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    普通砂型鑄造裝備與檢測技術(shù)(續(xù)前)

    2017-09-04 02:30:58李大勇,馬旭梁,王錄才
    鑄造設(shè)備與工藝 2017年4期
    關(guān)鍵詞:拋丸監(jiān)測技術(shù)熔體

    普通砂型鑄造裝備與檢測技術(shù)(續(xù)前)

    2.8 清理打磨裝備與技術(shù)

    鑄造生產(chǎn)中鑄件后處理的清理打磨是指在鑄件從鑄型中取出,清除掉鑄件本體以外的多余部分,并打磨精整鑄件內(nèi)外表面的工藝過程。清理打磨的主要工作有清除殘砂和型芯,切除澆口、冒口,清除鑄件粘砂、表面異物,打磨割筋、披縫和毛刺等凸出物,以及精整鑄件表面等。目前,大部分鑄造企業(yè)清理打磨仍處于單機拋丸清理、手工打磨的初級狀態(tài),生產(chǎn)效率低、維護工作量大、工作環(huán)境差、上下料難以實現(xiàn)自動化,成為鑄造企業(yè)普遍頭疼的難題。隨著中國制造2025的實施,先進清理打磨裝備的發(fā)展首先被人們提上日程,高效在線拋丸技術(shù)、感知近形技術(shù)、成套集成技術(shù)、智能信息技術(shù)等將成為共性關(guān)鍵技術(shù)[13-14]。

    2.8.1 高效在線拋丸技術(shù)

    2.8.1.1 現(xiàn)狀

    目前,國內(nèi)拋丸設(shè)備主要是單機離線設(shè)備,與國際先進水平比差距明顯。拋丸設(shè)備是典型的自損傷裝備,工作時,對設(shè)備自身也會產(chǎn)生顯著的磨損。國內(nèi)拋丸清理裝備往往表現(xiàn)為低效率、高成本、污染大、離散布置、占用場地大等缺點。

    2.8.1.2 挑戰(zhàn)

    當(dāng)前,鑄造企業(yè)面臨集約化生產(chǎn)發(fā)展趨勢明顯,生產(chǎn)規(guī)模迅速擴大,產(chǎn)品質(zhì)量要求高,環(huán)保要求高,人力成本上升等現(xiàn)狀,迫切要求拋丸清理裝備取得新的發(fā)展。但在追趕國際先進技術(shù)的過程中,還要面對國內(nèi)若干裝備制造企業(yè)各自為戰(zhàn)、無序競爭的挑戰(zhàn)。

    2.8.1.3 目標(biāo)

    1)預(yù)計到2020年,要達到的目標(biāo):

    大力發(fā)展高效在線拋丸設(shè)備,形成國內(nèi)優(yōu)勢。

    2)預(yù)計到2030年,要達到的目標(biāo):

    扶持行業(yè)過河卒、排頭兵企業(yè),培養(yǎng)具備國際競爭力的拋丸裝備生產(chǎn)企業(yè)。

    2.8.2 感知近形加工技術(shù)

    2.8.2.1 現(xiàn)狀

    為什么清理打磨工序至今絕大部分仍是手工操作,很大程度是由于自動化設(shè)備的技術(shù)至今難以完全替代人的準(zhǔn)確感知及靈巧雙手。對于小件、復(fù)雜件,手工操作工作效率往往不遜于自動化設(shè)備。自動化設(shè)備代替人工,廣泛應(yīng)用于清理打磨領(lǐng)域,必須要跨越的難點是感知近形加工技術(shù)。自動化打磨設(shè)備要具備精加工的精度,同時必須解決鑄件毛坯不一致性帶來的定位、加工余量變化等問題。人工打磨精妙之處在于豐富的視覺、觸覺感知能指導(dǎo)打磨因需而行。感知近形加工技術(shù)不同于僅僅通過編程,精確定位實現(xiàn)自動打磨,而是通過機器視覺感知零件位置、大小、打磨余量變化,通過力覺系統(tǒng)調(diào)整進給速度,從而實現(xiàn)智能化打磨。目前國內(nèi)尚未見成熟的應(yīng)用設(shè)備,國際上處于初中級階段。

