普铝铸造机改造分析

何力

【摘 要】随着我国制造业的不断发展，铸造行业的装备水平不断提高，但铝锭铸造装备和国际先进水平还存在着一定的差距。本研究从现有普铝铸造机的结构模块出发，根据实际生产中所发生的问题，对现有机器的铝锭浇铸、液压、脱模、输送等机构进行了全面的改造分析。经过改造后的普铝铸造机，其可靠性和使用寿命大幅度提高，而生产成本和能耗相应地有所降低。

【关键词】普铝铸造机；存在的问题；改造

铝是一种应用广泛的金属材料，其应用范围涵盖了航空航天、车辆船舶以及日常的生活用品，制造业对其的需求一直保持着稳定增长，导致对铝铸造生产的技术要求也越来越高。因此，如何对现有普铝铸造机进行改造，使其具有轻量高效、节能环保的特点，成为了行业研究的重点。同时，降低普铝铸造生产过程中的劳动成本和环境成本，对于铝铸造业的可持续发展也具有重要意义。

1 普铝铸造机目前存在的问题

普铝铸造机一般由圆盘分配器、船型溜槽、链条输送装置、打击脱模装置以及冷却、驱动等装置组成。本节主要研究了圆盘分配器设计问题、输送装置的平稳性问题、打击装置的可靠性问题以及液压系统的能耗问题。

1.1 圆盘分配器的使用寿命短且铝液分配不均匀

普铝铸造机中，将铝液均匀分配到铸模中的部件称为铝液分配器，又叫圆盘分配器。一般情况下，圆盘分配器由铸铁铸出的主体、支撑筋、铝液浇嘴和拨片经过一系列加工形成整体，再进行安装。圆盘分配器工作时，通过拨片和铸模摩擦，以控制分配器浇嘴和铸模一致运行，保证铝液的均匀分配。然而，在实际生产中，由于高温铝液会进入分配器间隙，造成圆盘分配器使用寿命缩短。例如，由于在设计中没有充分考虑到形状、材质差异对主体和拨片的热容影响，导致分配器主体抗热抗形变能力远大于拨片，当高温铝液进入分配器主体与拨片之间的间隙并冷却膨胀时，拨片发生严重变形，影响分配器的使用寿命。进一步的，当拨片发生变形或者松动时，拨片的节距的准确性受到影响，使得其不能带动分配器与铸模同步运行，使铝液浇嘴不能将铝液均匀地分配到每一片铸模当中，后果是铸造的铝锭大小不均匀。

1.2 链条输送装置的平稳性较差

链条输送装置在普铝铸造的过程中，主要起到运输铸模的作用。铝液通过溜槽浇铸到铸模中，通过链条输送后，经打击脱模后堆垛。通常情况下，铝锭输送链由外链板与销轴过盈配合，再与止锁件构成外链节，内链板与筒套过盈配合，再与滚子构成内链节，销轴与套筒相穿形成铰链，内外链节交错排列构成输送链条。由于输送链条的工作环境中存在铸模传热和铝液的热辐射，并且空气中存在的粉尘和水蒸气使得工作环境极为恶劣，输送链条前后温差较大，润滑状况不理想，使得链条输送的平稳性很差。主要原因是空气杂质进入滚子以后，增大了链条的转动摩擦，出现可见性磨损，产生松动。更严重的会使输送链条抖动，产生脱链和爬齿，进一步导致铝锭表面产生水波纹，造成产品质量下降。据研究，常见铝锭表面波纹存在同心圆状、两端沟槽状和泡状波纹三种。通常情况下这三种波纹同时存在，前两种波纹问题都可以通过其他方式改进，而第三种波纹的影响最为严重，主要通过对链条的改造来进行解决。水波纹的产生与输送链条的振动有着直接关系。一般来说，输送链条的振动形式分为滚子的径向变形振动、横向振动与纵向振动、链轮的轴向与径向振动。其中最后一种振动是导致铝锭表面水波纹的主要原因。传统的滚子链啮合时，后啮合的滚子沿着先啮合滚子的中心圆弧啮入，在滚子与链轮底部接触时，产生周期性冲击；同时，由于多边形效应，当驱动链匀角速度转动时，链条的运行速度也会呈现周期性变化，加强了链条的不稳定性；再者，由于链条传动速度的周期性变化将影响传动的均匀和同步，引起铸模振动，导致液态铝晃动，由于铸模内的冷却是由外而内的，导致了边缘先凝固成型，剩余铝液依次凝固，在中心形成沟槽。

