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《電器工業》2014年第四期

1連續擠壓原理

連續擠壓的原理是英國原子能管理局斯菲爾德實驗室（UKAEA）的格林（D.Green）教授于20世紀60年代中期首先提出的，并申請了專利。1972年，單輪單槽連續擠壓工藝得以完善,他稱之為CONFORM連續擠壓法（ContinuousExtrusionForming）。連續擠壓法主要由一個帶槽的旋轉輪(擠壓輪)和一只與之配合的固定靴座（作為槽封塊、腔體和模具的支撐）構成了擠壓成型的機構。擠壓輪的部分圓周與槽封塊配合并保持一個很小的間隙，腔體的堵頭伸入擠壓輪槽內與之配合，擠壓模具安裝在腔體內。這就形成了一個封閉的型腔，相當于常規擠壓機的擠壓筒。型腔的三面為旋轉的擠壓輪凹槽的槽壁，第四個面是固定的槽封塊內壁，固定的堵頭則將擠壓型腔出口端封住。當采用桿料或條料作坯料時，擠壓輪槽夾持坯料的力靠坯料相對于輪槽的過盈量來產生。由于旋轉擠壓輪槽的槽壁是向前運動的，坯料在摩擦力的挾持作用下，隨著輪子的轉動而向模口移動，直到碰到堵頭。當夾持長度足夠長時，摩擦力的作用足以在模孔附近產生高達1000MPa的擠壓力，在堵頭前面的附

隨著連續擠壓技術的不斷發展，出現了多種結構的擠壓形式，根據擠壓輪數量來分有單輪擠壓（如圖1、圖2）和雙輪擠壓（如圖3）；根據輪槽數量來分有單輪單槽、單輪雙槽；雙輪單槽、雙輪雙槽等擠壓方式；根據擠出產品的擠出方向來分有徑向式和切向式，徑向式擠壓是指擠出產品在擠壓輪的直徑方向（圖1所示），切向式擠壓是指擠出的產品方向與擠壓輪相切（圖2所示）；根據組合形式來分有單輪單槽切向擠壓、單輪雙槽切向擠壓等方式。20世紀70年代中期，英國Babcock公司（BWE公司前身）和HOLTON公司同時獲得制造機器的特許。隨后，BWE公司開發了單輪雙槽的擠壓結構的機器（包括生產型材的徑向擠壓機器和生產包覆產品的切向擠壓機器）。而HOLTON公司則開發了單輪單槽的切向擠壓和雙輪單槽擠壓結構的機器，既可生產型材也可生產包覆產品。連續擠壓技術經過近30年的發展，現已廣泛應用于銅、鋁及其合金的加工。在圖1中的徑向擠壓方式主要用于生產鋁材的實心或空心產品，實芯鋁材截面可達上千平方毫米，管材直徑范圍在5-50mm。對于銅材，由于銅的變形溫度高,變形抗力大,限于模具材料和成本等因素,目前尚只能生產實心銅材，實心的截面范圍5-6400mm2，擠壓銅材寬度可到達350mm。采用徑向擠壓方式的連續擠壓機主要機型(以擠壓輪直徑為主參數)有250、280、300、350、400、500、550、600、630、700等。在圖2中，切向擠壓方式主要用于包覆產品。目前，只能用于鋁材的包覆，可實現間接包覆和直接包覆。如鋁包鋼線、同軸電纜（CATV）、光纖復合架空地線（OGPW）鐵路信號通信電纜、鋁包耐火電纜等產品。采用切向擠壓方式的連續擠壓機主要機型有300、350、400等。在圖3中，雙輪單槽擠壓方式，可看成是兩個切向擠壓的組合。該技術結構由英國霍爾頓公司（HOLTON公司）在80年代推出，兩擠壓輪為水平布置，擠壓輪直徑為300mm。國內當時引進了兩條生產線，主要用于生產小鋁管包覆產品及復合金屬線等產品。

