浅谈砂型铸造专业化生产线柔性化改进及成效.pdf

Jul．2016V01．65 NO．7 垂篙帅熹浅谈砂型铸造专业化生产线柔性化改进及成效袁树林，隋 臣，刘 鑫，郭晓东(牡丹江中车金缘铸业有限公司，黑龙江牡丹江157013)摘要：介绍了砂型铸造专业化生产线，为适应市场动态变化，进行柔性化改进的必要性及需要遵循的原则。以摇枕、侧架砂型铸造专业化生产线为例，对造型、熔炼、清理各工序生产线进行柔性化改进，并取得了较好成效，满足了多品种、各种批量的生产需求。关键词：砂型铸造；专业化；柔性化；改进；成效中图分类号：TG231．6 文献标识码：B 文章编号：1001-4977(2016)07—0673—04Improvement and Effect of Sand Casting FlexibleSpecialization Production LineY-UA_N Shu-lin SUI Chen，LIU Xin，GUO Xiao-dong(Mudanjiang CRRC Jinyuan Casting Industry Co．，Lid．，Mudanjiang 157013，Heilongjiang，China)Absll'act：To adapt to market changes，sand casting professional production line was flexibly improved,thenecessity of flexibility improvement and the principle need to follow were introduced．Taking bolster and sideflame sand casting professional production line as an example,the molding,melting,cleaning in each process ofproduction line were flexibly improved and good results were achieved,which meet the needs of variety,different batch production．I＆-y words：sand casting；specialized；flexible；improvement；effect1 铸造专业化生产与柔性化生产1．1专业化生产的特点专业化生产是集中同类产品，采用先进的专用设备、特定的工艺流程，组织大批量生产。优点是有利于提高劳动生产率和管理水平，提高质量和降低成本。弊端主要有抵抗风险能力较弱，专业化企业生产产品的类型单一，资源过于集中在某一产业，因此容易形成对某一产业市场的高度依赖，一旦该行业出现动荡或企业自身产品的竞争力减弱，企业将会面临巨大的经营风险。其次是企业如果只发展单一产业难免会使其发展空间受到限制，也会造成企业的富余资源闲置。1．2柔性化生产的特点柔性化生产是一个制造技术上的概念，针对大规模生产的弊端而提出的新型生产模式。柔性化生产包括两个方面的含义：一是“质”的柔性，即生产系统能适应不同的产品或零件的生产要求；生产系统能生产的品种越多，则生产制造的柔性越好。二是指时间上的柔性，即生产系统在不同的零件之间的转换，时间越短，生产系统的柔性越强【”。它的特点是能适应多品种，中小批量(包括单件产品)的生产；有利于提高企业快速反应能力，缩短新产品开发及推向市场的周期，提高产品技术含量；对顾客需求迅速作出反应，适应市场经济需要；有利于提高企业技术装备水平，改进工艺手段，提高产品制造质量【11。1．3铸造专业化生产进行柔性化改进的必要性目前批量生产时代逐渐被适应市场动态变化的生产所替换，专业化生产难以应付多品种，中小批量的生产。铸造企业传统的大批量生产模式是为了追求规模经济效益，必须保证较大的产量。但是，当今铸件市场已经进入饱和期，大批量生产模式必然出现成品和半成品大量积压，降低了资金利用效率。传统的少品种生产模式不适应时代发展要求。过去的市场特征是生产导向，现代的市场特征是需求导向。由于铸件采购商需求的多样性，铸造企业若不及时调整思路，必然会离市场愈来愈远，这是非常危险的。铸造专业化生产企业要生存，要做大做强，必须进行柔性化改进。1．