震動除芯技術及在船用發動機鑄件生產應用中的技術探討

丁加榮，盛振東

（1.濰柴重機股份有限公司 濱海鑄造廠，山東濰坊 261001；2.濟南柯瑞達鑄造機械有限公司，山東濟南 250022）

震動除芯技術泛指采用氣力沖擊方法，對鋁合金、鑄鐵、鑄鋼、特種合金等材質的發動機缸體、缸蓋、排氣管、泵體、閥體、管件、殼體、精密鑄造件等各種不同鑄造工藝方法生產的鑄件進行震動打擊，進而清除鑄件內腔芯砂的專用設備。近年來，隨著對鑄件產品內腔質量要求越來越高，震動除芯設備從單機到整套生產線，在汽車發動機鑄造生產中得到越來越廣泛的應用，目前對于數百公斤乃至數噸重量級的船用發動機缸體、缸蓋鑄件的應用產品市場上尚屬空白。

1 震動除芯技術發展現狀與回顧

國內最早的震動除芯機（L125型）是上世紀50～60年代仿制前蘇聯的產品，結構、性能較簡單，主要用于發動機缸體、缸蓋鑄件清除內腔芯砂，采用小型的氣力沖擊器清理鋁合金鑄件內腔芯砂的設備也大量投入使用，大部分形式為單機人工操作，生產效率較低。

上世紀90年代末，國內汽車行業生產規模逐漸加大，發動機鋁合金缸蓋、排氣管需要高效、快速的清砂設備，國內一些大型企業引進國外震動除芯技術產品，在本世紀初逐漸推廣應用到鑄鐵件缸體缸蓋生產領域。

由于被鑄件內腔包裹著的芯砂被震松后需要倒出，同時由于生產率要求、鑄件材質、尺寸規格的不同、震動除芯設備的形式、種類又分為多種。普通震動清砂除芯機一般由沖擊錘、夾持機構、機架組成，人工操作，甚至由工人手持風鎬完成操作；較為復雜的配置由氣力沖擊、工件夾持、搖動翻轉、隔振、降噪、除塵、電氣控制等單元構成；近年來大量使用自動震動清砂除芯生產線，適用于單件大批量產品，按不同的工藝要求，還有多個錘頭、多個方向沖擊等形式，這取決于用戶的實際需求。

回顧國內震動除芯技術的發展，尚存在以下幾點問題：

（1）為滿足工藝要求，震芯機結構日趨復雜，價格日趨昂貴，使用成本不斷增加。

（2）缺乏合理的標準規范，比如對震芯處理后內腔殘砂量的指標要求沒有形成統一的共識標準，有的以毫克為級別界定，有的以克為級別界定，需知鑄件種類、規格大小差異很大，指標過分苛刻將導致綜合成本增加，對此我們以為有關部門應根據實際情況盡快制定有關行業標準。

（4）由于采用壓縮空氣為動力的震動除芯工藝，其能源消耗問題不可忽視，針對不同的除芯工藝要求，研究高效節能的震芯機產品，是震動除芯技術的發展方向。

（5）目前震動除芯適用鑄件的范圍限于汽車柴油發動機缸體、缸蓋鑄件，對于數百公斤乃至數噸重量級的船用發動機缸體、缸蓋鑄件的應用產品市場上尚屬空白。

2 應用理論分析

震動除芯技術產品的研發與推廣，需要嚴謹的理論分析及驗證過程，依據多年的實踐經驗和理論探討，我們提出以下定義：震動除芯技術是一種利用沖擊錘使鑄件產生瞬間沖擊加速度，由此形成鑄件腔體共振和附著剪切力，在鑄件與砂層兩相體界面之間產生剝離應力，達到除砂效果的工藝方法。如此寬泛的描述尚不足以反映震動除芯過程的復雜性，實際應用中涉及的相關因素太多，提煉理想的理論模型十分困難，只能界定為多因素相關分析的方法。

（1）震動除芯的機械振動學模型：可視為單自由度振動系統[1]下的、具有一定周期的沖擊脈沖激勵系統，沖擊錘為沖擊脈沖發生源，鑄件為參振質量，設備的隔振裝置為彈性參量。

（2）動力學模型：沖擊錘與鑄件之間完成沖擊動能的交換過程，理想狀態下的沖擊過程遵循能量、動量守恒定律，但是由于鑄件材料的硬度、材質、碰撞變形等因素的影響，實際應用中需要綜合分析考量。

（3）鑄件自身的固有共振頻率分析：采用先進的有限元建模分析技術[2]、振動測試技術可以實現，難以實際應用，但基本的理論概念還是有助于分析解決實際問題。

（4）沖擊應力波的傳遞過程描述（傳遞函數）：用于分析解釋復雜的鑄件內腔芯砂清理效果是如何產生的，解決選擇合理的打擊點位置等問題[3]。

PID（比例微積分）控制器的應用已有幾十年，是一種非常簡單的線性過程通用的控制器。PID反饋控制回路能高效控制單臺設備，控制單個控制回路上的單個變量/參數，比如壓力或溫度。任何存在狀態變化的過程對于PID控制器來說都是非常復雜的。作為控制網絡（與若干不同裝置通信并實施控制的網絡）的一部分，PID控制器固有的靈活性根本無法適應HVAC應用中可能碰到的各種變負荷情況。因此，需要其他控制方法來提升冷凍機房的性能。

