《鑄造技術(shù)路線圖》摘錄 普通砂型鑄造裝備與檢測技術(shù)(待續(xù))

·行業(yè)發(fā)展·

《鑄造技術(shù)路線圖》摘錄 普通砂型鑄造裝備與檢測技術(shù)(待續(xù))

1 概述

鑄造裝備與檢測技術(shù)是指普通砂型鑄造生產(chǎn)過程中所涉及的熔煉、造型、制芯、混砂、澆注、清理、檢測等主要設(shè)備和技術(shù)。

鑄造行業(yè)作為制造業(yè)及機(jī)械工業(yè)的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中占有舉足輕重的地位。鑄造裝備是鑄造工業(yè)的基礎(chǔ)，也是鑄造工業(yè)發(fā)展的重要前提條件。中國是鑄造大國，但不是鑄造強(qiáng)國。目前，我國鑄造業(yè)裝備總體水平不高，大型企業(yè)鑄造裝備主要靠進(jìn)口，中等及以下規(guī)模鑄造企業(yè)鑄造裝備普遍偏低，絕大部分鑄造車間的熔煉、澆注、造型、制芯、清理等自動化程度和關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)在線檢測水平與現(xiàn)代化鑄造生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)相距甚遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)型升級任務(wù)十分艱巨[1]?！爸袊圃?025”規(guī)劃的制定與實施，為鑄造行業(yè)及鑄造裝備轉(zhuǎn)型升級和創(chuàng)新發(fā)展提供了難得的發(fā)展機(jī)遇[2]。以滿足智能化、網(wǎng)絡(luò)化鑄造生產(chǎn)需求為目標(biāo)，科學(xué)制定鑄造裝備中長期（2016—2030）發(fā)展規(guī)劃，對于快速提升中國鑄造行業(yè)總體水平，助推制造強(qiáng)國建設(shè)具有重要意義。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 熔煉裝備與技術(shù)

從目前世界工業(yè)發(fā)展的實踐看，沖天爐不但是迄今為止鑄鐵熔煉的主要設(shè)備，而且由于其良好的熔煉性能，在未來相當(dāng)長的時期內(nèi)，仍將是最重要的鑄鐵熔煉設(shè)備。2015～2030年是我國貫徹國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、推動循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、走新型工業(yè)化道路、奠定建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會基礎(chǔ)的重要時期，解決沖天爐熔煉的優(yōu)質(zhì)高效、節(jié)能降耗、安全環(huán)保問題盡早提上日程，要盡快更新沖天爐熔煉技術(shù)和環(huán)保技術(shù)，如新能源沖天爐應(yīng)用與鐵液質(zhì)量控制技術(shù)、沖天爐熔煉過程自動控制及安全技術(shù)、沖天爐熔煉過程資源綜合利用及環(huán)保技術(shù)等，同時應(yīng)加快制定沖天爐相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。

感應(yīng)熔煉爐作為另一種主要熔煉設(shè)備，在鑄鐵熔煉和雙聯(lián)熔煉中已有幾十年的歷史，我國在制造應(yīng)用熔煉爐方面也有了比較豐富的經(jīng)驗，在電源結(jié)構(gòu)、變頻技術(shù)、集成控制、循環(huán)冷卻技術(shù)等諸多方面都取得了令人矚目的進(jìn)步。但目前國產(chǎn)品牌電爐在產(chǎn)品可靠性、節(jié)能性能等方面與國外知名品牌尚有一定差距，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速、穩(wěn)定發(fā)展，基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的信息化和工業(yè)化推進(jìn)，鑄造行業(yè)對感應(yīng)熔煉設(shè)備的需求將具有專用化、高端化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)[3-4]。

2.1.1 沖天爐熔煉過程優(yōu)化控制技術(shù)

2.1.1.1 現(xiàn)狀

沖天爐熔煉系統(tǒng)包括加料、爐渣?；拔鬯幚砘赜?、爐氣熱交換及除塵、鼓風(fēng)等子系統(tǒng)。目前，我國鑄造行業(yè)沖天爐熔煉自動化的總體水平還不高，多數(shù)沖天爐僅在加料、送風(fēng)子系統(tǒng)實現(xiàn)了不同程度的自動化，實現(xiàn)沖天爐熔煉全系統(tǒng)、全流程優(yōu)化控制尚有較大差距。

2.1.1.2 挑戰(zhàn)

沖天爐熔煉過程復(fù)雜，涉及參數(shù)較多，如何確定影響鐵液質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)和控制算法，是實現(xiàn)沖天爐熔煉過程優(yōu)化控制的技術(shù)關(guān)鍵，綜合考慮環(huán)境保護(hù)等因素，構(gòu)建沖天爐熔煉最優(yōu)控制系統(tǒng)具有一定難度。

2.1.1.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

建立性能與原材料及其配比之間的關(guān)系、試件性能與鐵液質(zhì)量（溫度及成分）之間的關(guān)系，提出沖天爐熔煉全過程優(yōu)化控制算法。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

研制成功以鐵液質(zhì)量為目標(biāo)的沖天爐優(yōu)化控制系統(tǒng)，并在多數(shù)鑄造車間獲得實際應(yīng)用。依據(jù)不同原材料數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整熔煉過程和實施爐前干預(yù)，以保證出爐鐵液百分百合格。

