何道明,鄭德偉
(東風(fēng)鍛造有限公司鑄造二廠,湖北十堰 442013)
東風(fēng)鍛造有限公司鑄造二廠(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鑄造二廠”)于2010年從德國(guó)HWS公司引進(jìn)了全自動(dòng)靜壓造型主機(jī),主要用于生產(chǎn)汽車(chē)底盤(pán)類(lèi)零件,這個(gè)造型主機(jī)是在原來(lái)GF氣沖造型線的基礎(chǔ)上將原來(lái)的氣沖主機(jī)改造為靜壓造型主機(jī),同時(shí)將部分輔機(jī)進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)。使用至今已9年左右,設(shè)備總體運(yùn)行情況良好,但也存在一些問(wèn)題。本文就主機(jī)的關(guān)鍵部位多觸頭部分出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了闡述,并做了局部改進(jìn),為今后多觸頭的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
靜壓造型機(jī)主要包括以下組成部分:造型主機(jī)、液壓系統(tǒng)、鉆氣孔機(jī)、銑澆口裝置、電氣系統(tǒng)、自動(dòng)更換型板裝置、砂箱內(nèi)腔清掃附件、型板框、砂箱等。
砂箱尺寸:內(nèi)壁1850mm×850mm×300/300mm(上/下);
砂箱外形尺寸:2 255 mm×1 300 mm×300/300 mm(上/下);
主機(jī)造型時(shí)間:≤17 s;造型線節(jié)拍:≤48 s/整型;
造型成型率:≥99%;最大模型高度:254 mm;
直澆口棒高度:250 mm;最大吊砂胎高度:200 mm;
厚型板底板高度:200 mm;薄型板底板高度:100 mm.
靜壓造型主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,選用了目前成熟、可靠、先進(jìn)的氣流預(yù)緊實(shí)加多觸頭壓實(shí)的造型方式,并采用了伺服控制、連續(xù)磁性感應(yīng)位移控制技術(shù)、加砂斗重量定量控制技術(shù)、可調(diào)式導(dǎo)砂板導(dǎo)砂技術(shù)、多觸頭分區(qū)調(diào)壓技術(shù),國(guó)內(nèi)大部分HWS靜壓造型線都采用的是48個(gè)多觸頭,由于鑄造二廠的砂箱尺寸較大,所以采用了78個(gè)多觸頭,在國(guó)內(nèi)算是比較大的,因此對(duì)造型主機(jī)提出了更高的要求。
圖1 靜壓造型線主機(jī)結(jié)構(gòu)
圖2 主機(jī)多觸頭整體結(jié)構(gòu)
主機(jī)多觸頭整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,由78個(gè)多觸頭油缸組成,缸體采用的是集成缸體,進(jìn)油和回油全部集成在一個(gè)缸體中,集成缸體尺寸2 075 mm×1 100 mm×420 mm,總重約7.2 t左右。缸體上方與氣流預(yù)緊實(shí)框架和氣流管路連接,缸體與框架通過(guò)螺釘固定,氣流管道直接插入在缸體上的氣流管路上,集中閥塊和閥通過(guò)螺釘固定在多觸頭左側(cè),工作中隨多觸頭來(lái)回移動(dòng)。78個(gè)多觸頭呈6×13分布,沿砂箱長(zhǎng)度方向分布有13列多觸頭,砂箱寬度方向6排,氣流預(yù)緊實(shí)管路沿砂箱長(zhǎng)度方向,以78個(gè)多觸頭中心分左右兩個(gè)區(qū)域,通過(guò)氣流預(yù)緊實(shí)管路與多觸頭體連接。
