国内外铸造设备的发展趋势

铸造人 · 发表于 2009-4-11 14:10:49

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一、前言
我国的铸件年产量现己位居世界第一。但是我国所生产的铸件总体上讲在质量上与工业发达国家相比还存在相当的差距。其主要原因之一就是我国铸造行业的机械化、自动化、信息化水平低，所采用的技术装备落后。与工业发达国家相比，我国铸造装备制造行业也存在巨大差距。其突出的弱点是研发能力差，缺乏创新性，迄今仍基本上靠测绘样机或凭经验进行类比设计。这种状态对我国铸造行业的技术改造和技术进步，逐步实现现代化己经产生相当大的制约作用。我们需要加紧工作，努力改变这种落后状况。
本文仅从造型设备，砂处理设备，浇注设备，机器人应用等方面来简述铸造设备的某些发展趋势。

二、造型设备
垂直分型无箱射压造型机的设计构思是上世纪五十年代由时任丹麦科技大学教授的V.A.Jeppesen提出的。他在实验室内进行了大量的试验研究，特别是对湿型粘土砂的射砂过程进行了深入的研究。随后他研制成一台样机，并于1957年利用这台样机在丹麦的两家铸造厂中进行生产性实验。1959年Jeppesen教授获得了垂直分型无箱射压造型机的专利。
1961年丹麦工业辛迪加（即DISA）购买了上述专利，并由6名工程师组成的技术团队在其基础上开发了第一台生产用的造型机。后者于1962年夏展出于德国杜塞尔多夫的世界铸造博览会（即GIFA）上。1964年初首台生产率为240型/小时的垂直分型无箱射压造型机（即DISAMATIC）发送到用户丹麦一铸铁厂并投产。目前，世界各国共约有超过1000家铸造厂采用这种造型方法生产铸件。
近年来国外有的铸造设备制造厂推出了经过改进的侧吹水平分型无箱吹压造型机。这种造型机在造型时，即吹砂及高压压实时，是将型板及造型室旋转90°使其处于垂直状态下进行的。然后使它们转回到水平位置，进行起模、下芯、合箱、顶出造型室等等。
日本新东工业珠式会社所生产的水平分型无箱射压造型机采用0.1MPa的低射砂压力，同时开发了“压力控制”方法来控制造型室的排气，这样使型砂能充填到模样上的小吊砂内（图1）。所谓“压力控制”就是在射砂开始阶段将造型室侧壁上的排气塞堵死，使空气/砂流流向模样上的小吊砂（其底部有排气塞）内。随后再开启造型室侧壁上的排气塞，使型砂能将整个造型室充填满。

图1
该公司在上世纪80年代推出气流－高压压实造型机即“静压造型机”的基础上，于上世纪末又开发出低压射砂——双面压实造型（即ACE造型机）如图2所示。

图2
三、型砂处理设备
对湿型粘土砂的控制包含以下两方面的内容：（1）获得优化的型砂性能；（2）维持优化的性能。为实现前者，要选择各种有效的型砂测试仪器，以便对型砂性能进行经常和有效的监控。为实现后者，要采用预防性控制方来保持型砂系统的总量平衡。
由于计算机技术的迅速发展，使得在铸造厂中实施预防性型砂质量控制方法得到推广应用。
图3a为清华大学所开发的一套砂处理质量管理系统的硬件组成示意图，砂处理质量管理系统的核心是其软(图3b)。其中的物料补加模块就是按照预防性控制方法，综合考虑铁砂比、型砂中物料烧损、旧芯砂混入、除尘等影响因素，所建立的各种物料的补加量。后者可根据实时性能检测结果即有关的生产统计数据进行及时的修正。
图4所示为德国Eirich公司为砂处理工部提供的成套设备示意图。它包括混砂机和定量装置，还有型砂性能在线控制装置和有关的型砂质量控制软件。

