楊濤林，郭廷濤

（中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113）

某公司是生產(chǎn)經(jīng)營汽車鑄鐵件的專業(yè)鑄造廠，為國內(nèi)外眾多客戶提供曲軸鑄件。為進(jìn)一步提升產(chǎn)品競爭力，對現(xiàn)有曲軸鑄造生產(chǎn)能力進(jìn)行全面升級，實(shí)現(xiàn)綠色化、智能化、自動化的鑄造生產(chǎn)，大幅提高人均生產(chǎn)能力、提升產(chǎn)品質(zhì)量。為此，該公司對曲軸鑄造生產(chǎn)線進(jìn)行全新規(guī)劃設(shè)計(jì)，投資新建鑄造車間，本文將從規(guī)劃設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，論述曲軸鑄造車間設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

生產(chǎn)曲軸類鑄件，材質(zhì)為球鐵，年生產(chǎn)綱領(lǐng)100 萬根曲軸。

根據(jù)車間生產(chǎn)性質(zhì)，為提高設(shè)備利用率及合理使用能源，車間生產(chǎn)以三班工作制為主。一、二班每班工作8 h，第三班工作6.5 h。

設(shè)備年時(shí)基數(shù)：三班制5010 h。

2 設(shè)計(jì)原則

（1）貫徹“最合適的設(shè)備、最優(yōu)化的工藝、最好的效益、最高的效率、最好的產(chǎn)品”的項(xiàng)目指導(dǎo)思想。

（2）本著“優(yōu)質(zhì)、低耗、高效率、少污染”的原則，加強(qiáng)工藝管理，提高質(zhì)量控制手段和檢測水平。項(xiàng)目建成后，勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)保設(shè)施等方面，能夠達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

（3）為貫徹精益生產(chǎn)方式和保證產(chǎn)品的質(zhì)量要求，在選用設(shè)備、制定方案時(shí)既考慮到技術(shù)先進(jìn)、適用、可靠，又要注意經(jīng)濟(jì)的合理性。

（4）總體布局合理，物流順暢：生產(chǎn)單元相對集中，物流路線短捷。

（5）設(shè)計(jì)中充分考慮到以人為本，降低勞動強(qiáng)度，加強(qiáng)環(huán)保設(shè)施和改善工人的勞動條件，確保生產(chǎn)安全，減少污染，節(jié)約能耗。

3 主要工藝和設(shè)備

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)，鑄造工藝采用殼型生產(chǎn)工藝，使用鐵丸填箱，該工藝的優(yōu)點(diǎn)是將鐵丸填充在型殼與箱體之間，起到對覆膜砂殼型的固定和支撐作用，從而減少殼型的厚度，節(jié)約覆膜砂用量，降低生產(chǎn)成本；此外，通過鐵丸的傳熱，對鑄型冷卻降溫，冷卻速度快，透氣性好，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，鐵丸可以循環(huán)使用，成本低。設(shè)計(jì)選用了一條自動化殼型線，以殼型線為核心，配套相應(yīng)工藝裝備，規(guī)劃在一座鑄造車間內(nèi)實(shí)現(xiàn)曲軸鑄造生產(chǎn)的全流程，包括殼型線單元、熔化單元、鐵丸處理單元、制殼單元、清理單元等。

3.1 殼型線單元

殼型線單元設(shè)計(jì)能力為30 箱/h，由殼型線、下殼機(jī)械手、取件機(jī)械手、澆注機(jī)等組成，采用鐵丸填箱工藝，鐵丸箱尺寸1050 mm×550 mm×850 mm，每箱可生產(chǎn)10 根曲軸，全線僅需3～4 人。

殼型線系統(tǒng)設(shè)備由輥道系統(tǒng)、下殼機(jī)、鐵丸斗及加鐵丸裝置、振實(shí)臺、轉(zhuǎn)運(yùn)車、翻箱機(jī)、接箱小車、取件機(jī)、液壓、氣動系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、鐵丸箱等組成。下型殼、加鐵丸、振實(shí)、冷卻、翻箱、取件均可實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)行。

