澆注自動化技術(shù)在多品種鑄件生產(chǎn)中的應用

■徐力

一、熔煉與澆注工藝現(xiàn)狀

由于我單位是老企業(yè)，有很多設(shè)備都需要升級換代，其中自動澆注是改造項目之一?，F(xiàn)在我單位澆注機采用的是扇形澆注形式（見圖1），澆包采用的是虹吸原理的澆注包。由于設(shè)備老舊，結(jié)構(gòu)已經(jīng)不太可靠，修復成本較高，澆注機本身的缺陷造成的廢品和成本浪費也長期存在。因此，在如今人力成本不斷升高和鑄件品質(zhì)要求不斷提高的形勢下，將目前的半自動澆注機更新?lián)Q代為全自動澆注機勢在必行。

我單位有高壓線、靜壓線、氣沖線、振動線、消失模線等共6條造型線，其中高壓造型線和靜壓造型線所使用的澆注機均為雙工位扇形半自動澆注機，其他造型線均為人工手搖包澆注。熔煉方式均為中頻電爐熔煉，鐵液合金成分的調(diào)整在電爐內(nèi)完成，熔煉后的合格鐵液通過澆注包直接上線澆注。

下面主要結(jié)合我公司單班多品種鑄件生產(chǎn)的實際，對自動化澆注技術(shù)應用給出一種解決方案。

二、自動化澆注技術(shù)

由于現(xiàn)在造型線造型速度的提升，人工或半自動化機械澆注已經(jīng)越來越不能滿足生產(chǎn)的需要，故全自動化澆注技術(shù)發(fā)展的非?？?，技術(shù)也日趨成熟，近些年在很多鑄造企業(yè)都有應用。自動澆注機就是其發(fā)展的產(chǎn)物。

1.澆注機的分類

根據(jù)澆注機的類型可以分為手工澆注機、機械化澆注機、預測式澆注機（半自動澆注機）和全自動澆注機，在國際上通常將全自動澆注機稱為自動澆注機。自動化澆注機與手工澆注的主要區(qū)別是，人工不必直接接觸操縱機構(gòu)或澆包進行澆注。

自動澆注機分為氣壓保溫自動澆注爐和非保溫澆注機，氣壓保溫自動澆注爐又分為有芯氣壓保溫自動澆注爐和無芯氣壓保溫自動澆注爐，澆注形式均為底注式。氣壓保溫自動澆注爐（以下簡稱保溫澆注爐，見圖2），通過電磁感應對爐內(nèi)鐵液進行加熱，以提高爐內(nèi)鐵液溫度，達到保溫效果。

有芯保溫澆注爐結(jié)構(gòu)簡單，線圈感應加熱器安裝在爐底部，鐵液通過內(nèi)部溝槽進行感應加熱。有芯保溫澆注爐筑爐一次使用壽命約一年，但與過鐵量有關(guān)。換成分時其內(nèi)鐵液不能出空，造型線停產(chǎn)后其不能停機、停電，全年全天候需有人值班。澆注生產(chǎn)結(jié)束后的爐內(nèi)剩鐵量較少。

圖1 扇形澆注機

無芯保溫澆注爐結(jié)構(gòu)較有芯爐復雜，線圈安裝在爐壁內(nèi)，一年要更換幾次爐襯。換成分時其內(nèi)鐵液可以出空，造型線停產(chǎn)后也可根據(jù)需要停機。澆注生產(chǎn)結(jié)束后的爐內(nèi)剩鐵量較多。

2.自動化澆注技術(shù)應用

（1）可視澆注技術(shù) 自動澆注機采用視頻或激光技術(shù)，直接掃描澆口杯的金屬液面，而后根據(jù)澆口杯金屬液面的高低，自動調(diào)整澆注速度，始終保持澆口杯液面充滿（液面高度往往可以隨時隨意調(diào)整和設(shè)定），以確保澆注質(zhì)量達到最佳澆注效果。這種澆注機往往把預測式澆注機的一些技術(shù)，作為備用技術(shù)來使用，全自動澆注機一般都帶有教學式澆注功能，一旦全自動澆注失敗，可以立即啟動教學式澆注方式，變?yōu)榘胱詣訚沧ⅰＲ坏┙虒W式也失敗，還可以改用手動操作，變?yōu)闄C械化澆注機使用。甚至在用戶需要的產(chǎn)品上，澆注機也可安裝重量傳感器，確保達到最佳澆注效果。

