自動(dòng)化水玻璃砂造型澆注生產(chǎn)線的簡(jiǎn)介

李華棟 ，劉俊嶺 ，任曉明 ，王立建 ，閻東興 ，張國(guó)靖

（1.濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250022；2.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)鑄造有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014032）

我國(guó)是鑄造大國(guó)，不是鑄造強(qiáng)國(guó)，進(jìn)入新常態(tài)以后，我國(guó)的鑄造企業(yè)的數(shù)量會(huì)不斷減少，但鑄造裝備的水平會(huì)不斷提高。德國(guó)發(fā)布了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，即企業(yè)將建立全球網(wǎng)絡(luò)，把他們的機(jī)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施融入到信息物流系統(tǒng)，從根本改變包括制造、工程和材料使用、供應(yīng)鏈和生命周期管理的工業(yè)過程。這一輪技術(shù)革命，對(duì)我國(guó)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇，面對(duì)科技創(chuàng)新發(fā)展的新常態(tài)，我國(guó)提出了“中國(guó)制造2025”，加快從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的跨越，成為整個(gè)國(guó)家的發(fā)展藍(lán)圖。

“中國(guó)制造2025”的主線是工業(yè)化和信息化的融合，重點(diǎn)發(fā)展智能制造，促使制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。首先，“三化”可以從根本上提高產(chǎn)品的功能、性能，從而提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；其次，“三化”可全面提升企業(yè)的設(shè)計(jì)、制造和管理水平，大幅度提高制造效益、降低產(chǎn)品成本和資源消耗，同時(shí)可以從容面對(duì)瞬息萬變的市場(chǎng)，快速響應(yīng)市場(chǎng)的變化[1]。

中國(guó)制造2025要求鑄件質(zhì)量更高，逐步實(shí)現(xiàn)每個(gè)鑄件都有可追溯性；鑄件生產(chǎn)工藝多樣化；鑄造設(shè)備更先進(jìn)-機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化、系統(tǒng)化及綠色化，這就決定了我國(guó)鑄造企業(yè)的發(fā)展方向是：選用最合適的鑄造工藝，采用先進(jìn)智能的鑄造裝備，依靠現(xiàn)代化的管理手段，借助全面系統(tǒng)的檢驗(yàn)設(shè)備，滿足各種鑄件生產(chǎn)的需求。

但是到目前為止，絕大多數(shù)鑄造企業(yè)仍然采用大量裝備落后的設(shè)備，沿襲傳統(tǒng)的手工生產(chǎn)方式，與建設(shè)數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化的鑄造工廠的目標(biāo)相比，有相當(dāng)大的差距。鑄造企業(yè)的發(fā)展必然走向數(shù)字化工廠，而建設(shè)數(shù)字化鑄造廠的前提條件之一，就是企業(yè)裝備的設(shè)備必須具有自動(dòng)化和智能化的特性，依靠裝備的可靠性、先進(jìn)性來保證工藝參數(shù)和工藝流程的實(shí)現(xiàn)。顯而易見，鑄造企業(yè)全部配備手工操作設(shè)備，這些設(shè)備既不能接受外界的信息指令執(zhí)行自動(dòng)操作，也不能向外傳遞信息，沒有了建設(shè)數(shù)字化工廠的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，鑄造企業(yè)的造型、制芯、落砂等工序的設(shè)備能實(shí)行半自動(dòng)化和自動(dòng)化生產(chǎn)，但作為對(duì)鑄件質(zhì)量具有重大影響的鑄型的澆注工序，也能夠成功采用自動(dòng)化生產(chǎn)。下面介紹目前為止國(guó)內(nèi)比較高端的某數(shù)字化鑄造廠在造型澆注生產(chǎn)線配備的自動(dòng)化設(shè)備。

