原標(biāo)題：大型一體化壓鑄島周邊自動(dòng)化設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘要

隨著新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，大型一體化車身壓鑄技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)車身輕量化的關(guān)鍵技術(shù)之一，正逐漸受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文旨在探討大型一體化壓鑄島周邊自動(dòng)化設(shè)計(jì)與實(shí)踐，通過分析傳統(tǒng)壓鑄現(xiàn)狀、大型一體壓鑄島布局、工藝流程和設(shè)備選型等方面，詳細(xì)闡述大型一體化壓鑄島周邊自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，為大型一體化壓鑄島周邊自動(dòng)化提供參考。

鋁合金壓鑄在汽車行業(yè)及通訊行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是2020年以來，以特斯拉為首一體化壓鑄的興起，引領(lǐng)壓鑄行業(yè)進(jìn)入6 000 t以上超大型壓鑄時(shí)代。通常壓鑄機(jī)、保溫爐、噴涂系統(tǒng)、取件設(shè)備和冷卻設(shè)備等構(gòu)成了壓鑄單元，行業(yè)術(shù)語稱之為壓鑄島。這些設(shè)備協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)鋁合金等輕金屬快速成形，通過冷卻后得到所需的鑄件。一體化壓鑄興起以前，2 000 t壓鑄島周邊自動(dòng)化配備簡單，如圖1傳統(tǒng)壓鑄島工藝布局，自動(dòng)化僅僅用于噴涂及取件，渣包和料餅去除全部采用手工去除。

圖1 傳統(tǒng)壓鑄島工藝布局簡圖

隨著免熱處理材料的開發(fā)，壓鑄零部件不斷向高集成化發(fā)展，零部件尺寸和質(zhì)量也在不斷增加，同時(shí)壓鑄機(jī)的噸位也隨之增加。通過調(diào)研，從表1壓鑄機(jī)與產(chǎn)品發(fā)展趨勢來看，壓鑄機(jī)的噸位越大，產(chǎn)品質(zhì)量越大。近年來，大型一體化壓鑄零件在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，且集中在4 000 t以上，產(chǎn)品越來越大，質(zhì)量也隨之增加，人工搬運(yùn)產(chǎn)品變得效率低下，且勞動(dòng)強(qiáng)度越來越大，產(chǎn)品的渣包料餅去除，產(chǎn)品檢測過程中搬運(yùn)效率提升必須走自動(dòng)化路線。本文結(jié)合自身壓鑄島周邊設(shè)計(jì)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從產(chǎn)品工藝流程，壓鑄島周邊布局，熔化爐自動(dòng)化投料，噴涂工裝設(shè)計(jì)原理，快速水冷站設(shè)計(jì)，渣包去除控制要點(diǎn)及工裝設(shè)計(jì)，等離子去料餅方案，自動(dòng)化去毛刺，在線X-Ray探傷檢測，自動(dòng)化裝箱和HSE等方面做了逐一說明。

表1 壓鑄機(jī)與產(chǎn)品發(fā)展趨勢

1大型一體化壓鑄島周邊自動(dòng)化設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品信息及工藝流程

圖2為一體化壓鑄后車身簡圖，基本外形尺寸1 600 mm×1 450 mm×800 mm，采用自研材料HA1-H壓鑄鋁合金材料，質(zhì)量54.5 kg。由于產(chǎn)品尺寸和質(zhì)量大，產(chǎn)品的搬運(yùn)困難。因此，壓鑄島的設(shè)計(jì)要盡可能減少搬運(yùn)。圖3為設(shè)計(jì)的工藝流程圖，為了減少搬運(yùn)過程，所有的加工都在壓鑄島內(nèi)完成，鋁錠的投料采用移動(dòng)機(jī)器人小車（以下簡稱AGV）以降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖2 一體式壓鑄后車身簡圖

