可運(yùn)行兩種規(guī)格砂箱的靜壓造型線設(shè)計(jì)

劉開舉，李來升，趙林棟，韓冬生，包艷青，楊建國(guó)

（1.國(guó)機(jī)鑄鍛機(jī)械有限公司，山東濟(jì)南 250306；2.濟(jì)南鑄鍛所檢驗(yàn)檢測(cè)科技有限公司，山東濟(jì)南 250399）

靜壓造型是上世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的鑄造工藝，是目前可預(yù)見技術(shù)條件下所能達(dá)到的比較完美、先進(jìn)的濕砂造型方法，其實(shí)質(zhì)就是氣流預(yù)緊實(shí)與壓實(shí)造型工藝相結(jié)合[1]。

靜壓造型技術(shù)具有工藝優(yōu)良、適用范圍廣、綜合性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。20 世紀(jì)90 年代初期，日本SINTO 公司開發(fā)出靜壓造型技術(shù)，克服了氣沖造型鑄型背面緊實(shí)度低、砂箱高度有效利用率不高、散落砂多等問題，已逐步取代氣沖造型，得到愈來愈廣泛的應(yīng)用[2]。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展和應(yīng)用，尤其是近10 年我國(guó)鑄造業(yè)的飛速發(fā)展，靜壓造型線的數(shù)量越來越多。國(guó)內(nèi)正常生產(chǎn)的靜壓造型線約有一百余條，主要有全進(jìn)口、全國(guó)產(chǎn)和主機(jī)進(jìn)口輔機(jī)國(guó)產(chǎn)等三種形式。靜壓造型線運(yùn)行的好壞直接影響到鑄造廠的經(jīng)濟(jì)效益，直接關(guān)系到鑄造車間其他工部效率的發(fā)揮。造型線是鑄造生產(chǎn)的核心，造型線的擁有量及其水平反映出一個(gè)國(guó)家機(jī)械工業(yè)的科技水平[3]。

目前無論是進(jìn)口設(shè)備還是國(guó)產(chǎn)設(shè)備，一條靜壓造型線上基本只能運(yùn)行一種規(guī)格的砂箱，這樣就需要鑄造廠在方案設(shè)計(jì)階段就要充分考慮到實(shí)際的鑄件產(chǎn)品種類和生產(chǎn)需求，并且隨著市場(chǎng)的變化，一條生產(chǎn)線很難適應(yīng)變化較大的鑄件生產(chǎn)需求。本文通過設(shè)計(jì)一種可更換砂箱厚度的靜壓造型線，能夠運(yùn)行兩種不同厚度規(guī)格的砂箱，這種新的設(shè)計(jì)思路使得一條靜壓造型線能夠發(fā)揮兩條靜壓造型線的功能，給鑄造廠帶來更多的選擇，提升了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 總體方案

靜壓造型線可以運(yùn)行兩種不同厚度規(guī)格的砂箱，砂箱內(nèi)尺寸分別為1100 mm×1050 mm×380 mm/320mm和1100mm×1050mm×260mm/320mm，兩種砂箱的下砂箱規(guī)格相同，上砂箱厚度不同。靜壓造型線采用上下箱不分道的布線形式，根據(jù)鑄件箱內(nèi)冷卻時(shí)間1.5h 的要求布置了2 條冷卻線，同時(shí)預(yù)留了第三條冷卻線的空間，為后續(xù)冷卻線擴(kuò)容增加了可能，冷卻線兩端推送機(jī)構(gòu)均采用轉(zhuǎn)運(yùn)車車載推緩油缸形式。為節(jié)約成本，下砂箱和兩種規(guī)格的上砂箱分別加工制作了1 套，下砂箱通用，上砂箱根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，在線通過人工的方式完成上砂箱的更換作業(yè)。

2 工藝流程

根據(jù)總體方案的設(shè)計(jì)思路，采用上下箱不分道的形式，設(shè)計(jì)了靜壓造型線的工藝布置圖，如圖1 所示。該靜壓造型線包括造型下芯段、返回澆注段、冷卻段等。

圖1 靜壓造型線工藝布置圖

造型下芯段是指造型段和下芯段在同一條道上，主要包括靜壓造型機(jī)、分箱機(jī)、內(nèi)壁清理機(jī)、分箱推送缸、分箱轉(zhuǎn)運(yùn)車、造型滾道、造型翻轉(zhuǎn)機(jī)、上箱翻轉(zhuǎn)機(jī)、銑澆口機(jī)、鉆氣孔機(jī)、合箱機(jī)、合箱轉(zhuǎn)運(yùn)車、合箱緩沖缸等。分箱轉(zhuǎn)運(yùn)車將空砂箱轉(zhuǎn)運(yùn)至分箱機(jī)，分箱機(jī)將上、下砂箱依次分開抱起，內(nèi)壁清理機(jī)對(duì)空砂箱內(nèi)壁進(jìn)行清理，通過分箱推送缸將砂箱依次推入靜壓造型機(jī)等待造型；靜壓造型機(jī)的舉升機(jī)構(gòu)將砂箱舉起，依次完成接箱、加砂、靜壓、壓實(shí)和下降脫模等工作，完成造型；隨后完成造型的砂箱被推出，造型翻轉(zhuǎn)機(jī)對(duì)每個(gè)砂箱翻轉(zhuǎn)180°；銑澆口機(jī)對(duì)上砂箱砂型背面銑出澆口杯，鉆氣孔機(jī)對(duì)上砂箱砂型背面鉆出排氣孔；上箱翻轉(zhuǎn)機(jī)對(duì)上砂箱翻轉(zhuǎn)180°；在造型翻轉(zhuǎn)機(jī)和上箱翻轉(zhuǎn)機(jī)之間是下芯工位，可以完成放置砂芯、澆注過濾網(wǎng)等工作；然后翻轉(zhuǎn)后的上箱和下好芯的下箱被依次推入合箱機(jī)，合箱機(jī)分別將上箱抱起下放至下砂箱上，完成合箱。