在多觸頭液壓工作回路中采用了比例閥、換向閥及插裝閥組合,從而實(shí)現(xiàn)多觸頭的快進(jìn)、工進(jìn)和縮回動(dòng)作。圖3為靜壓造型主機(jī)多觸頭壓實(shí)液壓原理圖,根據(jù)不同產(chǎn)品生產(chǎn)的要求,當(dāng)壓實(shí)力小于100 N/cm2的時(shí)候電磁閥a和d帶電,從而形成差動(dòng)回路,78個(gè)多觸頭能夠快速下降實(shí)現(xiàn)鑄型的壓實(shí),可以得到較快的節(jié)拍;而當(dāng)壓實(shí)力大于100 N/cm2的時(shí)候電磁閥a和e帶電,從而形成非差動(dòng)回路,達(dá)到設(shè)定壓實(shí)比壓后,壓力繼電器g給信號(hào),保壓時(shí)間達(dá)到后,電磁閥a和d(或e)失電,b和c帶電,多觸頭上升,壓實(shí)結(jié)束。壓實(shí)力的調(diào)整可通過(guò)PLC調(diào)整比例閥f電流的大小來(lái)改變壓實(shí)壓力。
多觸頭缸體為整體加工而成,對(duì)78個(gè)多觸頭之間的平行度有較高的要求,加工的孔最長(zhǎng)達(dá)到2075mm,即使兩邊相向加工鉆頭長(zhǎng)度也達(dá)到了1 m左右,而且每個(gè)多觸頭的后蓋和前蓋都沉在了缸體中,對(duì)后蓋和前蓋與缸體配合的孔的同軸度要求也比較高,保證多觸頭動(dòng)作正常。
圖3 多觸頭壓實(shí)液壓原理圖
1)主機(jī)多觸頭背面如圖4所示,此面所有螺釘孔為與氣流預(yù)緊實(shí)框架連接的固定孔,共計(jì)42個(gè)M20螺釘孔,孔深50,螺紋深度為45,主機(jī)多觸頭背面分布有18個(gè)氣流預(yù)緊實(shí)管路連接孔,通徑58 mm.為了保證定位精度,在多觸頭長(zhǎng)度方向有兩個(gè)半圓鍵槽,采用50×90的半圓鍵與氣流預(yù)緊實(shí)框架定位。沿多觸頭長(zhǎng)度方向兩側(cè)設(shè)計(jì)有8個(gè)M36的起吊孔(見(jiàn)圖5),以便多觸頭的起吊安裝,圖5左側(cè)U型面部位為安裝走輪固定座位置,保證多觸頭沿多觸頭軌道來(lái)回移動(dòng)。
圖4 主機(jī)多觸頭背面
圖5 多觸頭正面
2)多觸頭缸體內(nèi)部油路分有桿腔和無(wú)桿腔通道,如圖6所示固定閥塊端面中間部位有6個(gè)通徑44 mm的孔,上面四個(gè)為無(wú)桿腔油孔通道(7-10),下面兩個(gè)為有桿腔油孔通道(11-12).圖6上部有6個(gè)通徑39 mm的無(wú)桿腔通道孔,這6個(gè)孔的通道與其正下方4個(gè)孔相通,6個(gè)孔分別與每列13個(gè)多觸頭無(wú)桿腔連通,6個(gè)孔在加工時(shí)均完全貫通,加工完畢后兩斷面均安裝堵頭堵死,下面兩個(gè)通徑44 mm的孔為有桿腔通道孔,這兩個(gè)孔與圖6下部6個(gè)孔相通(13-18),加工時(shí)在多觸頭體下方加工有工藝孔,加工完畢后用堵頭堵死,保證這兩個(gè)孔與有桿腔通道相同,下排6個(gè)孔與上排6個(gè)孔加工工藝相同,圖6上下兩排共4個(gè)法蘭分別為無(wú)桿腔和有桿腔與多觸頭無(wú)桿腔和有桿腔貫通的通道,加工完畢后分別用法蘭密封,具體見(jiàn)圖7多觸頭內(nèi)部油路通道。
圖6 固定閥塊端面
圖7 多觸頭內(nèi)部油路通道
圖8 多觸頭裝配
多觸頭共計(jì)78個(gè),每個(gè)多觸頭即為一個(gè)油缸,如圖8a)所示,活塞直徑63 mm,活塞桿直徑50 mm,行程為270 mm,后蓋和前蓋均通過(guò)4-M12螺釘與多觸頭缸體固定,多觸頭后蓋設(shè)置有檢測(cè)開(kāi)關(guān)安裝孔,用于檢測(cè)多觸頭上升是否到位,感應(yīng)距離為2 mm,以防止多觸頭上升不到位被撞彎。每個(gè)后蓋上加工有直徑3mm進(jìn)油孔,液壓油通過(guò)無(wú)桿腔通道經(jīng)過(guò)3mm進(jìn)油孔進(jìn)入每個(gè)多觸頭無(wú)桿腔,后蓋與缸體之間的徑向密封靠D80×5.3的O形圈密封,前蓋與缸體之間也是采用D80×5.3的O形圈密封起徑向密封作用。