圖3 壓鑄工藝流程

1.2 壓鑄島周邊自動(dòng)化布局

根據(jù)圖3的工藝流程，把所有的加工都盡可能放在壓鑄島內(nèi)。如圖4壓鑄島工藝布局所示，物料的流動(dòng)如下：鋁液熔化后，通過鋁液泵將熔化爐中鋁液搬運(yùn)到保溫爐中；保溫爐中的鋁液通過給湯機(jī)搬運(yùn)到壓室，通過壓鑄機(jī)壓射，鋁液充填到模具成為帶澆注系統(tǒng)的產(chǎn)品；當(dāng)凝固冷卻后，取件機(jī)器人取件，放入冷卻工位冷卻；冷卻后，搬運(yùn)機(jī)器人將產(chǎn)品放入去渣包工位，去除渣包；機(jī)器人取件放入去料餅工位（等離子切割），去除料餅后，搬運(yùn)機(jī)器人將產(chǎn)品放入打碼工位，給產(chǎn)品刻印明碼及二維碼；隨后搬運(yùn)產(chǎn)品進(jìn)入去毛刺工位，去毛刺完成后，根據(jù)品質(zhì)檢測需要進(jìn)入X-RAY抽檢，完成后通過成品下線AGV運(yùn)輸；通過人工工位全檢后，AGV運(yùn)輸產(chǎn)品到裝箱站，裝箱站機(jī)器人根據(jù)產(chǎn)品的品質(zhì)信息，進(jìn)行分類裝箱；當(dāng)裝箱完成后，AGV機(jī)器人將裝箱好的料架搬運(yùn)到對應(yīng)的區(qū)域入庫。

圖4 壓鑄島工藝布局。

2周邊關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 熔煉系統(tǒng)

大型一體化壓鑄帶澆注系統(tǒng)質(zhì)量約為82 kg，按90 s節(jié)拍計(jì)算，每小時(shí)鋁液消耗量為3.28 t，為了保證產(chǎn)能的穩(wěn)定性，選擇4 t/h熔化能力的熔化爐。為了保證保溫爐溫度的穩(wěn)定性，選擇10 t保溫爐。如圖5所示，鋁液熔化后，通過鋁液泵將鋁液運(yùn)輸?shù)奖貭t中，保溫爐下方也通過透氣磚通入氬氣，讓鋁液中的氫氣溢出，同時(shí)保溫爐也設(shè)計(jì)循環(huán)泵，保證鋁液的密度指數(shù)小于2%。同時(shí)也避免了傳統(tǒng)保溫爐通過叉車轉(zhuǎn)運(yùn)鋁液，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了效率。

圖5 熔化保溫爐示意圖

圖6所示，熔化爐上料采用AGV的方式，主要構(gòu)成有AGV小車，托盤和料車，料車底部帶有叉車孔，方便叉車上下料，側(cè)面的叉車孔和熔化爐投料提升機(jī)鏈接，可以提升料車，實(shí)現(xiàn)無人化操作。

圖6 AGV投料小車示意圖

2.2 噴涂系統(tǒng)

為了縮短噴涂時(shí)間，大型一體壓鑄噴涂必須采用仿形噴涂。如圖7所示，仿形噴涂采用多回路方式，對模具上需要噴涂的位置進(jìn)行分區(qū)控制，這樣有利于根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際需求，設(shè)定不同噴涂量及噴涂時(shí)間，在保證脫模效果的同時(shí)，還能進(jìn)一步減少噴涂時(shí)間。

圖7 仿形噴涂簡圖

同時(shí)，配比機(jī)采用多個(gè)脫模劑混合箱，可以實(shí)現(xiàn)不同濃度配比，結(jié)合工裝的多回路控制，不僅實(shí)現(xiàn)了分區(qū)時(shí)間控制，也實(shí)現(xiàn)了分區(qū)濃度控制，特別有利于深腔的位置；結(jié)合大型壓鑄機(jī)的開模距離比較大，6 000 t以上壓鑄機(jī)開模距離在2 000 mm以上，這樣就有足夠的空間在動(dòng)定模設(shè)計(jì)噴涂，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)定模同時(shí)噴涂，大幅縮短了噴涂時(shí)間。

2.3 冷卻裝置

由于產(chǎn)品質(zhì)量較大，采用傳統(tǒng)的風(fēng)冷方式，需要更多的時(shí)間且占用空間大，因此，大型一體壓鑄零件冷卻必須采用水冷，這樣效率更高。可以在30 s以內(nèi)將產(chǎn)品的溫度降低在70 ℃以下，為后工序的產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性提供了保障。水箱的材質(zhì)采用304不銹鋼，可以避免后續(xù)使用時(shí)生銹。水溫控制在50 ℃左右。如圖8所示，水冷工裝采用浮球加緊工裝，借助水的浮力，在升降過程中，零件定位更穩(wěn)定，速度更快，生產(chǎn)效率更高。

