铸件智能化清理发展趋势

雷兵振

（米览诺智能科技（上海）有限公司，上海 200120）

改革开放四十多年来，我国的砂型铸造行业通过引进国外先进设备和技术，出国考察和参观学习，铸造装备和技术水平得到了较大提高，铸造产能稳居世界第一，正在由铸造大国走向铸造强国。许多企业的砂处理、造型、熔炼和浇注等工序已经实现了自动化、智能化，唯独铸件清理工序自动化、智能化进程缓慢，而且清理工序工作环境较差，劳动强度大，年轻人都不愿意干，在清理工艺段很少见到五十岁以下的工人，目前清理工序面临着后继无人的境地，所以铸件清理工序急需智能化。在西方国家，以铸造产业比较集中的南欧、西欧、北美为例，早在十五年前就实现了“智能设备清理铸件”的目标；在2014 年，李克强总理提出了“机器换人”的口号，到目前为止，事实上大部分铸造企业还是保留了人工清理的生产方式，部分铸造企业采用一些普通设备来替代人工，严格来说，这些设备目前还算不上智能设备，形成不了智能化流水线式的作业方式。

1 铸件智能化清理发展前景

铸件清理属于粗加工，是后处理工艺中的第二道工序，主要是去除毛坯件的浇冒口、飞边毛刺和分型披缝。经过清理后的铸件，可以减少后段工序精加工的余量，在随后的机加工工序时容易定位、装夹，可以防止和避免因铸件表面尺寸精度不够而造成精加工时刀具损坏或者磨损，可以提高精加工刀具的使用寿命。铸件清理不仅可以提高精加工工件的质量，还可以减少铸件精加工的工作量，目前是提高铸造生产自动化程度和降低铸件单位生产成本的有效途径之一。

我国的铸造生产经过了从小批量到大批量、再到自动化生产阶段，实现了跨越式发展。自2011 年以来，我国的铸造产能跃居世界第一，铸造产能的增加就要求有高效率、自动化程度高的清理设备来替代手工清理。随着我国铸造工艺技术水平的不断提高，我国的铸件清理方式先后经历了以下三个阶段。

1.1 人工手持风动或电动工具手工打磨清理铸件

如图1 和图2 所示，这种清理方式的缺点就是劳动强度大，生产环境恶劣，对工人的操作要求高，打磨后的铸件缺乏一致性，而且单位打磨成本高。

图1 国内纯手工作业现场

图2 手工打磨现场

1.2 气动液压混合控制的机床式清理设备

这类设备俗称专机，是为某一种产品或一个类型的产品而开发的清理设备，用来清理铸件的浇冒口、披缝和毛刺。这类产品的特点是效率高，结构简单，成本低，操作容易。缺点就是产品的通用性差，不容易与工厂的通讯系统相连。

1.3 机器人工作站

如图3 和图4 所示，机器人工体站就是由1 台或多台机器人配备工装夹具，用控制系统组成的打磨工作站，俗称机器人切割打磨设备，是国内后处理制造商主推的切割打磨设备，目前，可以用来打磨一些简单的铸件，生产效率远远高于人工清理。但是碰到结构复杂的铸件，会出现清理不干净、清理不到位的现象。造成这种现象的原因为：1）机器人用来清理铸件的时间还不到十年，清理技术还在不断完善之中；2）在吸收国外技术的过程中，还没有彻底掌握一些核心技术，机器人的切割打磨工艺还需研发和创新。

图3 机器人抓件

图4 机器人打磨

随着中国社会的老龄化程度的加深，有效的劳动人口逐年下降，尤其这两年来疫情肆虐，妨碍了劳动力的自由流动，铸造行业已经出现“用工荒”，特别是铸造后处理工艺段招工困难，“机器换人”已经迫在眉睫。这些年来随着机器替代人工清理铸件的观念深入人心，铸造企业不满足于选用简易的切割打磨设备，并且随着人工成本的大幅上升以及自动化水平的提高，铸件清理自动化及流水线发展将成为主流方向。在未来铸件清理自动化的设计中，利用刀具的性能，铸件清理的自动检测功能、工艺路线的自动生成、刀具力量的自我调节、铸件的二维码和报工系统与计算机集中控制系统，对清理流水线各个工序的信息传输，实现清理设备的遥控操作、可视化管理、计算机远程控制和过程监控等功能，完全实现铸件智能化清理是大势所趋。