多觸頭活塞桿端要與多觸頭塊通過(guò)螺釘固定,如圖8b)所示,多觸頭塊是方形,為了防止活塞桿轉(zhuǎn)圈,在活塞桿無(wú)桿腔斷面有一20×20的方形孔,通過(guò)防轉(zhuǎn)桿導(dǎo)向,起到防轉(zhuǎn)作用,防轉(zhuǎn)桿另一端為長(zhǎng)度為20的光軸,與后蓋光孔配合,通過(guò)圓柱銷(xiāo)定位?;钊芊獠捎玫氖堑聡?guó)邁克的組合密封圈。
經(jīng)過(guò)近9年的使用,目前多觸頭部分主要存在以下問(wèn)題:
1)部分后蓋出現(xiàn)滲油的現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)將部分螺釘沖斷。2017年因主機(jī)多觸頭后蓋滲漏問(wèn)題造成5次重大停產(chǎn),最嚴(yán)重的一次11#多觸頭后蓋兩個(gè)螺釘被頂斷,后蓋向上翻起過(guò)程中對(duì)多觸頭缸體內(nèi)壁造成損傷,后蓋滲油現(xiàn)象不僅對(duì)生產(chǎn)造成影響,還會(huì)影響砂型的壓實(shí)力,從而對(duì)質(zhì)量造成很大影響。
2)部分螺釘松動(dòng)后,在活塞桿上升過(guò)程的沖擊下造型螺釘斷裂在多觸頭缸體內(nèi),由于多觸頭缸體與氣流預(yù)緊實(shí)框架連接,多觸頭缸體上斷面空間非常狹小,更換維修非常不方便,一旦遇到兩個(gè)螺釘斷裂的情況只能用千斤頂,通過(guò)氣流預(yù)緊實(shí)框架把后蓋頂住。
3)每個(gè)多觸頭端面都安裝有一個(gè)多觸頭壓塊,多觸頭壓塊斷面固定有防粘砂的特氟龍板,特氟龍板的安裝結(jié)構(gòu)如圖9所示,多觸頭壓塊與特氟龍板之間僅靠M8的頂絲固定,這樣在多觸頭工作過(guò)程中會(huì)不斷有砂子進(jìn)入多觸頭壓塊與特氟龍板的接觸面內(nèi),隨著砂子擠入的越來(lái)越多,特氟龍板受到彎矩的力后頂絲孔很容易撕裂掉下,沒(méi)有了不粘砂特氟龍板,砂子很容易進(jìn)入多觸頭前蓋端,墊砂后造成多觸頭上升不到位,頻繁的更換特氟龍板不僅加大了維修的工作量,也造成了維修成本的上升。
圖9 特氟龍板
4)國(guó)產(chǎn)化方面,由于多觸頭已使用9年左右,關(guān)鍵的多觸頭缸體已出現(xiàn)磨損現(xiàn)象,造成多觸頭上升下降的一致性比較差,對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍和設(shè)備本身都有很大影響,需要大修或準(zhǔn)備備件,考慮到進(jìn)口多觸頭近240萬(wàn)左右,從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮,多觸頭國(guó)產(chǎn)化也是比較緊急的工作。
通過(guò)對(duì)后蓋進(jìn)行改進(jìn)解決滲油的問(wèn)題,如圖10所示。原后蓋只通過(guò)一個(gè)D80×5.3的O形圈密封起徑向密封作用,改進(jìn)后在根部增加了一個(gè)D80×7的O形圈密封,同時(shí)將原溝槽右端面的距離減小,由原來(lái)的5.5減小到1.5,以此增加了徑向密封接觸面的面積,保證良好的密封效果,從改善后使用的效果來(lái)看比較理想,后蓋滲油的現(xiàn)象基本消除。
圖10 后蓋改進(jìn)前后
斷螺釘?shù)膯?wèn)題比較麻煩,綜合分析螺釘斷裂主要原因有螺釘質(zhì)量、預(yù)緊力矩、螺釘強(qiáng)度和螺釘疲勞強(qiáng)度四個(gè)方面,就多觸頭后蓋的使用工況來(lái)講,后蓋固定螺釘主要承受軸向力作用,螺釘斷裂主要原因是受拉應(yīng)力所致。
4.2.1 后蓋固定螺釘強(qiáng)度校核
按多觸頭最大壓實(shí)力150 N/cm2來(lái)計(jì)算,此時(shí)系統(tǒng)壓力為91 bar,多觸頭處于壓實(shí)狀態(tài),多觸頭后蓋主要承受系統(tǒng)油壓作用力F.