4铸造专业化生产柔性化改进应遵循的原则能与企业原有设备、设施配套，形成体系，避免收稿日期：2016--05—11收到初稿，2016--06-06收到修订稿。作者简介：袁树林(1977一)，男，工程师，主要从事铸钢、铸铁件生产过程中的工艺设计、指导及质量管理等方面的工作。电话：0453-8968869，E·mail：YUANSHULIN940023@163．com万方数据FOUNDRYJul．2016V01．65 No．7重复引进投资。有利于降低铸造能源、资源消耗以及污染物排放，实现铸造的清洁生产、绿色生产。具有一定的先进性和前瞻性【”，即要满足当前的制造要求，又要能适应企业未来几年内的新产品开发的需要。2专业化生产线柔性化改进及应用以摇枕、侧架砂型铸造专业化生产线为例，因受设备、工装的制约只能生产重量在300～1 000 kg的铸钢件，由于煤炭、钢铁、矿石等大宗货物运输需求断崖式下滑，导致铁路货车配件市场严重萎缩，订单不足，企业开始转型，承揽了一些单重3～5 t的铸铁件，质量高端的铸件(如高铁件、风电、核电件等)，单重10～50堍左右的小件，但从造型、制芯、浇注、热处理等关键工序的设备、设施来看，根本满足不了这些产品的生产及质量要求，只能进行柔性化改进，解决上述瓶颈工序，才能使这些产品在生产线上生产，以较低的成本，生产出高标准、高质量的铸件。2．1 造型、制芯工序柔性化改进及应用造型线由1台100t双臂连续式混砂机、2个震实台、双工位自动翻转起模机、2台砂型烘干窑、1台对中翻转机、1台全自动合箱机、2条干法型砂再生线及砂压送系统等设备组成。制芯线由1台20 t连续式混砂机、1个翻转合芯机、2台砂芯烘干窑、智能芯库等设备组成。还配置了两台四导柱75 L水平射芯机。2．1．1 造型混砂系统改进为双功能混砂系统针对单重3～5 t的铸铁件，其尺寸精度要求较高，表面要求光洁平整，采用呋喃树脂砂工艺生产。因造型工序只有1台双臂连续式混砂机，平时只混酯硬化水玻璃砂。采取在混砂机现有型砂、液料控制及输送系统的基础上，增加了1个储砂罐、2个液料罐及l套液料输送系统及管路，将混砂机中的一个控制程序设置为呋喃树脂砂控制程序，共用一个绞龙进行混砂，实现了既能混酯硬化水玻璃砂，又能混呋喃树脂砂，而且随时能够切换，混砂前需先将绞龙空运转几分钟，将粘附在绞龙上的少量型砂清理掉，再进行混砂，实现了铸铁件与铸钢件同线造型生产。充分发挥了该条造型线的生产效率，保证了铸件质量的稳定性。同时给混砂机配备了自动温控装置，随时根据厂房气温变化来自动调节快慢固化剂的加入比例，从而保证了型砂质量的稳定性。将现有的两条干法型砂再生线设置成分别再生酯硬化水玻璃砂及呋喃树脂砂，铸铁件与铸钢件落砂时分别在衔接两条砂再生线前对应的落砂机上落砂，使两种旧砂分别进入对应的再生线按相应的再生工艺进行再生，通过各自独立的输送系统发送到对应的混砂机储砂罐，使旧砂重复利用，实现了以较低的成本生产铸件，又达到了国家环保要求。该方案还能使混砂机实现同机混制更多不同种类液料，丰富了造型手段，使该造型线具备了稳定、快捷、灵活、高效等多项优势。2．1．2小造型底板组合在通用造型底板上造型针对单重较轻的小件，制作一些标准的小造型底板，先将不同品种的小件模具固定在小造型底板，生产时将多块小造型底板通过定位销分别准确固定在通用造型底板上，借用通用的砂箱，在生产线上生产。当某一个产品没有生产任务时，将该产品的小造型底板在通用底板上拆除，更换有生产任务产品的底板。既保证了产品生产时模具能快速灵活转换，又保证了产品轮廓尺寸精度。2．1．3采用盒内挤压锁芯成形工艺制作复杂砂芯针对一些高端的铸件，采用手工制芯方式生产复杂砂芯，难以满足产品质量要求，而且生产效率较低。将手工制芯方式改为盒内挤压锁芯成形工艺制芯线上生产。该工艺是依据射芯工艺的生产原理，采用先填砂后合模，利用尚未硬化的下半芯盒内芯砂液料的粘性，并通过自动合芯机将上下芯盒内芯砂相互挤压，利用锁芯销锁紧。大大提高了复杂砂芯生产效率，使铸件实现了内腔无披缝、无台阶，提高了铸件壁厚的尺寸精度，大幅减少了砂眼和芯撑熔合不良等铸造缺陷(图1)，大幅度提高了铸件使用寿命。并利用智能化仓库储存复杂砂芯，通过集成化的管理和监控系统对仓库进行动态的管理与调度，实现砂芯全过程信息采集、跟踪，充分发挥了砂芯快速运转、储存量大、空间利用率大、效率高等优势。