国内外精密铸造设备的发展趋势

国内外精密铸造设备的发展趋势

一、前言

我国的铸件年产量现己位居世界第一。但是我国所生产的铸件总体上讲在质量上与工业发达国家相比还存在相当的差距。其主要原因之一就是我国铸造行业的机械化、自动化、信息化水平低，所采用的技术装备落后。与工业发达国家相比，我国铸造装备制造行业也存在巨大差距。其突出的弱点是研发能力差，缺乏创新性，迄今仍基本上靠测绘样机或凭经验进行类比设计。这种状态对我国铸造行业的技术改造和技术进步，逐步实现现代化己经产生相当大的制约作用。我们需要加紧工作，努力改变这种落后状况。

本文仅从造型设备，砂处理设备，浇注设备，机器人应用等方面来简述铸造设备的某些发展趋势。

二、造型设备

垂直分型无箱射压造型机的设计构思是上世纪五十年代由时任丹麦科技大学教授的V.A.Jeppesen提出的。他在实验室内进行了大量的试验研究，特别是对湿型粘土砂的射砂过程进行了深入的研究。随后他研制成一台样机，并于1957年利用这台样机在丹麦的两家铸造厂中进行生产性实验。1959年Jeppesen教授获得了垂直分型无箱射压造型机的专利。1961年丹麦工业辛迪加（即DISA）购买了上述专利，并由6名工程师组成的技术团队在其基础上开发了第一台生产用的造型机。后者于1962年夏展出于德国杜塞尔多夫的世界铸造博览会（即GIFA）上。1964年初首台生产率为240型/小时的垂直分型无箱射压造型机（即DISAMATIC）发送到用户丹麦一铸铁厂并投产。目前，世界各国共约有超过1000家铸造厂采用这种造型方法生产铸件。

近年来国外有的铸造设备制造厂推出了经过改进的侧吹水平分型无箱吹压造型机。这种造型机在造型时，即吹砂及高压压实时，是将型板及造型室旋转90°使其处于垂直状态下进行的。然后使它们转回到水平位置，进行起模、下芯、合箱、顶出造型室等等。

日本新东工业珠式会社所生产的水平分型无箱射压造型机采用0.1MPa的低射砂压力，同时开发了“压力控制”方法来控制造型室的排气，这样使型砂能充填到模样上的小吊砂内（图1）。所谓“压力控制”就是在射砂开始阶段将造型室侧壁上的排气塞堵死，使空气/砂流流向模样上的小吊砂（其底部有排气塞）内。随后再开启造型室侧壁上的排气塞，使型砂能将整个造型室充填满。

三、型砂处理设备

对湿型粘土砂的控制包含以下两方面的内容：（1）获得优化的型砂性能；（2）维持优化的性能。为实现前者，要选择各种有效的型砂测试仪器，以便对型砂性能进行经常和有效的监控。为实现后者，要采用预防性控制方来保持型砂系统的总量平衡。

由于计算机技术的迅速发展，使得在铸造厂中实施预防性型砂质量控制方法得到推广应用。

四、自动浇注设备

铸型的浇铸是铸造生产中劳动强度大、工作环境差，同时对铸件质量具有重大影响。浇现代化的自动浇注机的控制主要有下述两大类。

1.采用视频摄像技术的控制系统

浇注工浇注一个铸型时，他的眼睛看着浇口杯而他的手开始倾转浇包。他观察着铁水浇到浇口杯的同时在头脑中不停地考虑着铁水浇注速率和浇口杯中的液面高度。当液面到达要求的高度时他即停止浇注。浇注工的手、眼睛和大脑一起构成了一个基本的闭环自适应控制系统。在生产率低的铸造厂中人工浇注可以解决问题。但是在现代化的生产率很高的情况下这种传统的工人浇注法就无法适从了。

视频摄像控制就是设计来再现浇注工的眼手协调的一种系统。浇注工的眼睛为一摄像机所取代，他的思考过程为一台计算机及一套复杂的软件包所取代，而他的手则为一伺服驱动机构所取代。视频摄像控制提供了一个可满足每小时浇注超过500铸型的闭环自适应控制系统。

2.采用激光技术的控制系统

a.点激光控制技术

点激光控制技术利用目前在航天、军工中广泛运用的激光测距技术，采用光学三角测量法，能够精确地测量距离。点激光控制技术的核心是点激光装置（图5），它是由以下几个主要部分组成：

（1）光电非接触式探测器——它被封装在一水冷套中并进一步为一空气清扫系统所保护。（2）激光浇注控制器——它包括硬件和软件系统。

（3）塞杆执行机构——它有一套高性能的伺服电动机。

（4）操作台——操作者可进行编程及选择理想的浇注曲线和其它浇注参数。

激光探测器是一种利用激光及简单几何原理的非接触式探测器，它由下述几部分构成：（1）光源——它具有一激光二极管及一套将激光束聚焦到所测量的液体金属表面上。（2）照相机——它从被测量的表面上聚焦一小部分散射的激光（如同一个图像被聚焦到人眼眼底的视网膜上那样）。

（3）集成的探测器微电子处理器。

光电探测器在探测器上提供一给出图像位置的信号。信号处理电子线路将此信号转换为至被测表面的距离。到被测表面距离的任何变化，例如液面的波动，都将导致被聚焦在探测器上的光点位置的变化。

这一测量原理称为应用激光的光三角形（图6）被证明能很好地适用于液体金属液面位置的监控。一切来自液体金属的外界的光源——可视光或红外光——皆被从光学上或电子学上过滤掉，而不会影响测量。

因为激光反射的强度在射线平面和特定的砂型表面之间的夹角上急剧下降，在安装点激光装置时它与垂直线之间的夹角不能大于30°。为此通常要在浇口杯上做一个尾槽以便激光束射到铁水表面。

b.线激光控制技术

线激光控制技术也就是三维激光技术。

线激光系统由一线激光发生器和一线激光接受器构成。当砂型上的浇口杯直接位于浇注包出铁口下方时，安装在浇注包一侧的线激光发生器（图7）发射出一条横切浇口杯的激光线（图8）。安装在浇注包另一侧的激光接受器也对准着浇口杯。应用三角测量法可确定浇口杯中铁水液面位置。它利用一条激光线直接测量砂型表面和浇口杯中铁水液面的位置，而两者的差值就是铁水液面高度。

线激光控制技术由于产生一具有较大探测面积的信号因而为建立响应提供了更多的信息。其控制的基础是测量线上的象素数，后者是随长度变化而变化的。这种技术除了具备点激光技术的优点外，又不需要前面所述的尾槽，可以适用于较小的浇口杯情况下，因而节约了铁水。由于它不受铁水散流的影响，因而更加可靠。

五、机器人在铸造厂中的应用

直到目前为止，铸造厂中仍然有许多繁重的工作由人力来完成。铸造厂中的劳动环境和繁重的体力劳动早已将实现自动化生产提到了议事日程上。而采用机器人则是一个重要的解决途径。

1.在制芯过程中的应用

对于一些复杂的铸件如汽车发动机缸体来说，其砂芯被装配到一起时就会变得非常沉重，可达50kg以上。而且由于各种化学粘结剂、脱模剂的使用，会产生大量的灰尘以及有刺激性