震动除芯技术及在船用发动机铸件生产应用中的技术探讨

丁加荣，盛振东

（1.潍柴重机股份有限公司 滨海铸造厂，山东潍坊 261001；2.济南柯瑞达铸造机械有限公司，山东济南 250022）

震动除芯技术泛指采用气力冲击方法，对铝合金、铸铁、铸钢、特种合金等材质的发动机缸体、缸盖、排气管、泵体、阀体、管件、壳体、精密铸造件等各种不同铸造工艺方法生产的铸件进行震动打击，进而清除铸件内腔芯砂的专用设备。近年来，随着对铸件产品内腔质量要求越来越高，震动除芯设备从单机到整套生产线，在汽车发动机铸造生产中得到越来越广泛的应用，目前对于数百公斤乃至数吨重量级的船用发动机缸体、缸盖铸件的应用产品市场上尚属空白。

1 震动除芯技术发展现状与回顾

国内最早的震动除芯机（L125型）是上世纪50～60年代仿制前苏联的产品，结构、性能较简单，主要用于发动机缸体、缸盖铸件清除内腔芯砂，采用小型的气力冲击器清理铝合金铸件内腔芯砂的设备也大量投入使用，大部分形式为单机人工操作，生产效率较低。

上世纪90年代末，国内汽车行业生产规模逐渐加大，发动机铝合金缸盖、排气管需要高效、快速的清砂设备，国内一些大型企业引进国外震动除芯技术产品，在本世纪初逐渐推广应用到铸铁件缸体缸盖生产领域。

由于被铸件内腔包裹着的芯砂被震松后需要倒出，同时由于生产率要求、铸件材质、尺寸规格的不同、震动除芯设备的形式、种类又分为多种。普通震动清砂除芯机一般由冲击锤、夹持机构、机架组成，人工操作，甚至由工人手持风镐完成操作；较为复杂的配置由气力冲击、工件夹持、摇动翻转、隔振、降噪、除尘、电气控制等单元构成；近年来大量使用自动震动清砂除芯生产线，适用于单件大批量产品，按不同的工艺要求，还有多个锤头、多个方向冲击等形式，这取决于用户的实际需求。

回顾国内震动除芯技术的发展，尚存在以下几点问题：

（1）为满足工艺要求，震芯机结构日趋复杂，价格日趋昂贵，使用成本不断增加。

（2）缺乏合理的标准规范，比如对震芯处理后内腔残砂量的指标要求没有形成统一的共识标准，有的以毫克为级别界定，有的以克为级别界定，需知铸件种类、规格大小差异很大，指标过分苛刻将导致综合成本增加，对此我们以为有关部门应根据实际情况尽快制定有关行业标准。

（4）由于采用压缩空气为动力的震动除芯工艺，其能源消耗问题不可忽视，针对不同的除芯工艺要求，研究高效节能的震芯机产品，是震动除芯技术的发展方向。

（5）目前震动除芯适用铸件的范围限于汽车柴油发动机缸体、缸盖铸件，对于数百公斤乃至数吨重量级的船用发动机缸体、缸盖铸件的应用产品市场上尚属空白。

2 应用理论分析

震动除芯技术产品的研发与推广，需要严谨的理论分析及验证过程，依据多年的实践经验和理论探讨，我们提出以下定义：震动除芯技术是一种利用冲击锤使铸件产生瞬间冲击加速度，由此形成铸件腔体共振和附着剪切力，在铸件与砂层两相体界面之间产生剥离应力，达到除砂效果的工艺方法。如此宽泛的描述尚不足以反映震动除芯过程的复杂性，实际应用中涉及的相关因素太多，提炼理想的理论模型十分困难，只能界定为多因素相关分析的方法。

（1）震动除芯的机械振动学模型：可视为单自由度振动系统[1]下的、具有一定周期的冲击脉冲激励系统，冲击锤为冲击脉冲发生源，铸件为参振质量，设备的隔振装置为弹性参量。

（2）动力学模型：冲击锤与铸件之间完成冲击动能的交换过程，理想状态下的冲击过程遵循能量、动量守恒定律，但是由于铸件材料的硬度、材质、碰撞变形等因素的影响，实际应用中需要综合分析考量。

（3）铸件自身的固有共振频率分析：采用先进的有限元建模分析技术[2]、振动测试技术可以实现，难以实际应用，但基本的理论概念还是有助于分析解决实际问题。

（4）冲击应力波的传递过程描述（传递函数）：用于分析解释复杂的铸件内腔芯砂清理效果是如何产生的，解决选择合理的打击点位置等问题[3]。

PID（比例微积分）控制器的应用已有几十年，是一种非常简单的线性过程通用的控制器。PID反馈控制回路能高效控制单台设备，控制单个控制回路上的单个变量/参数，比如压力或温度。任何存在状态变化的过程对于PID控制器来说都是非常复杂的。作为控制网络（与若干不同装置通信并实施控制的网络）的一部分，PID控制器固有的灵活性根本无法适应HVAC应用中可能碰到的各种变负荷情况。因此，需要其他控制方法来提升冷冻机房的性能。

