“鑄件砂型近凈成形成套裝備”的研究及應用（續）

姚繼成 ，崔瑞奇 ，李來升 ，趙林棟 ，蔡少剛 ，董永博 ，孫玉霞 ，張戰友 ，李 琛 ，郝連濤

（1.國機鑄鍛機械有限公司，山東濟南 250306；2.濟南鑄鍛所檢驗檢測科技有限公司，山東濟南 250306；3.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東濟南 250306）

（續上期）

1.2 全自動澆注技術

澆注是鑄造生產中的關鍵環節之一。目前，我國絕大部分鑄造廠靠手工操作來完成鐵液澆注，不僅勞動條件差，勞動強度高，而且安全性也差。隨著高效造型設備的廣泛使用，生產節拍越來越快，人工操作非常緊張，往往由于澆注環節的問題使造型線生產能力受到牽制，而且鑄件廢品率居高不下，鐵液浪費嚴重，澆注工燒傷現象時有發生。要改變這種狀態，必須采用自動化澆注機[1]。自動澆注機要求在整個鐵液澆注過程要求做到快速、精確。

快速澆注包括：鐵液包快速對準鑄型澆口位置以防鐵液溫降帶來的廢品問題；鐵液澆注過程快速填充型腔防止鐵液內夾雜氣體帶來的鑄件氣孔缺陷。快速澆注除了能防止鑄件缺陷外，還可以大大提高造型線的生產效率。

精確澆注包括：必須準確地將鐵液穩定澆入澆口杯；澆注過程中始終保持澆口杯處于充滿狀態直至澆注結束。精確澆注是保證鑄件質量的必備條件。

本項目研發的自動澆注技術，集視覺技術、稱量技術、伺服控制技術于一體，完全達到了澆注過程的快速、精確的效果。

1.2.1 澆注機同步技術

同步澆注技術是指澆注機在澆注過程中，能和造型線保持同步。造型線連續造型時，鐵液無論在換包還是澆注過程中，澆包嘴都能和砂型澆口杯保持一致。此技術保證了澆注的快速性。

具體實施方案：將同步編碼器安裝在1#推緩缸上，PLC讀取其數值，在條件滿足時澆注車與1#推緩缸完成同步。編碼器采用絕對值拉繩編碼器，通過IM174模塊與PLC相連接，進而PLC能夠讀取到其信息。

澆注機同步原理如下：推型開始時，澆注機接到推型信號，進入同步程序。造型線澆注段消間過程結束后，澆注段砂箱被兩端油缸夾緊，此時澆注機沒有得到運行信號，由于消間的原因，澆口杯中心與澆口有少許偏離，但對澆注沒有太大影響。消間結束后，開始推型，緩沖缸被動縮回，拉線隨油缸一起運動，帶動拉線盒內轉軸轉動，轉軸與編碼器同步運動，得到的編碼器信號傳給伺服控制器，經PLC處理后控制澆注機與造型線同步運行。

1.2.2 澆注機視覺技術

澆注生產過程中最直觀反映澆注狀況的是澆口杯中的鐵液高度，精確的澆注必須保證澆口杯一直處于充滿狀態。

本項目采用3組拍攝高溫鐵液的專用數字攝像裝置，以判斷澆口杯是否充滿。第一組用于檢測鐵液在傾倒的時候，鐵液的中心線是否對準澆口杯的中心；第二組檢測鐵液在澆口杯內的面積變化，通過計算，得出鐵液在澆鑄孔內的高度；第三組用于檢測澆包在傾倒鐵液時的鐵液的流速。

項目組做了大量的試驗，對獲取的澆注過程圖像進行二值化處理，分析液面特征，對數據進行比對，建立數據庫；本試驗基于邊界法的處理方法，不僅可以比較準確的求出液面的高度，同時可以估算出液流的大小和液面的波動情況，而且消除了液柱的干擾信息，求得的液面高度比較準確的反映了實際液面高度。

1.2.3 稱重傳感技術

在澆鑄過程中，當澆包的鐵液剩到不足一個鑄型所需要的鐵水時，應及時進行換包；當鑄型的鐵液達到滿位時，應及時的收包，否則鐵水外溢，除了帶來鐵液的浪費外，還會帶來嚴重的安全事故。國內目前完成以上工作基本靠人眼觀察。無人操作的自動澆注機，為避免上述現象的發生，必須采用自動稱量技術。

