普鋁鑄造機改造分析

1、    普鋁鑄造機改造分析    何力【摘 要】隨著我國制造業(yè)的不斷發(fā)展，鑄造行業(yè)的裝備水平不斷提高，但鋁錠鑄造裝備和國際先進水平還存在著一定的差距。本研究從現(xiàn)有普鋁鑄造機的結(jié)構(gòu)模塊出發(fā)，根據(jù)實際生產(chǎn)中所發(fā)生的問題，對現(xiàn)有機器的鋁錠澆鑄、液壓、脫模、輸送等機構(gòu)進行了全面的改造分析。經(jīng)過改造后的普鋁鑄造機，其可靠性和使用壽命大幅度提高，而生產(chǎn)成本和能耗相應(yīng)地有所降低。【關(guān)鍵詞】普鋁鑄造機；存在的問題；改造鋁是一種應(yīng)用廣泛的金屬材料，其應(yīng)用范圍涵蓋了航空航天、車輛船舶以及日常的生活用品，制造業(yè)對其的需求一直保持著穩(wěn)定增長，導(dǎo)致對鋁鑄造生產(chǎn)的技術(shù)要求也越來越高

2、。因此，如何對現(xiàn)有普鋁鑄造機進行改造，使其具有輕量高效、節(jié)能環(huán)保的特點，成為了行業(yè)研究的重點。同時，降低普鋁鑄造生產(chǎn)過程中的勞動成本和環(huán)境成本，對于鋁鑄造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義。1 普鋁鑄造機目前存在的問題普鋁鑄造機一般由圓盤分配器、船型溜槽、鏈條輸送裝置、打擊脫模裝置以及冷卻、驅(qū)動等裝置組成。本節(jié)主要研究了圓盤分配器設(shè)計問題、輸送裝置的平穩(wěn)性問題、打擊裝置的可靠性問題以及液壓系統(tǒng)的能耗問題。1.1 圓盤分配器的使用壽命短且鋁液分配不均勻普鋁鑄造機中，將鋁液均勻分配到鑄模中的部件稱為鋁液分配器，又叫圓盤分配器。一般情況下，圓盤分配器由鑄鐵鑄出的主體、支撐筋、鋁液澆嘴和撥片經(jīng)過一系列加工形

3、成整體，再進行安裝。圓盤分配器工作時，通過撥片和鑄模摩擦，以控制分配器澆嘴和鑄模一致運行，保證鋁液的均勻分配。然而，在實際生產(chǎn)中，由于高溫鋁液會進入分配器間隙，造成圓盤分配器使用壽命縮短。例如，由于在設(shè)計中沒有充分考慮到形狀、材質(zhì)差異對主體和撥片的熱容影響，導(dǎo)致分配器主體抗熱抗形變能力遠大于撥片，當(dāng)高溫鋁液進入分配器主體與撥片之間的間隙并冷卻膨脹時，撥片發(fā)生嚴重變形，影響分配器的使用壽命。進一步的，當(dāng)撥片發(fā)生變形或者松動時，撥片的節(jié)距的準確性受到影響，使得其不能帶動分配器與鑄模同步運行，使鋁液澆嘴不能將鋁液均勻地分配到每一片鑄模當(dāng)中，后果是鑄造的鋁錠大小不均勻。1.2 鏈條輸送裝置的平穩(wěn)性較差

4、鏈條輸送裝置在普鋁鑄造的過程中，主要起到運輸鑄模的作用。鋁液通過溜槽澆鑄到鑄模中，通過鏈條輸送后，經(jīng)打擊脫模后堆垛。通常情況下，鋁錠輸送鏈由外鏈板與銷軸過盈配合，再與止鎖件構(gòu)成外鏈節(jié)，內(nèi)鏈板與筒套過盈配合，再與滾子構(gòu)成內(nèi)鏈節(jié)，銷軸與套筒相穿形成鉸鏈，內(nèi)外鏈節(jié)交錯排列構(gòu)成輸送鏈條。由于輸送鏈條的工作環(huán)境中存在鑄模傳熱和鋁液的熱輻射，并且空氣中存在的粉塵和水蒸氣使得工作環(huán)境極為惡劣，輸送鏈條前后溫差較大，潤滑狀況不理想，使得鏈條輸送的平穩(wěn)性很差。主要原因是空氣雜質(zhì)進入滾子以后，增大了鏈條的轉(zhuǎn)動摩擦，出現(xiàn)可見性磨損，產(chǎn)生松動。更嚴重的會使輸送鏈條抖動，產(chǎn)生脫鏈和爬齒，進一步導(dǎo)致鋁錠表面產(chǎn)生水波紋，造