2大管徑連續包覆的實現

進入21世紀以來，隨著高壓、超高壓交聯聚乙烯絕緣電力電纜在中國的快速發展，許多電纜制造廠商希望借鑒連續擠壓技術在同軸電纜、OPGW等領域的應用經驗，開發大管徑（直徑50-160mm）鋁護套包覆設備。2006-2007年，英國BWE有限公司（以下簡稱：BWE公司）和合肥神馬科技股份有限公司（以下簡稱：合肥神馬）分別對大管徑連續包覆工藝及設備開展了研制工作。BWE公司在單輪雙槽切向擠壓的基礎上推出了SheathEx550型機器。合肥神馬則開發了具有自主知識產權的雙輪雙槽四根鋁桿的新結構機器。對于大管徑50-160mm的鋁管包覆擠壓，在傳統的300、350或400等機型的連續包覆擠壓機上不論是單輪單槽或是單輪雙槽，或是雙輪單槽，都難以實現。因為工裝模具受到了空間的限制，堵頭間距小，擠壓室（料腔）小，無法實現更大的擴展。如圖4所示為350包覆擠壓機的擠壓工裝腔體B64示意圖。擠壓室料腔的直徑A最大為64mm，擠壓腔體堵頭間距C為60mm，擠出鋁管最大直徑B只能到達32mm。在2006年之前，未曾有過擠壓大管徑成功的報道。采用單輪雙槽擠壓，為了實現大管徑的擠壓，只有擴大擠壓室，并使擠壓室的直徑大于擠壓鋁管的外徑，從擠壓小鋁管包覆的工裝圖4中可以看出，擠壓室直徑的大小是擠壓最大管徑的2倍；堵頭的寬度，可以根據擠壓室的大小、工裝的機械強度及鋁料擴展流道的偏轉角度來確定。對于擠壓直徑160mm及以上大管徑的工裝其擠壓室直徑應在300mm以上，擠壓堵頭間距寬度可根據輪槽結構選取，在80-160mm之間，其它部分根據機械強度來考慮，如圖5所示。采用單輪雙槽擠壓大管徑鋁包覆產品，具有工裝結構簡單，使用方便等特點，但也存在下缺點。第一，工裝大，擠壓室直徑較大，鋁料從堵頭入口到達擠壓模具出口，流道較長，會導致擠壓鋁的摩擦阻力很大；第二，鋁桿從同一個方向通過流道進入擠壓室，鋁料在擠壓室內要分成兩個對稱的方向，并由徑向流動轉為水平流動。然后再由兩對稱的水平流動分流成比較均勻的圓周。這樣的分流，鋁料路徑比較曲折，會產生很大的阻力，對擠壓成形相當不利。結果會使擠壓阻力增加，造成更多的溢料和壁厚不均勻等缺陷；增加輔助熱源。考慮到熱量的散發，熱源還需足夠的大功率才能維持擠壓所需的溫度。熱源溫度并且必須跟蹤下面的溫度變化，才能實現正常的擠壓成形。所以，這種結構擠壓大管徑成形難度大，工裝模具容易損壞。

