馮鵬    孫廣偉    張研

（安鋼集團(tuán)永通球墨鑄鐵管有限責(zé)任公司  河南  安陽(yáng)  455133）

摘要：通過(guò)分析現(xiàn)有生產(chǎn)線存在的不足，結(jié)合現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，鑄造制芯中心實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人作業(yè)、自動(dòng)化、智能化的制芯作業(yè)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了設(shè)備作業(yè)效率，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了物料消耗，達(dá)到了環(huán)保要求。

關(guān)鍵詞：制芯中心；智能化；機(jī)器人；尾氣處理

制芯是鑄造工藝的核心部分，它對(duì)鑄件質(zhì)量極為重要，因?yàn)楹芏噼T件缺陷問(wèn)題都是由型芯發(fā)生的，尤其是球墨鑄鐵管砂芯，型芯不僅形成鑄管承口要求的幾何形狀，而且?guī)缀跞桓邷匾簯B(tài)金屬所包圍并高速旋轉(zhuǎn)，因此，型芯要有高的強(qiáng)度、剛性及耐高溫性能，好的表面質(zhì)量和精確的尺寸，好的退讓性和潰散性，發(fā)氣量少與好的透氣性及通氣性能，良好的冷卻導(dǎo)熱性能。

原制芯生產(chǎn)線工藝制芯工藝、設(shè)備比較落后，智能化程度低，生產(chǎn)效率低，使用工人數(shù)量較多，沒(méi)有設(shè)計(jì)烘干爐，生產(chǎn)砂芯自然干燥24小時(shí)后強(qiáng)度才能達(dá)到使用要求，不符合綠色鑄造、節(jié)能環(huán)保鑄造、高效智能化鑄造的要求。隨著生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高，生產(chǎn)效率指標(biāo)的進(jìn)一步匹配，環(huán)保達(dá)標(biāo)要求的進(jìn)一步嚴(yán)格，工作強(qiáng)度要求的進(jìn)一步降低，制芯生產(chǎn)線設(shè)備及生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、智能化、綠色化是急需解決的問(wèn)題，如何將現(xiàn)有的自動(dòng)控制技術(shù)、智能控制技術(shù)、清潔生產(chǎn)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)等高新技術(shù)應(yīng)用到制芯設(shè)備及系統(tǒng)中提高其裝備技術(shù)自動(dòng)化程度水平，開(kāi)發(fā)制造出先進(jìn)、科學(xué)、環(huán)保、低耗及實(shí)用的制芯設(shè)備。下面以DN80-300制芯中心為例，從混砂、制芯、烘干、砂處理方面介紹自動(dòng)化、智能化、綠色化等技術(shù)的應(yīng)用。

1  制芯中心簡(jiǎn)介

DN80-300制芯中心主要工藝有砂處理、混砂、制芯、浸涂、烘干、碼垛、尾氣處理等工序，工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 制芯中心工藝流程

制芯中心生產(chǎn)規(guī)格： DN80mm、DN100mm、DN150mm、DN200mm、DN250mm、DN300mm共六種規(guī)格的球墨鑄鐵管砂芯。具體芯盒制作、排布及芯盒整體圖見(jiàn)表1、圖2。 智能化制芯中心2套，崗位工定員3人/班，制芯中心生產(chǎn)從砂處理、原料供給、混砂、制芯、砂芯外表面浸涂、砂芯烘干、砂芯打垛、三乙胺尾氣處理全過(guò)程為全自動(dòng)生產(chǎn)操作模式，原材料工藝出品率接近 100％，砂處理量100%，是鑄管行業(yè)首套高效、節(jié)能、低耗、低排、智能制芯中心。

表1    芯盒制作表

每套制芯單元制芯效率不低于53模/小時(shí)，DN80-150mm芯盒為一模4芯、DN200mm芯盒為一模3芯、DN250-300mm芯盒為一模2芯，DN80mm砂芯重量1.3Kg、DN100mm砂芯重量1.7Kg、DN150mm砂芯重量2.8Kg、DN200mm砂芯重量3.75Kg、DN250mm砂芯重量6Kg、DN300mm砂芯重量9.8Kg。

圖2芯盒的排布

砂芯在芯盒中的合理布置，實(shí)現(xiàn)一模4芯、一模3芯，優(yōu)化了芯盒布局，提高了生產(chǎn)效率，芯盒可實(shí)現(xiàn)4開(kāi)模，適應(yīng)了抽芯的需要。

