鋁合金鑄件低壓鑄造智能生產(chǎn)島的設(shè)計(jì)

孫明杰，張偉鵬，王玉偉

（中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽合肥 230601）

0 前言

在新能源汽車快速發(fā)展、汽車輕量化和節(jié)能減排的大環(huán)境下，鋁合金鑄件得到更廣泛的使用。當(dāng)然采用輕質(zhì)化材料的同時(shí)，帶來的是零件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這樣就對(duì)零件產(chǎn)品的成型工藝提出了更高的要求。鑄造是實(shí)現(xiàn)零件成型的基礎(chǔ)工藝，它具有生產(chǎn)效率高、一次成形復(fù)雜鑄件、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。鑄造過程不僅決定著能否獲得所需的零件形狀，同時(shí)也奠定了材料性能發(fā)揮的潛力[1]。

以某項(xiàng)目為基礎(chǔ)，生產(chǎn)商用車飛輪殼、新能源電機(jī)殼鑄件，采用鋁合金低壓鑄造工藝。

1 鋁合金鑄件低壓鑄造生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 低壓鑄造工藝性

低壓鑄造作為一種近凈成形技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)鑄件少余量、無余量加工，同時(shí)也是汽車鑄件精密化、薄壁化、輕量化和節(jié)能化的重要措施，目前在被廣泛應(yīng)用在航空、航天、交通等領(lǐng)域，其產(chǎn)品在汽車部件的應(yīng)用，對(duì)于汽車的輕量化有著重要的意義。

低壓鑄造投資較少，鑄件內(nèi)部缺陷少，可進(jìn)行熱處理，合格率高，一般可達(dá)90%～95%；但工藝環(huán)節(jié)多、毛坯較重、運(yùn)營(yíng)成本略高、適應(yīng)產(chǎn)品的范圍較窄、效率低（約為高壓鑄造的1/3）。

但目前低壓鑄造在設(shè)備、模具、工藝和自動(dòng)化方面尚需進(jìn)一步改進(jìn)和提高。目前國(guó)內(nèi)低壓鑄造法在批量生產(chǎn)鋁合金鑄件上存在的問題是：澆注條件相對(duì)不穩(wěn)定，影響產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和成品率；其次是生產(chǎn)效率不高，操作比較麻煩，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[2]：

（1）設(shè)備設(shè)計(jì)與鑄造工藝脫節(jié)。

（2）低壓鑄造件模具設(shè)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)水平一般憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)于合金液在鑄型中流動(dòng)情況、散熱和凝固大多是憑經(jīng)驗(yàn)。

（3）低壓鑄造機(jī)零部件可靠性差，整機(jī)自動(dòng)化程度低。

（4）模具表面涂料耐用性差。

1.2 低壓鑄造車間常規(guī)布局

隨著鋁合金在汽車上的應(yīng)用日益廣泛，鋁合金鑄件低壓鑄造工廠面臨新廠房的建設(shè)和原有廠房的擴(kuò)建問題。加之原有廠房工藝布局自動(dòng)化程度均不高，各工藝程序之間采用傳統(tǒng)的叉車運(yùn)輸、行車吊運(yùn)模式，物流成本高，占地面積大，運(yùn)行成本增加，整體生產(chǎn)成本增加，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)不明顯。

主要表現(xiàn)在熔煉除氣和低壓機(jī)之間，低壓機(jī)換模流程，芯子運(yùn)輸及下芯過程，鑄件成型后的除芯、去澆冒口毛刺等工序均成平行或并列布置，導(dǎo)致熱處理之前的各工序之間自動(dòng)化程度低，不能形成統(tǒng)一完整有序的生產(chǎn)。有多少生產(chǎn)多少，然后進(jìn)入下一個(gè)工序，或者堆放在設(shè)備前，或者等待下一工序的設(shè)備空閑，整個(gè)車間處于無序狀態(tài)。

近些年很多低壓鑄造機(jī)設(shè)備廠家以及研究單位適應(yīng)智能制造、綠色制造的要求，積極研究開發(fā)，結(jié)合低壓鑄造工藝生產(chǎn)特點(diǎn)，推出低壓鑄造生產(chǎn)平臺(tái)，以下芯、澆注、成型、取件冷卻、振砂除芯、去澆冒口毛刺等工序組合，以機(jī)器人為中介，將各工序有機(jī)結(jié)合，完成除熱處理、拋丸清理外的生產(chǎn)工序。此生產(chǎn)平臺(tái)的推出，完全顛覆了傳統(tǒng)一工序一塊地的布置模式，極大節(jié)約場(chǎng)地面積，并完全實(shí)現(xiàn)過程的自動(dòng)化，提供各工序的工藝數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)平臺(tái)的智能化奠定可靠的基本數(shù)據(jù)保障，加之生產(chǎn)平臺(tái)的各設(shè)備自身智能化的設(shè)計(jì)，通過智能平臺(tái)的建立，完全實(shí)現(xiàn)低壓鑄造從澆注到熱處理前的各工序的智能化生產(chǎn)。