2007年，合肥神馬在充分分析單輪雙槽和雙輪單槽結構特點的基礎上,推出了如圖6所示的具有自主知識產權的新型結構（之前未曾有相關文獻報道），即采用雙輪雙槽四根鋁桿的擠壓新結構。擠壓鋁桿、擠壓輪、壓輪、槽封塊、堵頭、進料通道等采用上下（或左右）對稱結構。這種結構的好處如下：第一，擠壓鋁料的流程距離比用兩根桿料的流程距離減少近一半，擠壓阻力比兩鋁桿擠壓的小，相對說，也就提高了工裝模具的使用壽命。第二，在一個圓周上有四個對稱的方向提供擠壓鋁料，即對于一個圓鋁管來說，一個方向的擠壓鋁料負責圓周四分之一即可。所以容易形成均勻的分流，這給分流模芯座分的設計帶來方便，減少工作量。第三，四個方向的擠壓鋁料進入工裝的擠壓室匯合后并熔合在一起,很容易形成均勻的流速流入模具，從而實現大管徑的連續擠壓。這種結構比兩根鋁料進料更容易生產出更大直徑的鋁管。第四，由于采用上下（或左右）對稱結構，四個方向的鋁料摩擦及剪切變形產生的熱量是相同的，鋁料在到達模具出口時容易形成均勻的擠壓溫度。第五，工裝上下（或左右）都有摩擦、剪切變形的熱源，所以外部用以維持工裝溫度的熱源不需太大的功率即可滿足擠壓的溫度要求。正因為設備的上述結構特點，合肥神馬僅用兩年多的時間，就成功試制出了符合要求的包覆產品。此外，單輪雙槽擠壓與雙輪雙槽擠壓工作時工裝受力狀態有所不同，如圖7所示。從圖中可以看出，單輪雙槽的擠出方式，擠壓輪的徑向力Fy全部施加給了工裝，上面的固定靴受到很大的推力Fy。為了固定住靴，壓緊缸對固定靴施加的力要大于推力Fy；工裝受擠壓輪的切向力Fx，也全部施加于工裝的堵頭上。所以，在機器上設置了堵頭支撐座，以固定工裝防止向前移動。對于雙輪雙槽擠壓將擠壓通道軸線與兩擠壓輪軸心連接線設計成呈一定角度θ，擠壓輪1施加給工裝的徑向力F1也呈一定角度θ。對固定靴而言，其所受的推力為徑向力F1在水平方向的分力F1x；同樣，擠壓輪2，施加給固定靴的力為F2x；在擠壓輪軸線方向上，F1的分力為F1y，F2的分力為F2y。因擠壓條件相同，而擠壓輪相對旋轉，所以F1y與F2y大小相同，方向相反。對于工裝來說只受到了一定的壓力，而不會使工裝產生軸心連線方向的移動；擠壓輪1、擠壓輪2對工裝的切向力分別為F3、F4，他們對固定靴施加的水平分力F3x、F4x；在軸心連線方向上的力F3y、F4y也是大小相等，方向相反，對工裝不會產生移動影響；雙輪雙槽擠壓方式在工裝狀態下，固定靴所受推力為F1x、F2x、F3x、F4x之和。由此可見，如在擠壓桿料總截面相等、其他條件也相同的情況下，雙輪雙槽機器的固定靴所受的推力要比單輪雙槽小得多。

3大管徑包覆主機

由于大管徑鋁包覆電纜對鋁管直徑要求范圍較大為50~160mm，甚至更大，所以連續擠壓機的工裝設計都比較龐大。加上擠壓功率的增大、考慮零部件強度等因素，整個機器也變得龐大。采用單輪雙槽切向擠壓如圖8所示，是BWE公司公開專利（申請號200580032577）的機器結構示意圖。擠壓輪直徑為550mm，使用兩根12.0的電工圓鋁桿生產包覆鋁管。從機器結構來看，比較簡單，與小鋁管（直徑φ32以下）包覆擠壓機350結構相似，主要零部件安裝在機架上，機架安裝在支撐底座上。送料機構設置于機架底部，鋁桿呈一定斜度與擠壓輪的輪槽相切，壓輪機構設置為鋁桿與擠壓輪相切處，擠壓工裝設置在擠壓輪的上方。工作時，模具安裝于工裝內，工裝整體預熱后，從機架上方吊入，由可繞軸旋轉的固定靴壓住固定。固定靴與工裝之間設有感應加熱線圈，感應加熱線圈固定在固定靴上，由感應線圈的電磁效應，使工裝產生熱量，并使其與工裝下面（入料口方向）的溫度保持一致。固定靴的端部由自鎖式壓緊缸壓住；擠壓工裝出口端設有工裝支撐座，以免工裝受到擠壓時朝前移動。在工裝支撐座下方設有刮刀機構，以便工作時刮下擠壓輪上的溢料。整個機器的動力由直流馬達通過減速機減速后提供給擠壓輪主軸。主軸兩側有軸承支撐，擠壓輪安裝在機架的中部。在主軸上由液壓螺母提供的預應力，使擠壓輪與主軸結合在一起。工作時，減速機帶動主軸旋轉，主軸即帶動擠壓輪旋轉。當需要更換擠壓輪時，卸掉液壓螺母預應力，拆下軸承套部件，即可拆下擠壓輪。這種結構使得易損件擠壓輪的更換非常方便。采用雙輪雙槽擠壓方式生產大管徑包覆電纜，在設備結構要比單輪雙槽復雜一些。雙輪雙槽根據擠壓主軸結構可布置為豎直（主軸豎直）式和水平（主軸水平）式兩種方式。雙輪擠壓兩根主軸都是驅動軸。所以，減速機就要求有兩個輸出軸，或減速機帶動一對參數相同的齒輪作對旋轉而實現主軸的雙驅動。豎直式結構，因主軸豎直，減速機及齒輪箱的輸出都必須豎直。所以，減速箱及驅動馬達等一般設置在地下。由于大管徑包覆機減速箱配置功率比較大，所以體積也非常龐大，這給地下安裝帶來的非常不變。