2   砂處理工序

制芯廢砂熱法再生就是通過(guò)焙燒，去除回收樹(shù)脂砂上的樹(shù)脂薄膜，整個(gè)過(guò)程經(jīng)過(guò)破碎、磁選、焙燒、冷卻、篩分、輸送系統(tǒng)。

圖3    砂再生工藝流程圖

通過(guò)砂粒與砂粒之間的摩擦，砂粒與機(jī)械之間的摩擦，去除了包覆在砂粒表面部分樹(shù)脂膜；加熱焙燒后，去除了砂粒表面樹(shù)脂膜，消除了砂粒相變應(yīng)力；通過(guò)篩分，去除大小顆粒，保證回收砂的粒度分布。

3  混砂工序

移動(dòng)式混砂機(jī)工作原理：將原砂從原砂日耗斗中加入到原砂定量斗中。混砂開(kāi)始時(shí)，定量好的原砂和樹(shù)脂注入混砂裝置的筒體中，在混砂裝置向需砂工位移動(dòng)的同時(shí)混砂器進(jìn)行混砂工作。到達(dá)混砂工位后，待混砂機(jī)工作結(jié)束，混砂裝置的卸砂門打開(kāi)，將混制好的砂子排放到需砂工位的砂斗中，然后混砂裝置回到加砂位置，等待下一個(gè)混砂周期。混砂系統(tǒng)主要的先進(jìn)技術(shù)：

1）原砂定量、溫控系統(tǒng)

原砂定量系統(tǒng)采用體積定量的方式實(shí)現(xiàn)原砂定量，如圖所示，原砂定量系統(tǒng)主要由上下蝶閥、體積定量斗、空、滿料位開(kāi)關(guān)等組成。原砂定量斗上方配置日耗斗，原砂溫控裝置布置于日耗斗下錐形體，實(shí)現(xiàn)原砂有效加熱或冷卻，實(shí)現(xiàn)原砂溫度精確控制。

圖4    砂定量罐                                            圖5    日耗斗溫控系統(tǒng)

2） 樹(shù)脂定量系統(tǒng)（標(biāo)準(zhǔn)為兩種樹(shù)脂定量）

主要由樹(shù)脂吸入裝置及樹(shù)脂定量系統(tǒng)組成。

樹(shù)脂吸入裝置用于液體粘結(jié)劑的吸入，由止回閥、過(guò)濾器、連接法蘭、密封件、吸管等組成。干燥器裝有干燥劑以補(bǔ)充干燥空氣進(jìn)入粘結(jié)劑罐。

樹(shù)脂定量系統(tǒng)采用體積定量，非接觸式液面控制監(jiān)測(cè)“空”、“少”、“多”及“滿”等液面，浮子用鈦合金制成，塑料定量管，Teflon閥件密封。由負(fù)壓及壓縮空氣定量，無(wú)機(jī)械活塞運(yùn)動(dòng)，不必濾氣，每次定量后定量管及輸送管道全面自清理。

圖6   樹(shù)脂定量裝置                                      圖7   樹(shù)脂加熱保溫裝置

如圖8所示，粘結(jié)劑定量器中的電加熱器，在環(huán)境溫度＜15℃時(shí)自動(dòng)投入使用，包括加熱元件、溫控器，由混砂控制系統(tǒng)控制。

3）混砂裝置

混制部分由減速機(jī)、混砂筒體、混砂軸、混砂葉片及卸砂門組成。混砂筒體底部、內(nèi)側(cè)和混砂葉片上均有特制的耐磨襯板，所以混砂機(jī)的清理非常方便。

圖8    混砂機(jī)設(shè)備圖

混砂開(kāi)始時(shí)，原砂、樹(shù)脂及可選的附加物添加劑同時(shí)注入到筒體中，混砂減速機(jī)帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，傾斜式葉片使得混合物實(shí)現(xiàn)斜拋摩擦的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)均勻混合功能，從而保證了短時(shí)間內(nèi)獲得良好的芯砂質(zhì)量。

混砂系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)實(shí)耐用、生產(chǎn)保養(yǎng)費(fèi)用低，而且還采用了精確的容積定量技術(shù)。混砂機(jī)上所有的操作配方選擇、定量、混砂和出砂均由編程控制器（PLC）自動(dòng)控制完成。操作規(guī)程可通過(guò)計(jì)算機(jī)接口及專有軟件來(lái)控制PLC。此外，此計(jì)算機(jī)軟件還具有故障自動(dòng)診斷功能，并在屏幕上顯示。帶有可移動(dòng)式的混砂裝置，可以同步完成工位穿梭和混制芯砂，提高了混砂和輸送的整體生產(chǎn)效率，較好地滿足了多工位用砂的需求。帶有傾斜式葉片的混砂裝置，可以良好均勻完成混砂效果，提高混砂生產(chǎn)效率，較好地滿足樹(shù)脂砂的混制需求。

