閉式高潔凈取注漿機的設計開發(fā)

李真健，葉寒，劉旭波，楊湘杰

(1.廣東科達機電股份有限公司，廣東 佛山 528313;2.南昌大學江西省高性能精確成形重點實驗室，南昌 330009)

近年來，我國在半固態(tài)金屬成形技術研究領域取得了很大的進展，但在工業(yè)應用方面尚未取得較大突破。在大容量半固態(tài)漿料制備方面，將金屬漿料從保溫爐取出到注入半固態(tài)裝置的過程中，如何保證金屬漿料潔凈度和溫度，對半固態(tài)制漿成敗至關重要[1－6]。某高校研究機構為保證漿料運輸?shù)馁|量，準備采用電磁管道輸送，但在技術上有很大難度，目前都沒完成。可見如何保證金屬漿料在輸送過程的高潔凈是大容量半固態(tài)漿料制備的一項關鍵技術。目前壓鑄行業(yè)通用的澆湯機一般采用開口式湯罐，鋁液上表面與空氣接觸會產(chǎn)生氧化鋁，表面與空氣接觸散熱冷卻形成殼，都會影響半固態(tài)漿料的質量[7－9]。

廣東科達機電股份有限公司與南昌大學在“半固態(tài)金屬內腔擠壓鑄造成形關鍵技術及成套裝備研發(fā)項目”中引入柔性制造理念，在工藝設計布置上采用靈活的工藝路線，可以根據(jù)客戶和產(chǎn)品的需要靈活調整，實現(xiàn)液態(tài)金屬內腔擠壓鑄造成形和半固態(tài)金屬內腔擠壓鑄造成形，這就要求取注漿機能在不同的位置完成注漿工作。目前壓鑄行業(yè)常用的比較成熟的澆湯機采用連桿機構運送湯罐，湯罐移動的起點、終點和軌跡基本固定不變，只能微調，無法實現(xiàn)多點注漿。如采用曲臂旋轉式機器人，雖可實現(xiàn)多點注漿，但成本造價高，整體布局占地面積大。

為解決上述問題，研發(fā)設計了一種閉式高潔凈取注漿機[10]。

1 閉式高潔凈取注漿機的方案設計

閉式高潔凈取注漿機由取漿用的漿罐、漿罐移動系統(tǒng)和機架等3部分組成。漿罐采用上部封閉、底部有閥門控制的結構，漿料從底部閥門進出。鑒于保溫爐、半固態(tài)制漿設備和擠壓鑄造機的工藝布置是在一條中心線上流水作業(yè)，漿罐移動系統(tǒng)采用兩軸直線移動機構就可滿足要求，與通用的曲臂機器人相比，運動維度少，結構簡單緊湊，程序簡單方便。其工作原理如圖1所示，閉式漿罐懸掛在z軸升降機構上，取漿時閉式漿罐隨升降機構逐步浸入鋁液中。當閉式漿罐浸入到鋁液一定深度后，罐底閥門打開，鋁液通過底部閥門進入罐體內。當檢測到罐內的鋁液達到需求量后，閉式漿罐停止下降，罐底閥門關閉，然后閉式漿罐隨升降機構上升脫離鋁液。由于取漿位置在保溫爐底部，而是在保溫爐中部，因此在開始取漿時就避免了漿料的氧化和其他雜質的進入。當閉式漿罐完全脫離保溫爐后，漿罐停止上升，漿罐在x軸水平橫移機構的帶動下，快速離開保溫爐，同時z軸開始下降，漿罐到達半固態(tài)裝置入口處停止，罐底閥門打開，鋁液在重力作用下流入半固態(tài)裝置內。如果要進行液態(tài)金屬內腔擠壓鑄造成形，那么漿罐在x軸水平橫移機構的帶動下越過半固態(tài)制漿設備，直接降落到擠壓鑄造機壓室接料位，然后打開閥門，將鋁液注入到壓室內。