殼型線系統(tǒng)共設(shè)置4 個(gè)澆注工位，并在澆注工位前設(shè)置10 個(gè)待澆工位。采用可移動扇形澆注機(jī)進(jìn)行澆注，并配隨流孕育裝置。鑄型澆注后通過鑄型轉(zhuǎn)運(yùn)車轉(zhuǎn)運(yùn)至冷卻段進(jìn)行冷卻。共設(shè)4 條冷卻輥道輸送線（如圖1 所示），型內(nèi)冷卻時(shí)間1.5～2 h。達(dá)到冷卻時(shí)間要求后，鑄型進(jìn)入翻箱工位，采用翻箱機(jī)將鑄件帶鐵丸直接翻至系統(tǒng)的振動落砂機(jī)，翻箱后，由抓取機(jī)械手將鑄件抓放到板式輸送機(jī)，輸送至下道工序。鐵丸進(jìn)入鐵丸冷卻輸送系統(tǒng)進(jìn)行處理，循環(huán)使用。

圖1 冷卻輥道輸送線

3.2 熔化單元

根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)計(jì)算，考慮鑄件工藝出品率、廢品率及鐵水飛濺等損失，殼型線年需要合格鐵水量為27521 t，平均每小時(shí)需要鐵水量為5.5 t。鑄件平均重量12.6 kg，最大件重量19 kg，殼型線最大需求鐵水量為：19×10×30×1.02/0.66/1000=8.8（t/h）。綜合考慮后，選用2 套5t/h 中頻無芯感應(yīng)電爐（雙爐體、雙供電，3500 kW），電爐考慮合資品牌，以獲得高溫、優(yōu)質(zhì)鐵水。

配備電爐自動加配料系統(tǒng)，通過電磁橋式起重機(jī)找料、配料，將爐料加入振動輸送加料小車（每個(gè)爐體對應(yīng)1 臺加料車），通過振動輸送加料小車將爐料加入電爐內(nèi)。

根據(jù)工藝和生產(chǎn)組織需要，在每個(gè)爐臺的爐后跨設(shè)置不同容量的料坑，生鐵和廢鋼料坑正對爐后進(jìn)料大門，便于爐料卸入料坑內(nèi)。

中頻無芯感應(yīng)熔煉電爐的除塵采用爐蓋排煙罩的形式，產(chǎn)生的煙塵通過除塵系統(tǒng)后達(dá)標(biāo)排放。

爐前設(shè)置快速分析室，檢驗(yàn)采用直讀光譜儀、碳硫分析儀和熱分析儀及其他一些常規(guī)檢驗(yàn)裝置，以調(diào)整和控制鐵水成分和溫度。

采用空中自行線點(diǎn)對點(diǎn)鐵水輸送系統(tǒng)（如圖2 所示），RGV 小車空中自動稱重和運(yùn)輸鐵水，并與電爐、球化處理、澆注機(jī)等有機(jī)連接，可以避免叉車運(yùn)輸?shù)牟话踩院椭虚g鐵水倒運(yùn)，確保鐵水質(zhì)量[1]。

圖2 鐵水輸送系統(tǒng)

3.3 鐵丸冷卻輸送單元

鐵丸冷卻輸送系統(tǒng)主要包括振動給料機(jī)、雙層篩、輸送機(jī)、冷卻滾筒、斗式提升機(jī)、噴淋裝置、鼓風(fēng)、除塵及電控系統(tǒng)。

主要技術(shù)參數(shù)：

鐵丸處理能力：≥70 t/h；鐵丸開箱溫度：400℃；冷卻處理后的鐵丸溫度要求：不大于70 ℃；鐵丸直徑：3～5 mm。

工藝流程：翻箱后，鐵丸及型殼傾倒至格子板漏斗，鐵丸依次經(jīng)振動篩分、輸送、冷卻滾筒冷卻后，再經(jīng)過輸送機(jī)進(jìn)入鐵丸中間儲存斗。從鐵丸中間儲存斗出來的鐵丸，依次經(jīng)輸送機(jī)、斗式提升機(jī)、管式輸送機(jī)輸送至殼型線填鐵丸工位上方的料斗，循環(huán)使用。系統(tǒng)設(shè)三級噴淋裝置，為鐵丸冷卻降溫。篩分后的型殼等非金屬物料，通過輸送機(jī)、斗式提升機(jī)，進(jìn)入廢料斗，在輸送機(jī)端部設(shè)磁選機(jī)，磁選后的廢料進(jìn)入廢料斗。

3.4 制殼及型殼存儲輸送單元

制殼單元設(shè)計(jì)能力為60 片/h，由熱芯盒制芯機(jī)、殼型合型機(jī)、機(jī)器人組成，規(guī)劃設(shè)計(jì)了3 套制殼單元。熱芯盒制芯機(jī)生產(chǎn)采用成品覆膜砂，覆膜砂由輔料配送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人化自動配送，每套制殼單元僅需配備操作人員1～2 人。