2.1.2 新能源沖天爐的開發(fā)與應(yīng)用

2.1.2.1 現(xiàn)狀

目前，鑄造行業(yè)主要應(yīng)用短爐齡冷風(fēng)沖天爐，存在能耗和污染排放高、資源利用率低等問題，研究和推廣應(yīng)用大容量、外熱風(fēng)、長爐齡沖天爐是沖天爐設(shè)備的發(fā)展方向。

2.1.2.2 挑戰(zhàn)

新能源沖天爐熔煉設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計理論和綠色設(shè)計制造方法，是影響沖天爐節(jié)能降耗、優(yōu)質(zhì)高效、安全環(huán)保性能實現(xiàn)的決定性因素，同時還應(yīng)具備沖天爐熔煉相關(guān)技術(shù)。如炭床燃?xì)鉀_天爐，將涉及炭床的作用與選擇、炭床與燃?xì)獾慕M合燃燒、炭床燃燒的優(yōu)化控制、最佳冶金作用與最少燃料消耗量的優(yōu)化等。

2.1.2.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

按照優(yōu)質(zhì)高效、節(jié)能降耗、安全環(huán)保的原則，建立和完善面向新能源、爐內(nèi)換熱模型、排放物回收利用、熔煉過程優(yōu)化控制的設(shè)計知識庫和數(shù)據(jù)庫以及相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

采用現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)，優(yōu)化參數(shù)，實現(xiàn)自動及智能控制，制定安全保障系統(tǒng)，設(shè)計制造出熔煉性能好、能耗低、無公害、熔煉過程穩(wěn)定、安全可靠的沖天爐熔煉系統(tǒng)。

2.1.3 沖天爐熔煉的資源綜合利用及環(huán)保技術(shù)

2.1.3.1 現(xiàn)狀

目前所用傳統(tǒng)沖天爐，其熔煉過程消耗大量耐火材料和熔劑，耗費(fèi)能源不可低估。此外，爐渣、爐塵排放和設(shè)備散熱不僅造成熱量損失，還將對環(huán)境產(chǎn)生影響，沖天爐熔煉的資源綜合利用和環(huán)境保護(hù)一直是亟待解決的問題。

2.1.3.2 挑戰(zhàn)

隨著生態(tài)文明不斷進(jìn)步和人們對環(huán)境要求的日益提高，對鑄造生產(chǎn)綠色熔煉的要求將越來越嚴(yán)格，越來越急迫。沖天爐作為今后一個時期的主要熔煉設(shè)備，如何發(fā)展?jié)M足節(jié)能、高效、環(huán)保的條件的新技術(shù)，對鑄造工作者無疑是一種挑戰(zhàn)。

2.1.3.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

以優(yōu)質(zhì)高效、節(jié)能降耗、安全環(huán)保為出發(fā)點(diǎn)，綜合運(yùn)用現(xiàn)代化設(shè)計技術(shù)，完成沖天爐資源綜合利用及環(huán)保系統(tǒng)設(shè)計及試運(yùn)行。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

大部分沖天爐實現(xiàn)熔煉過程熱量低排放、無排放利用（多級預(yù)熱送風(fēng)、設(shè)備保溫、輔助用熱及生活用熱、煙氣中一氧化碳再燃燒等）；煙氣回收及利用；鑄造粉塵回吹爐內(nèi)造渣、爐渣制棉、?；饶繕?biāo)。

2.1.4 感應(yīng)熔煉電爐節(jié)能技術(shù)

2.1.4.1 現(xiàn)狀

目前，隨著國家政策向“節(jié)能、環(huán)?！狈较騼A斜，感應(yīng)熔煉電爐節(jié)能技術(shù)發(fā)展和研發(fā)也在持續(xù)中進(jìn)行，形成了一批實用性成果并在不斷應(yīng)用和改進(jìn)之中，現(xiàn)正努力向噸耗電510 k W·h甚至更優(yōu)目標(biāo)努力。

2.1.4.2 挑戰(zhàn)

感應(yīng)熔煉電爐節(jié)能技術(shù)的發(fā)展主要從兩個方面來考慮，即負(fù)載優(yōu)化匹配和能量損耗，提高電效率和熱效率的同時將能量總體損耗降至最低。

2.1.4.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

我國熔煉電爐設(shè)備制造主要性能將達(dá)到發(fā)達(dá)國家的水平，進(jìn)入高端設(shè)備制造競爭行列。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

我國熔煉電爐設(shè)備制造將整體接近發(fā)達(dá)國家的水平，在某些重點(diǎn)領(lǐng)域，還將超過發(fā)達(dá)國家的水平。

2.1.5 電爐熔煉平臺機(jī)器人操作技術(shù)

2.1.5.1 現(xiàn)狀

目前，絕大部分鑄造車間的熔煉平臺上均靠人工操作，包括加料、扒渣、測溫、提取試樣等，不僅操作工勞動強(qiáng)度大、危險性高，而且準(zhǔn)確性差。國外已有采用機(jī)器人代替人工進(jìn)行電爐熔煉平臺操作的先例。

2.1.5.2 挑戰(zhàn)

熔煉平臺操作與鑄件清理是鑄造車間勞動強(qiáng)度最大和工作環(huán)境最差的兩個工部，也是最難實現(xiàn)自動化的兩個工部。對熔煉平臺而言，由于影響熔煉質(zhì)量的因素較多且相互關(guān)系復(fù)雜，開發(fā)具有較高智能的機(jī)器人操作系統(tǒng)，具有一定難度。