                  a）                                  b）
图3

图4

四、自动浇注设备
铸型的浇铸是铸造生产中劳动强度大、工作环境差，同时对铸件质量具有重大影响。浇现代化的自动浇注机的控制主要有下述两大类。
1.采用视频摄像技术的控制系统
浇注工浇注一个铸型时，他的眼睛看着浇口杯而他的手开始倾转浇包。他观察着铁水浇到浇口杯的同时在头脑中不停地考虑着铁水浇注速率和浇口杯中的液面高度。当液面到达要求的高度时他即停止浇注。浇注工的手、眼睛和大脑一起构成了一个基本的闭环自适应控制系统。在生产率低的铸造厂中人工浇注可以解决问题。但是在现代化的生产率很高的情况下这种传统的工人浇注法就无法适从了。
视频摄像控制就是设计来再现浇注工的眼手协调的一种系统。浇注工的眼睛为一摄像机所取代，他的思考过程为一台计算机及一套复杂的软件包所取代，而他的手则为一伺服驱动机构所取代。视频摄像控制提供了一个可满足每小时浇注超过500铸型的闭环自适应控制系统。
2.采用激光技术的控制系统
a.点激光控制技术
点激光控制技术利用目前在航天、军工中广泛运用的激光测距技术，采用光学三角测量法，能够精确地测量距离。点激光控制技术的核心是点激光装置（图5），它是由以下几个主要部分组成：
（1）光电非接触式探测器——它被封装在一水冷套中并进一步为一空气清扫系统所保护。
（2）激光浇注控制器——它包括硬件和软件系统。
（3）塞杆执行机构——它有一套高性能的伺服电动机。
（4）操作台——操作者可进行编程及选择理想的浇注曲线和其它浇注参数。
激光探测器是一种利用激光及简单几何原理的非接触式探测器，它由下述几部分构成：
（1）光源——它具有一激光二极管及一套将激光束聚焦到所测量的液体金属表面上。
（2）照相机——它从被测量的表面上聚焦一小部分散射的激光（如同一个图像被聚焦到人眼眼底的视网膜上那样）。
（3）集成的探测器微电子处理器。
光电探测器在探测器上提供一给出图像位置的信号。信号处理电子线路将此信号转换为至被测表面的距离。到被测表面距离的任何变化，例如液面的波动，都将导致被聚焦在探测器上的光点位置的变化。
这一测量原理称为应用激光的光三角形（图6）被证明能很好地适用于液体金属液面位置的监控。一切来自液体金属的外界的光源——可视光或红外光——皆被从光学上或电子学上过滤掉，而不会影响测量。
因为激光反射的强度在射线平面和特定的砂型表面之间的夹角上急剧下降，在安装点激光装置时它与垂直线之间的夹角不能大于30°。为此通常要在浇口杯上做一个尾槽以便激光束射到铁水表面。
b.线激光控制技术
线激光控制技术也就是三维激光技术。
线激光系统由一线激光发生器和一线激光接受器构成。当砂
型上的浇口杯直接位于浇注包出铁口下方时，安装在浇注包一侧的线激光发生器（图7）发射出一条横切浇口杯的激光线（图8）。安装在浇注包另一侧的激光接受器也对准着浇口杯。应用三角测量法可确定浇口杯中铁水液面位置。它利用一条激光线直接测量砂型表面和浇口杯中铁水液面的位置，而两者的差值就是铁水液面高度。

   图7                                           图8

线激光控制技术由于产生一具有较大探测面积的信号因而为建立响应提供了更多的信息。其控制的基础是测量线上的象素数，后者是随长度变化而变化的。这种技术除了具备点激光技术的优点外，又不需要前面所述的尾槽，可以适用于较小的浇口杯情况下，因而节约了铁水。由于它不受铁水散流的影响，因而更加可靠。