預測式澆注機，國內(nèi)也有稱為半自動澆注機，是指澆注機根據(jù)重量傳感器或者根據(jù)時間，再或者學習和模仿人工澆注的過程（教學式澆注）來執(zhí)行澆注過程的澆注設(shè)備。

（2）澆注跑火檢測技術(shù) 為了防止?jié)沧ⅰ芭芑稹眴栴}，自動澆注機上運用了多種檢測技術(shù)。視頻或者激光澆注是設(shè)定一個時間，在這個時間內(nèi)澆口杯內(nèi)的鐵液液面一直不上升或是沒有達到規(guī)定的位置，立即停止?jié)沧?。有些還把稱重澆注技術(shù)作為輔助檢測功能。

（3）澆注互鎖和追包技術(shù) 自動澆注機可以沿造型線做水平或垂直移動，澆注中澆注機通過和造型線的互鎖，控制造型線與澆注同步或澆注追包，實現(xiàn)澆注時造型線不動作，或是沿造型線進行逐箱追包澆注，達到高效生產(chǎn)。當然，保溫澆注爐由于其獨特的結(jié)構(gòu)原理而不能隨型澆注，但可以沿X-Y軸線方向移動來調(diào)節(jié)澆冒口位置進行澆注。

（4）底注澆注技術(shù) 通過塞桿伺服機構(gòu)控制塞桿與澆口開度，使鐵液從澆包底部澆口流入冒口內(nèi)。為了防止塞桿與澆口密封不好而產(chǎn)生鐵液滴漏現(xiàn)象，塞桿在壓緊澆口后還會旋轉(zhuǎn)一下，使其更好地密封。澆口在長時間澆注下狀態(tài)，有很多留鐵在上面使?jié)部谧兊迷絹碓叫。溥€有自動捅澆口裝置，如圖3所示。

扇形自動澆注機就沒有塞桿伺服機構(gòu)，其實現(xiàn)底澆的方式是在冒口上方加一個大漏斗，澆注時始終保持其內(nèi)充滿鐵液直至澆注結(jié)束。此方式不如塞桿的好。

（5）氣壓澆注技術(shù) 該技術(shù)只用在氣壓保溫澆注爐上，其內(nèi)部鐵液與爐蓋之間密閉的空間內(nèi)充滿氮氣，以減少鐵液氧化，澆注時通過不斷增加密閉空間內(nèi)氮氣的壓力，將鐵液壓到底注式的澆注槽內(nèi)進行澆注。有芯式和無芯式氣壓保溫澆注爐結(jié)構(gòu)分別如圖4a所示、圖4b所示。

（6）恒溫澆注技術(shù) 該技術(shù)只用在保溫澆注爐上，其通過電磁感應原理加熱爐內(nèi)鐵液，使鐵液在某一溫度附近達到恒溫的目的。保溫爐還可以在爐內(nèi)進行成分調(diào)整，具有很強的緩沖能力。

（7）隨流孕育裝置 澆注機自帶隨流孕育裝置，并隨澆注機同步移動，其通過伺服螺旋機構(gòu)定量給料，或輔以壓空吹送。

3.自動澆注機的應用

圖2 保溫澆注爐

圖3 塞桿底注澆注裝置

自動澆注機選用原則是：要與造型線的造型能力相匹配；要實現(xiàn)最佳澆注，提高鑄件的澆注質(zhì)量；要符合用戶的要求。

自動澆注機可以實現(xiàn)快速澆注，在高速的垂直分型無箱造型線上應用較廣。當然在需要獲得高品質(zhì)鑄件的水平分型有箱造型線上應用也很多。

保溫澆注爐最佳適用場合：品種單一的產(chǎn)品；需要恒溫澆注的產(chǎn)品；需要高品質(zhì)的產(chǎn)品；澆注速度快。非保溫自動澆注機使用場合：澆注溫度范圍寬；澆注速度快；澆注質(zhì)量高。