1 生產(chǎn)線的概況

（1）產(chǎn)品的種類：搖枕、側(cè)架、車鉤（含牽引桿）、其他鐵路車輛配件及軍品鑄件。

（2）生產(chǎn)綱領(lǐng)：全年生產(chǎn)20000噸鑄鋼件。

（3）工藝：酯硬化有機(jī)酯水玻璃砂有箱造型。

（4）砂箱最大外輪廓尺寸：3800mm×2100mm。

（5）生產(chǎn)線節(jié)拍：3min/半型。

（6）造型線載荷：15t/工位。

（7）澆注線載荷：20t/工位。

（8）制芯線載荷：5t/工位。

（9）下芯方式：機(jī)器人自動(dòng)下芯。

（10）合箱方式：自動(dòng)合箱。

（11）澆注方式：底注式澆注機(jī)自動(dòng)澆注。

（12）鋼包容量：25T。

2 生產(chǎn)線的流程

2.1 砂箱的自動(dòng)取放工序

在加砂前，必須將砂箱放置在裝有模具的托板上來實(shí)現(xiàn)加砂。以前的做法是人工利用行車將砂箱吊運(yùn)在托板上，這種方法會(huì)造成模具托板被碰撞損壞從而需要更換；而現(xiàn)在配備了自動(dòng)套箱機(jī)，能夠平穩(wěn)地將砂箱放置在模具托板上，全過程自動(dòng)對(duì)砂箱進(jìn)行取放與位置的定位。設(shè)備由如下部分組成：在菱形導(dǎo)軌上平穩(wěn)運(yùn)行的框形梁、垂直升降的移動(dòng)梁、同步開合的機(jī)械手臂、砂箱的定位裝置、液壓控制系統(tǒng)等。設(shè)備的主要參數(shù)如下：載荷10T，升降高度850mm，定位精度±0.5mm。

圖1 自動(dòng)套箱機(jī)

2.2 加砂振實(shí)工序

定位好的砂箱在輥道輸送系統(tǒng)的運(yùn)送下進(jìn)入了填砂振實(shí)階段，當(dāng)砂箱進(jìn)入振實(shí)臺(tái)上后，人工操作按鈕由雙臂混砂機(jī)對(duì)砂箱進(jìn)行填砂，填完后由升降式振實(shí)臺(tái)自動(dòng)對(duì)砂箱內(nèi)的型砂進(jìn)行緊實(shí)，然后由人工將砂箱表面無用的型砂刮掉。雙臂混砂機(jī)的主要參數(shù)：產(chǎn)量80t/h、單水玻璃液料+雙有機(jī)脂（快、慢）、智能化液料控制系統(tǒng)。

圖2 雙臂連續(xù)混砂機(jī)

2.3 硬化工序

刮平后的砂箱進(jìn)入型砂的硬化階段，為了加快型砂的硬化，在輥道輸送系統(tǒng)中增加了預(yù)表干工位和CO2硬化工位。在CO2硬化工位為了能夠滿足不同砂箱高度的硬化效果，配備了能根據(jù)砂箱的高度自動(dòng)升降至砂箱表面進(jìn)行CO2的噴吹硬化的裝置。

2.4 起模工序

硬化后的砂箱進(jìn)入了自動(dòng)翻轉(zhuǎn)起模機(jī)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)脫模，該設(shè)備能夠保證砂型的表面完整性，效率高，自動(dòng)化程度高。脫模后的砂箱在托板的上面運(yùn)行至修型工序，而帶模具的托板由輥道輸送系統(tǒng)經(jīng)過模具的清理、澆道的放置、鉻鐵礦砂的加入等工序后送入自動(dòng)套箱機(jī)下進(jìn)行砂箱的自動(dòng)取放，完成整個(gè)工藝循環(huán)流程。翻轉(zhuǎn)起模機(jī)的主要參數(shù)：載荷15T、對(duì)中夾緊砂箱保證翻轉(zhuǎn)不會(huì)出現(xiàn)偏心現(xiàn)象、圓盤直徑?4000mm、雙液壓站交替工作保證效率。

圖3 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)起模機(jī)

