集裝箱角件后處理設備的應用

隋世城，杜佳慧，詹德林

（1.諸城萬通鑄造裝備工程有限公司，山東諸城 262202；2.廣東富華鑄鍛有限公司，廣東江門 529147）

1 項目概述

集裝箱（container）是具有一定強度、剛度和規格的大型裝貨容器。標準化的集裝箱在運輸中具有通用性和互換性，同時又提高集裝箱運輸的安全性和經濟性，促進國際集裝箱聯運的發展。

集裝箱角件（Container corner）是鑄造產品，在集裝箱的起吊、搬運、固定、堆碼作業中起著關鍵作用。箱體所承受的作用力全是通過角件來傳遞的。作為集裝箱的最外緣，角件還起著保護整個箱體的作用。一個標準集裝箱需要8 個角件，見圖1。

廣東富華鑄鍛有限公司是商用車底盤以及集裝箱零部件的專業制造商，新建11 車間專門生產集裝箱角件。

2 產品分析

2.1 角件的結構

外形尺寸：178 mm×162 mm×118mm；內孔尺寸：124 mm×63.5mm；材質：鑄鋼ZG16Mn；重量：11kg。

圖1 集裝箱角件

2.2 角件技術要求

角件孔形、孔位、壁厚和外形尺寸符合標準GB/T1835-2006 的規定[1]，外形尺寸為:mm×mm。角件的表面不應有裂紋、縮孔、冷隔、粘砂、夾渣等缺陷。內腔之生產廠標記、爐號、方位標記清晰。角件的表面需要進行拋丸處理。化學成分如表1 所示,力學性能如表2 所示。熱處理采用正火或正火+回火處理。采用超聲波探傷或射線探傷檢查內部缺陷，每爐批次取一件作無損探傷。

表1 化學成分 ωB/%

表2 力學性能

2.3 工藝要求

對每一爐次取樣進行化學成分分析；角件熱處理后每爐取樣進行X 光探傷；每爐進行機械性能試驗。

3 后處理車間角件處理工藝

后處理車間從造型線的落砂機開始，經過機械手上件、冷卻與緩存、一次拋丸清理、澆冒口分離、澆冒口輸送、熱處理、鑄件檢驗、智能分揀、二次拋丸清理、機加工、三次拋丸清理、浸漆、包裝等工序，后處理線做到鑄件不落地，自動化程度高。后處理工藝流程圖見圖2。

4 后處理車間設備配置

4.1 機械手上件

4.1.1 角件掛件方案

角件一箱8 件，中間澆冒口連接，材質為鑄鋼，經過落砂機后的澆冒口不會分離。采用整體吊掛進行冷卻、拋丸處理，然后再進行澆冒口分離工藝，見圖3。

4.1.2 機械手上件

角件經過落砂機后的溫度為600～700℃，采用機械手上件，如圖4 所示。積放鏈冷卻的上件位置設有吊具旋轉機構，裝一組件后旋轉90°，上下交錯放件，一個吊鉤放4 組角件，上件完成后自動放行。

4.2 積放鏈冷卻緩存輸送

4.2.1 角件冷卻

角件采用積放鏈冷卻儲存，冷卻鏈放在車間外輔跨二層。不占主車間面積，冷卻效果好，冷卻時間4h 以上。

4.2.2 角件緩存

在角件積放鏈冷卻儲存系統當中設有二道緩存區域，緩存時間2h。當后續設備故障時啟動緩存系統，吊鉤繞過拋丸機直接到落砂機處接件，減少整個車間停機時間。

4.2.3 剎車盤類鑄件

對于剎車盤類鑄件，材質為灰鐵，積放鏈輸送系統設有短流程，將鑄件直接送到連續履帶拋丸清理機清理。

4.3 積放吊鏈拋丸清理機（粗拋）

積放吊鏈線路布局靈活方便，設置多點上件和下件，與冷卻緩存輸送串聯一體，合理分配鑄件清理時間；當拋丸工位的工件正在拋丸清理時，其他吊鉤可任意行走、停止或積存等待加料、卸料，短時間維修不影響生產，從而提高整個車間的設備運轉效率，見圖5。

