鋁合金鑄件低壓鑄造智能生產島的設計

孫明杰，張偉鵬，王玉偉

（中機第一設計研究院有限公司，安徽合肥 230601）

0 前言

在新能源汽車快速發展、汽車輕量化和節能減排的大環境下，鋁合金鑄件得到更廣泛的使用。當然采用輕質化材料的同時，帶來的是零件產品結構的復雜性，這樣就對零件產品的成型工藝提出了更高的要求。鑄造是實現零件成型的基礎工藝，它具有生產效率高、一次成形復雜鑄件、生產成本低等優點，被廣泛應用于航空航天、汽車等領域。鑄造過程不僅決定著能否獲得所需的零件形狀，同時也奠定了材料性能發揮的潛力[1]。

以某項目為基礎，生產商用車飛輪殼、新能源電機殼鑄件，采用鋁合金低壓鑄造工藝。

1 鋁合金鑄件低壓鑄造生產現狀

1.1 低壓鑄造工藝性

低壓鑄造作為一種近凈成形技術，是實現鑄件少余量、無余量加工，同時也是汽車鑄件精密化、薄壁化、輕量化和節能化的重要措施，目前在被廣泛應用在航空、航天、交通等領域，其產品在汽車部件的應用，對于汽車的輕量化有著重要的意義。

低壓鑄造投資較少，鑄件內部缺陷少，可進行熱處理，合格率高，一般可達90%～95%；但工藝環節多、毛坯較重、運營成本略高、適應產品的范圍較窄、效率低（約為高壓鑄造的1/3）。

但目前低壓鑄造在設備、模具、工藝和自動化方面尚需進一步改進和提高。目前國內低壓鑄造法在批量生產鋁合金鑄件上存在的問題是：澆注條件相對不穩定，影響產品質量穩定性和成品率；其次是生產效率不高，操作比較麻煩，主要體現在以下幾個方面[2]：

（1）設備設計與鑄造工藝脫節。

（2）低壓鑄造件模具設計，目前國內水平一般憑經驗設計，對于合金液在鑄型中流動情況、散熱和凝固大多是憑經驗。

（3）低壓鑄造機零部件可靠性差，整機自動化程度低。

（4）模具表面涂料耐用性差。

1.2 低壓鑄造車間常規布局

隨著鋁合金在汽車上的應用日益廣泛，鋁合金鑄件低壓鑄造工廠面臨新廠房的建設和原有廠房的擴建問題。加之原有廠房工藝布局自動化程度均不高，各工藝程序之間采用傳統的叉車運輸、行車吊運模式，物流成本高，占地面積大，運行成本增加，整體生產成本增加，產品競爭優勢不明顯。

主要表現在熔煉除氣和低壓機之間，低壓機換模流程，芯子運輸及下芯過程，鑄件成型后的除芯、去澆冒口毛刺等工序均成平行或并列布置，導致熱處理之前的各工序之間自動化程度低，不能形成統一完整有序的生產。有多少生產多少，然后進入下一個工序，或者堆放在設備前，或者等待下一工序的設備空閑，整個車間處于無序狀態。

近些年很多低壓鑄造機設備廠家以及研究單位適應智能制造、綠色制造的要求，積極研究開發，結合低壓鑄造工藝生產特點，推出低壓鑄造生產平臺，以下芯、澆注、成型、取件冷卻、振砂除芯、去澆冒口毛刺等工序組合，以機器人為中介，將各工序有機結合，完成除熱處理、拋丸清理外的生產工序。此生產平臺的推出，完全顛覆了傳統一工序一塊地的布置模式，極大節約場地面積，并完全實現過程的自動化，提供各工序的工藝數據，為生產平臺的智能化奠定可靠的基本數據保障，加之生產平臺的各設備自身智能化的設計，通過智能平臺的建立，完全實現低壓鑄造從澆注到熱處理前的各工序的智能化生產。

當然，要實現全部的智能化，標準化是前提，也是目前鑄造行業需要轉變理念而重點去面對、解決的基礎工作[3]。

2 鑄造設備層智能化特點

“中國制造2025”的主線是工業化和信息化的融合，把智能制造作為主攻方向。鑄造作為制造基礎行業，由于中國鑄造業自動化集成水平發展不平衡，信息化基礎相對薄弱，現階段鑄造業的智能制造還未大規模的發展起來。對于傳統的鑄造行業，實現國內整個行業的“智能鑄造”還有一段路要走。實現“智能鑄造”的基礎必然要實現對鑄造車間設備的數據采集與監控，實時獲取車間的設備運轉轉臺與產品生產信息。