2 铸件智能化清理解决方案

目前国内后处理设备市场上的清理设备主要分为专机模式和机器人模式，这两类设备制造商都在宣传自己生产的设备相对于其他设备来说更合适客户需求。事实上铸件的形状千差万别，材质也各不相同，即使是同一种产品，采用的铸造工艺不同，毛坯件浇冒口的位置和尺寸也是不同的。因此，市场就没有一种类型的设备可以对应所有的产品。设备由工艺决定，设备用来解决客户需求。提高生产效率、节省生产成本、实现铸件智能化清理是设备制造商追求的方向，也是服务客户的最佳方式。图5 和图6 所示，为国外智能化清理铸件的实际案例。要做到铸件智能化清理，国内设备制造商要加快研发，与国际水平同步，将智能化的清理方案应用到铸件后处理工艺段中。

图5 欧洲智能化的卡钳清理流水线

图6 欧洲智能化的窨井盖清理流水线

2.1 研究铸件的磨削工艺

无论是采用专机还是机器人模式清理铸件，在设计之前要研究磨削工艺。材料种类不同，力学性能和合金成分不同，例如铸钢件和铸铝件是黏性材料，而铸铁件是脆性材料，这两种材质的刀具设计方式不一样。还有在切割打磨铸件时，调整切割打磨的顺序，清理的结果是不一样的。在欧洲，后处理设备制造商在设计清理铸件的技术方案时，都会安排工艺师讨论工艺方案。

2.2 根据工艺设计磨削工具

目前，国内大部分后处理制造商是外购磨削工具。作为磨削工具制造商来说，并不了解设备性能或者磨削工艺，往往提供的是通用产品。就铸钢件而言，国内后处理制造商不愿意涉足这个领域，原因是打磨工具质量不过关，没有去独立设计符合工艺要求的刀具。像法国的岁弗米览诺和意大利冒斯公司，都是自己设计打磨工具，交由供应商去制造，因此这两家的设备都可以应用到铸钢件领域。

2.3 采用3D 仿真清理动作和计算生产节拍

图7 和图8 所示为利用了3D 仿真清理动作和计算生产节拍，这是国内后处理设备制造商的短板，一是由于国内设备制造商受到技术水平的制约，更重要的是受到设计理念的制约。利用客户的3D 图或者自己画图来仿真清理动作和生产节拍，有助于检验技术方案的可行性，避免设计失误。

图7 机器人仿真打磨轨迹

图8 机器人生产线仿真计算生产节拍

2.4 清理设备的功能智能化

采用砂型铸造出来的产品，其最大缺陷就是产品会有变形，无论采用多么先进的设备和工艺都无法避免这个缺陷，如果工艺合理，设备先进，变形量会少一些。在切割打磨铸件的过程中，采用2D/3D视觉来检测产品的缺陷，优化机器人切割打磨的工艺路线，可以提高产品的合格率。

2.5 增加清理设备的力觉检测功能

铸件清理本质上是粗加工，有些铸件清理后要求保证零上公差，在这种条件下，在清理设备中增加力觉检测功能就会避免产品因为过磨而成为废品。例如：缝纫机的机头毛坯件的上下分型线需要保持弧形形状，其公差尺寸理想状态为±0.2 mm，如果在设备中增加力觉检测功能，则相对容易实现目标值。

2.6 在清理设备中增加通讯功能

铸件清理设备并不是先进的设备，如果需要实现智能化就要增加通讯功能，与用户的工厂智能化相连，在生产自动化的基础上还可以实现信息流自动化，纳入生产实施系统，通过网络采集各生产单元和设备的生产数据，提供实时生产信息。

2.7 重视清理设备的辅助功能

铸件在清理过程，不仅主设备要发挥出应有功能，而且辅助设备也要发挥作用。清理设备需要配备排屑装置和收尘装置以及良好的照明系统。这些辅助装置有助于清理设备实现功能最大化。

3 铸件智能化清理研究和展望

铸件从人工切割打磨到机器切割打磨，再到智能化清理阶段，在西方国家也不过三十年的历史，在中国也就是十年左右的历史。铸件清理智能化还处于起步阶段，我们需要研究清理工艺，开发功能更好的设备，设计更合理的控制系统。与此同时，作为清理设备的核心部件，工业机器人也要向智能化发展，增加功能。无论是清理设备集成商还是最终用户，要逐步提高工装夹具的设计水平，确保清理设备发挥最大效能。作为最终用户，需要去优化生产管理，培养和储备智能清理设备这方面的人才。我们的高等院校、研究机构、清理设备集成商和最终用户应当结合起来，一起开拓创新，提高国内清理设备的装备水平，逐步实现国内铸造行业中后处理工序的铸件智能化清理。