5、成產(chǎn)品質(zhì)量下降。據(jù)研究，常見鋁錠表面波紋存在同心圓狀、兩端溝槽狀和泡狀波紋三種。通常情況下這三種波紋同時存在，前兩種波紋問題都可以通過其他方式改進，而第三種波紋的影響最為嚴重，主要通過對鏈條的改造來進行解決。水波紋的產(chǎn)生與輸送鏈條的振動有著直接關(guān)系。一般來說，輸送鏈條的振動形式分為滾子的徑向變形振動、橫向振動與縱向振動、鏈輪的軸向與徑向振動。其中最后一種振動是導(dǎo)致鋁錠表面水波紋的主要原因。傳統(tǒng)的滾子鏈嚙合時，后嚙合的滾子沿著先嚙合滾子的中心圓弧嚙入，在滾子與鏈輪底部接觸時，產(chǎn)生周期性沖擊；同時，由于多邊形效應(yīng)，當(dāng)驅(qū)動鏈勻角速度轉(zhuǎn)動時，鏈條的運行速度也會呈現(xiàn)周期性變化，加強了鏈條的不穩(wěn)定性；再者

6、，由于鏈條傳動速度的周期性變化將影響傳動的均勻和同步，引起鑄模振動，導(dǎo)致液態(tài)鋁晃動，由于鑄模內(nèi)的冷卻是由外而內(nèi)的，導(dǎo)致了邊緣先凝固成型，剩余鋁液依次凝固，在中心形成溝槽。1.3 打擊脫模裝置的可靠性較低現(xiàn)有普鋁鑄造機的打擊脫模裝置多采用氣動式打擊，其主要由氣缸、支撐軸、打擊頭和電磁換向閥構(gòu)成。工作方式為壓縮空氣推動氣缸活塞伸縮，帶動與支撐軸相連的打擊頭擊打鑄模，使鋁錠與鑄模分離，并通過電磁換向閥使得打擊裝置周期性運作。而這樣的打擊裝置存在許多缺點：氣動式打擊采用電磁換向閥控制，其控制指令通過plc發(fā)送到控制元件，再通過氣缸傳導(dǎo)到打擊臂，完成一次打擊。由于打擊動作頻率較高，會使得其中的機械部件嚴

7、重磨損。同時，高溫和振動會導(dǎo)致打擊氣缸密封圈泄漏，影響打擊效果；由于控制系統(tǒng)組件多且復(fù)雜，plc、傳感器、電磁閥等任意一個部件損壞，都會使打擊系統(tǒng)發(fā)生故障，可靠性嚴重降低；剛性打擊使得打擊臂斷裂、支撐軸和連接軸磨損以及油霧器、自動排污器故障，減少打擊部件的使用壽命；壓縮空氣壓力會影響打擊效果：一般情況下，工廠的多個生產(chǎn)車間會共用空壓站，當(dāng)其他生產(chǎn)車間處于用氣高峰時，會造成打擊脫模裝置的空氣壓力減小，打擊效果不理想，反之會加大打擊力度，使打擊裝置受損，并間接影響了鑄模的使用壽命；同時，由于氣動打擊裝置在鑄造機的安裝位置受限，使其只能在鑄造機兩側(cè)調(diào)整位置，使打擊位置比較固定。由于鑄模的工作溫度通常

8、較高，結(jié)構(gòu)強度下降嚴重，較為集中的打擊會使加速鑄模的損壞。通常情況下，打擊頭會首先磨損鑄模邊緣，隨后打擊形成凹槽，最后導(dǎo)致鑄模開裂。這樣不僅縮短了鑄模的使用壽命，還造成了安全隱患。1.4 普鋁鑄造機液壓系統(tǒng)的能耗過大鑄造機液壓系統(tǒng)的主要作用是將電機產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為流體介質(zhì)的壓力能，然后通過執(zhí)行元件將壓力能轉(zhuǎn)化為能夠驅(qū)動工作機構(gòu)直線運動和回轉(zhuǎn)運動的機械能。在這個過程中，液壓系統(tǒng)主要存在有機械摩擦產(chǎn)生能耗、流體流量損耗、匹配損耗以及壓力損耗。機械摩擦能耗主要存在于液壓缸活塞摩擦、液壓泵和馬達摩擦，這樣的能耗一般來說不可避免；流量損耗主要體現(xiàn)在溢流損耗上，由于液壓泵的輸出壓力超出溢流閥的設(shè)定壓力時

