数字技术于金隆备件制造中的应用

2014-05-07刘树峰

铜业工程 2014年2期

刘树峰

(金隆铜业有限公司，安徽铜陵 244000)

1 引言

我国当代机械制造行业科技水平，有了质的提升。特别是数字技术的应用，高新材料和材料处理，以及先进加工手段的应用等［1］。数字技术在机械制造中的应用，主要是计算机辅助设计和数控加工。

当今计算机辅助设计基本弃用了计算机平面制图，大量应用3D设计技术。3D设计，在3D空间设计具体的零件直接给予形状和尺寸，并且在3D空间进行零件的组装。从而可验证设计的合理性及装配是否干涉，非常直观，修改也十分方便。根据3D模型可以生成2D工程图，或者生成由零件或子装配体组成的配合零部件以生成3D装配体。简言之，出图工作由设计软件解决。现今从飞机，汽车到简单工具都应用3D设计技术［2］。

金隆铜业有限公司的生产技术、生产设备在国内有色冶炼行业都处于领先地位。其中有相当数量的进口设备。这些设备备件一直从国外进口，因为是专用的，所以价格十分昂贵，供货也不及时。为此金隆铜业有限公司与相关协作单位合作，进行了长期的备件国产化研制工作。将先进的数字技术，高新加工技术应用于此，不少国产化备件使用效果达到甚至超过进口原件，同时经济效益也很明显。

2 数字化技术辅助加工零部件

2.1 圆盘浇铸机

圆盘浇铸机用于铜冶炼阳极炉工段。将从阳极炉流出的铜水定模浇铸、冷却成用于电解的阳极板。金隆公司的圆盘浇铸机是引进芬兰奥托昆普公司的浇铸设备。

(1)圆盘喷涂喷嘴。

见图 1，其中:1、喷嘴座;2、档圈;3、膜片;4、螺母;5、盖;6、弹簧;7、弹簧座;8、喷嘴体 S;9、喷嘴体Z;10、小螺母。

圆盘喷涂喷嘴用于圆盘浇铸机喷洒、涂布脱模剂硫酸钡。

首先对零件体，挡圈，膜片，螺母，盖，弹簧，底，喷嘴体S，喷嘴体Z等，进行3D建模。然后在SolidWorks环境进行圆盘喷涂喷嘴的3D组装 (见图 1)［3］。

图1 圆盘喷涂喷嘴

喷嘴直径计算:

式中，d为喷嘴直径，mm;p为喷射压力，bar;q为喷射流量，L/min;n为喷嘴个数;η为喷嘴效率系数。

以上计算，粘度是以水为准的，而工作介质是硫酸钡，考虑了一定的修正而确定了喷嘴的直径。又从喷嘴直径来确定其他相应尺寸。

而脱模剂的喷洒，要求雾化稳定，喷洒均匀。因此设计了由喷雾器体上的孔与膜片，弹簧组成的喷嘴－挡板反馈稳压系统。消除了系统压力波动的影响。

国产化的雾化器，在金隆已经投入正常使用，而且效果良好、使用稳定。由于通过理论计算和现场实际试验，该国产雾化器不易堵塞，寿命较进口备件使用长。雾化器小备件体现了高技术。

单就喷嘴来说，国产的单价是进口的1/5，经济效果也是明显的。

(2)圆盘浇铸机T型导轨。

圆盘浇铸机T型导轨外径Φ14560。由于直径大，原设计采用圆周14等分，拼接组装(见图2、图3)。14段分体导轨毛坯，在龙刨或龙门铣粗加工上下平面，端面，再组装成 Φ15000左右的大圆，用Φ15000以上的大型立车进行车削。必须动用龙门铣和大立车等大型设备。现今常规的大型金切设备稀缺，任务十分饱满。加工等候周期很长，而14块分段导轨组装也很费事费力。

图2 圆盘浇铸机T型导轨

图3 圆盘浇铸机T型导轨(3D图)

当今涌现出很多先进的数字加工技术和设备。充分掌握和运用，往往可以收到很好的效果。

在T型圆导轨国产化制造中，就应用了先进的数字加工技术和设备。其中关键设备为数控高压水力切割机，俗称“水刀”。

水力切割的基本原理是利用高速水柱作为能量载体。工作时通过某种增压手段产生出超高压的水(137.89 ～413.69MPa)，然后使其从一个细如发丝的喷嘴射出去，形成高速水柱(518～914m/s)［4］。载有巨大动能的水柱喷射到被加工表面上时，产生强大的冲击力，超过材料的强度极限时，材料就被分割。不同材料的分割机理不尽相同，但主要是高压高速水柱对材料表面的噬蚀、剪切和局部产生的高频应力变化造成的。加工尺寸精确，且没有残余应力。目前，上海地区的“水刀”可以切割厚度达200mm的钢材。而且可以切割材料的硬度不限，甚至硬质合金，玻璃和石才。本项目导轨厚度为30mm，超出了激光加工范围，而选用进口大型水力切割机进行加工［5］。

据此，T型圆导轨仍采用14段组装结构件。而导轨选用了优质中碳钢，表面中频淬火HRc42(这个硬度立车难以切削)，并时效去应力定型。数控水力切割机床加工圆弧和结合端面。避免了高温切割，对材料的热影响。切割加工后零件没有残余应力，不会出现形变。切割加工前后，表面热处理的组织结构也没有改变。最后在大型龙门平面磨床上加工上下平面完成。

正由于“水刀”能加工较硬工件，导轨表面淬火，具有一定硬度，大大提高了耐磨性。而14块分段的结合端面是数控加工的，拼装精度也很高。

2.2 PS 转炉

金隆公司的PS转炉是铜冶炼工序上关键设备。从闪速熔炼炉放出含铜量60%左右的冰铜在转炉内经过吹炼，成为含铜量98%左右的粗铜。

转炉每天要从炉口进、出2～3炉的铜水。大量铜水的冲刷，对炉口损伤较大。转炉炉口(图4、图5)原设计为一个大型的薄壁铸钢件，俗称“灯笼壳子”。为确保结合部的形状尺寸，铸造时结合部在下，薄壁部分在上。因此薄壁部分出现疏松，夹渣等铸造缺陷在所难免。制造尺寸偏差大、使用寿命短。

炉口中心并不通过转炉截面中心。有一个22.5°的夹角(图6)。炉口又是装在炉口固定架上。与固定架连接的60个腰型槽在圆周R2660，而位置在炉口投影R2660的同心圆上。每一个腰型孔的轴心线分别通过炉体中心线。因此，要分别确定每一个腰型孔中心的x，y，z相对坐标。以前，通过作图加计算来完成。现在，应用3D设计可以直接在计算机3D空间得出精确的数据。