

3大管径包覆主机

由于大管径铝包覆电缆对铝管直径要求范围较大为50~160mm，甚至更大，所以连续挤压机的工装设计都比较庞大。加上挤压功率的增大、考虑零部件强度等因素，整个机器也变得庞大。采用单轮双槽切向挤压如图8所示，是BWE公司公开专利（申请号200580032577）的机器结构示意图。挤压轮直径为550mm，使用两根12.0的电工圆铝杆生产包覆铝管。从机器结构来看，比较简单，与小铝管（直径φ32以下）包覆挤压机350结构相似，主要零部件安装在机架上，机架安装在支撑底座上。送料机构设置于机架底部，铝杆呈一定斜度与挤压轮的轮槽相切，压轮机构设置为铝杆与挤压轮相切处，挤压工装设置在挤压轮的上方。工作时，模具安装于工装内，工装整体预热后，从机架上方吊入，由可绕轴旋转的固定靴压住固定。固定靴与工装之间设有感应加热线圈，感应加热线圈固定在固定靴上，由感应线圈的电磁效应，使工装产生热量，并使其与工装下面（入料口方向）的温度保持一致。固定靴的端部由自锁式压紧缸压住；挤压工装出口端设有工装支撑座，以免工装受到挤压时朝前移动。在工装支撑座下方设有刮刀机构，以便工作时刮下挤压轮上的溢料。整个机器的动力由直流马达通过减速机减速后提供给挤压轮主轴。主轴两侧有轴承支撑，挤压轮安装在机架的中部。在主轴上由液压螺母提供的预应力，使挤压轮与主轴结合在一起。工作时，减速机带动主轴旋转，主轴即带动挤压轮旋转。当需要更换挤压轮时，卸掉液压螺母预应力，拆下轴承套部件，即可拆下挤压轮。这种结构使得易损件挤压轮的更换非常方便。采用双轮双槽挤压方式生产大管径包覆电缆，在设备结构要比单轮双槽复杂一些。双轮双槽根据挤压主轴结构可布置为竖直（主轴竖直）式和水平（主轴水平）式两种方式。双轮挤压两根主轴都是驱动轴。所以，减速机就要求有两个输出轴，或减速机带动一对参数相同的齿轮作对旋转而实现主轴的双驱动。竖直式结构，因主轴竖直，减速机及齿轮箱的输出都必须竖直。所以，减速箱及驱动马达等一般设置在地下。由于大管径包覆机减速箱配置功率比较大，所以体积也非常庞大，这给地下安装带来的非常不变。

水平式结构，主轴与地面平行，减速箱及马达等部件为水平布置，占地面积稍微大一点，但安装维护方便。如图9所示是合肥神马新开发的双轮双槽铝连续包覆挤压机示意图。挤压轮的直径为350mm，挤压轮最高转速为12转/分，配置功率为450kW，使用4根9.5的电工圆铝杆生产包覆铝管，包覆铝管直径为50~160mm。从结构上可以看出，挤压轮、刮刀及压轮设置为上下对称结构，挤压工装安装在两轮之间，堵头布置在挤出产品方向，固定靴设置为可以绕轴旋转，方便安装挤压工装；工装上部设置了液压缸，工作时，上部液压缸对工装施以竖直向下的压紧力，工装两侧由主机架支撑，工装前面由固定靴限位固定，固定靴上方由压紧液压缸固定。这样，工装在工作时避免了上下前后的移动。送料机构及剪切机构单独布置没有安装在主机架上。在主轴后面，设置了悬臂齿轮，由下面主动齿轮对上面齿轮进行动力传递。单个主轴上的挤压轮安装布置基本与单轮双槽机器相似。采用液压螺母对主轴给以预应力将挤压轮牢固夹持在主轴上，使挤压轮与主轴结合在一起。工作时，直流马达带动减速机旋转，减速箱带动下主轴旋转，上主轴由齿轮带动作行对旋转，相应的上下挤压轮也相对旋转，实现双轮挤压的动力传递。双轮双槽挤压由于是对称方式，所以挤压原材料的四根铝杆在外径尺寸及性能上尽力保证一致；在设备上就要求上下对称的相关零部件及固定位置具有对称性及精度要求，也即保证挤压轮、压轮、工装等零部件的制造精度，并且要有可互换性，并且保证上下挤压轮的工作间隙一致性；否则，就会造成挤压铝料上下压力、流速不均等现象，导致挤出铝管弯曲、壁厚不均匀等缺陷。

