陳躍程，劉 偉

（天津中屹銘科技有限公司，天津）

·鑄造設(shè)備·

鑄件清理打磨自動(dòng)化技術(shù)及其應(yīng)用

陳躍程，劉 偉

（天津中屹銘科技有限公司，天津）

鑄件的清理—即去除鑄件的澆冒口和飛邊，是鑄造生產(chǎn)中不可缺少的一道工序；由于此環(huán)節(jié)機(jī)械化和自動(dòng)化的程度不高，存在著工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境污染嚴(yán)重、安全隱患大等問題。本文介紹了利用數(shù)控多軸向機(jī)床、非標(biāo)數(shù)控、沖壓剪緣及機(jī)器人等全序列設(shè)備對(duì)鐵素體鑄件毛刺飛邊去除的方法以及應(yīng)用實(shí)例，實(shí)踐證明該方法能有效地提高鑄件清理的生產(chǎn)效率，改善作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，對(duì)相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)有很大的促進(jìn)作用。

鑄件清理；數(shù)控機(jī)床；非標(biāo)設(shè)備；機(jī)器人

眾所周知，中國(guó)是個(gè)鑄造業(yè)大國(guó)，其中鑄件的清理是鑄造生產(chǎn)中不可缺少的一道關(guān)鍵工序，但在生產(chǎn)過程中由于機(jī)械化和自動(dòng)化的程度低，鑄件的清理工步往往是工人勞動(dòng)強(qiáng)度最大，環(huán)境最差的一角。

國(guó)外基于勞動(dòng)力的缺乏和工業(yè)化的發(fā)達(dá)，借鑒機(jī)械加工設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)開發(fā)出了一些鑄件清理設(shè)備，投入使用后取得了很好的效果，既提高了生產(chǎn)效率（基本上與快速的造型效率相匹配），又減輕了作業(yè)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了作業(yè)環(huán)境，但設(shè)備價(jià)格十分昂貴，難以普及并廣泛應(yīng)用。

基于這樣一個(gè)環(huán)境背景，在吸收國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，不斷從底層開發(fā)，推出了鑄造件清理打磨全序列設(shè)備的解決方案，并在國(guó)內(nèi)得到了有效推廣。其中包括數(shù)控磨削機(jī)床、機(jī)器人打磨設(shè)備、非標(biāo)類設(shè)備、沖壓設(shè)備等等，填補(bǔ)了行業(yè)空白。解決了鑄件打磨所產(chǎn)生的粉塵污染，并且使產(chǎn)品廢品率基本為零，鐵屑回收率趨近于百分之百。完全達(dá)到了車間無污染、無工傷、無不良品的目的。

1 原始處理方法及危害

鑄件后處理、清理工序，大多數(shù)企業(yè)還是以傳統(tǒng)的錘擊和普通砂輪機(jī)研磨方式為主。這種方式存在著工作效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境惡劣、安全隱患嚴(yán)重、成品質(zhì)量殘次不齊、和由此帶來的人力資源緊張諸多問題；難以與造型及澆注的高效率相適應(yīng)，嚴(yán)重影響了造型線的效率發(fā)揮。如何提高鑄件清理工作效率，尤其是去除鑄件的澆冒口和飛邊毛刺工作的效率，是鑄造工作者一直在探索和迫在眉睫需要解決的問題。

2 自動(dòng)化進(jìn)程的瓶頸與解決方法

經(jīng)過幾年來的調(diào)查研究，國(guó)內(nèi)后處理打磨領(lǐng)域自動(dòng)化進(jìn)程推進(jìn)的十分緩慢，總結(jié)下來有以下幾點(diǎn)原因。

2.1 設(shè)備昂貴，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高

分析價(jià)格昂貴的關(guān)鍵問題在于核心技術(shù)掌握在國(guó)外設(shè)備商手中，因此對(duì)國(guó)內(nèi)用戶銷售時(shí)，會(huì)提高價(jià)格，有一種壟斷的態(tài)勢(shì)。