F=P×S
其中,F(xiàn)-作用在后蓋的力,N;
P-系統(tǒng)壓力,N;
S-油液作用在后蓋的面積,cm2.
P 取 150 N/cm2,
S=3.14×(6.3/2)2-2×2=27.16 cm2,
F=P×S=150×27.16=4 074 N.
由于多觸頭后蓋有4個(gè)M12螺釘,則每個(gè)螺釘承受的力為F=4 074/4=1 018.5 N.
根據(jù)此計(jì)算結(jié)果通過(guò)Solidworks Simulationg對(duì)螺釘?shù)膽?yīng)力、應(yīng)變及位移進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果如圖11所示。
通過(guò)模擬分析結(jié)果可以得出M12螺釘完全能夠滿(mǎn)足使用要求,此時(shí)螺釘所受到的力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其最小拉力載荷。
4.2.2 螺釘斷裂原因分析
圖11 螺釘受力模擬分析(位移、應(yīng)力及應(yīng)變)
螺釘采用的標(biāo)準(zhǔn)8.8級(jí)M12螺釘,既然通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證螺釘強(qiáng)度沒(méi)有問(wèn)題,螺釘斷口也非橢圓形(橢圓形為受到徑向力剪切導(dǎo)致)那么螺釘斷裂的主要原因應(yīng)該就是松動(dòng)造成,螺釘松動(dòng)與設(shè)備的震動(dòng)有一定的關(guān)系,當(dāng)螺釘安裝時(shí)預(yù)緊力過(guò)小,運(yùn)行過(guò)程中由于震動(dòng)就會(huì)松動(dòng),一旦螺釘松動(dòng),多觸頭后蓋螺釘就會(huì)在多觸頭來(lái)回運(yùn)行過(guò)程中對(duì)螺釘形成沖擊,造成螺釘斷裂。螺紋緊固件松動(dòng)后,產(chǎn)生巨大的動(dòng)能mv2,F(xiàn)=mv2/t,如果受到?jīng)_擊則這種巨大的動(dòng)能直接作用于緊固件及設(shè)備,致使緊固件損壞。
4.2.3 防止螺釘斷裂的措施
防止多觸頭螺釘斷裂的辦法以預(yù)防為主、修理為輔。
1)根據(jù)分析認(rèn)為防止螺釘斷裂最好的辦法就是防松。只要螺釘不松動(dòng)就不會(huì)斷裂。在設(shè)備維修上的措施主要有兩點(diǎn):一是加強(qiáng)點(diǎn)檢,對(duì)關(guān)鍵部位點(diǎn)螺釘可加大點(diǎn)檢頻次;其二從根源上防止螺釘斷裂,在檢修的時(shí)候關(guān)鍵部位使用力矩扳手,嚴(yán)格按照螺釘緊固時(shí)預(yù)緊力的要求來(lái)安裝螺釘,預(yù)緊力不能小也不能太大。
2)針對(duì)已有斷螺釘?shù)暮笊w只能采用取斷螺釘,擴(kuò)孔的辦法來(lái)解決。通常在線下取螺釘是比較容易的事情,但是多觸頭后端蓋的螺釘斷后取出很不方便,主要受制于維修空間的影響,無(wú)法作業(yè),磁力鉆無(wú)法安裝,而如果用手工鉆一旦偏心會(huì)對(duì)多觸頭造成致命傷害,維修將更加困難。采用一般的多觸頭拆卸方案則需要3~5天才能完成拆卸和安裝。為此制定了簡(jiǎn)便的省時(shí)的拆卸和維修方案。