（5）机械振动系统的电模拟分析方法[4]：借助机械振动系统与电路分析在数学层面上的同源特性，将复杂的机械振动系统微分方程通过数学变换转化为简单的复数、三角函数分析运算[5]，较为直观、方便、易于理解分析。

在实际应用中持有上述理念和思路，刻意安排合理的工艺试验方法进行验证，可以得到事半功倍的效果。在技术外延推广、新产品开发过程中，理论先行、实践验证的方法，是必要的技术手段。

3 在船用发动机铸件生产中的研发与应用

船用柴油机铸造生产具有多品种、批量小、规格大的特点。潍柴重机股份有限公司滨海铸造厂2014年投入使用的缸盖震芯机，只能应用于一种质量约90公斤的缸盖铸件，无法满足当前的使用要求，需要研发能满足行业使用特点的震动除芯设备。为慎重起见，我们针对企业生产状况、产品使用要求、工艺可行性、现场条件、环保节能、安全生产等因素进行了反复研究论证，具体实施如下：

（1）采用柔性震动除芯技术：鉴于铸件产品多样化，引入柔性制造系统（FMS）概念，提出研发涵盖7类11种船用发动机缸体缸盖铸件，其质量、规格、外形尺寸如表1所示的柔性震动除芯设备，一机多用。

（2）由于铸件重达1吨以上，超出了现有技术装备和使用经验范围，目前尚无同类产品的使用介绍和资料依据，为确保项目的可行性，基于前述理论分析方法，进行了震动除芯工艺试验验证，现场针对有代表性的在线生产铸件进行震动除芯工艺试验，取得了满意的结果，数据表明可以进入到实用化设计阶段。

（3）通过多次试验验证，分析、充实、完善理论模型，对于优化相关技术参数并推而广之，具有设计指导意义。

表1 典型铸件参数

（4）按柔性化生产的理念，分析各种铸件的规格结构特点，确定整体设计施工方案，并进行使用、维护、环保等诸方面的反复论证，实现最优组合，具体体现在以下方面：

1）采用PLC控制自动化生产方式，铸件为贯通辊道输送，以提高生产效率。

2）针对铸件种类繁杂的特点，采用四维移动定点控制的震击机构，在不同的铸件所确定的工艺选择打击点，按设定的参数实施震击除芯作业，实现柔性化生产。

3）震击除芯作业完毕后辅以振动清砂、旋转倒砂作业，将铸件内腔松散的残砂清除干净，旋转倒砂机构具有不同铸件夹持的调节功能，适用于更换加工不同产品时，满足柔性化生产要求。

4）采用易于调整的铸件定位装置，实现铸件在震击除芯、旋转倒砂、铸件上料、物流转运工序中的准确定位，保证设备运行的可靠性。

5）采取必要的降噪、隔振措施[6]，整机设置隔声罩、隔振装置，使之符合安全生产、环境保护的国家标准。

6）为防止工作过程产生的粉尘外逸，采用新型的除尘系统，按最新大气排放国家标准设计，粉尘排放浓度＜20毫克/立方米。

7）铸造车间生产环境复杂恶劣，设备使用操作条件亦然，尽可能采用成熟的技术与配套产品，以保证设备长期可靠的使用运行。

值得指出的是，作为一种新技术，无论怎样的理论分析和细致的施工设计，都有待于生产运行的实际检验，以及不断地改进完善，相对而言，铸造生产工艺及其产品繁杂多样、因之而来的铸造机械产品种类繁多，具有多品种、非标准化的取向，探索一种合理、可靠的技术推广、产品研发模式，具有一定的实用价值。

4 结语

（1）随着铸造产业升级速度加快，柔性化生产模式逐渐引起人们的重视，对铸造机械产业提出了新的研发课题。

（2）震动除芯技术仍有推广改进的发展空间，实践表明，震动除芯技术向大型铸件生产领域发展是可行的，其理论研究、产品开发需要进一步探索、验证、完善。

（3）铸造行业的品种多样化特点比较突出，同类产品的非标准化专机设计研发占很大比重，不同使用条件下的技术参数指标需要相应的行业管理、标准规范指导界定。

（4）探索一种新的研发模式：研发企业根据市场需求与设备使用企业联合攻关，融合双方各自经验合作探索发明原创技术，加快推进国内装备制造业的水平提升与发展。