于彥奇

（北京瑞泓翔宏大科技發(fā)展有限公司，北京 100025）

1 綠色鑄造對“綠色之夢”的渴求

提起鑄造，人們馬上就會(huì)想起充滿污染、耗能、粉塵、噪聲的生產(chǎn)情景。

鑄造業(yè)是汽車、石化、鋼鐵、電力、造船、紡織、裝備制造等支柱產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，是裝備制造業(yè)的重要組成部分，是一個(gè)關(guān)系國計(jì)民生的重要行業(yè)。而不可回避的是，在為人們奠定了現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)的同時(shí)，也給人們帶來了可怕的高污染與高能耗。

據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)反映，我國鑄造業(yè)年能耗占機(jī)械工業(yè)總耗能的25%至30%，排放污染物總量約為：粉塵1000萬t，廢氣200億m3至400億m3，廢砂2000萬t，廢渣600萬t，單位產(chǎn)量能耗及污染物排放均大大超過發(fā)達(dá)國家水平，“三廢”排放量更是發(fā)達(dá)國家的10倍左右。

該如何解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展與“青山綠水”和“造福子孫”這一對看似不可調(diào)和的矛盾呢？這是擺在中國企業(yè)家、政治家面前必須直對的問題，而且不再是“13五規(guī)劃”的課題，應(yīng)該馬上著手解決的問題；我們不能再因?yàn)橥苿?dòng)地方經(jīng)濟(jì)總量去搞重復(fù)建設(shè)，也不能再通過同業(yè)價(jià)格競爭自己去吃掉鑄造這個(gè)行業(yè)自己。

所謂“綠色鑄造”，就是以循環(huán)經(jīng)濟(jì)3R即減量化（Reduce）、再利用（Reuse）、再循環(huán)（Recycle）為行業(yè)準(zhǔn)則，使鑄造產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)周期中，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的負(fù)面影響最小，資源效率最高。

鑄造技術(shù)的發(fā)展必然要為社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大局所左右，“綠色鑄造”的概念體現(xiàn)了高速發(fā)展著的文明進(jìn)程的人性化特征和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的總體要求。隨著公眾環(huán)境意識(shí)的不斷提高及國家環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)的進(jìn)一步完善，“綠色鑄造”的呼聲正在迅速成為鑄造行業(yè)發(fā)展的指揮棒，它不光是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布的有關(guān)環(huán)境管理體系的IS014000系列標(biāo)準(zhǔn)在約束你，還有市場-價(jià)格要求你必須走出傳統(tǒng)的鑄造概念。從而使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益達(dá)到最優(yōu)化?！熬G色鑄造”是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在制造業(yè)中的一個(gè)體現(xiàn)，是一種可持續(xù)發(fā)展的企業(yè)組織、管理和運(yùn)行的新模式。和傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)模式相比，“綠色鑄造”模式對企業(yè)信息化運(yùn)作水平提出了相當(dāng)高的要求、必須在新的鑄造技術(shù)支撐下從市場競爭中走出并實(shí)現(xiàn)綠色鑄造，“綠色鑄造”模式下鑄件生產(chǎn)面臨的關(guān)鍵是即時(shí)采用先進(jìn)適用的鑄造新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)鑄件“綠色生命周期”的全過程。

2 鑄造技術(shù)新的發(fā)展

從綠色鑄造的3R出發(fā)，我們?nèi)ふ覍?shí)現(xiàn)他們的可行性。

2.1 數(shù)字化3D 無模具造型和制芯技術(shù)的到來

數(shù)字化3D無模具砂型造型和制芯技術(shù)是本世紀(jì)初發(fā)展起來的新型應(yīng)用技術(shù)，他在2002年完成了產(chǎn)品進(jìn)入市場。也稱為快速打印成型技術(shù)，他是利用噴墨打印機(jī)原理，CAX技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，新材料技術(shù)基礎(chǔ)上，直接借助數(shù)據(jù)模型，無需模具完成直接造型，快速制造鑄造用砂型和砂芯的一門多學(xué)科綜合技術(shù)。

注 釋：CAX 是 CAD、CAM、CAE、CAPP、CIM、CIMS、CAS、CAT、CAI等各項(xiàng)技術(shù)之綜合叫法，因?yàn)樗锌s寫都是以CA開頭，X表示所有。CAX實(shí)際上是把多元化的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)集成起來復(fù)合和協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作，除了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)部門工作外，其他各部門也可以提前介入無需等待上一道作業(yè)完成后，才開始下一道作業(yè)，縮短了開發(fā)時(shí)間；同時(shí)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期，能很好地考慮到產(chǎn)品生命周期的各種因素，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤和誤差，及時(shí)進(jìn)行修正以及可以在設(shè)計(jì)過程中，按照市場的需求，不斷提出可比較的多種設(shè)計(jì)方案，從而獲得最優(yōu)化的設(shè)計(jì)成果和效益。

