閉式高潔凈取注漿機的設計開發

李真健，葉寒，劉旭波，楊湘杰

(1.廣東科達機電股份有限公司，廣東 佛山 528313;2.南昌大學江西省高性能精確成形重點實驗室，南昌 330009)

近年來，我國在半固態金屬成形技術研究領域取得了很大的進展，但在工業應用方面尚未取得較大突破。在大容量半固態漿料制備方面，將金屬漿料從保溫爐取出到注入半固態裝置的過程中，如何保證金屬漿料潔凈度和溫度，對半固態制漿成敗至關重要[1－6]。某高校研究機構為保證漿料運輸的質量，準備采用電磁管道輸送，但在技術上有很大難度，目前都沒完成?？梢娙绾伪ＷC金屬漿料在輸送過程的高潔凈是大容量半固態漿料制備的一項關鍵技術。目前壓鑄行業通用的澆湯機一般采用開口式湯罐，鋁液上表面與空氣接觸會產生氧化鋁，表面與空氣接觸散熱冷卻形成殼，都會影響半固態漿料的質量[7－9]。

廣東科達機電股份有限公司與南昌大學在“半固態金屬內腔擠壓鑄造成形關鍵技術及成套裝備研發項目”中引入柔性制造理念，在工藝設計布置上采用靈活的工藝路線，可以根據客戶和產品的需要靈活調整，實現液態金屬內腔擠壓鑄造成形和半固態金屬內腔擠壓鑄造成形，這就要求取注漿機能在不同的位置完成注漿工作。目前壓鑄行業常用的比較成熟的澆湯機采用連桿機構運送湯罐，湯罐移動的起點、終點和軌跡基本固定不變，只能微調，無法實現多點注漿。如采用曲臂旋轉式機器人，雖可實現多點注漿，但成本造價高，整體布局占地面積大。

為解決上述問題，研發設計了一種閉式高潔凈取注漿機[10]。

1 閉式高潔凈取注漿機的方案設計

閉式高潔凈取注漿機由取漿用的漿罐、漿罐移動系統和機架等3部分組成。漿罐采用上部封閉、底部有閥門控制的結構，漿料從底部閥門進出。鑒于保溫爐、半固態制漿設備和擠壓鑄造機的工藝布置是在一條中心線上流水作業，漿罐移動系統采用兩軸直線移動機構就可滿足要求，與通用的曲臂機器人相比，運動維度少，結構簡單緊湊，程序簡單方便。其工作原理如圖1所示，閉式漿罐懸掛在z軸升降機構上，取漿時閉式漿罐隨升降機構逐步浸入鋁液中。當閉式漿罐浸入到鋁液一定深度后，罐底閥門打開，鋁液通過底部閥門進入罐體內。當檢測到罐內的鋁液達到需求量后，閉式漿罐停止下降，罐底閥門關閉，然后閉式漿罐隨升降機構上升脫離鋁液。由于取漿位置在保溫爐底部，而是在保溫爐中部，因此在開始取漿時就避免了漿料的氧化和其他雜質的進入。當閉式漿罐完全脫離保溫爐后，漿罐停止上升，漿罐在x軸水平橫移機構的帶動下，快速離開保溫爐，同時z軸開始下降，漿罐到達半固態裝置入口處停止，罐底閥門打開，鋁液在重力作用下流入半固態裝置內。如果要進行液態金屬內腔擠壓鑄造成形，那么漿罐在x軸水平橫移機構的帶動下越過半固態制漿設備，直接降落到擠壓鑄造機壓室接料位，然后打開閥門，將鋁液注入到壓室內。

在漿料的搬運過程中，閉式漿罐始終通入氮氣，將罐內空氣驅除，這樣整個取注過程鋁液在惰性氣體的氛圍中，可有效防止氧化、煙塵等各種污染。

圖1 閉式取注漿機Fig.1 A closed melt conveying machine

2 閉式漿罐的設計

閉式漿罐設計的一個關鍵點是罐底閥門的設計，首先閥門要能自動開閉，閥芯驅動機構要能耐高溫，可靠性要高。其次閥體材料要能承受700℃高溫鋁液的反復沖刷，且不粘鋁，不能形成冷結、流掛等，不阻礙閥門的正常關閉，閥體關閉要嚴實，不得有漏鋁現象。

如圖2所示，閥芯和閥口采用圓柱間隙配合，閥芯和閥口材料采用導熱好、不粘鋁、帶自潤滑功能的石墨材料制作。閥芯通過外卡套式聯軸器與驅動桿聯接，驅動桿與閥芯內部設計成空心，在閥芯內部裝置高溫大功率電熱管加熱，以保持閥芯偶件達到足夠的溫度，從而確?？刂其X液進入及關閉的閥門能順暢開合。驅動桿上下兩端通過軸承安裝在漿罐下座上，此軸承采用特殊材質(石墨材料)和工藝制造，并采取特殊的隔熱結構，輔以強迫冷卻的措施，保證了閥芯偶件持久穩定正確開合。閥芯動力源采用氣缸驅動，“氣動”對高溫多煙塵環境適應性相對較強，“電動”不能承受高溫，“液壓動力”一旦漏油，油液易燃燒，安全隱患大。氣缸活塞桿通過萬向接頭與驅動桿聯接。氣缸活塞桿向下運動，通過驅動桿帶動閥芯向下塞入閥口，關閉閥門。反之，氣缸活塞桿向上運動，閥芯向上運動脫離閥口，打開閥門。