    2.8.2.2 挑戰(zhàn)

    感知近形加工技術(shù)中,既包括當(dāng)前正在研發(fā)應(yīng)用的加工中心打磨與機器人打磨中數(shù)控定位技術(shù),也包括機器視覺、機器觸覺等感知技術(shù),同時還包括感知信息處理后智能化協(xié)調(diào)技術(shù)。

    2.8.2.3 目標(biāo)

    1)預(yù)計到2020年,要達到的目標(biāo):

    采用數(shù)控精確定位系統(tǒng),通過編程實現(xiàn)在同一設(shè)備上實現(xiàn)多種鑄件打磨是2.0版。

    2)預(yù)計到2030年,要達到的目標(biāo):

    利用感知信息,及時調(diào)整加工參數(shù),是實現(xiàn)智能打磨的3.0版技術(shù),也是拓寬、深化自動打磨應(yīng)用重要一關(guān)。

    2.8.3 成套集成技術(shù)

    2.8.3.1 現(xiàn)狀

    目前,清理打磨工序基本是單機和大量人工操作狀態(tài),大量手工操作及工序離散布置導(dǎo)致這一領(lǐng)域生產(chǎn)效率低下。因此,這一領(lǐng)域裝備技術(shù)首先面臨的是自動化與成套化,即實現(xiàn)自動流水線生產(chǎn)。面對多樣化鑄件,集約化生產(chǎn),傳統(tǒng)設(shè)備,特別是切割、沖壓、打磨設(shè)備普遍缺乏靈活性、適應(yīng)性,隨著數(shù)控技術(shù)的推廣,柔性編程,精確定位使切割、打磨裝備的自動化在一些應(yīng)用領(lǐng)域取得突破,并且正在拓展其應(yīng)用的廣度及深度。

    2.8.3.2 挑戰(zhàn)

    清理打磨下一步面臨的是裝備成套化的挑戰(zhàn),為了解決不同鑄件的自動運輸、存儲、識別、分類、裝卸,實現(xiàn)不同鑄件分類清理打磨,應(yīng)盡可能采用流水線或縮短流程。目前國內(nèi)鑄造清理打磨的成套集成技術(shù)仍處萌芽狀態(tài)。

    2.8.3.3 目標(biāo)

    1)預(yù)計到2020年,要達到的目標(biāo):

    針對共線生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)品的清理打磨,提供整體工藝解決方案,設(shè)計、選擇成套設(shè)備。

    2)預(yù)計到2030年,要達到的目標(biāo):

    針對共線生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)品提供物流自動化解決方案,一種或多種零部件的自動輸送、存儲、識別、分類、裝卸等物流輸送方案。

    2.9 澆注裝備與技術(shù)

    澆注設(shè)備是指在鑄造工廠將熔融金屬液澆入鑄型所用的澆注包、澆注機、感應(yīng)澆注爐、氣壓澆注爐、電磁泵等專用設(shè)備。由于鑄造工廠的規(guī)模和水平相差很大,澆注設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式也有很大差異。以手工勞動為主的鑄造廠普遍應(yīng)用手包和傳統(tǒng)的吊包澆注,澆注過程靠操作者人工控制。大批量生產(chǎn)的鑄造工廠一般采用自動化澆注機、澆注爐、澆注泵和專業(yè)化澆注包澆注,澆注速度、澆注重量、澆注溫度、澆注位置及澆注程序可在一定的范圍內(nèi)任意選定,并可進行隨流孕育和球化處理。

