“鑄件砂型近凈成形成套裝備”的研究及應(yīng)用（續(xù)）

姚繼成 ，崔瑞奇 ，李來(lái)升 ，趙林棟 ，蔡少剛 ，董永博 ，孫玉霞 ，張戰(zhàn)友 ，李 琛 ，郝連濤

（1.國(guó)機(jī)鑄鍛機(jī)械有限公司，山東濟(jì)南 250306；2.濟(jì)南鑄鍛所檢驗(yàn)檢測(cè)科技有限公司，山東濟(jì)南 250306；3.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東濟(jì)南 250306）

（續(xù)上期）

1.2 全自動(dòng)澆注技術(shù)

澆注是鑄造生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。目前，我國(guó)絕大部分鑄造廠(chǎng)靠手工操作來(lái)完成鐵液澆注，不僅勞動(dòng)條件差，勞動(dòng)強(qiáng)度高，而且安全性也差。隨著高效造型設(shè)備的廣泛使用，生產(chǎn)節(jié)拍越來(lái)越快，人工操作非常緊張，往往由于澆注環(huán)節(jié)的問(wèn)題使造型線(xiàn)生產(chǎn)能力受到牽制，而且鑄件廢品率居高不下，鐵液浪費(fèi)嚴(yán)重，澆注工燒傷現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。要改變這種狀態(tài)，必須采用自動(dòng)化澆注機(jī)[1]。自動(dòng)澆注機(jī)要求在整個(gè)鐵液澆注過(guò)程要求做到快速、精確。

快速澆注包括：鐵液包快速對(duì)準(zhǔn)鑄型澆口位置以防鐵液溫降帶來(lái)的廢品問(wèn)題；鐵液澆注過(guò)程快速填充型腔防止鐵液內(nèi)夾雜氣體帶來(lái)的鑄件氣孔缺陷。快速澆注除了能防止鑄件缺陷外，還可以大大提高造型線(xiàn)的生產(chǎn)效率。

精確澆注包括：必須準(zhǔn)確地將鐵液穩(wěn)定澆入澆口杯；澆注過(guò)程中始終保持澆口杯處于充滿(mǎn)狀態(tài)直至澆注結(jié)束。精確澆注是保證鑄件質(zhì)量的必備條件。

本項(xiàng)目研發(fā)的自動(dòng)澆注技術(shù)，集視覺(jué)技術(shù)、稱(chēng)量技術(shù)、伺服控制技術(shù)于一體，完全達(dá)到了澆注過(guò)程的快速、精確的效果。

1.2.1 澆注機(jī)同步技術(shù)

同步澆注技術(shù)是指澆注機(jī)在澆注過(guò)程中，能和造型線(xiàn)保持同步。造型線(xiàn)連續(xù)造型時(shí)，鐵液無(wú)論在換包還是澆注過(guò)程中，澆包嘴都能和砂型澆口杯保持一致。此技術(shù)保證了澆注的快速性。

具體實(shí)施方案：將同步編碼器安裝在1#推緩缸上，PLC讀取其數(shù)值，在條件滿(mǎn)足時(shí)澆注車(chē)與1#推緩缸完成同步。編碼器采用絕對(duì)值拉繩編碼器，通過(guò)IM174模塊與PLC相連接，進(jìn)而PLC能夠讀取到其信息。

澆注機(jī)同步原理如下：推型開(kāi)始時(shí)，澆注機(jī)接到推型信號(hào)，進(jìn)入同步程序。造型線(xiàn)澆注段消間過(guò)程結(jié)束后，澆注段砂箱被兩端油缸夾緊，此時(shí)澆注機(jī)沒(méi)有得到運(yùn)行信號(hào)，由于消間的原因，澆口杯中心與澆口有少許偏離，但對(duì)澆注沒(méi)有太大影響。消間結(jié)束后，開(kāi)始推型，緩沖缸被動(dòng)縮回，拉線(xiàn)隨油缸一起運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)拉線(xiàn)盒內(nèi)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸與編碼器同步運(yùn)動(dòng)，得到的編碼器信號(hào)傳給伺服控制器，經(jīng)PLC處理后控制澆注機(jī)與造型線(xiàn)同步運(yùn)行。

