反捅箱及同步輸送帶在水平造型線上的應(yīng)用

徐定政，鄭德偉

（東風鍛造有限公司鑄造二廠，湖北十堰 442013）

BMD線是德國研究制造的一條多觸頭高壓自動造型線，是20世紀60年代的產(chǎn)品。2013年7月，由于工廠多方面的原因，已經(jīng)服役30多年的BMD線宣布關(guān)停，并一度申請報廢。關(guān)停4年后，由于工廠經(jīng)營戰(zhàn)略等方面的需要，工廠決定恢復(fù)BMD線的使用，但這次不是簡單的恢復(fù)，為了進一步提升設(shè)備的穩(wěn)定性，以及滿足產(chǎn)品工藝對設(shè)備的更高要求，需要對原有設(shè)備進行大幅度的改造，其中重點改造部位是捅箱機及配套的鱗板輸送機。

1 BMD線捅箱機及鱗板輸送機存在的問題

改造前BMD線捅箱機及鱗板輸送機布置如圖1、圖2所示。

圖1 原BMD線捅箱機布置

圖2 原BMD線鱗板輸送機布置

1.1 原有捅箱機及鱗板輸送機工作原理

當捅箱機構(gòu)位于起始位置，鑄工小車運行至捅箱機構(gòu)正下方，機械手上升，由機械手抓起砂箱與鑄工小車分離，在高度方向離開鑄工小車60 mm，捅箱機構(gòu)橫移至捅箱位置，捅頭下降將砂型及鑄件捅至推送槽內(nèi)，捅頭上升返回至原始位置，捅箱機構(gòu)橫移返回至鑄工小車正上方，機械手下降將砂箱放至鑄工小車上，在捅頭上升返回至原始位置的同時，推送機構(gòu)將砂型及鑄件推送至鱗板輸送機上，然后推送機構(gòu)返回，鱗板向前移動（鱗板處于連續(xù)運行狀態(tài)），將鑄件送至振動落砂篩。當下一臺鑄工小車運行至捅箱機構(gòu)的正下方時再重復(fù)下一個循環(huán)。

1.2 原有捅箱機及鱗板輸送機存在的主要問題

原有捅箱機及鱗板輸送機主要存在以下幾方面的問題：

1）捅箱機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用到的油缸數(shù)量較多，液壓控制系統(tǒng)復(fù)雜，而且捅箱機距離油泵站距離過遠，流量消耗大，影響整條造型線的節(jié)拍。另外，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致設(shè)備故障率高，維修困難。

2）捅箱機機械手沒有砂箱定位裝置，砂箱在機械手上的位置變動大，由于砂箱位置不固定，因此在捅箱機上難以安裝砂箱內(nèi)壁清掃機構(gòu)，最終導(dǎo)致砂箱內(nèi)壁殘留型砂較多，影響造型質(zhì)量。

3）在捅箱位置砂箱被抓起時，由于掉落至鑄工小車臺面的型砂較多，而捅箱機沒有配置相應(yīng)的清掃機構(gòu)，粘有積砂的鑄工小車對砂型質(zhì)量也會造成一定影響。

4）砂箱與推送槽以及推送槽與鱗板輸送機在高度方向的距離較大，導(dǎo)致砂型及鑄件自砂箱捅出并落至鱗板輸送機上時全部散開，鑄件裸露，鑄件保溫冷卻時間不足，鑄件表面硬度過高，不符合工藝要求。

5）鱗板輸送機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，維修困難，且每年的維修費用高達20萬元以上。

6）鱗板輸送機頭部與振動落砂篩篩板之間的高差為1 400 mm，由于高差過大，導(dǎo)致鑄件從鱗板輸送機落至振動落砂篩時產(chǎn)生大量的磕碰傷。

2 解決方案

2.1 BMD線更新改造總體設(shè)計原則

為了解決上述問題，需要對捅箱機及鱗板輸送機進行更新改造，此次更新改造的總體設(shè)計原則如下：

1）簡化捅箱機結(jié)構(gòu)，減少油缸數(shù)量；

2）在捅箱上配置砂箱定位機構(gòu)，并配置砂箱內(nèi)壁清掃機構(gòu)；

3）在捅箱機上配置鑄工小車臺面清掃機構(gòu)；

4）簡化輸送機結(jié)構(gòu)；

5）減小砂箱與輸送機之間的高差，并采用合理的捅箱方式，保證砂型及鑄件被送到輸送機上還是一個整體；

6）減小輸送機與振動落砂篩之間的高差。

通過多次技術(shù)討論，比較了多種技術(shù)方案的優(yōu)缺點，最終確定了一套捅箱及輸送方案。

2.2 BMD線捅箱及輸送改造方案

新型捅箱機及輸送機的設(shè)計方案以及工作原理見圖3、圖4.

