徐定政，鄭德偉

（東風(fēng)鍛造有限公司鑄造二廠，湖北十堰 442013）

BMD線是德國(guó)研究制造的一條多觸頭高壓自動(dòng)造型線，是20世紀(jì)60年代的產(chǎn)品。2013年7月，由于工廠多方面的原因，已經(jīng)服役30多年的BMD線宣布關(guān)停，并一度申請(qǐng)報(bào)廢。關(guān)停4年后，由于工廠經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略等方面的需要，工廠決定恢復(fù)BMD線的使用，但這次不是簡(jiǎn)單的恢復(fù)，為了進(jìn)一步提升設(shè)備的穩(wěn)定性，以及滿足產(chǎn)品工藝對(duì)設(shè)備的更高要求，需要對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行大幅度的改造，其中重點(diǎn)改造部位是捅箱機(jī)及配套的鱗板輸送機(jī)。

1 BMD線捅箱機(jī)及鱗板輸送機(jī)存在的問題

改造前BMD線捅箱機(jī)及鱗板輸送機(jī)布置如圖1、圖2所示。

圖1 原BMD線捅箱機(jī)布置

圖2 原BMD線鱗板輸送機(jī)布置

1.1 原有捅箱機(jī)及鱗板輸送機(jī)工作原理

當(dāng)捅箱機(jī)構(gòu)位于起始位置，鑄工小車運(yùn)行至捅箱機(jī)構(gòu)正下方，機(jī)械手上升，由機(jī)械手抓起砂箱與鑄工小車分離，在高度方向離開鑄工小車60 mm，捅箱機(jī)構(gòu)橫移至捅箱位置，捅頭下降將砂型及鑄件捅至推送槽內(nèi)，捅頭上升返回至原始位置，捅箱機(jī)構(gòu)橫移返回至鑄工小車正上方，機(jī)械手下降將砂箱放至鑄工小車上，在捅頭上升返回至原始位置的同時(shí)，推送機(jī)構(gòu)將砂型及鑄件推送至鱗板輸送機(jī)上，然后推送機(jī)構(gòu)返回，鱗板向前移動(dòng)（鱗板處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)），將鑄件送至振動(dòng)落砂篩。當(dāng)下一臺(tái)鑄工小車運(yùn)行至捅箱機(jī)構(gòu)的正下方時(shí)再重復(fù)下一個(gè)循環(huán)。

1.2 原有捅箱機(jī)及鱗板輸送機(jī)存在的主要問題

原有捅箱機(jī)及鱗板輸送機(jī)主要存在以下幾方面的問題：

1）捅箱機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用到的油缸數(shù)量較多，液壓控制系統(tǒng)復(fù)雜，而且捅箱機(jī)距離油泵站距離過遠(yuǎn)，流量消耗大，影響整條造型線的節(jié)拍。另外，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致設(shè)備故障率高，維修困難。

2）捅箱機(jī)機(jī)械手沒有砂箱定位裝置，砂箱在機(jī)械手上的位置變動(dòng)大，由于砂箱位置不固定，因此在捅箱機(jī)上難以安裝砂箱內(nèi)壁清掃機(jī)構(gòu)，最終導(dǎo)致砂箱內(nèi)壁殘留型砂較多，影響造型質(zhì)量。

3）在捅箱位置砂箱被抓起時(shí)，由于掉落至鑄工小車臺(tái)面的型砂較多，而捅箱機(jī)沒有配置相應(yīng)的清掃機(jī)構(gòu)，粘有積砂的鑄工小車對(duì)砂型質(zhì)量也會(huì)造成一定影響。

4）砂箱與推送槽以及推送槽與鱗板輸送機(jī)在高度方向的距離較大，導(dǎo)致砂型及鑄件自砂箱捅出并落至鱗板輸送機(jī)上時(shí)全部散開，鑄件裸露，鑄件保溫冷卻時(shí)間不足，鑄件表面硬度過高，不符合工藝要求。

