鑄造自硬砂造型生產(chǎn)系統(tǒng)工藝布局研究

胡昌軍

(中車齊齊合爾車輛有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161002)

鑄造自硬砂造型生產(chǎn)系統(tǒng)工藝布局研究

胡昌軍

(中車齊齊合爾車輛有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161002)

闡述了中車齊齊哈爾車輛有限公司通過對傳統(tǒng)鑄造自硬砂造型生產(chǎn)系統(tǒng)的研究，分析其存在的問題及瓶頸環(huán)節(jié)，研制出兩種新型的鑄造造型生產(chǎn)系統(tǒng)，并在實際生產(chǎn)中進行了應(yīng)用，大幅提高了鑄造造型生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，提高了產(chǎn)品品質(zhì)，并在一定程度上降低了設(shè)備購置費用和產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

單聯(lián)移動；雙聯(lián)移動；雙線平行移動；鑄造造型生產(chǎn)系統(tǒng)

目前國內(nèi)生產(chǎn)大批量鑄鋼件主要采用的造型方法是自硬砂造型線，其型砂工藝主要有酯硬化水玻璃自硬砂和樹脂自硬砂工藝；而傳統(tǒng)造型線均采用單個工位獨立運行并相互關(guān)聯(lián)的單聯(lián)移動方式的造型線。因樹脂自硬砂工藝存在發(fā)氣量大、鑄件裂紋傾向大以及環(huán)境污染等缺點，已經(jīng)逐步被酯硬化水玻璃自硬砂工藝所取代。酯硬化水玻璃砂雖然克服了樹脂自硬砂的上述缺點，但其蠕變、硬透性差及可使用時間難以有效控制等問題需要通過改變造型線的運行方式和脈動節(jié)奏來彌補。

通過對傳統(tǒng)鑄造造型生產(chǎn)系統(tǒng)的研究，分析其存在的問題及瓶頸環(huán)節(jié)，進而對其進行改進，并在實際生產(chǎn)中進行應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 單聯(lián)移動自硬砂造型線

1.1 工藝原理

單聯(lián)移動自硬砂造型線（傳統(tǒng)鑄造自硬砂造型生產(chǎn)系統(tǒng)）即以單個工位為獨立運動單元的造型線。主要包括混砂機、振實臺、機動輥道、轉(zhuǎn)運小車、翻轉(zhuǎn)起模機構(gòu)、鏈板、表干窯以及控制系統(tǒng)等部分組成，除機動輥道外其他部分均為單一設(shè)備，且設(shè)備工位都是單一工位。自放置模板至起模前，模板（帶砂箱）在機動輥道上轉(zhuǎn)運；自起模后至下芯工位，砂箱在鏈板上轉(zhuǎn)運。

在大批量鑄造生產(chǎn)的工藝選擇上，為分型方便、提高生產(chǎn)效率，分型面一般為一個分型面，鑄型由上半砂型和下半砂型組成，相應(yīng)的模具組裝底板也分為上模板組成和下模板兩個部分組成。這樣在單聯(lián)移動方式的造型線上因為所用的工位均為單一的獨立運動單元，所以運行過程中只能以半型為單位進行整個生產(chǎn)流程的運轉(zhuǎn)（見圖1）。

在該造型線上采用的型砂工藝為酯硬化水玻璃自硬砂工藝，該工藝在硬化時間、環(huán)境溫度及液料配置上的影響因素較多，需要通過改變造型線的脈動頻次以及相鄰工位和整體流程運行的連接節(jié)點的調(diào)控來消除該工藝的諸多影響因素。

1.2 現(xiàn)有技術(shù)的缺點

(1)因每個工位都是單一的獨立運動單元，每次脈動僅能行進一個工位，所以每次填砂、振實、起模等單個流程只能以半型（上型或下型）進行，生產(chǎn)效率低。

(2)當(dāng)造型線上有多個模板時，上、下型板（砂型）不易配套進行，容易造成生產(chǎn)節(jié)奏混亂。

(3)整條造型線運行節(jié)點多，故障率相對較高，維修工作量大。

(4)上、下砂型填砂時間間隔大，會造成型砂的硬化時間不一致，上、下砂型的硬度也不一致，從而影響鑄件尺寸。

(5)鏈板沒有橫向?qū)蜓b置，砂箱在轉(zhuǎn)運時容易在鏈板機上偏轉(zhuǎn)，造成設(shè)備損壞；鏈板的運行穩(wěn)定性差，在砂型硬化不充分時，易造成砂型蠕變。

