李真健，葉寒，劉旭波，楊湘杰

(1.廣東科達(dá)機電股份有限公司，廣東 佛山 528313;2.南昌大學(xué)江西省高性能精確成形重點實驗室，南昌 330009)

近年來，我國在半固態(tài)金屬成形技術(shù)研究領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展，但在工業(yè)應(yīng)用方面尚未取得較大突破。在大容量半固態(tài)漿料制備方面，將金屬漿料從保溫爐取出到注入半固態(tài)裝置的過程中，如何保證金屬漿料潔凈度和溫度，對半固態(tài)制漿成敗至關(guān)重要[1－6]。某高校研究機構(gòu)為保證漿料運輸?shù)馁|(zhì)量，準(zhǔn)備采用電磁管道輸送，但在技術(shù)上有很大難度，目前都沒完成?？梢娙绾伪ＷC金屬漿料在輸送過程的高潔凈是大容量半固態(tài)漿料制備的一項關(guān)鍵技術(shù)。目前壓鑄行業(yè)通用的澆湯機一般采用開口式湯罐，鋁液上表面與空氣接觸會產(chǎn)生氧化鋁，表面與空氣接觸散熱冷卻形成殼，都會影響半固態(tài)漿料的質(zhì)量[7－9]。

廣東科達(dá)機電股份有限公司與南昌大學(xué)在“半固態(tài)金屬內(nèi)腔擠壓鑄造成形關(guān)鍵技術(shù)及成套裝備研發(fā)項目”中引入柔性制造理念，在工藝設(shè)計布置上采用靈活的工藝路線，可以根據(jù)客戶和產(chǎn)品的需要靈活調(diào)整，實現(xiàn)液態(tài)金屬內(nèi)腔擠壓鑄造成形和半固態(tài)金屬內(nèi)腔擠壓鑄造成形，這就要求取注漿機能在不同的位置完成注漿工作。目前壓鑄行業(yè)常用的比較成熟的澆湯機采用連桿機構(gòu)運送湯罐，湯罐移動的起點、終點和軌跡基本固定不變，只能微調(diào)，無法實現(xiàn)多點注漿。如采用曲臂旋轉(zhuǎn)式機器人，雖可實現(xiàn)多點注漿，但成本造價高，整體布局占地面積大。

為解決上述問題，研發(fā)設(shè)計了一種閉式高潔凈取注漿機[10]。

1 閉式高潔凈取注漿機的方案設(shè)計

閉式高潔凈取注漿機由取漿用的漿罐、漿罐移動系統(tǒng)和機架等3部分組成。漿罐采用上部封閉、底部有閥門控制的結(jié)構(gòu)，漿料從底部閥門進(jìn)出。鑒于保溫爐、半固態(tài)制漿設(shè)備和擠壓鑄造機的工藝布置是在一條中心線上流水作業(yè)，漿罐移動系統(tǒng)采用兩軸直線移動機構(gòu)就可滿足要求，與通用的曲臂機器人相比，運動維度少，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，程序簡單方便。其工作原理如圖1所示，閉式漿罐懸掛在z軸升降機構(gòu)上，取漿時閉式漿罐隨升降機構(gòu)逐步浸入鋁液中。當(dāng)閉式漿罐浸入到鋁液一定深度后，罐底閥門打開，鋁液通過底部閥門進(jìn)入罐體內(nèi)。當(dāng)檢測到罐內(nèi)的鋁液達(dá)到需求量后，閉式漿罐停止下降，罐底閥門關(guān)閉，然后閉式漿罐隨升降機構(gòu)上升脫離鋁液。由于取漿位置在保溫爐底部，而是在保溫爐中部，因此在開始取漿時就避免了漿料的氧化和其他雜質(zhì)的進(jìn)入。當(dāng)閉式漿罐完全脫離保溫爐后，漿罐停止上升，漿罐在x軸水平橫移機構(gòu)的帶動下，快速離開保溫爐，同時z軸開始下降，漿罐到達(dá)半固態(tài)裝置入口處停止，罐底閥門打開，鋁液在重力作用下流入半固態(tài)裝置內(nèi)。如果要進(jìn)行液態(tài)金屬內(nèi)腔擠壓鑄造成形，那么漿罐在x軸水平橫移機構(gòu)的帶動下越過半固態(tài)制漿設(shè)備，直接降落到擠壓鑄造機壓室接料位，然后打開閥門，將鋁液注入到壓室內(nèi)。