當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)全部的智能化，標(biāo)準(zhǔn)化是前提，也是目前鑄造行業(yè)需要轉(zhuǎn)變理念而重點(diǎn)去面對(duì)、解決的基礎(chǔ)工作[3]。

2 鑄造設(shè)備層智能化特點(diǎn)

“中國(guó)制造2025”的主線是工業(yè)化和信息化的融合，把智能制造作為主攻方向。鑄造作為制造基礎(chǔ)行業(yè)，由于中國(guó)鑄造業(yè)自動(dòng)化集成水平發(fā)展不平衡，信息化基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，現(xiàn)階段鑄造業(yè)的智能制造還未大規(guī)模的發(fā)展起來。對(duì)于傳統(tǒng)的鑄造行業(yè)，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)整個(gè)行業(yè)的“智能鑄造”還有一段路要走。實(shí)現(xiàn)“智能鑄造”的基礎(chǔ)必然要實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄造車間設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，實(shí)時(shí)獲取車間的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)與產(chǎn)品生產(chǎn)信息。

項(xiàng)目以低壓機(jī)智能生產(chǎn)島內(nèi)的各設(shè)備（低壓鑄造機(jī)、機(jī)械手、振砂除芯機(jī)、圓盤鋸、切冒口機(jī)、打磨機(jī)）為基本單位，要求各設(shè)備提供生產(chǎn)中的工藝參數(shù)及處理狀態(tài)，匯集到處理系統(tǒng)，并分析收集的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確反映到下一個(gè)工序，為各工序提供準(zhǔn)確的執(zhí)行數(shù)據(jù)依據(jù)，使各工藝過程所要執(zhí)行的任務(wù)、處理的產(chǎn)能達(dá)到匹配契合。

對(duì)各設(shè)備基本的要求是需具備包含PLC 自動(dòng)化控制系統(tǒng)，模擬量模塊與傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，觸摸屏顯示，工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口通訊等，以便數(shù)據(jù)的采集和通訊。在低壓鑄造智能生產(chǎn)島的設(shè)備中，需要采集的數(shù)據(jù)基本如表1 所示。

表1 低壓鑄造智能生產(chǎn)島設(shè)備參數(shù)

3 低壓鑄造智能生產(chǎn)島的設(shè)計(jì)

3.1 低壓鑄造智能生產(chǎn)島的布局特點(diǎn)

以某飛輪殼2008 產(chǎn)品為例，材質(zhì)ZL111，重量25kg，產(chǎn)能3000t/年。其產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示。

圖1 生產(chǎn)工藝流程圖

其智能生產(chǎn)島包含低壓鑄造、下芯、取件、冷卻、清砂、切澆冒口、清理毛刺飛邊等工序，具體布置如圖2 所示。

圖2 工序布置圖

根據(jù)飛輪殼模具一型一個(gè)的工藝，模具預(yù)熱完成后，機(jī)械手1 從砂芯濾網(wǎng)倍速鏈上抓取砂芯放置在模型中；合型澆注完成后，機(jī)械手1 從模型中抓取鑄件至冷卻架，進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，冷卻好的鑄件由機(jī)械手1 抓取到除芯機(jī)進(jìn)行振砂除芯；振砂除芯完成后的鑄件由機(jī)械手1 抓至中間平臺(tái)，由機(jī)械手2 抓至圓盤鋸切割澆冒口；切割澆冒口后由機(jī)械手2 抓至打磨機(jī)進(jìn)行鑄件的精整打磨，再由機(jī)械手2 抓至切邊機(jī)進(jìn)行切除飛邊毛刺；最后由機(jī)械手2 抓至鑄件下線位置將鑄件運(yùn)輸至下一個(gè)工序（立庫存儲(chǔ)或熱處理）。

整個(gè)生產(chǎn)島根據(jù)訂單信息輸入，以低壓鑄造機(jī)為中心，設(shè)備之間達(dá)到信息的暢通和協(xié)作，各自完成對(duì)應(yīng)的工作，并協(xié)調(diào)完成整個(gè)生產(chǎn)島內(nèi)的工序。生產(chǎn)過程中各設(shè)備的參數(shù)信息、產(chǎn)品狀態(tài)信息輸出給中控系統(tǒng)，以便數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，為后續(xù)生產(chǎn)安排提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

