“鑄件砂型近凈成形成套裝備”的研究及應(yīng)用

姚繼成 ，崔瑞奇 ，李來升 ，趙林棟 ，蔡少剛 ，董永博 ，孫玉霞 ，張戰(zhàn)友 ，李琛 ，郝連濤

（1.國機鑄鍛機械有限公司，山東濟南 250306；2.濟南鑄鍛所檢驗檢測科技有限公司，山東濟南 250306；3.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東濟南 250306）

鑄造是汽車、裝備制造業(yè)、船舶、電力等國家支柱產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)，2016年我國鑄件總產(chǎn)量達到4720萬噸，產(chǎn)值超過5000億元，鑄件產(chǎn)量連續(xù)17年居世界首位，約占世界總產(chǎn)量的二分之一，已成為名副其實的鑄造大國。但鑄造行業(yè)大而不強，一方面大量出口普通鑄件，另一方面進口高端鑄件。據(jù)統(tǒng)計，出口普通鑄件約1400美元/噸，而進口高端鑄件約7000美元/噸。國內(nèi)高產(chǎn)量、低端的鑄件很大程度上是以高能（資源）耗、高污染和廉價勞動力為代價換來的，其主要原因是鑄造機械裝備的技術(shù)水平低、缺乏智能化。

鑄件砂型近凈成形成套設(shè)備集成了靜壓造型、自動澆注、智能化連線等先進技術(shù)，已經(jīng)成為鑄造行業(yè)高新技術(shù)的代表，相對于傳統(tǒng)砂型鑄造工藝設(shè)備，鑄型具有輪廓清晰、表面硬度高且均勻、表面粗糙度低、拔模斜度小、型廢率低等優(yōu)點，而且更加節(jié)能和環(huán)保，是新建鑄造廠的首選裝備。

國內(nèi)砂型近凈成形成套裝備水平與發(fā)達國家相比存在很大差距，大部分企業(yè)在關(guān)鍵、共性技術(shù)方面的研究能力薄弱、獨立自主知識產(chǎn)權(quán)匱乏；鑄造行業(yè)長期沿用傳統(tǒng)的微震造型、高壓造型、氣沖造型等工藝技術(shù)；依賴人工澆注或者人工操作的半自動澆注模式；整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)率在200箱/小時以下；生產(chǎn)出來的鑄件表面粗糙、加工余量大、內(nèi)部質(zhì)量差，并且高能耗、高污染。以上狀態(tài)嚴重阻礙了我國裝備制造業(yè)和汽車、電力等支柱產(chǎn)業(yè)的進步和發(fā)展。

鑒于以上鑄造行業(yè)的背景，國家批準了“鑄件砂型近凈成形成套裝備”項目的立項，項目編號為：2009ZX04006-021。

1 本項目的主要研究內(nèi)容

針對項目中的“靜壓造型自動生產(chǎn)線”、“全自動澆注機”及“鑄件抓取機械手”等近凈成形裝備的關(guān)鍵技術(shù)，進行了如下研究：氣流預(yù)緊實+多觸頭高壓壓實雙工藝的造型技術(shù)（簡稱靜壓造型）；全自動澆注技術(shù)；靜壓線的智能化連線技術(shù)。依此形成高效率、高質(zhì)量的鑄件砂型近凈成形成套裝備。

1.1 靜壓造型緊實技術(shù)

砂型鑄造由造型、熔化、砂處理、制芯及清理工部組成，在這五大工部中，造型是龍頭。任何新建鑄造工廠都是首先制定造型的工藝方法和選擇造型裝備。

國內(nèi)逐漸淘汰了手工造型和微震造型。目前采用較多的是高壓造型和氣沖造型。高壓造型是采用液壓油缸對型砂進行壓實。其缺點是：只使用一個壓板進行壓實，當砂箱尺寸增大時，無法使壓實缸的缸徑或油壓滿足需要。這樣無法制作比較大的鑄件，也勢必導(dǎo)致鑄件存在內(nèi)部質(zhì)量缺陷。氣沖造型經(jīng)過幾十年的使用和發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)單一氣沖造型也存在許多問題：鑄件粘砂、飛邊、變形，不適宜造高模樣和復(fù)雜的鑄型。

根據(jù)以上問題，近凈成形成套裝備項目組通過調(diào)查研究和大量試驗，研發(fā)了氣流預(yù)緊實+多觸頭造型技術(shù)（簡稱靜壓造型）。

靜壓造型工藝采用氣流預(yù)緊實技術(shù)和多觸頭高壓工藝來實現(xiàn)造型過程。其中“靜”是因為大大的減少了噪音，“壓”是因為采用了多觸頭高壓造型。氣流預(yù)緊實所帶來的背面砂層壓實力不夠的問題由多觸頭高壓來解決。而多觸頭高壓對分型面或復(fù)雜型腔內(nèi)的型砂壓實不均的問題由氣流預(yù)緊實技術(shù)解決，兩項技術(shù)相輔相成完美的完成了整個造型過程（見圖1）。

