湿型砂自动造型线的创新发展

许云东

（笨马机电技术（上海）有限公司，上海201314）

·铸造工艺·

湿型砂自动造型线的创新发展

许云东

（笨马机电技术（上海）有限公司，上海201314）

笔者根据从90年代初至今的每届GIFA都亲自参加的经历，参观过20多个国家200多家铸造厂的感受，以及在世界著名造型线公司多年的工作经验，回顾了湿型砂自动造型线的发展历史，介绍了目前大部分的造型技术，希望从造型线创新的历史中，推测出未来的造型技术的发展和创新方向。

湿型砂；自动造型线；创新发展

创新是一个永远时髦、永远困难的永恒话题。2013年德国工业4.0的推出，更让创新和智能联系在一起，如今工业4.0的浪潮即使在古井无波的铸造行业，也掀起惊涛骇浪，迫使铸造企业、铸造设备厂情愿或者不情愿地开始变革和革新。湿型砂或者叫黏土砂铸造车间，造型线是核心中的核心，在工业4.0创新的浪潮中，理所当然地应该成为湿型砂创新的核心和重点。本人自上个世纪90年代初开始，参加了每一届GIF A，访问过20多个国家的200多家铸造厂，并在设计院工作期间，同瑞士的GF公司、德国的B M D公司共同设计和工作过，后来加入意大利S A V ELLI公司和德国A B M公司，从事造型线的开发和设计多年，亲眼目睹了湿型砂自动造型线的发展和创新，在此希望和大家交流一下看法。我认为了解技术发展的历史，研究创新的经过，是进一步创新的基础。

1 铸造厂湿型砂自动造型线对创新的需求

中国铸造厂往往认为自己技术落后，和先进国家差距很大，实际上最近十几年，世界最先进的自动造型线70%以上是销往中国！世界上最先进的电炉、3D打印机、混砂机、连续式抛丸机、机械手，大部分都是销往中国！但是我们的现实问题是：

1）全进口的全自动造型线，单主机120/h整型的造型线，实际每班平均小时生产率能够做到50型～60型就到达中国不错的水平。如果做到60型～70型，就到达中国的优良水平。如果做到80型～90型左右，已经是中国的极其优秀的水平。但是在我访问过的大多数欧美铸造厂，单主机全自动造型线，每班平均小时生产率一般都在100型以上。我国的全自动造型线，很多时间都用于等铁水、等浇注、等下芯、等砂子、等清理等等。而这一切都在呼唤智能工厂的出现，呼唤铸造车间更好的生产组织。

2）中国大多数铸造厂设备维护能力弱。秦皇岛科泰是一家韩资企业，他们在使用的D I S A线上安装一个钟，这个钟连接到总经理办公司、维修班等等。只要造型线停止生产，这个钟就开始计时，开始计算停机率。不管是设备故障还是生产组织问题。他们能够控制停机率在4%以内。而我们很多大厂，如果这样的停机率能够做到15%，就已经非常不错了，几乎是中国最优秀的铸造厂了。因此全自动造型线的远程监控、智能服务就成了一个非常不错的创新点。

2 湿型砂自动造型线的分类

1）无箱造型线：分为垂直无箱造型线和水平无箱造型线。

2）套箱造型线：主要是水平套箱造型线。

3）有箱造型线：水平有箱造型线。

3 垂直分型无箱造型线的发展和创新

垂直分型无箱造型线自从1946年被D I S A公司按照用户要求开发出来以后，得到迅猛发展。由于垂直分型造型线的每个铸型使用两面为分型面，比传统造型使用一个分型面提高一倍，导致其生产效率大大提高，特别适合生产简单、扁平和泥芯少的铸件。目前世界上的主要生产厂家为丹麦的D I S A公司、西班牙的洛拉门迪公司和日本的光洋公司，其中D I S A公司在全球已经销售1 400多台。国内最早是在上个世纪70年代末，由保定铸造机械厂和上海自丰仿造成功垂直造型线。到现在，生产厂家已经遍地开花，主要有保定维尔、保定凯恩等等厂家。垂直分型无箱造型线的发展方向主要是：

1）更快

垂直造型线不是以铸型质量闻名，也不能生产非常复杂，高度较大的铸件。但是它的最大优点就是效率高。因此垂直线的发展和创新首先围绕着速度展开。在刚刚开发出来的时候，速度仅仅在100型/h左右；而后到上个世纪60年代初，就发展到200型/h；进而300型/h，400型/h，直到500型/h。但是似乎500型/h是一个极限，当D I S A在上个世纪90年代推出D I S A230，达到这个速度后，就停顿下来，至今维持这个速度。

