一、概述
鑄造是獲得機械產品毛坯的主要方法之一,是機械工業(yè)重要的基礎工藝,在國民經(jīng)濟中占有重要的位置。 我國鑄造業(yè)的現(xiàn)狀是產量大,年產鑄件約1,200萬噸,廠點多,達2萬多個,鑄造業(yè)的從業(yè)人員在120萬人以上。我國鑄造行業(yè)的一大特色是改革開放以來鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)迅猛發(fā)展,成為我國鑄造行業(yè)的一支重要力量。鄉(xiāng)鎮(zhèn)鑄造廠點數(shù)已超過國有鑄造廠點,鄉(xiāng)鎮(zhèn)鑄造廠點的鑄件產量約占全國鑄件總產量的一半。
當前世界上工業(yè)發(fā)達國家鑄造技術的發(fā)展歸納起來大致有四個目標,即:
①保護環(huán)境,減少以至消除污染;
②提高鑄件質量和可靠性,生產優(yōu)質近終形鑄件;
③降低生產成本;
④縮短交貨期。
我國鑄造行業(yè)除廠點多,從業(yè)人員多,產量大以外,與發(fā)達國家相比,在質量、效率、能源與材料消耗、勞動條件與環(huán)境保護等方面都存在差距。造成這些差距的原因是鑄造廠點規(guī)模小,經(jīng)濟實力差,工藝和設備落后,管理水平低,從業(yè)人員素質不高。為了消除這些差距,為了滿足我國經(jīng)濟建設的需要,也為了鑄造行業(yè)自身的存在與發(fā)展,我國的鑄造行業(yè)應以提高鑄件質量和經(jīng)濟效益為中心,面向國內和國際兩個市場;加強管理,打好基礎,提高企業(yè)素質;調整產業(yè)結構,合理配置資源,提倡適度規(guī)模經(jīng)營;繼續(xù)以適用先進的生產工藝和技術裝備改造鑄造行業(yè),實現(xiàn)清潔化生產,保證可持續(xù)發(fā)展。
1 效益是企業(yè)發(fā)展的基礎
發(fā)展的基礎是效益,發(fā)展又是為了實現(xiàn)更高的效益。中國應該有一個高效益的鑄造業(yè)。沒有效益的企業(yè)連生存也是困難的,更談不上發(fā)展。為了提高效益,應從以下幾方面著手:
①減員增效與節(jié)能降耗。
②實現(xiàn)專業(yè)化生產。
③采用新技術,實現(xiàn)科學管理。
2 質量是企業(yè)的生命
質量和效益有時看似矛盾,但兩者是統(tǒng)一的。產品質量低劣的企業(yè)終究是不能立足的,更談不上效益,也不可能持續(xù)發(fā)展。提高產品質量需從以下幾方面著手:
①合理選購原輔材料,正確制訂及嚴格執(zhí)行有關的工藝規(guī)程。
②采用新技術、新工藝、新設備、新材料。
a.加強計算機技術在鑄造生產中應用的研究。
b.在砂型鑄造中采用高硬度及高均勻度的鑄型,發(fā)展與推廣相應的工藝與設備。
c.發(fā)展近凈形及凈形鑄造成形新工藝。
d.發(fā)展液態(tài)金屬處理及凈化的新工藝新技術,優(yōu)化材料性能。
e.發(fā)展機械化自動化,以保證鑄件質量的穩(wěn)定性、均一性,改善勞動條件。
f.加強鑄造環(huán)保設備的研究和應用。
③具有一支穩(wěn)定的高素質的從業(yè)人員隊伍。
3 實現(xiàn)清潔化生產