2.5 修型、刷涂工序

在修型工序中主要進(jìn)行扎氣眼操作，而后進(jìn)行刷涂工序，由于工藝的特殊要求，此處沒有配備自動(dòng)移出式流涂機(jī)，只是由人工進(jìn)行涂料的刷補(bǔ)工作。

2.6 型砂的烘干工序

型砂的表面粘有醇基涂料，為了加快涂料的揮發(fā)，需要進(jìn)行烘干工序。砂型表面的烘干按工位節(jié)拍設(shè)計(jì)自動(dòng)烘干，儀表上顯示溫度的數(shù)值，系統(tǒng)可以根據(jù)砂箱的大小即表干的面積來柔性選擇烘干的溫度，自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)生產(chǎn)工藝要求，降低生產(chǎn)線的能耗。

2.7 砂箱的移位工序

烘干后的砂箱必須放置在澆注墊板上，此時(shí)需要將砂箱從托板上抓取放置在澆注墊板上。為了能夠平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)上述動(dòng)作，此處設(shè)計(jì)了自動(dòng)移箱機(jī)，同時(shí)在此工序上，需要將砂箱旋轉(zhuǎn)，對(duì)型砂進(jìn)行砂眼的檢查、氣眼的清理等。設(shè)備的主要參數(shù)如下：載荷10T，升降高度1000mm，翻轉(zhuǎn)角度0～180°。

砂箱移走后托板由輥道輸送系統(tǒng)輸送至翻轉(zhuǎn)起模機(jī)內(nèi)，等待完成自動(dòng)脫模動(dòng)作，完成整個(gè)循環(huán)流程。

2.8 下芯工序

圖4 自動(dòng)移箱機(jī)

砂箱在輥道輸送系統(tǒng)的運(yùn)行中，完成了冒口的放置等工藝，而后上箱直接進(jìn)入上箱輸送系統(tǒng)，下箱則經(jīng)過下芯輥道輸送進(jìn)行下芯動(dòng)作。下芯工位配備快速機(jī)械手，根據(jù)砂箱內(nèi)腔的形狀（通過激光掃描系統(tǒng)，快速成像。）自動(dòng)下芯，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，命令機(jī)械手快速判斷出使用何種芯子，進(jìn)行自動(dòng)取放。

圖5 輥道輸送系統(tǒng)

2.9 合箱工序

合箱工位配備自動(dòng)合箱機(jī)，進(jìn)行上箱與下箱的自動(dòng)合箱，合箱在浮動(dòng)輥道上進(jìn)行柔性操作，保證砂型面不錯(cuò)位，不出現(xiàn)廢型。設(shè)備的主要參數(shù)：載荷10T，升降高度1000mm，定位精度±0.5mm。

2.1 0 澆注工序

合好后的砂箱經(jīng)過轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)送至澆注工位，由自動(dòng)澆注機(jī)進(jìn)行自動(dòng)澆注。澆注機(jī)設(shè)計(jì)成閉環(huán)控制，利用掃描成像系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)出澆口杯的位置，伺服系統(tǒng)自動(dòng)澆注，澆注完后通過攝像系統(tǒng)查看溶液的高度，從而控制塞桿的關(guān)閉。該設(shè)備的主要參數(shù)：鋼包容量25T、橫跨兩排進(jìn)行澆注、鋼包升降高度800mm。

圖7 自動(dòng)澆注機(jī)

2.1 1 冷卻工序

澆注后的砂型通過轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入冷卻存放工位，達(dá)到開箱時(shí)間后由轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)送至落砂機(jī)旁，人工將砂箱吊至落砂機(jī)進(jìn)行落砂，落砂完成后，砂箱由人工放置在澆注墊板上回傳至自動(dòng)套箱機(jī)的砂箱存放處，從而保證砂箱構(gòu)成閉環(huán)循環(huán)控制。在冷卻存放過程中的煙氣由排煙系統(tǒng)抽吸排至車間外，保證車間內(nèi)的清潔。

