新型VRH 工藝高錳鋼轍叉造型線的關鍵技術應用

鄧宗生，李華棟，楊 濤

（1.中鐵寶橋集團有限公司，陜西寶雞 721006；2.濟南二機床集團有限公司，山東濟南 250022）

0 前言

VRH 法是水玻璃砂真空置換硬化法的簡稱。采用該工藝可減少水玻璃加入量和CO2氣體用量，最為可貴的是可改善型砂的潰散性和回用性[1]。公司現有的鑄鋼生產場地狹小、裝備自動化程度低，己不能滿足工藝發展的需求，存儲條件也無法滿足物流的需要，操作人員勞動強度較高，環保政策對生產現場的要求更為嚴苛。因此，對新型高錳鋼轍叉制造技術開發工作需求迫切，結合近年來設備技術的發展特點，按照安全、綠色、高效、智能的設計理念，完成整線的方案設計，確保項目實施后生產線上各工藝銜接順暢、物流配送高效、生產效率提高。下面介紹目前為止國內比較高端的某自動化、智能化鑄造廠在VRH 法高錳鋼轍叉造型生產線工藝流程與關鍵技術。

1 生產線的概況

1.1 工藝介紹

高錳鋼轍叉的鑄造采用VRH（真空置換硬化）工藝。VRH 硬化過程是：將制成的砂型置于真空室內，啟動真空泵，室內達到規定的真空度后，通入CO2代替空氣導入真空室，使CO2在砂型中彌散，與水玻璃發生反應，達到硬化目的。

其特點如下：（1）相較于傳統的CO2水玻璃砂硬化工藝，采用VRH 工藝時，砂型中的水玻璃用量及CO2的耗用量大幅減少。澆注后鑄型易于潰散，落砂性能明顯改善。（2）型砂加入酚醛樹脂，硬化后的樹脂膜脆，容易破碎，解決了水玻璃砂再生困難的問題。再生處理后Na2O 殘留量能保持在0.55%以下，實現了型砂循環使用，節約資源。

1.2 生產線參數

生產綱領：14000t/年（即1.5 萬根轍叉）；砂箱最大輪廓尺寸：10100 mm×1900 mm×390mm；生產線節拍：12～15min/半型；造型生產線載荷：20t/工位；工藝：酯硬化水玻璃VRH 工藝；產品種類：錳鋼轍叉、合金鋼轍叉。

1.3 生產線布局

圖1 生產線整體布局

VRH 造型線由連續式混砂機、上震式振動裝置、真空硬化裝置、翻轉起模機、機動輥道、變頻轉運車、翻轉機等組成。

2 工藝流程設計與關鍵技術應用

2.1 造型生產線流程

2.1.1 模具準備工位

模具準備工位包含輥道輸送機、冷鐵智能分揀裝置、冷鐵加熱平臺與矯直。

圖2 造型生產線流程

由于轍叉造型使用的冷鐵特別多，為了減少人工分揀的勞動強度及減少分揀出錯率，設計應用了冷鐵智能分揀裝置。

該裝置包括振動輸送機、自動輸送物流線、機器人視覺識別系統、分揀機器人系統、導料槽、冷鐵盛裝器具等并預留生產信息接口功能，實現了冷鐵的全自動分揀。

2.1.2 加砂工位

加砂工位包含新舊砂砂庫、雙臂混砂機等。

填砂采用了面背砂工藝，面砂填充完后用手培實，放置工藝用料。而后砂箱自動退回至放砂箱工位，然后回傳至加砂工位向砂箱內填加背砂，之后用平板刮平。

由于鑄件的特殊性，混砂機液料的種類有水玻璃、水、有機酯，根據不同的工藝要求填加不同的液料配比要求。

2.1.3 振實工位

由于VRH 工藝采用真空硬化，硬化比較充分，鑄型強度好，因此，VRH 法對鑄型緊實度要求不高，過高的緊實度反而會給落砂帶來不利。比較理想的緊實方式是下震、下壓式，鑄型表面緊實度較高。但是由于轍叉造型時冷鐵多，而且采用面砂，下震式冷鐵會移動錯位，面砂也容易塌落，影響鑄型質量[2]。

研發了具有橫向、縱向、升降三向位置調整功能的多振頭振實裝置，滿足了轍叉鑄件造型振實的特殊工藝性。

砂箱進入振實裝置設備內，而后人工操作振實頭在橫向、縱向進行調節，保證18 個振實頭恰好在砂箱的框格內。操作壓頭下降，接觸到砂型后振動電機振動下壓，直至壓實為止（為了達到各種鑄型的緊實度，激振力采用變頻可調）。接著操作壓頭上升，離開砂型面，沿著橫向移動至下一個區域，進行壓實動作，反復重復此流程，最終完成長度9m 砂箱的砂型振實。