(6)混砂機每半型一次放砂，造成頭砂、尾砂浪費嚴重。

2 雙聯(lián)移動自硬砂造型線

2.1 工藝原理

將整條造型線的所有關(guān)鍵工位設(shè)置為兩個相同的獨立工位（含設(shè)備）進行串聯(lián)(見圖3)，通過控制系統(tǒng)變成一個獨立的工位，從而同時完成兩個相同的工作內(nèi)容。即將兩個放砂工位、兩個振實臺、兩個翻轉(zhuǎn)起模工位分別串聯(lián)，形成單獨的放砂、振實、翻轉(zhuǎn)工位，這樣就可實現(xiàn)每兩個工位（上模板和下模板配套）為一組進行脈動。這與傳統(tǒng)的單個獨立工位的造型線相比，在相同的工作時間內(nèi)，完成2倍的工作量，大大提高工作效率的同時保證同一套模板（上、下模板）填砂、硬化的一致性（見圖2，與圖1對比）。

同時，在翻轉(zhuǎn)起模工位前增加砂箱托板自動給進工位，通過翻轉(zhuǎn)起模機進位流程調(diào)整將托板預(yù)先放置在砂箱下面，起模后由托板托住砂箱在后續(xù)工位的行進中起到導(dǎo)向和襯托型砂的作用，從而避免了砂箱和運行不穩(wěn)定造成砂型蠕變。在托板襯托砂箱通過下芯工位、自動合箱工位、過跨澆注工位后，空底板通過下層回位輥道回到自動給進工位，完成托板的自動循環(huán)。

2.2 工位組成

該造型線主要包括上砂箱工位、雙聯(lián)放砂振實工位、砂箱托板給進工位、雙聯(lián)翻轉(zhuǎn)起模工位、表干工位、刷涂工位、下芯工位、自動合箱工位、砂型過跨轉(zhuǎn)運（至澆注線）工位、砂箱托板回位工位等10個工位組成；該造型線包括一臺60 t/h連續(xù)式混砂機、一臺振實臺、2臺翻轉(zhuǎn)起模機、三臺雙聯(lián)式轉(zhuǎn)運小車、一臺下芯機器人、一臺翻轉(zhuǎn)合箱機、一臺過跨運轉(zhuǎn)車、一組托板回位機構(gòu)、數(shù)組機動輥道以及自動控制系統(tǒng)組成；通過這些設(shè)備實現(xiàn)配套模板的上、下砂型同時運動，同時完成填砂、同時翻轉(zhuǎn)起模、同時由托板帶動砂箱進行下芯合箱的工藝要求，實現(xiàn)了由一條造型線完成兩條相同型號的傳統(tǒng)單聯(lián)造型線的工作，工作效率提高一倍。

2.3 造型線解決的技術(shù)問題

雙聯(lián)移動自硬砂造型線解決了現(xiàn)有技術(shù)的缺點：

(1)該造型線所有工位都為雙聯(lián)移動方式，相當(dāng)于傳統(tǒng)造型線每兩個工位為一組進行脈動，大大提高生產(chǎn)效率。

(2)因其是雙聯(lián)移動方式，可以實現(xiàn)整型造型，即配套的上、下模板同時進入各個工藝環(huán)節(jié)，相同型號的多套模板同時在線時不易發(fā)生混淆，生產(chǎn)節(jié)奏清晰。

(3)條單聯(lián)造型線的產(chǎn)量與1條雙聯(lián)造型線的產(chǎn)量相當(dāng)，在相同產(chǎn)量的情況下，一條雙聯(lián)造型線的運行節(jié)點比2條造型線的運行節(jié)點少近一半，所以雙聯(lián)移動造型線故障頻次相對較低，維修工作量小。

(4)上、下砂型同時填砂，砂型的硬化時間一致，上、下砂型的硬度也一致，對鑄件尺寸影響較小。

(5)采用砂箱托板代替鏈板，可以通過輥道輪緣進行橫向?qū)?，砂箱在轉(zhuǎn)運時不會發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)，且輥道的運行穩(wěn)定性較好，不會因砂箱躥動造成砂型蠕變。