針對(duì)這一問題，必須從設(shè)備的基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)，尤其是耗材（金剛石砂輪）的開發(fā)。經(jīng)過幾年的踏實(shí)努力，我們已經(jīng)掌握了設(shè)備及耗材的核心技術(shù)，將設(shè)備逐步國(guó)產(chǎn)化，節(jié)約制造成本，提高設(shè)備性價(jià)比，有助于推進(jìn)后處理打磨領(lǐng)域的自動(dòng)化進(jìn)程。

2.2 單機(jī)設(shè)備主導(dǎo)市場(chǎng)，不能系統(tǒng)解決問題

目前市場(chǎng)多以進(jìn)口單機(jī)設(shè)備為主，局限性大，需要客戶自助選擇，要用工件去適應(yīng)設(shè)備不能充發(fā)發(fā)揮設(shè)備的能力。

解決這一問題，設(shè)備廠家應(yīng)針對(duì)用戶的廠區(qū)、產(chǎn)品等特點(diǎn)，給出專業(yè)化的整體規(guī)劃，包括設(shè)備的選型、物流的構(gòu)建、工序的銜接等等，將資源合理利用，節(jié)省用戶選型、分析、規(guī)劃等等的運(yùn)行成本。

2.3 市場(chǎng)應(yīng)用的考察

市場(chǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀是制約國(guó)內(nèi)產(chǎn)品發(fā)展的最大障礙，很多制造商設(shè)備沒有經(jīng)過用戶的實(shí)際生產(chǎn)，與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)脫節(jié)，也不能充分發(fā)揮設(shè)備的能力。

3 全序列產(chǎn)品解決理念

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)鑄造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合自身的技術(shù)實(shí)力，提出一種全新的全序列產(chǎn)品解決方案。國(guó)外產(chǎn)品多為單機(jī)模式，需要廠家去適應(yīng)設(shè)備，而且對(duì)產(chǎn)品的局限性很大。全序列理念，就是要根據(jù)鑄造廠商的特性，為廠商量身定做、組合搭配，達(dá)到最佳的生產(chǎn)效率、最少的人力參與、最小的資金投入、最大的產(chǎn)品兼容能力。

3.1 多軸向數(shù)控磨削機(jī)床

設(shè)備采用機(jī)床加工形式，穩(wěn)定可靠、剛性強(qiáng)。設(shè)備各軸向運(yùn)動(dòng)采用數(shù)控伺服系統(tǒng)控制，位置運(yùn)動(dòng)及加工精度高。數(shù)控機(jī)床如圖1所示，主軸砂輪具有自主產(chǎn)權(quán)的工藝制成，加工安全性能大大提高。數(shù)控多軸向磨削機(jī)床屬于通用設(shè)備，根據(jù)不同的鑄件品種通過更換工裝夾具達(dá)到互換性。設(shè)備配備除塵裝置可以很好地改善生產(chǎn)加工環(huán)境。先進(jìn)的磨削加工形式，避免了對(duì)工件的損害，免除了后加工的探傷環(huán)節(jié)。

圖1 數(shù)控機(jī)床

3.2 機(jī)器人打磨單元

針對(duì)較為復(fù)雜孔、洞類工件或是較為大型的工件的打磨，推薦使用機(jī)器人打磨單元。機(jī)器人打磨單元主要由多關(guān)節(jié)機(jī)械臂配合高轉(zhuǎn)速主軸組成，機(jī)械臂以4～6關(guān)節(jié)為主，高速主軸配以金剛石砂輪片打磨，達(dá)到了最佳的靈活性，如圖2所示。

此外，我們嘗試過采用機(jī)器人抓取鑄件的磨削方式，但這種工作方式局限性較大?？紤]到機(jī)械臂的剛性，大工件不適宜采用機(jī)械臂抓??；小工件可以適用，但其效率遠(yuǎn)沒有數(shù)控磨削機(jī)床高，且造價(jià)較高。所以建議在特定用戶、特殊情況下，才使用機(jī)器人抓取工件打磨的方式。

