低壓鑄造熱加工車間智能化生產(chǎn)技術(shù)

章旭霞，袁亮亮，趙志剛，許國鈺，張海東

浙江萬豐科技開發(fā)股份有限公司 浙江紹興 312499

1 序言

在汽車零部件中，鋁合金材料以其密度小、比強(qiáng)度高、成形方式多樣化等性能特色，得到了普遍應(yīng)用。尤其是近幾年，出于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車輕量化已成為全球發(fā)展的潮流，不少零部件由“黑色”轉(zhuǎn)到了“有色”，其中鋁合金件更為普及。

在鋁合金鑄造方式上，重力、低壓、差壓、高壓及鑄旋等各種鑄造模式并存，在不同需求場景發(fā)揮著各自的特色和作用。低壓鑄造作為一種鑄造成形技術(shù)，成形鑄件具有缺陷相對較少、鑄件流動性和成形性好、組織致密度高、力學(xué)性能好，以及鋁液收得率高等優(yōu)點(diǎn)，成為鋁合金鑄件的核心鑄造工藝之一。其原理是液體金屬在壓力作用下充填型腔，以形成鑄件的一種方法[1]。

低壓鑄造機(jī)自身的自動化程度已很高。但近幾年，汽車輕量化的另一途徑是將多個零件優(yōu)化合并成一個，大型鑄件逐漸增多；復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，需要砂芯配合獲得鑄件；隨著鑄造工藝和模具的技術(shù)提升，為提高生產(chǎn)效率，一模多件的生產(chǎn)模式越來越普遍。大型鑄件的上砂芯、取件等已無法人工作業(yè)，必須借助自動化輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，外加精密鑄件鑄造過程工藝極為關(guān)鍵，更需要數(shù)字化技術(shù)輔助過程質(zhì)量分析，加劇了低壓鑄造過程自動化、智能化的必要性[2]。

工藝服務(wù)于鑄件，設(shè)備服務(wù)于工藝?；诖?，根據(jù)低壓鑄造的工藝路線，其生產(chǎn)模式還需形成完整的熱加工生產(chǎn)線，才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。其主要生產(chǎn)線布局如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線布局

2 各工序智能化生產(chǎn)技術(shù)

本文圍繞上述技術(shù)路線，對每個工序的自動化、智能化技術(shù)進(jìn)行剖析。

2.1 鋁液熔煉

熔煉爐工序首先是上料，目前常用方式是人工將裝料小車送入上料傳送架，再由傳送架自動提升裝料小車進(jìn)行倒料。此處可以外置料框庫，叉車一次性將成捆鋁錠放置到料框庫的裝料工位上，由料框庫自動傳送給上料機(jī)構(gòu)進(jìn)行投料，空框則反向輸出，自動下降到裝料工位，實(shí)現(xiàn)了上料完全自動化。

在出液口，常規(guī)放鋁方式是采用堵頭開合進(jìn)行放鋁液操作，其弊端是隨著使用時間越來越長，堵頭和放鋁孔不可避免地出現(xiàn)磨損，從而產(chǎn)生漏鋁風(fēng)險，或人工作業(yè)存在安全隱患。為此，可采用自動提放鋁液裝置（見圖2），將鋁液從低往高自動抽出，從原理上取消了堵頭的結(jié)構(gòu)，避免了人工放、堵的危險。該裝置還可實(shí)現(xiàn)取液腔與內(nèi)腔鋁液流動，保持取液腔的鋁液溫度，有利于減少能耗。

圖2 自動提放鋁液的裝置

熔煉爐是熱加工車間能耗最大的裝備，也是節(jié)能降耗的關(guān)鍵之處。熔煉爐廠家不遺余力地進(jìn)行技術(shù)提升，如改進(jìn)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、保溫層架構(gòu)、燒嘴布設(shè)位置，提高煙氣熱量利用率，盡可能降低能耗、減少熔鋁燒損；優(yōu)化尾氣收集技術(shù)，利用尾氣預(yù)熱對鋁錠進(jìn)行充分預(yù)熱；采用蓄熱燒嘴，有效降低燃?xì)庥昧?；另外，還有鋁屑循環(huán)裝置，通過鋁液熔化鋁屑、冒口等小廢料，還可以帶動取水腔和內(nèi)腔鋁液進(jìn)行循環(huán)，使兩者溫度均勻，大大降低此處的熔化燒損[3]。集中熔煉爐如圖3所示。