9、，會導(dǎo)致系統(tǒng)溢流。而當(dāng)負載增大導(dǎo)致系統(tǒng)停止運行時，系統(tǒng)溢流會更加嚴重，此時電動機的輸出功率將完全損耗，轉(zhuǎn)化為溢流流體的熱能，從而導(dǎo)致油溫升高，設(shè)備使用壽命降低。除了溢流閥的流量損失以外，液壓油泄漏也是流量損耗的原因之一；壓力損耗是指流體流動時，為了克服阻力而消耗的能量，而由于普鋁鑄造機的等截面直管數(shù)量不多，沿程壓力損失較小。由于普鋁鑄造機的工作環(huán)境較為穩(wěn)定，液壓系統(tǒng)主要的流量和壓力損耗主要與液壓泵與系統(tǒng)負載的匹配不當(dāng)有關(guān)，由于普鋁鑄造機具有多執(zhí)行器的液壓系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中，液壓泵輸出與不斷變化的負載實現(xiàn)絕對適應(yīng)匹配是無法做到的，液壓泵所提供的壓力和流量往往高于實際實時負載的需求，導(dǎo)致了能量損耗

10、。 2 普鋁鑄造機的優(yōu)化改造方案針對上述問題，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗，本節(jié)提出了對分配器、輸送鏈條、打擊脫模裝置和液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和改造。2.1 圓盤分配器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計大部分普鋁鑄造機的圓盤分配器主體由厚重的鑄鐵鑄造而成，而撥片的材料采用輕薄的碳素鋼，當(dāng)二者通過螺栓連接緊固在一起時，必定導(dǎo)致吸熱不均勻，主體會將多余的熱量傳導(dǎo)至撥片；同時，由于高溫鋁液直接進入主體與撥片的間隙并冷卻膨脹，導(dǎo)致了撥片的變形。在圓盤分配器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，將撥片的位置遠離主體至20cm并固定，同時使用擋圈將主體固定。采用這樣的改進以后，撥片與主體之間不再連接，主體的熱量不能直接傳導(dǎo)至撥片，使撥片受熱形變問題得到改善；同時，

11、由于撥片與主體之間有了較大的距離，使得撥片不再直接接觸高溫鋁液，較好地解決了由于高溫鋁液膨脹而帶來的撥片膨脹問題。由于撥片使用壽命的延長和穩(wěn)定性增加，使鋁液分配的均勻性得到較大改善，進一步提高了鋁錠鑄造的質(zhì)量。2.2 輸送鏈結(jié)構(gòu)的改造與維護對鏈條的改造，首先要修正鏈輪的節(jié)距。傳統(tǒng)的等節(jié)距鏈條，其中心在運行時會呈現(xiàn)周期性變化。據(jù)研究，當(dāng)鏈輪的弧節(jié)距等于鏈條的節(jié)距時，可以使鏈條的運行振動明顯降低，避免掉鏈和爬齒的發(fā)生。經(jīng)這樣改造的鏈條，一方面可以減小輸送裝置的橫向振動，另一方面，由于滾子和鏈輪齒槽底部之間存在間隙，使?jié)L子不會沖擊齒槽，從而使得嚙合過程中不產(chǎn)生徑向沖擊。只有當(dāng)滾子完全嚙合時才開始徑向

12、接觸，使得切向和徑向的沖擊錯開，降低了鏈條的振動；同時我們通過修正鏈輪齒形，可以減小嚙合壓力角，從而降低嚙合時的沖擊速度。具體來說嚙合壓力角越小，傳動效率越高，但機械強度越低，建議采用14.5或15°壓力角，以更好地降低沖擊能量，減小振動；另外，還可以通過增大齒溝的圓弧半徑來實現(xiàn)降低振動。除了以上結(jié)構(gòu)改造，在鏈條材料的選擇上，要保證材料的耐磨、耐疲勞，與其他元件匹配，才能有效提高穩(wěn)定性。據(jù)研究，35crmo碳合金鋼比40cr鋼的強度更大、韌性更好，可以適應(yīng)500的長期工作環(huán)境，適合用作銷軸的材料；套筒的材料采用20crmo合金鋼，可有效提高鏈條的磨損壽命和抗沖擊能力。2.3 簡化脫模