圖8 冷卻工位

2.1 2 舊砂的再生處理系統(tǒng)

落砂后的再生砂經(jīng)過砂再生處理系統(tǒng)后，自動(dòng)發(fā)送至混砂機(jī)的砂庫(kù)處，砂循環(huán)使用，構(gòu)成閉環(huán)控制。砂再生系統(tǒng)自動(dòng)化過程控制，實(shí)現(xiàn)無人操作。

2.1 3 芯子的制作與存放、取出至下芯處的流程

芯子的制作由射芯機(jī)進(jìn)行自動(dòng)射芯（射芯機(jī)5臺(tái)，分別制作搖枕芯、側(cè)架芯、方塊芯、鉤體芯），砂芯經(jīng)表干爐烘干后，全部存入立體倉(cāng)庫(kù)，而堆垛機(jī)在存入一個(gè)新砂芯后，隨即取出倉(cāng)庫(kù)內(nèi)相對(duì)較早入庫(kù)的一個(gè)砂芯送往造型下芯工部，下芯工部返回的空托板直接返回制芯中心，構(gòu)成閉環(huán)控制。芯庫(kù)系統(tǒng)的主要參數(shù)：堆垛機(jī)的載荷3T、搬運(yùn)單元 3000mm×2000mm×900mm、行走定位精度±3mm、升降定位精度±3mm、貨叉定位精度±3mm、貨架存放工位110個(gè)。

圖9 芯子的存放

從上述流程的工序介紹可以看出，整個(gè)造型澆注生產(chǎn)線上砂箱與工裝的輸送都構(gòu)成閉環(huán)控制，方便生產(chǎn)管理。而且整線在功能上也增加了一些要求，比如：自動(dòng)澆注上增加了數(shù)據(jù)采集和傳輸功能；為了人員安全，在人員進(jìn)口處設(shè)置光幕檢測(cè)禁入系統(tǒng)；為了環(huán)保，在一些重要部位設(shè)置了吸塵器吸塵；為了節(jié)能，在射芯機(jī)的多余溫度經(jīng)余熱利用裝置引入到別處需要增溫的地方；為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，在多處主要設(shè)備處增加觸摸屏等?？刂剖姨幍目偪啬軌?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程診斷、管理功能，可以利用以太網(wǎng)將所有的生產(chǎn)線過程參數(shù)，在交換機(jī)上生出EXCEL表，與企業(yè)的MES管理系統(tǒng)軟件對(duì)接。這些自動(dòng)化設(shè)備都安裝監(jiān)測(cè)裝置和遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)中心能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行全過程、全天候的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

如果能夠?qū)⒛壳暗墓芾硐到y(tǒng)結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)，從而逐步發(fā)展到為用戶提供從售前到售后的全生命周期健康管理，從而能夠?qū)崿F(xiàn)“全托式維修保運(yùn)服務(wù)”，那么中國(guó)鑄造數(shù)字化工廠很快可以實(shí)現(xiàn)。

3 總結(jié)

在中國(guó)，由于人工成本的急劇上升、員工在一個(gè)企業(yè)的平均工作時(shí)間越來越短等原因，企業(yè)采用全自動(dòng)化、智能化的設(shè)備取代工人已經(jīng)是大勢(shì)所趨。“中國(guó)制造2025”為鑄造裝備各方面提升提供了有力的保證，同時(shí)也提出了更高的要求；在不遠(yuǎn)的將來，我國(guó)很多適合于數(shù)字化鑄造廠的鑄造裝備將不斷出現(xiàn)，數(shù)字化鑄造廠的比例也會(huì)不斷增加，逐漸成為鑄造強(qiáng)國(guó)。

[1] 周濟(jì).智能制造—“中國(guó)制造2025”的主攻方向[R].北京：中國(guó)機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)，2015.

[2] 劉小龍.自動(dòng)化鑄造裝備和數(shù)字化鑄造廠[J].鑄造設(shè)備與工藝，2013（6）：1-3+30.