5）鱗板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，維修困難，且每年的維修費(fèi)用高達(dá)20萬(wàn)元以上。

6）鱗板輸送機(jī)頭部與振動(dòng)落砂篩篩板之間的高差為1 400 mm，由于高差過大，導(dǎo)致鑄件從鱗板輸送機(jī)落至振動(dòng)落砂篩時(shí)產(chǎn)生大量的磕碰傷。

2 解決方案

2.1 BMD線更新改造總體設(shè)計(jì)原則

為了解決上述問題，需要對(duì)捅箱機(jī)及鱗板輸送機(jī)進(jìn)行更新改造，此次更新改造的總體設(shè)計(jì)原則如下：

1）簡(jiǎn)化捅箱機(jī)結(jié)構(gòu)，減少油缸數(shù)量；

2）在捅箱上配置砂箱定位機(jī)構(gòu)，并配置砂箱內(nèi)壁清掃機(jī)構(gòu)；

3）在捅箱機(jī)上配置鑄工小車臺(tái)面清掃機(jī)構(gòu)；

4）簡(jiǎn)化輸送機(jī)結(jié)構(gòu)；

5）減小砂箱與輸送機(jī)之間的高差，并采用合理的捅箱方式，保證砂型及鑄件被送到輸送機(jī)上還是一個(gè)整體；

6）減小輸送機(jī)與振動(dòng)落砂篩之間的高差。

通過多次技術(shù)討論，比較了多種技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定了一套捅箱及輸送方案。

2.2 BMD線捅箱及輸送改造方案

新型捅箱機(jī)及輸送機(jī)的設(shè)計(jì)方案以及工作原理見圖3、圖4.

圖3 BMD線捅箱機(jī)改造方案布置

圖4 BMD線輸送機(jī)改造方案布置

BMD線捅箱改造方案如圖3所示，當(dāng)鑄工小車運(yùn)行到捅箱機(jī)構(gòu)正下方時(shí)，機(jī)械手第一次上升，將砂箱抓起，在高度方向離開鑄工小車臺(tái)面60 mm后停止，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)捅箱機(jī)構(gòu)移至同步輸送機(jī)正上方，機(jī)械手第二次上升，砂箱繼續(xù)向上移動(dòng)至最高點(diǎn)，捅頭及內(nèi)壁清掃裝置固定不動(dòng)，壓住砂箱內(nèi)的砂型及鑄件，通過砂箱的不斷上移，將砂型及鑄件捅至同步輸送帶上。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)捅箱機(jī)構(gòu)返回，與此同時(shí)，機(jī)械手第一次下降，砂箱落至離鑄工小車60 mm高度時(shí)停止，當(dāng)捅箱機(jī)構(gòu)完全返回至鑄工小車正上方處，機(jī)械手第二次下降直至砂箱放置于鑄工小車臺(tái)面并與機(jī)械手分離。當(dāng)下一臺(tái)鑄工小車運(yùn)行至捅箱機(jī)構(gòu)正下方后，再重復(fù)下一個(gè)周期。

BMD線輸送機(jī)改造方案如圖4所示，當(dāng)砂型及鑄件完全被捅至同步輸送機(jī)皮帶上后，夾緊離合器充氣夾住皮帶，油缸驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)夾緊離合器同皮帶一起向前移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，然后夾緊離合器排氣，夾緊離合器與皮帶脫開，油缸驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)夾緊離合器返回一個(gè)節(jié)距。當(dāng)下一箱砂型及鑄件落至同步輸送機(jī)皮帶上后，再重復(fù)下一個(gè)周期。

圖5所示為新型捅箱機(jī)及同步輸送機(jī)的動(dòng)作時(shí)序圖，依此設(shè)計(jì)，該部位的理論節(jié)拍為26 s/型，低于造型線28 s/型的節(jié)拍，而且該部位的所有動(dòng)作均可與造型線的其他動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，因此依此設(shè)計(jì)在節(jié)拍上符合造型線的整體要求。