3D數(shù)字化快速打印成型技術(shù)一改傳統(tǒng)加工“去除”成型加工工藝，而采用“堆積”成型加工工藝，在鑄造領(lǐng)域具有劃時(shí)代的意義。目前主要應(yīng)用在航空航天，海軍、汽車，泵類，液壓件，閥類鑄件等制造行業(yè)。值得注意的是該設(shè)備在進(jìn)入市場前8年共生產(chǎn)了40臺(tái)，但2011年一年就銷售了15臺(tái)，而且是適合生產(chǎn)型大規(guī)格的產(chǎn)品。為復(fù)雜型腔鑄件的開發(fā)和小批量生產(chǎn)找到了一條快速、經(jīng)濟(jì)的捷徑。在許多情況下，這是唯一能生產(chǎn)高度復(fù)雜砂芯和砂型的裝備。數(shù)字化砂型、砂芯快速成型中心旨在完成高難度，復(fù)雜砂芯的制造；進(jìn)行鋁、鎂、高溫合金鑄造工藝的研究和開發(fā)；開展組芯鑄造工藝的研究；用于新產(chǎn)品開發(fā)，試樣件生產(chǎn)和小批量生產(chǎn)。

圖1 3D 數(shù)字化快速打印成型過程中砂子的固化過程

圖2 3D 數(shù)字化快速打印成型機(jī)

傳統(tǒng)鑄造工藝通常采用模具造型和制芯，使得鑄造設(shè)備在產(chǎn)品開發(fā)和小批量生產(chǎn)中投資成本極高。實(shí)現(xiàn)了無模具數(shù)字化砂型、砂芯的快速成型后產(chǎn)生什么變化呢？

我們還是用3R即減量化（Reduce）、再利用（Reuse）、再循環(huán)（Recycle）來分析：

1）減量化（Reduce）

無模具制造：減少模具材料和加工、庫存和維護(hù)；減少交貨周期；減少開發(fā)和試驗(yàn)周期；減少成本。

砂型精度高和復(fù)雜：減少鑄件重量和加工余量、廢品率，減少成本。

2）再利用（Reuse）和 再循環(huán)（Recycle）

由于采用雙組份固化和單組份熱固化，為與黏結(jié)劑結(jié)合的砂，可回收和存放；與黏結(jié)劑混合的砂，可再生循環(huán)使用。

2.2 組芯工藝正從鑄鋁走向蠕鐵。

組芯工藝（Cosworth），即用組芯技術(shù)生產(chǎn)鑄件，組芯由單個(gè)砂芯組合而成，如圖3所示。

組芯在80年代起源英國，主要生產(chǎn)跑車的V6發(fā)動(dòng)機(jī)，之后被歐美各大汽車公司應(yīng)用，目前是生產(chǎn)鋁發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的主要工藝之一。

組芯技術(shù)與濕型砂工藝相比的優(yōu)勢在于尺寸精度高、大量減少了砂的循環(huán)、采用氣體硬化單一芯砂系統(tǒng)（添加有機(jī)樹脂的芯砂可有效地再生回收，回收率達(dá)95%以上）。因此鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)也出現(xiàn)了向組芯工藝發(fā)展的趨勢。圖4為組芯工藝制造的蠕鐵缸體，圖5為組芯工藝制造的薄壁鑄鐵缸體。

相比傳統(tǒng)的潮模砂工藝，組芯工藝具有如下特點(diǎn)：

圖3 組芯過程

圖4 組芯工藝制造的蠕鐵缸體

圖5 組芯工藝制造的薄壁鑄鐵缸體

1）砂型尺寸更加精密，可以生產(chǎn)到3mm的薄壁鑄件，可實(shí)現(xiàn)減量化。

2）不受砂箱的限制和減少砂鐵比，可減少砂量、產(chǎn)品生產(chǎn)更加靈活。

3）標(biāo)準(zhǔn)化的制芯設(shè)備代替造型線和砂處理，減少設(shè)備投資和能源消耗。

4）組芯工藝更加容易自動(dòng)化，減少了人力。

5）單一砂更容易再生回用，減少了排廢。

6）取消粘土和膨潤土為黏結(jié)劑，減少了粉塵和改善了環(huán)境。

7）適合大批量生產(chǎn)。

8）生產(chǎn)場地小。

組芯工藝的普及，使綠色鑄造又前進(jìn)了一步。

2.3 落砂、除芯、砂再生一體化

當(dāng)3D數(shù)字化制芯或造型與組芯工藝應(yīng)用后，由于采用的都是單一樹脂砂，因此一種集落砂、除芯及再生一體化的流態(tài)床應(yīng)用顯得尤其具有突破性。