4  射芯工序

如圖9所示，射芯機(jī)采用堅(jiān)固的四立柱框架結(jié)構(gòu)，中間為射砂吹氣工位，側(cè)面為加砂工位，前面為下芯盒頂芯工位，后面為芯盒更換工位，是一種開(kāi)放型的機(jī)型，由頂部機(jī)架、工作臺(tái)及底部機(jī)架組成，通過(guò)四立柱裝配在一起，工作臺(tái)通過(guò)固定在底部機(jī)架與立柱間的四根大導(dǎo)向柱上下運(yùn)動(dòng)。

圖9    制芯機(jī)整體                                                              圖10制芯機(jī)加砂機(jī)構(gòu)

1）加砂機(jī)構(gòu)

加砂機(jī)構(gòu)由砂斗上方的橡膠砂套，砂斗和蝶閥組成，通過(guò)橡膠砂套將芯砂導(dǎo)入砂斗中，打開(kāi)蝶閥，射砂筒中即可加砂，整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10。

加砂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使芯砂得到充分利用并縮短清理時(shí)間，砂斗上裝有電動(dòng)振動(dòng)器，加砂時(shí)蝶閥打開(kāi)，振動(dòng)器振動(dòng)芯砂加入射砂筒內(nèi)，射砂筒內(nèi)砂量由裝在射砂筒上方的超聲波檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)，如砂量達(dá)到預(yù)先設(shè)定的量，蝶閥自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)振動(dòng)器停振。在橡膠砂套外面安裝有一個(gè)電容型料位計(jì)，可監(jiān)測(cè)送砂系統(tǒng)的料位，可與混砂送砂設(shè)備等聯(lián)動(dòng)，而料位計(jì)與芯砂始終不接觸。

2）上芯盒提升機(jī)構(gòu)

上芯盒通過(guò)上芯盒鎖緊機(jī)構(gòu)固定在提升架上由油缸通過(guò)同步連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，導(dǎo)向?yàn)樗膶?dǎo)桿，此結(jié)構(gòu)保證上芯盒升降準(zhǔn)確平穩(wěn)無(wú)卡阻。在運(yùn)動(dòng)控制上采用上下芯盒液壓壓緊，隨動(dòng)控制，使芯盒在開(kāi)模前的所有運(yùn)動(dòng)中保持緊密合模以保證砂芯質(zhì)量。

上芯盒升降機(jī)構(gòu)由油缸、同步軸、連桿機(jī)構(gòu)和一對(duì)上芯盒安裝板組成保證其上下動(dòng)作同步、平穩(wěn)、無(wú)卡阻。

上芯盒安裝板的左右兩側(cè)裝有兩個(gè)油缸，驅(qū)動(dòng)夾緊楔鎖緊上芯盒。此機(jī)構(gòu)的主要作用是保證上頂芯動(dòng)作的順利進(jìn)行。

圖11    提升機(jī)構(gòu)1                              圖12    提升機(jī)構(gòu)2

3）吹氣功能

l吹氣機(jī)構(gòu)與上頂芯機(jī)構(gòu)集中于一體，由吹氣罩、上頂板及液壓缸、吹氣板快速鎖緊機(jī)構(gòu)等組成。

吹氣罩通過(guò)連接架及V 型輪支撐于頂部導(dǎo)軌。吹氣板（含上頂芯機(jī)構(gòu)）則通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)的快速鎖緊機(jī)構(gòu)與吹氣罩固定，實(shí)現(xiàn)吹氣、預(yù)壓芯（將射嘴處砂芯凸起壓平）及上頂芯功能。儲(chǔ)砂筒及射頭和吹氣機(jī)構(gòu)固定在上部移動(dòng)小車上，采用減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)回移動(dòng)，能達(dá)到機(jī)械式的慢快慢效果，保證動(dòng)作迅速而平穩(wěn)。射砂結(jié)束后吹氣機(jī)構(gòu)移到芯盒上方，由工作臺(tái)上升頂緊后進(jìn)行吹氣硬化。砂芯硬化后由上頂芯機(jī)構(gòu)將砂芯頂出脫離上芯盒，保留在下芯盒中。

4）射板清理機(jī)構(gòu)