1.2.2 澆注機(jī)視覺(jué)技術(shù)

澆注生產(chǎn)過(guò)程中最直觀(guān)反映澆注狀況的是澆口杯中的鐵液高度，精確的澆注必須保證澆口杯一直處于充滿(mǎn)狀態(tài)。

本項(xiàng)目采用3組拍攝高溫鐵液的專(zhuān)用數(shù)字?jǐn)z像裝置，以判斷澆口杯是否充滿(mǎn)。第一組用于檢測(cè)鐵液在傾倒的時(shí)候，鐵液的中心線(xiàn)是否對(duì)準(zhǔn)澆口杯的中心；第二組檢測(cè)鐵液在澆口杯內(nèi)的面積變化，通過(guò)計(jì)算，得出鐵液在澆鑄孔內(nèi)的高度；第三組用于檢測(cè)澆包在傾倒鐵液時(shí)的鐵液的流速。

項(xiàng)目組做了大量的試驗(yàn)，對(duì)獲取的澆注過(guò)程圖像進(jìn)行二值化處理，分析液面特征，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)；本試驗(yàn)基于邊界法的處理方法，不僅可以比較準(zhǔn)確的求出液面的高度，同時(shí)可以估算出液流的大小和液面的波動(dòng)情況，而且消除了液柱的干擾信息，求得的液面高度比較準(zhǔn)確的反映了實(shí)際液面高度。

1.2.3 稱(chēng)重傳感技術(shù)

在澆鑄過(guò)程中，當(dāng)澆包的鐵液剩到不足一個(gè)鑄型所需要的鐵水時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行換包；當(dāng)鑄型的鐵液達(dá)到滿(mǎn)位時(shí)，應(yīng)及時(shí)的收包，否則鐵水外溢，除了帶來(lái)鐵液的浪費(fèi)外，還會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全事故。國(guó)內(nèi)目前完成以上工作基本靠人眼觀(guān)察。無(wú)人操作的自動(dòng)澆注機(jī)，為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，必須采用自動(dòng)稱(chēng)量技術(shù)。

本項(xiàng)目稱(chēng)重技術(shù)采用四個(gè)輪輻式稱(chēng)重傳感器，通過(guò)稱(chēng)重模塊SIWAREX FTA采集讀取數(shù)據(jù)。稱(chēng)重模塊SIWAREX FTA集成在SIMATIC中，在SIMATIC自動(dòng)化系統(tǒng)中直接應(yīng)用，通過(guò)相應(yīng)的軟件SIWATOOL FTA對(duì)四個(gè)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，可以方便的調(diào)整濾波器的頻率、平均值濾波器的深度等。具有高速度、高精度的優(yōu)點(diǎn)。項(xiàng)目組解決了由于澆包傾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的重心偏移導(dǎo)致傳感精度發(fā)生變化的難題。

實(shí)際使用過(guò)程中，稱(chēng)量系統(tǒng)隨時(shí)檢測(cè)澆包內(nèi)剩余的鐵液重量，待剩余鐵液不足一個(gè)砂型的鐵液時(shí)，自動(dòng)提示換包；在澆注過(guò)程中，自動(dòng)檢測(cè)和計(jì)算每型鐵水的消耗量，防止視覺(jué)系統(tǒng)出現(xiàn)誤差導(dǎo)致過(guò)澆現(xiàn)象，強(qiáng)制收包，以防出現(xiàn)安全事故。

通過(guò)以上自動(dòng)澆注技術(shù)的研究，項(xiàng)目組獲得了國(guó)家專(zhuān)利“澆注機(jī)同步裝置”（ZL201110082603.7）[3]，制定了“全自動(dòng)澆注機(jī)”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 12242-2015）[4]。

