新型VRH 工艺高锰钢辙叉造型线的关键技术应用

邓宗生，李华栋，杨 涛

（1.中铁宝桥集团有限公司，陕西宝鸡 721006；2.济南二机床集团有限公司，山东济南 250022）

0 前言

VRH 法是水玻璃砂真空置换硬化法的简称。采用该工艺可减少水玻璃加入量和CO2气体用量，最为可贵的是可改善型砂的溃散性和回用性[1]。公司现有的铸钢生产场地狭小、装备自动化程度低，己不能满足工艺发展的需求，存储条件也无法满足物流的需要，操作人员劳动强度较高，环保政策对生产现场的要求更为严苛。因此，对新型高锰钢辙叉制造技术开发工作需求迫切，结合近年来设备技术的发展特点，按照安全、绿色、高效、智能的设计理念，完成整线的方案设计，确保项目实施后生产线上各工艺衔接顺畅、物流配送高效、生产效率提高。下面介绍目前为止国内比较高端的某自动化、智能化铸造厂在VRH 法高锰钢辙叉造型生产线工艺流程与关键技术。

1 生产线的概况

1.1 工艺介绍

高锰钢辙叉的铸造采用VRH（真空置换硬化）工艺。VRH 硬化过程是：将制成的砂型置于真空室内，启动真空泵，室内达到规定的真空度后，通入CO2代替空气导入真空室，使CO2在砂型中弥散，与水玻璃发生反应，达到硬化目的。

其特点如下：（1）相较于传统的CO2水玻璃砂硬化工艺，采用VRH 工艺时，砂型中的水玻璃用量及CO2的耗用量大幅减少。浇注后铸型易于溃散，落砂性能明显改善。（2）型砂加入酚醛树脂，硬化后的树脂膜脆，容易破碎，解决了水玻璃砂再生困难的问题。再生处理后Na2O 残留量能保持在0.55%以下，实现了型砂循环使用，节约资源。

1.2 生产线参数

生产纲领：14000t/年（即1.5 万根辙叉）；砂箱最大轮廓尺寸：10100 mm×1900 mm×390mm；生产线节拍：12～15min/半型；造型生产线载荷：20t/工位；工艺：酯硬化水玻璃VRH 工艺；产品种类：锰钢辙叉、合金钢辙叉。

1.3 生产线布局

图1 生产线整体布局

VRH 造型线由连续式混砂机、上震式振动装置、真空硬化装置、翻转起模机、机动辊道、变频转运车、翻转机等组成。

2 工艺流程设计与关键技术应用

2.1 造型生产线流程

2.1.1 模具准备工位

模具准备工位包含辊道输送机、冷铁智能分拣装置、冷铁加热平台与矫直。

图2 造型生产线流程

由于辙叉造型使用的冷铁特别多，为了减少人工分拣的劳动强度及减少分拣出错率，设计应用了冷铁智能分拣装置。

该装置包括振动输送机、自动输送物流线、机器人视觉识别系统、分拣机器人系统、导料槽、冷铁盛装器具等并预留生产信息接口功能，实现了冷铁的全自动分拣。

2.1.2 加砂工位

加砂工位包含新旧砂砂库、双臂混砂机等。

填砂采用了面背砂工艺，面砂填充完后用手培实，放置工艺用料。而后砂箱自动退回至放砂箱工位，然后回传至加砂工位向砂箱内填加背砂，之后用平板刮平。

由于铸件的特殊性，混砂机液料的种类有水玻璃、水、有机酯，根据不同的工艺要求填加不同的液料配比要求。

2.1.3 振实工位

由于VRH 工艺采用真空硬化，硬化比较充分，铸型强度好，因此，VRH 法对铸型紧实度要求不高，过高的紧实度反而会给落砂带来不利。比较理想的紧实方式是下震、下压式，铸型表面紧实度较高。但是由于辙叉造型时冷铁多，而且采用面砂，下震式冷铁会移动错位，面砂也容易塌落，影响铸型质量[2]。

研发了具有横向、纵向、升降三向位置调整功能的多振头振实装置，满足了辙叉铸件造型振实的特殊工艺性。

砂箱进入振实装置设备内，而后人工操作振实头在横向、纵向进行调节，保证18 个振实头恰好在砂箱的框格内。操作压头下降，接触到砂型后振动电机振动下压，直至压实为止（为了达到各种铸型的紧实度，激振力采用变频可调）。接着操作压头上升，离开砂型面，沿着横向移动至下一个区域，进行压实动作，反复重复此流程，最终完成长度9m 砂箱的砂型振实。