項目以低壓機智能生產島內的各設備（低壓鑄造機、機械手、振砂除芯機、圓盤鋸、切冒口機、打磨機）為基本單位，要求各設備提供生產中的工藝參數及處理狀態，匯集到處理系統，并分析收集的數據，準確反映到下一個工序，為各工序提供準確的執行數據依據，使各工藝過程所要執行的任務、處理的產能達到匹配契合。

對各設備基本的要求是需具備包含PLC 自動化控制系統，模擬量模塊與傳感器網絡結合，觸摸屏顯示，工業以太網網絡接口通訊等，以便數據的采集和通訊。在低壓鑄造智能生產島的設備中，需要采集的數據基本如表1 所示。

表1 低壓鑄造智能生產島設備參數

3 低壓鑄造智能生產島的設計

3.1 低壓鑄造智能生產島的布局特點

以某飛輪殼2008 產品為例，材質ZL111，重量25kg，產能3000t/年。其產品生產工藝流程如圖1 所示。

圖1 生產工藝流程圖

其智能生產島包含低壓鑄造、下芯、取件、冷卻、清砂、切澆冒口、清理毛刺飛邊等工序，具體布置如圖2 所示。

圖2 工序布置圖

根據飛輪殼模具一型一個的工藝，模具預熱完成后，機械手1 從砂芯濾網倍速鏈上抓取砂芯放置在模型中；合型澆注完成后，機械手1 從模型中抓取鑄件至冷卻架，進行強制冷卻，冷卻好的鑄件由機械手1 抓取到除芯機進行振砂除芯；振砂除芯完成后的鑄件由機械手1 抓至中間平臺，由機械手2 抓至圓盤鋸切割澆冒口；切割澆冒口后由機械手2 抓至打磨機進行鑄件的精整打磨，再由機械手2 抓至切邊機進行切除飛邊毛刺；最后由機械手2 抓至鑄件下線位置將鑄件運輸至下一個工序（立庫存儲或熱處理）。

整個生產島根據訂單信息輸入，以低壓鑄造機為中心，設備之間達到信息的暢通和協作，各自完成對應的工作，并協調完成整個生產島內的工序。生產過程中各設備的參數信息、產品狀態信息輸出給中控系統，以便數據的統計，為后續生產安排提供準確的依據。

3.2 車間其他工序和智能生產島的智能化銜接

智能生產島的自動化程度滿足了低壓鑄造生產智能化的基本條件，而要實現整個車間的智能化生產，還需要其他工序、各工序之間自動化、智能化的設計和實施。

項目熔煉采用集中熔化爐，熔化后的鋁水經除氣、轉運、換包進入低壓鑄造機，整個過程由自動鋁水轉運系統運輸，此過程熔化爐的工藝參數和狀態信息反饋到中控系統，自動鋁水轉運系統接收到指令，執行本過程的轉運等操作。

項目模具更換和砂芯采用同一標高平臺通過軌道運輸，與鋁水轉運系統不交叉。

項目砂芯存儲、鑄件從生產島到熱處理之間設計立體庫，緩存砂芯和鑄件，調節生產過程中的節拍問題。中間過程設計輥道和AGV 小車運輸，且立體庫自身設計數字化管理系統，通過其他工序的指令和信息掃描進行輸入和輸出砂芯和鑄件。

立體庫與熱處理、熱處理和拋丸工序之間通過輥道小車或機械手鏈接，以便各工序指令的接收和數據的采集。

車間設中控室，中控室配有服務器、監控顯示器和信息數據顯示器，通過網絡把相關信息發送到個人計算機或手機，警示和提醒自動通過郵件發送給責任人。中控系統采集熔化爐、低壓澆注機、熱分析儀等各設備的數據，實時監控溫度、能耗、模具和設備狀態，顯示生產信息。設備管理包括配件出入庫操作、保養和檢修計劃、記錄查詢等功能。產品管理包含工藝方案及其模擬結果、工藝文件、作業指導書、生產過程檢測數據和二次檢驗數據等資料，通過產品編碼查詢到產品信息。系統具有統計分析功能，如個人效率、設備能效、熔化能耗等信息，并可進行多臺設備之間的數據比較[4]。

3.3 低壓鑄造智能生產島的特點

整個低壓鑄造生產島的設計，以智能化生產實施為基本出發點，對各設備、各工序流程、各工序之間的銜接均設計數字化系統，完成整個智能生產島的設計。其具有以下特點：

（1）對批量化產品的生產，節約人工和運輸成本。

（2）機器人的使用，避免了高溫、高粉塵、高負荷工位使用人工。

（3）每個工序生產數據的采集和統計，對生產的調控和精益生產提供有力的依據。

（4）有效節約廠房面積近20%。

4 結論

智能生產島的開發和設計解決了鋁合金鑄件從澆注到熱處理之前的設備層的數據采集和統計問題，促進低壓鑄造鋁合金鑄造車間智能化生產進程；并有效節約廠房面積。