圖5 改造后捅箱機(jī)及同步輸送機(jī)的動(dòng)作時(shí)序圖

2.3 砂箱定位及內(nèi)壁清掃問題

2.3.1 問題解析

圖6為原BMD線砂箱與鑄工小車定位結(jié)構(gòu)，在砂箱被捅箱機(jī)機(jī)械手抓起之前，砂箱位于鑄工小車臺(tái)面上，砂箱與鑄工小車臺(tái)面之間的相對(duì)位置由砂箱定位銷及砂箱定位襯套決定，由于定位銷與定位襯套的配合間隙相差很大（定位銷外徑為32 mm、定位襯套孔徑為40 mm），間隙相差達(dá)到了8 mm，因此砂箱在鑄工小車臺(tái)面上的位置不具備一致性。

圖6 原BMD線砂箱與鑄工小車定位結(jié)構(gòu)

圖7為原BMD線砂箱與捅箱機(jī)機(jī)械手定位機(jī)構(gòu)，原有捅箱機(jī)機(jī)械手沒有設(shè)計(jì)砂箱定位裝置，而砂箱在鑄工小車臺(tái)面上的位置不具備一致性，因此，當(dāng)機(jī)械手抓起砂箱時(shí)，砂箱在機(jī)械手上位置同樣不具備一致性，由于砂箱的位置不固定，因此，在捅箱機(jī)上難以配置砂箱內(nèi)壁清掃裝置。

圖7 原BMD線砂箱與捅箱機(jī)機(jī)械手定位機(jī)構(gòu)

圖8為桶箱機(jī)桶頭與砂箱內(nèi)壁關(guān)系，從圖中可以看出，由于捅頭上沒有內(nèi)壁清掃裝置，砂箱內(nèi)壁殘留型砂較多。

圖8 桶箱機(jī)桶頭與砂箱內(nèi)壁關(guān)系

2.3.2 解決方案

2.3.2.1 砂箱的定位方案

為了保證砂箱在捅箱機(jī)機(jī)械手上位置的一致性，可以考慮在機(jī)械手上設(shè)計(jì)一套定位裝置，當(dāng)機(jī)械手每次抓起砂箱時(shí)，砂箱位于同一位置上，按照這種設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了如圖9所示的一套砂箱定位裝置。利用砂箱的4個(gè)碰塊作為定位基準(zhǔn)，當(dāng)機(jī)械手抓起砂箱時(shí)，砂箱的4個(gè)碰塊進(jìn)入機(jī)械手砂箱定位塊的“U”形槽內(nèi)，由于砂箱定位塊位置固定，因此砂箱在捅箱機(jī)機(jī)械手的位置具備一致性。

圖9 新設(shè)計(jì)的砂箱定位裝置

2.3.2.2 砂箱內(nèi)壁清掃方案

砂箱在機(jī)械手上的位置具備一致性后，可以考慮在捅頭上設(shè)計(jì)并安裝一套內(nèi)壁清掃裝置。按照此設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了如圖10所示的一套砂箱內(nèi)壁清掃裝置。為了保證砂箱內(nèi)壁能夠清掃干凈，內(nèi)壁清掃裝置的外形尺寸應(yīng)該略大于砂箱的內(nèi)腔尺寸，因此，要求此套內(nèi)壁清掃裝置具備一定的彈性，在進(jìn)入砂箱內(nèi)腔時(shí)可以隨形縮小尺寸。為了實(shí)現(xiàn)此功能，在刮刀的根部設(shè)計(jì)了扭力彈簧，另外，為了提高刮刀的適應(yīng)性，將砂箱內(nèi)腔分為兩部分，一部分是直邊，另一部分是直角，刮刀也分為兩部分設(shè)計(jì)，分為直邊刮刀和直角刮刀。當(dāng)機(jī)械手抓起砂箱向上移動(dòng)時(shí)，固定在捅頭上的刮刀自動(dòng)將砂箱內(nèi)壁的殘留型砂清掃干凈。

