鄧宗生，李華棟，楊 濤

（1.中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721006；2.濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250022）

0 前言

VRH 法是水玻璃砂真空置換硬化法的簡(jiǎn)稱(chēng)。采用該工藝可減少水玻璃加入量和CO2氣體用量，最為可貴的是可改善型砂的潰散性和回用性[1]。公司現(xiàn)有的鑄鋼生產(chǎn)場(chǎng)地狹小、裝備自動(dòng)化程度低，己不能滿足工藝發(fā)展的需求，存儲(chǔ)條件也無(wú)法滿足物流的需要，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度較高，環(huán)保政策對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的要求更為嚴(yán)苛。因此，對(duì)新型高錳鋼轍叉制造技術(shù)開(kāi)發(fā)工作需求迫切，結(jié)合近年來(lái)設(shè)備技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)，按照安全、綠色、高效、智能的設(shè)計(jì)理念，完成整線的方案設(shè)計(jì)，確保項(xiàng)目實(shí)施后生產(chǎn)線上各工藝銜接順暢、物流配送高效、生產(chǎn)效率提高。下面介紹目前為止國(guó)內(nèi)比較高端的某自動(dòng)化、智能化鑄造廠在VRH 法高錳鋼轍叉造型生產(chǎn)線工藝流程與關(guān)鍵技術(shù)。

1 生產(chǎn)線的概況

1.1 工藝介紹

高錳鋼轍叉的鑄造采用VRH（真空置換硬化）工藝。VRH 硬化過(guò)程是：將制成的砂型置于真空室內(nèi)，啟動(dòng)真空泵，室內(nèi)達(dá)到規(guī)定的真空度后，通入CO2代替空氣導(dǎo)入真空室，使CO2在砂型中彌散，與水玻璃發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到硬化目的。

其特點(diǎn)如下：（1）相較于傳統(tǒng)的CO2水玻璃砂硬化工藝，采用VRH 工藝時(shí)，砂型中的水玻璃用量及CO2的耗用量大幅減少。澆注后鑄型易于潰散，落砂性能明顯改善。（2）型砂加入酚醛樹(shù)脂，硬化后的樹(shù)脂膜脆，容易破碎，解決了水玻璃砂再生困難的問(wèn)題。再生處理后Na2O 殘留量能保持在0.55%以下，實(shí)現(xiàn)了型砂循環(huán)使用，節(jié)約資源。

1.2 生產(chǎn)線參數(shù)

生產(chǎn)綱領(lǐng)：14000t/年（即1.5 萬(wàn)根轍叉）；砂箱最大輪廓尺寸：10100 mm×1900 mm×390mm；生產(chǎn)線節(jié)拍：12～15min/半型；造型生產(chǎn)線載荷：20t/工位；工藝：酯硬化水玻璃VRH 工藝；產(chǎn)品種類(lèi)：錳鋼轍叉、合金鋼轍叉。

1.3 生產(chǎn)線布局

圖1 生產(chǎn)線整體布局

VRH 造型線由連續(xù)式混砂機(jī)、上震式振動(dòng)裝置、真空硬化裝置、翻轉(zhuǎn)起模機(jī)、機(jī)動(dòng)輥道、變頻轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)、翻轉(zhuǎn)機(jī)等組成。

2 工藝流程設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2.1 造型生產(chǎn)線流程

2.1.1 模具準(zhǔn)備工位

模具準(zhǔn)備工位包含輥道輸送機(jī)、冷鐵智能分揀裝置、冷鐵加熱平臺(tái)與矯直。

圖2 造型生產(chǎn)線流程

由于轍叉造型使用的冷鐵特別多，為了減少人工分揀的勞動(dòng)強(qiáng)度及減少分揀出錯(cuò)率，設(shè)計(jì)應(yīng)用了冷鐵智能分揀裝置。

該裝置包括振動(dòng)輸送機(jī)、自動(dòng)輸送物流線、機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)、分揀機(jī)器人系統(tǒng)、導(dǎo)料槽、冷鐵盛裝器具等并預(yù)留生產(chǎn)信息接口功能，實(shí)現(xiàn)了冷鐵的全自動(dòng)分揀。