在漿料的搬運過程中，閉式漿罐始終通入氮氣，將罐內空氣驅除，這樣整個取注過程鋁液在惰性氣體的氛圍中，可有效防止氧化、煙塵等各種污染。

圖1 閉式取注漿機Fig.1 A closed melt conveying machine

2 閉式漿罐的設計

閉式漿罐設計的一個關鍵點是罐底閥門的設計，首先閥門要能自動開閉，閥芯驅動機構要能耐高溫，可靠性要高。其次閥體材料要能承受700℃高溫鋁液的反復沖刷，且不粘鋁，不能形成冷結、流掛等，不阻礙閥門的正常關閉，閥體關閉要嚴實，不得有漏鋁現(xiàn)象。

如圖2所示，閥芯和閥口采用圓柱間隙配合，閥芯和閥口材料采用導熱好、不粘鋁、帶自潤滑功能的石墨材料制作。閥芯通過外卡套式聯(lián)軸器與驅動桿聯(lián)接，驅動桿與閥芯內部設計成空心，在閥芯內部裝置高溫大功率電熱管加熱，以保持閥芯偶件達到足夠的溫度，從而確保控制鋁液進入及關閉的閥門能順暢開合。驅動桿上下兩端通過軸承安裝在漿罐下座上，此軸承采用特殊材質(石墨材料)和工藝制造，并采取特殊的隔熱結構，輔以強迫冷卻的措施，保證了閥芯偶件持久穩(wěn)定正確開合。閥芯動力源采用氣缸驅動，“氣動”對高溫多煙塵環(huán)境適應性相對較強，“電動”不能承受高溫，“液壓動力”一旦漏油，油液易燃燒，安全隱患大。氣缸活塞桿通過萬向接頭與驅動桿聯(lián)接。氣缸活塞桿向下運動，通過驅動桿帶動閥芯向下塞入閥口，關閉閥門。反之，氣缸活塞桿向上運動，閥芯向上運動脫離閥口，打開閥門。

圖2 閉式漿罐Fig.2 Closed slurry tank

在漿罐上安裝了2組液位檢測裝置，通過檢測罐內鋁液高度確定取漿量。液位檢測裝置的原理是利用鋁液的導電性能，當2個探頭浸入到鋁液中時，2個探頭之間的電路接通，表明鋁液已到達探頭所在的高度位置。2組液位檢測裝置的探頭一高一低布置，高度差很小，當下組接通，上組未接通時，表明鋁液升到了所需量的位置。液位測量電極探針采用特殊材料制作，避免了漿料的流掛，從而保證了取漿量的準確性。

3 漿罐移動系統(tǒng)的設計

漿罐移動系統(tǒng)根據(jù)工藝要求在不同的時候速度不同。取漿時漿罐進入和退出保溫爐鋁液時速度要慢，一方面方便檢測取漿量，另一方面防止濺起和帶起鋁液引發(fā)安全事故。漿罐從保溫爐到注漿點的運輸要快速且平穩(wěn)，以防止鋁液在運輸過程中溫度下降，提高工作效率，防止鋁液在罐內翻起卷氣。由于漿罐取漿量完全取決于漿罐在鋁液中的高度位置，那么漿罐停止時定位要準。

漿罐移動系統(tǒng)設計另一個要考慮的問題是整個漿罐移動系統(tǒng)要適應高溫、多煙塵污染的冶金工作環(huán)境。設計時要考慮減少熱輻射、熱傳導，減少煙塵對機械和電氣系統(tǒng)的污染。

