国内外固定挤压垫装置评述

国内外固定挤压垫装置评述赵云路l，邢再兴l，薛荣敬2，曹兴颐2（1. 沈阳新鑫模具有限公司，辽宁沈阳110043；2. 沈阳市黎新工模具机电设备研究所，辽宁沈阳110043）摘要：对前苏联、美国和日本铝挤压工业开发的固定挤压垫装置进行了评述；介绍了国内研发的铝挤压用固定挤压垫装置。

关键词：挤压铝材；传统挤压垫；固定挤压垫我国的铝材挤压机有80％一直使用活动挤压垫，即挤压垫和挤压轴是分开的。

每次铝材挤压终了，挤压轴先停止运动，挤压筒打开一个挤压垫加上残料的距离，即把挤压垫和残料从挤压筒中推出来，此后挤压轴回到原始位置，挤压筒再次打开到所需行程。

然后主剪下来将挤压垫粘着的残料从挤压铝材上切下，残料和挤压垫一起经溜槽（或其他接受装置）移到挤压机外侧，用残料分离剪把残料和挤压垫分开，挤压垫经输送装置送到上料机的前端，再由上料携带送入挤压机中心，再由挤压轴连同挤压坯料一起推入挤压筒进行挤压工作。

为了循环的连续性，一般要同时有2～3个挤压垫在运行。

一套挤压垫传送设施及残料分离剪相当繁杂，而且占地面积不小。

更主要的是使挤压机的自动化操作受到阻碍。

虽然很多单位宣称这样设置的挤压机可以自动化运行，但采用活动挤压垫的挤压机是很难做到自动化进行的。

我们常看到挤压垫和残料在一起用主剪剪切时，有时出现不完全剪下的现象，此时就得停止自动循环，由人工去处理；有时还没有进行剪切挤压垫却先掉下来了，横在溜槽中不能滚动；有时即使顺利剪下但掉下位置不正也会卡住；在挤压垫与残料分离时也时常出现问题；在分离后挤压垫运送过程中有时出现卡塞、倾倒等问题。

所有这些问题都使自动化运行受到挫折。

为了解决这些问题，国内外的工程技术人员花了很大的精力进行研究。

目前国外铝材挤压机上几乎都在着手采用固定挤压垫。

将挤压垫固定在挤压轴上随挤压轴一起前进、后退，节省了挤压垫和残料的分离设备和挤压垫的输送装置，既减少设备投资又减少了占地面积，还缩短了挤压机非工作时间。

更重要的是提高了挤压机自动化运行的可靠性。

国外提出了各种各样的固定挤压垫发明专利，我公司设计制造的固定挤压装置已获得了国家科研专利权，成为我公司批量生产的定型标准化产品。

下面主要介绍一些固定挤压垫技术。

l 前苏联的固定挤压垫1.1 1969年前苏联发明的固定挤压垫1969年前苏联发明的固定挤压垫见图1。

它主要由两部仵组成，在中心用螺栓将两部件连接在一起，后端的螺孔是与挤压轴固定用的。

其工作原理是：在挤压垫与被挤压的坯料相接触之前的自由状态，内锥体2和外圆柱体内表面孔底之间有一定的间隙，当挤压轴施力于挤压垫，挤压垫就以一定的压力挤压金属坯料，此时内锥体的圆柱体前端胀开向里移动，直到间隙被消除为止。

所以固定挤压垫又称为弹性挤压垫或变径挤压垫。

固定挤压垫设计的基本出发点是：将挤压垫固定在挤压轴上，在挤压轴前进推动挤压垫对被挤压的坯料施压，由坯料的反作用力使固定挤压垫前端胀大，起到封闭被挤压的金属反向溢出的作用。

而对于胀量要严格加以控制，以避免在挤压中损伤挤压筒内表面，或者封不住被挤压的金属。

在挤压回程时，由于反作用力不存在，固定挤压垫的直径由本身弹性又恢复到原来尺寸，保证回程过程中不损伤挤压筒内表面，并毫不费力地回到原始位置。

图1 1969年前苏联发明的固定挤压垫1.2 1971年前苏联发明的固定挤压垫1971年前苏联发明的固定挤压垫（在英国申请专利）见图2。

图2 前苏联1971年发明的固定挤压垫示意图图1所示的固定挤压垫由两个部件组成，两部件之一刚性地固定在挤压轴上，那里内孔圆柱面是从平面延展出来的，在使用中会产生很大的应力集中向里面发展。