2.1.2 加砂工位

加砂工位包含新舊砂砂庫(kù)、雙臂混砂機(jī)等。

填砂采用了面背砂工藝，面砂填充完后用手培實(shí)，放置工藝用料。而后砂箱自動(dòng)退回至放砂箱工位，然后回傳至加砂工位向砂箱內(nèi)填加背砂，之后用平板刮平。

由于鑄件的特殊性，混砂機(jī)液料的種類(lèi)有水玻璃、水、有機(jī)酯，根據(jù)不同的工藝要求填加不同的液料配比要求。

2.1.3 振實(shí)工位

由于VRH 工藝采用真空硬化，硬化比較充分，鑄型強(qiáng)度好，因此，VRH 法對(duì)鑄型緊實(shí)度要求不高，過(guò)高的緊實(shí)度反而會(huì)給落砂帶來(lái)不利。比較理想的緊實(shí)方式是下震、下壓式，鑄型表面緊實(shí)度較高。但是由于轍叉造型時(shí)冷鐵多，而且采用面砂，下震式冷鐵會(huì)移動(dòng)錯(cuò)位，面砂也容易塌落，影響鑄型質(zhì)量[2]。

研發(fā)了具有橫向、縱向、升降三向位置調(diào)整功能的多振頭振實(shí)裝置，滿足了轍叉鑄件造型振實(shí)的特殊工藝性。

砂箱進(jìn)入振實(shí)裝置設(shè)備內(nèi)，而后人工操作振實(shí)頭在橫向、縱向進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證18 個(gè)振實(shí)頭恰好在砂箱的框格內(nèi)。操作壓頭下降，接觸到砂型后振動(dòng)電機(jī)振動(dòng)下壓，直至壓實(shí)為止（為了達(dá)到各種鑄型的緊實(shí)度，激振力采用變頻可調(diào)）。接著操作壓頭上升，離開(kāi)砂型面，沿著橫向移動(dòng)至下一個(gè)區(qū)域，進(jìn)行壓實(shí)動(dòng)作，反復(fù)重復(fù)此流程，最終完成長(zhǎng)度9m 砂箱的砂型振實(shí)。

圖3 冷鐵智能分揀裝置

圖4 多振頭振實(shí)裝置

2.1.4 真空硬化工位

開(kāi)發(fā)了真空密封硬化倉(cāng)（倉(cāng)內(nèi)容積20m3），滿足了型砂在密閉真空環(huán)境下進(jìn)行CO2氣體硬化的工藝需求，實(shí)現(xiàn)了型砂快速硬化。

首先進(jìn)口端門(mén)開(kāi)鎖、打開(kāi)，砂箱進(jìn)入真空硬化倉(cāng)，當(dāng)檢測(cè)砂箱停止后進(jìn)口端門(mén)關(guān)閉。啟動(dòng)抽真空泵系統(tǒng)進(jìn)行倉(cāng)內(nèi)空氣的抽吸，當(dāng)硬化倉(cāng)內(nèi)的真空度達(dá)到設(shè)定數(shù)值后保持并充入CO2氣體，型砂硬化，保壓達(dá)到工藝要求。出口端門(mén)開(kāi)鎖、打開(kāi)，砂箱駛出真空硬化倉(cāng)，而后出口端門(mén)關(guān)閉，完成整個(gè)動(dòng)作流程。

真空度的高低，主要取決于真空泵的功率大小，抽真空時(shí)間的長(zhǎng)短。真空度還受到氣候的溫度、空氣的濕度及壓力的影響，在一定范圍內(nèi)正常波動(dòng)。真空度越低硬化速度越快，水玻璃與CO2反應(yīng)進(jìn)行得越充分，型砂硬化的越均勻，鑄型的初始強(qiáng)度越好，成型率就越高[1]。通過(guò)幾年的經(jīng)驗(yàn)，新型VRH 工藝中的抽真空系統(tǒng)（包含了真空泵、除塵除水過(guò)濾系統(tǒng)）進(jìn)行了優(yōu)化配備，保證了定期輪流開(kāi)機(jī)檢修，維持了正常的生產(chǎn)。

圖5 真空密封硬化倉(cāng)