圖3 集中熔煉爐

2.2 鋁液處理

熔煉后的鋁液需在轉(zhuǎn)運(yùn)包內(nèi)進(jìn)行除氣精煉，不同的需求有不同程度的自動化配置技術(shù)。常規(guī)技術(shù)有精煉時間控制、溫度檢測、自動運(yùn)行，若精煉過程需要加粉、配料，則可在精煉機(jī)上配置相應(yīng)的自動定量傳送裝置。精煉需不斷通入冷態(tài)氣體進(jìn)行攪拌，是散熱最嚴(yán)重的環(huán)節(jié)，可在此處配置加熱裝置，有條件的可使用帶加熱功能的轉(zhuǎn)運(yùn)包，以有效降低對熔煉爐輸出鋁液的溫度要求，精煉后鋁液溫度穩(wěn)定，有利于鑄造質(zhì)量保障。

對于帶有爐蓋的坩堝爐，精煉工位配置必要桁架吊裝機(jī)構(gòu)、升液管保溫爐，以實(shí)現(xiàn)自動吊裝（見圖1）。

2.3 鋁液轉(zhuǎn)運(yùn)

傳統(tǒng)模式是采用叉車、行車對中轉(zhuǎn)包進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)或傾倒，存在較大的安全風(fēng)險。目前，采用自動換爐系統(tǒng)已成為發(fā)展趨勢，配合鑄造管控系統(tǒng)，可提前識別待加鋁機(jī)臺，自動將精煉后的保溫爐送入機(jī)臺，空爐運(yùn)至熔煉爐自動取鋁液，再轉(zhuǎn)運(yùn)至精煉工位，根據(jù)精煉工藝完成處理、待用。

鋁液轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（見圖4）具有自動調(diào)度、工位識別，與工位精準(zhǔn)定位，與熔煉爐、精煉機(jī)、低壓鑄造機(jī)聯(lián)動，全過程實(shí)現(xiàn)無人化作業(yè)。

圖4 鋁液轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)

2.4 低壓鑄造機(jī)

低壓鑄造機(jī)（見圖5）是獲得鑄件的核心裝備，可自動實(shí)現(xiàn)合型、充型、冷卻及取件的全過程作業(yè)，自動化程度已很高。

圖5 低壓鑄造機(jī)

其提升的空間，則聚焦于設(shè)備能耗、效率、精細(xì)化工藝實(shí)現(xiàn)方面。如液壓系統(tǒng)采用伺服液壓、蓄能器技術(shù)，優(yōu)化控制系統(tǒng)，與生產(chǎn)工藝相結(jié)合，可有效降低能耗；各機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度及相互配合得當(dāng)，快慢速運(yùn)行有效結(jié)合，可降低空循環(huán)時間，提高班產(chǎn)；模溫控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，采用溫度控溫、比例流量閉環(huán)冷卻控制系統(tǒng)，不僅能減少過度冷卻，還能提升鑄件質(zhì)量。

2.5 取件系統(tǒng)

在低壓鑄造過程中，其實(shí)還存在人工輔助放置過濾網(wǎng)、砂芯、清理模腔等輔助作業(yè)，可用含有機(jī)器人的自動取件單元（見圖6）加以解決，真正實(shí)現(xiàn)無人化作業(yè)[4]。

圖6 機(jī)器人取件單元

上述系統(tǒng)中，需重點(diǎn)考慮機(jī)器人與低壓鑄造機(jī)聯(lián)動的安全性（必須建有安全區(qū)）、節(jié)拍匹配度；夾具設(shè)計上則關(guān)注砂芯抓取要穩(wěn)固且無抓傷，鑄件取件不得傷及本身，過濾網(wǎng)取放過程不得掉落及掉落檢測等；對于大型、薄壁類存在變形的鑄件，則在打標(biāo)前需用激光檢測做位置標(biāo)定，保障打碼效果；為保障高品質(zhì)的連續(xù)鑄造，可采用目測、光電感應(yīng)、相機(jī)檢測等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鑄件完整性檢測，避免連續(xù)產(chǎn)生廢品。