    2.9.1 感應(yīng)澆注爐的獨立單線圈設(shè)計

    2.9.1.1 現(xiàn)狀

    目前鑄造廠所用澆注設(shè)備,如感應(yīng)澆注爐,氣壓感應(yīng)澆注的感應(yīng)線圈,不同于無芯氣壓保溫澆注爐,線圈區(qū)段只有一個回路,線圈布置為圓形,由爐子的底部感應(yīng)芯加熱,爐子各部位加熱不均衡,特別是澆注爐的兩側(cè)進料及出料槽溫度低,容易結(jié)渣,不好清理,爐內(nèi)需始終保留一定容量的鐵液,且需保持供電。

    2.9.1.2 挑戰(zhàn)

    無芯氣壓保溫澆注爐采用10組獨立的、可互換的單個線圈橋接而成,線圈由超大扁平斷面構(gòu)成,用于改善電磁場的分配,允許強磁力和最大電氣效率,各線圈之間用魚尾板連接并用螺栓固定,線圈區(qū)段無焊接接頭,維護方便。

    2.9.1.3 目標(biāo)

    1)預(yù)計到2020年,要達到的目標(biāo):

    設(shè)計制造由10組相互獨立、可互換的單個線圈橋接而成的加熱線圈結(jié)構(gòu),每個獨立線圈區(qū)段均配有各自獨立的冷卻系統(tǒng)、獨立控制系統(tǒng)及配套固定管道和軟管、測溫探針和所需的閥門,可以獨立檢測每個線圈的溫度。

    2)預(yù)計到2030年,要達到的目標(biāo):

    推廣應(yīng)用具有可獨立控溫、獨立冷卻、可互換線圈結(jié)構(gòu)的感應(yīng)澆注爐。

    2.9.2 澆注過程智能控制系統(tǒng)

    2.9.2.1 現(xiàn)狀

    目前,鑄造廠造型生產(chǎn)線配的帶不保溫澆包的澆注機、澆注爐,雖然可以實現(xiàn)自動澆注、連續(xù)澆注,但不具備針對每個鑄型提供智能化澆注及控制澆注爐內(nèi)氣體壓力,不斷保持澆口杯鐵液液位不變或保持在一定液位高度的功能,提高澆注設(shè)備的智能化水平尚有較大空間[15]。

    2.9.2.2 挑戰(zhàn)

    無芯氣壓保溫澆注爐在其澆口杯液位高度和爐內(nèi)壓力控制技術(shù),需配套采用基于光學(xué)監(jiān)控和浮子探測單元的系統(tǒng)測控技術(shù)。鑄型澆口杯液位由光學(xué)攝像頭檢測,出鐵槽內(nèi)鐵液液位靠專用浮子探測單元檢測。保證光學(xué)檢測精度和浮子單元動作可靠性具有一定難度。

    2.9.2.3 目標(biāo)

    1)預(yù)計到2020年,要達到的目標(biāo):

    研究開發(fā)基于光學(xué)監(jiān)控和浮子探測單元的高精度、高可靠性的澆注測控系統(tǒng)。

    2)預(yù)計到2030年,要達到的目標(biāo):

    推廣應(yīng)用基于光學(xué)監(jiān)測、浮子探測及其它高精度、高可靠性、智能型澆注測控系統(tǒng)。

    2.10 檢測技術(shù)裝備與技術(shù)

    鑄造檢測技術(shù)與設(shè)備是指涉及鑄造生產(chǎn)過程關(guān)鍵參數(shù)的檢測技術(shù)及設(shè)備,包括生產(chǎn)現(xiàn)場用在線監(jiān)測和實驗室用離線檢測兩大類別,主要包括熔體質(zhì)量評價、熔煉過程控制、造型(芯)材料質(zhì)量評價、型(芯)砂制備過程控制、熔體澆注及凝固過程控制、鑄件質(zhì)量評價等關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來和“中國制造2025”的實施,“智能化鑄造車間”和“智能化鑄造生產(chǎn)”等問題提上日程,無論是在線監(jiān)測還是離線檢測技術(shù)與設(shè)備都將面臨新的機遇與挑戰(zhàn)。充分認(rèn)識挑戰(zhàn),準(zhǔn)確把握機遇,堅持務(wù)實創(chuàng)新,將會為中國鑄造檢測技術(shù)與設(shè)備開辟廣闊的發(fā)展前景,為中國鑄造強國建設(shè)做出應(yīng)有的貢獻[1]。

