何力

【摘 要】隨著我國制造業(yè)的不斷發(fā)展，鑄造行業(yè)的裝備水平不斷提高，但鋁錠鑄造裝備和國際先進(jìn)水平還存在著一定的差距。本研究從現(xiàn)有普鋁鑄造機(jī)的結(jié)構(gòu)模塊出發(fā)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中所發(fā)生的問題，對現(xiàn)有機(jī)器的鋁錠澆鑄、液壓、脫模、輸送等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了全面的改造分析。經(jīng)過改造后的普鋁鑄造機(jī)，其可靠性和使用壽命大幅度提高，而生產(chǎn)成本和能耗相應(yīng)地有所降低。

【關(guān)鍵詞】普鋁鑄造機(jī)；存在的問題；改造

鋁是一種應(yīng)用廣泛的金屬材料，其應(yīng)用范圍涵蓋了航空航天、車輛船舶以及日常的生活用品，制造業(yè)對其的需求一直保持著穩(wěn)定增長，導(dǎo)致對鋁鑄造生產(chǎn)的技術(shù)要求也越來越高。因此，如何對現(xiàn)有普鋁鑄造機(jī)進(jìn)行改造，使其具有輕量高效、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，成為了行業(yè)研究的重點(diǎn)。同時(shí)，降低普鋁鑄造生產(chǎn)過程中的勞動(dòng)成本和環(huán)境成本，對于鋁鑄造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義。

1 普鋁鑄造機(jī)目前存在的問題

普鋁鑄造機(jī)一般由圓盤分配器、船型溜槽、鏈條輸送裝置、打擊脫模裝置以及冷卻、驅(qū)動(dòng)等裝置組成。本節(jié)主要研究了圓盤分配器設(shè)計(jì)問題、輸送裝置的平穩(wěn)性問題、打擊裝置的可靠性問題以及液壓系統(tǒng)的能耗問題。

1.1 圓盤分配器的使用壽命短且鋁液分配不均勻

普鋁鑄造機(jī)中，將鋁液均勻分配到鑄模中的部件稱為鋁液分配器，又叫圓盤分配器。一般情況下，圓盤分配器由鑄鐵鑄出的主體、支撐筋、鋁液澆嘴和撥片經(jīng)過一系列加工形成整體，再進(jìn)行安裝。圓盤分配器工作時(shí)，通過撥片和鑄模摩擦，以控制分配器澆嘴和鑄模一致運(yùn)行，保證鋁液的均勻分配。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，由于高溫鋁液會進(jìn)入分配器間隙，造成圓盤分配器使用壽命縮短。例如，由于在設(shè)計(jì)中沒有充分考慮到形狀、材質(zhì)差異對主體和撥片的熱容影響，導(dǎo)致分配器主體抗熱抗形變能力遠(yuǎn)大于撥片，當(dāng)高溫鋁液進(jìn)入分配器主體與撥片之間的間隙并冷卻膨脹時(shí)，撥片發(fā)生嚴(yán)重變形，影響分配器的使用壽命。進(jìn)一步的，當(dāng)撥片發(fā)生變形或者松動(dòng)時(shí)，撥片的節(jié)距的準(zhǔn)確性受到影響，使得其不能帶動(dòng)分配器與鑄模同步運(yùn)行，使鋁液澆嘴不能將鋁液均勻地分配到每一片鑄模當(dāng)中，后果是鑄造的鋁錠大小不均勻。