2.1.5.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

開發(fā)具有加料、扒渣、測溫、提取試樣等功能的熔煉平臺操作機(jī)器人。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

開發(fā)應(yīng)用具有現(xiàn)場測試熔體成分、調(diào)節(jié)成分、添加微量元素、評價熔體質(zhì)量和遠(yuǎn)程觀察控制功能的熔煉平臺操作機(jī)器人。

2.2 制芯裝備與技術(shù)

制芯設(shè)備是隨著鑄造砂芯粘結(jié)固化工藝的進(jìn)步而發(fā)展的，制芯設(shè)備對于提升鑄件質(zhì)量和生產(chǎn)率具有舉足輕重的作用。據(jù)有關(guān)鑄件生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，由于砂芯質(zhì)量（主要反映在強(qiáng)度、完整性、透氣性、均勻性）造成的鑄件廢品率均值在2.5%以上，國內(nèi)制芯設(shè)備的制芯廢品率在5%左右。目前，制芯設(shè)備的控制技術(shù)只能滿足自動化生產(chǎn)的基本需求，還未達(dá)到制芯數(shù)據(jù)智能控制的水平，整個制芯過程受外部條件（如環(huán)境溫度、濕度、原砂溫度、物料定量、稱重精度等）、制芯過程控制（如機(jī)構(gòu)運(yùn)動、射砂、吹氣過程等）因素的影響很大。要實現(xiàn)智能化制芯，必須對以上各因素進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)檢測和信息反饋，并結(jié)合制芯工藝數(shù)據(jù)庫實施制芯過程參數(shù)的實時修正，以提升制芯設(shè)備的智能化水平[5-7]。

2.2.1 穩(wěn)定高效的混砂系統(tǒng)

2.2.1.1 現(xiàn)狀

目前，混砂系統(tǒng)以間歇式和連續(xù)式兩種混砂為主。間歇式混砂效率低、單批混砂量小、樹脂定量精度低、混砂均勻性不可控，存在有樹脂塊、干砂殘留、清理難度大等問題。連續(xù)式混砂雖然混砂效率高，但常應(yīng)用在自硬砂鑄造工藝，砂用量大，均勻性相對較低?；焐爸腥绾问剐旧?、樹脂供給精確匹配、均勻混合，如何解決頭尾砂和清理等依舊是應(yīng)用技術(shù)難題。

2.2.1.2 挑戰(zhàn)

提高和穩(wěn)定砂、樹脂定量精度是保證混砂均勻性的技術(shù)前提，實現(xiàn)芯砂、樹脂比例精準(zhǔn)可控和均勻包裹還有一定技術(shù)難度；混砂機(jī)葉片結(jié)構(gòu)、混砂速度、葉片壽命是混砂質(zhì)量和均勻性的保證，需要進(jìn)行一定的模擬試驗及大量的數(shù)據(jù)測試及分析；以提高混砂均勻性、一致性為目的，研究連續(xù)式混砂技術(shù)，以滿足樹脂砂混砂工藝需求具有一定難度。

2.2.1.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

解決連續(xù)混砂技術(shù)存在的問題及技術(shù)難點(diǎn)，實現(xiàn)混砂均勻性好，混砂機(jī)易清理。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

開發(fā)高效、先進(jìn)的連續(xù)混砂技術(shù)，匹配先進(jìn)的制芯裝備。

2.2.2 可控多樣的射砂系統(tǒng)

2.2.2.1 現(xiàn)狀

射砂是通過壓縮空氣將型砂從射砂腔帶入芯盒內(nèi)進(jìn)行成形的過程，射砂壓力過低，容易出現(xiàn)射砂不均，砂芯局部不緊實，射砂壓力過高，則會出現(xiàn)磨損芯盒型腔和粘砂等現(xiàn)象。目前，對于射砂模型的研究及射砂過程的研究仍然處于初步開發(fā)階段，研發(fā)射砂新技術(shù)已成為發(fā)展制芯設(shè)備的重要需求。

2.2.2.2 挑戰(zhàn)

開展射砂模型導(dǎo)流研究，利用計算機(jī)模擬軟件進(jìn)行射砂過程模擬及驗證研究，獨(dú)立開發(fā)高精度、高響應(yīng)的壓力及速度監(jiān)測器件具有一定難度；開展多流程射砂過程研究，以保證射砂過程的砂流速度保持不變，或在后期成形結(jié)束時提升流速，使砂芯成形更完整和局部的密實度一致；開展壓力反饋及自適應(yīng)技術(shù)，采用智能化自適應(yīng)技術(shù)，結(jié)合監(jiān)控技術(shù)、計算機(jī)分析技術(shù)等，調(diào)整射砂過程的壓力、流量等參數(shù)，達(dá)到砂芯密實度一致的要求。

2.2.2.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

低壓射砂技術(shù)將建立智能模型，射砂智能模型研究將建立標(biāo)準(zhǔn)，多流程射砂技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

適應(yīng)不同產(chǎn)品的自適應(yīng)多流程射砂智能技術(shù)更成熟，射砂過程智能控制將達(dá)到0.1S級別。

2.2.3 高效節(jié)能的固化系統(tǒng)

