新型鑄模脫模技術(shù)研究與設(shè)計(jì)

吳修文 周 奎

(馬鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院責(zé)任有限公司，安徽243000)

在大多數(shù)的鋼廠內(nèi)，不同形狀規(guī)格的鋼錠脫模主要是利用行車將鑄模由豎直旋轉(zhuǎn)成水平狀態(tài)，并移動(dòng)行車對(duì)鑄模底部澆鑄口進(jìn)行撞擊或者人工錘擊底部，然后人工去掉懸掛在鑄模上吊耳，鑄模再由水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)為冒口朝下的豎直狀態(tài)，最后鑄模內(nèi)鋼錠順著錐度的內(nèi)壁滑落到地面上。這種脫模方式經(jīng)過多次人工干預(yù)，工作效率低，有安全隱患，而且經(jīng)過長期的錘擊，容易造成鑄模報(bào)廢[1]。并且在現(xiàn)有鑄模澆鑄工藝中，鑄模形狀分為：圓形鑄模、方形鑄模、六角鑄模以及梅花鑄模等多種形狀規(guī)格。在傳統(tǒng)的脫模工藝中，往往只針對(duì)一種特定形狀規(guī)格的鑄模進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，存在局限性。

目前國內(nèi)也有研發(fā)出較為智能的脫模裝置，如中國專利申請(qǐng)?zhí)朇N110842178[2]，該專利公開了一種脫模機(jī)組及脫模方法，該脫模機(jī)組包括多自由度升降翻轉(zhuǎn)裝置、頂出裝置和導(dǎo)向裝置。該裝置雖然解決了由于重力強(qiáng)制脫模帶來的損壞，減少了安全隱患，但是水平頂出裝置需要將鋼錠至少頂出一定長度，才可滑落，對(duì)于長度較長鋼錠，頂出裝置的油缸和頂桿需要設(shè)計(jì)很長，在頂出過程中，較長的頂桿受壓力變形，導(dǎo)致頂出力不在中心線上，并且鑄模內(nèi)一般都為上大下小的錐形，在頂出過程中，錐形鋼錠容易偏心，造成脫?？D；平臺(tái)上的限位通槽只能適用于圓形鑄模，針對(duì)方形、六邊形、梅花形鑄模無法適用。

本文研究設(shè)計(jì)出一種適用于多種形狀鑄模的新型脫模裝置，對(duì)鑄模夾緊牢固，工作效率和安全穩(wěn)定性高；脫模方法操作簡便，全程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，節(jié)省人力成本。

1—一層檢修平臺(tái) 2—拉緊裝置 3—二層檢修平臺(tái) 4—護(hù)欄 5—夾緊裝置 6—頂升裝置 7—工作平臺(tái) 8—鑄模鋼錠 9—鋼錠夾具 10—行車

1 新技術(shù)設(shè)計(jì)方案

該裝置包括無人智能行車、鋼錠夾具、脫模工作平臺(tái)、拉緊裝置、鑄模夾緊裝置、頂升裝置、檢修平臺(tái)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，脫模裝置總裝配圖見圖1。工作平臺(tái)上設(shè)置有放置鑄模的工作位，工作位上設(shè)置有鑄模夾緊裝置，保證鑄模在脫模過程中的上下約束，同時(shí)工作位上還設(shè)置有拉緊裝置，工作位的下方設(shè)置有用于頂升鑄模內(nèi)鋼錠的頂升裝置。工作平臺(tái)與旁邊檢修平臺(tái)互不干涉，為獨(dú)立部件，檢修平臺(tái)設(shè)置在地面上。

鑄模脫模裝置工作步驟見圖2。

從圖3液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)布置圖可以看出，液壓系統(tǒng)放置在檢修平臺(tái)底部，用于驅(qū)動(dòng)整機(jī)的油缸動(dòng)作。控制系統(tǒng)在檢修平臺(tái)側(cè)面，二層控制室人員可直接觀察脫模工作平臺(tái)操作。

圖2 脫模裝置工作步驟

1—共2層。設(shè)置開門，開窗 2—前擋玻璃 3—拉緊裝置 4—一層檢修平臺(tái) 5—二層檢修平臺(tái) 6—鑄模 7—頂桿 8—夾緊裝置 9—工作平臺(tái) 10—頂升裝置 11—液壓站房子

