原標題：大型一體化壓鑄島周邊自動化設計與實踐

摘要

隨著新能源汽車行業的快速發展，大型一體化車身壓鑄技術作為實現車身輕量化的關鍵技術之一，正逐漸受到業界的廣泛關注。本文旨在探討大型一體化壓鑄島周邊自動化設計與實踐，通過分析傳統壓鑄現狀、大型一體壓鑄島布局、工藝流程和設備選型等方面，詳細闡述大型一體化壓鑄島周邊自動化的關鍵技術要點，為大型一體化壓鑄島周邊自動化提供參考。

鋁合金壓鑄在汽車行業及通訊行業得到了廣泛的應用，特別是2020年以來，以特斯拉為首一體化壓鑄的興起，引領壓鑄行業進入6 000 t以上超大型壓鑄時代。通常壓鑄機、保溫爐、噴涂系統、取件設備和冷卻設備等構成了壓鑄單元，行業術語稱之為壓鑄島。這些設備協同工作，實現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壓鑄島周邊自動化配備簡單，如圖1傳統壓鑄島工藝布局，自動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 傳統壓鑄島工藝布局簡圖

隨著免熱處理材料的開發，壓鑄零部件不斷向高集成化發展，零部件尺寸和質量也在不斷增加，同時壓鑄機的噸位也隨之增加。通過調研，從表1壓鑄機與產品發展趨勢來看，壓鑄機的噸位越大，產品質量越大。近年來，大型一體化壓鑄零件在汽車領域的應用越來越多，且集中在4 000 t以上，產品越來越大，質量也隨之增加，人工搬運產品變得效率低下，且勞動強度越來越大，產品的渣包料餅去除，產品檢測過程中搬運效率提升必須走自動化路線。本文結合自身壓鑄島周邊設計與實踐經驗，從產品工藝流程，壓鑄島周邊布局，熔化爐自動化投料，噴涂工裝設計原理，快速水冷站設計，渣包去除控制要點及工裝設計，等離子去料餅方案，自動化去毛刺，在線X-Ray探傷檢測，自動化裝箱和HSE等方面做了逐一說明。

表1 壓鑄機與產品發展趨勢

1大型一體化壓鑄島周邊自動化設計

1.1 產品信息及工藝流程

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，質量54.5 kg。由于產品尺寸和質量大，產品的搬運困難。因此，壓鑄島的設計要盡可能減少搬運。圖3為設計的工藝流程圖，為了減少搬運過程，所有的加工都在壓鑄島內完成，鋁錠的投料采用移動機器人小車（以下簡稱AGV）以降低勞動強度。

圖2 一體式壓鑄后車身簡圖

圖3 壓鑄工藝流程

1.2 壓鑄島周邊自動化布局

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

圖4 壓鑄島工藝布局。

2周邊關鍵設備設計

2.1 熔煉系統

大型一體化壓鑄帶澆注系統質量約為82 kg，按90 s節拍計算，每小時鋁液消耗量為3.28 t，為了保證產能的穩定性，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輸到保溫爐中，保溫爐下方也通過透氣磚通入氬氣，讓鋁液中的氫氣溢出，同時保溫爐也設計循環泵，保證鋁液的密度指數小于2%。同時也避免了傳統保溫爐通過叉車轉運鋁液，大大降低了勞動強度，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，側面的叉車孔和熔化爐投料提升機鏈接，可以提升料車，實現無人化操作。

圖6 AGV投料小車示意圖

2.2 噴涂系統

為了縮短噴涂時間，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行分區控制，這樣有利于根據產品的實際需求，設定不同噴涂量及噴涂時間，在保證脫模效果的同時，還能進一步減少噴涂時間。

圖7 仿形噴涂簡圖

同時，配比機采用多個脫模劑混合箱，可以實現不同濃度配比，結合工裝的多回路控制，不僅實現了分區時間控制，也實現了分區濃度控制，特別有利于深腔的位置；結合大型壓鑄機的開模距離比較大，6 000 t以上壓鑄機開模距離在2 000 mm以上，這樣就有足夠的空間在動定模設計噴涂，可以實現動定模同時噴涂，大幅縮短了噴涂時間。

2.3 冷卻裝置

由于產品質量較大，采用傳統的風冷方式，需要更多的時間且占用空間大，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以內將產品的溫度降低在70 ℃以下，為后工序的產品尺寸穩定性提供了保障。水箱的材質采用304不銹鋼，可以避免后續使用時生銹。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，零件定位更穩定，速度更快，生產效率更高。