2.2.3.1 現(xiàn)狀

現(xiàn)有主流制芯工藝分為熱芯、冷芯、無機(jī)三種。熱芯工藝主要控制模具溫度及固化時間，目前應(yīng)用較少，已在逐步淘汰階段。冷芯工藝作為一種高效制芯工藝，在鑄造生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，冷芯固化與環(huán)境溫度、濕度、吹氣溫度、吹氣壓力、吹氣時間相關(guān)，以往吹氣溫度不穩(wěn)定、吹氣壓力曲線單一、吹氣時間偏長、砂芯催化劑殘留量不可控是需要解決的主要問題。無機(jī)固化與模具溫度、吹氣溫度、吹氣壓力、吹氣時間、芯砂溫度及濕度密切相關(guān)，由于還在技術(shù)起步階段，各參數(shù)要求還在摸索過程中，但無機(jī)工藝作為一種綠色、環(huán)保的新型工藝正得到越來越多鑄造廠的青睞。

2.2.3.2 挑戰(zhàn)

需研究穩(wěn)定吹氣溫度，避免環(huán)境溫度對吹氣溫度的影響，開發(fā)高效氣體發(fā)生器，管路增加保溫、加熱裝置，吹氣罩具備保溫、隔熱功能；需研究吹氣壓力、吹氣曲線形成砂芯特征變化進(jìn)行參數(shù)化調(diào)整，實現(xiàn)高效固化目標(biāo)，需要大量測試數(shù)據(jù)支撐；需根據(jù)砂芯生產(chǎn)需求與砂芯強(qiáng)度的關(guān)系，控制砂芯催化劑殘留量，研究催化劑殘留量可控技術(shù)。

2.2.3.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

根據(jù)砂芯特征，固化系統(tǒng)參數(shù)化調(diào)整，實現(xiàn)快速固化，實現(xiàn)高效制芯。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

完成砂芯殘留催化劑可控技術(shù)開發(fā)，滿足砂芯快速達(dá)到終強(qiáng)度，優(yōu)化工作環(huán)境，實現(xiàn)綠色固化的需要。

2.2.4 智能閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.2.4.1 現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)制芯設(shè)備主要采用單機(jī)自動化生產(chǎn)，即設(shè)備按P L C編制的程序，通過電控技術(shù)、液壓氣動技術(shù)等，按設(shè)定的流程運(yùn)行制芯工藝過程，獲得砂芯產(chǎn)品。這些單機(jī)組成的自動化制芯單元或車間，在與上下各工序裝備之間銜接，一般采用人工機(jī)械操作。未來具有自適應(yīng)及自判別的制芯設(shè)備將會成為新的發(fā)展趨勢。

2.2.4.2 挑戰(zhàn)

研究輸入條件監(jiān)測技術(shù)，采集輸入條件作為工藝自適應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，用多元化監(jiān)測器件將相關(guān)信息采集并錄入計算機(jī)自適應(yīng)系統(tǒng)軟件中進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。研究過程動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，采集制芯過程的各個工藝條件作為制芯自適應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，錄入計算機(jī)自適應(yīng)系統(tǒng)軟件進(jìn)行制芯過程的自適應(yīng)調(diào)整。研究制芯自適應(yīng)控制技術(shù)，開發(fā)制芯參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)參考值與監(jiān)測的數(shù)據(jù)對比分析軟件。研究砂芯質(zhì)量自動判別技術(shù)，采用視覺識別技術(shù)判別砂芯外形完整性，采用在線檢測技術(shù)判別砂芯的密實度和判別砂芯是否合格。

2.2.4.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

在輸入條件監(jiān)測系統(tǒng)、過程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及制芯自適應(yīng)系統(tǒng)技術(shù)取得突破，專業(yè)的自適應(yīng)制芯設(shè)備雛形機(jī)型將開發(fā)成功。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

砂芯自判別系統(tǒng)獲得應(yīng)用，智能化自判別制芯設(shè)備在鑄造生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

2.2.5 高效精準(zhǔn)的驅(qū)動系統(tǒng)

2.2.5.1 現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的制芯設(shè)備通常采用液壓方式驅(qū)動各運(yùn)動部件，設(shè)備需要配置復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，存在布管復(fù)雜、管路漏油、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)龐大、控制難度大、故障問題多等技術(shù)問題。此外，還有采用減速電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的制芯設(shè)備，應(yīng)用變頻器及位置傳感器技術(shù)，可以較好地實現(xiàn)驅(qū)動和定位，在制芯設(shè)備中作為液壓驅(qū)動技術(shù)的補(bǔ)充來使用。目前，伺服電機(jī)驅(qū)動技術(shù)得到逐步推廣，作為減速機(jī)驅(qū)動技術(shù)的升級，由于配置了傳感器，可實現(xiàn)閉環(huán)控制，保證設(shè)備性能高精度定位、平穩(wěn)運(yùn)行，為制芯設(shè)備提供了可靠的技術(shù)保證。

2.2.5.2 挑戰(zhàn)

采用電驅(qū)動方式替代液壓驅(qū)動將成為制芯設(shè)備高效驅(qū)動的技術(shù)突破，但當(dāng)制芯設(shè)備需要大的合模力時，如何采用電驅(qū)動來滿足大合模力需求，將是一個難題。當(dāng)采用電驅(qū)動方式替代液壓驅(qū)動時，是否有特性相當(dāng)?shù)碾妱痈滋娲簤焊?，或者配套產(chǎn)品來滿足制芯設(shè)備驅(qū)動需求，需要綜合設(shè)計。

2.2.5.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

制芯設(shè)備采用電動缸替代液壓缸主要驅(qū)動部件，實現(xiàn)功能替代，滿足高效需求，弱化液壓技術(shù)在制芯設(shè)備上的應(yīng)用。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