利用大型節(jié)假日檢修時(shí)首先將多觸頭體與氣流預(yù)緊實(shí)連接的螺釘松開(kāi),將整個(gè)多觸頭體落在一副空砂箱上,然后將砂箱沿后一工位方向推一個(gè)砂箱的位置,使在多觸頭體上方有檢修空間,多觸頭移動(dòng)到檢修位后使用磁力鉆將斷螺釘取出,擴(kuò)孔攻絲至M14,維修完畢后將多觸頭體推至原位起吊安裝。從修理后的使用情況來(lái)看效果良好,未再出現(xiàn)斷螺釘?shù)默F(xiàn)象。這種拆卸和修理方法較一般拆卸方法節(jié)省了兩天時(shí)間,維修效率也大大提高。
就HWS靜壓造型主機(jī)多觸頭,不管從技術(shù)和使用情況來(lái)說(shuō)都是比較好的,要想設(shè)備能夠良好運(yùn)行關(guān)鍵還需要平時(shí)維護(hù),維護(hù)的時(shí)候也必須嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)來(lái)維護(hù)。比如螺釘緊固的問(wèn)題,HWS靜壓造型機(jī)多觸頭總計(jì)有1 000多個(gè)螺釘,任何一個(gè)螺釘出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)影響設(shè)備的正常使用,也為以后的維修帶來(lái)不必要的麻煩,所以螺釘緊固時(shí)嚴(yán)格按預(yù)緊力標(biāo)準(zhǔn)安裝;其二保證液壓系統(tǒng)清潔,減少雜質(zhì)對(duì)缸體磨損的影響;其三定期做好密封的更換,做到以上三點(diǎn)就能保證設(shè)備的良好運(yùn)行。
靜壓造型線主機(jī)多觸頭其本身就是一個(gè)由多個(gè)小油缸集成在一起的大油缸,通常一個(gè)油缸滿(mǎn)負(fù)荷使用的壽命也就在5~8年左右,后期由于磨損會(huì)造成油缸內(nèi)泄,影響設(shè)備的正常使用。鑄造二廠靜壓造型線已使用9年左右,從多觸頭的動(dòng)作情況來(lái)看多觸頭缸體還是有磨損的,主要體現(xiàn)在即使更換活塞密封后78個(gè)多觸頭的動(dòng)作一致性還不是很好,作為設(shè)備的關(guān)鍵備件還是有必要對(duì)該備件進(jìn)行儲(chǔ)備。圖12為2017年多觸頭檢修現(xiàn)場(chǎng)圖片。
圖12 多觸頭檢修
這種大型多觸頭的進(jìn)口價(jià)格在240萬(wàn)左右,同行業(yè)小尺寸的48個(gè)多觸頭的進(jìn)口價(jià)格也在140萬(wàn)元,價(jià)格還是相當(dāng)高的,基于備件儲(chǔ)備和費(fèi)用方面的考慮,通過(guò)技術(shù)分析驗(yàn)證了多觸頭國(guó)產(chǎn)化的可行性。
基于第2部分對(duì)多觸頭結(jié)構(gòu)的分析,結(jié)合圖紙及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物,確認(rèn)無(wú)誤,主要從以下幾個(gè)方面確認(rèn):
1)外形尺寸2 075×1 100×420通過(guò)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物核對(duì)無(wú)誤;
2)多觸頭體與氣流預(yù)緊實(shí)框架連接尺寸,該面主要是兩個(gè)定位鍵尺寸及連接孔尺寸(2017年五一檢修拆下時(shí)已確認(rèn));
3)多觸頭體下方框架通過(guò)對(duì)多觸頭密封條測(cè)繪圖紙反向推算也已基本確認(rèn);
