丁加榮，盛振東

（1.濰柴重機(jī)股份有限公司 濱海鑄造廠，山東濰坊 261001；2.濟(jì)南柯瑞達(dá)鑄造機(jī)械有限公司，山東濟(jì)南 250022）

震動除芯技術(shù)泛指采用氣力沖擊方法，對鋁合金、鑄鐵、鑄鋼、特種合金等材質(zhì)的發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋、排氣管、泵體、閥體、管件、殼體、精密鑄造件等各種不同鑄造工藝方法生產(chǎn)的鑄件進(jìn)行震動打擊，進(jìn)而清除鑄件內(nèi)腔芯砂的專用設(shè)備。近年來，隨著對鑄件產(chǎn)品內(nèi)腔質(zhì)量要求越來越高，震動除芯設(shè)備從單機(jī)到整套生產(chǎn)線，在汽車發(fā)動機(jī)鑄造生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，目前對于數(shù)百公斤乃至數(shù)噸重量級的船用發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋鑄件的應(yīng)用產(chǎn)品市場上尚屬空白。

1 震動除芯技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與回顧

國內(nèi)最早的震動除芯機(jī)（L125型）是上世紀(jì)50～60年代仿制前蘇聯(lián)的產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)、性能較簡單，主要用于發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋鑄件清除內(nèi)腔芯砂，采用小型的氣力沖擊器清理鋁合金鑄件內(nèi)腔芯砂的設(shè)備也大量投入使用，大部分形式為單機(jī)人工操作，生產(chǎn)效率較低。

上世紀(jì)90年代末，國內(nèi)汽車行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模逐漸加大，發(fā)動機(jī)鋁合金缸蓋、排氣管需要高效、快速的清砂設(shè)備，國內(nèi)一些大型企業(yè)引進(jìn)國外震動除芯技術(shù)產(chǎn)品，在本世紀(jì)初逐漸推廣應(yīng)用到鑄鐵件缸體缸蓋生產(chǎn)領(lǐng)域。

由于被鑄件內(nèi)腔包裹著的芯砂被震松后需要倒出，同時由于生產(chǎn)率要求、鑄件材質(zhì)、尺寸規(guī)格的不同、震動除芯設(shè)備的形式、種類又分為多種。普通震動清砂除芯機(jī)一般由沖擊錘、夾持機(jī)構(gòu)、機(jī)架組成，人工操作，甚至由工人手持風(fēng)鎬完成操作；較為復(fù)雜的配置由氣力沖擊、工件夾持、搖動翻轉(zhuǎn)、隔振、降噪、除塵、電氣控制等單元構(gòu)成；近年來大量使用自動震動清砂除芯生產(chǎn)線，適用于單件大批量產(chǎn)品，按不同的工藝要求，還有多個錘頭、多個方向沖擊等形式，這取決于用戶的實際需求。

回顧國內(nèi)震動除芯技術(shù)的發(fā)展，尚存在以下幾點(diǎn)問題：

（1）為滿足工藝要求，震芯機(jī)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，價格日趨昂貴，使用成本不斷增加。

（2）缺乏合理的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，比如對震芯處理后內(nèi)腔殘砂量的指標(biāo)要求沒有形成統(tǒng)一的共識標(biāo)準(zhǔn)，有的以毫克為級別界定，有的以克為級別界定，需知鑄件種類、規(guī)格大小差異很大，指標(biāo)過分苛刻將導(dǎo)致綜合成本增加，對此我們以為有關(guān)部門應(yīng)根據(jù)實際情況盡快制定有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）由于采用壓縮空氣為動力的震動除芯工藝，其能源消耗問題不可忽視，針對不同的除芯工藝要求，研究高效節(jié)能的震芯機(jī)產(chǎn)品，是震動除芯技術(shù)的發(fā)展方向。

（5）目前震動除芯適用鑄件的范圍限于汽車柴油發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋鑄件，對于數(shù)百公斤乃至數(shù)噸重量級的船用發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋鑄件的應(yīng)用產(chǎn)品市場上尚屬空白。

2 應(yīng)用理論分析

震動除芯技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)與推廣，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摲治黾膀炞C過程，依據(jù)多年的實踐經(jīng)驗和理論探討，我們提出以下定義：震動除芯技術(shù)是一種利用沖擊錘使鑄件產(chǎn)生瞬間沖擊加速度，由此形成鑄件腔體共振和附著剪切力，在鑄件與砂層兩相體界面之間產(chǎn)生剝離應(yīng)力，達(dá)到除砂效果的工藝方法。如此寬泛的描述尚不足以反映震動除芯過程的復(fù)雜性，實際應(yīng)用中涉及的相關(guān)因素太多，提煉理想的理論模型十分困難，只能界定為多因素相關(guān)分析的方法。

