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)
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。
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。
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)品競爭優(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]。
“中國制造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)
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)。
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]。
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%。
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。