圖3 BMD線捅箱機改造方案布置

圖4 BMD線輸送機改造方案布置

BMD線捅箱改造方案如圖3所示，當鑄工小車運行到捅箱機構(gòu)正下方時，機械手第一次上升，將砂箱抓起，在高度方向離開鑄工小車臺面60 mm后停止，伺服電機驅(qū)動捅箱機構(gòu)移至同步輸送機正上方，機械手第二次上升，砂箱繼續(xù)向上移動至最高點，捅頭及內(nèi)壁清掃裝置固定不動，壓住砂箱內(nèi)的砂型及鑄件，通過砂箱的不斷上移，將砂型及鑄件捅至同步輸送帶上。伺服電機驅(qū)動捅箱機構(gòu)返回，與此同時，機械手第一次下降，砂箱落至離鑄工小車60 mm高度時停止，當捅箱機構(gòu)完全返回至鑄工小車正上方處，機械手第二次下降直至砂箱放置于鑄工小車臺面并與機械手分離。當下一臺鑄工小車運行至捅箱機構(gòu)正下方后，再重復(fù)下一個周期。

BMD線輸送機改造方案如圖4所示，當砂型及鑄件完全被捅至同步輸送機皮帶上后，夾緊離合器充氣夾住皮帶，油缸驅(qū)動器帶動夾緊離合器同皮帶一起向前移動一個節(jié)距，然后夾緊離合器排氣，夾緊離合器與皮帶脫開，油缸驅(qū)動器帶動夾緊離合器返回一個節(jié)距。當下一箱砂型及鑄件落至同步輸送機皮帶上后，再重復(fù)下一個周期。

圖5所示為新型捅箱機及同步輸送機的動作時序圖，依此設(shè)計，該部位的理論節(jié)拍為26 s/型，低于造型線28 s/型的節(jié)拍，而且該部位的所有動作均可與造型線的其他動作同時進行，因此依此設(shè)計在節(jié)拍上符合造型線的整體要求。

圖5 改造后捅箱機及同步輸送機的動作時序圖

2.3 砂箱定位及內(nèi)壁清掃問題

2.3.1 問題解析

圖6為原BMD線砂箱與鑄工小車定位結(jié)構(gòu)，在砂箱被捅箱機機械手抓起之前，砂箱位于鑄工小車臺面上，砂箱與鑄工小車臺面之間的相對位置由砂箱定位銷及砂箱定位襯套決定，由于定位銷與定位襯套的配合間隙相差很大（定位銷外徑為32 mm、定位襯套孔徑為40 mm），間隙相差達到了8 mm，因此砂箱在鑄工小車臺面上的位置不具備一致性。

圖6 原BMD線砂箱與鑄工小車定位結(jié)構(gòu)

圖7為原BMD線砂箱與捅箱機機械手定位機構(gòu)，原有捅箱機機械手沒有設(shè)計砂箱定位裝置，而砂箱在鑄工小車臺面上的位置不具備一致性，因此，當機械手抓起砂箱時，砂箱在機械手上位置同樣不具備一致性，由于砂箱的位置不固定，因此，在捅箱機上難以配置砂箱內(nèi)壁清掃裝置。

圖7 原BMD線砂箱與捅箱機機械手定位機構(gòu)