13、裝置的執(zhí)行結(jié)構(gòu)和電氣控制現(xiàn)有打擊裝置之所以存在諸多缺點，主要是因為其執(zhí)行機構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)太過復(fù)雜，氣動式機構(gòu)的穩(wěn)定性較差，造成了較高的故障率。因此，對其的改造主要著重于簡化脫模裝置的執(zhí)行機構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)。首先簡化機械執(zhí)行機構(gòu)，去除氣缸氣動三聯(lián)件；去除電氣控制系統(tǒng)，包括plc、傳感器和電磁閥；安裝通過齒輪傳動的機械式執(zhí)行機構(gòu)。這樣改造以后，機構(gòu)通過鑄造機運行帶動了鑄模和傳動臂進行同步運行，傳動臂進一步帶動主動軸上的主動齒輪，進而帶動從動齒輪運轉(zhuǎn)。從動齒輪會通過平鍵的扭矩帶動從動軸，使與之相連的兩根打擊臂與鑄模同步運行。這樣的打擊裝置去掉了原來的氣動和電氣控制系統(tǒng)，提高了運行穩(wěn)定性。同時，其不

14、再需要額外的動力裝置，只需通過鑄造機動力帶動打擊裝置；結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，空間利用率高；穩(wěn)定性較高，能夠提供恒定的打擊力；彈簧鋼板改造的打擊臂有一定的緩沖作用，減少對鑄模的損耗，從而降低故障率。2.4 液壓元件的執(zhí)行順序與動力源改造雖然無法做到液壓泵的輸出與負載的絕對匹配，但可以通過改變執(zhí)行元件工作順序與工作時間或替換驅(qū)動裝置，來實現(xiàn)執(zhí)行元件的工作穩(wěn)定性，從而減少液壓泵的供油流量，以降低生產(chǎn)能耗。一般來說，普鋁鑄造機液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件在一個工作循環(huán)的工作順序如下：冷運輸機的液壓馬達做間歇運動，在4.5s的工作周期中，要求液壓馬達完成轉(zhuǎn)動和制動的時間在1.5s以內(nèi)；隨后引錠鉤液壓缸引進鋁錠，并進行

15、自我復(fù)位，此過程用時1.5s；小車上行夾起鋁錠消耗流量，下行不消耗；小車水平移動時，接通電液比例閥，液壓缸左腔進油，耗時4.5s；夾具上升復(fù)位時，電液比例閥再次接通，右腔進油，小車后退，耗時4.5s。在這樣的順序下，最大流量和最小流量差異過大，由于溢流導(dǎo)致的流量損耗加大。對于這樣的問題，我們既可以延后后層夾具放下和升起時間，同時縮短小車后退時間以使得最大最小流量差異減少，以降低液壓泵的供油流量；另外，我們還可以將小車的液壓馬達替換為伺服電機。伺服電機是永磁同步型交流電機，相比于液壓馬達，它具有精度高、響應(yīng)快等特點，可以很好地保證小車運行的可靠性。同時，為了使流量泵和負載更加匹配，將普鋁鑄造機的

16、節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，從現(xiàn)有的定量泵搭配溢流閥改造為伺服電機控制系統(tǒng)。采用可編程控制的伺服控制系統(tǒng)之后，可以節(jié)省45%到85%的電力，有效降低油溫并減少冷卻水的使用。由于壓力控制精度的提高，使產(chǎn)品合格率得到提高。采用伺服電機節(jié)能、低耗、低噪生產(chǎn)，響應(yīng)了國家節(jié)能環(huán)保生產(chǎn)政策，在很多地區(qū)能夠得到相應(yīng)的節(jié)能補貼。3 結(jié)語隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國的普鋁鑄造產(chǎn)能要求在不斷增加，伴隨著的是不斷積累的生產(chǎn)經(jīng)驗。如何將二者結(jié)合，利用生產(chǎn)過程中所積累的經(jīng)驗教訓(xùn)，為普鋁鑄造機的改造、優(yōu)化提供更多更好的方案，是我們生產(chǎn)與研究中需要注意的事情。而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和突破，材料、結(jié)構(gòu)、自動化技術(shù)都在不斷進步，為改造普鋁鑄造機技術(shù)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提供了機會。在此次改造中，我們不僅基于提高產(chǎn)品質(zhì)量的思想，優(yōu)