清潔化生產是可持續(xù)發(fā)展的基本要求。清潔化生產的含義是:實現(xiàn)盡可能低的資源(原材料)與能源消耗;實現(xiàn)宜人化的生產環(huán)境及最低或零污染物排放;生產清潔化的產品(產品耗能、耗材少,易于再生復用及符合人機工程要求)。鑄造的清潔化生產,主要是應用新技術、新工藝、新材料、新設備以實現(xiàn)低消耗、低污染或者無污染及鑄造生產的宜人化環(huán)境等方面。
二、堅持進行技術改造,采用成熟、適用、先進技術
企業(yè)技術改造,要根據(jù)企業(yè)產品的結構特點、批量大小、質量要求,合理選用成熟、適用、先進的技術。首先,所選技術必須成熟可靠。因為技術改造不是科研,不允許失??;也不是中間試驗,可以小規(guī)模、小范圍,而不講時間和條件。技術改造是要將成熟的科技成果應用于設計、生產中。同時所選技術對改造企業(yè)來講還必須適用,保證在經(jīng)濟上合理。
實踐告訴我們,并非凡是先進的、技術含量高的一定是適用的。各種技術都有一定的局限性和適用范圍,適合于一定的零件,選擇不當,再先進的技術,也不能確保生產出優(yōu)質的產品,不能保證產生高的經(jīng)濟效益。
1 發(fā)展高性能鑄造合金,提高產品的材質水平
據(jù)近五年統(tǒng)計,我國鑄鐵件占鑄件總產量的79%~80%(球鐵約占13%),鑄鋼件占13%~14%,有色合金鑄件約占7%,(鋁鑄件約占5.5%)。發(fā)展趨勢是灰鑄鐵件、鑄鋼件(主要是碳鋼件)、可鍛鑄鐵件呈下降趨勢,球鐵件在增長,輕合金件占的比例越來越大。發(fā)達國家輕合金鑄件產量已超過鑄鋼件,其產值已遠遠超過鑄鋼件;日本1998年壓鑄件的產值已接近灰鑄鐵件;球墨鑄鐵件的產量為鑄鋼件的四倍多,產值為鑄鋼件的兩倍。 今后,我國應提高球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、高強度灰鑄鐵、合金鑄鋼、鑄造鋁合金、鎂合金的比例。
1)鑄鐵
(1)加強高強度薄壁灰鑄鐵生產技術的開發(fā)
低成本和良好的鑄造性能是灰鑄鐵的主要優(yōu)勢,所以灰鑄鐵已廣泛應用于汽車、內燃機、農機、壓縮機和市政建設等領域。今后制約灰鑄鐵件增長和發(fā)展的主要因素之一是輕量化,鑄鐵輕量化將為鑄鐵工業(yè)注入新的活力,今后應加強高強度薄壁灰鑄鐵的生產技術的開發(fā)。
(2)進一步推廣使用球墨鑄鐵
隨著我國汽車工業(yè)和鑄管工業(yè)的發(fā)展,以及隨著我國球墨鑄鐵生產水平的提高,應用領域的拓寬,預計進入21世紀,我國球鐵件產量必將有大幅度的增長,應進一步擴大等溫淬火球墨鑄鐵在承受強載荷工況機械零件和耐磨件上的應用。推廣鑄態(tài)球墨鑄鐵,節(jié)約能源,降低生產成本。
(3)擴大蠕墨鑄鐵的應用
蠕墨鑄鐵是一種新型材料,它的強度、塑韌性高于灰鑄鐵,鑄造性能優(yōu)于球墨鑄鐵,具有優(yōu)良的耐熱疲勞性能和導熱性能,可在柴油機缸蓋和排氣管、液壓閥、機床床身、鋼錠模、玻璃模具等鑄件上推廣應用。
(4)抓好鑄鐵熔煉環(huán)節(jié),提供優(yōu)質鐵水
抓好鑄鐵的熔煉環(huán)節(jié),及時提供優(yōu)質鐵水,這是提高鑄件綜合質量的基本保證。所謂優(yōu)質鐵水,是指鐵水溫度高,成分合格,波動小,元素燒損少,增碳率高。