為減低工人勞動強(qiáng)度，提高制殼效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，在制殼單元引入工業(yè)機(jī)器人及視覺識別系統(tǒng)，主要操作工序如下：采用機(jī)器人配以專用夾具將制芯機(jī)做好的殼模取出，放在檢測工位，由視覺識別系統(tǒng)對殼模的形狀輪廓進(jìn)行對比鑒定，待檢測合格后，機(jī)器人將殼模放在殼型合型機(jī)的下模板支桿上；合型機(jī)上的下模板平移機(jī)構(gòu)自動將殼模平移至人工操作工位，對殼模凹槽進(jìn)行涂膠、下冷鐵；下模板移動機(jī)構(gòu)將下殼移至壓合粘合工位，待另一半殼型制好后，由機(jī)器人取下并與涂好膠的殼型合型；上模板壓下，將殼型壓合；待粘合膠固化時(shí)間結(jié)束后，上模板升起；機(jī)器人將殼型取走并放在型殼存儲輸送系統(tǒng)的托盤上。

為適應(yīng)不同品種產(chǎn)品的柔性化生產(chǎn)，調(diào)節(jié)型殼供需平衡，實(shí)現(xiàn)型殼的智能管理，設(shè)計(jì)了一套型殼存儲立體庫及輸送系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括堆垛機(jī)系統(tǒng)、貨架系統(tǒng)、輥道輸送系統(tǒng)、托盤、電控系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)。制殼及型殼存儲輸送單元如圖3 所示。

圖3 制殼及型殼存儲輸送單元

3.5 清理單元

鑄件由抓取機(jī)械手抓放到板式輸送機(jī)，在板式輸送機(jī)上完成二次冷卻。然后經(jīng)輕型懸掛起重機(jī)人工上料至通過式雙行程懸鏈拋丸清理機(jī)，實(shí)現(xiàn)鑄件連同澆冒口一起的拋丸清理。通過式雙行程懸鏈拋丸清理機(jī)以帶有許多吊鉤的懸掛輸送機(jī)作為工件的輸送裝置，由于工件在自轉(zhuǎn)的吊鉤上接受拋丸清理，并且吊鉤數(shù)量多，因此具有清理效果好、生產(chǎn)率高、鑄件輪廓清晰和不易損壞等優(yōu)點(diǎn)。

拋丸清理完成后，經(jīng)輕型懸掛起重機(jī)人工下件，并將鑄件放到切割打磨單元的上料工位。切割打磨單元由切割機(jī)、打磨機(jī)、澆冒口沖斷機(jī)、輸送皮帶機(jī)以及機(jī)器人組成。實(shí)現(xiàn)切割打磨工序之間轉(zhuǎn)接的自動化，減少了人員，改善了勞動環(huán)境。切割打磨單元如圖4 所示。

圖4 切割打磨單元

打磨下料后，經(jīng)外觀、尺寸、彎曲度、超聲波等方面的人工檢驗(yàn)，合格后進(jìn)入連續(xù)通過式防銹清洗設(shè)備，防銹清洗后裝箱。切割下來的澆冒口系統(tǒng)經(jīng)沖斷后，通過澆冒口輸送系統(tǒng)自動輸送至電爐后的料池備用。

4 車間物流及平面布置

車間各工序間主要采用機(jī)械化輸送設(shè)備。熔化到澆注工位的鐵水輸送、覆膜砂的輸送及回爐料的輸送均規(guī)劃設(shè)計(jì)了物料自動輸送系統(tǒng)；型殼的輸送采用型殼存儲立體庫及輸送系統(tǒng)；鑄件的輸送采用板式輸送機(jī)輸送，各清理工序通過機(jī)器人、懸掛起重機(jī)、帶式輸送機(jī)進(jìn)行各工序之間的轉(zhuǎn)接，實(shí)現(xiàn)了鑄件的不落地生產(chǎn)。整個(gè)車間工藝設(shè)備布局合理、物流順暢，工藝平面布置見圖5。

圖5 工藝平面布置圖

5 結(jié)語

該項(xiàng)目根據(jù)產(chǎn)品工藝特點(diǎn)及生產(chǎn)綱領(lǐng)，合理配置各工序所需的工藝設(shè)備，并進(jìn)行創(chuàng)新性布局規(guī)劃，通過項(xiàng)目的實(shí)施，全面提升了鑄造生產(chǎn)的機(jī)械化、自動化、智能化水平，保證了鑄件質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動強(qiáng)度。