本項目稱重技術采用四個輪輻式稱重傳感器，通過稱重模塊SIWAREX FTA采集讀取數據。稱重模塊SIWAREX FTA集成在SIMATIC中，在SIMATIC自動化系統中直接應用，通過相應的軟件SIWATOOL FTA對四個傳感器進行標定，可以方便的調整濾波器的頻率、平均值濾波器的深度等。具有高速度、高精度的優點。項目組解決了由于澆包傾轉運動帶來的重心偏移導致傳感精度發生變化的難題。

實際使用過程中，稱量系統隨時檢測澆包內剩余的鐵液重量，待剩余鐵液不足一個砂型的鐵液時，自動提示換包；在澆注過程中，自動檢測和計算每型鐵水的消耗量，防止視覺系統出現誤差導致過澆現象，強制收包，以防出現安全事故。

通過以上自動澆注技術的研究，項目組獲得了國家專利“澆注機同步裝置”（ZL201110082603.7）[3]，制定了“全自動澆注機”行業標準（JB/T 12242-2015）[4]。

1.3 高效率、高可靠性、智能化連線技術

1.3.1 高效率

“鑄件砂型近凈成形成套裝備”研制樣機是以造型主機為主的30余臺單機設備組成的生產線，當前國內同類、同規格的生產線，生產率在200箱/小時左右。項目組研發的生產線的生產率為241箱/小時。

影響靜壓造型自動生產線的效率因素有很多，拋開其它工部導致的因素，僅從靜壓造型自動生產線本身分析如何提高靜壓造型自動生產線的效率。

1.3.1.1 布線方式

目前自動生產線的布置方案主要分為兩種，一種是上下箱在同一輥道上輸送（見圖5）；另一種是上、下箱分道輸送（見圖6）。

圖5中上下箱在同一輥道上輸送，運行節拍較慢；而圖6中所示將上、下箱分道輸送，運行節拍得到提高。為提高生產率，項目組經過研究，確定了砂箱分道輸送方案。

（1）液壓系統

在靜壓造型自動生產線中，液壓驅動是最主要的一種驅動方式。各種液壓油缸、蓄能器、液壓馬達等組成了生產線設備的動力源。

項目組經過反復的理論計算和實驗，確定了各種液壓參數，優化設計了液壓系統，使液壓系統能夠穩定、高效的工作。

（2）砂箱移箱技術

圖5 上、下箱在同一輥道上輸送

圖6 上、下箱分道輸送

生產線在工作中，很大一部分工作量是往返轉運砂箱，這也是影響生產率的主要環節。項目組研發了一種“造型線砂箱移箱裝置”。該裝置的上箱轉運車機械手不用等待落箱機械手下降到底位即可從上箱段向造型段移動，落箱機械手也不需等待上箱轉運車完全到達上箱段之后再向上升，落箱緩沖缸在上箱轉運車到達造型段減速位時即可伸出油缸。另外，充分利用減速開關，使其到達減速位后能完全避讓設備的下一步動作。

這種裝置，在同樣的油缸運行速度下，顯然更能提高生產率；即使在相同的生產率之下，也能讓油缸運行的更加平穩，對液壓系統和設備的穩定性以及避免油管迅速發熱有著很好的作用。

（3）型砂精確定量技術

在靜壓造型中，型砂精確定量包括精確加砂、均勻加砂、有效防散落砂三個方面。型砂的精確定量技術影響了造型的生產率及出件成功率。如不能準確稱量型砂的重量會導致一系列問題：砂子加少了就會導致型砂表面硬度不夠、拔模失敗甚至塌箱；砂子加多了就會增加加砂時間和散落砂量，加重砂處理工部混砂和舊砂回收方面的負擔，最終會導致生產率降低，能耗增加，成品率低。

為了滿足定量準確的要求，采用杠桿稱量原理，完成了造型機定量砂斗的研究和設計，定量精度達到3%，減少了造型過程中的散落砂總量，達到節能環保的目的。

1.3.2 智能化

智能化是工業革命發展的必然趨勢。“鑄件砂型近凈成形成套裝備”項目組在智能化方面優先研究以下內容。

1.3.2.1 模板自動更換技術研究

為了實現快速智能更換模板及造型工藝參數，研發了可以跟主機回轉配合的模板自動更換機構，并可以通過預設模板參數，在需要更換模板時，輸入模板編號，實現了模板在線狀態下的不停機智能自動更換，以及相關設備的工藝參數自動更改。

1.3.2.2 計算機監控技術

造型生產線輔機多，動作復雜，如果修改工藝參數或排除設備故障非常困難。項目組進行了計算機監控技術的研究。通過人機界面可以完整的顯示設備運行狀態；能方便的進行工藝參數設置與調整；能顯示設備運行狀況；在線修改程序；給用戶提供完備的子程序庫。

