铝合金铸件低压铸造智能生产岛的设计

2022-09-28孙明杰张伟鹏王玉伟

中国铸造装备与技术 2022年5期

孙明杰，张伟鹏，王玉伟

（中机第一设计研究院有限公司，安徽合肥 230601）

0 前言

在新能源汽车快速发展、汽车轻量化和节能减排的大环境下，铝合金铸件得到更广泛的使用。当然采用轻质化材料的同时，带来的是零件产品结构的复杂性，这样就对零件产品的成型工艺提出了更高的要求。铸造是实现零件成型的基础工艺，它具有生产效率高、一次成形复杂铸件、生产成本低等优点，被广泛应用于航空航天、汽车等领域。铸造过程不仅决定着能否获得所需的零件形状，同时也奠定了材料性能发挥的潜力[1]。

以某项目为基础，生产商用车飞轮壳、新能源电机壳铸件，采用铝合金低压铸造工艺。

1 铝合金铸件低压铸造生产现状

1.1 低压铸造工艺性

低压铸造作为一种近净成形技术，是实现铸件少余量、无余量加工，同时也是汽车铸件精密化、薄壁化、轻量化和节能化的重要措施，目前在被广泛应用在航空、航天、交通等领域，其产品在汽车部件的应用，对于汽车的轻量化有着重要的意义。

低压铸造投资较少，铸件内部缺陷少，可进行热处理，合格率高，一般可达90%～95%；但工艺环节多、毛坯较重、运营成本略高、适应产品的范围较窄、效率低（约为高压铸造的1/3）。

但目前低压铸造在设备、模具、工艺和自动化方面尚需进一步改进和提高。目前国内低压铸造法在批量生产铝合金铸件上存在的问题是：浇注条件相对不稳定，影响产品质量稳定性和成品率；其次是生产效率不高，操作比较麻烦，主要体现在以下几个方面[2]：

（1）设备设计与铸造工艺脱节。

（2）低压铸造件模具设计，目前国内水平一般凭经验设计，对于合金液在铸型中流动情况、散热和凝固大多是凭经验。

（3）低压铸造机零部件可靠性差，整机自动化程度低。

（4）模具表面涂料耐用性差。

1.2 低压铸造车间常规布局

随着铝合金在汽车上的应用日益广泛，铝合金铸件低压铸造工厂面临新厂房的建设和原有厂房的扩建问题。加之原有厂房工艺布局自动化程度均不高，各工艺程序之间采用传统的叉车运输、行车吊运模式，物流成本高，占地面积大，运行成本增加，整体生产成本增加，产品竞争优势不明显。

主要表现在熔炼除气和低压机之间，低压机换模流程，芯子运输及下芯过程，铸件成型后的除芯、去浇冒口毛刺等工序均成平行或并列布置，导致热处理之前的各工序之间自动化程度低，不能形成统一完整有序的生产。有多少生产多少，然后进入下一个工序，或者堆放在设备前，或者等待下一工序的设备空闲，整个车间处于无序状态。

近些年很多低压铸造机设备厂家以及研究单位适应智能制造、绿色制造的要求，积极研究开发，结合低压铸造工艺生产特点，推出低压铸造生产平台，以下芯、浇注、成型、取件冷却、振砂除芯、去浇冒口毛刺等工序组合，以机器人为中介，将各工序有机结合，完成除热处理、抛丸清理外的生产工序。此生产平台的推出，完全颠覆了传统一工序一块地的布置模式，极大节约场地面积，并完全实现过程的自动化，提供各工序的工艺数据，为生产平台的智能化奠定可靠的基本数据保障，加之生产平台的各设备自身智能化的设计，通过智能平台的建立，完全实现低压铸造从浇注到热处理前的各工序的智能化生产。

当然，要实现全部的智能化，标准化是前提，也是目前铸造行业需要转变理念而重点去面对、解决的基础工作[3]。

2 铸造设备层智能化特点

“中国制造2025”的主线是工业化和信息化的融合，把智能制造作为主攻方向。铸造作为制造基础行业，由于中国铸造业自动化集成水平发展不平衡，信息化基础相对薄弱，现阶段铸造业的智能制造还未大规模的发展起来。对于传统的铸造行业，实现国内整个行业的“智能铸造”还有一段路要走。实现“智能铸造”的基础必然要实现对铸造车间设备的数据采集与监控，实时获取车间的设备运转转台与产品生产信息。

