輕量化鑄造鋁合金輪轂生產線的升級改造

熊國源

中信戴卡股份有限公司 河北秦皇島 066011

1 序言

隨著現(xiàn)代汽車節(jié)能降耗要求的不斷高漲、安全和環(huán)保法規(guī)日趨嚴格，汽車輕量化已成為世界汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

鋁合金質量輕、強度高、成形性好、價格適中、回收率高，對降低汽車自重、減少油耗、減輕環(huán)境污染與改善操作性能等有著重大意義，已成為汽車工業(yè)的首選材料。汽車鋁合金輪轂較鋼輪轂平均輕2kg左右，當車速為60km/h時可省油5%～7%[1]。此外，鋁合金輪轂還有散熱快、減振性能好、輪胎壽命長、安全可靠、外形美觀、圖案豐富多彩，以及尺寸精確，耐腐蝕、加工性好、平衡好等優(yōu)點，為國內外各大汽車制造商大量采用。

目前，中信戴卡股份有限公司（以下簡稱“中信戴卡”）在秦皇島現(xiàn)有鑄造鋁合金輪轂一號和二號生產線，以及鍛造鋁合金輪轂生產線，年生產能力600萬件。其中，鑄造鋁合金輪轂一號生產線是國內行業(yè)的標桿工廠，年產低壓鑄造鋁合金輪轂200萬件，人均生產率6000件/年。

但是，鋁合金輪轂一號生產線投產兩年后已處于超負荷運行狀態(tài)，鑄造車間熔煉工序能力不足，機加車間設備故障率較高，以及涂裝車間設備不穩(wěn)定、故障率高等問題限制了產能的持續(xù)提升。為滿足不斷增長的市場需求，亟需提升鋁合金輪轂一號生產線的產能，對一號生產線的鑄造車間進行技術改造，提高生產線效率，目標年產能增加100萬件，并穩(wěn)定產品質量，降低生產成本。

2 產品和生產線總體情況

2.1 產品情況

中信戴卡一號生產線的產品是高強度、輕量化低壓鑄造汽車鋁合金輪轂（見圖1），產品規(guī)格在15～22in（1in=25.4mm）。低壓鑄造輪轂與傳統(tǒng)鑄造輪轂相比生產率高，鑄件表面更光潔、金相組織更致密、質量較好，產品合格率較高，但成本比重力鑄造稍高。

圖1 低壓鑄造汽車鋁合金輪轂

此外，低壓鑄造輪轂比傳統(tǒng)鑄造輪轂的強度更高，同規(guī)格的低壓鑄造輪轂比傳統(tǒng)鑄造輪轂要輕5%～10%，材料利用率可提高10%左右。

2.2 生產線情況

鋁合金輪轂一號生產線擬增加100萬件/年產能的技術改造項目位于秦皇島中信戴卡產業(yè)園內。該生產線的主要工藝過程：鋁錠→鑄造→熱處理→機加工→涂裝→成品→外運。其生產原材料主要是鋁錠，輔助原料是油漆、二甲苯等有機溶劑等[2]，生產的成品是鋁合金輪轂。主要采用的是鑄造、熱處理、機加工、涂裝、機械化運輸、機器人等生產設備。

改造項目的主要內容包括：利用原一號生產線聯(lián)合廠房，包括鑄造車間、熱處理車間、機加車間等，進行技術改造，增加鋁合金輪轂生產能力100萬件/年，使鋁合金輪轂一號生產線的生產能力達到300萬件/年。改造新增的生產綱領見表1。