圖2 機(jī)器人打磨

3.3 非標(biāo)打磨設(shè)備

在使用設(shè)備解決了勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境惡劣、安全隱患嚴(yán)重、成品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題后，設(shè)備產(chǎn)能及加工效率又成了用戶所關(guān)心的重點(diǎn)了。作為通用性較強(qiáng)多軸向數(shù)控設(shè)備、機(jī)器人設(shè)備，不可能做到對(duì)任何鑄件都具備較高的清理效率，因此非標(biāo)打磨設(shè)備便在這樣的前提下開發(fā)成功，可以根據(jù)用戶的特點(diǎn)，對(duì)其量身訂做適合其產(chǎn)品生產(chǎn)線的設(shè)備，在針對(duì)某一領(lǐng)域內(nèi)（如汽車制動(dòng)領(lǐng)域），達(dá)到最大的兼容性。

3.3.1 沖壓剪緣設(shè)備

沖壓剪緣機(jī)床如圖3所示。由液壓裝置、上壓模、刃口、機(jī)身、專用磨具等主要結(jié)構(gòu)組成。利用液壓在工作時(shí)產(chǎn)生的高壓力推動(dòng)沖壓模具將工件外緣澆冒口、毛刺、毛邊去除。工作效率高、工作環(huán)境清潔。設(shè)備最大的特點(diǎn)是加工效率高、工作強(qiáng)度低、加工成品一致性好。但設(shè)備有一定局限性：由于灰鐵鑄件特性，不適合使用該設(shè)備；對(duì)于鑄件存在強(qiáng)度薄弱的部位，同樣不適用此設(shè)備，容易出現(xiàn)鑄件缺陷。一般關(guān)鍵品鑄件（如汽車制動(dòng)系統(tǒng)）采用此類設(shè)備去除澆冒口，后序必須配有探傷機(jī)構(gòu)。

圖3 沖壓剪緣設(shè)備

3.3.2 四面磨削設(shè)備

針對(duì)于汽車缸體、缸蓋等鑄件的規(guī)則平面的清理，應(yīng)優(yōu)先采用四面磨削設(shè)備。利用該設(shè)備將規(guī)則平面進(jìn)行一次性成型清理，效率高，減輕后序清理工作的壓力。其弊端在于局限性較大，僅適用于規(guī)則鑄件或規(guī)則面的清理；且不能獨(dú)立完成鑄件的所有面的清理工作。四面磨削設(shè)備如圖4所示。因此，建議在使用四面磨削設(shè)備的同時(shí)，須在后序配合其他多軸向機(jī)床設(shè)備、機(jī)器人設(shè)備或非標(biāo)類其他設(shè)備，共同完成復(fù)雜鑄件的清理工作，利用全序列化理念，達(dá)成生產(chǎn)線的自動(dòng)化運(yùn)行。

圖4 四面磨削設(shè)備

3.3.3 圓盤類磨削設(shè)備

根據(jù)客戶的需求，針對(duì)圓盤類鑄件規(guī)格多樣、批量大等特點(diǎn)，拿出了具有針對(duì)性的解決方案。

1）復(fù)雜圓盤磨削設(shè)備

采用五軸雙主軸設(shè)備（如圖5），適用于復(fù)雜圓盤類，目前主要適用于汽車離合器壓盤鑄件。也可擴(kuò)展兼容其他類產(chǎn)品。

2）常規(guī)圓盤打磨生產(chǎn)線

針對(duì)常規(guī)用戶的常規(guī)圓盤類鑄件的清理（如剎車盤、飛輪等），如圖6，建議使用生產(chǎn)線模式，具有高的性價(jià)比及效率。

（1）銑削型生產(chǎn)線

圖5 五軸雙主軸結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 常規(guī)圓盤鑄件示意圖

利用數(shù)控銑床原理，對(duì)圓盤類鑄件外緣進(jìn)行磨削。磨頭采用銑刀形式，各運(yùn)行軸向采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定位精準(zhǔn)（如圖7）.可選配剪斷機(jī)構(gòu)，對(duì)圓盤初始冒口進(jìn)行修剪后，再清理，提高節(jié)拍。

圖7 圓盤銑削設(shè)備示意圖

（2）通過式圓盤磨削生產(chǎn)線

利用流水線原理，在一臺(tái)設(shè)備上完成對(duì)剎車盤等圓盤類鑄件的內(nèi)孔、外緣的磨削工作。兩工序間利用簡(jiǎn)易機(jī)械臂倒序，達(dá)到最佳生產(chǎn)節(jié)拍。外緣采用大功率主軸帶動(dòng)金剛石砂輪完成。如圖8所示。

（3）單機(jī)小功率圓盤磨削設(shè)備

利用機(jī)床原理，兩個(gè)伺服軸向配合對(duì)圓盤的外緣進(jìn)行磨削。主軸采用小功率伺服主軸，帶動(dòng)金剛石砂輪片完成加工工作。見圖9.