    2.1 0.1 熔體質(zhì)量爐前綜合評價技術(shù)與設(shè)備

    2.1 0.1.1 現(xiàn)狀

    目前,國內(nèi)鑄造企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場熔體質(zhì)量監(jiān)測普遍缺乏系統(tǒng)性,多為碎片化技術(shù),如溫度監(jiān)測、爐前金相試樣觀察、直讀光譜測定化學(xué)成分、熱分析監(jiān)測碳硅當(dāng)量等。以球鐵生產(chǎn)為例,多數(shù)企業(yè)采用保守的“過量球化”處理方法組織生產(chǎn),不僅造成球化劑浪費,而且?guī)砣垠w冶金狀態(tài)惡化。其他合金鑄件生產(chǎn)也不同程度存在問題,需要從實際出發(fā),進行系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計。

    2.1 0.1.2 挑戰(zhàn)

    熔體質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)的最大挑戰(zhàn)在于原材料供應(yīng)的不穩(wěn)定性,特別是中小型鑄造企業(yè),很難保證原材料來源的一致性,由此帶來對熔體評價技術(shù)的苛刻要求。為此要求本土化監(jiān)測技術(shù)必須充分考慮熔體“特色”,注重對評價模型適應(yīng)性的研究。同時,也要加強對原材料供給方的規(guī)范管理。

    2.1 0.1.3 目標(biāo)

    1)預(yù)計到2020年,要達到的目標(biāo):

    系統(tǒng)設(shè)計各類熔體質(zhì)量爐前綜合評價體系;分類研究開發(fā)熔體性能爐前評價技術(shù)與設(shè)備、熔體純凈度評價技術(shù)與設(shè)備、熔體可孕育性及孕育效果評價技術(shù)與設(shè)備等。

    2)預(yù)計到2030年,要達到的目標(biāo):

    構(gòu)建各類熔體爐前動態(tài)調(diào)控技術(shù)與系統(tǒng)。10.2造型制芯質(zhì)量在線監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備

    10.2.1 現(xiàn)狀

    目前用于砂處理車間和造型線上的在線監(jiān)測技術(shù)主要是針對濕型粘土砂含水量、緊實率、成形性和強度等指標(biāo)的實時監(jiān)測,其他重要參數(shù)如有效粘土含量、鑄型透氣性、鑄型強度等指標(biāo)較少被關(guān)注。此外,針對樹脂砂、其他化學(xué)粘結(jié)劑砂的質(zhì)量以及型芯尺寸的在線監(jiān)測技術(shù)相對薄弱。

    2.1 0.2.2 挑戰(zhàn)

    由于鑄造企業(yè)型芯質(zhì)量在線監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備應(yīng)用一直基礎(chǔ)相對薄弱,監(jiān)測參數(shù)比較單一,控制效果不理想。因此,需要投入較大精力進行系統(tǒng)設(shè)計。在實施系統(tǒng)設(shè)計的過程中,具體專項監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備研究開發(fā)的難度較大。

    2.1 0.2.3 目標(biāo)

    1)預(yù)計到2020年,要達到的目標(biāo):

    針對濕型粘土砂、樹脂砂及其他化學(xué)粘結(jié)劑砂的制備與造型制芯工藝要求設(shè)計綜合參數(shù)監(jiān)測體系,研究開發(fā)型砂組分在線監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備、型砂性能參數(shù)在線監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備、型芯形狀及尺寸在線監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備。

    2)預(yù)計到2030年,要達到的目標(biāo):