表1 鋁合金輪轂生產綱領（新增部分）

項目產品所有生產過程，包括鑄造、熱處理、機加工、涂裝和產品包裝等均在鋁合金輪轂一號生產線內完成，不需外部生產協(xié)作。

3 改造項目方案

3.1 改造方案設計原則

1）對鋁合金輪轂一號生產線進行技術改造，提升產能，提高設備開動率，降低制造成本，提高人均生產效率。

2）利用現(xiàn)有廠房內預留生產面積和生產線，不增加廠房面積，只增加部分生產設備，改造物流輸送裝置，增加產能100萬件/年。

3）遵循工藝水平高、設備先進、運行可靠、經(jīng)濟合理原則，選用高效節(jié)能設備，節(jié)能降耗，降低產品制造成本。

4）采用精益生產的理念指導設計，實行均衡生產；嚴格控制在制品數(shù)量，盡量減少中間儲存。

5）減少原材料消耗，機加工的鋁屑回收重熔。

6）合理布置生產線，注重各條生產線之間的物流銜接，合理選用先進的機械化輸送裝置，防磕碰，防側翻，生產過程避免落地。

7）嚴格執(zhí)行國家和地方頒布的環(huán)保、消防、勞動安全及衛(wèi)生等方面的法規(guī)及標準，對生產中產生的廢水、廢氣、廢物及噪聲進行有效的治理，達標排放，盡可能減少對環(huán)境的影響；對工業(yè)冷卻水、廢鋁件、鋁屑循環(huán)利用，實施清潔生產。

8）在工程設計中合理應用節(jié)能減排技術，生產線余熱回收利用。注重設計節(jié)能，采取有效的節(jié)能措施，提高能源的利用率。

3.2 技術改造主要內容

鋁合金輪轂一號生產線由鑄造車間、熱處理車間、機加車間、涂裝車間、包裝車間及成品庫組成，有297臺主要生產設備，員工380人，年產鋁合金輪轂200萬件。本次技術改造主要包括如下內容。

（1）鑄造車間 在原有生產線基礎上，不增加車間生產面積，增加1套熔化爐、1臺靜置爐、4臺低壓壓鑄機、1臺X射線無損檢測設備、1臺7t專用叉車，提升產能和生產效率。

（2）熱處理車間 在原車間預留發(fā)展區(qū)域增加1套熱處理爐組、1臺自動鉆床，提高生產能力；改造原熱處理爐組上下料機械手，降低故障率。不增加車間生產人員和生產面積，人員內部調整。

（3）機加車間 在原生產線預留區(qū)增加5個加工單元，提升產能；改進去飛邊工序物流布局，提高設備利用率；增加3臺精密數(shù)控車床，提升精車工序生產能力。不增加車間生產人員和生產面積。

（4）涂裝車間 改造現(xiàn)有生產線上物流輸送設備，對生產線進行局部改造，并增加透明粉噴房，提高生產效率和設備可靠性；對涂裝后下線物流輸送裝置進行改造，改善物流。不增加生產人員。

（5）包裝車間及成品庫 原生產線主體維持現(xiàn)狀，配合涂裝車間下線物流輸送系統(tǒng)改造。不增加車間設備。

3.3 生產線設備更新

新增主要生產設備匯總見表2。

表2 新增主要生產設備匯總 （臺）

3.4 鑄造車間工藝改造和升級

下面以鋁合金輪轂生產核心的鑄造車間為例，介紹生產線工藝、裝備、能耗等部分的技術升級和改造情況。

（1）車間現(xiàn)狀 鋁合金輪轂一號生產線鑄造車間由熔煉、壓鑄、清理工段組成，主要生產設備有2套3.8t/h熔煉爐組（鋁錠+鋁屑）和24臺低壓鑄造機，鋁液熔化能力7.6t/h，年產汽車鋁合金輪轂鑄件200萬件。鑄造車間承擔汽車鋁合金輪轂鑄件的鑄造及檢測生產任務，產品為15～22in鑄造鋁合金輪轂，材質為A356.2，鑄件要求表面光潔，組織均勻致密，無內部質量缺陷，最大鑄件重27kg，外形尺寸最大22in。