圖1 氣流預(yù)緊實+多觸頭壓實示意圖1—壓頭體 2—氣沖孔 3—砂箱 4—模型5—模板 6—多觸頭 7—輔助框 8—排氣塞

靜壓造型的關(guān)鍵技術(shù)主要包括氣流預(yù)緊實技術(shù)、多觸頭壓實技術(shù)和靜壓造型機壓實梁有限元分析。

1.1.1 氣流預(yù)緊實技術(shù)

氣流預(yù)緊實的關(guān)鍵技術(shù)為大流量吹氣閥（亦稱靜壓閥）的研發(fā)。主要由撞塊、進氣油缸、閥體、進氣密封板、排氣閥、排氣缸、排氣密封板組成（見圖2）。靜壓閥工作時，高壓氣體充滿整個閥體3，此時進氣密封板4關(guān)閉，防止高壓氣體往下部砂箱供氣；當系統(tǒng)通知需要氣流預(yù)緊實時，進氣油缸2驅(qū)動進氣密封板4快速打開然后快速回彈關(guān)閉，要求整個過程在0.3秒內(nèi)完成。使得高壓氣體快速進入下部砂箱，完成對型砂的氣流預(yù)緊實。為了滿足油缸的快速開啟及關(guān)閉，研究設(shè)計了雙活塞桿油缸。油缸背面的活塞桿上設(shè)計了撞塊1，在活動和靜止兩個撞塊之間安裝了彈簧以便快速回彈。

圖2 靜壓閥示意圖1—撞塊 2—進氣油缸 3—閥體 4—進氣密封板5—排氣缸 6—排氣閥 7—排氣密封板

在氣流預(yù)緊實結(jié)束后，因為時間短，高壓氣體不能全部排出，在起模前需要對密閉的鑄型型腔進行排氣。排氣閥有一個氣缸排氣密封板7，在正常工作時是關(guān)閉的，當氣流預(yù)緊實完成后則打開進行排氣。排氣閥足夠大的排氣通徑有效降低了排氣噪聲。該靜壓閥使氣體在0.3s內(nèi)將型砂預(yù)緊實。

1.1.2 多觸頭壓實技術(shù)

針對專項中規(guī)定的砂箱尺寸（1000mm×800mm），通過試驗研究，采用多觸頭壓實技術(shù)，共采用了30個壓實油缸。由于每個油缸都是獨立的，在壓實時壓頭的自導(dǎo)向性是關(guān)鍵。項目組研發(fā)了雙向組合密封的活塞密封形式以提高其高速運行和自導(dǎo)向性，同時在缸頭密封處設(shè)計了兩級導(dǎo)向環(huán)。

30個油缸需要同時下壓，壓頭相對的同步誤差設(shè)計要求不能超過5mm。在油缸的無桿腔供油處進行了阻尼設(shè)計，通過反復(fù)的理論計算和試驗，確定了阻尼孔的孔徑，實現(xiàn)了油缸的同步，并將同步誤差控制在5mm以內(nèi)，同時不喪失壓實速度。

方形壓頭比較圓形壓頭具有型砂接觸面大，壓實均勻的優(yōu)點，但存在油缸活塞桿可能出現(xiàn)自轉(zhuǎn)帶來的弊病。通過試驗研究，研發(fā)了防止油缸活塞桿自轉(zhuǎn)的裝置，該裝置由固定在缸蓋法蘭上的方形止轉(zhuǎn)桿和固定在活塞桿上的止轉(zhuǎn)套組成。

每個壓實油缸都是獨立運行，每個缸的壓頭每次回縮后都要保證在頂位，否則就會出現(xiàn)撞擊油缸的事故。為了解決這一問題，項目組研發(fā)了多觸頭壓實缸（見圖3)。在油缸的缸蓋法蘭上設(shè)計了耐高壓接近開關(guān)，以確認油缸是否回縮到位，此接近開關(guān)為齊平設(shè)計以防止無感應(yīng)周邊，且感應(yīng)距離為3mm。超出感應(yīng)距離則報警，保證了設(shè)備的正常運行。該多觸頭壓實缸活塞桿具有同步、止轉(zhuǎn)及檢測位移等特點。

1.1.3 靜壓造型機壓實梁有限元分析

圖3 壓實缸1—帶阻尼的供油孔 2—活塞上的雙向組合封 3—止轉(zhuǎn)機構(gòu) 4—體的活塞桿 5—油缸體 6—帶一級防塵兩級導(dǎo)向兩級密封前端法蘭密封銅套 7—耐高壓接近開關(guān)安裝口 8—缸頭法蘭密封墊

圖4 有限元分析

在靜壓過程中多觸頭壓實產(chǎn)生的力作用到靜壓造型機的壓實梁上。為了取得壓實梁在受力、變形、材料、重量等方面的優(yōu)化，項目組對壓實梁進行了有限元分析（見圖4）。最終優(yōu)化了結(jié)構(gòu)并減輕了整體重量，并保證運行精度和使用壽命。

以上靜壓造型緊實技術(shù)已應(yīng)用于近30個用戶，使用效果非常理想。（未完待續(xù)）