2.6 鑄件清理線

取件系統(tǒng)取出的鑄件可通過冷卻輸送線轉(zhuǎn)運(yùn)到清理線（見圖7）。清理線根據(jù)鑄件的特性進(jìn)行配置，當(dāng)下最全面的工序有上件、擊砂、落砂、切邊、切割、打磨、鉆孔及打標(biāo)等，可作選擇性配置[5]。該生產(chǎn)線在總控系統(tǒng)的管控調(diào)度下，實(shí)現(xiàn)有序的聯(lián)動作業(yè)、無人化生產(chǎn)。

圖7 鑄件清理線

1）在上件裝置處，需對放置的鑄件進(jìn)行定位，方便機(jī)器人精準(zhǔn)抓取，同時能檢測有無鑄件放置到位，通知機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)。

2）擊砂設(shè)備則要考慮多款產(chǎn)品使用的通用性，氣錘可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整位置。錘擊位置的選擇至關(guān)重要，既不能損傷鑄件本體，又能使砂芯潰散。

3）落砂設(shè)備的振動幅度、頻率、產(chǎn)品加持方式直接關(guān)系到清砂效果和產(chǎn)品的損傷度，因此需結(jié)合鑄件特性進(jìn)行分析設(shè)計。

4）切邊機(jī)是驅(qū)動切邊模實(shí)現(xiàn)鑄件一次性清理多余飛邊的設(shè)備，其關(guān)鍵技術(shù)在于設(shè)備的平穩(wěn)性和液壓系統(tǒng)的控制。除切邊瞬間，設(shè)備需慢速運(yùn)行，其他時間應(yīng)快速上下，保障效率。底模則可以通過翻轉(zhuǎn)方式自動將切下廢料清理掉，以不影響下個產(chǎn)品的生產(chǎn)。切邊模的設(shè)計不僅要起到有效的切除，對于易變形鑄件還需留有一定的空間，避免切傷鑄件。

5）切割環(huán)節(jié)一般采用鋸片切割站、鋸床等模式，也可兩者并用，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鑄件的高效切割。鋸片大小需結(jié)合鑄件澆口、流道的復(fù)雜性配置，實(shí)現(xiàn)盡可能多的切除，但不得傷及鑄件本體。對于已變形鑄件，切割前應(yīng)進(jìn)行變形檢測，自動糾正機(jī)器人軌跡。

6）清刺打磨關(guān)鍵在于刀具的使用，對于不同飛邊、清理要求，需選配不同的刀具，清理后應(yīng)平整光滑，可配置必要的浮動裝置、力傳感技術(shù)。不管是怎樣的清理，都不得傷及鑄件本體。為保障連續(xù)作業(yè)的效果，系統(tǒng)需要有刀具壽命管理和斷刀檢測功能。去毛刺工具如圖8所示。

圖8 去毛刺工具

從環(huán)保角度考慮，此類生產(chǎn)線還應(yīng)配置有隔聲工房，將噪聲隔離在內(nèi)部，以及鋁屑、砂芯排除系統(tǒng)，無需人工進(jìn)入內(nèi)部處理。

3 鑄造管控系統(tǒng)

對于自動化生產(chǎn)線，對設(shè)備、感應(yīng)技術(shù)的依賴越來越嚴(yán)重，靠人工經(jīng)驗(yàn)的干預(yù)作業(yè)越來越少。因此，傳統(tǒng)由人工記錄、采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)的模式，由于及時性差、信息不全，所以已無法保障自動化生產(chǎn)線的連續(xù)運(yùn)行，就需要一套相匹配的專用管理系統(tǒng)來進(jìn)行全場掌控、整體調(diào)度、細(xì)節(jié)診斷、質(zhì)量分析。