1.3 高效率、高可靠性、智能化連線(xiàn)技術(shù)

1.3.1 高效率

“鑄件砂型近凈成形成套裝備”研制樣機(jī)是以造型主機(jī)為主的30余臺(tái)單機(jī)設(shè)備組成的生產(chǎn)線(xiàn)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)同類(lèi)、同規(guī)格的生產(chǎn)線(xiàn)，生產(chǎn)率在200箱/小時(shí)左右。項(xiàng)目組研發(fā)的生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)率為241箱/小時(shí)。

影響靜壓造型自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的效率因素有很多，拋開(kāi)其它工部導(dǎo)致的因素，僅從靜壓造型自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)本身分析如何提高靜壓造型自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的效率。

1.3.1.1 布線(xiàn)方式

目前自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的布置方案主要分為兩種，一種是上下箱在同一輥道上輸送（見(jiàn)圖5）；另一種是上、下箱分道輸送（見(jiàn)圖6）。

圖5中上下箱在同一輥道上輸送，運(yùn)行節(jié)拍較慢；而圖6中所示將上、下箱分道輸送，運(yùn)行節(jié)拍得到提高。為提高生產(chǎn)率，項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)研究，確定了砂箱分道輸送方案。

（1）液壓系統(tǒng)

在靜壓造型自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)中，液壓驅(qū)動(dòng)是最主要的一種驅(qū)動(dòng)方式。各種液壓油缸、蓄能器、液壓馬達(dá)等組成了生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備的動(dòng)力源。

項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)反復(fù)的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，確定了各種液壓參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了液壓系統(tǒng)，使液壓系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效的工作。

（2）砂箱移箱技術(shù)

圖5 上、下箱在同一輥道上輸送

圖6 上、下箱分道輸送

生產(chǎn)線(xiàn)在工作中，很大一部分工作量是往返轉(zhuǎn)運(yùn)砂箱，這也是影響生產(chǎn)率的主要環(huán)節(jié)。項(xiàng)目組研發(fā)了一種“造型線(xiàn)砂箱移箱裝置”。該裝置的上箱轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)機(jī)械手不用等待落箱機(jī)械手下降到底位即可從上箱段向造型段移動(dòng)，落箱機(jī)械手也不需等待上箱轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)完全到達(dá)上箱段之后再向上升，落箱緩沖缸在上箱轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)到達(dá)造型段減速位時(shí)即可伸出油缸。另外，充分利用減速開(kāi)關(guān)，使其到達(dá)減速位后能完全避讓設(shè)備的下一步動(dòng)作。

這種裝置，在同樣的油缸運(yùn)行速度下，顯然更能提高生產(chǎn)率；即使在相同的生產(chǎn)率之下，也能讓油缸運(yùn)行的更加平穩(wěn)，對(duì)液壓系統(tǒng)和設(shè)備的穩(wěn)定性以及避免油管迅速發(fā)熱有著很好的作用。

（3）型砂精確定量技術(shù)

在靜壓造型中，型砂精確定量包括精確加砂、均勻加砂、有效防散落砂三個(gè)方面。型砂的精確定量技術(shù)影響了造型的生產(chǎn)率及出件成功率。如不能準(zhǔn)確稱(chēng)量型砂的重量會(huì)導(dǎo)致一系列問(wèn)題：砂子加少了就會(huì)導(dǎo)致型砂表面硬度不夠、拔模失敗甚至塌箱；砂子加多了就會(huì)增加加砂時(shí)間和散落砂量，加重砂處理工部混砂和舊砂回收方面的負(fù)擔(dān)，最終會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)率降低，能耗增加，成品率低。

為了滿(mǎn)足定量準(zhǔn)確的要求，采用杠桿稱(chēng)量原理，完成了造型機(jī)定量砂斗的研究和設(shè)計(jì)，定量精度達(dá)到3%，減少了造型過(guò)程中的散落砂總量，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