图3 冷铁智能分拣装置

图4 多振头振实装置

2.1.4 真空硬化工位

开发了真空密封硬化仓（仓内容积20m3），满足了型砂在密闭真空环境下进行CO2气体硬化的工艺需求，实现了型砂快速硬化。

首先进口端门开锁、打开，砂箱进入真空硬化仓，当检测砂箱停止后进口端门关闭。启动抽真空泵系统进行仓内空气的抽吸，当硬化仓内的真空度达到设定数值后保持并充入CO2气体，型砂硬化，保压达到工艺要求。出口端门开锁、打开，砂箱驶出真空硬化仓，而后出口端门关闭，完成整个动作流程。

真空度的高低，主要取决于真空泵的功率大小，抽真空时间的长短。真空度还受到气候的温度、空气的湿度及压力的影响，在一定范围内正常波动。真空度越低硬化速度越快，水玻璃与CO2反应进行得越充分，型砂硬化的越均匀，铸型的初始强度越好，成型率就越高[1]。通过几年的经验，新型VRH 工艺中的抽真空系统（包含了真空泵、除尘除水过滤系统）进行了优化配备，保证了定期轮流开机检修，维持了正常的生产。

图5 真空密封硬化仓

2.1.5 起模工位

研发应用了四轮幅长件自动翻转起模机，实现了较长铸型的平稳起模，既保证了砂型的完好，又节约了修型的时间与人力投入，提高了生产效率。

首先是托板进入起模机内，而后翻转180°托板被转至顶部，硬化后的砂型进入起模机内，上升压紧后回转至0°，振动起模，而后模具平稳启出，砂箱离开起模机运行至修型工位，而模具则被转运回准备工位继续循环造型使用。

图6 四轮幅翻转起模机

2.1.6 修型、刷涂、点火工位

包含了制芯单臂混砂机、砂箱翻转装置、涂料喷涂装置等。

由于特殊的工艺性，上箱与下箱设计了两条分路执行工艺操作，对于上箱必须设置砂箱翻转装置进行刷涂。

研发的翻转装置是一种特殊的翻转形式，驱动端采用固定形式，从动端可以调节距离，从而满足不同规格砂箱的翻转操作功能。

2.1.7 合箱工位

合箱采用定点行车合箱，减少了起重设备的多工种使用，消除了安全隐患。

为了适应砂箱的特殊工装，采用了行车翻转，后期可以更加优化，如果改变砂箱工装要求，可以实现链式半自动合箱或自动合箱，提高生产线的自动化水平。

2.2 其他关键技术应用

（1）从准备工位至合箱工位，设计了自动转运系统，确保了模具在生产线上自动运转循环，砂箱在生产线上自动循环，既提高了生产效率，又保证了安全性。

（2）生产线的布置，充分考虑了人流、物流通道顺畅，避免了交叉作业，践行了以人为本的理念。

（3）解箱装置（长条形落砂机）进行了结构优化，大幅提高生产效率及使用寿命。

采用两套并联的方式，最大限度的降低了故障停机的影响，保证了产量。同时为了更好地改善作业环境，控制生产中的粉尘污染，针对落砂机处设计了移动式的半封闭除尘系统，采用了横插扁带形式、独特的厚粉饼层过滤技术的除尘器，保证了排放标准在20mg/m3以内。

图7 物流通道图

（4）在重点工位增加了看板，能够显示每日的计划、工艺说明、典型铸件的说明等功能，保证了铸件的质量，减少废品率。

（5）控制室的总控能够实现远程诊断、管理功能，可以利用以太网将所有的生产线过程参数，在交换机上生出EXCEL 表，与企业的MES 管理系统软件对接。

3 结束语

新型VRH法高锰钢辙叉造型生产线，是目前国内设计产能最大、环保标准最高的高锰钢辙叉专业化生产线。该生产线的成功投产，标志着我国重载高锰钢辙叉研制开启了“2.0 时代”，使重载辙叉的生产制造水平大幅提高，生产效率提高14.2%。整线的自动化水平达到行业领先水平，为铸造行业智能制造革命提供了宝贵经验。