在漿料的搬運過程中，閉式漿罐始終通入氮氣，將罐內(nèi)空氣驅(qū)除，這樣整個取注過程鋁液在惰性氣體的氛圍中，可有效防止氧化、煙塵等各種污染。

圖1 閉式取注漿機Fig.1 A closed melt conveying machine

2 閉式漿罐的設(shè)計

閉式漿罐設(shè)計的一個關(guān)鍵點是罐底閥門的設(shè)計，首先閥門要能自動開閉，閥芯驅(qū)動機構(gòu)要能耐高溫，可靠性要高。其次閥體材料要能承受700℃高溫鋁液的反復(fù)沖刷，且不粘鋁，不能形成冷結(jié)、流掛等，不阻礙閥門的正常關(guān)閉，閥體關(guān)閉要嚴(yán)實，不得有漏鋁現(xiàn)象。

如圖2所示，閥芯和閥口采用圓柱間隙配合，閥芯和閥口材料采用導(dǎo)熱好、不粘鋁、帶自潤滑功能的石墨材料制作。閥芯通過外卡套式聯(lián)軸器與驅(qū)動桿聯(lián)接，驅(qū)動桿與閥芯內(nèi)部設(shè)計成空心，在閥芯內(nèi)部裝置高溫大功率電熱管加熱，以保持閥芯偶件達(dá)到足夠的溫度，從而確保控制鋁液進(jìn)入及關(guān)閉的閥門能順暢開合。驅(qū)動桿上下兩端通過軸承安裝在漿罐下座上，此軸承采用特殊材質(zhì)(石墨材料)和工藝制造，并采取特殊的隔熱結(jié)構(gòu)，輔以強迫冷卻的措施，保證了閥芯偶件持久穩(wěn)定正確開合。閥芯動力源采用氣缸驅(qū)動，“氣動”對高溫多煙塵環(huán)境適應(yīng)性相對較強，“電動”不能承受高溫，“液壓動力”一旦漏油，油液易燃燒，安全隱患大。氣缸活塞桿通過萬向接頭與驅(qū)動桿聯(lián)接。氣缸活塞桿向下運動，通過驅(qū)動桿帶動閥芯向下塞入閥口，關(guān)閉閥門。反之，氣缸活塞桿向上運動，閥芯向上運動脫離閥口，打開閥門。

圖2 閉式漿罐Fig.2 Closed slurry tank

在漿罐上安裝了2組液位檢測裝置，通過檢測罐內(nèi)鋁液高度確定取漿量。液位檢測裝置的原理是利用鋁液的導(dǎo)電性能，當(dāng)2個探頭浸入到鋁液中時，2個探頭之間的電路接通，表明鋁液已到達(dá)探頭所在的高度位置。2組液位檢測裝置的探頭一高一低布置，高度差很小，當(dāng)下組接通，上組未接通時，表明鋁液升到了所需量的位置。液位測量電極探針采用特殊材料制作，避免了漿料的流掛，從而保證了取漿量的準(zhǔn)確性。

3 漿罐移動系統(tǒng)的設(shè)計

漿罐移動系統(tǒng)根據(jù)工藝要求在不同的時候速度不同。取漿時漿罐進(jìn)入和退出保溫爐鋁液時速度要慢，一方面方便檢測取漿量，另一方面防止濺起和帶起鋁液引發(fā)安全事故。漿罐從保溫爐到注漿點的運輸要快速且平穩(wěn)，以防止鋁液在運輸過程中溫度下降，提高工作效率，防止鋁液在罐內(nèi)翻起卷氣。由于漿罐取漿量完全取決于漿罐在鋁液中的高度位置，那么漿罐停止時定位要準(zhǔn)。

漿罐移動系統(tǒng)設(shè)計另一個要考慮的問題是整個漿罐移動系統(tǒng)要適應(yīng)高溫、多煙塵污染的冶金工作環(huán)境。設(shè)計時要考慮減少熱輻射、熱傳導(dǎo)，減少煙塵對機械和電氣系統(tǒng)的污染。

通過對整個漿罐移動過程的分析，下面對漿罐移動系統(tǒng)各部分進(jìn)行設(shè)計說明。

漿罐移動系統(tǒng)由漿罐懸掛聯(lián)接裝置、z軸豎直升降移動機構(gòu)和x軸水平橫向移動機構(gòu)等3部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