1—連接座 2—脫模油缸 3—螺紋套 4—脫模桿 5—?dú)秩γ芊馍w 6—導(dǎo)向套 7—上導(dǎo)向座 8—支撐架臺(tái) 9—墊板 10—頂頭 11—鑄模 12—鋼錠

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 頂升裝置

頂升裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。頂升裝置包括頂升油缸，頂升油缸與脫模桿連接，脫模桿的頂端設(shè)置有頂頭，頂頭設(shè)置呈弧面，增大與鋼錠的接觸。通過頂升油缸驅(qū)動(dòng)脫模桿進(jìn)行上下直線運(yùn)動(dòng)，因鑄模的底部均會(huì)設(shè)置有孔，脫模桿上的頂頭穿過該孔對(duì)鑄模內(nèi)的鋼錠進(jìn)行頂升從而完成鋼錠的脫模操作，頂升油缸不直接與鋼錠接觸，因此保護(hù)頂升油缸不受損壞。

同時(shí)，為了進(jìn)一步保證脫模裝置的脫模效果，頂升裝置設(shè)置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)置有供脫模桿穿過的導(dǎo)向套，且導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的上下兩端均設(shè)置有氈圈密封蓋，能夠有效避免導(dǎo)向套受到外界環(huán)境的污染，提高導(dǎo)向套的使用壽命，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)通過螺栓固定在工作位上。

2.2 夾緊裝置

夾緊裝置結(jié)構(gòu)見圖5，工作位上設(shè)置有四個(gè)鑄模夾緊裝置，兩兩為一組，且一組內(nèi)的兩個(gè)鑄模夾緊裝置在一條直線上，四個(gè)鑄模夾緊裝置所圍成的區(qū)域即是鑄模放置的工作位。

鑄模夾緊裝置和工作位均設(shè)置在支撐架臺(tái)上，鑄模夾緊裝置包括夾緊油缸，夾緊油缸通過銷軸安裝在安裝座上，并且在銷軸和安裝座之間設(shè)置有銅套，潤滑銷軸。夾緊油缸的頭部連接滑座，滑座設(shè)置在平板上。在滑座的底部設(shè)置有滑塊，且在平板上設(shè)置有兩條相對(duì)的壓板，壓板上開設(shè)有滑槽，滑塊可以在滑槽內(nèi)進(jìn)行滑行。通過夾緊油缸驅(qū)動(dòng)滑座帶動(dòng)滑塊在壓板內(nèi)滑行實(shí)現(xiàn)滑座與鑄模的接觸。

1—平板 2—壓板 3—夾緊機(jī)構(gòu) 4—復(fù)位彈簧 5—導(dǎo)向板 6—旋轉(zhuǎn)軸 7—滑座 8—夾緊油缸 9—安裝座

1—平板 2—夾板 3—滑塊

夾緊裝置截面圖見圖6，滑座上設(shè)置有導(dǎo)向板。導(dǎo)向板設(shè)置在滑座的上部，且導(dǎo)向板與鑄模接觸的表面設(shè)置有凹槽，呈“V”形，在導(dǎo)向板上開設(shè)凹槽一是減輕導(dǎo)向板的整體重量從而減輕對(duì)滑座的壓力；二是使得與鑄模接觸的導(dǎo)向板具有一定斜度，能夠?qū)﹁T模起到較好的導(dǎo)向作用，使得鑄模順著導(dǎo)向板繼續(xù)下降直至到工作位上。

四組鑄模夾緊裝置能夠?qū)﹁T模進(jìn)行全方位的夾緊，進(jìn)一步提高夾緊效果，從而提高脫模過程的安全性。并且在夾緊油缸上設(shè)置有線性位移傳感器，每個(gè)線性位移傳感器內(nèi)設(shè)定有固定參數(shù)，該參數(shù)依照不同規(guī)格的鑄模進(jìn)行選取。在進(jìn)行吊運(yùn)鑄模至工作位之前，首先四個(gè)鑄模夾緊裝置進(jìn)行工作，使其圍成的區(qū)域是能夠使用該鑄模的大小，每個(gè)夾緊油缸開始動(dòng)作，等到夾緊油缸工作達(dá)到線性位移傳感器固定參數(shù)時(shí)，夾緊油缸停止動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)四個(gè)鑄模夾緊裝置圍成區(qū)域的工作位開口度調(diào)節(jié)，并及時(shí)針對(duì)不同規(guī)格大小的鑄模進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步提高工作效率以及提高工作的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，保證鑄模準(zhǔn)確落入工作位中。