目前我國用于鑄鐵件生產的熔煉設備90%以上為沖天爐,其中絕大部分又是小型(≤5t/h)冷風沖天爐,且多使用冶金焦。這種爐子的能量效率不高(約38.8%),連續(xù)工作時間短,難以熔煉出優(yōu)質鐵水。
為了獲得優(yōu)質鐵水,應當推廣鑄造焦和先進適用爐型。熔化量大的5t/h以上的沖天爐宜采用外熱風(>500℃)、水冷、連續(xù)作業(yè)、清潔、封閉沖天爐;流水線生產球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、高強度薄壁灰鑄鐵件宜采用沖天爐感應電爐雙聯(lián)熔煉;生產特種小鑄鐵件,如供電條件好,可用感應電爐熔煉。熔煉過程中,還可采用加氧送風、等重除濕等先進技術。
小型冷風沖天爐或單爐膽熱風沖天爐可改為雙爐膽式高效內熱風沖天爐,使熱風溫度由200℃提高到400℃左右;推廣應用多孔塞脫硫技術,發(fā)展蓋包、轉包、喂絲等球化工藝,提高球鐵鑄件的質量。在大批量流水生產中推廣應用鐵水流、孕育絲和型內孕育等瞬時孕育技術及過濾網(wǎng)技術,提高材料均勻性,并減少渣孔缺陷。為及時掌握鐵水的成份變化和鐵水處理的質量,應逐步在專業(yè)鑄造廠配備一系列現(xiàn)代化的測試、分析和管理手段,要提高監(jiān)測設備的快速性、精密性及自動化程度。逐步取消用爐前試塊觀測白口深度的原始粗測法,采用物理方法的鐵水性能速測儀或熱分析儀,快速測定c、si、碳當量和力學性能;資金充裕者引進直讀光譜儀。沖天爐煙氣凈化的措施就是抽出煙氣,使煙氣中的co二次燃燒,燃燒余熱再預熱冷空氣并使熱風鼓入沖天爐,同時達到提高鐵水溫度和煙氣凈化的雙重作用。
沖天爐除塵措施有:
①干式除塵器。
投資少者可采用旋流除塵器、旋風除塵器(含多管旋風除塵器);投資較多者可采用袋式、靜電、顆粒層等除塵器。
②濕式除塵器或兩級組合除塵(如旋風加布袋)。
這要視要求排放標準和投資多少而定,但要注意,常用的袋式除塵器要考慮煙氣冷卻和布袋的使用壽命(特別是打爐時),濕式除塵要處理好含塵水排放堵塞下水道,造成二次污染的問題。
2)增加鑄鋼品種,提高鑄鋼件質量
鑄鋼工業(yè)發(fā)展的趨勢將不再是鑄鋼件產量、鑄鋼廠數(shù)量和生產能力的增加,而是鑄鋼件的質量、品種、性能以及合金鋼的比例的不斷提高。我國合金鋼鑄件的比例不足20%,而工業(yè)發(fā)國家已達到42%~48%。隨著合金鋼鑄件比例的提高,對合金鋼液的精煉要求也愈來愈高。采用高新技術提高鑄鋼件性能,縮小鑄鋼件體積,提高鑄鋼件壽命是亟待解決的問題。建議在如下幾方面開展工作。
①開發(fā)鑄鋼中合金鋼新鋼種,提高鑄鋼性能,部分頂替鍛鋼,提高材料利用率,降低成本,縮短制造周期,節(jié)省能源、資源等。
②采用高新技術提高鑄鋼鋼液純凈度、均勻度與晶粒細化程度,進一步提高鑄鋼的強韌性,減輕鑄件重量(與國外相比重10%~20%),降低廢品率。精煉工藝有:氬氣凈化;鈣線射入凈化加氬氣凈化;aod精煉;vod、vodc爐精煉。
③采用近終形鑄造技術,進一步提高鑄鋼件尺寸精度與表面質量,減少加工余量(與國外相比,加工余量大1~3倍以上)。
④降低能源與新砂消耗(噸鋼水耗電:我國700~850kwh,日本450~550kwh)及提高鑄鋼件工藝出品率(我國55%~58%,工業(yè)發(fā)達國家60%)。