4)78個(gè)多觸頭前后蓋螺釘固定孔的尺寸根據(jù)測(cè)繪的前后蓋可確認(rèn),多觸頭的相互尺寸圖紙資料中已給出,圖紙與實(shí)物一致;
5)閥塊固定端相關(guān)尺寸在檢修時(shí)拆下確認(rèn);
6)多觸頭缸體內(nèi)液壓通道的分布及尺寸與分析一致。前期通過(guò)圖紙分析繪出草圖,在檢修時(shí)對(duì)所有尺寸進(jìn)行核對(duì),最終出具完整的多觸頭體圖紙,如圖13所示;
7)多觸頭體其他部分如活塞桿、導(dǎo)桿、前后蓋由于在日常都測(cè)繪加工基本無(wú)誤,在整體設(shè)計(jì)的時(shí)候也將對(duì)有問(wèn)題的部位進(jìn)行改進(jìn);
8)通過(guò)對(duì)多觸頭各個(gè)零部件的測(cè)繪設(shè)計(jì),利用Solidworks軟件完成主機(jī)多觸頭的三維模型建立如圖14所示,完成建模后還可利用軟件自帶的裝配干涉檢查功能對(duì)裝配體進(jìn)行檢查,能夠方便直觀地發(fā)現(xiàn)零部件或尺寸是否有問(wèn)題,通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)無(wú)誤。
圖14 多觸頭三維模型
多觸頭中除了多觸頭體其余大部分零部件都已國(guó)產(chǎn)化,其實(shí)最主要的就是多觸頭缸體部分的加工,多觸頭缸體的加工主要體現(xiàn)在材料和工藝兩個(gè)方面。
1)材料方面
由于此多觸頭缸體由78個(gè)缸筒組成,內(nèi)部通道較多,且系統(tǒng)壓力較高,所以對(duì)材質(zhì)的要求也比較高,鑄鋼雖然價(jià)格低、工藝簡(jiǎn)單,但是鑄鋼存在著砂眼、粘砂、氣孔、縮孔、夾砂結(jié)疤、脹砂等鑄造缺陷,這些對(duì)多觸頭的正常使用都有嚴(yán)重的影響,綜合考慮采用40Cr或35CrMo鍛件加工,毛坯經(jīng)過(guò)檢測(cè)無(wú)缺陷后方可加工。
2)工藝方面
主要是長(zhǎng)孔油道的加工和多觸頭孔的加工,78個(gè)多觸頭孔總加工尺寸高度為420,孔徑63和80,三孔同軸度0.015,且多觸頭相互位置關(guān)系通過(guò)機(jī)加工藝的優(yōu)化都可以滿(mǎn)足。
其他按圖紙加工即可無(wú)技術(shù)難度。
綜上所述,多觸頭的國(guó)產(chǎn)化方案沒(méi)有任何問(wèn)題,再加上國(guó)內(nèi)制造業(yè)裝備技術(shù)水平都有很大提高,完全能夠?qū)崿F(xiàn)多觸頭的國(guó)產(chǎn)化。進(jìn)口價(jià)格約240萬(wàn)元,國(guó)產(chǎn)化的價(jià)格在100萬(wàn)以?xún)?nèi),如果實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化可節(jié)約140萬(wàn)元的費(fèi)用。
通過(guò)近一年的生產(chǎn)實(shí)踐證明對(duì)主機(jī)壓頭的改善達(dá)到了預(yù)期的效果,對(duì)進(jìn)口靜壓造型線有了深入的了解,提升了對(duì)進(jìn)口設(shè)備的維護(hù)經(jīng)驗(yàn),充分發(fā)揮設(shè)備的性能,同時(shí)也積累了設(shè)備國(guó)產(chǎn)化方面的經(jīng)驗(yàn)。