本次技術改造新增輪轂鑄件100萬件/年的生產綱領，使鑄造車間達到300萬件/年的生產能力。

（2）設計原則和主要工藝說明 針對鑄造車間的改造設計原則包括以下幾個方面。

一是對鋁合金輪轂一號生產線鑄造車間進行技術改造，提升產能，提高人均生產效率。

二是利用現(xiàn)有廠房內預留生產面積，增加熔煉爐、靜置爐、壓鑄機、X射線檢測設備，改造物流輸送裝置，不增加廠房面積，僅增加必要的生產人員。

三是遵循工藝水平高、設備先進、運行可靠、經(jīng)濟合理原則，選用高效節(jié)能設備，節(jié)能降耗，降低產品制造成本。

四是采用精益生產的理念指導設計，實行均衡生產；嚴格控制在制品數(shù)量，盡量減少中間儲存。

鑄造車間的主要工藝環(huán)節(jié)如圖2所示。

圖2 鑄造車間工藝環(huán)節(jié)

1）熔煉工部：合格的金屬爐料用叉車運進熔煉工部存放，回爐料用叉車運至本工部。機加工車間的鋁屑通過輸送系統(tǒng)運至鋁屑兼熔爐進行處理后作為回爐料熔煉。人工稱量配料，用手推車將配好的爐料倒入熔煉爐加料斗內，經(jīng)過提升式加料機分批按時加入爐內[3]。

本次技術改造新增1套2t/h天燃氣鋁錠熔煉爐，新增一套6t靜置爐，并對原有熔煉爐C爐鋁屑爐渦流室進行改造以增加容量。熔煉出的鋁液溫度達到工藝溫度，扒渣、化驗合格后，出鋁液至靜置爐（同時進行變質處理），除氣、測氫合格后，用叉車將鋁液送至低壓鑄造機保溫爐。

熔煉爐后增加靜置爐，可以減少鋁液中的氧化物，解決了鋁錠和屑錠間的凝固區(qū)間不同帶來的問題，更有利穩(wěn)定鑄造工藝。

鋁合金熔煉采用國產先進的立式連續(xù)天燃氣熔煉爐，采用鋁錠、鋁屑回爐料重熔，并合金化精煉。采用直讀光譜儀對每一爐鋁液進行爐前快速分析，確保鑄件化學成分合格。

采用爐內噴吹精煉，爐前吹氮氣凈化，鋁鈦硼晶粒細化，鍶變質處理，用可加熱保溫包轉運鋁液，節(jié)約能源，減少溫度損失，提供合格鋁液。

2）低壓鑄造工部：本次技術改造新增4臺低壓鑄造機生產鋁合金輪轂鑄件，機器模（底）板尺寸為1650mm×1000mm，可滿足22in車輪的鑄造需要。低壓鑄造機生產過程全自動控制，模具采用水冷方式冷卻。

鑄造成形工藝過程如下：設備、模具準備→開?！逻^濾網(wǎng)→合?！訅撼湫汀骸鋮s（卸壓）→開?！鷻C械手取件→鑄件水淬冷卻→去飛邊→初檢→（輥道運走）。

4臺低壓鑄造機布置在原有壓鑄平臺上，壓鑄機平臺高度1.8m。平臺下中間設機動輥道，鑄造出的鋁合金輪轂鑄件經(jīng)機械手取件后降落至平臺下方機動輥道上運至清理工部。

3）清理工部：鑄件毛坯從壓鑄工段下線后經(jīng)輥道運送至噴淋冷卻箱，進入噴淋冷卻工序。噴淋冷卻段分為三段：預冷段（水溫80℃）、冷卻段（水溫50℃）和吹干段（翻轉后吹干）。噴淋冷卻機上部裝有噴頭，均勻地將水噴至鑄件上。冷卻后設置人工檢查工位，不合格的毛坯將直接放入料框中運走，回爐重熔。

冷卻后的鑄件通過輥道輸送至X射線檢測設備進行100%無損檢測。檢測不合格的鑄件直接放入廢件斗，合格鑄件隨輥道輸送至沖床去掉冒口，隨后輸送至精修工位，人工借助風動砂輪工具對鑄件進一步修整飛邊。清理完畢的鑄件，經(jīng)檢修合格后從輥道上送入熱處理車間。

本次改造新增一臺自動X射線檢測設備。

（3）鑄造車間的物料運輸能力改造 在運輸方式上，鑄造車間所用各種材料均由叉車運進本車間熔煉工部備用，鋁液采用專用叉車和澆包送至各壓鑄機保溫爐，生產的成品鑄件用機動輥道送至熱處理車間。完成改造后，車間的運輸能力和運輸量將大大提高。