智能化全電驅(qū)動技術(shù)用于制芯設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備整潔、高效、運(yùn)行平穩(wěn)、故障自診斷、自反饋、自修復(fù)，成就綠色、高效的新一代制芯設(shè)備。

2.2.6 單元模塊化集成技術(shù)

2.2.6.1 現(xiàn)狀

制芯機(jī)上方設(shè)有鋼構(gòu)平臺、混砂機(jī)、輸送裝置、料斗和通風(fēng)管路系統(tǒng)，由于鋼結(jié)構(gòu)及制芯設(shè)備的布置使得結(jié)構(gòu)安裝復(fù)雜且需占用很大空間。由于制芯設(shè)備的分散布置，從原砂存儲、定量準(zhǔn)備到混砂、制芯、出砂芯各環(huán)節(jié)都有滯留環(huán)節(jié)，許多內(nèi)外因素對制芯機(jī)的干擾都將導(dǎo)致制芯質(zhì)量及效率的很大變數(shù)。

2.2.6.2 挑戰(zhàn)

把現(xiàn)有制芯設(shè)備通過模塊化設(shè)計整合為一個單元整體，具有快速組合、靈活搬運(yùn)的特點(diǎn)，其難點(diǎn)在于把形態(tài)各異的外部設(shè)備通過模塊化設(shè)計形成組合安裝結(jié)構(gòu)，最大程度實現(xiàn)連接的快速拆裝；從原砂到砂芯的一站式制芯單元化功能，可提升整個制芯單元的工作穩(wěn)定性，對運(yùn)動件、功能模塊運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自診斷，對制芯單元的異常狀態(tài)實現(xiàn)警示和提前預(yù)警，并能自我參數(shù)調(diào)整。

2.2.6.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

實現(xiàn)制芯設(shè)備與模具的集成化，緊湊式易維護(hù)混砂系統(tǒng)的開發(fā)實施，電氣模塊網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的應(yīng)用。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

建立起制芯設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行的大數(shù)據(jù)庫，結(jié)合自動化智能控制的檢測及補(bǔ)償反饋技術(shù)，可具備對本單元設(shè)備異常實現(xiàn)提前預(yù)警、數(shù)據(jù)反饋和自我參數(shù)調(diào)整。

2.3 垂直分型黏土砂造型裝備與技術(shù)

1963年丹麥D I S A公司生產(chǎn)了首臺垂直分型無箱射壓造型機(jī)，因其設(shè)備占地面積小、無砂箱、砂型精度高、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，很快被鑄造廠廣泛采用，主要用于大批量、中小鑄鐵件生產(chǎn)。自20世紀(jì)70年代初我國引進(jìn)了第一條垂直分型無箱射壓造型機(jī)后，國內(nèi)制造廠依照仿制、改進(jìn)和提高的思路，到2015年為止已經(jīng)生產(chǎn)600臺以上的垂直分型無箱射壓造型機(jī)。

目前，國產(chǎn)垂直分型無箱射壓造型機(jī)與國外設(shè)備相比主要存在設(shè)備可靠性差、造型精度差、配套輔機(jī)不全和相關(guān)應(yīng)用軟件功能不健全等主要問題[8-9]。

2.3.1 自動下芯機(jī)

2.3.1.1 現(xiàn)狀

目前，國產(chǎn)垂直分型無箱射壓造型機(jī)生產(chǎn)線上主要采用手工下芯，不僅下芯時間長，而且影響下芯精度且存在安全隱患，亟待發(fā)展適合我國鑄造生產(chǎn)的自動下芯技術(shù)。

2.3.1.2 挑戰(zhàn)

自動下芯機(jī)對下芯精度、下芯速度、下芯平穩(wěn)性都有較高要求。

2.3.1.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

綜合利用光電技術(shù)、圖像技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)設(shè)計制造自動下芯機(jī)，下芯點(diǎn)的設(shè)備重復(fù)精度≤0.14mm，一個下芯循環(huán)控制在2.5 s以內(nèi)。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

絕大部門垂直分型造型線應(yīng)用具有較高下芯精度和下芯速度的自動下芯機(jī)。

2.3.2 全自動澆注機(jī)

2.3.2.1 現(xiàn)狀

目前，國產(chǎn)垂直分型無箱射壓造型機(jī)生產(chǎn)線上多采用半自動澆注機(jī)，澆注質(zhì)量受操作工人水平影響大。

2.3.2.2 挑戰(zhàn)

高效生產(chǎn)對自動澆注提出了更高要求，需與鑄型同步移動的過程中實現(xiàn)澆口對準(zhǔn)、澆速與澆量精確控制。

2.3.2.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

研究開發(fā)全自動機(jī)澆注關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)智能傳感對鑄型澆口位置準(zhǔn)確識別，對金屬液面在澆口的高度和形狀判定，澆點(diǎn)精準(zhǔn)定位和澆注速度、澆注量精準(zhǔn)控制。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

全部造型線配備全自動澆注機(jī)，研究開發(fā)智能澆注機(jī)。

2.3.3 自動撿件機(jī)器人

2.3.3.1 現(xiàn)狀

目前，國產(chǎn)垂直分型無箱射壓造型機(jī)生產(chǎn)線上采用手工撿件，不僅勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)境差，而且容易出現(xiàn)工傷事故。隨著國內(nèi)鑄造從業(yè)人員的短缺加劇，此類工作的機(jī)械化和自動化問題亟待解決。