返回澆注段是指返回段和澆注段在一條道上，主要包括設(shè)置在冷卻轉(zhuǎn)運(yùn)車上的返回線推送缸、捅箱機(jī)、臺(tái)面清掃機(jī)、鎖箱鉤機(jī)構(gòu)、設(shè)置在冷卻轉(zhuǎn)運(yùn)車上的澆注線緩沖缸等。冷卻完成的砂箱通過冷卻轉(zhuǎn)運(yùn)車轉(zhuǎn)運(yùn)至返回線上，返回線推送缸將砂箱推入捅箱機(jī)內(nèi)，捅箱提箱缸將砂箱抱起，捅箱移動(dòng)缸將砂箱轉(zhuǎn)運(yùn)至捅箱位，捅箱缸自下向上將砂箱內(nèi)的砂胎捅出，砂胎推送缸將砂胎推送至落砂機(jī)上，捅箱缸下降，空砂箱返回至返回線上，完成捅箱；分箱轉(zhuǎn)運(yùn)車將空砂箱轉(zhuǎn)運(yùn)至分箱機(jī)內(nèi)，開始進(jìn)入下一個(gè)造型循環(huán)；臺(tái)面清掃機(jī)伸出將臺(tái)車上的砂子清掃干凈；合箱轉(zhuǎn)運(yùn)車將合好的砂箱臺(tái)車轉(zhuǎn)運(yùn)至返回線準(zhǔn)備進(jìn)入澆注段；進(jìn)入澆注段后由鎖箱鉤機(jī)構(gòu)對(duì)砂箱兩側(cè)的箱鉤鎖緊；砂箱被推入澆注段后，通過人工或澆注機(jī)對(duì)合好的砂型進(jìn)行澆注；完成澆注的砂型通過冷卻轉(zhuǎn)運(yùn)車轉(zhuǎn)運(yùn)至冷卻段進(jìn)行冷卻。

冷卻段包括2 條冷卻線、軌道系統(tǒng)、定位機(jī)構(gòu)、冷卻廊等。澆注完成的砂箱被轉(zhuǎn)運(yùn)至冷卻線后進(jìn)行一定時(shí)間的冷卻，冷卻時(shí)間由生產(chǎn)率和冷卻線的數(shù)量確定，經(jīng)過冷卻后的砂箱被冷卻轉(zhuǎn)運(yùn)車轉(zhuǎn)運(yùn)至返回段，開始下一個(gè)捅箱循環(huán)。

3 滿足設(shè)備運(yùn)行的設(shè)計(jì)和調(diào)試措施

為了滿足一條靜壓造型線能夠運(yùn)行兩種不同厚度規(guī)格的砂箱，對(duì)多個(gè)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)。本項(xiàng)目?jī)煞N規(guī)格的砂箱中下砂箱尺寸一樣，上砂箱厚度相差120mm。

3.1 設(shè)置不同高度的型板框

根據(jù)上砂箱的厚度分別為380mm 和260mm，則對(duì)應(yīng)的型板框高度也相差120mm，下砂箱對(duì)應(yīng)的型板框高度固定不變。在靜壓造型機(jī)內(nèi)舉升造型的過程中，舉升油缸的行程均相同，這樣的設(shè)計(jì)既保證了正常的造型工作，又不改變靜壓造型機(jī)的結(jié)構(gòu)。

3.2 使用編碼器代替感應(yīng)開關(guān)

由于上砂箱的厚度不同，分箱機(jī)在分箱抱起上砂箱時(shí)，機(jī)械手下降的位置也是不一樣的，兩種上砂箱就有兩個(gè)抱箱位。為了更加準(zhǔn)確地保證機(jī)械手下降位置，選用了編碼器控制方式，如圖2 所示。同時(shí)在操作屏上設(shè)置兩個(gè)位置的數(shù)值，根據(jù)實(shí)際在線的砂箱厚度，程序自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的位置高度，來控制分箱機(jī)機(jī)械手下降高度，完成抱箱提升。

圖2 安裝編碼器的分箱機(jī)