1.3 打击脱模装置的可靠性较低

现有普铝铸造机的打击脱模装置多采用气动式打击，其主要由气缸、支撑轴、打击头和电磁换向阀构成。工作方式为压缩空气推动气缸活塞伸缩，带动与支撑轴相连的打击头击打铸模，使铝锭与铸模分离，并通过电磁换向阀使得打击装置周期性运作。而这样的打击装置存在许多缺点：气动式打击采用电磁换向阀控制，其控制指令通过PLC发送到控制元件，再通过气缸传导到打击臂，完成一次打击。由于打击动作频率较高，会使得其中的机械部件严重磨损。同时，高温和振动会导致打击气缸密封圈泄漏，影响打击效果；由于控制系统组件多且复杂，PLC、传感器、电磁阀等任意一个部件损坏，都会使打击系统发生故障，可靠性严重降低；刚性打击使得打击臂断裂、支撑轴和连接轴磨损以及油雾器、自动排污器故障，减少打击部件的使用寿命；压缩空气压力会影响打击效果：一般情况下，工厂的多个生产车间会共用空压站，当其他生产车间处于用气高峰时，会造成打击脱模装置的空气压力减小，打击效果不理想，反之会加大打击力度，使打击装置受损，并间接影响了铸模的使用寿命；同时，由于气动打击装置在铸造机的安装位置受限，使其只能在铸造机两侧调整位置，使打击位置比较固定。由于铸模的工作温度通常较高，结构强度下降严重，较为集中的打击会使加速铸模的损坏。通常情况下，打击头会首先磨损铸模边缘，随后打击形成凹槽，最后导致铸模开裂。这样不仅缩短了铸模的使用寿命，还造成了安全隐患。

1.4 普铝铸造机液压系统的能耗过大

铸造机液压系统的主要作用是将电机产生的机械能转化为流体介质的压力能，然后通过执行元件将压力能转化为能够驱动工作机构直线运动和回转运动的机械能。在这个过程中，液压系统主要存在有机械摩擦产生能耗、流体流量损耗、匹配损耗以及压力损耗。机械摩擦能耗主要存在于液压缸活塞摩擦、液压泵和马达摩擦，这样的能耗一般来说不可避免；流量损耗主要体现在溢流损耗上，由于液压泵的输出压力超出溢流阀的设定压力时，会导致系统溢流。而当负载增大导致系统停止运行时，系统溢流会更加严重，此时电动机的输出功率将完全损耗，转化为溢流流体的热能，从而导致油温升高，设备使用寿命降低。除了溢流阀的流量损失以外，液压油泄漏也是流量损耗的原因之一；压力损耗是指流体流动时，为了克服阻力而消耗的能量，而由于普铝铸造机的等截面直管数量不多，沿程压力损失较小。由于普铝铸造机的工作环境较为稳定，液压系统主要的流量和压力损耗主要与液压泵与系统负载的匹配不当有关，由于普铝铸造机具有多执行器的液压系统，在实际应用中，液压泵输出与不断变化的负载实现绝对适应匹配是无法做到的，液压泵所提供的压力和流量往往高于实际实时负载的需求，导致了能量损耗。

2 普铝铸造机的优化改造方案

针对上述问题，结合生产经验，本节提出了对分配器、输送链条、打击脱模装置和液压系统的优化设计和改造。

2.1 圆盘分配器结构的优化设计

大部分普铝铸造机的圆盘分配器主体由厚重的铸铁铸造而成，而拨片的材料采用轻薄的碳素钢，当二者通过螺栓连接紧固在一起时，必定导致吸热不均匀，主体会将多余的热量传导至拨片；同时，由于高温铝液直接进入主体与拨片的间隙并冷却膨胀，导致了拨片的变形。在圆盘分配器结构的优化设计中，将拨片的位置远离主体至20cm并固定，同时使用挡圈将主体固定。采用这样的改进以后，拨片与主体之间不再连接，主体的热量不能直接传导至拨片，使拨片受热形变问题得到改善；同时，由于拨片与主体之间有了较大的距离，使得拨片不再直接接触高温铝液，较好地解决了由于高温铝液膨胀而带来的拨片膨胀问题。由于拨片使用寿命的延长和稳定性增加，使铝液分配的均匀性得到较大改善，进一步提高了铝锭铸造的质量。

2.2 输送链结构的改造与维护

对链条的改造，首先要修正链轮的节距。传统的等节距链条，其中心在运行时会呈现周期性变化。据研究，当链轮的弧节距等于链条的节距时，可以使链条的运行振动明显降低，避免掉链和爬齿的发生。经这样改造的链条，一方面可以减小输送装置的横向振动，另一方面，由于滚子和链轮齿槽底部之间存在间隙，使滚子不会冲击齿槽，从而使得啮合过程中不产生径向冲击。只有当滚子完全啮合时才开始径向接触，使得切向和径向的冲击错开，降低了链条的振动；同时我们通过修正链轮齿形，可以减小啮合压力角，从而降低啮合时的冲击速度。具体来说啮合压力角越小，传动效率越高，但机械强度越低，建议采用14.5或15°压力角，以更好地降低冲击能量，减小振动；另外，还可以通过增大齿沟的圆弧半径來实现降低振动。除了以上结构改造，在链条材料的选择上，要保证材料的耐磨、耐疲劳，与其他元件匹配，才能有效提高稳定性。据研究，35CrMo碳合金钢比40Cr钢的强度更大、韧性更好，可以适应500℃的长期工作环境，适合用作销轴的材料；套筒的材料采用20CrMo合金钢，可有效提高链条的磨损寿命和抗冲击能力。