圈1整体芯Fig．1 Integrated core2．1．4射芯机生产多品种水玻璃砂芯四导柱75L水平射芯机采用CO：硬化水玻璃砂工艺，原只生产侧架的中央方框承台一体芯(专机)，受射砂桶、吹气板、射砂板高度尺寸的影响，无法生产其他产品的砂芯。针对小于100 kg的部分水玻璃砂砂芯，制作了与芯盒配套的射砂桶、吹气板、射砂板。在进行芯盒更换时，同时对应更换射砂桶、吹气板、射砂板，使其能满足多品种水玻璃砂芯的生产要求。射芯机的改进既提高了生产效率，又保证了砂芯质量万方数据铸造 袁树林等：浅谈砂型铸造专业化生产线柔性化改进及成效 ·675·及产品质量。2．1．5采用机器人自动下复杂砂芯针对一些高端铸件中的复杂砂芯，采用人工下芯，受人为因素影响较大，尺寸精度不容易保证，而且还容易出现掉砂、砂眼等诸多铸造缺陷，很难保证长期的质量稳定。所以由人工下芯改为机器人自动下芯。使用机器人自动识别、扫描定位及抓取砂芯，无人工干预地完成下芯。下芯过程平稳、准确、流畅，可长期保证产品质量的高稳定；而且机器人下芯还具有占地面积小、工艺装备改动量小、下芯精度高等优点。针对不同产品的复杂砂芯，只要在同一机器人上安装配套合适的“卡爪”，设置相应的程序就能实现机器人自动下芯(图2)。㈣2 杉L器人r。巴：Fig．2 Robot in core setting2．2熔炼、浇注工序柔性化改进及应用熔炼、浇注工序由1台30tEBT偏心底电弧炉、1台LF钢包精炼炉、2台双线喂丝机、2套热装塞杆系统、4条浇注线等设备组成。针对单重较轻的小件，采用热装塞杆底注式浇注系统，30朔包浇注，后期钢液温度根本满足不了浇注要求。通过改进钢包砌筑工艺、完善精炼各阶段吹氩工艺、合理控制精炼渣量、加钢包盖等措施，将浇注过程中整包钢液每分钟降温由原来的0．9℃降低到O．5℃以下，整包浇注时间可达到80 min以上，为单重较轻的小件浇注创造了条件。生产小件时采取与同钢种的大件配炉浇注。大件产品一般采用两端同时浇注工艺，原采用钢包底部挂浇口箱的浇注方式进行浇注，通过天车的上下、前后、左右六个方向，将浇口箱和两侧的浇口杯对正，需要人工进行扶持，操作者受到高温钢液辐射，同时还容易被烫伤，并且耗时废力，也很难保证浇注后期的钢液温度。通过设计一套简易轨道浇注机(图3)，将浇口箱安放在轨道浇注机上在连续式浇注线浇注，浇注机沿着浇注线轨道前后移动，天车也只需要沿着一个方向运动即可，既方便快捷，又省时、省力，节省近一半的浇注时间，为小件浇注及浇注后期钢液温度控制创造了条件。轨道浇注机上带有滚轴，可以根据所要浇注的不同种类的产品和砂箱高度来确定不同的高度，通过调整滚轴高度，来浇注各种两端同时浇注的铸件。改进后，不仅满足了大、中、小件产品的浇注，而且解决了浇注后期铸件产生浇不足、冷隔等铸造缺陷。劁3轨遭浇汪机浇汪Fig．3 Rail pounng machine2．3清理工序柔性化改进及应用清理工序由4台震动落砂机、19台水力清砂机、2条清理线、2条悬挂式连续热处理生产线、1台电加热台车式回火炉、2台4工位16抛头抛丸机、4台双工位整体探伤机、1条喷漆线等设备组成。充分利用主、副组合吊具及多钩吊具进行连续式热处理。连续式热处理生产线(图4)设有加热区、保温区、冷却区，凭借积放推式悬链系统将铸件送到指定位置，在控温方面采用双芯热电偶控温，整条生产线除上件、卸件两个工位需要人工操作，其余全部可以实现自动运行。因原来只生产摇枕侧架，摇枕侧架热处理吊具都是整体吊具，而且吊具不通用。根据复杂多样的市场产品，将热处理吊具改进为主、副组合吊具，根据不同的产品种类随时更换副吊具，避免热处理时空车运行；并保证同一熔炼炉次的铸件集中连续热处理，为产品同炉同窑同交验奠定基础。同时还设计了多钩热处理吊具，既可以挂多件小件产品，又可以挂大件。挂大件时每个吊钩可以有效分散由工件施加的压力，从而大大提高多钩热处理吊具的使用寿图4连续式热处理牛产线Fig．4 Continuous heat treatment production line万方数据FOUNDRYJul．2016VOI_65 No．7命，减少了热处理吊具发生断裂的几率，此外，即使在至少两个吊钩中有一个发生了断裂，还有其他的吊钩可以勾住工件，防止工件掉入热处理炉中。使连续式热处理生产线完全能适应多品种、各种批量的生产方式；生产效率进一步提高，能耗进一步降低，生产的铸件力学性能更稳定，金相组织更均匀(图5)，有效地提高了实物质量。