普鋁鑄造機改造分析

何力

【摘 要】隨著我國制造業的不斷發展，鑄造行業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。本研究從現有普鋁鑄造機的結構模塊出發，根據實際生產中所發生的問題，對現有機器的鋁錠澆鑄、液壓、脫模、輸送等機構進行了全面的改造分析。經過改造后的普鋁鑄造機，其可靠性和使用壽命大幅度提高，而生產成本和能耗相應地有所降低。

【關鍵詞】普鋁鑄造機；存在的問題；改造

鋁是一種應用廣泛的金屬材料，其應用范圍涵蓋了航空航天、車輛船舶以及日常的生活用品，制造業對其的需求一直保持著穩定增長，導致對鋁鑄造生產的技術要求也越來越高。因此，如何對現有普鋁鑄造機進行改造，使其具有輕量高效、節能環保的特點，成為了行業研究的重點。同時，降低普鋁鑄造生產過程中的勞動成本和環境成本，對于鋁鑄造業的可持續發展也具有重要意義。

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、驅動等裝置組成。本節主要研究了圓盤分配器設計問題、輸送裝置的平穩性問題、打擊裝置的可靠性問題以及液壓系統的能耗問題。

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、鋁液澆嘴和撥片經過一系列加工形成整體，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，由于在設計中沒有充分考慮到形狀、材質差異對主體和撥片的熱容影響，導致分配器主體抗熱抗形變能力遠大于撥片，當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，撥片發生嚴重變形，影響分配器的使用壽命。進一步的，當撥片發生變形或者松動時，撥片的節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性較差

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，再與止鎖件構成外鏈節，內鏈板與筒套過盈配合，再與滾子構成內鏈節，銷軸與套筒相穿形成鉸鏈，內外鏈節交錯排列構成輸送鏈條。由于輸送鏈條的工作環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性很差。主要原因是空氣雜質進入滾子以后，增大了鏈條的轉動摩擦，出現可見性磨損，產生松動。更嚴重的會使輸送鏈條抖動，產生脫鏈和爬齒，進一步導致鋁錠表面產生水波紋，造成產品質量下降。據研究，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。水波紋的產生與輸送鏈條的振動有著直接關系。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致鋁錠表面水波紋的主要原因。傳統的滾子鏈嚙合時，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，產生周期性沖擊；同時，由于多邊形效應，當驅動鏈勻角速度轉動時，鏈條的運行速度也會呈現周期性變化，加強了鏈條的不穩定性；再者，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，導致液態鋁晃動，由于鑄模內的冷卻是由外而內的，導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發送到控制元件，再通過氣缸傳導到打擊臂，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重磨損。同時，高溫和振動會導致打擊氣缸密封圈泄漏，影響打擊效果；由于控制系統組件多且復雜，PLC、傳感器、電磁閥等任意一個部件損壞，都會使打擊系統發生故障，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，工廠的多個生產車間會共用空壓站，當其他生產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調整位置，使打擊位置比較固定。由于鑄模的工作溫度通常較高，結構強度下降嚴重，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的能耗過大

鑄造機液壓系統的主要作用是將電機產生的機械能轉化為流體介質的壓力能，然后通過執行元件將壓力能轉化為能夠驅動工作機構直線運動和回轉運動的機械能。在這個過程中，液壓系統主要存在有機械摩擦產生能耗、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；流量損耗主要體現在溢流損耗上，由于液壓泵的輸出壓力超出溢流閥的設定壓力時，會導致系統溢流。而當負載增大導致系統停止運行時，系統溢流會更加嚴重，此時電動機的輸出功率將完全損耗，轉化為溢流流體的熱能，從而導致油溫升高，設備使用壽命降低。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量不多，沿程壓力損失較小。由于普鋁鑄造機的工作環境較為穩定，液壓系統主要的流量和壓力損耗主要與液壓泵與系統負載的匹配不當有關，由于普鋁鑄造機具有多執行器的液壓系統，在實際應用中，液壓泵輸出與不斷變化的負載實現絕對適應匹配是無法做到的，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，導致了能量損耗。