水平式結構，主軸與地面平行，減速箱及馬達等部件為水平布置，占地面積稍微大一點，但安裝維護方便。如圖9所示是合肥神馬新開發的雙輪雙槽鋁連續包覆擠壓機示意圖。擠壓輪的直徑為350mm，擠壓輪最高轉速為12轉/分，配置功率為450kW，使用4根9.5的電工圓鋁桿生產包覆鋁管，包覆鋁管直徑為50~160mm。從結構上可以看出，擠壓輪、刮刀及壓輪設置為上下對稱結構，擠壓工裝安裝在兩輪之間，堵頭布置在擠出產品方向，固定靴設置為可以繞軸旋轉，方便安裝擠壓工裝；工裝上部設置了液壓缸，工作時，上部液壓缸對工裝施以豎直向下的壓緊力，工裝兩側由主機架支撐，工裝前面由固定靴限位固定，固定靴上方由壓緊液壓缸固定。這樣，工裝在工作時避免了上下前后的移動。送料機構及剪切機構單獨布置沒有安裝在主機架上。在主軸后面，設置了懸臂齒輪，由下面主動齒輪對上面齒輪進行動力傳遞。單個主軸上的擠壓輪安裝布置基本與單輪雙槽機器相似。采用液壓螺母對主軸給以預應力將擠壓輪牢固夾持在主軸上，使擠壓輪與主軸結合在一起。工作時，直流馬達帶動減速機旋轉，減速箱帶動下主軸旋轉，上主軸由齒輪帶動作行對旋轉，相應的上下擠壓輪也相對旋轉，實現雙輪擠壓的動力傳遞。雙輪雙槽擠壓由于是對稱方式，所以擠壓原材料的四根鋁桿在外徑尺寸及性能上盡力保證一致；在設備上就要求上下對稱的相關零部件及固定位置具有對稱性及精度要求，也即保證擠壓輪、壓輪、工裝等零部件的制造精度，并且要有可互換性，并且保證上下擠壓輪的工作間隙一致性；否則，就會造成擠壓鋁料上下壓力、流速不均等現象，導致擠出鋁管彎曲、壁厚不均勻等缺陷。

4大管徑鋁包覆電纜生產工藝路線

不論采用單輪雙槽還是雙輪雙槽，生產大管徑包覆電纜工藝路線都基本如圖10所示。鋁桿由放線盤放出，經物理（或化學+物理）處理方法將鋁桿表面清潔干凈，再送入連續擠壓機擠壓成包覆鋁管；同時被包覆的電纜也從電纜放線架放出，送入連續擠壓機。電纜由冷卻套保護，擠出的鋁管離開模具后迅速被冷卻水冷卻，以確保電纜不被擠壓模具及擠出的鋁管燙傷。擠出的鋁管與電纜芯線的速度保持一致，這樣鋁管就包覆在電纜上了；冷卻后的包覆電纜，再經軋紋機軋紋，就獲得了波紋狀鋁護套的電纜，最后由電纜收線機收卷成盤。也可以不進行軋紋，而是經過縮徑緊壓，獲得緊包鋁護套的電纜。