（5）機械振動系統的電模擬分析方法[4]：借助機械振動系統與電路分析在數學層面上的同源特性，將復雜的機械振動系統微分方程通過數學變換轉化為簡單的復數、三角函數分析運算[5]，較為直觀、方便、易于理解分析。

在實際應用中持有上述理念和思路，刻意安排合理的工藝試驗方法進行驗證，可以得到事半功倍的效果。在技術外延推廣、新產品開發過程中，理論先行、實踐驗證的方法，是必要的技術手段。

3 在船用發動機鑄件生產中的研發與應用

船用柴油機鑄造生產具有多品種、批量小、規格大的特點。濰柴重機股份有限公司濱海鑄造廠2014年投入使用的缸蓋震芯機，只能應用于一種質量約90公斤的缸蓋鑄件，無法滿足當前的使用要求，需要研發能滿足行業使用特點的震動除芯設備。為慎重起見，我們針對企業生產狀況、產品使用要求、工藝可行性、現場條件、環保節能、安全生產等因素進行了反復研究論證，具體實施如下：

（1）采用柔性震動除芯技術：鑒于鑄件產品多樣化，引入柔性制造系統（FMS）概念，提出研發涵蓋7類11種船用發動機缸體缸蓋鑄件，其質量、規格、外形尺寸如表1所示的柔性震動除芯設備，一機多用。

（2）由于鑄件重達1噸以上，超出了現有技術裝備和使用經驗范圍，目前尚無同類產品的使用介紹和資料依據，為確保項目的可行性，基于前述理論分析方法，進行了震動除芯工藝試驗驗證，現場針對有代表性的在線生產鑄件進行震動除芯工藝試驗，取得了滿意的結果，數據表明可以進入到實用化設計階段。

（3）通過多次試驗驗證，分析、充實、完善理論模型，對于優化相關技術參數并推而廣之，具有設計指導意義。

表1 典型鑄件參數

（4）按柔性化生產的理念，分析各種鑄件的規格結構特點，確定整體設計施工方案，并進行使用、維護、環保等諸方面的反復論證，實現最優組合，具體體現在以下方面：

1）采用PLC控制自動化生產方式，鑄件為貫通輥道輸送，以提高生產效率。

2）針對鑄件種類繁雜的特點，采用四維移動定點控制的震擊機構，在不同的鑄件所確定的工藝選擇打擊點，按設定的參數實施震擊除芯作業，實現柔性化生產。

3）震擊除芯作業完畢后輔以振動清砂、旋轉倒砂作業，將鑄件內腔松散的殘砂清除干凈，旋轉倒砂機構具有不同鑄件夾持的調節功能，適用于更換加工不同產品時，滿足柔性化生產要求。

4）采用易于調整的鑄件定位裝置，實現鑄件在震擊除芯、旋轉倒砂、鑄件上料、物流轉運工序中的準確定位，保證設備運行的可靠性。

5）采取必要的降噪、隔振措施[6]，整機設置隔聲罩、隔振裝置，使之符合安全生產、環境保護的國家標準。

6）為防止工作過程產生的粉塵外逸，采用新型的除塵系統，按最新大氣排放國家標準設計，粉塵排放濃度＜20毫克/立方米。

7）鑄造車間生產環境復雜惡劣，設備使用操作條件亦然，盡可能采用成熟的技術與配套產品，以保證設備長期可靠的使用運行。

值得指出的是，作為一種新技術，無論怎樣的理論分析和細致的施工設計，都有待于生產運行的實際檢驗，以及不斷地改進完善，相對而言，鑄造生產工藝及其產品繁雜多樣、因之而來的鑄造機械產品種類繁多，具有多品種、非標準化的取向，探索一種合理、可靠的技術推廣、產品研發模式，具有一定的實用價值。

4 結語

（1）隨著鑄造產業升級速度加快，柔性化生產模式逐漸引起人們的重視，對鑄造機械產業提出了新的研發課題。

（2）震動除芯技術仍有推廣改進的發展空間，實踐表明，震動除芯技術向大型鑄件生產領域發展是可行的，其理論研究、產品開發需要進一步探索、驗證、完善。

（3）鑄造行業的品種多樣化特點比較突出，同類產品的非標準化專機設計研發占很大比重，不同使用條件下的技術參數指標需要相應的行業管理、標準規范指導界定。

（4）探索一種新的研發模式：研發企業根據市場需求與設備使用企業聯合攻關，融合雙方各自經驗合作探索發明原創技術，加快推進國內裝備制造業的水平提升與發展。