圖2 閉式漿罐Fig.2 Closed slurry tank

在漿罐上安裝了2組液位檢測裝置，通過檢測罐內鋁液高度確定取漿量。液位檢測裝置的原理是利用鋁液的導電性能，當2個探頭浸入到鋁液中時，2個探頭之間的電路接通，表明鋁液已到達探頭所在的高度位置。2組液位檢測裝置的探頭一高一低布置，高度差很小，當下組接通，上組未接通時，表明鋁液升到了所需量的位置。液位測量電極探針采用特殊材料制作，避免了漿料的流掛，從而保證了取漿量的準確性。

3 漿罐移動系統的設計

漿罐移動系統根據工藝要求在不同的時候速度不同。取漿時漿罐進入和退出保溫爐鋁液時速度要慢，一方面方便檢測取漿量，另一方面防止濺起和帶起鋁液引發安全事故。漿罐從保溫爐到注漿點的運輸要快速且平穩，以防止鋁液在運輸過程中溫度下降，提高工作效率，防止鋁液在罐內翻起卷氣。由于漿罐取漿量完全取決于漿罐在鋁液中的高度位置，那么漿罐停止時定位要準。

漿罐移動系統設計另一個要考慮的問題是整個漿罐移動系統要適應高溫、多煙塵污染的冶金工作環境。設計時要考慮減少熱輻射、熱傳導，減少煙塵對機械和電氣系統的污染。

通過對整個漿罐移動過程的分析，下面對漿罐移動系統各部分進行設計說明。

漿罐移動系統由漿罐懸掛聯接裝置、z軸豎直升降移動機構和x軸水平橫向移動機構等3部分組成，具體結構如圖3所示。

如圖3所示的漿罐懸掛聯接裝置中，漿罐1上下兩吊耳與升降架上安裝的兩調節吊耳座3通過兩銷軸2聯接，聯接簡單，方便維修更換漿罐，聯接接觸面小，減少了熱傳導，兩調節吊耳通過螺桿螺母調節裝置5可對漿罐的y軸方向進行微調，方便漿罐與半固態裝置入口y軸方向對中。為了調節吊耳座與升降架的聯接面，設計有隔熱墊4，有效地阻止漿罐的熱量傳導到整個設備。取料漿罐通過銷軸聯接裝置懸掛在升降架6正面，在升降架背面安裝有升降導軌7和升降齒條9，升降導軌的滑塊8安裝在可作橫向移動的小車上，升降架6通過升降導軌和滑塊可以使橫向移動的小車上下移動，升降傳動裝置安裝在橫移小車上，由伺服電機13通過減速器12帶動升降齒輪旋轉，升降齒輪與升降齒條嚙合驅動升降架6上下移動。升降導軌和升降傳動裝置設計在升降架背面，能有效降低保溫爐的熱輻射和煙塵污染。升降架上部安裝有防墜架14作為安全裝置，防止升降系統失控或損壞后，升降架墜落造成安全事故。升降架下部安裝有機械限位擋塊15，防止電氣失控后，出現沖頂事故。

L型橫向移動小車10底面和內側安裝有滑塊16，機架橫梁頂部和外側安裝有兩相互平行的橫移導軌17，橫向移動小車通過滑塊和橫移導軌滑動配合，可在機架橫梁上作水平橫向移動。機架橫梁頂部安裝有橫移齒條20，橫移傳動裝置安裝在橫向移動小車上，由橫移伺服電機22通過減速器21帶動橫移齒輪19旋轉，橫移齒輪與橫移齒條嚙合反作用驅動橫向移動小車水平移動。機架橫梁兩頭安裝有機械限位擋塊18，防止電氣失控后，出現沖脫事故。

橫移傳動裝置和升降傳動裝置安裝在橫向移動小車上，橫向移動小車安裝在機架橫梁頂部，藏在升降架后面，可有效降低保溫爐的熱輻射和煙塵污染。

整個系統的驅動采用伺服驅動技術，由伺服電機驅動傳動裝置，利用電機自帶的旋轉編碼器反饋信號給伺服驅動器，伺服驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子的角度與速度，從而精確控制漿罐位置和漿罐運動速度。

4 機架的設計

機架是整個機器的基礎支承件，整個漿罐移動系統都安裝在上面，要有很好的動、靜剛度和熱穩定性。整個機架采用懸臂結構，由2個懸臂立柱和機架橫梁組成。為減少懸臂產生的傾翻力矩，將立柱盡量靠近保溫爐安裝，立柱升高，將機架橫梁布置在保溫爐上方，使懸臂長度縮短，減小傾翻力矩，同時減少設備的占地面積。懸臂立柱和機架橫梁都采用鋼板焊接箱型結構，機架橫梁頂面和外側面局部機加工，安裝導軌和齒條。機架橫梁與立柱聯接采用穿過整個橫梁的螺栓聯接。

圖4 機架Fig.4 Rack

5 結語

綜上所述，閉式高潔凈取注漿機是機電一體化設備，充分利用現在PLC控制技術、伺服控制技術實現取注漿工作的全自動控制，提高了取注漿過程的安全性、準確性，使得半固態制漿裝置的原料質量處于受控狀態，可以為半固態制漿裝置提供高潔凈的原料。在生產對漿料質量要求較高的壓鑄件產品時，閉式高潔凈取注漿機也可以替代傳統的澆湯機，使壓鑄件產品的質量得到進一步提升，具有廣泛的推廣價值。

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