夾緊裝置夾緊鑄模受力分析如圖7所示，f為單邊楔塊和鑄模之間摩擦力，取鋼-鋼摩擦因子μ=0.3，F(xiàn)1為單個(gè)楔形塊夾緊力，一共四組F1，按照最大的頂升力計(jì)算，頂升力取F推=F2=22 t，根據(jù)靜力平衡原理：

G+f總=F2

(1)

由于四邊楔形塊夾緊，故f總=4f

最小圓形鑄模取G=5.4 t，根據(jù)公式(1)，得出

f總=F2-G=22 t-5.4 t=16.6 t

即單邊摩擦力f=f總4=4.15 t，實(shí)際工作時(shí)，也有可能四組摩擦力的不平均導(dǎo)致單邊摩擦力達(dá)不到理論值，所以取摩擦力不平均系數(shù)k=1.2，得到

f實(shí)=kf=1.2×4.15 t=4.98 t

根據(jù)f=μF1得出單邊楔塊夾緊力F1=fμ=4.98 t0.3=16.6 t

綜合上述，當(dāng)頂升力最大情況下F2=22 t時(shí)，單邊楔形塊夾緊力需要F1=16.6 t，最小鑄模不會(huì)被頂起，最大鑄模由于重量大于最小鑄模，更不會(huì)被頂起。

根據(jù)單邊夾緊力F1=16.6 t，故選取夾緊油缸?125 mm?70 mm，當(dāng)壓力P=14 MPa時(shí)，單個(gè)夾緊油缸F夾=17.2 t>F1=16.6 t，滿足要求。

2.3 拉緊裝置

為了進(jìn)一步保證鑄模在進(jìn)行脫模過程中的穩(wěn)定性，工作位上還設(shè)置有拉緊裝置(見圖8)。拉緊裝置包括鋼絲繩，鋼絲繩的兩端分別依次穿過導(dǎo)向定滑輪和鑄模上的吊耳，通過鋼絲繩夾和套環(huán)與固定座連接；鋼絲繩的頭部通過連接頭與拉緊油缸連接。將導(dǎo)向定滑輪與中心線偏擺角度β設(shè)置為6°～10°，以便同時(shí)適用于最小和最大規(guī)格的鑄模拉力方向。

圖7 夾緊裝置夾緊鑄模受力分析

1—拉緊油缸 2—連接頭 3—鋼絲繩 4—導(dǎo)向定滑輪 5—鋼絲繩夾 6—套環(huán) 7—固定座 8—鑄模上的吊耳

1—多自由度安裝座 2—銅套 3—焊接軸 4—固定底座

圖9為拉緊裝置多自由度安裝座，拉緊油缸上的連接耳軸設(shè)置在多自由度安裝座內(nèi)。拉緊油缸上下均設(shè)置有連接耳軸，使得拉緊油缸能夠繞著連接耳軸進(jìn)行擺動(dòng)。同時(shí)多自由度安裝座的兩側(cè)設(shè)置有焊接軸，多自由度安裝座通過焊接軸與固定底座連接，焊接軸一端與多自由度安裝座連接，另一端通過銅套插進(jìn)固定底座的孔中，而多自由度安裝座是設(shè)置在固定底座上的，這樣的設(shè)置使得多自由度安裝座能夠繞著焊接軸進(jìn)行擺動(dòng)。整體可以實(shí)現(xiàn)拉緊油缸的上下擺動(dòng)和多自由度安裝座的左右擺動(dòng)，以便在鋼絲繩拉緊過程中，補(bǔ)償由于鑄模上兩個(gè)吊耳制造誤差帶來的影響和兩段鋼絲繩拉緊力不同步的影響，進(jìn)一步保證了拉緊效果。