五、机器人在铸造厂中的应用
直到目前为止，铸造厂中仍然有许多繁重的工作由人力来完成。铸造厂中  的劳动环境和繁重的体力劳动早已将实现自动化生产提到了议事日程上。而采用机器人则是一个重要的解决途径。
1.在制芯过程中的应用
对于一些复杂的铸件如汽车发动机缸体来说，其砂芯被装配到一起时就会变得非常沉重，可达50kg以上。而且由于各种化学粘结剂、脱模剂的使用，会产生大量的灰尘以及有刺激性的气体．从而使装配工作的条件变得非常令人难以忍受。如果每天用手工来搬运大量的如此沉重的零件，工人的劳动强度将会很高。但机器人可以在有灰尘及有刺激性气体的条件下得到很好的保护，只需加上防护罩即可。它可以不知疲倦地工作．同时还能保证很高时精确度。
（一）下面以德国Eisenwerk Bruehl铸造厂为例，介绍机器人在铸造厂中应用的一些实例。
德国布留尔铸造厂（Einsenwerk Bruehl）是目前世界上最大的专业化铸造厂之一，年产灰铸件200000吨，主要生产各种不同类型的汽车发动机缸体。在该厂的制芯车间内，有许多独立的制芯生产单元，它们的生产任务也各不相同。
图9为一个制芯生产单元，它的主要任务是生产用于汽车发动机缸体的组合芯子。该单元的主要设备包括一台射芯机、一大一小两个机器人和两个中转工作台。大的机器人的夹具是一气动夹具，小的机器人的夹具是一自动射钉机。该单元一次可以生产一组芯子，其中包括两个水套心和两个机座芯，并由机器人把它们装配成为完整的发动机缸体组合芯。砂芯是由一台采用冷芯盒工艺方法生产的射芯机来制造的，射芯机的生产率为每40秒一组。
首先，射芯机将射好的一组芯子自动送出机器，然后由大的机器人将整个一组芯子从射芯机中取出，并用塑料做的刷子将砂芯上的毛刺刷于净，随后，大机器人在一个中转工作台上将这一组芯子装配到一起，但并没有将其固定在一起。然后该机器人即离开这组芯子。这时，装备有自动射钉机的小机器人就会用螺钉将芯子固定在一起。在小机器人固定芯子的时候，大机器人移动到另一个中转工作台，将已经装配并固定在一起的另一组芯子带走，然后将这组芯子浸入到一个涂料池内，使芯子能够均均匀地沾满涂料。最后将上好涂料的芯子放在传送带上，转入下一生产单元。
这个机器人生产单元可以完成清除毛刺装配、上涂料、和堆放芯子的任务，并且有很高的生产率。一小时之内可以生产180套发动机缸体的芯子，每天工作16小时的产量为3880套，一年按250天计算，则年产量为720000套。另外，这个生产单元同时具有柔性化的生产特征。如果需要更换芯子种类时，只需更换芯盒和机器人的夹具即可。这些工作可以在很短的时间内完成，从而保证了生产的持续性和高效率。同时，由于发动机水套芯的壁厚非常小，砂芯刚从射芯机中取出时，强度并不是很高，如果用人工或其它方法搬运时，很容易造成破损，但采用机器人来处理时，机器人可以保证搬运过程的稳定性，从而大大降低由于搬运而产生的废品率。
图10a所示为美国印第安纳波利斯铸造公司为生产柴油机发动机V8汽缸体，于2001年建成的机器人制芯系统。该系统由3台自动化冷芯盒制芯机、11台机器人及一条传送带所组成，每天生产1500套单重约205kg的砂芯组合（图10b）。

（二）位于德国西南部Dillingen的Alucast铸造厂采用由冷芯盒砂芯组成的“精确砂型”生产轿车铝合金缸体和缸盖，年生产能力为2000000件。该厂有数条“精确砂型”生产线，每条生产线由顺序排列着的8台射芯机及数台机器所组成（图11）。其砂芯的组装是利用芯盒的定位装置来进行（图12），因此是十分精确的；而且砂芯组装是靠芯头的构造和尺寸配合来实现，并不需要进行粘合或用螺栓连接。

