曹新民，王 拓，杜云龍，趙勝立，盧志輝

（鄭州機(jī)械研究所有限公司，河南 鄭州 450001）

造型、制芯是鑄造行業(yè)的重要工序之一，也是鑄造業(yè)主要污染排放源頭之一。目前國(guó)內(nèi)鑄造大多使用黏土砂、水玻璃砂、樹脂砂、消失模等成型工藝，這些傳統(tǒng)的工藝都存在各種不足，制型、芯過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵、噪音、廢砂以及三乙胺等有毒氣體嚴(yán)重危害人員和社會(huì)環(huán)境。綠色環(huán)保、高效、精密以及自動(dòng)化、智能化是鑄造設(shè)備發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-3]，未來(lái)鑄造行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是向大型化、輕量化、精確化、智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化及清潔化的方向發(fā)展，耐高溫、低成本、綠色環(huán)保型無(wú)機(jī)材料及造型設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)作為行業(yè)發(fā)展重點(diǎn)。

球形陶瓷砂配合新型無(wú)機(jī)黏結(jié)劑循環(huán)再生制型、芯工藝是目前鑄造行業(yè)非常先進(jìn)的一種制芯工藝，無(wú)機(jī)環(huán)保砂作為一種新型環(huán)保材料正處在市場(chǎng)推廣應(yīng)用階段，但其工藝與傳統(tǒng)有機(jī)樹脂顯著不同，缺乏完全滿足其獨(dú)特應(yīng)用要求的射砂裝備。同類進(jìn)口設(shè)備成本高、供貨周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響新材料的推廣應(yīng)用[4-5]。

為滿足鑄造行業(yè)對(duì)綠色環(huán)保的無(wú)機(jī)砂制型技術(shù)與裝備的需求，研發(fā)了無(wú)機(jī)環(huán)保砂射芯專用自動(dòng)化裝備，該裝備可實(shí)現(xiàn)制芯工藝自動(dòng)化和智能化，縮短工藝流程，提升鑄件質(zhì)量及生產(chǎn)效率，適應(yīng)各種復(fù)雜零部件的批量制造，節(jié)約造型材料，達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染低排放，節(jié)能高效的目標(biāo)。本文介紹設(shè)備研制設(shè)計(jì)特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。

1 無(wú)機(jī)砂與傳統(tǒng)樹脂砂工藝方式對(duì)比

1.1 不同型砂工藝對(duì)比

由表1 可知，無(wú)機(jī)砂的工藝方式與現(xiàn)有的有機(jī)樹脂砂使用方式都不同，市場(chǎng)現(xiàn)有的冷芯或熱芯機(jī)均無(wú)法滿足無(wú)機(jī)砂的應(yīng)用要求。

表1 不同型砂工藝方式對(duì)比

1.2 無(wú)機(jī)砂與傳統(tǒng)樹脂砂對(duì)比

由表2 所示的現(xiàn)場(chǎng)使用工況對(duì)比，無(wú)機(jī)砂與傳統(tǒng)樹脂砂對(duì)比，具有全方面的環(huán)境優(yōu)勢(shì)，是鑄造行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必備材料，所以研發(fā)與之使用工況配套的智能制芯裝備也是勢(shì)在必行。

表2 無(wú)機(jī)砂與傳統(tǒng)樹脂砂現(xiàn)場(chǎng)使用工況對(duì)比

2 研制目標(biāo)與方案

2.1 研發(fā)目標(biāo)

1）研制出環(huán)保型無(wú)機(jī)砂制型芯智能裝備，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)砂制芯工藝自動(dòng)化；

2）實(shí)現(xiàn)氣力射砂系統(tǒng)，提高射砂能力，生產(chǎn)出精密緊實(shí)砂芯；

3）實(shí)現(xiàn)芯盒加熱配合熱空氣精確溫控，減少硬化時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；

4）裝備達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，加快鑄造行業(yè)向綠色智能制造發(fā)展。

2.2 研發(fā)思路

1）運(yùn)用絕對(duì)值伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確控制和位置記憶功能，優(yōu)化工藝步驟，提高產(chǎn)品制造精度和效率，降低設(shè)備噪音，降低設(shè)備運(yùn)行污染；

2）研發(fā)大滯后恒溫加熱精確溫控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)合理加熱結(jié)構(gòu)，開發(fā)溫度智能控制算法，實(shí)現(xiàn)大鑄件制芯加熱溫度參數(shù)的精確穩(wěn)定控制，達(dá)到快速固化成型；

3）開發(fā)智能人機(jī)交互系統(tǒng)，開發(fā)便于學(xué)習(xí)、操作友好的軟件界面及功能。開發(fā)出便于操作人員進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、設(shè)備點(diǎn)動(dòng)控制、設(shè)備故障查詢及處理、單項(xiàng)工藝流程操作、自動(dòng)運(yùn)行等程序。

3 裝備研制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 設(shè)備系統(tǒng)簡(jiǎn)介

設(shè)備系統(tǒng)見圖1，以機(jī)架為載體，將自動(dòng)加料系統(tǒng)、自動(dòng)氣力射砂系統(tǒng)、自動(dòng)脫模系統(tǒng)、自動(dòng)加熱吹熱風(fēng)系統(tǒng)、自動(dòng)清潔系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)及控制系統(tǒng)為一體的智能裝備，預(yù)期解決傳統(tǒng)鑄造行業(yè)效率低、污染大、勞動(dòng)強(qiáng)度高的問(wèn)題。