3 液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

脫模裝置液壓系統(tǒng)主要為夾緊裝置、拉緊裝置和頂升裝置提供動(dòng)力。對(duì)于夾緊裝置，當(dāng)夾緊力達(dá)到液壓系統(tǒng)設(shè)定值，并且四組油缸夾緊力相同時(shí)，液壓系統(tǒng)保壓。對(duì)于頂升裝置，設(shè)置5種鑄模規(guī)格而頂升力不同的壓力反饋。

為了進(jìn)一步提高自動(dòng)化設(shè)置，將拉緊油缸與夾緊油缸進(jìn)行聯(lián)鎖設(shè)置并且兩個(gè)油缸均與脫?？刂葡到y(tǒng)連接，具體如下：因在脫模操作時(shí)，會(huì)在控制系統(tǒng)中設(shè)定夾緊壓力值和拉緊壓力值，這兩個(gè)參數(shù)依據(jù)鑄模的不同進(jìn)行具體設(shè)定，而拉緊油缸與夾緊油缸也會(huì)設(shè)定工作值。夾緊油缸會(huì)設(shè)定一個(gè)工作壓力值A(chǔ)，控制系統(tǒng)中夾緊壓力值為B，并且A

控制系統(tǒng)的操作屏上設(shè)置：5個(gè)“預(yù)夾緊”按鈕，1個(gè)“夾緊”按鈕，1個(gè)“夾緊松開”按鈕；1個(gè)“繩拉緊”按鈕，1個(gè)“繩松開”按鈕；5個(gè)“頂升伸出”按鈕，1個(gè)“頂升縮回”按鈕。

為了加強(qiáng)拉緊裝置安全性，增加1個(gè)“繩拉緊自鎖”按鈕，“繩拉緊自鎖”一般是鎖定的，防止誤操作，只有人員遠(yuǎn)離脫模平臺(tái)，將“繩拉緊自鎖”按鈕解鎖，才可進(jìn)行“繩拉緊”按鈕操作。5個(gè)“頂升伸出”按鈕分別控制5種工作壓力。

4 整機(jī)仿真設(shè)計(jì)和分析

新型脫模裝置的工作平臺(tái)由于鑄模沖擊和頂升力的影響，承受大部分載荷，其強(qiáng)度關(guān)系到整個(gè)裝置的穩(wěn)定性和安全性，故采用Inventor軟件本身強(qiáng)大的有限元分析對(duì)其進(jìn)行安全校核，圖10為工作平臺(tái)主要框架有限元分析云圖，該過程主要分為3步，導(dǎo)入模型劃分網(wǎng)格，調(diào)整約束與載荷，分析配合和粘結(jié)關(guān)系，最終分析結(jié)果。

圖10 工作平臺(tái)主要框架有限元分析云圖

5 結(jié)論

新型鑄模脫模技術(shù)的有益效果：

(1)當(dāng)鑄模放入工作位時(shí)，通過夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)不同規(guī)格鑄模進(jìn)行夾緊固定，夾緊機(jī)構(gòu)能夠根據(jù)不同形狀的鑄模進(jìn)行位置調(diào)整，增加了整個(gè)過程的智能化處理，工作效率高，并且通過彈性件實(shí)現(xiàn)夾緊機(jī)構(gòu)的復(fù)位，操作簡單。

(2)新型脫模裝置工作位上還設(shè)置有拉緊裝置，拉緊裝置實(shí)現(xiàn)鑄模向上的約束，并與夾緊裝置聯(lián)鎖，保證脫模過程中鑄模的穩(wěn)固性能和安全性能。

(3)新型脫模裝置通過頂升油缸驅(qū)動(dòng)脫模桿穿過鑄模底部的孔對(duì)鋼錠進(jìn)行頂升，使得鋼錠與鑄模內(nèi)壁脫離，整個(gè)動(dòng)作簡單平穩(wěn)；避免由于導(dǎo)向桿的脫模力與重力偏移帶來的卡頓和卡死現(xiàn)象。

新型鑄模脫模技術(shù)全程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化脫模操作，極大提高了鋼錠脫模的效率，同時(shí)節(jié)省了人力資源成本的投入，保證脫模過程的安全性，具有較高的經(jīng)濟(jì)使用價(jià)值和應(yīng)用前景。