年产100 万根曲轴铸造车间设计

杨涛林，郭廷涛

（中国汽车工业工程有限公司，天津 300113）

某公司是生产经营汽车铸铁件的专业铸造厂，为国内外众多客户提供曲轴铸件。为进一步提升产品竞争力，对现有曲轴铸造生产能力进行全面升级，实现绿色化、智能化、自动化的铸造生产，大幅提高人均生产能力、提升产品质量。为此，该公司对曲轴铸造生产线进行全新规划设计，投资新建铸造车间，本文将从规划设计的角度出发，论述曲轴铸造车间设计要点。

1 设计任务

生产曲轴类铸件，材质为球铁，年生产纲领100 万根曲轴。

根据车间生产性质，为提高设备利用率及合理使用能源，车间生产以三班工作制为主。一、二班每班工作8 h，第三班工作6.5 h。

设备年时基数：三班制5010 h。

2 设计原则

（1）贯彻“最合适的设备、最优化的工艺、最好的效益、最高的效率、最好的产品”的项目指导思想。

（2）本着“优质、低耗、高效率、少污染”的原则，加强工艺管理，提高质量控制手段和检测水平。项目建成后，劳动生产率、产品质量、环保设施等方面，能够达到国内先进水平。

（3）为贯彻精益生产方式和保证产品的质量要求，在选用设备、制定方案时既考虑到技术先进、适用、可靠，又要注意经济的合理性。

（4）总体布局合理，物流顺畅：生产单元相对集中，物流路线短捷。

（5）设计中充分考虑到以人为本，降低劳动强度，加强环保设施和改善工人的劳动条件，确保生产安全，减少污染，节约能耗。

3 主要工艺和设备

根据设计任务，结合产品特点，铸造工艺采用壳型生产工艺，使用铁丸填箱，该工艺的优点是将铁丸填充在型壳与箱体之间，起到对覆膜砂壳型的固定和支撑作用，从而减少壳型的厚度，节约覆膜砂用量，降低生产成本；此外，通过铁丸的传热，对铸型冷却降温，冷却速度快，透气性好，提高了产品的质量稳定性，铁丸可以循环使用，成本低。设计选用了一条自动化壳型线，以壳型线为核心，配套相应工艺装备，规划在一座铸造车间内实现曲轴铸造生产的全流程，包括壳型线单元、熔化单元、铁丸处理单元、制壳单元、清理单元等。

3.1 壳型线单元

壳型线单元设计能力为30 箱/h，由壳型线、下壳机械手、取件机械手、浇注机等组成，采用铁丸填箱工艺，铁丸箱尺寸1050 mm×550 mm×850 mm，每箱可生产10 根曲轴，全线仅需3～4 人。

壳型线系统设备由辊道系统、下壳机、铁丸斗及加铁丸装置、振实台、转运车、翻箱机、接箱小车、取件机、液压、气动系统、电控系统、铁丸箱等组成。下型壳、加铁丸、振实、冷却、翻箱、取件均可实现自动化运行。

壳型线系统共设置4 个浇注工位，并在浇注工位前设置10 个待浇工位。采用可移动扇形浇注机进行浇注，并配随流孕育装置。铸型浇注后通过铸型转运车转运至冷却段进行冷却。共设4 条冷却辊道输送线（如图1 所示），型内冷却时间1.5～2 h。达到冷却时间要求后，铸型进入翻箱工位，采用翻箱机将铸件带铁丸直接翻至系统的振动落砂机，翻箱后，由抓取机械手将铸件抓放到板式输送机，输送至下道工序。铁丸进入铁丸冷却输送系统进行处理，循环使用。

图1 冷却辊道输送线

3.2 熔化单元

根据生产纲领计算，考虑铸件工艺出品率、废品率及铁水飞溅等损失，壳型线年需要合格铁水量为27521 t，平均每小时需要铁水量为5.5 t。铸件平均重量12.6 kg，最大件重量19 kg，壳型线最大需求铁水量为：19×10×30×1.02/0.66/1000=8.8（t/h）。综合考虑后，选用2 套5t/h 中频无芯感应电炉（双炉体、双供电，3500 kW），电炉考虑合资品牌，以获得高温、优质铁水。

配备电炉自动加配料系统，通过电磁桥式起重机找料、配料，将炉料加入振动输送加料小车（每个炉体对应1 台加料车），通过振动输送加料小车将炉料加入电炉内。

根据工艺和生产组织需要，在每个炉台的炉后跨设置不同容量的料坑，生铁和废钢料坑正对炉后进料大门，便于炉料卸入料坑内。

中频无芯感应熔炼电炉的除尘采用炉盖排烟罩的形式，产生的烟尘通过除尘系统后达标排放。

炉前设置快速分析室，检验采用直读光谱仪、碳硫分析仪和热分析仪及其他一些常规检验装置，以调整和控制铁水成分和温度。

采用空中自行线点对点铁水输送系统（如图2 所示），RGV 小车空中自动称重和运输铁水，并与电炉、球化处理、浇注机等有机连接，可以避免叉车运输的不安全性和中间铁水倒运，确保铁水质量[1]。