2.在浇注过程中的应用
采用机器人来进行铸型的浇注对于提高铸件质量和生产率、改善劳动条件来讲是一条可行的途径。目前它已经成功地应用于铝合金及铜合金小铸件的金属型铸造中。
英国VAW West Yorkshire铸造厂中生产铝合金汽车发动机缸体和缸盖。图13为该厂的一台6工位金属型转盘铸造机上一台机器人从保温炉中将浇包装满液体金属后将其浇注到铸型中。
图14为另一种用于浇注铝合金的机器人。其浇注轴最大可支承100kg的液体金属。它由一台工业机器人、一套伺服驱动机构及一台工业PC所组成。

3.在清理过程中的作用
近年来在工业发达国家的铸造厂中机器人在清理工部中的应用正在增加，机器人正在逐步取代铸件清理过程（诸如去除浇冒口、去除毛边飞刺、打磨）中的人工劳动。
（一）自动化清整单元
1.由机器人夹持工具
图15所示为一机器人进行铸件清整过程的工作地布置。铸件的装卸可由人工进行而其运输则由一装有两套夹具的转盘来进行。机器人自动地从工具架上更换所需的清整用工具。
这种方案适合于大中型铸件清整。其优点是：
（1）可以从工具库中选择所需的工具
（2）有可能磨削铸件的内部表面
其主要限制是：
（1）如果被磨削的铸件表面质量直接取决于工具的坚硬程度，机器人的肘部是不允许使用坚硬工具的。
（2）机器人的标定工作速率是磨削机的一半
（3）机器人的程序主要是在线编制而需停止生产
（4）铸件最大尺寸受到机器人工作范围的限制
2.由机器人夹持铸件
图16是机器人的末端执行器（手）夹持被清整的铸件。通常是机器人从传送装置上抓取铸件送到工具处进行磨削。在该装置的周围有一或数台工具。
这种方案适合于中小型铸件（≤200kg）的清整。其优点是：
（1）可以跟随很复杂的几何形状
（2）在磨削后可将铸件直接放到发货架上
其主要限制是：
（1）由于机器人腕部的震动只能提供低的速率和力量
（2）对于每种铸件要有相应的手抓
（3）对于每种新的铸件各需要待机来编程
（4）铸件重量的增加将使机器人的工作精度降低

（二）图17为日本丰田汽车公司用于汽车发动机进气管铸件清理的生产线。在该线上可对4种不同类型的进气管进行排出芯砂、去除浇冒口、去除毛刺等工序。由图可见，该线装有两台机器人，一台用于运输、一台用于去除毛刺。

六、结束语
1.我国铸造行业技术改造的任务是紧迫而繁重的，这就为我国铸造机械行业带来了很大的机遇。同时，我国铸造机械行业已经并还将遇到国外厂商的挑战，所面临的形势十分严峻。
2.我国铸造机械行业首先应努力提高研发能力，根据国内市场的需求，开发先进的、适用的、具有自主知识产权的各类铸造设备。必须大力提高我国铸造机械产品的质量，发展其品种，加强配套能力。
3.在研究、开发工作中，铸造设备制造厂要充分利用我国大学和研究机构在科技上的优势，加强合作，取长补短，协同作战。这是缩短将研究成果转化为现实生产力的重要途径。
4.铸造设备首先是为实现某工艺过程服务的。铸造设备制造厂应对其所生产设备的工艺性有深入的了解，并且能为其用户提供这方面的服务（包括销售前的技术座谈、销售后的技术服务等）。
5.现代化的铸造设备无一不是机电一体化产品，信息技术已越来越多地得到应用。因此，我们要充分发挥我国的人才优势，抓紧将计算机技术、网络技术、传感技术、自动控制技术等高新技术应用到铸造设备和系统中去，提高其技术含量。

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