圖8為桶箱機桶頭與砂箱內(nèi)壁關(guān)系，從圖中可以看出，由于捅頭上沒有內(nèi)壁清掃裝置，砂箱內(nèi)壁殘留型砂較多。

圖8 桶箱機桶頭與砂箱內(nèi)壁關(guān)系

2.3.2 解決方案

2.3.2.1 砂箱的定位方案

為了保證砂箱在捅箱機機械手上位置的一致性，可以考慮在機械手上設(shè)計一套定位裝置，當機械手每次抓起砂箱時，砂箱位于同一位置上，按照這種設(shè)計思路，設(shè)計了如圖9所示的一套砂箱定位裝置。利用砂箱的4個碰塊作為定位基準，當機械手抓起砂箱時，砂箱的4個碰塊進入機械手砂箱定位塊的“U”形槽內(nèi)，由于砂箱定位塊位置固定，因此砂箱在捅箱機機械手的位置具備一致性。

圖9 新設(shè)計的砂箱定位裝置

2.3.2.2 砂箱內(nèi)壁清掃方案

砂箱在機械手上的位置具備一致性后，可以考慮在捅頭上設(shè)計并安裝一套內(nèi)壁清掃裝置。按照此設(shè)計思路，設(shè)計了如圖10所示的一套砂箱內(nèi)壁清掃裝置。為了保證砂箱內(nèi)壁能夠清掃干凈，內(nèi)壁清掃裝置的外形尺寸應(yīng)該略大于砂箱的內(nèi)腔尺寸，因此，要求此套內(nèi)壁清掃裝置具備一定的彈性，在進入砂箱內(nèi)腔時可以隨形縮小尺寸。為了實現(xiàn)此功能，在刮刀的根部設(shè)計了扭力彈簧，另外，為了提高刮刀的適應(yīng)性，將砂箱內(nèi)腔分為兩部分，一部分是直邊，另一部分是直角，刮刀也分為兩部分設(shè)計，分為直邊刮刀和直角刮刀。當機械手抓起砂箱向上移動時，固定在捅頭上的刮刀自動將砂箱內(nèi)壁的殘留型砂清掃干凈。

2.4 鑄工小車臺面積砂清掃方案

2.4.1 問題解析

圖10 帶有砂箱內(nèi)壁清掃裝置的桶頭結(jié)構(gòu)

當機械手抓起砂箱離開鑄工小車臺面后，由于砂型在澆注后型砂相對比較松散，因此有一部分型砂從砂箱內(nèi)腔脫落至鑄工小車臺面，而BMD線原有的鑄工小車臺面清掃裝置只能清掃一部分浮砂，而成塊的積砂難以清理干凈，該部分積砂如果不清理干凈，將會影響砂型質(zhì)量。如圖11所示。

圖11 原BMD線在鑄工小車上的積砂

2.4.2 解決方案

當捅箱機機械手一次上升抓起砂箱后，板箱機構(gòu)有一個橫向移動動作，在橫向移動時機械手跨過鑄工小車臺面，而且橫移時機械手與鑄工小車臺面在高度方向上的相對位置保持不變，利用此條件，可以在機械手上設(shè)計一套鑄工小車臺面清掃裝置。按照此思路，設(shè)計了如圖12所示的鑄工小車臺面清掃裝置。該裝置分為兩部分，一部分清掃成塊的積砂，采用剛性較好的刮刀清掃，另一部分清掃浮砂，采用剛性較低的鋼絲刷清掃。機械手一次上升到位后，鋼絲刷及刮刀均略低于鑄工小車臺面，刮刀根部配有扭簧，保證刮刀橫移通過鑄工小車臺面時不會卡住且通過后能自動復(fù)位。

2.5 鑄件保溫冷卻時間延長方案

2.5.1 問題解析

圖12 新設(shè)計鑄工小車臺面清掃裝置

原BMD線上捅箱機構(gòu)與輸送機構(gòu)的銜接關(guān)系如圖13所示，捅箱機機械手抓起砂箱后，砂箱底部與推送槽底部的高差達到1 000 mm，當砂型及鑄件自砂箱捅出落入到推送槽內(nèi)時，由于高差帶來的沖擊較大，整個砂型破裂，鑄件從砂型中分離。另外，由于推送槽底部與鱗板輸送機的高差為400mm，而且鱗板輸送機是連續(xù)運行，當砂型及鑄件被推送至鱗板輸送機時，砂型進一步散落，鑄件從砂型中完全分離出來暴露于空氣中，無法繼續(xù)保溫冷卻，鑄件外表溫度快速下降，表面硬度上升，超出工藝要求范圍。