3.2 車間其他工序和智能生產(chǎn)島的智能化銜接

智能生產(chǎn)島的自動(dòng)化程度滿足了低壓鑄造生產(chǎn)智能化的基本條件，而要實(shí)現(xiàn)整個(gè)車間的智能化生產(chǎn)，還需要其他工序、各工序之間自動(dòng)化、智能化的設(shè)計(jì)和實(shí)施。

項(xiàng)目熔煉采用集中熔化爐，熔化后的鋁水經(jīng)除氣、轉(zhuǎn)運(yùn)、換包進(jìn)入低壓鑄造機(jī)，整個(gè)過程由自動(dòng)鋁水轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)輸，此過程熔化爐的工藝參數(shù)和狀態(tài)信息反饋到中控系統(tǒng)，自動(dòng)鋁水轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)接收到指令，執(zhí)行本過程的轉(zhuǎn)運(yùn)等操作。

項(xiàng)目模具更換和砂芯采用同一標(biāo)高平臺(tái)通過軌道運(yùn)輸，與鋁水轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)不交叉。

項(xiàng)目砂芯存儲(chǔ)、鑄件從生產(chǎn)島到熱處理之間設(shè)計(jì)立體庫，緩存砂芯和鑄件，調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程中的節(jié)拍問題。中間過程設(shè)計(jì)輥道和AGV 小車運(yùn)輸，且立體庫自身設(shè)計(jì)數(shù)字化管理系統(tǒng)，通過其他工序的指令和信息掃描進(jìn)行輸入和輸出砂芯和鑄件。

立體庫與熱處理、熱處理和拋丸工序之間通過輥道小車或機(jī)械手鏈接，以便各工序指令的接收和數(shù)據(jù)的采集。

車間設(shè)中控室，中控室配有服務(wù)器、監(jiān)控顯示器和信息數(shù)據(jù)顯示器，通過網(wǎng)絡(luò)把相關(guān)信息發(fā)送到個(gè)人計(jì)算機(jī)或手機(jī)，警示和提醒自動(dòng)通過郵件發(fā)送給責(zé)任人。中控系統(tǒng)采集熔化爐、低壓澆注機(jī)、熱分析儀等各設(shè)備的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度、能耗、模具和設(shè)備狀態(tài)，顯示生產(chǎn)信息。設(shè)備管理包括配件出入庫操作、保養(yǎng)和檢修計(jì)劃、記錄查詢等功能。產(chǎn)品管理包含工藝方案及其模擬結(jié)果、工藝文件、作業(yè)指導(dǎo)書、生產(chǎn)過程檢測(cè)數(shù)據(jù)和二次檢驗(yàn)數(shù)據(jù)等資料，通過產(chǎn)品編碼查詢到產(chǎn)品信息。系統(tǒng)具有統(tǒng)計(jì)分析功能，如個(gè)人效率、設(shè)備能效、熔化能耗等信息，并可進(jìn)行多臺(tái)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)比較[4]。

3.3 低壓鑄造智能生產(chǎn)島的特點(diǎn)

整個(gè)低壓鑄造生產(chǎn)島的設(shè)計(jì)，以智能化生產(chǎn)實(shí)施為基本出發(fā)點(diǎn)，對(duì)各設(shè)備、各工序流程、各工序之間的銜接均設(shè)計(jì)數(shù)字化系統(tǒng)，完成整個(gè)智能生產(chǎn)島的設(shè)計(jì)。其具有以下特點(diǎn)：

（1）對(duì)批量化產(chǎn)品的生產(chǎn)，節(jié)約人工和運(yùn)輸成本。

（2）機(jī)器人的使用，避免了高溫、高粉塵、高負(fù)荷工位使用人工。

（3）每個(gè)工序生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和統(tǒng)計(jì)，對(duì)生產(chǎn)的調(diào)控和精益生產(chǎn)提供有力的依據(jù)。

（4）有效節(jié)約廠房面積近20%。

4 結(jié)論

智能生產(chǎn)島的開發(fā)和設(shè)計(jì)解決了鋁合金鑄件從澆注到熱處理之前的設(shè)備層的數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計(jì)問題，促進(jìn)低壓鑄造鋁合金鑄造車間智能化生產(chǎn)進(jìn)程；并有效節(jié)約廠房面積。