用于在不拆除模具的情況下，快速清理射頭內(nèi)殘砂的機(jī)構(gòu)。射板清理機(jī)構(gòu)由清理槽、舉升缸、傾轉(zhuǎn)缸、固定板、回轉(zhuǎn)支撐及導(dǎo)桿等組成，并由一組升降液壓缸和一組傾轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)功能。傾轉(zhuǎn)缸將清理槽復(fù)位至水平位，舉升液壓缸將清理槽內(nèi)支撐塊頂緊射板，射板鎖緊機(jī)構(gòu)松開(kāi)，舉升缸降，傾轉(zhuǎn)缸將清理槽傾轉(zhuǎn)一定角度，方便人工清砂。清理后重復(fù)上述動(dòng)作，射板被安裝就位。

圖11    吹胺機(jī)構(gòu)                      圖12    清理機(jī)構(gòu)

5）自動(dòng)集中潤(rùn)滑系統(tǒng)

自動(dòng)集中潤(rùn)滑裝置將潤(rùn)滑介質(zhì)根據(jù)設(shè)定的間隔自動(dòng)地分配至各直線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向處。主要由潤(rùn)滑泵、分配器及管道組成。方便了設(shè)備導(dǎo)向系統(tǒng)的潤(rùn)滑工作以提高設(shè)備導(dǎo)向零件的壽命和正常運(yùn)行。

6）自動(dòng)識(shí)別功能

根據(jù)芯盒的芯片信息，自動(dòng)判別芯盒，使設(shè)備立即進(jìn)入生產(chǎn)循環(huán)，減少因人工設(shè)置參數(shù)帶來(lái)的生產(chǎn)節(jié)拍停頓，提升設(shè)備使用效率。

7）自動(dòng)更換模具

 用于不同芯盒在設(shè)備后部工位進(jìn)行更換。包括后移出輥道、設(shè)備內(nèi)部頂升移出輥道和變頻驅(qū)動(dòng)部分。采用單工位芯盒模具更換機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)解決了因使用機(jī)器人取件等自動(dòng)取芯機(jī)構(gòu)帶來(lái)的模具更換的不便，并減少因模具更換帶來(lái)的生產(chǎn)停頓，保證全自動(dòng)制芯中心的生產(chǎn)效率。

5  浸涂、碼垛工序

圖13     機(jī)器人取芯和浸涂配置夾具                                                                                       圖14     砂芯工作面

機(jī)器人采用kuka產(chǎn)品，取芯機(jī)器人滿足砂芯的抓取和浸涂需要，設(shè)計(jì)取芯和浸涂專用夾具及氣囊，能夠滿足不同規(guī)格砂芯的生產(chǎn)需要，采用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)檢查砂芯。堆垛機(jī)器人滿足砂芯的抓取需要，堆垛8層砂型，能夠自動(dòng)識(shí)別芯框定位、碼放順序及碼放位置檢測(cè)功能。

如圖13，設(shè)計(jì)專用夾具，完成鑄管砂芯的抓取、搬運(yùn)、浸涂、翻轉(zhuǎn)、放置的功能，方便機(jī)器人抓取砂芯進(jìn)行浸涂作業(yè)，避免砂芯浸涂涂料的浪費(fèi)現(xiàn)象。

圖15    機(jī)器人夾具清洗池

設(shè)計(jì)涂料槽及夾具清洗槽，方便涂料存放，并使涂料在整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)濃度均勻、液面平穩(wěn)、液面高度相對(duì)穩(wěn)定，涂料槽能防止雜物進(jìn)入涂料循環(huán)系統(tǒng)；易腐蝕的零部件應(yīng)采用防腐材料；清洗槽有自動(dòng)噴水及吹干功能，用于對(duì)機(jī)器人的夾具進(jìn)行清洗；帶有吹掃功能的清洗池，在極短時(shí)間內(nèi)吹掃機(jī)器人夾具，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

6  烘干工序

燃?xì)馍靶就苛虾娓蔂t，是針對(duì)離心鑄管承口砂芯浸涂水基涂料后進(jìn)行烘干的工藝特點(diǎn)而專門設(shè)計(jì)的節(jié)能高效烘干設(shè)備，主要用于制芯中心樹(shù)脂砂芯的烘干。

樹(shù)脂砂型芯本體冷硬后具有足夠的強(qiáng)度，且含水量較少。在浸涂水基涂料后僅需將表層水分烘干，而基體溫升越小越好。

圖16    烘干爐

該設(shè)備的主要組成部分有：爐體、天然氣供應(yīng)系統(tǒng)及燃燒系統(tǒng)、熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等。