(6)混砂機每兩個半型一次放砂，與單聯(lián)造型線相比可以減少一次頭砂、尾砂，節(jié)約型砂。

3 雙線平行移動自硬砂造型線

3.1 工藝原理

將造型線影響生產(chǎn)效率的關(guān)鍵工位設(shè)置為兩個相同的獨立工位（含設(shè)備）進行并聯(lián)（見圖4），通過控制系統(tǒng)變成一個獨立的單元，從而同時完成兩個相同的工作內(nèi)容。即將型砂終硬化工位、翻轉(zhuǎn)起模工位、修型、涂刷、烘干、下芯、合箱工位進行并聯(lián)，這樣就可實現(xiàn)每兩個工位（上型和下型配套）為一組進行脈動。這與傳統(tǒng)的單個獨立工位的造型線相比，在相同的工作時間內(nèi)，完成2倍的工作量，大大提高工作效率（見圖5，與圖1對比）。

圖3 雙聯(lián)移動自硬砂造型線

圖4 雙線平行移動自硬砂造型線

將鑄型起模后下芯線由單工位獨立運動改為雙工位并聯(lián)運動，這樣調(diào)整后不緊提高了效率，而且使下芯工位的數(shù)量由三個增加到六個，增加了下芯操作的靈活性。

砂型在進入砂型的終硬化線之前仍采用單個工位為一個運動單元，既模樣放砂箱工位、模樣砂箱預(yù)熱工位、加砂工位、初硬化工位。由于這些工位不影響整條線的生產(chǎn)效率，因此仍采用單個工位為一個運動單元的方式。

將鑄型起模后運輸鑄型和模樣的端頭車由一臺改為兩臺。由于造型圈效率的提高和運送距離的增加（硬化線和下芯線都有一條變?yōu)閮蓷l），經(jīng)計算如果仍采用一臺端頭車已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)效率要求。其中上方的端頭車負責(zé)將起模后的鑄型運送到下芯線，下方的端頭車負責(zé)將起模后的模樣運送回造型圈。

增加上箱翻轉(zhuǎn)、通氣眼針工位。在現(xiàn)造型線中合箱操作是制約整個造型線效率的瓶頸環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的合箱效率大約為8型/h。在合箱時合箱機除進行合箱操作外，還要完成上箱的翻轉(zhuǎn)、通氣眼針操作，這種方式增加了合箱機的工作量，降底了合箱效率。在此專利中我們將上箱的翻轉(zhuǎn)、通氣眼針操作移到了合箱之前的工位上，這樣調(diào)整后減少了合箱機的工作量，提高了合箱效率。經(jīng)計算調(diào)整后合箱機可滿足12型/h的要求。

3.2 工位組成

該造型線的工位組成與雙聯(lián)移動自硬砂造型線基本相同，這里不在重述。

3.3 造型線解決的技術(shù)問題

本造型線除具體雙聯(lián)移動自硬砂造型線所述的優(yōu)點外，在調(diào)整控制系統(tǒng)和增加合箱機翻轉(zhuǎn)功能時，可只運行一條硬化線和一條下芯線，仍可完成合箱操作，使生產(chǎn)效率調(diào)整為6型／h。此時可減少一臺翻轉(zhuǎn)起模機、兩臺加熱窯（總功率在800 kW／h）、一臺機械手、部分輥道的工作及減少部分操作工人（4~5人），以降低設(shè)備的運行成本。因此當(dāng)生產(chǎn)需求量不足時，雙線平行移動自硬砂造型線的生產(chǎn)組織更加靈活，生產(chǎn)成本更低。

圖5 雙線平行移動自硬砂造型線

4 三種鑄造自硬砂造型生產(chǎn)系統(tǒng)對比分析

4.1 要求生產(chǎn)效率為12型／小時

4.1.1 占地面積分析

如果要達到同樣的12型／h的生產(chǎn)效率，傳統(tǒng)造型線的占地為82 m×26 m×2 m(4 264 m2)左右（兩條傳統(tǒng)造型線），雙聯(lián)移動自硬砂造型線要求場地在124 m×25 m(3 100 m2)左右，雙線平行移動自硬砂造型線要求場地在81 m×38 m(3 078m2)左右，從以上可以看出傳統(tǒng)造型線的占地面積最大，而其它兩種造型線的占地面積基本相同，但對場地長度和寬度的要求不同，因此如果是利用現(xiàn)有廠房，則要根據(jù)實際條件進行選擇。