2.3 简化脱模装置的执行结构和电气控制

现有打击装置之所以存在诸多缺点，主要是因为其执行机构和电气控制系统太过复杂，气动式机构的稳定性较差，造成了较高的故障率。因此，对其的改造主要着重于简化脱模装置的执行机构和电气控制系统。首先简化机械执行机构，去除气缸气动三联件；去除电气控制系统，包括PLC、传感器和电磁阀；安装通过齿轮传动的机械式执行机构。这样改造以后，机构通过铸造机运行带动了铸模和传动臂进行同步运行，传动臂进一步带动主动轴上的主动齿轮，进而带动从动齿轮运转。从动齿轮会通过平键的扭矩带动从动轴，使与之相连的两根打击臂与铸模同步运行。这样的打击装置去掉了原来的气动和电气控制系统，提高了运行稳定性。同时，其不再需要额外的动力装置，只需通过铸造机动力带动打击装置；结构简单，体积较小，空间利用率高；稳定性较高，能够提供恒定的打击力；弹簧钢板改造的打击臂有一定的缓冲作用，减少对铸模的损耗，从而降低故障率。

2.4 液压元件的执行顺序与动力源改造

虽然无法做到液压泵的输出与负载的绝对匹配，但可以通过改变执行元件工作顺序与工作时间或替换驱动装置，来实现执行元件的工作稳定性，从而减少液压泵的供油流量，以降低生产能耗。一般来说，普铝铸造机液压系统执行元件在一个工作循环的工作顺序如下：冷运输机的液压马达做间歇运动，在4.5s的工作周期中，要求液压马达完成转动和制动的时间在1.5s以内；随后引锭钩液压缸引进铝锭，并进行自我复位，此过程用时1.5s；小车上行夹起铝锭消耗流量，下行不消耗；小车水平移动时，接通电液比例阀，液压缸左腔进油，耗时4.5s；夹具上升复位时，电液比例阀再次接通，右腔进油，小车后退，耗时4.5s。在这样的顺序下，最大流量和最小流量差异过大，由于溢流导致的流量损耗加大。对于这样的问题，我们既可以延后后层夹具放下和升起时间，同时缩短小车后退时间以使得最大最小流量差异减少，以降低液压泵的供油流量；另外，我们还可以将小车的液压马达替换为伺服电机。伺服电机是永磁同步型交流电机，相比于液压马达，它具有精度高、响应快等特点，可以很好地保证小车运行的可靠性。同时，为了使流量泵和负载更加匹配，将普铝铸造机的节流调速系统，从现有的定量泵搭配溢流阀改造为伺服电机控制系统。采用可编程控制的伺服控制系统之后，可以节省45%到85%的电力，有效降低油温并减少冷却水的使用。由于压力控制精度的提高，使产品合格率得到提高。采用伺服电机节能、低耗、低噪生产，响应了国家节能环保生产政策，在很多地区能够得到相应的节能补贴。

3 结语

随着经济的发展，我国的普铝铸造产能要求在不断增加，伴随着的是不断积累的生产经验。如何将二者结合，利用生产过程中所积累的经验教训，为普铝铸造机的改造、优化提供更多更好的方案，是我们生产与研究中需要注意的事情。而随着科学技术的不断发展和突破，材料、结构、自动化技术都在不断进步，为改造普铝铸造机技术，提高生产效率和产品质量提供了机会。在此次改造中，我们不仅基于提高产品质量的思想，优化了诸如圆盘分配器的结构设计，更着眼于减少生产成本、提高生产效率，去除了一些过时的、不必要的设计，并增加了一些实用而新颖的设计，使得劳动生产率进一步提高。只要我们坚持把科学技术作为第一生产力，用先进的科技力量来改造我们的设备，我们一定能够更好地改进普铝铸造技术，使我们的生产工作创造出更大的价值。

【参考文献】

[1]张明.铝锭铸造机多执行元件液压系统设计及节能研究[D].兰州理工大学，2011.

[2]武保柱，刘光炜.铝锭连续铸造机的技术改进[J].中国设备工程，2011，09：25.

[责任编辑：王楠]