2.1.5 起模工位

研發(fā)應(yīng)用了四輪幅長(zhǎng)件自動(dòng)翻轉(zhuǎn)起模機(jī)，實(shí)現(xiàn)了較長(zhǎng)鑄型的平穩(wěn)起模，既保證了砂型的完好，又節(jié)約了修型的時(shí)間與人力投入，提高了生產(chǎn)效率。

首先是托板進(jìn)入起模機(jī)內(nèi)，而后翻轉(zhuǎn)180°托板被轉(zhuǎn)至頂部，硬化后的砂型進(jìn)入起模機(jī)內(nèi)，上升壓緊后回轉(zhuǎn)至0°，振動(dòng)起模，而后模具平穩(wěn)啟出，砂箱離開(kāi)起模機(jī)運(yùn)行至修型工位，而模具則被轉(zhuǎn)運(yùn)回準(zhǔn)備工位繼續(xù)循環(huán)造型使用。

圖6 四輪幅翻轉(zhuǎn)起模機(jī)

2.1.6 修型、刷涂、點(diǎn)火工位

包含了制芯單臂混砂機(jī)、砂箱翻轉(zhuǎn)裝置、涂料噴涂裝置等。

由于特殊的工藝性，上箱與下箱設(shè)計(jì)了兩條分路執(zhí)行工藝操作，對(duì)于上箱必須設(shè)置砂箱翻轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行刷涂。

研發(fā)的翻轉(zhuǎn)裝置是一種特殊的翻轉(zhuǎn)形式，驅(qū)動(dòng)端采用固定形式，從動(dòng)端可以調(diào)節(jié)距離，從而滿足不同規(guī)格砂箱的翻轉(zhuǎn)操作功能。

2.1.7 合箱工位

合箱采用定點(diǎn)行車(chē)合箱，減少了起重設(shè)備的多工種使用，消除了安全隱患。

為了適應(yīng)砂箱的特殊工裝，采用了行車(chē)翻轉(zhuǎn)，后期可以更加優(yōu)化，如果改變砂箱工裝要求，可以實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)桨胱詣?dòng)合箱或自動(dòng)合箱，提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平。

2.2 其他關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

（1）從準(zhǔn)備工位至合箱工位，設(shè)計(jì)了自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，確保了模具在生產(chǎn)線上自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，砂箱在生產(chǎn)線上自動(dòng)循環(huán)，既提高了生產(chǎn)效率，又保證了安全性。

（2）生產(chǎn)線的布置，充分考慮了人流、物流通道順暢，避免了交叉作業(yè)，踐行了以人為本的理念。

（3）解箱裝置（長(zhǎng)條形落砂機(jī)）進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，大幅提高生產(chǎn)效率及使用壽命。

采用兩套并聯(lián)的方式，最大限度的降低了故障停機(jī)的影響，保證了產(chǎn)量。同時(shí)為了更好地改善作業(yè)環(huán)境，控制生產(chǎn)中的粉塵污染，針對(duì)落砂機(jī)處設(shè)計(jì)了移動(dòng)式的半封閉除塵系統(tǒng)，采用了橫插扁帶形式、獨(dú)特的厚粉餅層過(guò)濾技術(shù)的除塵器，保證了排放標(biāo)準(zhǔn)在20mg/m3以?xún)?nèi)。

圖7 物流通道圖

（4）在重點(diǎn)工位增加了看板，能夠顯示每日的計(jì)劃、工藝說(shuō)明、典型鑄件的說(shuō)明等功能，保證了鑄件的質(zhì)量，減少?gòu)U品率。

（5）控制室的總控能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程診斷、管理功能，可以利用以太網(wǎng)將所有的生產(chǎn)線過(guò)程參數(shù)，在交換機(jī)上生出EXCEL 表，與企業(yè)的MES 管理系統(tǒng)軟件對(duì)接。

3 結(jié)束語(yǔ)

新型VRH法高錳鋼轍叉造型生產(chǎn)線，是目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)產(chǎn)能最大、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)最高的高錳鋼轍叉專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線的成功投產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)重載高錳鋼轍叉研制開(kāi)啟了“2.0 時(shí)代”，使重載轍叉的生產(chǎn)制造水平大幅提高，生產(chǎn)效率提高14.2%。整線的自動(dòng)化水平達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平，為鑄造行業(yè)智能制造革命提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。