圖8 水冷裝置簡圖

2.4 去渣包站

大型一體化零件渣包去除是行業(yè)的痛點(diǎn)，主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面：①為了避免渣包取件過程中掉落，通常把渣包連接在一起，造成去除后容易掛在設(shè)備上，造成堆積故障停機(jī)；②渣包去除不干凈；③渣包去除時(shí)拉缺產(chǎn)品，造成產(chǎn)品缺料，影響品質(zhì)。為了解決這些問題，帶澆道的產(chǎn)品進(jìn)入去渣包站之前必須進(jìn)行剪斷。如圖9是去渣包站的示意圖，廢料可以采用AGV小車轉(zhuǎn)運(yùn)，減少人工搬運(yùn)，提升效率。為了解決渣包去除不干凈或缺料的問題，在時(shí)間中，總結(jié)了如圖10所示的經(jīng)驗(yàn)。壓鑄模設(shè)計(jì)過程中需要將渣包的搭接口厚度控制在1.5 mm以內(nèi)，否則去除渣包過程中，會(huì)拉傷產(chǎn)品本體。

圖9 去渣包站結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 去渣包原理圖

2.5 等離子切割站

圖11為等離子切割站示意圖，采用倒掛機(jī)器人搬運(yùn)等離子切割槍頭，對產(chǎn)品的澆道進(jìn)行切割，澆道去除后，掉入AGV小車中，去渣包AGV小車，等離子切割小車及熔爐的小車規(guī)格一致，可以實(shí)現(xiàn)去渣包料餅直接通過AGV進(jìn)行投料到熔爐中，實(shí)現(xiàn)物料循環(huán)，不需要人工轉(zhuǎn)運(yùn)。如圖5所示。圖12為切割澆道的分界線。由于等離子切割在切割過程中，本體必須連續(xù)，因此，模具設(shè)計(jì)時(shí)，需要把澆道前端鏈接在一起，這樣既保證了不斷弧，又不切傷產(chǎn)品。

圖11 等離子切割站

圖12 切割澆口示意圖

2.6 去毛刺站

大型一體壓鑄零件，可采用機(jī)器人配合電主軸方式進(jìn)行毛刺處理，工具可以選用銼刀、銑刀和砂輪片等工具，對零件毛刺和非標(biāo)進(jìn)行打磨處理。毛刺主要產(chǎn)生的位置為產(chǎn)品分型線、鑲拼線和頂針痕跡。為了讓去毛刺站高效運(yùn)行，采用雙各位旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)，保證上下料不影響去毛刺加工時(shí)間；同時(shí)，產(chǎn)品夾緊工裝具備360°旋轉(zhuǎn)，既保證了產(chǎn)品的正面可以去毛刺，反面也可以去毛刺。去毛刺的標(biāo)準(zhǔn)主要參考整車的裝配，分為不同等級(jí)，影響裝配和外觀的毛刺必須去除，對不影響外觀及功能的毛刺，可以不用去除。

圖13 去毛刺站簡圖

2.7 探傷檢測站

探傷主要檢測鑄件內(nèi)部的氣孔和縮孔等缺陷，一般以離線檢測為主，由于一體化壓鑄件產(chǎn)品尺寸大，采用離線檢測的方式耗時(shí)，從壓鑄島搬運(yùn)到實(shí)驗(yàn)需要10 min，再將壓鑄件放入探傷設(shè)備檢驗(yàn)反饋結(jié)果，不僅搬運(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)度大，耗時(shí)多，還結(jié)果反饋慢。在開發(fā)初期就將探傷機(jī)放在壓鑄島內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)快速探傷檢測。

同時(shí)由于信息傳遞延遲，浪費(fèi)時(shí)間。為了解決這些問題，將X-RAY探傷設(shè)備集成在壓鑄島中，不僅減少了產(chǎn)品的搬運(yùn)，還可以快速反映鑄件品質(zhì)的狀態(tài)。同時(shí)也可以根據(jù)增加抽檢的頻率。減少不良損失。圖14為X-RAY探傷設(shè)備的外形圖。產(chǎn)品放在檢測支架小車上，下方有四個(gè)滾輪，由于小車下面的軌道和探傷房內(nèi)部的軌道不連續(xù)，四個(gè)滾輪完美解決這個(gè)問題。小車進(jìn)入鉛房內(nèi)，關(guān)閉安全門，開始進(jìn)行探傷檢測。