4.3.1 積放吊鏈拋丸清理機的主要特點

（1）采用專有技術,拋丸室體為三段，“前密封室+拋丸室+后密封室”結構；每個密封室可存放同樣的工件組；前密封室為進件等待，拋丸室為正常拋丸，后密封室為出件等待。

（2）拋丸室兩側設有全鋼防護的機動密封門，兩側密封室也設有機動密封門，拋丸機共有4 道密封門。在拋丸室的前后各有兩道密封門，兩道密封門不同時開啟，且大部分時間兩道密封門同時處于關閉狀態，從而解決彈丸從拋丸室進出口的外飛問題。

圖2 后處理工藝流程圖

圖3 角件掛件方案

圖4 機械手上件

圖5 積放吊鏈拋丸清理機

（3）拋丸進行時，關閉拋丸室兩側密封門，兩側密封室進出口密封門可打開，帶件吊鉤進入后密封室，前密封室工件輸送到下件區域，然后密封室進出口密封門關閉；拋丸結束后，拋丸室兩側密封門打開，拋好的工件進入前密封室，同時后密封室工件進入拋丸室，關閉拋丸室兩側密封門繼續拋丸。

（4）在拋丸室和密封室的下部均設有格柵溜丸斗，彈丸通過螺旋自動回收。

（5）拋丸室內壁區域安裝軋制Mn13 護板防護，護板使用壽命10 年以上。

（6）采用“二級滿幕簾風選+二級磁選”分離器，大大提高分離量、分離效率及拋丸質量，減輕對拋丸器的磨損，使生產成本大大降低。

（7）每個拋丸工位設獨立的自轉機構，并可橫向移動，保證吊鉤行走時自轉機構與動力鏈有效脫離，防止鏈輪、鏈條卡死或嚴重磨損，減輕吊鉤對自轉機構的沖擊，提高自轉驅動鏈使用壽命。

（8）室體頂部5 道密封措施，徹底解決彈丸從頂部的外飛問題。

4.3.2 彈丸的選擇

4.3.2.1 彈丸直徑

彈丸直徑對清理效果影響最大，因為彈丸攜帶能量與彈丸直徑的立方成正比[2]。例如彈丸直徑1mm 和2mm 時，彈丸攜帶能量相差約8 倍。彈丸直徑越大鑄件表面粗糙度越低。彈丸直徑的選擇與鑄件材質、尺寸大小、拋丸器離工件的距離、鑄件表面粗糙度等因素相關。一般汽車配件清理時，彈丸直徑確定為1.0～2.0mm。

4.3.2.2 彈丸初速度

彈丸初速度對清理效果影響較大，因為彈丸攜帶能量和速度的平方成正比[2]。例如彈丸初速度70m/s 和90m/s 時，彈丸攜帶能量相差約1.7 倍[3]。當然彈丸初速度越高，鑄件表面粗糙度越低。彈丸初速度的選擇與鑄件材質、拋丸器離工件的距離、鑄件表面粗糙度等因素相關。一般汽車配件清理時，彈丸初速度確定為80～90m/s[4]。

4.4 澆冒口分離

澆冒口分離設有自動分離機，采用轉臺式結構，機械手上件，自動切割澆冒口；配備砂輪機人工分離作為輔助。

4.5 澆冒口輸送

經過分離的澆冒口由輸送設備給料，加料進入料斗，積放鏈自動輸送到熔化的爐料庫，自動卸料后返回。

4.6 熱處理

集裝箱角件是集裝箱上的重要受力部件，為低碳低合金鑄鋼件，為達到性能要求，必須經過熱處理。熱處理工藝為升溫2h，920℃加熱3h，正火或回火。用一次正火代替調質處理[5]，進行力學性能檢測。結果表明，經920℃一次正火的試樣屈服強度大于300MPa，抗拉強度大于500MPa，斷后伸長率大于30%，斷面收縮率大于60%,-40℃低溫沖擊功大于50J,能滿足角件的力學性能要求。配6臺連續式熱處理爐，經過熱處理每10min 出件一托，16 件/托。出件經過鼓風冷卻，由振動輸送件送到鱗板輸送機上，冷卻到200℃左右。