合箱機(jī)在合箱時(shí)，根據(jù)兩種厚度的上砂箱規(guī)格，機(jī)械手下降的位置也有兩個(gè)，合箱機(jī)同樣選用編碼器控制方式，如圖3 所示。在操作屏上設(shè)置兩個(gè)位置的數(shù)值，根據(jù)實(shí)際在線運(yùn)行的砂箱厚度，程序自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的位置高度，來控制合箱機(jī)機(jī)械手下降的高度，完成抱箱下降合箱。

圖3 安裝編碼器的合箱機(jī)

3.3 設(shè)置可調(diào)式的箱口清掃機(jī)構(gòu)

在砂箱被推送入靜壓造型機(jī)之前，有一套對(duì)空砂箱上下面清掃的箱口清掃機(jī)構(gòu)，結(jié)合本設(shè)備有兩種不同厚度規(guī)格的上砂箱，砂箱上表面的清掃高度相同，則在清掃砂箱下箱口的安裝支架上設(shè)置了兩個(gè)安裝孔位，如圖4 所示。根據(jù)砂箱的厚度變化調(diào)整下清掃機(jī)構(gòu)的安裝位置，完成箱口清掃工作。

圖4 可調(diào)式的箱口清掃機(jī)構(gòu)

3.4 增加高箱矮箱檢測(cè)開關(guān)

由于本條靜壓造型線能夠分別在線運(yùn)行兩種不同厚度規(guī)格的砂箱，為了保證在線運(yùn)行一種規(guī)格的砂箱時(shí)，不出現(xiàn)另一種規(guī)格砂箱混在其中的問題，在分箱轉(zhuǎn)運(yùn)車和捅箱機(jī)之間靠近分箱轉(zhuǎn)運(yùn)車的一副砂箱處設(shè)置了一套感應(yīng)開關(guān)，經(jīng)過控制系統(tǒng)的處理分析，能夠識(shí)別檢測(cè)出高箱和矮箱，保證了設(shè)備運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入分箱機(jī)的砂箱高度準(zhǔn)確無誤，避免兩種砂箱混雜在一起運(yùn)行造成設(shè)備損壞。

3.5 電氣控制系統(tǒng)

采用PLC 集中控制方式，設(shè)計(jì)高矮箱一鍵切換程序，在主操作屏上設(shè)置了高矮箱切換按鈕，如圖5 所示。通過選擇高箱或矮箱，程序自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的高度位置和開關(guān)信號(hào)，提升自動(dòng)化程度和安全性。

圖5 電氣控制操作屏

3.6 砂箱更換方法

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，需要更換砂箱規(guī)格時(shí)，通過人工更換上砂箱，如圖6 所示。首先啟動(dòng)靜壓造型線運(yùn)行，將空砂箱推滿澆注段，靜壓造型線停止運(yùn)行，人工打開澆注段的砂箱箱鉤，吊具將上砂箱吊起移開，隨后將第二種上砂箱吊裝至對(duì)應(yīng)的下箱上方，下降完成合箱，即完成一幅砂箱的更換作業(yè)，往復(fù)循環(huán)將冷卻段的空砂箱全部更換完成。繼續(xù)啟動(dòng)靜壓造型線，更換完成的砂箱則被冷卻轉(zhuǎn)運(yùn)車轉(zhuǎn)運(yùn)推送至冷卻段，澆注段又被推送滿了第一種砂箱，之后停止造型線運(yùn)行，更換澆注段的空砂箱，依次往復(fù)進(jìn)行，直至冷卻段砂箱全部更換完成。當(dāng)?shù)诙N砂箱進(jìn)入造型下芯段時(shí)，分別通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)和檢測(cè)開關(guān)的高度來實(shí)現(xiàn)不同厚度砂箱的位置切換。在線砂箱全部更換完成后，檢查確保砂箱關(guān)聯(lián)機(jī)構(gòu)位置準(zhǔn)確，切換主屏幕高矮箱切換按鈕，調(diào)用配套程序，啟動(dòng)靜壓造型線運(yùn)行，開始在線運(yùn)行第二種砂箱。

圖6 在澆注段進(jìn)行砂箱更換作業(yè)

4 總結(jié)

該靜壓造型線已經(jīng)成功開發(fā)并應(yīng)用在鑄件的實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，一條靜壓造型線能夠分別在線運(yùn)行兩種不同厚度規(guī)格的砂箱，運(yùn)行平穩(wěn)，滿足設(shè)計(jì)要求。該設(shè)計(jì)形式擴(kuò)大了靜壓造型線的使用范圍，也給使用者帶來了更多的選擇，更方便使用者根據(jù)市場(chǎng)變化調(diào)整鑄件生產(chǎn)類別。目前該靜壓造型線不同規(guī)格的砂箱更換頻率不高，人工更換方式完全可以滿足實(shí)際需求。未來可以根據(jù)實(shí)際需求，開發(fā)一套自動(dòng)更換砂箱的裝備，優(yōu)化設(shè)計(jì)能同時(shí)適應(yīng)不同厚度砂箱的調(diào)節(jié)裝置，提高控制系統(tǒng)的智能化水平，代替人工勞動(dòng)、提高工作效率，更好地適應(yīng)市場(chǎng)，滿足不同用戶的多樣化需求。