圖14 探傷設(shè)備外形圖

2.8 自動(dòng)化裝箱

圖15為產(chǎn)品在AGV上的示意圖。通過機(jī)器人將產(chǎn)品放在AGV小車上，小車識(shí)別到有產(chǎn)品后，搬運(yùn)產(chǎn)品到人工檢查工位（圖16）；人工對產(chǎn)品外觀進(jìn)行100%檢查，檢查后輸入合格和不合格信息，信息傳遞到自動(dòng)化裝箱站。機(jī)器人根據(jù)產(chǎn)品信息將產(chǎn)品放入合格品或不合格品的料架，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)裝箱。當(dāng)裝箱站的料架裝滿產(chǎn)品后，自動(dòng)化裝箱站呼叫新的AGV進(jìn)入自動(dòng)化裝箱站，更換新的料架。整個(gè)過程自動(dòng)化完成，減少人工搬運(yùn)，提高效率。

圖15 成品下線AGV搬運(yùn)圖

圖16 自動(dòng)裝箱站示意圖。

3壓鑄環(huán)保要求

壓鑄島及周邊環(huán)境保護(hù)方面的要求，如表2壓鑄專業(yè)涉及標(biāo)準(zhǔn)匯總所示，其中包含危廢/棄物相關(guān)、職業(yè)衛(wèi)生、通用標(biāo)準(zhǔn)、大氣排放標(biāo)準(zhǔn)、大氣污染防治技術(shù)和粉塵防爆標(biāo)準(zhǔn)等多個(gè)方面。這些規(guī)定由國家和地區(qū)的法律法規(guī)執(zhí)法部門規(guī)定，依據(jù)地方法規(guī)有差異，實(shí)施壓鑄島規(guī)劃前需詳細(xì)了解地方環(huán)境保護(hù)規(guī)定。

表2 壓鑄專業(yè)涉及HSE標(biāo)準(zhǔn)匯總

特別是熔煉區(qū)域，依據(jù)《安全預(yù)評(píng)價(jià)報(bào)告》及《國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令》第91號(hào)要求：企業(yè)對熔煉爐和保溫爐等設(shè)備，應(yīng)當(dāng)設(shè)置鋁液緊急排放和儲(chǔ)存的設(shè)施，并在設(shè)備周圍設(shè)置攔擋圍堰，防止鋁液外流。這個(gè)要求在企業(yè)容易被忽略。壓鑄環(huán)節(jié)，壓鑄廢氣大部分企業(yè)會(huì)按照煙霧凈化內(nèi)排處理，依據(jù)最新法規(guī)《鑄造工業(yè)大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》-GB 39726—2020要求，壓鑄廢氣中含非甲烷總烴，必須采取有組織排放。

4結(jié)束語

（1）未來大噸位壓鑄島要全工序集成，避免物料的不必要搬運(yùn)，同時(shí)壓鑄島還要實(shí)現(xiàn)智能化控制，提升整體生產(chǎn)效率。

（2）壓鑄模具設(shè)計(jì)制造，要充分考慮后工序渣包和澆道去除方案；模具與壓鑄機(jī)如何實(shí)現(xiàn)快速換模。

（3）X-RAY探傷規(guī)劃設(shè)計(jì)在壓鑄島內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)快速檢測，反映品質(zhì)問題，X-RAY自動(dòng)缺陷識(shí)別如何和壓鑄參數(shù)關(guān)聯(lián)。

（4）零件搬運(yùn)及廢料的轉(zhuǎn)移采用AGV搬運(yùn)的方式，可以大幅減少人工，同時(shí)智能化需要提升。

（5）在環(huán)保方面，要依據(jù)最新法規(guī)，熔化保溫爐要做好圍堰，避免鋁液泄露造成更大的損失；冷卻水泄漏要做好檢測，和壓鑄機(jī)關(guān)聯(lián)；熔化爐和等離子除塵要有組織排放（＜10 mg/m³）；壓鑄機(jī)煙霧除塵采用有組織排放，去毛刺除塵采用濕式除塵器。

作者

侯東鋒 王健 宋成猛 高文杰 李承璋 單浩

浙江極氪汽車研究開發(fā)有限公司

本文轉(zhuǎn)載自：鑄造雜志