4.1.2 資金投入分析

傳統(tǒng)的造型線需要購置兩條，與其它兩種造型線相比要多購置：一臺混砂機、一臺合箱機、一臺機械手及部分輥道，總費用在520萬元左右。

4.2 兩種新型鑄造自硬砂造型系統(tǒng)對比

4.2.1 對場地要求

從4.1.1中可比看出雖然兩種造型系統(tǒng)對場地的面積要求基本相同，但對場地長度和寬度要求卻有較大區(qū)別，因此在選擇時要根據(jù)廠房的實際情況進行選擇。

4.2.2 生產(chǎn)組織

雖然兩種造型線的生產(chǎn)效率都為12型／h，但雙聯(lián)移動自硬砂造型線生產(chǎn)效率一定，不能根據(jù)生產(chǎn)需求進行調(diào)整，而雙線平行移動自硬砂造型線的生產(chǎn)組織更加靈活，當(dāng)生產(chǎn)需求量不足時，可只運行一條硬化線和一條下芯線，此時生產(chǎn)效率可調(diào)整為6型／h。同時可減少一臺翻轉(zhuǎn)起模機、兩臺加熱窯（總功率在800 kW／h左右）、一臺機械手、部分輥道的工作及減少部分操作工人（4~5人），以降低設(shè)備的運行成本。由此可以看出，雙線平行移動自硬砂造型線的生產(chǎn)組織方面更加靈活。

4.3 生產(chǎn)效率為6型／小時即可滿足要求時

4.3.1 占地面積分析

從4.1.1中可經(jīng)看出，在不考慮生產(chǎn)效率時，購置一條傳統(tǒng)造型線場地占用的面積與其它兩種造型線相比占用面積要更小。

4.3.2 資金投入分析

購置一條傳統(tǒng)造型線場的購置資金與其它兩種造型線相比，可減少部分設(shè)備投入，具體包括：一臺翻轉(zhuǎn)起模機、一臺加熱窯及部分輥道，總費用在280萬元左右。

5 總 結(jié)

傳統(tǒng)的鑄造自硬砂造型生產(chǎn)系統(tǒng)在現(xiàn)有的鑄造生產(chǎn)中最為常用，我公司鑄鋼分廠的造型線比較典型；雙聯(lián)移動自硬砂造型線在牡丹江鑄造基地項目中進行了應(yīng)用，使該項目在只購置一條造型線情況下達到年產(chǎn)17 000輛／年(12型／h)的生產(chǎn)綱領(lǐng)；雙線平行移動自硬砂造型線造型系統(tǒng)在我公司重載快捷項目中進行了應(yīng)用，實現(xiàn)了12型／h的生產(chǎn)能力。

通過對以上三種鑄造造型生產(chǎn)系統(tǒng)的對比分析可以看出，在生產(chǎn)效率為6型／h既可滿足生產(chǎn)要求，且無后續(xù)擴能要求時，單聯(lián)移動自硬砂造型線應(yīng)為首選；在生產(chǎn)效率要求為12型／h，應(yīng)首先考慮兩種新型的造型生產(chǎn)系統(tǒng)；兩種新型的造型生產(chǎn)系統(tǒng)在選擇時應(yīng)根據(jù)場地的要求進行選擇，在場地都允許的情況下，由于雙線平行移動自硬砂造型線的生產(chǎn)組織更加靈活，因此其應(yīng)為首選。由于可見，在實際生產(chǎn)中，在選擇鑄造自硬砂造型生產(chǎn)系統(tǒng)時應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)效率、資金投入、場地情況和生產(chǎn)組織等方面的要求進行綜合考慮。

Research on process layout of casting self-hardening sand molding production systems

HU ChangJun
(Qiqihar Railway Rolling Stock Corporation of CRRC,Qiqihar 161002,Heilongjiang,China)

This paper describes the research on the traditional casting self-hardening sand molding production system of Qiqihar Railway Rolling Stock Corporation of CRRC. Two new kinds of molding production systems for casting have been developed and have been applied into practice after analyzing the existing problems and bottlenecks, which has contributed to the greater production effi ciency of casting molding production system and the improving quality of products .The new developed systems have also reduced the equipment purchasing cost and the production cost to some extent.

single union movement;duplex movement;parallel movement in two lines;molding production systems for casting

TG28；

A；

1006-9658（2017）02-0080-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.02.027

2016-12-17

稿件編號:1612-1616

胡昌軍（1978—），男，高級工程師，從事鑄造設(shè)備和工藝設(shè)計工作.