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的痛點，主要體現在幾個方面：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備上，造成堆積故障停機；②渣包去除不干凈；③渣包去除時拉缺產品，造成產品缺料，影響品質。為了解決這些問題，帶澆道的產品進入去渣包站之前必須進行剪斷。如圖9是去渣包站的示意圖，廢料可以采用AGV小車轉運，減少人工搬運，提升效率。為了解決渣包去除不干凈或缺料的問題，在時間中，總結了如圖10所示的經驗。壓鑄模設計過程中需要將渣包的搭接口厚度控制在1.5 mm以內，否則去除渣包過程中，會拉傷產品本體。

圖9 去渣包站結構示意圖

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，采用倒掛機器人搬運等離子切割槍頭，對產品的澆道進行切割，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格一致，可以實現去渣包料餅直接通過AGV進行投料到熔爐中，實現物料循環，不需要人工轉運。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，因此，模具設計時，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，可采用機器人配合電主軸方式進行毛刺處理，工具可以選用銼刀、銑刀和砂輪片等工具，對零件毛刺和非標進行打磨處理。毛刺主要產生的位置為產品分型線、鑲拼線和頂針痕跡。為了讓去毛刺站高效運行，采用雙各位旋轉工作臺結構，保證上下料不影響去毛刺加工時間；同時，產品夾緊工裝具備360°旋轉，既保證了產品的正面可以去毛刺，反面也可以去毛刺。去毛刺的標準主要參考整車的裝配，分為不同等級，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品尺寸大，采用離線檢測的方式耗時，從壓鑄島搬運到實驗需要10 min，再將壓鑄件放入探傷設備檢驗反饋結果，不僅搬運勞動強度大，耗時多，還結果反饋慢。在開發初期就將探傷機放在壓鑄島內，可以實現快速探傷檢測。

同時由于信息傳遞延遲，浪費時間。為了解決這些問題，將X-RAY探傷設備集成在壓鑄島中，不僅減少了產品的搬運，還可以快速反映鑄件品質的狀態。同時也可以根據增加抽檢的頻率。減少不良損失。圖14為X-RAY探傷設備的外形圖。產品放在檢測支架小車上，下方有四個滾輪，由于小車下面的軌道和探傷房內部的軌道不連續，四個滾輪完美解決這個問題。小車進入鉛房內，關閉安全門，開始進行探傷檢測。

圖14 探傷設備外形圖

2.8 自動化裝箱

圖15為產品在AGV上的示意圖。通過機器人將產品放在AGV小車上，小車識別到有產品后，搬運產品到人工檢查工位（圖16）；人工對產品外觀進行100%檢查，檢查后輸入合格和不合格信息，信息傳遞到自動化裝箱站。機器人根據產品信息將產品放入合格品或不合格品的料架，實現了自動裝箱。當裝箱站的料架裝滿產品后，自動化裝箱站呼叫新的AGV進入自動化裝箱站，更換新的料架。整個過程自動化完成，減少人工搬運，提高效率。

圖15 成品下線AGV搬運圖

圖16 自動裝箱站示意圖。

3壓鑄環保要求

壓鑄島及周邊環境保護方面的要求，如表2壓鑄專業涉及標準匯總所示，其中包含危廢/棄物相關、職業衛生、通用標準、大氣排放標準、大氣污染防治技術和粉塵防爆標準等多個方面。這些規定由國家和地區的法律法規執法部門規定，依據地方法規有差異，實施壓鑄島規劃前需詳細了解地方環境保護規定。

表2 壓鑄專業涉及HSE標準匯總

特別是熔煉區域，依據《安全預評價報告》及《國家安全生產監督管理總局令》第91號要求：企業對熔煉爐和保溫爐等設備，應當設置鋁液緊急排放和儲存的設施，并在設備周圍設置攔擋圍堰，防止鋁液外流。這個要求在企業容易被忽略。壓鑄環節，壓鑄廢氣大部分企業會按照煙霧凈化內排處理，依據最新法規《鑄造工業大氣污染排放標準》-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，同時壓鑄島還要實現智能化控制，提升整體生產效率。

（2）壓鑄模具設計制造，要充分考慮后工序渣包和澆道去除方案；模具與壓鑄機如何實現快速換模。

（3）X-RAY探傷規劃設計在壓鑄島內，可以實現快速檢測，反映品質問題，X-RAY自動缺陷識別如何和壓鑄參數關聯。

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

（5）在環保方面，要依據最新法規，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，和壓鑄機關聯；熔化爐和等離子除塵要有組織排放（＜10 mg/m³）；壓鑄機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有限公司

本文轉載自：鑄造雜志