此应力集中会降低挤压垫的使用寿命。

并且制造这个配合锥面也是相当困难的。

图2的发明消除了上面的缺点，延长了挤压垫的使用寿命，降低了制造成本。

该固定挤压垫装配组合有两种方案：第一方案是由二部件来组成，见图2a。

垫座1的前端有锯齿形螺纹，在此螺纹上拧入一个圆柱形外环4，垫座1后端有内螺纹用来与挤压轴2相连接。

在自由状态时，外环的外端面和垫座1的外端面平齐，外环的内端面和垫座1的台肩3间有个间隙A。

当被挤压的金属作用力作用到外环4外端的环形面积上时，由于螺纹斜角α的关系，使外环向后（图2b 右方）滑动，外环柱面C的半径胀大B值，将被挤压的金属封闭在挤压筒内。

当挤压力取消时，外环4由于本身的弹性而恢复到原始位置。

第二方案是将锯齿形状螺纹改变成挂钩形式。

内部带锥度的钩形环6与外部成锥体的垫座5相配合，其结构见图2b、c、d、e、f。

为了将钩形环6上六等分均布开三个槽9，在相应垫座5上开三个槽7，将钩形环6顺着槽7装入后回转60°，这样就可以进行正常使用了，使用原理和图2a的完全一样。

这种固定挤压垫和前面所述图1的相比，增加允许负荷10％～20％，使用寿命几乎增加二倍。

而且这种挤压垫很容易拆开，使用方便，制造容易。

轴向间隙A和外径的胀量B之间有如下关系：（1）式中：a一外径4螺纹的斜角，最好采用30°～60°范围内；B一外径4外圆周允许的径向胀量（即径向位移），接近于挤压机挤压筒相关内表面的位移，此位移由下式表示：（2）式中：μ一波桑系数；E一杨氏模量；g一挤压筒的允许压力；R一挤压筒的内半径。

外环4的径向位移值就是B（见图2a、b）可由下式确定：（3）式中：ε一圆周的变形；r一外环4螺纹任意点的半径。

圆周变形按虎克定律来确定：（4）式中：E一杨氏模量；σt一切向应力；σr一径向应力；σz一轴向应力。

根据虎克定律σt－μσr－σz，的应力值不能超过允许的[σ]应力值。

该固定挤压垫组和图1的相比，制造价格将近降低一半。

更换挤压垫的时间减少到前者的1／10。

1.3 1975年前苏联发明的固定挤压垫1975年前苏联发明的固定挤压垫见图3。

图3 前苏联1915年发明的固定挤压垫示意图它由壳体1、支承锥2、螺塞3和可动环4组成。

壳体1作成空腔圆柱形，在外部的一端车成带6°～15°的圆锥角，并留有一个台肩作为支承锥2的限程。

此处没有螺纹形环槽，因而也就没有应力集中存在。

支承锥2的外表面是圆柱形，内表面是和壳体1的圆锥相配合的内锥孔。

在壳体1搪孔的内腔上其一端车有内螺纹，以便与螺塞3相连接。

在壳体1的相反端加工成梯形槽，以便和挤压轴5相结合，壳体1上凹槽的内径比挤压轴上相配凸缘的外径大6mm～10mm。

这样可以保证挤压轴顺利进入壳体凹槽内，对挤压机的挤压轴和挤压筒的对中要求就不那么严格了，可避免一些卡塞事故。

可动环4外端面加工有30°～45°的倒角，内孔车出台肩，用螺塞3将可动环和支承锥2保持在挤压垫的壳体1上。

为防止装配后的挤压垫从挤压轴上掉下来，在壳体1和挤压轴5上装有固定键。

在使用时，由于被挤金属的挤压力作用在可动环4的外端面上，使支承锥2纵向移动2mm～4mm，这样就使支承锥本身直径增加0.7mm～1.5mm，如此来封住被挤压的金属。