三、自動澆注機的選型

自動澆注機的選用需要結(jié)合造型線的造型能力，鑄件澆注重量、澆注工藝，以及經(jīng)濟成本等因素來考量。例如，對大型復雜件生產(chǎn)時澆注溫度不能太低，這種場合最好是選用自動保溫澆注爐進行恒溫澆注比較合適。

1.案例闡述

本案例主要針對高壓造型線實際情況進行選擇自動澆注機。目前高壓造型線主要生產(chǎn)柴油機缸體、傳動箱殼體、末端傳動殼體等大型鑄件產(chǎn)品，生產(chǎn)節(jié)拍為60箱/h，平均箱重為450kg，單班生產(chǎn)3～4個品種，品種、成分都不一樣，主要以灰鑄鐵為主，有少量的球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。對選擇自動澆注機的要求如下：

1）既能進行灰鑄鐵澆注，又能進行球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵澆注。

2）既能智能澆注，又能半自動澆注，并且澆注質(zhì)量可靠。

3）能適應單班多牌號鐵液澆注，且更換鐵液成分要快。

4）澆注機技術(shù)要國際先進，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要可靠。

5）要求澆注機內(nèi)鐵液溫度損失越小越好。

6）澆注機維修方便快捷。

7）單臺設(shè)備投資適中，運行成本要低。

2.案例選型分析

從澆注工藝角度考慮選型：大型鑄件的單箱澆注量較大，在澆注中后期溫度會不同程度地降低，因而會產(chǎn)生因溫度降低帶來的廢品，應考慮選用自動保溫澆注爐；為了避免澆注中的氧化渣進入鑄型內(nèi)，應考慮選用底注式的澆注機。

從經(jīng)濟運行成本角度考慮選型：投資成本要低，運行維護成本要低，維護方便、簡單、快速，運行要可靠，要根據(jù)廠家報價進行選擇，如果自動保溫澆注爐與非保溫澆注爐的價格相差不大，應優(yōu)先考慮選用自動保溫澆注爐，反之應考慮選用非保溫澆注爐。

從隨型澆注方式角度考慮選型：由于造型線澆注段較短，隨型方式澆注反而不太理想，因此應考慮選用不隨型追包的自動澆注機。

綜合以上方面選型要素，并通過實地調(diào)研考察，有一種結(jié)構(gòu)方式的自動澆注機非常適合本案，即非加熱式、非隨型式、底注式的中間包塞桿自動澆注機，如圖5所示。

3.案例可行性分析

圖4 保溫澆注爐結(jié)構(gòu)

圖5 中間包塞桿自動澆注機

中間包塞桿自動澆注機采購一套成本約300萬元，保溫澆注爐采購一套成本約700萬元，扇形自動澆注機一套成本300萬～700萬元；其整個包坐在一個可以X-Y軸移動的包架上，包架可移動以調(diào)整澆口的位置；澆注采用塞桿底注式，避免氧化渣進入型箱內(nèi)；采用視頻與計算機自動化控制澆注；配套有隨流孕育裝置；包體、包蓋結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化設(shè)計并用保溫絕熱材料制作，以減少熱損失，使溫度損失甚至可以控制在每分鐘2℃以內(nèi)；補充鐵液時只需將活動包蓋打開即可，補充鐵液時不影響線上澆注；更換材質(zhì)牌號時，包體通過液壓傾翻缸可快速傾倒出鐵液；包襯材料燒損后直接將工作包吊出，并換上備用包即可繼續(xù)生產(chǎn)。

方案選用這種中間包塞桿自動澆注機可行，并且該澆注機有成功案例可借鑒，如嘉善吉成鑄造公司應用在高速垂直分型無箱造型線上生產(chǎn)球墨鑄鐵件，上海圣德曼鑄造公司應用在水平分型有箱造型線上生產(chǎn)發(fā)動機缸體、缸蓋等。

四、結(jié)語

利用自動澆注機進行澆注，可以提高鑄件的質(zhì)量和澆注效率，降低廢品，減少用工成本等。故在選擇自動澆注機時不要盲目，一定要結(jié)合企業(yè)自身的實際情況、發(fā)展需要和工藝要求合理選型，避免因過失選型帶來的風險。

20150518