郝鵬磊,王 飛,馬 洪,陳省利

(陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 722409)

壓力鑄造是一種先進(jìn)高效的金屬成形方式,在汽車、通信和家電等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。近年來,隨著全球?qū)?jié)能減排、產(chǎn)品輕量化技術(shù)的大力開發(fā)和重視[1],壓鑄件以其壁薄、輕巧、耐用以及符合輕量化概念而得到大家廣泛推崇。目前,針對高端車型而研發(fā)的一款高性能全鋁合金新型變速器,其殼體均為鋁合金壓鑄件。其中變速器殼體、離合器殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,模具成形面積大,鑄件單件生產(chǎn)周期較長,約295 s。然而,隨著該變速器殼體和離合器殼體需求量激增,現(xiàn)有相關(guān)配套設(shè)備的生產(chǎn)效率很難滿足市場需求,在有限的人員和設(shè)備條件下,亟需提高生產(chǎn)效率。因此,本文開發(fā)了一種仿形噴涂裝置,制定仿形噴涂工藝,以降低噴涂時(shí)間,提高班產(chǎn)量。

在壓鑄噴涂工序,采用噴涂機(jī)器人安裝噴涂裝置,將脫模劑混合液均勻噴灑到模具表面,然后再進(jìn)行吹氣,將模具表面吹干,最終脫模劑均勻附著在模具表面。該過程一般持續(xù)數(shù)分鐘,主要作用是為了避免鑄件在壓鑄過程中與壓鑄模焊合,減少鑄件頂出的摩擦阻力,避免模具黏鋁和壓鑄模過分受熱。因此,噴涂質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響鑄件的生產(chǎn)周期和質(zhì)量。

模具仿形噴涂裝置是根據(jù)鑄件模具的外形形狀、鑄件的溫度場而設(shè)計(jì)的一種噴涂裝置,噴涂范圍可覆蓋模具成形面積的95%以上,大幅減少模具噴涂時(shí)間,對深腔、死角及厚壁區(qū)域有很好的噴涂效果,減少黏鋁、黏模風(fēng)險(xiǎn)。目前,模具仿形噴涂技術(shù)在歐美、日本等一些發(fā)達(dá)國家的應(yīng)用非常普遍,但在國內(nèi)壓鑄生產(chǎn)廠家中的應(yīng)用才剛剛開始。

本文以變速器殼體及離合器殼體鑄件為研究對象,分析了產(chǎn)品結(jié)構(gòu),詳細(xì)地介紹了仿形噴涂工藝方案,包括裝置的制作及工藝參數(shù)的制定等,成功地開發(fā)出仿形噴涂工藝,解決了變速器殼體及離合器殼體鑄件單件生產(chǎn)周期長這一難題,為其他新開發(fā)鑄件降低單件生產(chǎn)周期提供了工藝參考。

1 仿形噴涂裝置設(shè)計(jì)過程

1.1 產(chǎn)生熱節(jié)及噴涂死角部位

圖1為變速器殼體鑄件結(jié)構(gòu),其中外形尺寸為520 mm×410 mm×270 mm,毛坯平均壁厚約6 mm,體積為1.0168×107mm3,鑄件材料為鋁合金ADC12,重量約22.45 kg。圖2為離合器殼體鑄件結(jié)構(gòu),其外形尺寸為523.6 mm×523.6 mm×420.3 mm,毛坯平均壁厚約6 mm,體積為1.18×107mm3,鑄件材料為鋁合金ADC12,產(chǎn)品重量30.12 kg。

(a)正面;(b)反面圖1 變速器殼體(a)front;(b)reverseFig.1 Transmission housing

(a)正面; (b)反面圖2 離合器殼體(a)front;(b)reverseFig.2 Clutch housing

由鑄件模型可知,兩種鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,局部尺寸厚大,且壁厚變化較大,鑄造過程中易形成熱節(jié),導(dǎo)致產(chǎn)品局部易形成縮松、粘缺等缺陷[2]。噴涂機(jī)器人在噴涂過程中,易產(chǎn)生噴涂死點(diǎn)。因此,在產(chǎn)生熱節(jié)及噴涂死角部位需要設(shè)置加長、可變換角度噴嘴。

1.2 噴涂裝置初步模型

圖3為兩種鑄件模具結(jié)構(gòu)圖,均為五開模復(fù)雜結(jié)構(gòu),深腔、死角部位較多,因此設(shè)計(jì)噴頭時(shí)需要有六面板噴涂,才能覆蓋所有部位。圖4為根據(jù)模具結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)的仿型噴涂結(jié)構(gòu),采用六面板結(jié)構(gòu)。