⑤開發(fā)鋼基復合材料。
⑥提高環(huán)保水平,達到國家環(huán)保標準。
3)有色合金鑄造重點發(fā)展
鋁、鎂等輕合金鑄造輕合金由于具有密度小、比強度高、耐腐蝕等一系列優(yōu)良特性,廣泛地應用于航空、航天、汽車、機械等各行業(yè)。有色合金熔煉應推廣感應電爐。感應電爐熱效率高,作業(yè)環(huán)境好,應是有色合金熔煉的主要設備。應逐步淘汰燃油坩堝爐和焦炭坩堝爐。燃油坩堝爐和焦炭坩堝爐不但熱效率低,而且會對周圍環(huán)境造成污染。還應推廣鋁合金氣體噴吹無毒熔煉技術。
2 發(fā)展先進的造型、制芯、落砂、清理工藝和設備
先進、成熟、適用的鑄造成型工藝方面,可按產品為對象,大致分為以下三種類型:
(1)大批量生產的中小型鑄件,應推廣預緊實的高壓、靜壓、射壓或氣沖造型高效流水線濕型砂造型,減少、淘汰震壓式造型;推廣樹脂砂高效制芯(熱、溫和冷芯盒,殼芯等),減少油砂或粘土砂制芯的比例。濕型鑄造中推廣煤粉代用材料。
(2)單件、小批量生產的中、大型鑄件,繼續(xù)推廣各種類型的樹脂自硬砂(呋喃、pepset法、堿性酚醛樹脂砂等),在中、大型鑄鋼件生產中,也可推廣采用酯硬化水玻玻璃砂,代替和淘汰粘土砂干型。
(3)特定鑄件應推廣各種特種鑄造,如離心鑄管、輕合金壓鑄、低壓鑄造、硅溶膠熔模鑄造或硅溶膠-水玻璃復合制殼工藝、型材連鑄、鐵型覆砂、v法、消失模鑄造等。
此外,還應開發(fā)和推廣能提高鑄件精度和表面質量的專用涂料系列和涂敷技術,如不占位涂料、流涂涂料、能控制冷卻速度的涂料等。 關于鑄件清理,繼續(xù)推廣強力拋、噴丸等高效機械化清砂,淘汰水力清砂、水爆清砂,減少手工清砂。對鑄鐵件配備拋丸清理設備或清理生產線,鑄鋼件或較復雜的鑄鐵大件采用噴拋聯(lián)合清理設備,液壓件等小殼體類鑄件可采用電液壓或電化學清砂設備;如組織清整生產線要盡量考慮鑄件的在線檢測(如測尺寸精度、表面硬度等)、粗加工基準定位面,設置鑄件的防銹處理(浸防銹液或涂底漆等)。
還應開發(fā)推廣機械手和機器人在落砂清理, 切割澆冒口, 打磨飛邊毛刺中的應用, 改善工人的勞動條件。
3 將計算機技術引入鑄造領域
傳統(tǒng)的鑄造設計、生產方法已不能適應市場經(jīng)濟和社會進步的要求,為了贏得競爭、占有市場、可持續(xù)發(fā)展,鑄造生產廠必須變革傳統(tǒng)的生產方法,引進新技術、新思維。將計算機技術引入鑄造領域正是這一趨勢的迫切要求。 以下就計算機在鑄造領域應用的一些重要方面,包括計算機輔助設計與分析、計算機檢測與控制、專家系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、鑄造工裝的計算機應用以及internet與鑄造產業(yè)等進行闡述。
1)計算機輔助設計與分析
(1)計算機輔助設計