2）更大

刚开始的时候，垂直线只能生产非常小的铸型，一般在400mm×500mm左右，而后D I S A公司开始生产越来越大的造型线，在2003年GIF A上推出D I S A280以后达到顶点，现在D I S A公司最大的垂直线可以做到1 200mm×1 050mm.已经和大多数水平造型线尺寸相当。

3）电动化

2012年GIF A上，洛拉门迪公司推出的全电动垂直分型造型线轰动整个展会，迅速成为垂直造型线的发展方向。虽然洛拉门迪公司在展会上专门修建一个房子，防止拍照和参观，只有确认身份的铸造厂人员才能进入参观。但是到了2015年6月的GIF A展会上，落后的D I S A公司已近迎头赶上，展出了D I S A的全电动垂直分型造型线。为何世界上这两个垂直线的巨头争先恐后的发展全电动造型线，一方面由于液压系统高昂的成本和复杂的维护，迫使他们改造；另一方面就是全电动化是实现智能控制的前提，是造型线发展工业4.0的重要一步。

4 水平分型无箱造型线和水平分型套箱造型线的发展和创新

由于水平分型无箱造型线和套箱造型线非常接近，我们把它放在一起讨论。水平无箱造型线和水平套箱造型线在过去被统称为水平脱箱造型线，他们的区别在于：一个脱箱后再套上一个浇注砂箱；一个脱箱后不再使用砂箱。这种造型线的是由美国H u n t er公司在上个世纪60年代初发明的，发明以来得到迅速发展，但是在90年代以后，开始缓慢下来，被其他公司赶超。但是直到今天仍然维持一个总销售1 700台的世界纪录，等待D I S A公司打破。下面按照造型技术发展的时间和历史，向大家介绍水平无箱/套箱自动造型线创新的过程和历史：

1）水平重力加砂、水平造型、水平浇注、机外套箱

美国亨特公司的发明的亨特造型机，开创了水平无箱和套箱造型线的时代。它采用重力加砂、水平平板压实、水平浇注，造好型后，在造型线上套箱的工艺，价廉物美地解决了简单铸件的生产，因此受到全世界铸造厂的欢迎，在上个世纪可以说是供不应求，是世界最先进造型线的代表。但是随着技术的发展和进步，铸件越来越复杂、材质由灰铁向球铁转化，亨特机暴露出许多问题，主要是错箱大、以及机构复杂导致故障率较高等等。

2）水平射砂，水平造型、水平浇注、机外套箱

上个世纪80年代，由于亨特造型线的启发，使水平无箱和脱箱造型造型技术迅猛发展；由于气冲造型线的流行，带动射砂工艺风靡一时。由于采用射砂取代重力加砂，可以使造型机的机构大大简单，加砂不需要一定占用砂型顶部位置，而将位置留给压实机构。因此射砂工艺得到大大推广，甚至当时的一汽和二汽都开发过自己的射砂造型机。但是由于水平射砂和模型冲突，造型射砂另一面的射砂阴影，导致分型面硬度不均匀；同时由于射砂对模具的磨损、气流反弹的影响、对密封的要求较高等等原因，这类造型线很快就销声匿迹了。但是近年，由于刹车盘和窨井盖行业的巨大需求，这种造型机作为取代Z148造型线的产品，以其低廉的价格再次流行。

3）垂直射砂、垂直造型、水平浇注、机外套箱

在上个世纪80年代末，为了解决水平射砂的射砂阴影问题，日本的新东公司、东久公司，丹麦的D I S A公司将砂箱垂直起来，从顶部射砂，这样即使仍然存在射砂阴影，但是由于重力的作用，砂子会掉到底部，加砂性能大大提高。这样水平脱箱造型线就可以生产一些比较复杂的铸件。特别是采用水平浇注、能够提高分型面的使用效率，能够生产许多垂直线不能生产的铸件，因此得到很快推广，至今仍是目前的主流造型技术，可惜的是该造型技术自从上个世界开发以后，一致没有大的改进和创新。