通過對整個漿罐移動過程的分析，下面對漿罐移動系統(tǒng)各部分進行設計說明。

漿罐移動系統(tǒng)由漿罐懸掛聯(lián)接裝置、z軸豎直升降移動機構和x軸水平橫向移動機構等3部分組成，具體結構如圖3所示。

如圖3所示的漿罐懸掛聯(lián)接裝置中，漿罐1上下兩吊耳與升降架上安裝的兩調節(jié)吊耳座3通過兩銷軸2聯(lián)接，聯(lián)接簡單，方便維修更換漿罐，聯(lián)接接觸面小，減少了熱傳導，兩調節(jié)吊耳通過螺桿螺母調節(jié)裝置5可對漿罐的y軸方向進行微調，方便漿罐與半固態(tài)裝置入口y軸方向對中。為了調節(jié)吊耳座與升降架的聯(lián)接面，設計有隔熱墊4，有效地阻止?jié){罐的熱量傳導到整個設備。取料漿罐通過銷軸聯(lián)接裝置懸掛在升降架6正面，在升降架背面安裝有升降導軌7和升降齒條9，升降導軌的滑塊8安裝在可作橫向移動的小車上，升降架6通過升降導軌和滑塊可以使橫向移動的小車上下移動，升降傳動裝置安裝在橫移小車上，由伺服電機13通過減速器12帶動升降齒輪旋轉，升降齒輪與升降齒條嚙合驅動升降架6上下移動。升降導軌和升降傳動裝置設計在升降架背面，能有效降低保溫爐的熱輻射和煙塵污染。升降架上部安裝有防墜架14作為安全裝置，防止升降系統(tǒng)失控或損壞后，升降架墜落造成安全事故。升降架下部安裝有機械限位擋塊15，防止電氣失控后，出現(xiàn)沖頂事故。

L型橫向移動小車10底面和內側安裝有滑塊16，機架橫梁頂部和外側安裝有兩相互平行的橫移導軌17，橫向移動小車通過滑塊和橫移導軌滑動配合，可在機架橫梁上作水平橫向移動。機架橫梁頂部安裝有橫移齒條20，橫移傳動裝置安裝在橫向移動小車上，由橫移伺服電機22通過減速器21帶動橫移齒輪19旋轉，橫移齒輪與橫移齒條嚙合反作用驅動橫向移動小車水平移動。機架橫梁兩頭安裝有機械限位擋塊18，防止電氣失控后，出現(xiàn)沖脫事故。

橫移傳動裝置和升降傳動裝置安裝在橫向移動小車上，橫向移動小車安裝在機架橫梁頂部，藏在升降架后面，可有效降低保溫爐的熱輻射和煙塵污染。

整個系統(tǒng)的驅動采用伺服驅動技術，由伺服電機驅動傳動裝置，利用電機自帶的旋轉編碼器反饋信號給伺服驅動器，伺服驅動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調整轉子的角度與速度，從而精確控制漿罐位置和漿罐運動速度。

4 機架的設計

機架是整個機器的基礎支承件，整個漿罐移動系統(tǒng)都安裝在上面，要有很好的動、靜剛度和熱穩(wěn)定性。整個機架采用懸臂結構，由2個懸臂立柱和機架橫梁組成。為減少懸臂產(chǎn)生的傾翻力矩，將立柱盡量靠近保溫爐安裝，立柱升高，將機架橫梁布置在保溫爐上方，使懸臂長度縮短，減小傾翻力矩，同時減少設備的占地面積。懸臂立柱和機架橫梁都采用鋼板焊接箱型結構，機架橫梁頂面和外側面局部機加工，安裝導軌和齒條。機架橫梁與立柱聯(lián)接采用穿過整個橫梁的螺栓聯(lián)接。

圖4 機架Fig.4 Rack

5 結語

綜上所述，閉式高潔凈取注漿機是機電一體化設備，充分利用現(xiàn)在PLC控制技術、伺服控制技術實現(xiàn)取注漿工作的全自動控制，提高了取注漿過程的安全性、準確性，使得半固態(tài)制漿裝置的原料質量處于受控狀態(tài)，可以為半固態(tài)制漿裝置提供高潔凈的原料。在生產(chǎn)對漿料質量要求較高的壓鑄件產(chǎn)品時，閉式高潔凈取注漿機也可以替代傳統(tǒng)的澆湯機，使壓鑄件產(chǎn)品的質量得到進一步提升，具有廣泛的推廣價值。