計算機輔助設計(computer aided design,簡稱cad)是以計算機為主要手段,輔助設計者完成某項設計工作的建立、修改、分析和優(yōu)化,輸出信息全過程的綜合性技術。與傳統(tǒng)鑄造工藝設計方法相比,用計算機設計鑄造工藝可以顯著提高設計效率、縮短設計周期;能夠實現(xiàn)設計與分析的統(tǒng)一;可以存貯并利用鑄造工作者的經(jīng)驗,較容易設計出合理的鑄造工藝;同時為鑄造計算機輔助工程(computer aided engineering,簡稱cae)、計算機輔助制造(computer aided manufacturing,簡稱cam)、計算機輔助工藝規(guī)劃(computer aided process planning,簡稱capp)及計算機集成制造系統(tǒng)(computer integrated manufacturing system,簡稱cims)的實施準備完備的信息,奠定良好的基礎。
經(jīng)過幾十年的努力,目前國內外研制開發(fā)的鑄造工藝cad系統(tǒng),概括起來可以分為通用和專用鑄造工藝cad兩類:
通用鑄造cad系統(tǒng):主要用于普通砂型鑄造工藝的設計,又分為鑄鋼、灰鑄鐵、球鐵及有色等種類。功能包括澆注系統(tǒng)設計,補縮系統(tǒng)設計,分型面、拔模斜度、加工余量的確定,尺寸標注以及工藝圖及工藝卡的輸出。
專用鑄造cad系統(tǒng):主要用于某些特定范圍和特定目的的鑄造工藝設計,如壓鑄型cad、齒輪類cad、閥體類cad、曲軸類cad、機架類cad、缸體類cad、葉片類cad、disa造型線鑄造工藝設計cad等。
上述鑄造工藝cad多為二維系統(tǒng),以甩掉繪圖板、紅藍鉛筆及鑄造手冊為主要目的。
(2)計算機輔助分析
計算機輔助分析又稱計算機輔助工程(computer aided engineering,簡稱cae),是計算機應用的一個重要領域。一般說來,它是通過建立能夠準確描述研究對象某一過程的數(shù)學模型,采用合適可行的求解方法,使得在計算機上模擬仿真出研究對象的特定過程,分析有關影響因素,預測這一特定過程的可能趨勢與結果。鑄造過程數(shù)值模擬技術便屬于典型的cae技術。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,鑄造cae所涉及的范圍已相當廣泛。
上述模擬技術已從最初的普通重力砂型鑄造擴展到壓鑄、低壓鑄造、熔模鑄造、電磁鑄造、雙輥連鑄、電渣熔鑄等眾多鑄造方法。目前,鑄造數(shù)值模擬技術尤其是三維溫度場模擬、流動場模擬及彈塑性狀態(tài)應力場模擬已逐步進入實用階段,國內外一些商品化軟件系統(tǒng)先后推向市場,對實際鑄件生產起著越來越重要的作用。
因此,對計算機輔助設計與計算機輔助分析應以積極推廣。
①實施甩圖板、甩紅藍鉛筆、甩鑄造手冊工程
當前國內鑄造生產依然是采用傳統(tǒng)的工藝設計手段,鑄造工藝cad的應用幾近空白,應當盡快實施甩圖板、甩紅藍鉛筆、甩鑄造手冊工程,實現(xiàn)鑄造工藝的計算機設計。這是鑄造行業(yè)技術改造的必然要求。
②大力推廣鑄造cae技術
目前國內采用鑄造cae技術的企業(yè)不到100家,僅占所有鑄造廠家的0.5%左右,與西方工業(yè)發(fā)達國家(10%左右)差別很大,推廣應用工作應大力加強。一方面國內鑄造業(yè)應解放思想,大膽采用最新科技成果;另一方面還應正確認識鑄造cae系統(tǒng)的作用,它側重于分析、優(yōu)化鑄造工藝,但它絕對不能完全代替鑄造工程技術人員,不能神化它的功用,亦不應無視其作用,確切地說它是鑄造工作者手中的有利工具。最后還需要政府的扶植,多渠道推廣。