圖3 冷鐵智能分揀裝置

圖4 多振頭振實裝置

2.1.4 真空硬化工位

開發了真空密封硬化倉（倉內容積20m3），滿足了型砂在密閉真空環境下進行CO2氣體硬化的工藝需求，實現了型砂快速硬化。

首先進口端門開鎖、打開，砂箱進入真空硬化倉，當檢測砂箱停止后進口端門關閉。啟動抽真空泵系統進行倉內空氣的抽吸，當硬化倉內的真空度達到設定數值后保持并充入CO2氣體，型砂硬化，保壓達到工藝要求。出口端門開鎖、打開，砂箱駛出真空硬化倉，而后出口端門關閉，完成整個動作流程。

真空度的高低，主要取決于真空泵的功率大小，抽真空時間的長短。真空度還受到氣候的溫度、空氣的濕度及壓力的影響，在一定范圍內正常波動。真空度越低硬化速度越快，水玻璃與CO2反應進行得越充分，型砂硬化的越均勻，鑄型的初始強度越好，成型率就越高[1]。通過幾年的經驗，新型VRH 工藝中的抽真空系統（包含了真空泵、除塵除水過濾系統）進行了優化配備，保證了定期輪流開機檢修，維持了正常的生產。

圖5 真空密封硬化倉

2.1.5 起模工位

研發應用了四輪幅長件自動翻轉起模機，實現了較長鑄型的平穩起模，既保證了砂型的完好，又節約了修型的時間與人力投入，提高了生產效率。

首先是托板進入起模機內，而后翻轉180°托板被轉至頂部，硬化后的砂型進入起模機內，上升壓緊后回轉至0°，振動起模，而后模具平穩啟出，砂箱離開起模機運行至修型工位，而模具則被轉運回準備工位繼續循環造型使用。

圖6 四輪幅翻轉起模機

2.1.6 修型、刷涂、點火工位

包含了制芯單臂混砂機、砂箱翻轉裝置、涂料噴涂裝置等。

由于特殊的工藝性，上箱與下箱設計了兩條分路執行工藝操作，對于上箱必須設置砂箱翻轉裝置進行刷涂。

研發的翻轉裝置是一種特殊的翻轉形式，驅動端采用固定形式，從動端可以調節距離，從而滿足不同規格砂箱的翻轉操作功能。

2.1.7 合箱工位

合箱采用定點行車合箱，減少了起重設備的多工種使用，消除了安全隱患。

為了適應砂箱的特殊工裝，采用了行車翻轉，后期可以更加優化，如果改變砂箱工裝要求，可以實現鏈式半自動合箱或自動合箱，提高生產線的自動化水平。

2.2 其他關鍵技術應用

（1）從準備工位至合箱工位，設計了自動轉運系統，確保了模具在生產線上自動運轉循環，砂箱在生產線上自動循環，既提高了生產效率，又保證了安全性。

（2）生產線的布置，充分考慮了人流、物流通道順暢，避免了交叉作業，踐行了以人為本的理念。

（3）解箱裝置（長條形落砂機）進行了結構優化，大幅提高生產效率及使用壽命。

采用兩套并聯的方式，最大限度的降低了故障停機的影響，保證了產量。同時為了更好地改善作業環境，控制生產中的粉塵污染，針對落砂機處設計了移動式的半封閉除塵系統，采用了橫插扁帶形式、獨特的厚粉餅層過濾技術的除塵器，保證了排放標準在20mg/m3以內。

圖7 物流通道圖

（4）在重點工位增加了看板，能夠顯示每日的計劃、工藝說明、典型鑄件的說明等功能，保證了鑄件的質量，減少廢品率。

（5）控制室的總控能夠實現遠程診斷、管理功能，可以利用以太網將所有的生產線過程參數，在交換機上生出EXCEL 表，與企業的MES 管理系統軟件對接。

3 結束語

新型VRH法高錳鋼轍叉造型生產線，是目前國內設計產能最大、環保標準最高的高錳鋼轍叉專業化生產線。該生產線的成功投產，標志著我國重載高錳鋼轍叉研制開啟了“2.0 時代”，使重載轍叉的生產制造水平大幅提高，生產效率提高14.2%。整線的自動化水平達到行業領先水平，為鑄造行業智能制造革命提供了寶貴經驗。