图2 铁水输送系统

3.3 铁丸冷却输送单元

铁丸冷却输送系统主要包括振动给料机、双层筛、输送机、冷却滚筒、斗式提升机、喷淋装置、鼓风、除尘及电控系统。

主要技术参数：

铁丸处理能力：≥70 t/h；铁丸开箱温度：400℃；冷却处理后的铁丸温度要求：不大于70 ℃；铁丸直径：3～5 mm。

工艺流程：翻箱后，铁丸及型壳倾倒至格子板漏斗，铁丸依次经振动筛分、输送、冷却滚筒冷却后，再经过输送机进入铁丸中间储存斗。从铁丸中间储存斗出来的铁丸，依次经输送机、斗式提升机、管式输送机输送至壳型线填铁丸工位上方的料斗，循环使用。系统设三级喷淋装置，为铁丸冷却降温。筛分后的型壳等非金属物料，通过输送机、斗式提升机，进入废料斗，在输送机端部设磁选机，磁选后的废料进入废料斗。

3.4 制壳及型壳存储输送单元

制壳单元设计能力为60 片/h，由热芯盒制芯机、壳型合型机、机器人组成，规划设计了3 套制壳单元。热芯盒制芯机生产采用成品覆膜砂，覆膜砂由辅料配送系统实现无人化自动配送，每套制壳单元仅需配备操作人员1～2 人。

为减低工人劳动强度，提高制壳效率，保证产品质量，在制壳单元引入工业机器人及视觉识别系统，主要操作工序如下：采用机器人配以专用夹具将制芯机做好的壳模取出，放在检测工位，由视觉识别系统对壳模的形状轮廓进行对比鉴定，待检测合格后，机器人将壳模放在壳型合型机的下模板支杆上；合型机上的下模板平移机构自动将壳模平移至人工操作工位，对壳模凹槽进行涂胶、下冷铁；下模板移动机构将下壳移至压合粘合工位，待另一半壳型制好后，由机器人取下并与涂好胶的壳型合型；上模板压下，将壳型压合；待粘合胶固化时间结束后，上模板升起；机器人将壳型取走并放在型壳存储输送系统的托盘上。

为适应不同品种产品的柔性化生产，调节型壳供需平衡，实现型壳的智能管理，设计了一套型壳存储立体库及输送系统。该系统主要包括堆垛机系统、货架系统、辊道输送系统、托盘、电控系统以及计算机信息管理系统。制壳及型壳存储输送单元如图3 所示。

图3 制壳及型壳存储输送单元

3.5 清理单元

铸件由抓取机械手抓放到板式输送机，在板式输送机上完成二次冷却。然后经轻型悬挂起重机人工上料至通过式双行程悬链抛丸清理机，实现铸件连同浇冒口一起的抛丸清理。通过式双行程悬链抛丸清理机以带有许多吊钩的悬挂输送机作为工件的输送装置，由于工件在自转的吊钩上接受抛丸清理，并且吊钩数量多，因此具有清理效果好、生产率高、铸件轮廓清晰和不易损坏等优点。

抛丸清理完成后，经轻型悬挂起重机人工下件，并将铸件放到切割打磨单元的上料工位。切割打磨单元由切割机、打磨机、浇冒口冲断机、输送皮带机以及机器人组成。实现切割打磨工序之间转接的自动化，减少了人员，改善了劳动环境。切割打磨单元如图4 所示。

图4 切割打磨单元

打磨下料后，经外观、尺寸、弯曲度、超声波等方面的人工检验，合格后进入连续通过式防锈清洗设备，防锈清洗后装箱。切割下来的浇冒口系统经冲断后，通过浇冒口输送系统自动输送至电炉后的料池备用。

4 车间物流及平面布置

车间各工序间主要采用机械化输送设备。熔化到浇注工位的铁水输送、覆膜砂的输送及回炉料的输送均规划设计了物料自动输送系统；型壳的输送采用型壳存储立体库及输送系统；铸件的输送采用板式输送机输送，各清理工序通过机器人、悬挂起重机、带式输送机进行各工序之间的转接，实现了铸件的不落地生产。整个车间工艺设备布局合理、物流顺畅，工艺平面布置见图5。

图5 工艺平面布置图

5 结语

该项目根据产品工艺特点及生产纲领，合理配置各工序所需的工艺设备，并进行创新性布局规划，通过项目的实施，全面提升了铸造生产的机械化、自动化、智能化水平，保证了铸件质量，提高了生产效率，降低了劳动强度。