1.3.2 智能化

智能化是工業(yè)革命發(fā)展的必然趨勢(shì)。“鑄件砂型近凈成形成套裝備”項(xiàng)目組在智能化方面優(yōu)先研究以下內(nèi)容。

1.3.2.1 模板自動(dòng)更換技術(shù)研究

為了實(shí)現(xiàn)快速智能更換模板及造型工藝參數(shù)，研發(fā)了可以跟主機(jī)回轉(zhuǎn)配合的模板自動(dòng)更換機(jī)構(gòu)，并可以通過(guò)預(yù)設(shè)模板參數(shù)，在需要更換模板時(shí)，輸入模板編號(hào)，實(shí)現(xiàn)了模板在線(xiàn)狀態(tài)下的不停機(jī)智能自動(dòng)更換，以及相關(guān)設(shè)備的工藝參數(shù)自動(dòng)更改。

1.3.2.2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)

造型生產(chǎn)線(xiàn)輔機(jī)多，動(dòng)作復(fù)雜，如果修改工藝參數(shù)或排除設(shè)備故障非常困難。項(xiàng)目組進(jìn)行了計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的研究。通過(guò)人機(jī)界面可以完整的顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；能方便的進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)置與調(diào)整；能顯示設(shè)備運(yùn)行狀況；在線(xiàn)修改程序；給用戶(hù)提供完備的子程序庫(kù)。

1.3.2.3 設(shè)備遠(yuǎn)程診斷與控制技術(shù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，越來(lái)越多的用戶(hù)希望能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對(duì)所售出的產(chǎn)品進(jìn)行診斷和維護(hù)，這樣可以減少維護(hù)工程師到現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間和費(fèi)用，不僅節(jié)約大量的人力和物力成本，同時(shí)也能為客戶(hù)提供更為快捷的服務(wù)，減少客戶(hù)的損失[2]。

項(xiàng)目組研發(fā)的遠(yuǎn)程診斷與控制技術(shù)依托互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過(guò)第三方軟件，可實(shí)現(xiàn)用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)故障診斷及排除、程序修改。既方便用戶(hù)對(duì)設(shè)備的使用與維護(hù)，也提高了設(shè)備的控制水平和售后服務(wù)水平。以上研究的關(guān)鍵技術(shù)，全部應(yīng)用在項(xiàng)目的樣機(jī)及推廣成果中，經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)中驗(yàn)證效果良好。

2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

2.1 靜壓造型緊實(shí)技術(shù)

研發(fā)了“氣流預(yù)緊實(shí)+多觸頭壓實(shí)”雙重緊實(shí)造型技術(shù)，其中大流量快速啟閉吹氣閥和快速同步運(yùn)行的多觸頭壓實(shí)裝置為創(chuàng)新點(diǎn)。

2.2 帶導(dǎo)向和檢測(cè)的液壓缸

獲得了“帶導(dǎo)向和檢測(cè)的液壓缸”國(guó)家專(zhuān)利（ZL201020597141.3）[5]。

2.3 自動(dòng)澆注技術(shù)

研發(fā)了視覺(jué)成像跟蹤技術(shù)、澆注稱(chēng)重技術(shù)、澆注機(jī)同步技術(shù)，其中澆注機(jī)同步裝置為創(chuàng)新點(diǎn)。獲得了國(guó)家專(zhuān)利“澆注機(jī)同步裝置”（ZL20111008260 3.7）[3]。

2.4 靜壓線(xiàn)的智能化連線(xiàn)技術(shù)

研發(fā)了砂箱移箱技術(shù)、型砂精確定量技術(shù)、模板自動(dòng)更換技術(shù)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)、設(shè)備遠(yuǎn)程診斷與控制技術(shù)，其中砂箱移箱技術(shù)為創(chuàng)新點(diǎn)。獲得了“造型線(xiàn)砂箱移箱裝置”國(guó)家專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)ZL201220552699.9）[6]。