如圖3所示的漿罐懸掛聯(lián)接裝置中，漿罐1上下兩吊耳與升降架上安裝的兩調(diào)節(jié)吊耳座3通過兩銷軸2聯(lián)接，聯(lián)接簡單，方便維修更換漿罐，聯(lián)接接觸面小，減少了熱傳導(dǎo)，兩調(diào)節(jié)吊耳通過螺桿螺母調(diào)節(jié)裝置5可對漿罐的y軸方向進(jìn)行微調(diào)，方便漿罐與半固態(tài)裝置入口y軸方向?qū)χ?。為了調(diào)節(jié)吊耳座與升降架的聯(lián)接面，設(shè)計有隔熱墊4，有效地阻止?jié){罐的熱量傳導(dǎo)到整個設(shè)備。取料漿罐通過銷軸聯(lián)接裝置懸掛在升降架6正面，在升降架背面安裝有升降導(dǎo)軌7和升降齒條9，升降導(dǎo)軌的滑塊8安裝在可作橫向移動的小車上，升降架6通過升降導(dǎo)軌和滑塊可以使橫向移動的小車上下移動，升降傳動裝置安裝在橫移小車上，由伺服電機13通過減速器12帶動升降齒輪旋轉(zhuǎn)，升降齒輪與升降齒條嚙合驅(qū)動升降架6上下移動。升降導(dǎo)軌和升降傳動裝置設(shè)計在升降架背面，能有效降低保溫爐的熱輻射和煙塵污染。升降架上部安裝有防墜架14作為安全裝置，防止升降系統(tǒng)失控或損壞后，升降架墜落造成安全事故。升降架下部安裝有機械限位擋塊15，防止電氣失控后，出現(xiàn)沖頂事故。

L型橫向移動小車10底面和內(nèi)側(cè)安裝有滑塊16，機架橫梁頂部和外側(cè)安裝有兩相互平行的橫移導(dǎo)軌17，橫向移動小車通過滑塊和橫移導(dǎo)軌滑動配合，可在機架橫梁上作水平橫向移動。機架橫梁頂部安裝有橫移齒條20，橫移傳動裝置安裝在橫向移動小車上，由橫移伺服電機22通過減速器21帶動橫移齒輪19旋轉(zhuǎn)，橫移齒輪與橫移齒條嚙合反作用驅(qū)動橫向移動小車水平移動。機架橫梁兩頭安裝有機械限位擋塊18，防止電氣失控后，出現(xiàn)沖脫事故。

橫移傳動裝置和升降傳動裝置安裝在橫向移動小車上，橫向移動小車安裝在機架橫梁頂部，藏在升降架后面，可有效降低保溫爐的熱輻射和煙塵污染。

整個系統(tǒng)的驅(qū)動采用伺服驅(qū)動技術(shù)，由伺服電機驅(qū)動傳動裝置，利用電機自帶的旋轉(zhuǎn)編碼器反饋信號給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子的角度與速度，從而精確控制漿罐位置和漿罐運動速度。

4 機架的設(shè)計

機架是整個機器的基礎(chǔ)支承件，整個漿罐移動系統(tǒng)都安裝在上面，要有很好的動、靜剛度和熱穩(wěn)定性。整個機架采用懸臂結(jié)構(gòu)，由2個懸臂立柱和機架橫梁組成。為減少懸臂產(chǎn)生的傾翻力矩，將立柱盡量靠近保溫爐安裝，立柱升高，將機架橫梁布置在保溫爐上方，使懸臂長度縮短，減小傾翻力矩，同時減少設(shè)備的占地面積。懸臂立柱和機架橫梁都采用鋼板焊接箱型結(jié)構(gòu)，機架橫梁頂面和外側(cè)面局部機加工，安裝導(dǎo)軌和齒條。機架橫梁與立柱聯(lián)接采用穿過整個橫梁的螺栓聯(lián)接。

圖4 機架Fig.4 Rack

5 結(jié)語

綜上所述，閉式高潔凈取注漿機是機電一體化設(shè)備，充分利用現(xiàn)在PLC控制技術(shù)、伺服控制技術(shù)實現(xiàn)取注漿工作的全自動控制，提高了取注漿過程的安全性、準(zhǔn)確性，使得半固態(tài)制漿裝置的原料質(zhì)量處于受控狀態(tài)，可以為半固態(tài)制漿裝置提供高潔凈的原料。在生產(chǎn)對漿料質(zhì)量要求較高的壓鑄件產(chǎn)品時，閉式高潔凈取注漿機也可以替代傳統(tǒng)的澆湯機，使壓鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量得到進(jìn)一步提升，具有廣泛的推廣價值。

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