项目以低压机智能生产岛内的各设备（低压铸造机、机械手、振砂除芯机、圆盘锯、切冒口机、打磨机）为基本单位，要求各设备提供生产中的工艺参数及处理状态，汇集到处理系统，并分析收集的数据，准确反映到下一个工序，为各工序提供准确的执行数据依据，使各工艺过程所要执行的任务、处理的产能达到匹配契合。

对各设备基本的要求是需具备包含PLC 自动化控制系统，模拟量模块与传感器网络结合，触摸屏显示，工业以太网网络接口通讯等，以便数据的采集和通讯。在低压铸造智能生产岛的设备中，需要采集的数据基本如表1 所示。

表1 低压铸造智能生产岛设备参数

3 低压铸造智能生产岛的设计

3.1 低压铸造智能生产岛的布局特点

以某飞轮壳2008 产品为例，材质ZL111，重量25kg，产能3000t/年。其产品生产工艺流程如图1 所示。

图1 生产工艺流程图

其智能生产岛包含低压铸造、下芯、取件、冷却、清砂、切浇冒口、清理毛刺飞边等工序，具体布置如图2 所示。

图2 工序布置图

根据飞轮壳模具一型一个的工艺，模具预热完成后，机械手1 从砂芯滤网倍速链上抓取砂芯放置在模型中；合型浇注完成后，机械手1 从模型中抓取铸件至冷却架，进行强制冷却，冷却好的铸件由机械手1 抓取到除芯机进行振砂除芯；振砂除芯完成后的铸件由机械手1 抓至中间平台，由机械手2 抓至圆盘锯切割浇冒口；切割浇冒口后由机械手2 抓至打磨机进行铸件的精整打磨，再由机械手2 抓至切边机进行切除飞边毛刺；最后由机械手2 抓至铸件下线位置将铸件运输至下一个工序（立库存储或热处理）。

整个生产岛根据订单信息输入，以低压铸造机为中心，设备之间达到信息的畅通和协作，各自完成对应的工作，并协调完成整个生产岛内的工序。生产过程中各设备的参数信息、产品状态信息输出给中控系统，以便数据的统计，为后续生产安排提供准确的依据。

3.2 车间其他工序和智能生产岛的智能化衔接

智能生产岛的自动化程度满足了低压铸造生产智能化的基本条件，而要实现整个车间的智能化生产，还需要其他工序、各工序之间自动化、智能化的设计和实施。

项目熔炼采用集中熔化炉，熔化后的铝水经除气、转运、换包进入低压铸造机，整个过程由自动铝水转运系统运输，此过程熔化炉的工艺参数和状态信息反馈到中控系统，自动铝水转运系统接收到指令，执行本过程的转运等操作。

项目模具更换和砂芯采用同一标高平台通过轨道运输，与铝水转运系统不交叉。

项目砂芯存储、铸件从生产岛到热处理之间设计立体库，缓存砂芯和铸件，调节生产过程中的节拍问题。中间过程设计辊道和AGV 小车运输，且立体库自身设计数字化管理系统，通过其他工序的指令和信息扫描进行输入和输出砂芯和铸件。

立体库与热处理、热处理和抛丸工序之间通过辊道小车或机械手链接，以便各工序指令的接收和数据的采集。

车间设中控室，中控室配有服务器、监控显示器和信息数据显示器，通过网络把相关信息发送到个人计算机或手机，警示和提醒自动通过邮件发送给责任人。中控系统采集熔化炉、低压浇注机、热分析仪等各设备的数据，实时监控温度、能耗、模具和设备状态，显示生产信息。设备管理包括配件出入库操作、保养和检修计划、记录查询等功能。产品管理包含工艺方案及其模拟结果、工艺文件、作业指导书、生产过程检测数据和二次检验数据等资料，通过产品编码查询到产品信息。系统具有统计分析功能，如个人效率、设备能效、熔化能耗等信息，并可进行多台设备之间的数据比较[4]。