3 項(xiàng)目的研究成果

項(xiàng)目組針對(duì)靜壓造型緊實(shí)技術(shù)等九個(gè)方面進(jìn)行了研究，申報(bào)了專(zhuān)利37項(xiàng)，其中發(fā)明專(zhuān)利5項(xiàng)；制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)，其中國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)；共發(fā)表論文 6篇。

4 與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類(lèi)技術(shù)主要參數(shù)、效益、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的比較

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

本項(xiàng)目靜壓造型自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)經(jīng)過(guò)第三方國(guó)家級(jí)檢測(cè)中心檢測(cè)，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與國(guó)內(nèi)外國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品對(duì)比情況（見(jiàn)表1）。

由此可以看出，本項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

4.2 項(xiàng)目的成果應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

4.2.1 成果的應(yīng)用情況

本項(xiàng)目突破的關(guān)鍵技術(shù)在砂箱尺寸1000mm×800mm的近凈成形成套裝備中已全部應(yīng)用；同時(shí)上述成果轉(zhuǎn)換為其他同類(lèi)型、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行了推廣應(yīng)用。利用本項(xiàng)目技術(shù)已經(jīng)研發(fā)出了砂箱尺寸700mm×700mm到1850mm×1250mm的多規(guī)格成套裝備，已推廣應(yīng)用26條生產(chǎn)線(xiàn)。

表1 本項(xiàng)目與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品技術(shù)水平對(duì)比

4.2.2 成果應(yīng)用所取得的經(jīng)濟(jì)效益及競(jìng)爭(zhēng)力

截至目前，推廣應(yīng)用的26套成套裝備，累計(jì)產(chǎn)值達(dá)3.6億元。鑄件生產(chǎn)企業(yè)購(gòu)買(mǎi)該產(chǎn)品，每年生產(chǎn)鑄件130萬(wàn)噸，合計(jì)130億元；用該成套裝備生產(chǎn)的鑄件毛坯重量減少5%，為企業(yè)節(jié)約材料成本3.9億元；由于生產(chǎn)率的提升及成型率的提高，每年為企業(yè)增收約6億元。

本項(xiàng)目近凈成形成套裝備涉及的靜壓造型生產(chǎn)線(xiàn)售價(jià)約為進(jìn)口的三分之一，為用戶(hù)節(jié)約了大量進(jìn)口設(shè)備采購(gòu)及維修費(fèi)用，大幅度提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。從本項(xiàng)目研究成果推向市場(chǎng)后，國(guó)內(nèi)已無(wú)任何一家企業(yè)全線(xiàn)進(jìn)口國(guó)外設(shè)備；市場(chǎng)份額中，靜壓造型主機(jī)由原來(lái)的100%進(jìn)口降為30%以下。該產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)份額占比由原來(lái)的30%增長(zhǎng)為60%以上。

5 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目的成功實(shí)施提升了我國(guó)近凈成型成套裝備的制造能力和水平，其研制成功打破了國(guó)外廠(chǎng)家在該領(lǐng)域的壟斷，使我國(guó)成為世界上繼德國(guó)之后少數(shù)掌握該項(xiàng)綠色鑄造技術(shù)的國(guó)家之一。為汽車(chē)行業(yè)對(duì)精密鑄件的需求提供了關(guān)鍵裝備，極大地提高了我國(guó)現(xiàn)有靜壓造型線(xiàn)和水平分型脫箱自動(dòng)造型線(xiàn)的技術(shù)水平、可靠性和穩(wěn)定性，為替代進(jìn)口，打造自主品牌做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。同時(shí)，對(duì)打破國(guó)外廠(chǎng)家在該領(lǐng)域的壟斷，改變依賴(lài)進(jìn)口的局面，滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，促進(jìn)我國(guó)鑄件砂型近凈成形成套裝備技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，積極帶動(dòng)我國(guó)鑄造機(jī)械行業(yè)和節(jié)能、環(huán)保、新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展具有重要意義。