美國在試驗(yàn)一種流態(tài)床，將澆注后的組芯砂型放入流態(tài)床進(jìn)行落砂、除芯，在持續(xù)的處理過程中完成對砂的熱法再生，這個(gè)過程最大地應(yīng)用了澆注鐵水的溫度，以最小的額外能源完成砂的熱法再生，因此一舉解決了黏土砂再生的這一鑄造難題。

落砂-除芯-砂再生在一體化的設(shè)備中封閉完成，解決了鑄造中最大的粉塵、噪音和高溫作業(yè)環(huán)節(jié)的最艱難的環(huán)保課題！減少了最惡劣條件下的鑄件輸送。取消落砂、鑄件冷卻、鑄件振動(dòng)除芯等工序和設(shè)備，并可以為鑄件熱處理做好設(shè)定溫度。

3 創(chuàng)建新的鑄造生產(chǎn)工藝

按照數(shù)字化3D造型和制芯、組芯和落砂、除芯、砂再生一體化流態(tài)床，我們可以根據(jù)鑄造的特點(diǎn)如批量、品種、供貨特點(diǎn)設(shè)計(jì)出自己的鑄造工藝路線，由此達(dá)到節(jié)能、節(jié)約、環(huán)保的綠色鑄造廠。

1）例如大批量汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄造廠，采用組芯工藝，路線如下：

熔化-澆注同傳統(tǒng)工藝。

制芯-組芯-澆注-冷卻-流態(tài)床代替黏土砂造型、砂處理、制芯、組芯、下芯、澆注、冷卻、落砂、冷卻、除芯。

去澆冒口-自動(dòng)化磨削-精拋-涂裝代替?zhèn)鹘y(tǒng)-去澆冒口-除芯-磨削-粗拋-打磨-精拋-涂裝。

2）例如小批量多品種的泵、閥類鑄造廠，采用3D數(shù)字化造型和制芯，通過組芯工藝澆注，路線如下：

熔化-澆注同傳統(tǒng)工藝。

數(shù)字化無模具制芯（造型）-組芯-澆注-冷卻-流臺(tái)床代替黏土砂（自硬砂）造型、組芯、下芯、澆注、冷卻、落砂、冷卻、除芯和砂處理（砂再生）。

去澆冒口-自動(dòng)化磨削-精拋代替?zhèn)鹘y(tǒng)-去澆冒口-除芯-磨削-粗拋-打磨-精拋。

3）例如中等批量鑄造廠可以采用3D無模具制芯和樹脂砂造型組合的工藝。

4 綠色鑄造離我們并不遙遠(yuǎn)

我想人類絕對不會(huì)因?yàn)殍T造而毀滅，盡管我們已經(jīng)走到工業(yè)化進(jìn)程，人類的發(fā)展也會(huì)通過技術(shù)的發(fā)展開辟最美好的生活環(huán)境和方式。西方的工業(yè)發(fā)展已經(jīng)從我們今天彷徨的時(shí)代走出，我們只是要注意不要走別人走過的老路，而是借助信息革命的成果跨越那個(gè)時(shí)代，走出我們中國自己的綠色鑄造之路。

今天我們鑄造人要隨著人力成本、材料成本的上升這一歷史發(fā)展的實(shí)事，清醒地選擇未來的鑄造出路，充分享受數(shù)字化革命給我們帶來的機(jī)遇。切記沒有數(shù)字化就沒有自動(dòng)化和智能化，就沒有綠色鑄造的明天。

以上介紹的3個(gè)新的應(yīng)用技術(shù)都是建立在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，當(dāng)你的一切都能夠用數(shù)字來說話，您的一切行為才能真正進(jìn)入可設(shè)計(jì)、可實(shí)現(xiàn)并可控的階段。

[1]大連將打造綠色鑄造產(chǎn)業(yè)園區(qū)[N/OL］.大連日報(bào)，2005-05-04.

[2]張立波，田世江，葛晨光.中國鑄造新技術(shù)發(fā)展趨勢[J］.鑄造，2005（03）：207-212.

[3]鄭鴻.渤海岸畔崛起綠色鑄造產(chǎn)業(yè)園[N/OL］.大連日報(bào)，2011-05-02.