5大管徑包覆電纜輔機

大管徑包覆電纜生產線，其輔助設備與擠壓主機同樣重要，它們對產品安全和質量保證起著十分重要的作用。單輪雙槽或雙輪雙槽的包覆生產線在輔機配置上基本差不多。主要輔助設備有：鋁桿放線架（機）、鋁桿清洗機、電纜放線機、鋁管輔助牽引機、鋁管軋紋機及收線機等。其中，鋁桿放線只是數量上的差異。對于電纜輔助牽引機及電纜收線機等都是電線電纜通用設備，在性能和技術上都已經比較成熟，沒有特殊的要求。國內的電工圓鋁桿多是經過連鑄連軋的鋁桿，供貨直徑為9.5mm或12.0mm，成圈供應。擠壓產品的質量在很大程度上取決于原材料的質量，所以對于包覆電纜的鋁桿應嚴格挑選。鋁桿成分要求含雜質量少，純度高。否則，擠出的鋁管有氣孔或起毛刺等；鋁桿表面應光滑整潔，無黃油污染及其他污染物，盡量選用干凈的無油鋁桿。否則，在包覆生產過程中，鋁桿出現打滑造成鋁桿速度不一樣，甚至斷桿現象。同時，擠出鋁管還會出現孔洞、氣泡、毛刺等缺陷；鋁桿的外徑公差和橢圓度公差應嚴格控制，外徑和橢圓度盡量保持一致。否則，會造成擠壓出鋁管壁厚不均勻等缺陷；成圈鋁桿要排線整齊，不能有亂桿現象。否則，鋁桿放不出，造成鋁桿拉斷，影響正常生產。包覆電纜的鋁桿供料包括放線料架、校直、清洗、導向等裝置。放線架比較簡單，對于盤圓狀的鋁桿放線，一般采用架裝式放線架。放線架的高度盡量高一些。一般在3.5~4.5m。太矮了，鋁桿圈放不開，容易帶上去造成打結而拉斷鋁桿。太高了不方便操作。如果采用成盤鋁桿作為擠壓原料，放線架一般采用主動式恒張力式放線。鋁桿校直主要由垂直方向和水平方向的壓線輪組構成。壓輪組間的間隙可通過手柄調節，以適應不同的鋁桿直徑。鋁桿清洗分機械清洗和化學清洗，或者混合使用，鋁管表面的清潔度對擠壓產品的質量影響非常重大。對于大管徑連續包覆擠壓機，電纜生產時間長，鋁桿采用在線清洗比較方便、經濟、實用。

機械清洗方法，是用旋轉的鋼絲刷對鋁桿表面進行機械刷洗，以除去鋁桿表面的雜物、氧化物等。這種方法可根據清潔情況增減鋼絲刷組數，以達到理想的清洗效果。高溫高壓水沖洗，是將清潔干凈的水，加溫到65~75℃，由多級高壓泵通過管道將高溫高壓水送入多組清洗頭，在清洗頭內高溫高壓水產生渦流及震動以清洗從中通過的鋁桿。清洗頭的工作原理如圖11所示。高溫高壓水通過噴嘴從切向進入轉換器的內腔，然后成渦流狀態，圍繞鋁桿從鑲嵌在兩側的摩擦環中高速噴出，摩擦環用耐磨材料制造。在高壓渦流的作用下，鋁桿產生振動，并同摩擦環發生摩擦作用。在通過摩擦環時，液體的速度增高，壓力下降，發生了類似于超聲現象的空穴作用。化學清洗是用化學的方法除去鋁桿表面的贓物，采用10%左右的NaOH溶液（堿液），溶液的溫度控制在65~75℃左右，經高壓泵送入清洗頭，在清洗頭內NaOH溶液在渦流的作用下與鋁桿發生化學發應而除去表面氧化物，經NaOH溶液清洗過的鋁桿還需酸液中和沖洗去掉表面的堿液，最后經過清水沖洗，一般在清洗槽內還增加超聲波裝置，以便達到更好的清洗效果。這種清洗方法在清洗鋁桿的過程中，會產生刺鼻氣體，對生產環境造成污染。合肥神馬在大管徑包覆生產線上采用了兩組鋼絲刷加高溫高壓水清洗。三個鋼絲刷組合成一組，繞鋁桿旋轉，鋼絲刷間隔1200，長度120mm，兩組鋼絲刷旋轉方向相反，旋轉轉速根據鋁桿牽引速度自動調節。這樣的結構改變了以前行星毛刷清洗機的噪聲大、易損壞等缺陷，并且清洗效果好。大管徑包覆電纜的放線機，要求放線要穩定可靠，可用速度跟蹤或者恒定張力放線，恒張力放線時應根據電纜大小選擇張力。如電纜在包覆過程中，出現速度不同步、張力不穩定等現象，就會造成擠出鋁管大小不一，電纜軋紋節距軋紋深度不穩定等質量問題。