2.3.3.2 挑戰(zhàn)

實現(xiàn)自動撿件的關(guān)鍵是鑄件類型識別，國外已有小型自動撿件機(jī)器人用于已去除澆冒系統(tǒng)鑄件分揀件工作。

2.3.3.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

在同一水平面上，對于運(yùn)動較慢并且分散的鑄件通過圖像識別實現(xiàn)自動撿件。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

用于非同一平面上的混合鑄件的分揀機(jī)器人實現(xiàn)應(yīng)用。

2.4 黏土砂水平分型脫箱造型裝備與技術(shù)

與垂直分型脫箱造型相比，水平分型脫箱造型更容易滿足鑄造工藝要求，型腔緊實度高，抗脹箱能力強(qiáng)、產(chǎn)品尺寸精度、表面粗糙度和一致性好，適于大批量、專業(yè)化、連續(xù)生產(chǎn)需要，同時較之有箱造型線又有功率小、生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)。目前，由于國內(nèi)基礎(chǔ)研究不足，同時缺乏相關(guān)職能部門的統(tǒng)一管理和長遠(yuǎn)性規(guī)劃，核心主機(jī)以進(jìn)口為主，制造水平與國外同類產(chǎn)品有較大差距，柔性技術(shù)和故障自診斷及遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)有待發(fā)展，高效、節(jié)能技術(shù)是主流方向[8-9]。

2.4.1 射砂（或填、砂）預(yù)緊實技術(shù)

2.4.1.1 現(xiàn)狀

目前的射砂（或填砂）預(yù)緊實方式主要有重力加砂、單側(cè)射砂、雙側(cè)射砂、垂直射砂、真空吸砂等，型砂預(yù)緊實均勻性是提高造型質(zhì)量的重要參數(shù)。

2.4.1.2 挑戰(zhàn)

提高射砂（或填砂）預(yù)緊實均勻性，理清射砂壓力、射砂氣體流量與射砂量、砂箱排氣能力之間的復(fù)雜關(guān)系，分析射頭形狀、射砂通道和射砂效果之間的關(guān)系。

2.4.1.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

確立射砂工藝參數(shù)（壓力、流量、排氣量）、氣流送砂方法、繪制型砂性能與射砂緊實度關(guān)系圖、確立射口形狀。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

射砂工藝參數(shù)合理、射砂均勻性更高的射砂系統(tǒng)用于全部水平分型造型機(jī)。

2.4.2 壓實技術(shù)

2.4.2.1 現(xiàn)狀

目前的壓實技術(shù)有正壓（從砂箱外向砂箱內(nèi)壓實）、反壓（型板向砂箱內(nèi)壓實）兩種，以正壓為主，只有個別廠家采用反壓壓實。

2.4.2.2 挑戰(zhàn)

正、反壓實工藝比較；壓實比壓和型腔緊實度之間的關(guān)系；正、反雙壓的可行性研究等。

2.4.2.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

完成壓實方式和壓實結(jié)構(gòu)優(yōu)選。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

完成正、反雙壓效果評價及壓實結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造。

2.4.3 高效、節(jié)能技術(shù)

2.4.3.1 現(xiàn)狀

目前的雙工位水平分型脫箱造型速度一般在100～110箱/h，四工位水平分型脫箱造型速度在160～180箱/h，進(jìn)一步提高造型速度和降低能耗尚有努力空間。

2.4.3.2 挑戰(zhàn)

如何提高造型速度（≥25%）；如何優(yōu)化造型工藝流程；如何降低單位能耗。

2.4.3.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

雙工位造型速度≥130箱/h，四工位造型速度≥220箱/h樣機(jī)設(shè)計制造。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

雙工位造型速度≥130箱/h，四工位造型速度≥220箱/h大面積應(yīng)用。

2.5 黏土砂水平分型有箱造型裝備與技術(shù)

水平分型有箱造型，是歷史最久的濕型黏土砂造型技術(shù)，也是當(dāng)前應(yīng)用最為普遍的造型技術(shù)。水平分型有箱造型一般采用震動實砂和壓實實砂或震壓組合實砂。歷史上有代表性的水平分型有箱造型線是德國K W公司的高壓多觸頭造型線和日本新東公司的靜壓造型線。近年來又不斷有新技術(shù)出現(xiàn)，如日本新東公司的靜壓+模板壓實造型技術(shù)，意大利M E C公司的側(cè)吹式靜壓造型技術(shù)，德國MD公司的真空靜壓造型及技術(shù)等[8]。

2.5.1 先進(jìn)緊實技術(shù)

2.5.1.1 現(xiàn)狀

國內(nèi)鑄造行業(yè)習(xí)慣于學(xué)習(xí)發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)鑄造技術(shù)，而后引進(jìn)、消化和吸收。實際上，新引進(jìn)的造型設(shè)備和20～30年前引進(jìn)的造型設(shè)備并無本質(zhì)區(qū)別，H W S和K W的造型線就是一例，主要是控制系統(tǒng)升級和操作界面更為漂亮，其機(jī)械結(jié)構(gòu)，液壓原理幾乎沒有變化。但國內(nèi)每年都要投入大量資金，重復(fù)引進(jìn)這些“相同”的造型設(shè)備。

2.5.1.2 挑戰(zhàn)