3.3.4 快速成型設(shè)備

一些批量較大、曲線較復(fù)雜的鑄件，如果用通用設(shè)備加工，影響加工效率。針對(duì)這類鑄件，建議使用快速成型設(shè)備。成型設(shè)備特點(diǎn)是加工效率高，將復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化去解決；缺點(diǎn)是設(shè)備的延展性較差，針對(duì)性較強(qiáng)，只能在某一類特定領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行兼容。

圖8 通過式圓盤生產(chǎn)線示意圖

圖9 單機(jī)小功率圓盤磨削設(shè)備

1）凸輪軸磨削設(shè)備

針對(duì)壓縮機(jī)類凸輪軸鑄件，如圖10b），其特點(diǎn)就是批量極大，處理起來很費(fèi)時(shí)費(fèi)力。凸輪軸磨削設(shè)備采用仿形砂輪，可一次對(duì)4組鑄件同時(shí)進(jìn)行加工，單次加工節(jié)拍不超過10 s，配合流程架輸送，單件節(jié)拍僅為2.5 s左右。如圖10所示。

圖10 凸輪軸磨削設(shè)備示意圖

2）汽車剎車鉗成型設(shè)備

同樣采用仿形砂輪片，如圖11a）剎車鉗成型設(shè)備對(duì)剎車鉗內(nèi)口進(jìn)行磨削，如圖11b），一次成型，提高生產(chǎn)效率，配合沖壓設(shè)備使用，能夠達(dá)成完美的生產(chǎn)節(jié)拍。

3.4 常規(guī)打磨設(shè)備及耗材

常規(guī)砂輪機(jī)及砂輪片是鑄造廠后處理車間不可缺少的設(shè)備之一，其靈活性是任何設(shè)備無法比擬的，同時(shí)其弊端也很多：噪音、粉塵、危險(xiǎn)性強(qiáng)等。

圖11 剎車鉗成型設(shè)備

因此在使用常規(guī)打磨設(shè)備打磨鑄件時(shí)，建議使用金剛石砂輪片。金剛石砂輪片的優(yōu)點(diǎn)：自身不產(chǎn)生粉塵、不爆裂、壽命長(zhǎng)、不消耗等等。其運(yùn)行成本也遠(yuǎn)低于常規(guī)砂輪片。表1為普通砂輪與金剛石砂輪比較情況。

表1 金剛石砂輪與普通砂輪比較

3.5 自動(dòng)化物流生產(chǎn)線及輔助設(shè)備

在全序列解決理念下，自動(dòng)化物流生產(chǎn)線不可或缺。如圖12，根據(jù)用戶的廠區(qū)狀況，結(jié)合產(chǎn)品的特點(diǎn)，利用有效的物流生產(chǎn)線將不同的設(shè)備排列組合，達(dá)到最佳生產(chǎn)狀況，達(dá)成節(jié)拍的同時(shí)，節(jié)省人力。

圖12 自動(dòng)化物流傳輸線

4 自動(dòng)化鑄件清理生產(chǎn)線實(shí)際使用實(shí)例

4.1 實(shí)例1

如圖13所示為主要生產(chǎn)曲軸類鑄件的一企業(yè)清理生產(chǎn)線示意圖，系統(tǒng)項(xiàng)目部分設(shè)備清單見表2.