（4）節(jié)能降耗 本次改造升級項目的重點之一是節(jié)能降耗，在新增產能的同時，控制綜合耗能成本攀升，支撐中信戴卡綠色環(huán)保的發(fā)展戰(zhàn)略，生產線改造的新增能耗量見表3。

表3 能耗量（新增部分）

主要的節(jié)能降耗措施包括以下幾點：

1）各種設備均選用高效節(jié)能設備，節(jié)約能源。所選用的熔煉爐爐型結構先進，熔煉爐的爐體采用先進的保溫耐火磚，保證爐體外部溫度低于40℃，熔化燒嘴采用熱風循環(huán)蓄熱裝置。這些措施有效地提升了燃氣利用效率，降低了燃氣的消耗，大量節(jié)省能源。

2）熔煉爐高溫廢氣進行余熱回收利用，用于車間熱水供應。

3）低壓鑄造機、模具、輪轂等冷卻水均采用循環(huán)水，減少能耗；熱循環(huán)水通過熱交換器產生的熱水供浴室利用。

（5）綠色環(huán)保

1）本車間產生的污染源：金屬熔煉、低壓鑄造等生產過程中產生的煙氣、余熱；熔煉爐的鼓風機、模具空氣冷卻、清理工部的鑄件打磨是主要的噪聲源。

2）對污染源采用的治理措施：從熔煉、鑄造工藝和設備選型等環(huán)節(jié)上采取措施，減少污染源；加強通風除塵，熔煉車間熔煉爐的煙氣排放都先進行除塵處理和熱能利用，不僅提高了熱能利用效率，也將煙氣的排放嚴格控制在環(huán)境保護的標準之內。車間要求全室通風換氣。

（6）工業(yè)衛(wèi)生

1）通風除塵措施：對于產生大量煙塵、余熱的工位和設備，采用局部排風的方法進行排除，改善工人勞動條件，保障工人身體健康。

2）防暑降溫措施：車間夏季采用風扇降溫，并引入室外冷風到工位，以改善工人作業(yè)環(huán)境。

（7）職業(yè)安全

1）鑄造生產工序繁多，安全事故較一般機器制造車間多，如燙傷、機械損傷等，因此生產過程中專門編制文件，配置安全專人，加強安全管理。

2）運輸、傾倒鋁液時要注意液態(tài)金屬的飛濺，穿戴好勞保用品，以防燙傷。

3）車間內留有必要的主通道和人行道，車間開門分別設置物流門和人行門，盡量避免人流、物流交叉，危險部位設警語標志和燈光警示燈，確保操作工人的安全。

4）鑄造車間工作平臺都設置安全護欄，在輥道地溝入口處設置安全護欄，在設備運行危險部位設置安全防護網(wǎng)，如在熔煉爐鋁錠提升加料處設置安全防護網(wǎng)等，采取這些措施有效地保障了工人的安全。

4 結束語

經(jīng)過近一年的工作，“輕量化鑄造鋁輪轂產線改造”項目面向產品市場的迫切需求，確立了經(jīng)濟、合理的建設方案，通過設備升級、技術升級、生產管理升級，實現(xiàn)了工藝條件穩(wěn)定、產品質量穩(wěn)定、產能提升的目標。

在技術改造層面，本項目在中信戴卡原有鋁合金輪轂一號生產線的基礎上，在不增加廠房面積的前提下，增加少量生產設備和機器人，更新、改造部分物流輸送系統(tǒng)，實現(xiàn)了增加100萬件/年鑄造鋁合金輪轂的生產能力，提高了人均生產率，降低了生產成本，提高了經(jīng)濟效益。

在產品創(chuàng)新層面，鋁合金輪轂產品重量輕、強度高、性能優(yōu)異，其生產工藝先進，材料利用率高。本項目的產品市場面向國內、國外兩個市場，以出口為導向，以國內為主要市場，市場需求空間巨大，產品市場競爭力優(yōu)勢顯著。