1）設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

樹(shù)脂砂芯表面烘干工藝與黏土砂干燥工藝有所不同，樹(shù)脂砂芯含水量較低，一般為0.2%～0.3%，其含水量對(duì)鑄件質(zhì)量的影響不大，也就是說(shuō)：采用水基涂料表面烘干工藝所需干燥的只是砂芯表面水基涂料滲入的水分。同時(shí)，由于樹(shù)脂砂工藝的限制，干燥溫度一般不超過(guò)250℃，在此種情況下，只有提高風(fēng)速，才能加大換熱系數(shù)、縮短干燥時(shí)間、提高生產(chǎn)率。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，涂敷涂料后水分滲入深度一般為6～8mm，因此在滿足生產(chǎn)工藝要求（干燥后表層10～12mm處殘余水分含量）的情況下，干燥時(shí)間越短越好。

表面干燥可簡(jiǎn)單地劃分成三個(gè)步驟：（1）表面水分受熱后蒸發(fā)汽化；（2）表層蒸汽通過(guò)紊流狀態(tài)的熱風(fēng)快速向四周擴(kuò)散；（3）在擴(kuò)散動(dòng)力作用下砂芯內(nèi)部的水分向表層遷移。因樹(shù)脂砂工藝的限制，熱風(fēng)溫度一般不超過(guò)180℃。由于爐腔內(nèi)有高速循環(huán)紊流狀態(tài)的熱風(fēng)，加快了砂芯升溫和水分蒸發(fā)速度，并通過(guò)熱風(fēng)將蒸汽帶走，從而縮短了干燥時(shí)間；由于換熱系數(shù)較大，而砂型的熱傳導(dǎo)是恒定的，因此，在表層快速升溫的同時(shí)，減少了深層砂芯的吸熱及升溫，達(dá)到了節(jié)能的目的。

2）熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)

熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)由天然氣燃燒換熱器、熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)、送風(fēng)裝置、回風(fēng)裝置等組成。熱器集燃?xì)馊紵c熱風(fēng)換熱于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，經(jīng)久耐用，維修方便。風(fēng)嘴陣位于工件上側(cè)，使砂型表面各處同時(shí)受到高速熱風(fēng)作用，同時(shí)減少砂箱的吸熱。風(fēng)嘴出口風(fēng)速大于20m/s。

 該表面烘干爐采用天然氣燃燒加熱循環(huán)熱風(fēng)進(jìn)行射流烘干。循環(huán)熱風(fēng)在燃燒室內(nèi)不斷被加熱，通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)將加熱后的熱風(fēng)送進(jìn)送風(fēng)箱，對(duì)被烘干件進(jìn)行射流烘干。其特點(diǎn)為溫度控制方便、準(zhǔn)確、可靠，熱損失小，熱效率高，干燥速度快，干燥質(zhì)量均勻，烘干效果好。

7  尾氣處理

三乙胺尾氣處理裝置，凈化塔及凈化循環(huán)系統(tǒng)采用多層酸霧噴淋系統(tǒng)，保證具有良好的噴淋霧化效果，中和劑采用稀磷酸，進(jìn)口濃度≥500mg/m³時(shí)，凈化效率≥99% ，中和后的氣體經(jīng)脫液處理后排放，脫液率≥99 % ，水位、酸度自動(dòng)檢測(cè)控制，自動(dòng)補(bǔ)加水和酸液。

8  結(jié)束語(yǔ)

鑄管承口砂芯生產(chǎn)智能制芯中心是在冷芯盒制芯工藝發(fā)展的基礎(chǔ)上，由自動(dòng)操作的多功能射芯機(jī)，具有自動(dòng)混砂、自動(dòng)換模機(jī)構(gòu)、自動(dòng)吹模、自動(dòng)噴脫模劑、自動(dòng)清理射頭、自動(dòng)清理射板功能；自潤(rùn)滑系統(tǒng)、芯盒自動(dòng)識(shí)別、統(tǒng)籌自動(dòng)化功能工序緊密地聯(lián)系在一起，型芯不落地，極大地提高了型芯的品質(zhì)，降低芯廢，減少勞動(dòng)量，使型芯生產(chǎn)出現(xiàn)了一個(gè)嶄新的局面。

通過(guò)自動(dòng)化、智能化設(shè)計(jì)，消除了目前制芯生產(chǎn)中存在的不可控問(wèn)題，使制芯中心按最佳工藝標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，實(shí)際生產(chǎn)效率是目前所用設(shè)備的 3倍以上，人力節(jié)省 80％，廢料排放減少 95％，廢氣排放減少 90％，能耗降低 60％，樹(shù)脂用量降低 30％，三乙胺用量降低 30％，從根本上實(shí)現(xiàn)了高效、節(jié)能、低耗、低排的現(xiàn)代化生產(chǎn)。

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