[1]毛衛(wèi)民，趙愛民，鐘雪友.半固態(tài)金屬成形應用的新進展與前景展望[J].特種鑄造及有色合金，2002(S1):245－248.MAO Wei-min，ZHAO Ai-min，ZHONG Xue-you.New Progress and Prospect of Application of Semi-solid Metals Forming[J].Special Casting ＆ Nonferrous Alloys，2002(S1):245－248.

[2]羅守靖，姜巨福，杜之明.半固態(tài)金屬成形研究的新進展、工業(yè)應用及其思考[J].機械工程學報，2003(11):52－60.LUO Shou-jing，JIANG Ju-fu，DU Zhi-ming.New Research Development，Industrial Application and Some Thinking of Semi-solid Metal Forming[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2003(11):52 －60.

[3]楊湘杰.半固態(tài)成形技術最新進展——第11屆合金與復合材料半固態(tài)成形國際會議技術報告綜述[J].特種鑄造及有色合金，2010(10):918－922，983－984.YANG Xiang-jie.Progress in Semi-solid Forming Technologies－Review on 11th International Conference of Alloy and Comoposites Semi-solid Forming[J].Special Casting ＆ Nonferrous Alloys，2010(10):918 － 922，983－984.

[4]謝水生，潘洪平，丁志勇.半固態(tài)金屬加工技術研究現(xiàn)狀與應用[J].塑性工程學報，2002(2):1－11.XIE Shui-sheng，PAN Hong-ping，DING Zhi-yong.The O-verview of Study and Application of Semi-solid Metals Processing Technology[J].Journal of Plasticity Engineering，2002(2):1 －11.

[5]黃曉鋒，梁艷，王韜，等.金屬半固態(tài)成形技術的研究進展[J].中國鑄造裝備與技術，2009(2):6－9.HUANG Xiao-feng，LIANG Yan，WANG Tao，et al.Progress in Research on Semi-solid Metal Forming[J].China Foundry Machinery＆ Technology，2009(2):6－9.

[6]毛衛(wèi)民.半固態(tài)金屬漿料先進制備技術的研究進展[J].鑄造，2012(8):839 －855.MAO Wei-min.Research Progress of Advanced Preparation Technology for Semi-solid Metal Slurry[J].Foundry，2012(8):839－855.

[7]郭旭東，李陽，宋鑫，等.基于PLC的全自動機器人澆注系統(tǒng)設計[J].工業(yè)控制計算機，2013(1):97－98.GUO Xu-dong，LI Yang，SONG Xin，et al.Design of Automatic Robot Pouring System Based on PLC[J].Indus-trial Control Computer，2013(1):97 －98.

[8]FRANK Thomas，NITSCH Heinz，ROTZINGER Joachim.機器人與澆注系統(tǒng)[J].現(xiàn)代制造，2005(8):80－81.FRANK Thomas，NITSCH Heinz，ROTZINGER Joachim.Pouring Robert and Its Systerm[J].Maschinen Markt ，2005(8):80－81.

[9]黎小春，李新民，蔡俊濤.澆注機自動澆注鑄件澆不足的控制研究[J].鑄造設備與工藝，2012(1):32－33.LI Xiao-chun，LI Xin-min，CAI Jun-tao.Research on Misrun in Cylinder Block Casting Using Auto Pouring Machine[J].Foundry Equipment and Technology，2012(1):32－33.

[10]廣東科達機電股份有限公司.一種鋁液供給系統(tǒng):中國，201120526935[P].2012-08-22.Guangdong KEDA Industrial Co.，Ltd.A Kind of Liquid Aluminum Supply System:China，201120526935[P].2012-08-22.