挤压终了之后，挤压垫从挤压筒中抽出，在挤压机回程过程中除支承锥本身弹性作用之外，挤压筒内套若和支承锥有接触时，还会有摩擦力来协助支承锥恢复到原始位置。

这种固定挤压垫由于可动环4与被挤金属接触的面积大，因而作用力很大，就是说被挤金属在单位压力很低时就可被封住，即此挤压垫低压密封性良好。

此外，它和挤压轴的连接形式采用的是梯形槽，而不是螺栓连接，这样除了自由度大之外，它的拉力强度很高，有利于挤压垫和残料的分离。

1.4 1976年前苏联发明的固定挤压垫图4a是前苏联1976年发明的固定挤压垫的剖面图。

图4b是其水平投影图。

挤压垫壳体1刚性地固定在挤压轴2的端面上，用矩形钩槽式回转销连接，在壳体的前端有一个加大的环状突台3，即挤压垫端面成圆柱形带台肩的形式。

壳体的勺形空腔4制成半圆球形，在其中安置塞块5，这个半圆球的塞块5的球形半径比勺形圆球半径大一些。

在塞块5的端面作为锥形凹槽6，在中心部分加工成圆柱形的凹座孔7，在其中装有圆柱头的螺栓8，用此螺栓将塞块和壳体1连接起来。

圆柱螺栓端头平面上也作成尖锥形，与塞块5的圆柱表面相一致。

壳体1上开有径向切缝9，将壳体前端分成几个相同的花瓣10，即构成了弹性卡头的弹性挤压垫元件。

切缝9从壳体壁边直到轴心，其深度不超过腔4的深度，壳体材料的力学性能、花瓣数目等可以根据具体条件确定。

图4 前苏联1976年发明的固定挤压垫示意图挤压垫的工作情况是挤压轴的压力经挤压垫传到坯料上，迫使塞块5以球形表面作用到球形空腔的表面4上。

造成花瓣10向外胀开，使环形突台3的直径与挤压筒的内径相接近，变形的坯料充填进入塞块的锥形凹槽，最终所余残料的端头也带有锥形的突起。

在挤压终了时，挤压轴返回行程，塞块5由于壳体1花瓣10的夹紧而脱出，即是靠本身弹性的收缩，使台肩3恢复到原始位置。

这样挤压垫就很容易从挤压筒中撤回来。

在挤压开始时，挤压轴力量作用在挤压垫上使挤压筒内的坯料产生变形，这样在其中就困有空气，这些空气通过切缝9逃逸到大气中。

这种固定挤压垫由于壳体和塞块是半圆球形，就尽可能地排除了应力集中，因而提高了挤压垫的寿命。

在挤压垫壳体上切有通缝，既有利于空气逃出又提高了挤压垫侧壁的弹性。

因此，这种挤压垫能够提高挤压制品的质量，使制品的气池、气孔、表面擦伤、划破等缺陷得以减少。

挤压垫的寿命可提高3～4倍。

挤压垫制作简单，使用可靠，安装和拆卸方便。

1.5 1976年前苏联发明的另一种固定挤压垫1976年10月前苏联又发明另一种固定挤压垫，其目的是简化结构并增加其工作的可靠性。

在挤压垫的挤压轴部作成凹形来增加侧面的间隙（参见图5）。

此挤压垫组包括挤压垫1、挤压轴2、螺栓3和螺帽4。

挤压垫与挤压轴结合后，挤压垫1和挤压轴2之间留有间隙5。

在挤压轴向前行程时，在挤压力的作用下挤压垫产生变形，间隙被消除，也就是挤压垫与挤压轴贴合，挤压垫外径也就增加了（如图5所示的虚线状态）。

在返回行程时挤压垫恢复到原形状。

本挤压垫是一种制造材料消费少的挤压工具。

因为没有另外的支撑件，它的结构简单。

在挤压力作用下，由于不同螺纹直接接触，并且没有其他固定挤压垫的元件（螺栓3的螺纹在挤压时不受外力作用）因而提高了使用寿命。

图5 前苏联1976年10月发明的固定挤压垫示意图1.6 1979年前苏联发明的固定挤压垫1979年1月前苏联发明的固定挤压垫见图6。

这种固定挤压垫可以用作反挤压，本发明的目的是扩展其使用范围。

它包括一个带壁桥2的模子1，针3，被固定在挤压垫凹槽5中的模套4，挤压垫5和模子1之间形成一个间隙6。

模1和挤压垫5坐落在挤压轴7端部的凹槽里，用螺栓8通过挤压轴7的通孔进行连接。

挤压轴7可以带着它前端的模子1和挤压垫5一起在径向上可以移动，以保证工具和挤压筒的对中。