1.2 鏈條輸送裝置的平穩(wěn)性較差

鏈條輸送裝置在普鋁鑄造的過程中，主要起到運(yùn)輸鑄模的作用。鋁液通過溜槽澆鑄到鑄模中，通過鏈條輸送后，經(jīng)打擊脫模后堆垛。通常情況下，鋁錠輸送鏈由外鏈板與銷軸過盈配合，再與止鎖件構(gòu)成外鏈節(jié)，內(nèi)鏈板與筒套過盈配合，再與滾子構(gòu)成內(nèi)鏈節(jié)，銷軸與套筒相穿形成鉸鏈，內(nèi)外鏈節(jié)交錯(cuò)排列構(gòu)成輸送鏈條。由于輸送鏈條的工作環(huán)境中存在鑄模傳熱和鋁液的熱輻射，并且空氣中存在的粉塵和水蒸氣使得工作環(huán)境極為惡劣，輸送鏈條前后溫差較大，潤滑狀況不理想，使得鏈條輸送的平穩(wěn)性很差。主要原因是空氣雜質(zhì)進(jìn)入滾子以后，增大了鏈條的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，出現(xiàn)可見性磨損，產(chǎn)生松動(dòng)。更嚴(yán)重的會使輸送鏈條抖動(dòng)，產(chǎn)生脫鏈和爬齒，進(jìn)一步導(dǎo)致鋁錠表面產(chǎn)生水波紋，造成產(chǎn)品質(zhì)量下降。據(jù)研究，常見鋁錠表面波紋存在同心圓狀、兩端溝槽狀和泡狀波紋三種。通常情況下這三種波紋同時(shí)存在，前兩種波紋問題都可以通過其他方式改進(jìn)，而第三種波紋的影響最為嚴(yán)重，主要通過對鏈條的改造來進(jìn)行解決。水波紋的產(chǎn)生與輸送鏈條的振動(dòng)有著直接關(guān)系。一般來說，輸送鏈條的振動(dòng)形式分為滾子的徑向變形振動(dòng)、橫向振動(dòng)與縱向振動(dòng)、鏈輪的軸向與徑向振動(dòng)。其中最后一種振動(dòng)是導(dǎo)致鋁錠表面水波紋的主要原因。傳統(tǒng)的滾子鏈嚙合時(shí)，后嚙合的滾子沿著先嚙合滾子的中心圓弧嚙入，在滾子與鏈輪底部接觸時(shí)，產(chǎn)生周期性沖擊；同時(shí)，由于多邊形效應(yīng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)鏈勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鏈條的運(yùn)行速度也會呈現(xiàn)周期性變化，加強(qiáng)了鏈條的不穩(wěn)定性；再者，由于鏈條傳動(dòng)速度的周期性變化將影響傳動(dòng)的均勻和同步，引起鑄模振動(dòng)，導(dǎo)致液態(tài)鋁晃動(dòng)，由于鑄模內(nèi)的冷卻是由外而內(nèi)的，導(dǎo)致了邊緣先凝固成型，剩余鋁液依次凝固，在中心形成溝槽。

1.3 打擊脫模裝置的可靠性較低

現(xiàn)有普鋁鑄造機(jī)的打擊脫模裝置多采用氣動(dòng)式打擊，其主要由氣缸、支撐軸、打擊頭和電磁換向閥構(gòu)成。工作方式為壓縮空氣推動(dòng)氣缸活塞伸縮，帶動(dòng)與支撐軸相連的打擊頭擊打鑄模，使鋁錠與鑄模分離，并通過電磁換向閥使得打擊裝置周期性運(yùn)作。而這樣的打擊裝置存在許多缺點(diǎn)：氣動(dòng)式打擊采用電磁換向閥控制，其控制指令通過PLC發(fā)送到控制元件，再通過氣缸傳導(dǎo)到打擊臂，完成一次打擊。由于打擊動(dòng)作頻率較高，會使得其中的機(jī)械部件嚴(yán)重磨損。同時(shí)，高溫和振動(dòng)會導(dǎo)致打擊氣缸密封圈泄漏，影響打擊效果；由于控制系統(tǒng)組件多且復(fù)雜，PLC、傳感器、電磁閥等任意一個(gè)部件損壞，都會使打擊系統(tǒng)發(fā)生故障，可靠性嚴(yán)重降低；剛性打擊使得打擊臂斷裂、支撐軸和連接軸磨損以及油霧器、自動(dòng)排污器故障，減少打擊部件的使用壽命；壓縮空氣壓力會影響打擊效果：一般情況下，工廠的多個(gè)生產(chǎn)車間會共用空壓站，當(dāng)其他生產(chǎn)車間處于用氣高峰時(shí)，會造成打擊脫模裝置的空氣壓力減小，打擊效果不理想，反之會加大打擊力度，使打擊裝置受損，并間接影響了鑄模的使用壽命；同時(shí)，由于氣動(dòng)打擊裝置在鑄造機(jī)的安裝位置受限，使其只能在鑄造機(jī)兩側(cè)調(diào)整位置，使打擊位置比較固定。由于鑄模的工作溫度通常較高，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降嚴(yán)重，較為集中的打擊會使加速鑄模的損壞。通常情況下，打擊頭會首先磨損鑄模邊緣，隨后打擊形成凹槽，最后導(dǎo)致鑄模開裂。這樣不僅縮短了鑄模的使用壽命，還造成了安全隱患。