4）水平真空吸砂、水平造型、水平浇注

为了进一步解决垂直射砂的射砂阴影问题，解决射砂带来的模具磨损和气流反弹问题，解决射砂密封不好，带来砂子四射的问题，为了解决套箱难于清理、会造成新的错箱的问题。德国的H F M公司（德国A B M公司的前身）和丹麦的D I S A公司，于上个世纪80年代，推出了真空吸砂工艺。采用真空的方法从两边将砂子吸入砂箱，而后从顶部压实。铸型脱箱后推出主机，在浇注线上放上压铁和L型托板取代套箱。这样利用真空气流是定向气流的特点，解决了模型磨损和射砂阴影的问题；提高了加砂的能力；解决了射砂时，砂子四射的问题；减少了错型。而且由于是真正的水平造型，避免了垂直造型带来的一系列问题。

5）水平重力加砂、水平造型、水平浇注、机内套箱。

为了解决这个真空加砂真空系统成本高、对密封要求严格缺点。德国A B M公司开发出抽屉式重力加砂系统，这样对于对加沙要求不严格的大多数铸件，可以采用更加简单可靠的重力加砂。历史是循环提高的，科技和创新也是，如果将这个造型机和第一代的亨特机相比，我们发现从原理上，两则相同。区别在于A B M的系统更加简单可靠，特别是A B M造型线的套箱是在造型主机内加入，是将铸型挤入套箱。其他厂家都是在主机外，放压铁位置加入，是将套箱套在压铁上。A B M的方法避免了主机推型过程中错型的可能，避免了铸型运输过程中错型的可能，避免了造型砂箱被浇注损坏，同时抵抗胀箱的能力大大提高。

5 水平分型有箱造型线的发展和创新

众所周知，铸造车间使用的造型线，水平有箱造型线是历史最悠久，运用范围最广，设备最复杂，铸型质量最好的造型线，也是一切汽车厂、发动机厂和生产复杂铸件工厂的首选。这是因为水平有箱线具有一些其他造型线所不具备的优点：

5.1 水平有箱造型线的优点

首先水平有箱造型线一般都可以设置4个～20个下芯工位，而不像套箱和无箱造型线，只能拥有1个～2个下芯工位。而复杂铸件往往都需要下大量的泥芯。例如一些复杂的发动机机体，泥芯数量超过100个，即使采用组芯的技术，下芯还是需要大量的时间。即使采用下芯机，下芯机需要的空间和位置，也不是无箱和套箱造型线能够提供的。

其次水平有箱造型线往往可以采用多触头造型线，多触头的发明，使造型机能够自动适应铸件不同的高差，使铸型的受到压力一致，也使铸型的硬度更加均匀。这是生产复杂铸件，特别是高差较大的铸件必备的条件。但是目前无箱和套箱造型线，均采用平板压实，因此不适合生产高差较大的铸件。

还有水平有箱造型线从造型、下芯、浇注、冷却到捅箱，砂箱始终伴随铸型。铸型的错箱，取决于每一个砂箱定位销和销套的精度。因此能够确保错箱小于等于0.3mm.而无箱和套箱造型线，在脱箱、推型、放套箱、运输铸型的每一个过程，都存在错型的可能性，因此无论哪个生产厂家，无论哪一种型号的无箱或套箱造型线，都不可避免地存在无法长时间保持精度的问题，都存在错型的问题。一般无箱和套箱造型线，错型在0.3mm～0.6mm左右，有的甚至超过1mm.另外，定位销和定位套的最佳配合间隙就是在0.3mm左右（或者±0.15mm），一些无箱或套箱生产厂宣称错箱能够达到≤0.1mm，即使不考虑无箱或套箱生产过程中大量的先天的错箱可能性，也是不太可能实现的。甚至个别厂家往往是使用合模精度、合型精度来代替错型指标，混淆用户。

最后，水平有箱造型线由于砂箱始终夹持着铸型，能够有效地抵抗胀箱，因此非常适合生产球铁铸件、高致密度的铸件。2013年笔者在德国接受力士乐专家培训时，力士乐专家特别强调：如果生产高压下使用的液压泵或阀，必须使用有箱造型线。因为他们认为，如果采用无箱或套箱造型线，即使预留很大的吃砂量，在球铁石墨化膨胀时，有可能开裂。一旦铸型开裂（哪怕只有1%的可能性），铸件致密度就无法保证，这样的铸件外表正常，但是在高压的工作条件下，可能带来不可预知的后果。