③鑄造工裝初步實現(xiàn)cad/cae/cam/rpm一體化,進一步實現(xiàn)遠程制造
在整個鑄造生產中,鑄造工裝尤其是鑄造模具/模板的設計制造,比較易于實現(xiàn)cad/cae/cam/rpm一體化。目前國內一些鑄造工裝企業(yè)已初步采用了上述先進設計制造技術,甚至還實現(xiàn)了遠程制造。但范圍太小,需要進一步加大推廣應用力度。
④加強人才培訓
鑄造cad、cae推廣應用的另一個關鍵是人才培訓,性能先進的cad、cae軟件系統(tǒng)只有配以高素質的應用人才才能達到最佳效果。因此在推廣高技術的同時應大力加強人才培訓。
2)計算機檢測與控制
利用計算機實現(xiàn)對生產設備或生產過程進行檢測與控制是計算機在鑄造生產中應用的重要內容。近些年來,已經(jīng)出現(xiàn)了很多利用微機來測試各種參數(shù)、監(jiān)視生產狀況、控制生產過程的設備及裝置,從而有效地提高了鑄件質量及生產效率,降低鑄造成本。鑄造過程采用微電子及計算機技術進行檢測與控制是生產高質量鑄件的必備條件,也是現(xiàn)代鑄造生產的一個重要標志。微機檢測與控制系統(tǒng)通常由計算機硬件與軟件、i/o接口、模數(shù)轉換器(a/d)、數(shù)模轉換器(d/a)、傳感器及執(zhí)行機械等部分組成。
目前在鑄造生產中運用的微機檢測與控制系統(tǒng)主要有如下幾個方面:
①型砂性能及砂處理過程微機檢測與控制。
主要功能有緊實率、抗壓強度、抗拉強度、有效粘土含量、透氣性測定及水分控制。
②沖天爐熔煉的微機檢測與控制。
主要功能有配料的自動控制、風量調節(jié)、冷卻水量控制、濕度及溫度控制。
③金屬液質量的爐前快速檢測及微機處理。
主要功能有各元素成分測定、金屬液溫度、共晶度、孕育效果、抗拉強度、硬度的測定。
④鑄件成形過程的微機檢測與控制。
主要功能有金屬液流動性檢測、鑄型性能檢測、造型線主輔機工作狀態(tài)的監(jiān)控。
⑤鑄件成品質量的微機檢測。
主要功能有檢測鑄件內部空洞的大小、檢測鑄件表面的粗糙度。
此外還有低壓及壓鑄生產過程微機控制系統(tǒng)、料庫監(jiān)控系統(tǒng)及生產組織協(xié)調監(jiān)控系統(tǒng)等。隨著科技的發(fā)展,鑄造行業(yè)計算機檢測與控制系統(tǒng)將越來越強調在線監(jiān)控,強調集成化與智能化。
①在線化
能夠對鑄造過程或設備進行在線檢測與控制,能夠及時準確地反映現(xiàn)場狀態(tài),實時控制有關生產設備,從而使鑄造過程或設備保持著最佳狀態(tài)。
②集成化
各監(jiān)控系統(tǒng)能夠相互配合、相互協(xié)調,成為一個有機的整體。
③智能化
監(jiān)控系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)場實際情況,自動發(fā)出準確合理的指令控制相關對象。
④遠程化
利用internet可以實現(xiàn)遠程(異地)監(jiān)控。
國內鑄造企業(yè)這一領域的計算機應用相對較多,尤其是一些大規(guī)模專業(yè)鑄造生產廠家,比較注重該方面技術的應用。但總的來說,應用面還不夠寬,現(xiàn)有的檢測與控制系統(tǒng)也大都是散兵游勇,各自為政