3结束语通过对关键工序设备、设施的改进，使该生产线具备了能生产多品种、各种批量产品的能力，使生产铸件最小重量达到10 kg，最大重量达到5 t以上。造型方法由原来只使用酯硬化水玻璃砂，扩展到多种液料型砂造型，丰富了造型手段。而且能够实现自动化生产线生产，由原来只能生产铸钢件扩展到可同线生产铸铁件。下一步还将根据承揽的各种市场产品要求，继续改进设备、设施，以满足市场产品的生产及质量要求，进一步拓宽国内、国际市场。参考文献：【l】赵代福．铸造企业实施柔性管理存在的问题及对策探讨[c]／／重庆重庆市铸造年会论文集，2009．图5均匀的正火组织 (编辑：刘冬梅，ldm@foundDavorld．tom)Fig．5 The homogeneous normalized structure·+-+-+—+-+-+—+—卜一+·+-+—+．一+-+-+·+一+—+_一+·+-+-+-+-+-+-+-+-+·+-+-+-+-+-+-+‘+-+。+。+-+。+。—卜。+。■’。—．-‘’—+．。—+一。■’’新型铝合金更耐热还可让铈变废为宝美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员与合作伙伴劳伦斯利弗莫尔国家实验室、威斯康星州的EekT_业公司合作开发了一种新型铝合金，比现有产品实用性好且更耐高温。更为重要的是，这种含有铈的铝合金有可能极大提高美国稀土的产量。铈是一种稀土元素，可与铝形成金属问化合物，其熔点超过1 000 oC。铝一铈系合金非常适合用于内燃机发动机，测试表明该系列合金可以在300 oC环境下稳定工作。铝一铈合金的可铸性与铝一硅系合金相当，非常易于加工，金属间化合物的稳定性消除了许多热处理环节。研究人员还指出，由于铝合金的广泛应用，铝一铈合金的发现将启动并快速推进铈稀土元素产业的发展，据初步估算，即使按1％的添加量，每年对铈的市场需求亦可达到3 000 t。橡树岭国家实验室的科学家ZaehSims、Michael Mc Guire和Orlando Rios与来自EekT业公司、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、爱荷华州的埃姆斯实验室的同事们在一篇文章中探讨了铝铈合金的技术和经济可行性，该论文发表在矿物、金属和材料协会的出版物JOM上。稀土是一组对电子器件、可替代能源和其他现代技术非常重要的元素。例如，现代的风力发电和混合动力汽车对由稀土元素钕和镝制造的强大的永磁铁非常依赖。然而，在现在的北美并没有进行稀土的生产。其中一个问题是，包括美国的稀土矿在内，铈含量高达稀土含量一半以上，但是稀土生产商很难找到铈矿的应用市场。事实上，在美国最常见的稀土矿，铈的含量是钕含量的3倍以上、镝含量的500倍以上。与传统的铝合金相比，铝铈合金具有成本低、可铸造性高、热处理需求低和高温稳定性好。Eck q-_业公司工程研究和开发的副总裁David Weiss表示： “大多数具有卓越性能的合金很难浇注，但铝铈合金具备优异的性能，且其铸造特性与铝硅合金相差无几。”合金的高温性能的关键是形成一种特殊的铝一铈化合物，即金属间化合物，当合金熔化和铸造的时候，该化合物才在合金内部形成。这种金属问化合物只有在华氏2 000度以上才融化。Rios指出，铝铈合金的耐热性应用在内燃机上是非常有吸引力的。试验表明，新型合金在300℃(572华氏度)时会保持稳定状态，而传统合金在这一温度开始崩解。此外，金属间化合物的稳定性有时可以免除铝合金通常需要的热处理工序。铝铈合金通过提高运行温度来直接提高发动机燃油效率，也可以通过用轻型铝基组件或用铝合金来替代铸铁部件从而减轻发动机的重量来间接提高燃油效率，如气缸体、变速箱和气缸盖。这个团队在传统的砂型中铸造了原型飞机的汽缸盖；也在3D打印的砂型中为一个化石燃料驱动的发电机铸造了全功能汽缸盖。橡树岭国家实验室美国交通运输研究中心这一史无前例的示范引导一个发动机试验获得了成功，即证明了这种发动机能进行温度超过600℃的排气。橡树岭国家实验室的物理学家Zachary Sims介绍说： “3D打印的模型通常很难被填充满，但有着卓越铸造特性的铝铈合金是个例外。”(来源：中国有色网)万方数据