圖3 (a)變速器殼體和(b)離合器殼體模具圖Fig.3 Mold drawing of (a)transmission housing and (b)clutch housing

圖4 仿型噴涂裝置初步模型Fig.4 Preliminary model of profiling spraying device

1.3 各部位噴嘴數(shù)量

采用MAGMA模擬[3]變速器殼體鑄件溫度場,結(jié)果見圖5。由圖5可知,鑄件深腔部位、中心隔板及澆口附近溫度較高。因此,需在這些部位對應(yīng)模具位置增加噴頭數(shù)量。

(a)凝固50%溫度場;(b)凝固80%溫度場圖5 變速器殼體溫度場模擬(a)temperature field of 50% solidification;(b)temperature field of 80% solidificationFig.5 Temperature field simulation of transmission housing

離合器殼體鑄件溫度場模擬結(jié)果見圖6。由圖6可知,該鑄件為圓桶狀,兩側(cè)深腔部位及澆口附近溫度較高,并且存在噴涂死角。因此,需在以上部位增加噴頭數(shù)量。

(a)凝固50%溫度場;(b)凝固80%溫度場圖6 離合器殼體溫度場模擬(a)temperature field of 50% solidification;(b)temperature field of 80% solidificationFig.6 Temperature field simulation results of clutch housing

1.4 仿型噴涂裝置最終模型

綜合以上因素設(shè)計(jì)了仿型噴涂裝置,再將模型導(dǎo)入U(xiǎn)X工程軟件中,根據(jù)每個(gè)噴嘴噴涂的范圍,保證噴涂范圍可完全覆蓋模具成型面,然后得出最終裝置模型。圖7為變速器殼體噴涂裝置最終模型,圖8為離合器殼體噴涂裝置最終模型,圖9為利用UX軟件模擬噴涂裝置模型在模具中的噴涂效果。

圖7 變速器殼體噴涂裝置模型Fig.7 Spraying device model for transmission housing

圖8 離合器殼體噴涂裝置模型Fig.8 Spraying device model for clutch housing

圖9 UX軟件模擬噴涂裝置的噴涂效果Fig.9 Spraying effect of spraying device simulation by UX software

2 噴涂工藝開發(fā)

由于噴涂裝置不是單獨(dú)存在,需要自動(dòng)化控制,先進(jìn)制造廠家均采用機(jī)器人(見圖10)控制噴頭位置、噴頭角度、噴涂時(shí)間和吹氣時(shí)間以達(dá)到生產(chǎn)合格質(zhì)量鑄件的需求。本文采用ABB機(jī)器人,因此噴涂工藝開發(fā)即為機(jī)器人程序參數(shù)的開發(fā)。

圖10 噴涂機(jī)器人Fig.10 Spraying robot

噴涂工藝開發(fā)首先根據(jù)模具生產(chǎn)時(shí)使用熱成像儀采集的實(shí)時(shí)模溫(見圖11),前期設(shè)計(jì)階段采用MAGMA模擬溫度場,可以保證噴涂裝置的主體結(jié)構(gòu),但細(xì)節(jié)方面與實(shí)際還存在偏差,因此在噴涂工藝細(xì)化時(shí),需要根據(jù)模具的實(shí)時(shí)模溫進(jìn)行調(diào)整,確定模具各個(gè)位置噴涂量的大小,然后再調(diào)整噴涂機(jī)器人 的程序;其次根據(jù)生產(chǎn)鑄件的外觀情況,觀察鑄件是否存在冷隔、裂紋等缺陷;最后根據(jù)鑄件內(nèi)部探傷質(zhì)量。通過以上結(jié)果調(diào)整噴涂機(jī)器人程序,控制機(jī)器人運(yùn)行軌跡、噴頭位置、噴頭角度、噴涂時(shí)間和吹氣時(shí)間,從而制定出合理的噴涂工藝參數(shù)[4]。

(a)動(dòng)模芯;(b)定模芯圖11 鑄件實(shí)際生產(chǎn)溫度場(a) moving mold core;(b)fixed mold coreFig.11 Actual production temperature field of castings

下面程序代碼為現(xiàn)場調(diào)試的最終變速器殼體生產(chǎn)合格鑄件時(shí)噴涂參數(shù)程序,主要參數(shù)說明:MoveLSpray pMob20, vSpeedzone2in, z5, tSprayWObj:=wPDC,TRUE,TRUE,TRUE,TRUE,TRUE,FALSE,FALSE,TRUE,其中噴涂時(shí)間(WaitTime 1)、噴涂速度(vSpeedzone2in)、噴頭噴霧過程軌跡(MoveLSpray pMob20)、各回路噴頭閥的控制(TRUE,TRUE,TRUE,TRUE,TRUE,FALSE,FALSE,TRUE;)。