4.7 角件檢驗

按照工藝要求，經過熱處理的角件，設置取件機械手，每批次自動取樣，做探傷檢測。不合格的角件通知冷卻輸送系統，返回熱處理爐再處理。

4.8 角件冷卻輸送、智能控制

4.8.1 射頻識別技術

無線射頻識別（Radio Frequency Identification）技術，簡稱RFID，是一種非接觸式自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，快速進行物品追蹤及數據交換[6]。

RFID 系統由電子標簽、讀寫器、中間件和應用系統軟件構成。電子標簽用于存儲數據，當帶有電子標簽的物體經過讀寫器時，電子標簽被激活，將信息傳送到讀寫器及計算機系統當中，完成自動采集信息工作。

工作原理：計算機發出命令，通過網絡通信（TCP/IP）連接方式與PLC 相連，PLC 再通過網線按照RFID 命令格式將組合命令幀發送給RFID系統的讀寫器，讀取有關數據，然后進行相應的處理，把數據存儲到數據庫或對下一步操作進行選擇[6]。通過RS-232 串行通信方式與觸摸屏連接，在觸摸屏設定原始參數。

4.8.2 角件冷卻輸送系統

采用積放輸送懸鏈料斗冷卻。料斗共180 個，冷卻時間10h。對應熱處理爐的鱗板卸件點，每個位置設有停止器和發號器。利用射頻識別（RFID）技術，在上件和卸件點設置讀寫器，每個料斗設置電子標簽，自動檢測，自動分配。

積放冷卻懸鏈設置兩部分，一部分用于冷卻，另一部分用于緩存。設有分配道岔，用于分配角件冷卻或緩存以及合格角件與不合格角件分配。利用分配道岔前的讀寫器識別裝料信息，與檢驗結果比較，確定分配路線，自動分配合格與不合格角件。

4.8.3 角件智能控制系統

（1）角件檢驗：用戶隨機抽取其中一件進行檢驗，檢驗時間需要6h 出結果。檢驗完成后返回信號，確定是否合格。如果是合格品，利用分配岔道自動輸送到精拋卸件點；如果是不合格品，自動送到返修卸件點。

（2）在澆注工位，一爐5t 鋼水作為一個批次管理，分三包澆注鑄件。所有角件進一個熱處理爐進行熱處理；通過填寫流轉卡按包次分角件，通過澆注爐號可以追蹤到熱處理爐號；滿足產品批次管理要求。

（3）一包鋼水澆注96 件，分3 個料斗接件，每斗裝32 件，在積放懸鏈上冷卻、緩存。

（4）根據角件檢驗的結果，不合格的角件通知中控系統，利用RFID 命令，通知讀寫器，在二次拋丸機前面的分配岔道，讀寫器讀取信息。當不合格料斗通過時，PLC 發令分配道岔變向，角件返回熱處理爐再處理。合格角件料斗直接通過進入二次拋丸機進行拋丸處理。

4.9 連續履帶拋丸清理機（精拋）

角件精拋采用連續履帶拋丸清理機（如圖6所示），主要清理角件內壁。

4.9.1 工作原理

冷卻輸送懸鏈輸送來的角件，經過翻箱機卸件，由振動輸送機均勻送進連續履帶內部。工件承載系統由前段、中段、后段三部分組成。前段為圓形滾筒，作為工件進入段，采用特種耐磨材料焊接而成，將角件均勻送進拋丸區域；工件承載系統的中段為拋丸區域，由履帶組成旋轉空腔，角件在中間翻身進行拋丸清理[7]；后段也是圓形滾筒，作為工件輸出段，采用特種耐磨材料焊接而成，將角件均勻送出拋丸區域。

圖6 連續履帶拋丸清理機

拋丸滾筒和履帶設計成具有一定傾角。在拋丸滾筒和履帶內，工件行走的速度與工件種類及喂入量有關，也與工件清理效果有關。履帶采用變頻電機驅動，速度可調。在室體上配備4 臺高效大功率拋丸器，供丸系統拋丸量可調，采用先進的磁選分離器，丸砂分離干凈。出件設有專用振動輸送機，將殘余彈丸倒出，并回收到彈丸循環系統中。