4.1.1 生產(chǎn)線流程概述

1）主設(shè)備采用數(shù)控多軸向曲軸磨邊機(jī)床搭配現(xiàn)已有設(shè)備組成。

2）打砂機(jī)下料的毛坯件，由作業(yè)員操作電葫蘆，將下料斗從A點(diǎn)吊至懸鏈輸送機(jī)上料工位B點(diǎn)。

3）由作業(yè)員從B點(diǎn)將毛坯件逐個(gè)掛裝在懸鏈輸送機(jī)的空懸鏈上。

4）設(shè)備操作員可在C1、C2、C3三點(diǎn)任意取件放入設(shè)備加工。

5）成品件由機(jī)械臂直接從機(jī)床內(nèi)取走至E點(diǎn)，平放在下料鏈板傳送線上

6）曲軸由中間設(shè)備完成一序加工后，由機(jī)械臂將成品件取出放置在D點(diǎn)暫置臺(tái)處，再由設(shè)備作業(yè)員從暫置臺(tái)處取件放入右側(cè)設(shè)備內(nèi)，完成二序加工。全部工序完成后，由機(jī)械臂直接取出至E點(diǎn)下料。

表2 系統(tǒng)項(xiàng)目部分設(shè)備清單

圖13 曲軸類鑄件的清理生產(chǎn)線布局示意圖

7）由鏈板傳送設(shè)備將成品素材由E點(diǎn)傳送至F點(diǎn)處，F(xiàn)點(diǎn)設(shè)置緩存平臺(tái)用以積存成品素材，待達(dá)到積存上限時(shí)，輸出報(bào)警。

8）總控系統(tǒng)設(shè)置在G點(diǎn)位置，用以協(xié)調(diào)各部分動(dòng)作。可擴(kuò)展到總控室進(jìn)行集中監(jiān)控。

9）輔助設(shè)備包含下料緩存區(qū)、除塵工作臺(tái)等。4.1.2設(shè)備描述

數(shù)控多軸向磨削機(jī)床各軸向運(yùn)動(dòng)采用數(shù)控伺服系統(tǒng)控制，位置運(yùn)動(dòng)及加工精度高。主軸砂輪采用公司自主產(chǎn)權(quán)的高性能砂輪，安全可靠。數(shù)控多軸向磨削機(jī)床屬于通用設(shè)備，根據(jù)不同的鑄件品種通過更換工裝夾具達(dá)到互換性。設(shè)備配備除塵裝置可以很好地改善生產(chǎn)加工環(huán)境。先進(jìn)的磨削加工形式，避免了對(duì)工件的損害，免除了后加工的探傷環(huán)節(jié)。

圖14 圓盤類鑄件數(shù)控軸向磨削生產(chǎn)線布局圖

4.2 實(shí)例2

圖14為主要生產(chǎn)圓盤類鑄件的某大型民營(yíng)企業(yè)清理線。表3為圓盤類鑄件單機(jī)清理與生產(chǎn)線清理比較，從表3可以看出對(duì)于大批量生產(chǎn)企業(yè)建議采用數(shù)控軸向磨削生產(chǎn)線。

4.2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則

1）素材加工要求序內(nèi)解決（生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)完成）；

2）設(shè)備加工范圍廣，通用性強(qiáng)

表3 圓盤類素材加工設(shè)備對(duì)比

3）追求客戶的投入最小化，收益最大化；4）合理的物流規(guī)劃，避免人力及資源的浪費(fèi)；5）專業(yè)化的全序列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，靈活解決客戶需求。

4.2.2 性價(jià)比考量

1）產(chǎn)品投入小，功能強(qiáng)大，加工靈活性強(qiáng)；

2）設(shè)備拓展性強(qiáng)，可編制不同程序應(yīng)對(duì)不同的加工素材；

3）根據(jù)圓盤類鑄件特點(diǎn)，進(jìn)行整體的生產(chǎn)規(guī)劃及物流排布，提高生產(chǎn)效率，避免浪費(fèi)。

5 結(jié)論

數(shù)控磨削機(jī)床、機(jī)器人打磨設(shè)備、非標(biāo)類設(shè)備、沖壓設(shè)備在鑄件清理中的應(yīng)用，同時(shí)配備除塵裝置在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)可以很好地改善生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境；先進(jìn)的磨削加工形式，可以避免對(duì)工件的損害，免除了后加工的探傷環(huán)節(jié)。這種新的鑄件清理方式具有很好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

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1674-6694（2015）05-0001-06

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.05.001

2015-07-06

陳躍程（1972-），男，本科學(xué)歷，主要從事企業(yè)管理工作。