圖1 設(shè)備的系統(tǒng)簡(jiǎn)介

組裝之后的設(shè)備三維效果圖如圖2 所示，具有智能、高效、精密、環(huán)保、安全、穩(wěn)定等特點(diǎn)。

圖2 無(wú)機(jī)砂制芯裝備整體三維圖

3.2 重點(diǎn)系統(tǒng)研制

3.2.1 智能控制系統(tǒng)

考慮傳統(tǒng)的氣動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的噪音大、精度低等缺點(diǎn)，本設(shè)備設(shè)計(jì)摒棄了傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式，采用西門子伺服電機(jī)、滾珠絲杠和高精度線性導(dǎo)軌傳動(dòng)，如圖3 所示。研發(fā)了六軸絕對(duì)值伺服控制系統(tǒng)，包括伺服運(yùn)動(dòng)控制、位置精確定位、位置記憶，末端執(zhí)行器的動(dòng)作控制、各種檢測(cè)信號(hào)的反饋、處理與響應(yīng)、友好人機(jī)交互（外部指令信號(hào)的檢測(cè)與處理、內(nèi)部指示信號(hào)的輸入顯示等）的實(shí)現(xiàn)、安全保障、應(yīng)急處理等多個(gè)方面。開發(fā)智能控制軟件程序，包括制芯工藝過(guò)程的參數(shù)配置與切換、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、工藝步驟柔性規(guī)劃，數(shù)據(jù)記錄與分析，工藝參數(shù)智能優(yōu)化等。

圖3 智能控制系統(tǒng)

3.2.2 大滯后恒溫加熱精確溫控系統(tǒng)

根據(jù)無(wú)機(jī)砂應(yīng)用工況要求，研發(fā)恒溫加熱系統(tǒng)及溫控模塊，縮短設(shè)備加熱時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。使用850 mm×650 mm×30 mm 蓄熱板，每150 mm 放置1 個(gè)1 kW 加熱管，設(shè)計(jì)循環(huán)加熱氣道，結(jié)合大滯后溫度控制理論，使用智能控制模塊，開發(fā)智能溫控程序，保證吹出160 ℃恒溫氣流，使砂子快速固化，解決砂子固化周期長(zhǎng)的難題，提高效率。

如圖4 所示，大滯后恒溫加熱精確溫控系統(tǒng)由密封艙、蓄熱板、加熱管、測(cè)溫儀、隔熱層構(gòu)成，具有溫控準(zhǔn)確、出氣均勻等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 大滯后恒溫加熱精確溫控系統(tǒng)

3.2.3 自動(dòng)頂出機(jī)構(gòu)

開發(fā)可調(diào)節(jié)聯(lián)動(dòng)頂出機(jī)構(gòu)如圖5 所示，由固定臺(tái)板，滑動(dòng)導(dǎo)柱導(dǎo)套，導(dǎo)滑升降軌道、伺服模組構(gòu)成，此機(jī)構(gòu)可減少設(shè)備動(dòng)作，提高效率，能夠達(dá)到頂出平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)順暢的要求。此裝置采用20°斜面（角度可調(diào)節(jié)）滑道結(jié)構(gòu)，配合垂直導(dǎo)柱導(dǎo)套組，在模具平臺(tái)水平移動(dòng)的同時(shí)，頂出機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)下模自動(dòng)頂出，頂出高度0～100 mm，從而縮短生產(chǎn)周期，提升效率。

圖5 可調(diào)節(jié)聯(lián)動(dòng)頂出機(jī)構(gòu)

3.2.4 自動(dòng)卸料系統(tǒng)

研發(fā)砂板定位準(zhǔn)確、升降位置準(zhǔn)確控制、旋轉(zhuǎn)角度可控制的卸料系統(tǒng)，由卸料斗、滑動(dòng)導(dǎo)柱、固定座、伺服模組構(gòu)成，具有升降平穩(wěn)、砂板定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，如圖6 所示。卸料臺(tái)板采用6 個(gè)砂板定位塊定位，通過(guò)伺服系統(tǒng)控制平臺(tái)升降，并準(zhǔn)確記憶定位砂板位置，解決因定位不準(zhǔn)造成二次裝板的問(wèn)題；卸料高度可調(diào)，方便操作，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖6 自動(dòng)卸料系統(tǒng)

4 裝備主要參數(shù)

通過(guò)以上分體系統(tǒng)的研發(fā)，進(jìn)而滿足無(wú)機(jī)環(huán)保砂應(yīng)用要求，設(shè)備參數(shù)如表3 所示。按照設(shè)計(jì)目標(biāo)研發(fā)好的設(shè)備如圖7 所示。

表3 無(wú)機(jī)砂射芯智能裝備參數(shù)

圖7 無(wú)機(jī)環(huán)保砂射芯專用智能裝備裸機(jī)實(shí)物

圖8 成品設(shè)備圖

5 結(jié)論

先進(jìn)的工藝需要以先進(jìn)的材料為基礎(chǔ)，優(yōu)秀的材料需要用優(yōu)質(zhì)的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)備的研發(fā)通過(guò)各個(gè)模塊的創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而滿足無(wú)機(jī)環(huán)保砂自動(dòng)、高效、精確的射砂成型。無(wú)機(jī)環(huán)保砂是未來(lái)造型材料的趨勢(shì)，本設(shè)備的投產(chǎn)應(yīng)用將為傳統(tǒng)鑄造行業(yè)向智能化、精確化、綠色化和數(shù)字化發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。