①主程序

PROC main()

IF bMoveHome=FALSE THEN

rInitInterrupt;

ENDIF

IF bMoveHome=TRUE THEN

rMoveOutDie;

ENDIF

WHILE NOT fIrbToHomePos(pHome,tSpray,wobj0,150,0.01)DO

ENDWHILE

rResetOutput;

SetDO do03I_AFOB, high;

WHILE TRUE DO

rStartCycle;

WaitTime 0.2;

ENDWHILE

ENDPROC

②噴涂主程序

PROC rDie_Spray()

AccSet 50,50;

rOverPDC;

rInPDC;

rSprayFix;

rSprayMob;

rBlow;

rOutofPDC;

ENDPROC

③動(dòng)模噴涂程序

PROC rSprayMob()

rSetAir1Press nAirpress3in;

rSetAir2Press nAirpress3in;

rSetLube1Press nLubpress3in;

rSetLube2Press nLubpress3in;

nRobPos:=4;

MoveLSpray pMob10,vSpeedzone2in,z5,tSprayWObj:=wPDC,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE;

MoveLSpray pMob20,vSpeedzone2in,z5,tSprayWObj:=wPDC,TRUE,TRUE,TRUE,TRUE,TRUE,FALSE,FALSE,TRUE;

WaitTime 1;

MoveLSpray pMob20,vSpeedzone2in,z5,tSprayWObj:=wPDC,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,TRUE,FALSE,FALSE,TRUE;

WaitTime 5;

MoveLSpray pMob20,vSpeedzone2in,z5,tSprayWObj:=wPDC,TRUE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,TRUE;

WaitTime 6;

MoveLSpray pMob20,vSpeedzone2in,z5,tSprayWObj:=wPDC,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE,FALSE;

nRobPos:=4;

ENDPROC

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

通過對變速器殼體、離合器殼體應(yīng)用仿型噴涂后的生產(chǎn)情況進(jìn)行跟蹤,各統(tǒng)計(jì)80個(gè)班次的生產(chǎn)情況。變速器殼體鑄件改善前,鑄件單件生產(chǎn)周期為295 s,每班平均生產(chǎn)約71件;改善后生產(chǎn)周期198 s,每班平均生產(chǎn)85件,見圖12。離合器殼體鑄件改善,鑄件單件生產(chǎn)周期為295 s,每班平均生產(chǎn)約73件;改善后生產(chǎn)周期236 s,每班平均生產(chǎn)80 件,見圖13。

圖12 變速器殼體鑄件生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.12 Production data statistics of transmission housing castings

圖13 離合器殼體鑄件生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.13 Production data statistics of clutch housing castings

4 應(yīng)用仿型噴涂過程中出現(xiàn)問題及整改措施

在應(yīng)用仿型噴涂降低鑄件單件生產(chǎn)周期[5]調(diào)試過程中,出現(xiàn)卡錘頭現(xiàn)象(錘頭是是連接在壓鑄機(jī)射料桿上,接觸在料筒上的鑄鐵配件)。該仿型噴涂之前每生產(chǎn)1200件毛坯換一個(gè)錘頭,但在調(diào)試過程中每生產(chǎn)600件毛坯需要換一次錘頭。經(jīng)過對壓室和錘頭溫度場進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)料筒溫度過高,一般為200 ℃左右,但實(shí)測溫度為300 ℃。通過對壓室進(jìn)行噴涂,降低溫度至200 ℃左右,有效改善卡錘頭現(xiàn)象。

生產(chǎn)過程中常因操作失誤導(dǎo)致噴涂裝置破損,由于噴涂裝置采用仿型設(shè)計(jì),破損后維修進(jìn)度非常緩慢。因此在使用過程中要設(shè)置權(quán)限,達(dá)到要求的技術(shù)人員方可操作。

5 總結(jié)

1)鑄件單件生產(chǎn)周期降低是一個(gè)系統(tǒng)工程,要達(dá)到穩(wěn)定的生產(chǎn)狀態(tài),必須要考慮整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié),使整個(gè)系統(tǒng)升級達(dá)到與之匹配。

2)通過仿形噴涂裝置設(shè)計(jì)、噴涂工藝開發(fā),變速器殼體鑄件單件生產(chǎn)周期提高了32.8%,每班平均生產(chǎn)提高了19.7%;離合器殼體鑄件單件生產(chǎn)周期提高了20%,每班平均生產(chǎn)提高了9.5%。

3)將該噴涂工藝應(yīng)用到其他類似壓鑄件,也有效降低鑄件單件生產(chǎn)周期。