閉式高潔凈取注漿機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)

李真健，葉寒，劉旭波，楊湘杰

(1.廣東科達(dá)機(jī)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330009)

近年來，我國(guó)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(duì)半固態(tài)制漿成敗至關(guān)重要[1－6]。某高校研究機(jī)構(gòu)為保證漿料運(yùn)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前壓鑄行業(yè)通用的澆湯機(jī)一般采用開口式湯罐，鋁液上表面與空氣接觸會(huì)產(chǎn)生氧化鋁，表面與空氣接觸散熱冷卻形成殼，都會(huì)影響半固態(tài)漿料的質(zhì)量[7－9]。

廣東科達(dá)機(jī)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(xiàng)目”中引入柔性制造理念，在工藝設(shè)計(jì)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(shí)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(jī)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(jī)采用連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)送湯罐，湯罐移動(dòng)的起點(diǎn)、終點(diǎn)和軌跡基本固定不變，只能微調(diào)，無法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)注漿。如采用曲臂旋轉(zhuǎn)式機(jī)器人，雖可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)注漿，但成本造價(jià)高，整體布局占地面積大。

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

1 閉式高潔凈取注漿機(jī)的方案設(shè)計(jì)

閉式高潔凈取注漿機(jī)由取漿用的漿罐、漿罐移動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)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(jī)的工藝布置是在一條中心線上流水作業(yè)，漿罐移動(dòng)系統(tǒng)采用兩軸直線移動(dòng)機(jī)構(gòu)就可滿足要求，與通用的曲臂機(jī)器人相比，運(yùn)動(dòng)維度少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，程序簡(jiǎn)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(jī)構(gòu)上，取漿時(shí)閉式漿罐隨升降機(jī)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(cè)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(jī)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(shí)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(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，快速離開保溫爐，同時(shí)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(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下越過半固態(tài)制漿設(shè)備，直接降落到擠壓鑄造機(jī)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(yùn)過程中，閉式漿罐始終通入氮?dú)?，將罐?nèi)空氣驅(qū)除，這樣整個(gè)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(jī)Fig.1 A closed melt conveying machine

2 閉式漿罐的設(shè)計(jì)

閉式漿罐設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是罐底閥門的設(shè)計(jì)，首先閥門要能自動(dòng)開閉，閥芯驅(qū)動(dòng)機(jī)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(shí)，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(rùn)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(dòng)桿聯(lián)接，驅(qū)動(dòng)桿與閥芯內(nèi)部設(shè)計(jì)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?？刂其X液進(jìn)入及關(guān)閉的閥門能順暢開合。驅(qū)動(dòng)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(qiáng)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(dòng)力源采用氣缸驅(qū)動(dòng)，“氣動(dòng)”對(duì)高溫多煙塵環(huán)境適應(yīng)性相對(duì)較強(qiáng)，“電動(dòng)”不能承受高溫，“液壓動(dòng)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(dòng)桿聯(lián)接。氣缸活塞桿向下運(yùn)動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)桿帶動(dòng)閥芯向下塞入閥口，關(guān)閉閥門。反之，氣缸活塞桿向上運(yùn)動(dòng)，閥芯向上運(yùn)動(dòng)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(cè)裝置，通過檢測(cè)罐內(nèi)鋁液高度確定取漿量。液位檢測(cè)裝置的原理是利用鋁液的導(dǎo)電性能，當(dāng)2個(gè)探頭浸入到鋁液中時(shí)，2個(gè)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(cè)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(shí)，表明鋁液升到了所需量的位置。液位測(cè)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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

漿罐移動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)工藝要求在不同的時(shí)候速度不同。取漿時(shí)漿罐進(jìn)入和退出保溫爐鋁液時(shí)速度要慢，一方面方便檢測(cè)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(diǎn)的運(yùn)輸要快速且平穩(wěn)，以防止鋁液在運(yùn)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(shí)定位要準(zhǔn)。

漿罐移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)另一個(gè)要考慮的問題是整個(gè)漿罐移動(dòng)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(jì)時(shí)要考慮減少熱輻射、熱傳導(dǎo)，減少煙塵對(duì)機(jī)械和電氣系統(tǒng)的污染。

通過對(duì)整個(gè)漿罐移動(dòng)過程的分析，下面對(duì)漿罐移動(dòng)系統(tǒng)各部分進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。

漿罐移動(dòng)系統(tǒng)由漿罐懸掛聯(lián)接裝置、z軸豎直升降移動(dòng)機(jī)構(gòu)和x軸水平橫向移動(dòng)機(jī)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(jiǎn)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(duì)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(jì)有隔熱墊4，有效地阻止?jié){罐的熱量傳導(dǎo)到整個(gè)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(dòng)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(dòng)的小車上下移動(dòng)，升降傳動(dòng)裝置安裝在橫移小車上，由伺服電機(jī)13通過減速器12帶動(dòng)升降齒輪旋轉(zhuǎn)，升降齒輪與升降齒條嚙合驅(qū)動(dòng)升降架6上下移動(dòng)。升降導(dǎo)軌和升降傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)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(jī)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(dòng)小車10底面和內(nèi)側(cè)安裝有滑塊16，機(jī)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(dòng)小車通過滑塊和橫移導(dǎo)軌滑動(dòng)配合，可在機(jī)架橫梁上作水平橫向移動(dòng)。機(jī)架橫梁頂部安裝有橫移齒條20，橫移傳動(dòng)裝置安裝在橫向移動(dòng)小車上，由橫移伺服電機(jī)22通過減速器21帶動(dòng)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(dòng)橫向移動(dòng)小車水平移動(dòng)。機(jī)架橫梁兩頭安裝有機(jī)械限位擋塊18，防止電氣失控后，出現(xiàn)沖脫事故。

橫移傳動(dòng)裝置和升降傳動(dòng)裝置安裝在橫向移動(dòng)小車上，橫向移動(dòng)小車安裝在機(jī)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(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)采用伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置，利用電機(jī)自帶的旋轉(zhuǎn)編碼器反饋信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度。

4 機(jī)架的設(shè)計(jì)

機(jī)架是整個(gè)機(jī)器的基礎(chǔ)支承件，整個(gè)漿罐移動(dòng)系統(tǒng)都安裝在上面，要有很好的動(dòng)、靜剛度和熱穩(wěn)定性。整個(gè)機(jī)架采用懸臂結(jié)構(gòu)，由2個(gè)懸臂立柱和機(jī)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(jī)架橫梁布置在保溫爐上方，使懸臂長(zhǎng)度縮短，減小傾翻力矩，同時(shí)減少設(shè)備的占地面積。懸臂立柱和機(jī)架橫梁都采用鋼板焊接箱型結(jié)構(gòu)，機(jī)架橫梁頂面和外側(cè)面局部機(jī)加工，安裝導(dǎo)軌和齒條。機(jī)架橫梁與立柱聯(lián)接采用穿過整個(gè)橫梁的螺栓聯(lián)接。

圖4 機(jī)架Fig.4 Rack

5 結(jié)語

綜上所述，閉式高潔凈取注漿機(jī)是機(jī)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(shí)現(xiàn)取注漿工作的全自動(dòng)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(duì)漿料質(zhì)量要求較高的壓鑄件產(chǎn)品時(shí)，閉式高潔凈取注漿機(jī)也可以替代傳統(tǒng)的澆湯機(jī)，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(jià)值。

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