2.4 鑄工小車臺(tái)面積砂清掃方案

2.4.1 問題解析

圖10 帶有砂箱內(nèi)壁清掃裝置的桶頭結(jié)構(gòu)

當(dāng)機(jī)械手抓起砂箱離開鑄工小車臺(tái)面后，由于砂型在澆注后型砂相對(duì)比較松散，因此有一部分型砂從砂箱內(nèi)腔脫落至鑄工小車臺(tái)面，而BMD線原有的鑄工小車臺(tái)面清掃裝置只能清掃一部分浮砂，而成塊的積砂難以清理干凈，該部分積砂如果不清理干凈，將會(huì)影響砂型質(zhì)量。如圖11所示。

圖11 原BMD線在鑄工小車上的積砂

2.4.2 解決方案

當(dāng)捅箱機(jī)機(jī)械手一次上升抓起砂箱后，板箱機(jī)構(gòu)有一個(gè)橫向移動(dòng)動(dòng)作，在橫向移動(dòng)時(shí)機(jī)械手跨過鑄工小車臺(tái)面，而且橫移時(shí)機(jī)械手與鑄工小車臺(tái)面在高度方向上的相對(duì)位置保持不變，利用此條件，可以在機(jī)械手上設(shè)計(jì)一套鑄工小車臺(tái)面清掃裝置。按照此思路，設(shè)計(jì)了如圖12所示的鑄工小車臺(tái)面清掃裝置。該裝置分為兩部分，一部分清掃成塊的積砂，采用剛性較好的刮刀清掃，另一部分清掃浮砂，采用剛性較低的鋼絲刷清掃。機(jī)械手一次上升到位后，鋼絲刷及刮刀均略低于鑄工小車臺(tái)面，刮刀根部配有扭簧，保證刮刀橫移通過鑄工小車臺(tái)面時(shí)不會(huì)卡住且通過后能自動(dòng)復(fù)位。

2.5 鑄件保溫冷卻時(shí)間延長(zhǎng)方案

2.5.1 問題解析

圖12 新設(shè)計(jì)鑄工小車臺(tái)面清掃裝置

原BMD線上捅箱機(jī)構(gòu)與輸送機(jī)構(gòu)的銜接關(guān)系如圖13所示，捅箱機(jī)機(jī)械手抓起砂箱后，砂箱底部與推送槽底部的高差達(dá)到1 000 mm，當(dāng)砂型及鑄件自砂箱捅出落入到推送槽內(nèi)時(shí)，由于高差帶來(lái)的沖擊較大，整個(gè)砂型破裂，鑄件從砂型中分離。另外，由于推送槽底部與鱗板輸送機(jī)的高差為400mm，而且鱗板輸送機(jī)是連續(xù)運(yùn)行，當(dāng)砂型及鑄件被推送至鱗板輸送機(jī)時(shí)，砂型進(jìn)一步散落，鑄件從砂型中完全分離出來(lái)暴露于空氣中，無(wú)法繼續(xù)保溫冷卻，鑄件外表溫度快速下降，表面硬度上升，超出工藝要求范圍。

圖13 原BMD線捅箱機(jī)構(gòu)與輸送機(jī)構(gòu)的銜接關(guān)系

2.5.2 解決方案

為了保證砂型及鑄件自砂箱捅出后不分散，首先要解決捅箱時(shí)砂箱及鑄件的落差問題，另外還要保證砂型及鑄件直接被捅至輸送機(jī)上，而且捅箱時(shí)輸送機(jī)呈靜止?fàn)顟B(tài)。按照此設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了如圖14所示的捅箱機(jī)及同步輸送帶。