4大管径铝包覆电缆生产工艺路线

不论采用单轮双槽还是双轮双槽，生产大管径包覆电缆工艺路线都基本如图10所示。铝杆由放线盘放出，经物理（或化学+物理）处理方法将铝杆表面清洁干净，再送入连续挤压机挤压成包覆铝管；同时被包覆的电缆也从电缆放线架放出，送入连续挤压机。电缆由冷却套保护，挤出的铝管离开模具后迅速被冷却水冷却，以确保电缆不被挤压模具及挤出的铝管烫伤。挤出的铝管与电缆芯线的速度保持一致，这样铝管就包覆在电缆上了；冷却后的包覆电缆，再经轧纹机轧纹，就获得了波纹状铝护套的电缆，最后由电缆收线机收卷成盘。也可以不进行轧纹，而是经过缩径紧压，获得紧包铝护套的电缆。

5大管径包覆电缆辅机

大管径包覆电缆生产线，其辅助设备与挤压主机同样重要，它们对产品安全和质量保证起着十分重要的作用。单轮双槽或双轮双槽的包覆生产线在辅机配置上基本差不多。主要辅助设备有：铝杆放线架（机）、铝杆清洗机、电缆放线机、铝管辅助牵引机、铝管轧纹机及收线机等。其中，铝杆放线只是数量上的差异。对于电缆辅助牵引机及电缆收线机等都是电线电缆通用设备，在性能和技术上都已经比较成熟，没有特殊的要求。国内的电工圆铝杆多是经过连铸连轧的铝杆，供货直径为9.5mm或12.0mm，成圈供应。挤压产品的质量在很大程度上取决于原材料的质量，所以对于包覆电缆的铝杆应严格挑选。铝杆成分要求含杂质量少，纯度高。否则，挤出的铝管有气孔或起毛刺等；铝杆表面应光滑整洁，无黄油污染及其他污染物，尽量选用干净的无油铝杆。否则，在包覆生产过程中，铝杆出现打滑造成铝杆速度不一样，甚至断杆现象。同时，挤出铝管还会出现孔洞、气泡、毛刺等缺陷；铝杆的外径公差和椭圆度公差应严格控制，外径和椭圆度尽量保持一致。否则，会造成挤压出铝管壁厚不均匀等缺陷；成圈铝杆要排线整齐，不能有乱杆现象。否则，铝杆放不出，造成铝杆拉断，影响正常生产。包覆电缆的铝杆供料包括放线料架、校直、清洗、导向等装置。放线架比较简单，对于盘圆状的铝杆放线，一般采用架装式放线架。放线架的高度尽量高一些。一般在3.5~4.5m。太矮了，铝杆圈放不开，容易带上去造成打结而拉断铝杆。太高了不方便操作。如果采用成盘铝杆作为挤压原料，放线架一般采用主动式恒张力式放线。铝杆校直主要由垂直方向和水平方向的压线轮组构成。压轮组间的间隙可通过手柄调节，以适应不同的铝杆直径。铝杆清洗分机械清洗和化学清洗，或者混合使用，铝管表面的清洁度对挤压产品的质量影响非常重大。对于大管径连续包覆挤压机，电缆生产时间长，铝杆采用在线清洗比较方便、经济、实用。

机械清洗方法，是用旋转的钢丝刷对铝杆表面进行机械刷洗，以除去铝杆表面的杂物、氧化物等。这种方法可根据清洁情况增减钢丝刷组数，以达到理想的清洗效果。高温高压水冲洗，是将清洁干净的水，加温到65~75℃，由多级高压泵通过管道将高温高压水送入多组清洗头，在清洗头内高温高压水产生涡流及震动以清洗从中通过的铝杆。清洗头的工作原理如图11所示。高温高压水通过喷嘴从切向进入转换器的内腔，然后成涡流状态，围绕铝杆从镶嵌在两侧的摩擦环中高速喷出，摩擦环用耐磨材料制造。在高压涡流的作用下，铝杆产生振动，并同摩擦环发生摩擦作用。在通过摩擦环时，液体的速度增高，压力下降，发生了类似于超声现象的空穴作用。化学清洗是用化学的方法除去铝杆表面的赃物，采用10%左右的NaOH溶液（碱液），溶液的温度控制在65~75℃左右，经高压泵送入清洗头，在清洗头内NaOH溶液在涡流的作用下与铝杆发生化学发应而除去表面氧化物，经NaOH溶液清洗过的铝杆还需酸液中和冲洗去掉表面的碱液，最后经过清水冲洗，一般在清洗槽内还增加超声波装置，以便达到更好的清洗效果。这种清洗方法在清洗铝杆的过程中，会产生刺鼻气体，对生产环境造成污染。合肥神马在大管径包覆生产线上采用了两组钢丝刷加高温高压水清洗。三个钢丝刷组合成一组，绕铝杆旋转，钢丝刷间隔1200，长度120mm，两组钢丝刷旋转方向相反，旋转转速根据铝杆牵引速度自动调节。这样的结构改变了以前行星毛刷清洗机的噪声大、易损坏等缺陷，并且清洗效果好。大管径包覆电缆的放线机，要求放线要稳定可靠，可用速度跟踪或者恒定张力放线，恒张力放线时应根据电缆大小选择张力。如电缆在包覆过程中，出现速度不同步、张力不稳定等现象，就会造成挤出铝管大小不一，电缆轧纹节距轧纹深度不稳定等质量问题。