5.2 按照时间顺序主要有箱造型机和造型线种类

5.2.1 平板压实造型机

这是最早和最古老的造型机，一般采用人工加砂，加砂后用一块平板从上面压实砂子。早期一般采用环形线配套，这种造型机至今已经有100多年的历史，在一些国家和地区，仍然使用。但是由于这种造型机，压实效果较差，对于复杂铸件效果不好，劳动量大，只能用于机械化造型线。

5.2.2 气动微震平板压实造型机和高压造型机

为了改善平板压实的压实效果，铸造设备厂花了近半个世纪从两个方面来改造平板造型机。一方面不断地提高压实力，压实力越高，压实效果越好。从早期3 kg/cm2～4 kg/cm2，逐步提高到10 kg/cm2以上，进入高压造型机范畴。另一方面，在压实时仿造人工造型，增加微震，提高砂子的致密度，改善压实效果。现在最常用的Z148类型的造型机就是这种改善的代表。二战结束以后，世界经济进入快速复苏和发展阶段，汽车业得到长足发展。这两种方式结合起来，就成为了微震高压造型机。实际上世界第一条真正意义上的全自动造型线，采用的就是高压微震造型技术。

5.2.3 多触头高压造型线

高压微震造型机普遍使用后，人们发现，对于高差较大的铸件，效果仍然不理想。无论你压力提到多高，微震增强到多少，低的部分始终较软，压实效果不理想。于是为了改善压实效果，许多工厂采用仿形压头压实，取得了非常好的效果。受仿形压头的启发，能够自动适应不同铸件的多触头被发明出来。笔者认为，这是到目前为止，造型技术里面最实用、最有效和最伟大的发明。多触头高压造型线应运而生，迅速普及全世界。上个世纪60年代，中国在安亭进口了第一台德国K W公司的多触头高压造型线，这也是中国第一条真正意义上的全自动造型线。

5.2.4 气冲造型线

多触头高压造型线在全世界推广以后，其大量的辅机，复杂的液压系统，困难的维护始终困扰着用户。在上个世纪70年代，有人试图用气体取代压头压实型砂，他们认为气体就是无穷小的多触头，这样的造型线完全没有复杂的多触头液压机构，而且分型面硬度高，背面硬度低，铸型透气性好。在刚刚开始的时候，他们采用爆炸的方式获得高压气体，因此被称为爆炸成型法；随后采用高压压缩空气为气源，正式命名为气冲造型。由于气冲造型简单的结构，极快的造型速度，相对较低的价格，于上个世纪得到全世界铸造厂的追捧。其主要生厂家德国的B M D公司和瑞士的GF公司，也一跃成为世界最大的铸造机械厂。

5.2.5 静压造型线

气冲造型，由于气体撞击到模板后会反弹，导致铸型的硬度衰退非常快。同时模型的垂直面由于气流和砂子都不能直接撞击，硬度不太理想。许多时候铸型背面的硬度，低于70，以至于铣浇口都需要小心翼翼。同时砂和气流对模型的磨损非常大。这些缺点，即使后面开发出二次气冲等等方法，效果仍然不理想。再这样的前提下，有人采用采用重力加砂，加砂后加以压缩空气，压缩空气通过型砂时，能够将型砂带到排气孔位置，同时还具备一定的预紧实效果。压缩空气排气后，从背面采用多触头压实。这个工艺推出后，铸型质量明显提高，于是得到迅速运用，至今已经垄断自动造型线行业近20多年。这就是大名鼎鼎的静压造型线。静压造型线是由日本新东公司发明，但是却是由德国HW S公司推广到全世界的。

5.2.6 模板压实造型线

在气冲造型线风靡全球的时候，意大利铸造市场却一直在推广一种模板压实造型线。其工作原理是采用重力加砂，加砂框在模板一侧，而后模板压入加砂框直至砂箱。由于其压实是从模具方向压入铸型，而不是传统的从铸型背面压实，因此其铸型分型面光洁度高，硬度高；背面硬度低，透气性好。因此铸型质量比传统的背面压实要好很多。因此，无论静压造型线在全球如何流行，意大利铸造市场始终坚持采用模板压实造型线。近年由于丹麦D I S A公司和日本新东公司开始采纳和宣传模板压实的优点，意大利S A V ELLI公司的模板压实造型技术逐渐走入全世界。

5.2.7 3S（ThreeStep）造型线

这是德国莫顶公司刚刚推出的最新的造型技术，3S有两个含义，一个是指其造型的动作，已经浓缩到3步（ThreeStep），已经简化到无可能再简化的程度，是目前世界最简单的全自动水平有箱造型机，一个是指莫顶公司的口号简单、简单、再简单（Simple、Simpler、Simplest）。这种造型线具有以下几个特点：

