低压铸造热加工车间智能化生产技术

2023-02-02章旭霞袁亮亮赵志刚许国钰张海东

金属加工(热加工) 2023年1期

章旭霞，袁亮亮，赵志刚，许国钰，张海东

浙江万丰科技开发股份有限公司浙江绍兴 312499

1 序言

在汽车零部件中，铝合金材料以其密度小、比强度高、成形方式多样化等性能特色，得到了普遍应用。尤其是近几年，出于环保和节能的需要，汽车轻量化已成为全球发展的潮流，不少零部件由“黑色”转到了“有色”，其中铝合金件更为普及。

在铝合金铸造方式上，重力、低压、差压、高压及铸旋等各种铸造模式并存，在不同需求场景发挥着各自的特色和作用。低压铸造作为一种铸造成形技术，成形铸件具有缺陷相对较少、铸件流动性和成形性好、组织致密度高、力学性能好，以及铝液收得率高等优点，成为铝合金铸件的核心铸造工艺之一。其原理是液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法[1]。

低压铸造机自身的自动化程度已很高。但近几年，汽车轻量化的另一途径是将多个零件优化合并成一个，大型铸件逐渐增多；复杂结构件，需要砂芯配合获得铸件；随着铸造工艺和模具的技术提升，为提高生产效率，一模多件的生产模式越来越普遍。大型铸件的上砂芯、取件等已无法人工作业，必须借助自动化辅助设备实现连续生产，外加精密铸件铸造过程工艺极为关键，更需要数字化技术辅助过程质量分析，加剧了低压铸造过程自动化、智能化的必要性[2]。

工艺服务于铸件，设备服务于工艺。基于此，根据低压铸造的工艺路线，其生产模式还需形成完整的热加工生产线，才能实现连续生产。其主要生产线布局如图1所示。

图1 生产线布局

2 各工序智能化生产技术

本文围绕上述技术路线，对每个工序的自动化、智能化技术进行剖析。

2.1 铝液熔炼

熔炼炉工序首先是上料，目前常用方式是人工将装料小车送入上料传送架，再由传送架自动提升装料小车进行倒料。此处可以外置料框库，叉车一次性将成捆铝锭放置到料框库的装料工位上，由料框库自动传送给上料机构进行投料，空框则反向输出，自动下降到装料工位，实现了上料完全自动化。

在出液口，常规放铝方式是采用堵头开合进行放铝液操作，其弊端是随着使用时间越来越长，堵头和放铝孔不可避免地出现磨损，从而产生漏铝风险，或人工作业存在安全隐患。为此，可采用自动提放铝液装置（见图2），将铝液从低往高自动抽出，从原理上取消了堵头的结构，避免了人工放、堵的危险。该装置还可实现取液腔与内腔铝液流动，保持取液腔的铝液温度，有利于减少能耗。

图2 自动提放铝液的装置

熔炼炉是热加工车间能耗最大的装备，也是节能降耗的关键之处。熔炼炉厂家不遗余力地进行技术提升，如改进内腔结构、保温层架构、烧嘴布设位置，提高烟气热量利用率，尽可能降低能耗、减少熔铝烧损；优化尾气收集技术，利用尾气预热对铝锭进行充分预热；采用蓄热烧嘴，有效降低燃气用量；另外，还有铝屑循环装置，通过铝液熔化铝屑、冒口等小废料，还可以带动取水腔和内腔铝液进行循环，使两者温度均匀，大大降低此处的熔化烧损[3]。集中熔炼炉如图3所示。

图3 集中熔炼炉

2.2 铝液处理

熔炼后的铝液需在转运包内进行除气精炼，不同的需求有不同程度的自动化配置技术。常规技术有精炼时间控制、温度检测、自动运行，若精炼过程需要加粉、配料，则可在精炼机上配置相应的自动定量传送装置。精炼需不断通入冷态气体进行搅拌，是散热最严重的环节，可在此处配置加热装置，有条件的可使用带加热功能的转运包，以有效降低对熔炼炉输出铝液的温度要求，精炼后铝液温度稳定，有利于铸造质量保障。

对于带有炉盖的坩埚炉，精炼工位配置必要桁架吊装机构、升液管保温炉，以实现自动吊装（见图1）。

2.3 铝液转运

传统模式是采用叉车、行车对中转包进行转运或倾倒，存在较大的安全风险。目前，采用自动换炉系统已成为发展趋势，配合铸造管控系统，可提前识别待加铝机台，自动将精炼后的保温炉送入机台，空炉运至熔炼炉自动取铝液，再转运至精炼工位，根据精炼工艺完成处理、待用。