鋁管輔助牽引機是為了使擠出的鋁管保持有一個恒定向前的牽引力。牽引鋁管的力不能過大或過小，要穩定可靠。其牽引力過小起不到牽引作用，會使鋁管產生彎曲；牽引力過大，會將剛擠出模口的未冷卻的鋁管拉伸變形，嚴重時會拉斷。鋁管輔助牽引機還可隔離后面軋紋機工作時造成的鋁管擺動，避免在鋁管表面出現間隔的環形紋路。鋁管軋紋機是將擠出冷卻后的包覆鋁管軋制成波紋狀，以增強電纜的彎曲、抗壓、防水等性能。軋紋方式有內切式與外切式，內切式是指鋁套從軋紋刀內孔穿過，軋紋刀內孔面為軋紋工作面。軋紋時，工作面切入鋁管一定的深度并且偏轉一定的角度，然后繞鋁管旋轉，就形成了波紋；根據軋紋刀的不同，波紋可以是螺旋狀的或是環形狀的。外切式是指軋紋刀的工作面在滾輪外緣，工作時滾輪外緣切入鋁管外緣一定深度，軋刀滾輪繞鋁管旋轉，形成螺旋波紋，外切式要實現環狀波紋難度是比較大的，迄今為止還無相關報道。作為包覆鋁管的軋紋機，一般軋紋頭是浮動的，軋紋的速度應跟隨擠壓鋁管的速度。如果擠壓鋁管線速度發生變化，軋紋頭就會跟隨移動，移動的變化量會反饋給軋紋馬達，使其適應鋁管的速度，以達到軋紋節距的穩定；軋紋的節距由軋紋刀的偏轉角度控制，調節偏轉角度可以改變節距大小；軋紋深度，由軋紋刀的對鋁管的徑向偏移量來控制，可在不停機狀態下進行調節。大管徑包覆電纜的收線機的結構形式有龍門地軌行走式雙立柱式結構、龍門地軌行走式A字型結構及龍門架懸掛式等多種結構。應根據廠方車間工人操作習慣等情況合理選用。總體是要求安全可靠，操作方便，便于吊裝線盤等。收線機可以采用收線速度跟蹤方式或恒張力收卷方式。收線機在工作時速度和張力一定要穩定，不能忽大忽小。否則，將造成對擠出的鋁管被拉伸變形，鋁管外徑忽大忽小，鋁管軋紋節距忽大忽小、軋紋深度忽深忽淺等不穩定的質量問題。圖12是合肥神馬大管徑鋁包覆生產線布置圖。自大管徑包覆機設備問世以來,現已經向市場投放多臺設備,得到了各電纜廠的大力支持，使生產線在工藝、技術、制造、加工等方面得到了不斷改進完善，使其性能更加可靠。隨著我國線纜行業和有色金屬加工行業的發展,預計大管徑連續包覆機還將開拓更大的市場。

6結束語

連續擠壓技術自問世以來，至今有了很大的發展，在有色金屬加工和電線電纜制造行業中得到了大量應用。大管徑連續包覆機的研制成功，標志著連續擠壓技術又向前邁進了一步，進一步拓寬了連續擠壓技術的應用。單輪單槽、單輪雙槽機器結構簡單，操作方便，在拓展產品方面已達到成熟。雙輪雙槽連續擠壓雖然機器結構比單輪機復雜，但是在大管徑連續包覆方面具有顯著的特點，只要在設計、加工等方面注重相關要點，提高設備的精度及自動化的水平，一定能夠更好滿足用戶的要求。雙輪雙槽連續擠壓的研制成功，屬國際首創。這也為我們開拓采用多桿料連續擠壓技術生產更大管徑更大截面的產品開辟了道路，對研究雙輪連續擠壓技術奠定了基礎。

作者：郝軍岳光明周章銀陳學模單位：機械工業北京電工技術經濟研究所合肥神馬科技集團有限公司