4.9.2 連續履帶拋丸清理機的特點

（1）采用連續履帶傳動方式，被清理工件在履帶體內翻滾，充分利用拋丸器的高速彈丸拋向角件進行清理，清理效果非常好，尤其是角件內部清理的特別干凈。

（2）履帶之間沒有相對運動，在履帶內部不會卡件。

（3）可以實現無人操作，大大降低人工上下件的工作量。

（4）履帶和室體內壁采用特殊軋制錳鋼板，使用壽命很長，維修備件僅限于拋丸器。

（5）由于連續履帶的運行特點，能清理形狀較復雜的工件，特別適用于扁平圓盤件。

（6）鑄件翻身容易，且連續翻身，不易磕碰鑄件。

（7）與同類連續拋丸設備相比省電25%～40%。

（8）出料配備振動輸送機或滾筒倒丸機，將殘余彈丸倒出，并回收到彈丸循環系統中。

（9）徹底省掉了上下件人員，大大減輕清理工作的勞動強度。

4.10 角件加工

角件加工線采用角件銑削組合機床加工，銑角件6 個平面。4 臺為一組，銑角件2 個平面，干式加工，粗糙度＜15μm；3 組機床分別加工角件的A 面、B 面和C 面。采用機械手或人工上件。

4.11 輥道拋丸清理機（三次拋丸）

角件經過加工后需要三次拋丸，使表面粗糙度均勻，利于油漆。

4.11.1 輥道拋丸清理機的特點

輥道拋丸清理機采用連續通過式輥道結構；室體采用“前密封室+拋丸室+后密封室”機構，有效防止彈丸飛濺；前后密封室采用多層懸掛膠簾密封，防止彈丸飛濺；輥道前進速度可變頻調速，拋丸更均勻；采用密輥結構，主拋射丸流盡量避免打擊拋丸室輥道；獨特的輥軸密封結構，提高輥道軸承的使用壽命；拋丸室全部輥軸采用軋制Mn13 材質，大大提高使用壽命。

圖7 輥道拋丸清理機

4.12 浸漆

角件由機器人掛件，懸鏈輸送，涂裝方式為游浸式，經過吹塵、預熱、浸漆、滴漆+甩漆+吸漆、烘干、冷卻等工藝處理。烘干采用通道式結構，進出口安裝風幕系統，減少熱量損失，節省能源。加熱方式采用遠紅外電加熱，控制溫度40～120℃，烘干時間23min。浸漆采用船型槽結構，漆液循環攪拌。廢氣采用吸收吸附、催化轉換和等離子凈化，VOCS 排放≤90mg/m3。

4.13 包裝

按角件的類型分別包裝。由機器人從懸鏈上摘下角件，通過拍照識別將角件按A、B、C、D、E、F類型碼垛，經輸送線到自動打帶機打帶再經自動纏膜機纏膜，自動貼標機貼好標簽后中轉入庫。質量證明書包括制造商名稱和訂貨號、角件名稱和型號、爐號、碳當量（CE 值）、力學性能、熱處理批次、無損探傷等項目。

圖8 噴漆工序

5 結論

（1）角件后處理車間，自動化程度高，需要留出緩存區域。在角件冷卻區域留出二道緩存積放小車，緩存時間2h 以上，大大提高了車間緩沖能力。

（2）一線多用。生產其他鑄件時，通過短流程直接送到拋丸機清理。

（3）三種不同的拋丸清理方式，完全滿足角件清理要求。一拋采用積放吊鏈拋丸清理機去除角件表面粘砂；二拋采用連續履帶拋丸清理機將角件內腔清理干凈；三拋清理角件加工后的外表面，達到均勻的粗糙度。

（4）角件帶澆冒口整體通過一次拋丸，既解決了澆冒口的拋丸清理工作，又使澆冒口分離環境在無塵狀態下進行。

（5）澆冒口自動輸送到熔化爐料坑，簡化了車間運輸環境，降低了勞動強度。

（6）角件經過熱處理后，自動取樣檢驗，利用射頻識別（RFID）技術，智能化分揀不合格角件，實現產品批次管理跟蹤，有助于產品的追溯，同時數據上傳到車間的中控系統可實現車間信息化管理。

（7）連續履帶拋丸清理機對角件內腔清理效果最好。

（8）后處理車間從落砂機到包裝，經過多道工藝處理，做到工件不落地，自動化程度高。