鑄造管控系統(tǒng)是對從熔煉爐至清理線各工序的設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，從設(shè)備讀取實(shí)時數(shù)據(jù)和信息，在系統(tǒng)界面呈現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)和故障信息，及時掌握設(shè)備信息。同時，對設(shè)備所用的易損件、關(guān)鍵件進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，保障生產(chǎn)連續(xù)性。

生產(chǎn)歸根結(jié)底要保障品質(zhì)，系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控各工序工藝執(zhí)行情況并做記錄，一旦有偏離則報警或做停機(jī)處理，第一時間控制廢品的產(chǎn)生。而打標(biāo)產(chǎn)生的二維碼，是每個鑄件的唯一身份，系統(tǒng)以此為點(diǎn)串聯(lián)該鑄件生產(chǎn)時的所有工況信息，比如熔煉爐號、鋁液溫度、精煉后鋁液質(zhì)量、充型工藝、冷卻執(zhí)行情況，以及清理時鑄件溫度等，即時分析出該產(chǎn)品的缺陷原因所在。而數(shù)據(jù)存儲，也便于后續(xù)追溯和綜合分析。

作為全場的管控，系統(tǒng)就如指揮大腦，實(shí)現(xiàn)供鋁的自動調(diào)度，以及前后工序設(shè)備的連貫性作業(yè)。

4 智能化生產(chǎn)線規(guī)劃注意事項(xiàng)

無論是自動化還是智能化生產(chǎn)線，其規(guī)劃出的均是管理理念和思維的體現(xiàn)，因此管理的革新尤為關(guān)鍵，不然無法落地[6]。在規(guī)劃中需要注意以下事項(xiàng)。

1）自動化的前提是標(biāo)準(zhǔn)化。簡單舉例，所有模具的安裝規(guī)格就需要統(tǒng)一；之前為人工作業(yè)，轉(zhuǎn)為自動化的環(huán)節(jié)，其相應(yīng)的配件、作業(yè)流程必須標(biāo)準(zhǔn)化，不能懶于基礎(chǔ)工作的變革，一心想通過自動化設(shè)備或檢測技術(shù)來保障，否則會導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)難度大，增加故障率，徒增不必要的投入。

2）自動化程度與投入的考量。現(xiàn)代高科技技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)極高程度的自動化，但某些投入成本過高。遇到此類情況，可適當(dāng)考慮安排人工干預(yù)，沒必要一味追求極高程度的自動化。

3）產(chǎn)品選擇與效率。每個企業(yè)會有諸多產(chǎn)品，在規(guī)劃時，應(yīng)選擇批量大的產(chǎn)品投入到生產(chǎn)線，不上批量的不作考慮，否則會增加實(shí)現(xiàn)的難度，投入加大；若生產(chǎn)線經(jīng)常切換產(chǎn)品，則造成停機(jī)時間過長，效率低。

4）節(jié)拍與設(shè)備匹配。應(yīng)充分推演每個工序的工藝節(jié)拍、設(shè)備節(jié)拍，推算出合理的設(shè)備配置，并留有一定的裕量。

5）系統(tǒng)安全性。無論是設(shè)備之間的配合，還有生產(chǎn)線檢修、人工巡查都涉及到安全問題，此類的防范措施必須考慮周全、配置到位，并有必要的系統(tǒng)自判斷功能。

6）管控系統(tǒng)的選擇。市面上的MES系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)非常多，抉擇時要考慮企業(yè)的真正目的是什么，是否能解決當(dāng)前痛點(diǎn)，是否能有效落地，是否能解決管理中的問題，而不是跟風(fēng)而上。

5 結(jié)束語

智能化生產(chǎn)線的實(shí)施，作為企業(yè)不能只盯著前沿先進(jìn)的技術(shù)，或依賴于實(shí)施方的策劃，更要打?qū)嵒A(chǔ)、規(guī)范基層作業(yè)和管理，要從企業(yè)自身核心需求出發(fā)，方能獲得能創(chuàng)造價值、輔助企業(yè)發(fā)展的生產(chǎn)線。