1.3.2.3 設備遠程診斷與控制技術

隨著互聯網絡的發展，越來越多的用戶希望能夠通過互聯網絡對所售出的產品進行診斷和維護，這樣可以減少維護工程師到現場的時間和費用，不僅節約大量的人力和物力成本，同時也能為客戶提供更為快捷的服務，減少客戶的損失[2]。

項目組研發的遠程診斷與控制技術依托互聯網平臺，通過第三方軟件，可實現用戶現場故障診斷及排除、程序修改。既方便用戶對設備的使用與維護，也提高了設備的控制水平和售后服務水平。以上研究的關鍵技術，全部應用在項目的樣機及推廣成果中，經實際生產中驗證效果良好。

2 主要創新點

2.1 靜壓造型緊實技術

研發了“氣流預緊實+多觸頭壓實”雙重緊實造型技術，其中大流量快速啟閉吹氣閥和快速同步運行的多觸頭壓實裝置為創新點。

2.2 帶導向和檢測的液壓缸

獲得了“帶導向和檢測的液壓缸”國家專利（ZL201020597141.3）[5]。

2.3 自動澆注技術

研發了視覺成像跟蹤技術、澆注稱重技術、澆注機同步技術，其中澆注機同步裝置為創新點。獲得了國家專利“澆注機同步裝置”（ZL20111008260 3.7）[3]。

2.4 靜壓線的智能化連線技術

研發了砂箱移箱技術、型砂精確定量技術、模板自動更換技術、計算機監控技術、設備遠程診斷與控制技術，其中砂箱移箱技術為創新點。獲得了“造型線砂箱移箱裝置”國家專利（專利號ZL201220552699.9）[6]。

3 項目的研究成果

項目組針對靜壓造型緊實技術等九個方面進行了研究，申報了專利37項，其中發明專利5項；制定技術標準6項，其中國家標準2項、行業標準4項；共發表論文 6篇。

4 與當前國內外同類技術主要參數、效益、市場競爭力的比較

4.1 主要技術參數

本項目靜壓造型自動生產線經過第三方國家級檢測中心檢測，各項關鍵技術指標與國內外國際同類產品對比情況（見表1）。

由此可以看出，本項目技術指標達到國際先進水平。

4.2 項目的成果應用及經濟社會效益

4.2.1 成果的應用情況

本項目突破的關鍵技術在砂箱尺寸1000mm×800mm的近凈成形成套裝備中已全部應用；同時上述成果轉換為其他同類型、不同規格的產品進行了推廣應用。利用本項目技術已經研發出了砂箱尺寸700mm×700mm到1850mm×1250mm的多規格成套裝備，已推廣應用26條生產線。

表1 本項目與國內外同類產品技術水平對比

4.2.2 成果應用所取得的經濟效益及競爭力

截至目前，推廣應用的26套成套裝備，累計產值達3.6億元。鑄件生產企業購買該產品，每年生產鑄件130萬噸，合計130億元；用該成套裝備生產的鑄件毛坯重量減少5%，為企業節約材料成本3.9億元；由于生產率的提升及成型率的提高，每年為企業增收約6億元。

本項目近凈成形成套裝備涉及的靜壓造型生產線售價約為進口的三分之一，為用戶節約了大量進口設備采購及維修費用，大幅度提高了生產效率和產量，取得了顯著的經濟效益。從本項目研究成果推向市場后，國內已無任何一家企業全線進口國外設備；市場份額中，靜壓造型主機由原來的100%進口降為30%以下。該產品在國內份額占比由原來的30%增長為60%以上。

5 結束語

本項目的成功實施提升了我國近凈成型成套裝備的制造能力和水平，其研制成功打破了國外廠家在該領域的壟斷，使我國成為世界上繼德國之后少數掌握該項綠色鑄造技術的國家之一。為汽車行業對精密鑄件的需求提供了關鍵裝備，極大地提高了我國現有靜壓造型線和水平分型脫箱自動造型線的技術水平、可靠性和穩定性，為替代進口，打造自主品牌做出了應有的貢獻。同時，對打破國外廠家在該領域的壟斷，改變依賴進口的局面，滿足國內市場的需求，促進我國鑄件砂型近凈成形成套裝備技術的進步和發展，積極帶動我國鑄造機械行業和節能、環保、新能源汽車產業的快速健康發展具有重要意義。