1.4 普鋁鑄造機(jī)液壓系統(tǒng)的能耗過大

鑄造機(jī)液壓系統(tǒng)的主要作用是將電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為流體介質(zhì)的壓力能，然后通過執(zhí)行元件將壓力能轉(zhuǎn)化為能夠驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。在這個(gè)過程中，液壓系統(tǒng)主要存在有機(jī)械摩擦產(chǎn)生能耗、流體流量損耗、匹配損耗以及壓力損耗。機(jī)械摩擦能耗主要存在于液壓缸活塞摩擦、液壓泵和馬達(dá)摩擦，這樣的能耗一般來說不可避免；流量損耗主要體現(xiàn)在溢流損耗上，由于液壓泵的輸出壓力超出溢流閥的設(shè)定壓力時(shí)，會導(dǎo)致系統(tǒng)溢流。而當(dāng)負(fù)載增大導(dǎo)致系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)溢流會更加嚴(yán)重，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出功率將完全損耗，轉(zhuǎn)化為溢流流體的熱能，從而導(dǎo)致油溫升高，設(shè)備使用壽命降低。除了溢流閥的流量損失以外，液壓油泄漏也是流量損耗的原因之一；壓力損耗是指流體流動(dòng)時(shí)，為了克服阻力而消耗的能量，而由于普鋁鑄造機(jī)的等截面直管數(shù)量不多，沿程壓力損失較小。由于普鋁鑄造機(jī)的工作環(huán)境較為穩(wěn)定，液壓系統(tǒng)主要的流量和壓力損耗主要與液壓泵與系統(tǒng)負(fù)載的匹配不當(dāng)有關(guān)，由于普鋁鑄造機(jī)具有多執(zhí)行器的液壓系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中，液壓泵輸出與不斷變化的負(fù)載實(shí)現(xiàn)絕對適應(yīng)匹配是無法做到的，液壓泵所提供的壓力和流量往往高于實(shí)際實(shí)時(shí)負(fù)載的需求，導(dǎo)致了能量損耗。

2 普鋁鑄造機(jī)的優(yōu)化改造方案

針對上述問題，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，本節(jié)提出了對分配器、輸送鏈條、打擊脫模裝置和液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造。

2.1 圓盤分配器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

大部分普鋁鑄造機(jī)的圓盤分配器主體由厚重的鑄鐵鑄造而成，而撥片的材料采用輕薄的碳素鋼，當(dāng)二者通過螺栓連接緊固在一起時(shí)，必定導(dǎo)致吸熱不均勻，主體會將多余的熱量傳導(dǎo)至撥片；同時(shí)，由于高溫鋁液直接進(jìn)入主體與撥片的間隙并冷卻膨脹，導(dǎo)致了撥片的變形。在圓盤分配器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，將撥片的位置遠(yuǎn)離主體至20cm并固定，同時(shí)使用擋圈將主體固定。采用這樣的改進(jìn)以后，撥片與主體之間不再連接，主體的熱量不能直接傳導(dǎo)至撥片，使撥片受熱形變問題得到改善；同時(shí)，由于撥片與主體之間有了較大的距離，使得撥片不再直接接觸高溫鋁液，較好地解決了由于高溫鋁液膨脹而帶來的撥片膨脹問題。由于撥片使用壽命的延長和穩(wěn)定性增加，使鋁液分配的均勻性得到較大改善，進(jìn)一步提高了鋁錠鑄造的質(zhì)量。