1）简单。首先是结构简单，无论是哪一个辅机，一般都只有1-2个动作，简洁明快。其次是组成简单，其辅机数量大大少于传统的水平有箱高压造型线。例如一个标准的造型线，只有1台分箱机、1台合箱机、1台翻箱机、2台转运小车和1台捅箱机。没有那么多搬运机械手和复杂的机构。

2）电动化。在800mm×800mm以下的砂箱尺寸造型线，取消液压驱动，取消液压站。全部采用电动和气动。这是目前世界上第一条全电动的水平有箱自动造型线。这样避免了复杂的液压系统、简化了维护，同时造型线能够真正实现智能化，能够真正实现完整的远程监控、远程控制、远程维护、远程维修。向智能化工厂迈进一大步。

3）铸型质量好。这种造型机，由于采用模板压实和多触头压实相结合的方法，是目前公认的最好的造型方法，铸型质量由于静压造型和多触头高压造型。同时该造型机可以采用二次起模或者叫做漏模起模的工艺，因此拔模性能极佳。也是世界上第一台能够运用漏模起模工艺的自动造型线。这对生产电机壳、筒体件这类拔模非常困难的铸件，非常有利。

4）去除比例阀和伺服阀。由于大量采用电动，即使在大砂箱（如1 200mm～1 500mm的砂箱）时，造型主机的油缸动作仍然非常简单，完全不需要伺服阀和比例阀控制，使液压系统大大简化，可靠性大大提高。

6 湿型砂自动造型线创新的发展方向

从湿型砂自动造型线的发展历史和创新历史，我们可以清晰地看到以下几个发展方向：

1）电动化。大量采用电动取代液压已经成为一个潮流。前有西班牙洛拉门迪的全电动垂直造型线，后又丹麦D I S A公司全电动垂直造型线；早有上个世纪80年代的意大利S A V ELLI公司的电动推动和电动输送造型线，中间有德国K W公司水平有箱造型线的伺服推动尝试（一汽铸造一厂一条K W造型线就是伺服驱动推动和缓冲），现在有德国M D公司的全电动水平有箱造型线。都证明了，液压系统在多粉尘的铸造车间，在维护力量薄弱的中国铸造车间不太合适，其高昂的维护成本和复杂的控制方法，逐渐不适合造型线的需要，不适合智能造型线的要求。

2）机器人大量使用。湿型砂自动造型线在开始几乎完全不适用机器人，后来慢慢的在大批大量的场合开始使用机器人下芯。现在的德国M D公司造型线，可以采用机器人铣浇口、机器人钻气孔、机器人下芯、机器人上涂料、机器人吹浮砂、机器人取铸件、机器人浇注等等。在中国，由于人工成本的急剧上升，由于员工对企业忠诚度的越来越低，由于员工在一个企业的平均工作时间越来越短，企业采用机器人取代工人已经是大势所趋。

3）智能化。

（1）智能生产：现代造型线，当你输入模板编号的时候，造型线会自动调整生产参数，例如最佳的拔模速度，最好的生产节拍，最佳的落砂工艺，最佳的冷却时间（现代造型线的冷却时间可调，例如意大利S A V ELLI公司的一条造型线，可以提供多达20多种不同的冷却时间供用户选择）等等。同时造型线还能够和砂处理、制芯、熔炼工部联系起来，确保铸造车间以最高的效率和质量生产。

（2）智能维护：铸造厂的一个共同特点就是维护力量薄弱，全自动造型线往往是一个铸造厂最复杂的设备，中国的全自动造型线为什么开机率这么低，往往就是因为设备没有得到良好的维护。为了解决这个问题德国M D公司的3S造型线，推出了智能维护系统。其全电动造型线的所有指标都可以进行远程监控，M D公司的员工，每天可以通过远程监控检查用户造型线的运行状况，及时提醒用户进行维护和保养。对于造型线重要的位置，还能够通过远程直接观察其运行是否正常，在监控上直接指导用户员工维护和排除故障。电动化造型线的出现，势必加速智能化造型线的出现。

TG23

A

1674-6694（2015）06-0015-05

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.06.005

2015-09-17

许云东（1965-），男，总经理，主要从事铸造造型线的设计、管理工作。