    構(gòu)建并應(yīng)用基于若干監(jiān)測單元的型芯砂質(zhì)量綜合監(jiān)測系統(tǒng)。

    2.1 0.3 熔體澆注過程及鑄件凝固過程在線監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備

    2.1 0.3.1 現(xiàn)狀

    目前,我國有關(guān)熔體澆注過程及鑄件凝固過程在線監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備的應(yīng)用屈指可數(shù),多數(shù)鑄造企業(yè)尚未關(guān)注澆注過程和熔體凝固過程對鑄件質(zhì)量的重要影響。在構(gòu)建未來智能鑄造車間的規(guī)劃中,將會涉及兩個“過程”在線監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備的應(yīng)用。2.10.3.2挑戰(zhàn)

    實用的熔體澆注過程和凝固過程監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備研發(fā)難度比較大,澆注過程監(jiān)測關(guān)注動態(tài)澆注速度、熔體溫度、型內(nèi)熔體液面高度等參數(shù),凝固過程監(jiān)測關(guān)注重點部位熱應(yīng)力、裂紋、縮孔、縮松形成趨勢,為“問題”鑄件分揀提供有用信息。

    2.1 0.3.3目標(biāo)

    1)預(yù)計到2020年,要達到的目標(biāo):

    研究開發(fā)與自動澆注機或澆注機器人配套使用的澆注過程在線監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備。

    2)預(yù)計到2030年,要達到的目標(biāo):

    研究開發(fā)“穿過式”鑄件凝固過程在線監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備。

    2.1 0.4 鑄件缺陷在線檢驗技術(shù)與設(shè)備

    2.1 0.4.1 現(xiàn)狀

    我國鑄造企業(yè)目前少見鑄件質(zhì)量在線檢驗技術(shù)與設(shè)備的系統(tǒng)應(yīng)用,對一般鑄件出廠把關(guān)多采用抽檢方式實現(xiàn),對于特別重要鑄件,多采用重要部位無損探傷方法解決。如果能做到鑄件在線百分百檢驗,必將為企業(yè)提高競爭力增加重要砝碼。

    2.1 0.4.2 挑戰(zhàn)

    由于在線鑄件溫度較高且表面潔凈程度較差,并且不同結(jié)構(gòu)、不同材質(zhì)鑄件的缺陷表現(xiàn)形式會有較大差別,許多無損探傷技術(shù)難以用于紅熱鑄件缺陷在線檢驗,需要從新方法、新原理開始深入研究,新技術(shù)開發(fā)難度將會比較大。

    2.1 0.4.3 目標(biāo)

    1)預(yù)計到2020年,要達到的目標(biāo):

    鑄件缺陷在線無損監(jiān)測新方法、新原理研究。

    2)預(yù)計到2030年,要達到的目標(biāo):

    鑄件缺陷在線無損監(jiān)測成組技術(shù)與設(shè)備開發(fā)及應(yīng)用。

    2.1 0.5 實驗室用熔體質(zhì)量綜合評價系統(tǒng)

    2.1 0.5.1 現(xiàn)狀

    目前,我國鑄造企業(yè)具備功能齊全鑄造實驗室的并不多,業(yè)已設(shè)立的鑄造實驗室還需進一步武裝。一般實驗室用于熔體質(zhì)量評價的設(shè)備主要是直讀光譜、化學(xué)分析分析儀、金相分析儀,個別有電子顯微鏡等高端設(shè)備。對熔體熱物理性能、可孕育特性和凝固特性、充型特性等鑄造特性研究總體薄弱。

    2.1 0.5.2 挑戰(zhàn)

    沒有合金材料和鑄造工藝的突破,難以制造質(zhì)量上乘的鑄件。僅有一般性常規(guī)分析儀器設(shè)備,難以實現(xiàn)復(fù)雜鑄造過程關(guān)鍵參數(shù)的深入研究。我國鑄造企業(yè)需要提高對鑄造合金凝固過程精準(zhǔn)控制技術(shù)研究重要性的認(rèn)識,形成針對每種鑄件的從成分到組織性能的控制策略,研究開發(fā)專用分析技術(shù)與設(shè)備。

    2.1 0.5.3 目標(biāo)