圖13 原BMD線捅箱機構(gòu)與輸送機構(gòu)的銜接關(guān)系

2.5.2 解決方案

為了保證砂型及鑄件自砂箱捅出后不分散，首先要解決捅箱時砂箱及鑄件的落差問題，另外還要保證砂型及鑄件直接被捅至輸送機上，而且捅箱時輸送機呈靜止狀態(tài)。按照此設(shè)計思路，設(shè)計了如圖14所示的捅箱機及同步輸送帶。

首先由捅箱機機械手抓起砂箱上升，砂箱離開鑄工小車臺面60 mm后，機械手停止上升，捅箱機構(gòu)通過伺服電機驅(qū)動移至同步輸送帶正上方，機械手繼續(xù)上升，砂箱隨之上升至最高點，由固定不動的捅頭將砂型及鑄件捅至同步輸送帶上。當捅頭接觸砂型時，砂箱底部距離同步輸送帶的距離只有90 mm，高差很小，砂型及鑄件因此受到的沖擊較小，而且在捅箱時，同步輸送帶靜止不動，砂型及鑄件落至同步輸送帶上時基本上保持原有狀態(tài)不變，鑄件被型砂包圍，有效地起到了保溫冷卻的作用，延緩了鑄件表面溫度的下降速度，鑄件的表面硬度可以達到工藝要求。

在捅箱機構(gòu)橫向移動過程中，砂箱處于懸空狀態(tài)，為了防止塌箱，在鑄工帶及同步輸送帶之間安裝了一個過渡平臺，用于托住散落的型砂并防止塌箱，散落的型砂通過機械手上的鋼絲刷及刮刀掃至同步輸送帶上。

2.6 捅箱機及同步輸送機的傳動方案

2.6.1 問題解析

由于原有捅箱機采用的是液壓傳動，系統(tǒng)復(fù)雜，油缸數(shù)量多，消耗的流量大，影響整條造型線的節(jié)拍。因此，在確保該部位的功能前提下，可以盡可能減少油缸的使用數(shù)量或采用其他傳動方式替代液壓傳動。

圖14 新設(shè)計捅箱機及同步輸送帶

2.6.2 解決方案

由于捅箱需要的推力很大，因此捅箱動作采用油缸驅(qū)動，油缸的控制采用比例閥控制技術(shù)，可以有效控制動作的快慢。另外，由于油缸需要二次升降，因此，在液壓控制系統(tǒng)中需要配置液控單向閥，該部位的液壓原理如圖15所示。

圖15 改造后桶箱機液壓原理圖

捅箱缸動作時各換向閥的帶電情況如圖16所示，油缸整個動作周期分為圖示的12個階段。

圖16 改造后捅箱缸動作時各換向閥的帶電情況

由于鑄工帶距離同步輸送帶位置較遠，達到了4 450 mm，用油缸傳送比較困難。另外，為了不讓該部位的動作影響整條造型線的節(jié)拍，并且在移動的起始點定位準確，因此選用了伺服電機作為捅箱機構(gòu)橫移時的驅(qū)動器。

3 改造后的使用效果

改造后的捅箱機及同步輸送機結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。捅箱機的液壓系統(tǒng)油缸數(shù)量由原來的5條減為1條，由比例閥控制，快慢速明顯，動作平穩(wěn)無沖擊。引用的伺服電機驅(qū)動運行平穩(wěn)，速度快，定位準確。原有的問題基本上都得到解決，效果非常理想，達到了預(yù)期目標。改善后的效果如圖17所示。

圖17 改造后生產(chǎn)線的運行情況

從圖17可以看出，自反捅箱及同步輸送技術(shù)在BMD線上應(yīng)用后，鑄工小車臺面的積砂得到了有效清掃，砂箱內(nèi)壁殘留型砂也都得到了有效的清理，砂型及鑄件自砂箱捅出后基本保持完整狀態(tài)，有效延長了近15 min的保溫冷卻時間，鑄件的表面硬度達到了工藝要求。

4 結(jié)論

反捅箱及同步輸送技術(shù)在水平有箱造型線上的應(yīng)用是一種大膽的嘗試，通過充分的理論分析以及有效的實踐證明，該項技術(shù)的應(yīng)用是成功的。有此成功案例作為依據(jù)，今后也可以在其他水平有箱造型線上進行推廣。