2.2 輸送鏈結(jié)構(gòu)的改造與維護(hù)

對鏈條的改造，首先要修正鏈輪的節(jié)距。傳統(tǒng)的等節(jié)距鏈條，其中心在運(yùn)行時(shí)會呈現(xiàn)周期性變化。據(jù)研究，當(dāng)鏈輪的弧節(jié)距等于鏈條的節(jié)距時(shí)，可以使鏈條的運(yùn)行振動(dòng)明顯降低，避免掉鏈和爬齒的發(fā)生。經(jīng)這樣改造的鏈條，一方面可以減小輸送裝置的橫向振動(dòng)，另一方面，由于滾子和鏈輪齒槽底部之間存在間隙，使?jié)L子不會沖擊齒槽，從而使得嚙合過程中不產(chǎn)生徑向沖擊。只有當(dāng)滾子完全嚙合時(shí)才開始徑向接觸，使得切向和徑向的沖擊錯(cuò)開，降低了鏈條的振動(dòng)；同時(shí)我們通過修正鏈輪齒形，可以減小嚙合壓力角，從而降低嚙合時(shí)的沖擊速度。具體來說嚙合壓力角越小，傳動(dòng)效率越高，但機(jī)械強(qiáng)度越低，建議采用14.5或15°壓力角，以更好地降低沖擊能量，減小振動(dòng)；另外，還可以通過增大齒溝的圓弧半徑來實(shí)現(xiàn)降低振動(dòng)。除了以上結(jié)構(gòu)改造，在鏈條材料的選擇上，要保證材料的耐磨、耐疲勞，與其他元件匹配，才能有效提高穩(wěn)定性。據(jù)研究，35CrMo碳合金鋼比40Cr鋼的強(qiáng)度更大、韌性更好，可以適應(yīng)500℃的長期工作環(huán)境，適合用作銷軸的材料；套筒的材料采用20CrMo合金鋼，可有效提高鏈條的磨損壽命和抗沖擊能力。

2.3 簡化脫模裝置的執(zhí)行結(jié)構(gòu)和電氣控制

現(xiàn)有打擊裝置之所以存在諸多缺點(diǎn)，主要是因?yàn)槠鋱?zhí)行機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)太過復(fù)雜，氣動(dòng)式機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，造成了較高的故障率。因此，對其的改造主要著重于簡化脫模裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)。首先簡化機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，去除氣缸氣動(dòng)三聯(lián)件；去除電氣控制系統(tǒng)，包括PLC、傳感器和電磁閥；安裝通過齒輪傳動(dòng)的機(jī)械式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這樣改造以后，機(jī)構(gòu)通過鑄造機(jī)運(yùn)行帶動(dòng)了鑄模和傳動(dòng)臂進(jìn)行同步運(yùn)行，傳動(dòng)臂進(jìn)一步帶動(dòng)主動(dòng)軸上的主動(dòng)齒輪，進(jìn)而帶動(dòng)從動(dòng)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)。從動(dòng)齒輪會通過平鍵的扭矩帶動(dòng)從動(dòng)軸，使與之相連的兩根打擊臂與鑄模同步運(yùn)行。這樣的打擊裝置去掉了原來的氣動(dòng)和電氣控制系統(tǒng)，提高了運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)，其不再需要額外的動(dòng)力裝置，只需通過鑄造機(jī)動(dòng)力帶動(dòng)打擊裝置；結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，空間利用率高；穩(wěn)定性較高，能夠提供恒定的打擊力；彈簧鋼板改造的打擊臂有一定的緩沖作用，減少對鑄模的損耗，從而降低故障率。