（1）震動除芯的機(jī)械振動學(xué)模型：可視為單自由度振動系統(tǒng)[1]下的、具有一定周期的沖擊脈沖激勵系統(tǒng)，沖擊錘為沖擊脈沖發(fā)生源，鑄件為參振質(zhì)量，設(shè)備的隔振裝置為彈性參量。

（2）動力學(xué)模型：沖擊錘與鑄件之間完成沖擊動能的交換過程，理想狀態(tài)下的沖擊過程遵循能量、動量守恒定律，但是由于鑄件材料的硬度、材質(zhì)、碰撞變形等因素的影響，實際應(yīng)用中需要綜合分析考量。

（3）鑄件自身的固有共振頻率分析：采用先進(jìn)的有限元建模分析技術(shù)[2]、振動測試技術(shù)可以實現(xiàn)，難以實際應(yīng)用，但基本的理論概念還是有助于分析解決實際問題。

（4）沖擊應(yīng)力波的傳遞過程描述（傳遞函數(shù)）：用于分析解釋復(fù)雜的鑄件內(nèi)腔芯砂清理效果是如何產(chǎn)生的，解決選擇合理的打擊點(diǎn)位置等問題[3]。

PID（比例微積分）控制器的應(yīng)用已有幾十年，是一種非常簡單的線性過程通用的控制器。PID反饋控制回路能高效控制單臺設(shè)備，控制單個控制回路上的單個變量/參數(shù)，比如壓力或溫度。任何存在狀態(tài)變化的過程對于PID控制器來說都是非常復(fù)雜的。作為控制網(wǎng)絡(luò)（與若干不同裝置通信并實施控制的網(wǎng)絡(luò)）的一部分，PID控制器固有的靈活性根本無法適應(yīng)HVAC應(yīng)用中可能碰到的各種變負(fù)荷情況。因此，需要其他控制方法來提升冷凍機(jī)房的性能。

（5）機(jī)械振動系統(tǒng)的電模擬分析方法[4]：借助機(jī)械振動系統(tǒng)與電路分析在數(shù)學(xué)層面上的同源特性，將復(fù)雜的機(jī)械振動系統(tǒng)微分方程通過數(shù)學(xué)變換轉(zhuǎn)化為簡單的復(fù)數(shù)、三角函數(shù)分析運(yùn)算[5]，較為直觀、方便、易于理解分析。

在實際應(yīng)用中持有上述理念和思路，刻意安排合理的工藝試驗方法進(jìn)行驗證，可以得到事半功倍的效果。在技術(shù)外延推廣、新產(chǎn)品開發(fā)過程中，理論先行、實踐驗證的方法，是必要的技術(shù)手段。

3 在船用發(fā)動機(jī)鑄件生產(chǎn)中的研發(fā)與應(yīng)用

船用柴油機(jī)鑄造生產(chǎn)具有多品種、批量小、規(guī)格大的特點(diǎn)。濰柴重機(jī)股份有限公司濱海鑄造廠2014年投入使用的缸蓋震芯機(jī)，只能應(yīng)用于一種質(zhì)量約90公斤的缸蓋鑄件，無法滿足當(dāng)前的使用要求，需要研發(fā)能滿足行業(yè)使用特點(diǎn)的震動除芯設(shè)備。為慎重起見，我們針對企業(yè)生產(chǎn)狀況、產(chǎn)品使用要求、工藝可行性、現(xiàn)場條件、環(huán)保節(jié)能、安全生產(chǎn)等因素進(jìn)行了反復(fù)研究論證，具體實施如下：

（1）采用柔性震動除芯技術(shù)：鑒于鑄件產(chǎn)品多樣化，引入柔性制造系統(tǒng)（FMS）概念，提出研發(fā)涵蓋7類11種船用發(fā)動機(jī)缸體缸蓋鑄件，其質(zhì)量、規(guī)格、外形尺寸如表1所示的柔性震動除芯設(shè)備，一機(jī)多用。