铝液转运系统（见图4）具有自动调度、工位识别，与工位精准定位，与熔炼炉、精炼机、低压铸造机联动，全过程实现无人化作业。

图4 铝液转运系统

2.4 低压铸造机

低压铸造机（见图5）是获得铸件的核心装备，可自动实现合型、充型、冷却及取件的全过程作业，自动化程度已很高。

图5 低压铸造机

其提升的空间，则聚焦于设备能耗、效率、精细化工艺实现方面。如液压系统采用伺服液压、蓄能器技术，优化控制系统，与生产工艺相结合，可有效降低能耗；各机构运行速度及相互配合得当，快慢速运行有效结合，可降低空循环时间，提高班产；模温控制系统、冷却系统，采用温度控温、比例流量闭环冷却控制系统，不仅能减少过度冷却，还能提升铸件质量。

2.5 取件系统

在低压铸造过程中，其实还存在人工辅助放置过滤网、砂芯、清理模腔等辅助作业，可用含有机器人的自动取件单元（见图6）加以解决，真正实现无人化作业[4]。

图6 机器人取件单元

上述系统中，需重点考虑机器人与低压铸造机联动的安全性（必须建有安全区）、节拍匹配度；夹具设计上则关注砂芯抓取要稳固且无抓伤，铸件取件不得伤及本身，过滤网取放过程不得掉落及掉落检测等；对于大型、薄壁类存在变形的铸件，则在打标前需用激光检测做位置标定，保障打码效果；为保障高品质的连续铸造，可采用目测、光电感应、相机检测等技术，实现铸件完整性检测，避免连续产生废品。

2.6 铸件清理线

取件系统取出的铸件可通过冷却输送线转运到清理线（见图7）。清理线根据铸件的特性进行配置，当下最全面的工序有上件、击砂、落砂、切边、切割、打磨、钻孔及打标等，可作选择性配置[5]。该生产线在总控系统的管控调度下，实现有序的联动作业、无人化生产。

图7 铸件清理线

1）在上件装置处，需对放置的铸件进行定位，方便机器人精准抓取，同时能检测有无铸件放置到位，通知机器人进行作业。

2）击砂设备则要考虑多款产品使用的通用性，气锤可根据需要进行调整位置。锤击位置的选择至关重要，既不能损伤铸件本体，又能使砂芯溃散。

3）落砂设备的振动幅度、频率、产品加持方式直接关系到清砂效果和产品的损伤度，因此需结合铸件特性进行分析设计。

4）切边机是驱动切边模实现铸件一次性清理多余飞边的设备，其关键技术在于设备的平稳性和液压系统的控制。除切边瞬间，设备需慢速运行，其他时间应快速上下，保障效率。底模则可以通过翻转方式自动将切下废料清理掉，以不影响下个产品的生产。切边模的设计不仅要起到有效的切除，对于易变形铸件还需留有一定的空间，避免切伤铸件。

5）切割环节一般采用锯片切割站、锯床等模式，也可两者并用，实现复杂铸件的高效切割。锯片大小需结合铸件浇口、流道的复杂性配置，实现尽可能多的切除，但不得伤及铸件本体。对于已变形铸件，切割前应进行变形检测，自动纠正机器人轨迹。

6）清刺打磨关键在于刀具的使用，对于不同飞边、清理要求，需选配不同的刀具，清理后应平整光滑，可配置必要的浮动装置、力传感技术。不管是怎样的清理，都不得伤及铸件本体。为保障连续作业的效果，系统需要有刀具寿命管理和断刀检测功能。去毛刺工具如图8所示。

图8 去毛刺工具

从环保角度考虑，此类生产线还应配置有隔声工房，将噪声隔离在内部，以及铝屑、砂芯排除系统，无需人工进入内部处理。

3 铸造管控系统

对于自动化生产线，对设备、感应技术的依赖越来越严重，靠人工经验的干预作业越来越少。因此，传统由人工记录、采集现场数据的模式，由于及时性差、信息不全，所以已无法保障自动化生产线的连续运行，就需要一套相匹配的专用管理系统来进行全场掌控、整体调度、细节诊断、质量分析。

铸造管控系统是对从熔炼炉至清理线各工序的设备进行联网，从设备读取实时数据和信息，在系统界面呈现设备状态和故障信息，及时掌握设备信息。同时，对设备所用的易损件、关键件进行实时监控，保障生产连续性。

生产归根结底要保障品质，系统实时监控各工序工艺执行情况并做记录，一旦有偏离则报警或做停机处理，第一时间控制废品的产生。而打标产生的二维码，是每个铸件的唯一身份，系统以此为点串联该铸件生产时的所有工况信息，比如熔炼炉号、铝液温度、精炼后铝液质量、充型工艺、冷却执行情况，以及清理时铸件温度等，即时分析出该产品的缺陷原因所在。而数据存储，也便于后续追溯和综合分析。

作为全场的管控，系统就如指挥大脑，实现供铝的自动调度，以及前后工序设备的连贯性作业。