2.4 液壓元件的執(zhí)行順序與動(dòng)力源改造

雖然無法做到液壓泵的輸出與負(fù)載的絕對匹配，但可以通過改變執(zhí)行元件工作順序與工作時(shí)間或替換驅(qū)動(dòng)裝置，來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的工作穩(wěn)定性，從而減少液壓泵的供油流量，以降低生產(chǎn)能耗。一般來說，普鋁鑄造機(jī)液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件在一個(gè)工作循環(huán)的工作順序如下：冷運(yùn)輸機(jī)的液壓馬達(dá)做間歇運(yùn)動(dòng)，在4.5s的工作周期中，要求液壓馬達(dá)完成轉(zhuǎn)動(dòng)和制動(dòng)的時(shí)間在1.5s以內(nèi)；隨后引錠鉤液壓缸引進(jìn)鋁錠，并進(jìn)行自我復(fù)位，此過程用時(shí)1.5s；小車上行夾起鋁錠消耗流量，下行不消耗；小車水平移動(dòng)時(shí)，接通電液比例閥，液壓缸左腔進(jìn)油，耗時(shí)4.5s；夾具上升復(fù)位時(shí)，電液比例閥再次接通，右腔進(jìn)油，小車后退，耗時(shí)4.5s。在這樣的順序下，最大流量和最小流量差異過大，由于溢流導(dǎo)致的流量損耗加大。對于這樣的問題，我們既可以延后后層夾具放下和升起時(shí)間，同時(shí)縮短小車后退時(shí)間以使得最大最小流量差異減少，以降低液壓泵的供油流量；另外，我們還可以將小車的液壓馬達(dá)替換為伺服電機(jī)。伺服電機(jī)是永磁同步型交流電機(jī)，相比于液壓馬達(dá)，它具有精度高、響應(yīng)快等特點(diǎn)，可以很好地保證小車運(yùn)行的可靠性。同時(shí)，為了使流量泵和負(fù)載更加匹配，將普鋁鑄造機(jī)的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，從現(xiàn)有的定量泵搭配溢流閥改造為伺服電機(jī)控制系統(tǒng)。采用可編程控制的伺服控制系統(tǒng)之后，可以節(jié)省45%到85%的電力，有效降低油溫并減少冷卻水的使用。由于壓力控制精度的提高，使產(chǎn)品合格率得到提高。采用伺服電機(jī)節(jié)能、低耗、低噪生產(chǎn)，響應(yīng)了國家節(jié)能環(huán)保生產(chǎn)政策，在很多地區(qū)能夠得到相應(yīng)的節(jié)能補(bǔ)貼。

3 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的普鋁鑄造產(chǎn)能要求在不斷增加，伴隨著的是不斷積累的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。如何將二者結(jié)合，利用生產(chǎn)過程中所積累的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為普鋁鑄造機(jī)的改造、優(yōu)化提供更多更好的方案，是我們生產(chǎn)與研究中需要注意的事情。而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和突破，材料、結(jié)構(gòu)、自動(dòng)化技術(shù)都在不斷進(jìn)步，為改造普鋁鑄造機(jī)技術(shù)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提供了機(jī)會。在此次改造中，我們不僅基于提高產(chǎn)品質(zhì)量的思想，優(yōu)化了諸如圓盤分配器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更著眼于減少生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，去除了一些過時(shí)的、不必要的設(shè)計(jì)，并增加了一些實(shí)用而新穎的設(shè)計(jì)，使得勞動(dòng)生產(chǎn)率進(jìn)一步提高。只要我們堅(jiān)持把科學(xué)技術(shù)作為第一生產(chǎn)力，用先進(jìn)的科技力量來改造我們的設(shè)備，我們一定能夠更好地改進(jìn)普鋁鑄造技術(shù)，使我們的生產(chǎn)工作創(chuàng)造出更大的價(jià)值。

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[責(zé)任編輯：王楠]