2 普鋁鑄造機的優化改造方案

針對上述問題，結合生產經驗，本節提出了對分配器、輸送鏈條、打擊脫模裝置和液壓系統的優化設計和改造。

2.1 圓盤分配器結構的優化設計

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，當二者通過螺栓連接緊固在一起時，必定導致吸熱不均勻，主體會將多余的熱量傳導至撥片；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，導致了撥片的變形。在圓盤分配器結構的優化設計中，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至撥片，使撥片受熱形變問題得到改善；同時，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量。

2.2 輸送鏈結構的改造與維護

對鏈條的改造，首先要修正鏈輪的節距。傳統的等節距鏈條，其中心在運行時會呈現周期性變化。據研究，當鏈輪的弧節距等于鏈條的節距時，可以使鏈條的運行振動明顯降低，避免掉鏈和爬齒的發生。經這樣改造的鏈條，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，使滾子不會沖擊齒槽，從而使得嚙合過程中不產生徑向沖擊。只有當滾子完全嚙合時才開始徑向接觸，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降低振動。除了以上結構改造，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，才能有效提高穩定性。據研究，35CrMo碳合金鋼比40Cr鋼的強度更大、韌性更好，可以適應500℃的長期工作環境，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 簡化脫模裝置的執行結構和電氣控制

現有打擊裝置之所以存在諸多缺點，主要是因為其執行機構和電氣控制系統太過復雜，氣動式機構的穩定性較差，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行機構和電氣控制系統。首先簡化機械執行機構，去除氣缸氣動三聯件；去除電氣控制系統，包括PLC、傳感器和電磁閥；安裝通過齒輪傳動的機械式執行機構。這樣改造以后，機構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。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，提高了運行穩定性。同時，其不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；結構簡單，體積較小，空間利用率高；穩定性較高，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，但可以通過改變執行元件工作順序與工作時間或替換驅動裝置，來實現執行元件的工作穩定性，從而減少液壓泵的供油流量，以降低生產能耗。一般來說，普鋁鑄造機液壓系統執行元件在一個工作循環的工作順序如下：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動和制動的時間在1.5s以內；隨后引錠鉤液壓缸引進鋁錠，并進行自我復位，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，將普鋁鑄造機的節流調速系統，從現有的定量泵搭配溢流閥改造為伺服電機控制系統。采用可編程控制的伺服控制系統之后，可以節省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，使產品合格率得到提高。采用伺服電機節能、低耗、低噪生產，響應了國家節能環保生產政策，在很多地區能夠得到相應的節能補貼。

3 結語

隨著經濟的發展，我國的普鋁鑄造產能要求在不斷增加，伴隨著的是不斷積累的生產經驗。如何將二者結合，利用生產過程中所積累的經驗教訓，為普鋁鑄造機的改造、優化提供更多更好的方案，是我們生產與研究中需要注意的事情。而隨著科學技術的不斷發展和突破，材料、結構、自動化技術都在不斷進步，為改造普鋁鑄造機技術，提高生產效率和產品質量提供了機會。在此次改造中，我們不僅基于提高產品質量的思想，優化了諸如圓盤分配器的結構設計，更著眼于減少生產成本、提高生產效率，去除了一些過時的、不必要的設計，并增加了一些實用而新穎的設計，使得勞動生產率進一步提高。只要我們堅持把科學技術作為第一生產力，用先進的科技力量來改造我們的設備，我們一定能夠更好地改進普鋁鑄造技術，使我們的生產工作創造出更大的價值。

【參考文獻】

[1]張明.鋁錠鑄造機多執行元件液壓系統設計及節能研究[D].蘭州理工大學，2011.

[2]武保柱，劉光煒.鋁錠連續鑄造機的技術改進[J].中國設備工程，2011，09：25.

[責任編輯：王楠]