铝管辅助牵引机是为了使挤出的铝管保持有一个恒定向前的牵引力。牵引铝管的力不能过大或过小，要稳定可靠。其牵引力过小起不到牵引作用，会使铝管产生弯曲；牵引力过大，会将刚挤出模口的未冷却的铝管拉伸变形，严重时会拉断。铝管辅助牵引机还可隔离后面轧纹机工作时造成的铝管摆动，避免在铝管表面出现间隔的环形纹路。铝管轧纹机是将挤出冷却后的包覆铝管轧制成波纹状，以增强电缆的弯曲、抗压、防水等性能。轧纹方式有内切式与外切式，内切式是指铝套从轧纹刀内孔穿过，轧纹刀内孔面为轧纹工作面。轧纹时，工作面切入铝管一定的深度并且偏转一定的角度，然后绕铝管旋转，就形成了波纹；根据轧纹刀的不同，波纹可以是螺旋状的或是环形状的。外切式是指轧纹刀的工作面在滚轮外缘，工作时滚轮外缘切入铝管外缘一定深度，轧刀滚轮绕铝管旋转，形成螺旋波纹，外切式要实现环状波纹难度是比较大的，迄今为止还无相关报道。作为包覆铝管的轧纹机，一般轧纹头是浮动的，轧纹的速度应跟随挤压铝管的速度。如果挤压铝管线速度发生变化，轧纹头就会跟随移动，移动的变化量会反馈给轧纹马达，使其适应铝管的速度，以达到轧纹节距的稳定；轧纹的节距由轧纹刀的偏转角度控制，调节偏转角度可以改变节距大小；轧纹深度，由轧纹刀的对铝管的径向偏移量来控制，可在不停机状态下进行调节。大管径包覆电缆的收线机的结构形式有龙门地轨行走式双立柱式结构、龙门地轨行走式A字型结构及龙门架悬挂式等多种结构。应根据厂方车间工人操作习惯等情况合理选用。总体是要求安全可靠，操作方便，便于吊装线盘等。收线机可以采用收线速度跟踪方式或恒张力收卷方式。收线机在工作时速度和张力一定要稳定，不能忽大忽小。否则，将造成对挤出的铝管被拉伸变形，铝管外径忽大忽小，铝管轧纹节距忽大忽小、轧纹深度忽深忽浅等不稳定的质量问题。图12是合肥神马大管径铝包覆生产线布置图。自大管径包覆机设备问世以来,现已经向市场投放多台设备,得到了各电缆厂的大力支持，使生产线在工艺、技术、制造、加工等方面得到了不断改进完善，使其性能更加可靠。随着我国线缆行业和有色金属加工行业的发展,预计大管径连续包覆机还将开拓更大的市场。

6结束语

连续挤压技术自问世以来，至今有了很大的发展，在有色金属加工和电线电缆制造行业中得到了大量应用。大管径连续包覆机的研制成功，标志着连续挤压技术又向前迈进了一步，进一步拓宽了连续挤压技术的应用。单轮单槽、单轮双槽机器结构简单，操作方便，在拓展产品方面已达到成熟。双轮双槽连续挤压虽然机器结构比单轮机复杂，但是在大管径连续包覆方面具有显著的特点，只要在设计、加工等方面注重相关要点，提高设备的精度及自动化的水平，一定能够更好满足用户的要求。双轮双槽连续挤压的研制成功，属国际首创。这也为我们开拓采用多杆料连续挤压技术生产更大管径更大截面的产品开辟了道路，对研究双轮连续挤压技术奠定了基础。

作者：郝军岳光明周章银陈学模单位：机械工业北京电工技术经济研究所合肥神马科技集团有限公司