    1)預(yù)計到2020年,要達到的目標(biāo):

    研制智能化綜合熱分析、熔體熱物性、熔體充型特性、熔體凝固特性分析儀。

    2)預(yù)計到2030年,要達到的目標(biāo):

    構(gòu)建由直讀光譜儀、金相分析儀和上述設(shè)備組成的實驗室用智能化熔體質(zhì)量評價系統(tǒng)。

    圖1 鑄造技術(shù)路線圖

    2.1 0.6實驗室用造型(芯)材料質(zhì)量分析技術(shù)與儀器

    2.1 0.6.1 現(xiàn)狀

    許多鑄造企業(yè)設(shè)有型砂實驗室,但多數(shù)實驗設(shè)備陳舊,一般只能完成型砂含水量、透氣性和強度測試等簡單實驗?,F(xiàn)有幾家型砂儀器廠的產(chǎn)品多年更新速度緩慢,急需開發(fā)滿足鑄造生產(chǎn)需要的新產(chǎn)品。

    2.1 0.6.2 挑戰(zhàn)

    盡管60%以上的鑄件缺陷源于型芯質(zhì)量,但鑄造企業(yè)對造型(芯)材料質(zhì)量控制的重要性重視仍然不夠,急需加大型砂實驗室設(shè)備更新和人員培訓(xùn)的力度,根據(jù)需要引進國外設(shè)備或與科研院所合作開發(fā)專用設(shè)備。

    2.1 0.6.3 目標(biāo)

    1)預(yù)計到2020年,要達到的目標(biāo):

    型砂儀器生產(chǎn)企業(yè)加快新產(chǎn)品研發(fā)步伐,產(chǎn)學(xué)研三方合作完成傳統(tǒng)產(chǎn)品升級改造和新產(chǎn)品開發(fā)。

    2)預(yù)計到2030年,要達到的目標(biāo):

    搭建兼顧濕型粘土砂、樹脂砂常溫特性和高溫特性分析的實驗室用智能檢測系統(tǒng)。

    2.1 0.7 實驗室用鑄件質(zhì)量評價系統(tǒng)

    2.1 0.7.1 現(xiàn)狀

    鑄件質(zhì)量一般采用無損檢測方法或破壞性抽檢方法評價,評價內(nèi)容包括表面質(zhì)量、內(nèi)在缺陷和金相組織及力學(xué)性能的間接預(yù)測等。我國鑄造企業(yè)實驗室較少擁有完備的無損檢測設(shè)備,并且對鑄件缺陷檢測技術(shù)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

    2.1 0.7.2 挑戰(zhàn)

    在實驗室建立鑄件質(zhì)量檢測系統(tǒng)是保證鑄件質(zhì)量、提高企業(yè)競爭力的長遠(yuǎn)之舉,企業(yè)目前的認(rèn)識尚有較大差距。鑄件質(zhì)量評價雖然并不象熔體和型芯質(zhì)量評價那樣迫切,但也十分必要,條件具備的企業(yè)應(yīng)該“未雨綢繆”。

    2.1 0.7.3 目標(biāo)

    1)預(yù)計到2020年,要達到的目標(biāo):

    根據(jù)鑄件材質(zhì)和生產(chǎn)工藝,選定電磁探傷、磁粉探傷、超聲探傷、射線探傷等設(shè)備或組合應(yīng)用。

    2)預(yù)計到2030年,要達到的目標(biāo):

    與無損檢測設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合開發(fā)實驗室用鑄件探傷及質(zhì)量預(yù)測綜合評價系統(tǒng)。

    3 鑄造技術(shù)路線圖

    普通砂型鑄造裝備與檢測技術(shù)路線圖如圖1所示。

    [1] 中國機械工程學(xué)會鑄造分會.鑄造行業(yè)“十三五”技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要[M].沈陽:2015.

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    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,陳巧華,陳紅兵,張友獻,張培根,吳 劍,吳殿杰,邱 壑,侯若仙

    (續(xù)完)

    10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.04.020

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