必須有自主創(chuàng)新和開發(fā)研制的新一代造型技術(shù)，為此需要深入研究當(dāng)前世界最先進(jìn)的造型工藝技術(shù)，結(jié)合國情開發(fā)水平分型無箱造型新技術(shù)、新裝備。

2.5.1.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

研制基于模板壓實造型技術(shù)、真空靜壓技術(shù)和側(cè)吹靜壓技術(shù)等新技術(shù)的濕型黏土砂水平分型無箱造型設(shè)備。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

推廣基于模板壓實造型技術(shù)、真空靜壓技術(shù)和側(cè)吹靜壓技術(shù)等新技術(shù)的濕型黏土砂水平分型無箱造型設(shè)備。

2.5.2 全電動黏土砂自動造型線技術(shù)

2.5.2.1 現(xiàn)狀

常規(guī)造型設(shè)備普遍采用氣動和液壓驅(qū)動，不僅能耗高居不下，而且易受環(huán)境影響，很難滿足現(xiàn)代造型線對高精度、高速度和高壓力的要求。采用電驅(qū)動是一種選擇，目前國內(nèi)黏土砂造型設(shè)備還沒有真正意義上的全電動造型線。

2.5.2.2 挑戰(zhàn)

電驅(qū)動取代液壓驅(qū)動最大的挑戰(zhàn)是電驅(qū)動很難提供大的動力，以完成實砂動作。因此，要解決大功率電動或電液驅(qū)動裝置設(shè)計制造問題，需要國內(nèi)電缸生產(chǎn)廠家與造型設(shè)備企業(yè)合作，共同開發(fā)大功率電動驅(qū)動設(shè)備。

2.5.2.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

設(shè)計開發(fā)全電動造型線的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)元件的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、遠(yuǎn)程調(diào)試、遠(yuǎn)程操作、遠(yuǎn)程排除故障。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

利用生產(chǎn)線全電動特性，改變控制方式，提高運(yùn)動平穩(wěn)性和定位精度，實現(xiàn)熱脹冷縮的自動補(bǔ)償。

2.6 鑄造自硬砂裝備與技術(shù)

目前，除汽車拖拉機(jī)工程機(jī)械等行走機(jī)械基本采用濕型砂工藝外，我國大多數(shù)重型機(jī)床、大型泵閥、風(fēng)電核電鑄件全面采用自硬砂工藝制造。鑄造裝備基本采用傳統(tǒng)地面半機(jī)械化造型、制芯，起模、涂料、下芯、合箱、澆注、除塵等操作均需借助行車完成。隨著鑄造行業(yè)智能化、信息化、自動化快速發(fā)展，要在傳統(tǒng)鑄造工藝的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)適合大中等規(guī)模以上數(shù)字化鑄鋼及高端鑄件生產(chǎn)企業(yè)需求的鑄造自硬砂裝備與技術(shù)，以盡快提高鑄造業(yè)裝備自動化的總體水平。

2.6.1 智能化連續(xù)混砂機(jī)面背砂無人操作技術(shù)

2.6.1.1 現(xiàn)狀

現(xiàn)有技術(shù)中，由于在造型時無法同時提供面、背砂，故造型工必須先將面砂覆蓋模型，然后再混背砂覆蓋面砂，這種人工操作方式既繁雜又難以保證砂型質(zhì)量。此外，由于自硬砂有毒氣味，影響操作人員身體健康。因此，急需一種能同時混制面、背砂，并同時出砂的無人操作的樹脂砂混砂機(jī)。

2.6.1.2 挑戰(zhàn)

智能化子母式面、背砂連續(xù)混砂機(jī)無人操作系統(tǒng)是自硬砂造型中一種新的復(fù)合工藝，即采用一種子母式混砂機(jī)形式，通過中央控制室（無人操作）控制這種混砂機(jī)同時獲得面砂和背砂，保證面砂既能抵抗高溫鐵液又能保證良好透氣性能，保證背砂既具有一定強(qiáng)度又能保證落砂潰散性[10]。

2.6.1.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

研制粘結(jié)劑和固化劑加入量、砂層厚度、隨砂箱內(nèi)加入點(diǎn)軌跡智能化調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

生產(chǎn)子母式面、背砂連續(xù)混砂機(jī)，能夠同時混制面、背砂，并且同時出砂，減少面砂用量，降低生產(chǎn)成本。

2.6.2 桁架式大型起模翻轉(zhuǎn)流涂合箱機(jī)械手

2.6.2.1 現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的大型自硬砂型造型采用天車作業(yè)方式，即造型過程中采用人工吊車起吊翻轉(zhuǎn)，地面進(jìn)行修型、刷涂料等操作。

2.6.2.2 挑戰(zhàn)

應(yīng)用于半自動自硬砂造型線上大型砂型起模翻轉(zhuǎn)、輸送流涂工序的一種創(chuàng)新型移動式大型多功能抓取機(jī)械手，既可避免砂型損壞，保證操作精度，又可保障操作人員安全和提高造型線生產(chǎn)效率，是對勞動力的一次解放。

2.6.2.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

自主研制一種60～100 t大型多功能柔性抓取合箱鑄造裝備，采用全液壓柔性控制系統(tǒng)，實現(xiàn)起模周期連續(xù)可調(diào)，便于整條生產(chǎn)線的同步調(diào)整。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

與鑄造企業(yè)的M E S系統(tǒng)對接，采用雙鏈同步、激光測量技術(shù)，可有效保證砂型精度，實現(xiàn)大型鑄件砂型自動化生產(chǎn)。