首先由捅箱機(jī)機(jī)械手抓起砂箱上升，砂箱離開鑄工小車臺(tái)面60 mm后，機(jī)械手停止上升，捅箱機(jī)構(gòu)通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)移至同步輸送帶正上方，機(jī)械手繼續(xù)上升，砂箱隨之上升至最高點(diǎn)，由固定不動(dòng)的捅頭將砂型及鑄件捅至同步輸送帶上。當(dāng)捅頭接觸砂型時(shí)，砂箱底部距離同步輸送帶的距離只有90 mm，高差很小，砂型及鑄件因此受到的沖擊較小，而且在捅箱時(shí)，同步輸送帶靜止不動(dòng)，砂型及鑄件落至同步輸送帶上時(shí)基本上保持原有狀態(tài)不變，鑄件被型砂包圍，有效地起到了保溫冷卻的作用，延緩了鑄件表面溫度的下降速度，鑄件的表面硬度可以達(dá)到工藝要求。

在捅箱機(jī)構(gòu)橫向移動(dòng)過程中，砂箱處于懸空狀態(tài)，為了防止塌箱，在鑄工帶及同步輸送帶之間安裝了一個(gè)過渡平臺(tái)，用于托住散落的型砂并防止塌箱，散落的型砂通過機(jī)械手上的鋼絲刷及刮刀掃至同步輸送帶上。

2.6 捅箱機(jī)及同步輸送機(jī)的傳動(dòng)方案

2.6.1 問題解析

由于原有捅箱機(jī)采用的是液壓傳動(dòng)，系統(tǒng)復(fù)雜，油缸數(shù)量多，消耗的流量大，影響整條造型線的節(jié)拍。因此，在確保該部位的功能前提下，可以盡可能減少油缸的使用數(shù)量或采用其他傳動(dòng)方式替代液壓傳動(dòng)。

圖14 新設(shè)計(jì)捅箱機(jī)及同步輸送帶

2.6.2 解決方案

由于捅箱需要的推力很大，因此捅箱動(dòng)作采用油缸驅(qū)動(dòng)，油缸的控制采用比例閥控制技術(shù)，可以有效控制動(dòng)作的快慢。另外，由于油缸需要二次升降，因此，在液壓控制系統(tǒng)中需要配置液控單向閥，該部位的液壓原理如圖15所示。

圖15 改造后桶箱機(jī)液壓原理圖

捅箱缸動(dòng)作時(shí)各換向閥的帶電情況如圖16所示，油缸整個(gè)動(dòng)作周期分為圖示的12個(gè)階段。

圖16 改造后捅箱缸動(dòng)作時(shí)各換向閥的帶電情況

由于鑄工帶距離同步輸送帶位置較遠(yuǎn)，達(dá)到了4 450 mm，用油缸傳送比較困難。另外，為了不讓該部位的動(dòng)作影響整條造型線的節(jié)拍，并且在移動(dòng)的起始點(diǎn)定位準(zhǔn)確，因此選用了伺服電機(jī)作為捅箱機(jī)構(gòu)橫移時(shí)的驅(qū)動(dòng)器。

3 改造后的使用效果

改造后的捅箱機(jī)及同步輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。捅箱機(jī)的液壓系統(tǒng)油缸數(shù)量由原來(lái)的5條減為1條，由比例閥控制，快慢速明顯，動(dòng)作平穩(wěn)無(wú)沖擊。引用的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)，速度快，定位準(zhǔn)確。原有的問題基本上都得到解決，效果非常理想，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。改善后的效果如圖17所示。

圖17 改造后生產(chǎn)線的運(yùn)行情況

從圖17可以看出，自反捅箱及同步輸送技術(shù)在BMD線上應(yīng)用后，鑄工小車臺(tái)面的積砂得到了有效清掃，砂箱內(nèi)壁殘留型砂也都得到了有效的清理，砂型及鑄件自砂箱捅出后基本保持完整狀態(tài)，有效延長(zhǎng)了近15 min的保溫冷卻時(shí)間，鑄件的表面硬度達(dá)到了工藝要求。

4 結(jié)論

反捅箱及同步輸送技術(shù)在水平有箱造型線上的應(yīng)用是一種大膽的嘗試，通過充分的理論分析以及有效的實(shí)踐證明，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用是成功的。有此成功案例作為依據(jù)，今后也可以在其他水平有箱造型線上進(jìn)行推廣。