數字技術于金隆備件制造中的應用

2014-05-07 07:56:08劉樹峰

銅業工程 2014年2期

劉樹峰

(金隆銅業有限公司，安徽銅陵 244000)

1 引言

我國當代機械制造行業科技水平，有了質的提升。特別是數字技術的應用，高新材料和材料處理，以及先進加工手段的應用等［1］。數字技術在機械制造中的應用，主要是計算機輔助設計和數控加工。

當今計算機輔助設計基本棄用了計算機平面制圖，大量應用3D設計技術。3D設計，在3D空間設計具體的零件直接給予形狀和尺寸，并且在3D空間進行零件的組裝。從而可驗證設計的合理性及裝配是否干涉，非常直觀，修改也十分方便。根據3D模型可以生成2D工程圖，或者生成由零件或子裝配體組成的配合零部件以生成3D裝配體。簡言之，出圖工作由設計軟件解決。現今從飛機，汽車到簡單工具都應用3D設計技術［2］。

金隆銅業有限公司的生產技術、生產設備在國內有色冶煉行業都處于領先地位。其中有相當數量的進口設備。這些設備備件一直從國外進口，因為是專用的，所以價格十分昂貴，供貨也不及時。為此金隆銅業有限公司與相關協作單位合作，進行了長期的備件國產化研制工作。將先進的數字技術，高新加工技術應用于此，不少國產化備件使用效果達到甚至超過進口原件，同時經濟效益也很明顯。

2 數字化技術輔助加工零部件

2.1 圓盤澆鑄機

圓盤澆鑄機用于銅冶煉陽極爐工段。將從陽極爐流出的銅水定模澆鑄、冷卻成用于電解的陽極板。金隆公司的圓盤澆鑄機是引進芬蘭奧托昆普公司的澆鑄設備。

(1)圓盤噴涂噴嘴。

見圖 1，其中:1、噴嘴座;2、檔圈;3、膜片;4、螺母;5、蓋;6、彈簧;7、彈簧座;8、噴嘴體 S;9、噴嘴體Z;10、小螺母。

圓盤噴涂噴嘴用于圓盤澆鑄機噴灑、涂布脫模劑硫酸鋇。

首先對零件體，擋圈，膜片，螺母，蓋，彈簧，底，噴嘴體S，噴嘴體Z等，進行3D建模。然后在SolidWorks環境進行圓盤噴涂噴嘴的3D組裝 (見圖 1)［3］。

圖1 圓盤噴涂噴嘴

噴嘴直徑計算:

式中，d為噴嘴直徑，mm;p為噴射壓力，bar;q為噴射流量，L/min;n為噴嘴個數;η為噴嘴效率系數。

以上計算，粘度是以水為準的，而工作介質是硫酸鋇，考慮了一定的修正而確定了噴嘴的直徑。又從噴嘴直徑來確定其他相應尺寸。

而脫模劑的噴灑，要求霧化穩定，噴灑均勻。因此設計了由噴霧器體上的孔與膜片，彈簧組成的噴嘴－擋板反饋穩壓系統。消除了系統壓力波動的影響。

國產化的霧化器，在金隆已經投入正常使用，而且效果良好、使用穩定。由于通過理論計算和現場實際試驗，該國產霧化器不易堵塞，壽命較進口備件使用長。霧化器小備件體現了高技術。

單就噴嘴來說，國產的單價是進口的1/5，經濟效果也是明顯的。

(2)圓盤澆鑄機T型導軌。

圓盤澆鑄機T型導軌外徑Φ14560。由于直徑大，原設計采用圓周14等分，拼接組裝(見圖2、圖3)。14段分體導軌毛坯，在龍刨或龍門銑粗加工上下平面，端面，再組裝成 Φ15000左右的大圓，用Φ15000以上的大型立車進行車削。必須動用龍門銑和大立車等大型設備。現今常規的大型金切設備稀缺，任務十分飽滿。加工等候周期很長，而14塊分段導軌組裝也很費事費力。

圖2 圓盤澆鑄機T型導軌

圖3 圓盤澆鑄機T型導軌(3D圖)

當今涌現出很多先進的數字加工技術和設備。充分掌握和運用，往往可以收到很好的效果。

在T型圓導軌國產化制造中，就應用了先進的數字加工技術和設備。其中關鍵設備為數控高壓水力切割機，俗稱“水刀”。

水力切割的基本原理是利用高速水柱作為能量載體。工作時通過某種增壓手段產生出超高壓的水(137.89 ～413.69MPa)，然后使其從一個細如發絲的噴嘴射出去，形成高速水柱(518～914m/s)［4］。載有巨大動能的水柱噴射到被加工表面上時，產生強大的沖擊力，超過材料的強度極限時，材料就被分割。不同材料的分割機理不盡相同，但主要是高壓高速水柱對材料表面的噬蝕、剪切和局部產生的高頻應力變化造成的。加工尺寸精確，且沒有殘余應力。目前，上海地區的“水刀”可以切割厚度達200mm的鋼材。而且可以切割材料的硬度不限，甚至硬質合金，玻璃和石才。本項目導軌厚度為30mm，超出了激光加工范圍，而選用進口大型水力切割機進行加工［5］。

據此，T型圓導軌仍采用14段組裝結構件。而導軌選用了優質中碳鋼，表面中頻淬火HRc42(這個硬度立車難以切削)，并時效去應力定型。數控水力切割機床加工圓弧和結合端面。避免了高溫切割，對材料的熱影響。切割加工后零件沒有殘余應力，不會出現形變。切割加工前后，表面熱處理的組織結構也沒有改變。最后在大型龍門平面磨床上加工上下平面完成。

正由于“水刀”能加工較硬工件，導軌表面淬火，具有一定硬度，大大提高了耐磨性。而14塊分段的結合端面是數控加工的，拼裝精度也很高。

2.2 PS 轉爐

金隆公司的PS轉爐是銅冶煉工序上關鍵設備。從閃速熔煉爐放出含銅量60%左右的冰銅在轉爐內經過吹煉，成為含銅量98%左右的粗銅。

轉爐每天要從爐口進、出2～3爐的銅水。大量銅水的沖刷，對爐口損傷較大。轉爐爐口(圖4、圖5)原設計為一個大型的薄壁鑄鋼件，俗稱“燈籠殼子”。為確保結合部的形狀尺寸，鑄造時結合部在下，薄壁部分在上。因此薄壁部分出現疏松，夾渣等鑄造缺陷在所難免。制造尺寸偏差大、使用壽命短。

爐口中心并不通過轉爐截面中心。有一個22.5°的夾角(圖6)。爐口又是裝在爐口固定架上。與固定架連接的60個腰型槽在圓周R2660，而位置在爐口投影R2660的同心圓上。每一個腰型孔的軸心線分別通過爐體中心線。因此，要分別確定每一個腰型孔中心的x，y，z相對坐標。以前，通過作圖加計算來完成。現在，應用3D設計可以直接在計算機3D空間得出精確的數據。