2.7 砂處理、砂再生裝備與技術(shù)

砂處理與砂再生是鑄造車間的五大工部之一，是對造型材料的再生處理和混制，使其性能滿足造型需求。砂處理系統(tǒng)的優(yōu)劣，直接影響到造型質(zhì)量，進(jìn)而影響鑄件質(zhì)量。目前，砂處理的共性問題是粉塵量大、物料收集運(yùn)輸過程中有跑、冒、漏現(xiàn)象，污染環(huán)境；智能技術(shù)應(yīng)用不足，影響裝備技術(shù)水平提高；砂處理工部廢棄物排放量大，直接造成資源浪費(fèi)[11-12]。

2.7.1 關(guān)鍵設(shè)備可靠性技術(shù)

2.7.1.1 現(xiàn)狀

一直以來砂處理工部很少被重視，也很少有人進(jìn)行系統(tǒng)研究。國內(nèi)砂處理設(shè)備制造企業(yè)，其技術(shù)水平和研發(fā)能力有限。目前，一般鑄造廠家選用的是比較落后的砂處理工藝和設(shè)備，有的甚至沒有專用混砂設(shè)備。與高生產(chǎn)率的自動造型線相匹配的大生產(chǎn)率混砂機(jī)，仍然以進(jìn)口為主，國內(nèi)制造的混砂機(jī)生產(chǎn)率一般只能達(dá)到標(biāo)稱生產(chǎn)率的50%以上，而國外設(shè)備可以達(dá)到80%以上。由于我國雙盤冷卻器加水系統(tǒng)不過關(guān)，冷卻效果不好，設(shè)備質(zhì)量也難以保證，鑄造廠中砂冷卻很少使用雙盤冷卻器，使用沸騰冷卻床居多。

2.7.1.2 挑戰(zhàn)

隨著型砂兩級混制工藝被廣泛采用，雙盤冷卻器必將會有更大的市場，要通過消化國外先進(jìn)技術(shù)與自主創(chuàng)新相結(jié)合，攻克雙盤冷卻器及其他舊砂冷卻設(shè)備技術(shù)難題，徹底解決工藝技術(shù)問題。

2.7.1.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

關(guān)鍵工藝裝備技術(shù)和質(zhì)量達(dá)到國際水平。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

混砂機(jī)不再依賴進(jìn)口，雙盤冷卻器廣泛使用，工藝布置不再因設(shè)備可靠性問題而刻意改變。

2.7.2 綠色環(huán)保技術(shù)

2.7.2.1 現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)砂處理車間對舊砂的輸送仍然以皮帶機(jī)輸送為主，存在密封不嚴(yán)、到處漏灰現(xiàn)象。砂處理系統(tǒng)綜合考慮除塵系統(tǒng)的力度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，要實現(xiàn)砂處理綠色環(huán)保，還有漫長的路要走。濕型砂再生剛剛起步，且多為離線再生，運(yùn)輸過程極易造成環(huán)境污染。此外，再生后還將有20%～30%的廢棄物排放，仍對環(huán)境造成危害。樹脂砂鑄造基本都配置了砂再生系統(tǒng)，不管是熱法再生還是機(jī)械再生，均為在線再生，但仍有一定量的廢棄物排放。

2.7.2.2 挑戰(zhàn)

隨著環(huán)保和綠色生產(chǎn)被愈加重視，必須研究開發(fā)新的舊砂輸送形式，如管帶輸送機(jī)、管道懸浮輸送機(jī)等。在舊砂再生方面，應(yīng)加強(qiáng)在線再生系統(tǒng)的研究和推廣。同時，加強(qiáng)多專業(yè)、多學(xué)科協(xié)同，研究廢棄物綜合利用，真正做到零排放。

2.7.2.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

實現(xiàn)舊砂密閉輸送，舊砂在線再生技術(shù)普遍應(yīng)用。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

再生廢棄物再利用率達(dá)到90%以上，綠色環(huán)保技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2.7.3 智能控制技術(shù)

2.7.3.1 現(xiàn)狀

現(xiàn)有的砂處理系統(tǒng)所用設(shè)備和鑄造裝備生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的裝備，基本沒有智能化功能，更沒互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)接口。自動化水平也有較大提升空間，如混砂機(jī)水分控制，不能根據(jù)舊砂水分、舊砂溫度、批次重量和預(yù)設(shè)置的型砂參數(shù)決定所需加水量，多數(shù)混砂機(jī)仍然根據(jù)舊砂溫度決定加水量。

2.7.3.2 挑戰(zhàn)

砂處理系統(tǒng)由自動化水平不高提升為具有一定智能化水平，是一次很大的跨越，其中涉及許多重要參數(shù)檢測與控制的理論問題需要深入研究和反復(fù)實踐。

2.7.3.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

砂處理與砂再生裝備智能化技術(shù)跟蹤世界步伐。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

砂處理系統(tǒng)所有設(shè)備帶有智能接口，設(shè)備之間，設(shè)備與中控室之間實現(xiàn)互聯(lián)互通。

編寫組

組長：李大勇

成員：馬旭梁，王錄才，劉小龍，許云東，陰世河，

宋強(qiáng)，陳巧華，陳紅兵，張友獻(xiàn)，張培根，

吳劍，吳殿杰，邱壑，侯若仙

（未完待續(xù)）

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.03.022