（2）由于鑄件重達(dá)1噸以上，超出了現(xiàn)有技術(shù)裝備和使用經(jīng)驗范圍，目前尚無同類產(chǎn)品的使用介紹和資料依據(jù)，為確保項目的可行性，基于前述理論分析方法，進(jìn)行了震動除芯工藝試驗驗證，現(xiàn)場針對有代表性的在線生產(chǎn)鑄件進(jìn)行震動除芯工藝試驗，取得了滿意的結(jié)果，數(shù)據(jù)表明可以進(jìn)入到實用化設(shè)計階段。

（3）通過多次試驗驗證，分析、充實、完善理論模型，對于優(yōu)化相關(guān)技術(shù)參數(shù)并推而廣之，具有設(shè)計指導(dǎo)意義。

表1 典型鑄件參數(shù)

（4）按柔性化生產(chǎn)的理念，分析各種鑄件的規(guī)格結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定整體設(shè)計施工方案，并進(jìn)行使用、維護(hù)、環(huán)保等諸方面的反復(fù)論證，實現(xiàn)最優(yōu)組合，具體體現(xiàn)在以下方面：

1）采用PLC控制自動化生產(chǎn)方式，鑄件為貫通輥道輸送，以提高生產(chǎn)效率。

2）針對鑄件種類繁雜的特點(diǎn)，采用四維移動定點(diǎn)控制的震擊機(jī)構(gòu)，在不同的鑄件所確定的工藝選擇打擊點(diǎn)，按設(shè)定的參數(shù)實施震擊除芯作業(yè)，實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)。

3）震擊除芯作業(yè)完畢后輔以振動清砂、旋轉(zhuǎn)倒砂作業(yè)，將鑄件內(nèi)腔松散的殘砂清除干凈，旋轉(zhuǎn)倒砂機(jī)構(gòu)具有不同鑄件夾持的調(diào)節(jié)功能，適用于更換加工不同產(chǎn)品時，滿足柔性化生產(chǎn)要求。

4）采用易于調(diào)整的鑄件定位裝置，實現(xiàn)鑄件在震擊除芯、旋轉(zhuǎn)倒砂、鑄件上料、物流轉(zhuǎn)運(yùn)工序中的準(zhǔn)確定位，保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

5）采取必要的降噪、隔振措施[6]，整機(jī)設(shè)置隔聲罩、隔振裝置，使之符合安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)的國家標(biāo)準(zhǔn)。

6）為防止工作過程產(chǎn)生的粉塵外逸，采用新型的除塵系統(tǒng)，按最新大氣排放國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，粉塵排放濃度＜20毫克/立方米。

7）鑄造車間生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜惡劣，設(shè)備使用操作條件亦然，盡可能采用成熟的技術(shù)與配套產(chǎn)品，以保證設(shè)備長期可靠的使用運(yùn)行。

值得指出的是，作為一種新技術(shù)，無論怎樣的理論分析和細(xì)致的施工設(shè)計，都有待于生產(chǎn)運(yùn)行的實際檢驗，以及不斷地改進(jìn)完善，相對而言，鑄造生產(chǎn)工藝及其產(chǎn)品繁雜多樣、因之而來的鑄造機(jī)械產(chǎn)品種類繁多，具有多品種、非標(biāo)準(zhǔn)化的取向，探索一種合理、可靠的技術(shù)推廣、產(chǎn)品研發(fā)模式，具有一定的實用價值。

4 結(jié)語

（1）隨著鑄造產(chǎn)業(yè)升級速度加快，柔性化生產(chǎn)模式逐漸引起人們的重視，對鑄造機(jī)械產(chǎn)業(yè)提出了新的研發(fā)課題。

（2）震動除芯技術(shù)仍有推廣改進(jìn)的發(fā)展空間，實踐表明，震動除芯技術(shù)向大型鑄件生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)展是可行的，其理論研究、產(chǎn)品開發(fā)需要進(jìn)一步探索、驗證、完善。

（3）鑄造行業(yè)的品種多樣化特點(diǎn)比較突出，同類產(chǎn)品的非標(biāo)準(zhǔn)化專機(jī)設(shè)計研發(fā)占很大比重，不同使用條件下的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)需要相應(yīng)的行業(yè)管理、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范指導(dǎo)界定。

（4）探索一種新的研發(fā)模式：研發(fā)企業(yè)根據(jù)市場需求與設(shè)備使用企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，融合雙方各自經(jīng)驗合作探索發(fā)明原創(chuàng)技術(shù)，加快推進(jìn)國內(nèi)裝備制造業(yè)的水平提升與發(fā)展。