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对铸钢件浇冒口自动化切割解决方案的技术探讨
[ 发布日期:2020-02-28 12:49:11 | 浏览:825次 ]
♦前言
 
近年来,随着中国制造业整体水平的快速提升,在铸造行业的铸钢件后处理加工工序中,浇冒口切割环节正日益成为一个行业难题,亟待通过自动化方式来实现解决。


 
而这方面目前所面临的问题点如下:
 
1、  随着制造业劳动力老龄化的迫近,劳动强度大,工作条件恶劣,具有安全及健康隐患的人工浇冒口清理工作岗位已经越来越不受欢迎,60-70年代的老员工面临退休或转岗,而80-90后的年轻工人拒绝接受这类工作。
 
2、 中国环保及安全监管力度与日剧增,手工切割、火焰气割等传统方式在环保和安全方面均不达标,整改要求日益迫切。
 
3、 由于铸造产业已经大比例的从欧美日等发达国家迁移出来,铸件后处理方面没有更新的国外技术方法可供参考,自动化应用技术亟待通过自身的努力获得突破。
 
随着这一需求的日渐增强,目前市场上逐渐涌现出机器人切割和专机切割的解决方案。以下,笔者将结合自身的行业经验,对此分别做分析解释,抛砖引玉,供业内人士共同研讨。
 
 
♦机器人切割 — 错误的捷径
 
毋庸置疑,机器人的优点是在三维空间内的轻拿轻放,多维变位,快速移动,以及具备较高的定位精度。利用这些优势,机器人已经在搬运码垛、上下料、焊接、抛光打磨等领域树立了自己无可撼动的统治地位。但是,将机器人用于浇冒口的自动切割,却是进入了一个误区。
 
1、  首先,从内部结构上分析,机器人的手臂转动采用伺服电机及精密的RV齿轮减速器,这种结构方式使机器人具备了较高的精度,但由于其精密度较好,显然无法耐受长期的冲击性。
 
就铸件切割的工况而言,实际上加工强度是非常大的,如果让机器人来做这个活,其结果是机器人关节会不断遭受超负载冲击,最终会导致精密齿轮挤压形变,精度受损直至彻底损坏。这种精度损伤会从锯片的损耗上反映出来,快则几个星期就看到效果,慢则几个月表现就非常明显了,而且会呈越来越严重的趋势,这显然会给机器人维护保养、以及后期使用成本带来巨大难题。

 
2、 从外部结构上来分析,机器人不论夹持工件还是夹持刀具进行切割工作,都会遇到结构设计上的难题。
 
首先,这里先明确一下自动切割用主轴电机的配置,通常来说,如果切割钢、不锈钢、特种合金等黑色金属工件,则一般要采用22KW以上的电机。

 
1).如果采用机器人夹持工件方式,由于带浇冒口的毛坯铸件非常复杂及形状不规则,使得夹具设计在工件基准支撑位、压紧位置、以及上料方式方面都存在较大的难题。这些难题在简单工件上可以克服,但在复杂工件上是难以克服的。

 
2).如果采用机器人夹持锯片的方式,同样也存在结构方面的问题难以克服。
 
A. 如果采用电机直连方式,则发现电机的功率不能过大(不超过2.2KW),否则电机的法兰盘会与锯盘存在较大干涉,导致锯盘没有工作空间。如果采用电主轴,仍然存在扭矩过小,不适宜于切割工况的问题。
 
B. 如果采用皮带传动方式,显然,需要有电机、皮带、皮带轮、主轴、安装板等较大的机构来实现组合,而这些机构在体积上显然过于庞大,导致机器人完全无法夹持及正常工作。
 
3、 从刀具的损耗方面来分析,机器人切割的工作方式,会导致刀具的磨损快速,达不到预期寿命。根据测试过的经验数据来看,锯片的寿命在机器人切割的工况下,存在巨大的随机性和差异性,长期来看,耗材损耗完全难以估量,使用户难以接受。
 

 
分析其原因有二:
 
1).机器人采用手臂悬空夹持工件去碰高速锯片的工作方式,在切割过程中不断受到较强的冲击力,但由于没有较好的刚性结构保证,会持续产生一定程度的震颤,这种震颤会反作用于锯片,使锯片不断承受除刀锋之外的冲击力,使之加大了摆动及温升,结果是出现跑偏等切割质量下降的情况,同时锯片寿命快速缩短。
 
2). 一般来说,锯片这种轻薄但高速旋转的刀具比较适合垂直向下安装,类似于卧车的主轴方式。但机器人切割系统却常常会采用锯片平躺安装的结构方式,这种方式的优点是锯片与机器人的干涉较小、落料方便、节省空间等,但缺点是锯片的自重会带来旋转中的锯片边缘的摆动加大,这种看似轻微的精度漂移,实际就已经足够对高速旋转的锯片磨损和寿命产生巨大的不利影响。
 
4、机器人切割系统从体积占用和成本方面来看,与切割专机对比也会存在较大的劣势,一般来说,机器人切割系统的成本造价会达到专机的2倍以上。
 
设计者和使用者考虑到工件、工装、切削力、刚性等综合因素,切割用机器人常常会选用负载能力在260-500KG这个级别,这种机器人显然比较庞大,这样会导致与之配套的基座基板、工作台、防护箱等的体积和占地同样都比较庞大,同时成本也相应提升,这样会使整个项目的性价比并不是很高。


 
综上所述,可以明确机器人并不适用于铸钢件的自动化切割。但是,为什么我们看到,来自国外的技术方案却往往采用机器人方式呢?
 
我的理解,黑色金属铸造这个行业的现状是,欧美日等发达国家在几十年前已经实现了对金属铸造这种高耗能、高污染、自动化程度低的产业整体转移,目前中国占有全球40-50%的份额,印度占有20-30%的份额,两者合计达到70-80%的全球份额,这种现状就是,中国和印度这种不发达的人口大国几乎完全承接了这个比较麻烦的产业。
 
这种产业大规模转移的结果就是,擅长于做工业自动化的这些发达国家,由于失去了本土需求的市场基础,实际上在铸造自动化方面失去了技术创新的动力与热情,尤其是在铸件后处理方面没有再做任何努力,这就是为什么我们在这方面找老外的解决方案时,结果就发现除了机器人集成系统,同样也就是手动、半自动等更落后的方式。
 
老外为什么选择用机器人呢,机器人系统简单、开发周期短啊!所以我们常常看到了德国意大利的老外用机器人做切割的案例,但需要指出的是,这些案例除了没什么技术含量外,就是一个字:贵!其实,贵也没有解决问题,老外做的机器人切割系统,我以上提到的缺点也完全都存在。
 
 
总结一下,铸件切割这种工作虽然属于粗加工范畴,但它依然与车铣刨磨这些机械加工一样,对设备结构和刀具方面存在较高的要求,需要专机专用。而机器人作为通用设备,其结构和工作方式并不适合于切割工况,希望铸造行业的用户以及机器人系统集成商不要陷入此方面的误区,不再走弯路,避免形成资源和成本上的浪费!
 
♦自动化切割专机 — 设备商要明确难点所在。
 
说到自动化切割专机,各设备供应商当然是八仙过海,各显其能,各有各的方案,各有各的道理。笔者在这里以圆盘切割专机作为讨论对象,提一些技术准则,以提供设备开发者进行参考。


 
1、  切割专机要具备机床般的强度和刚性。
 
对比以上机器人方案的劣势,一个技术的关键点就是机器人手臂的悬空结构输于刚性欠佳,结果导致一系列问题的产生。
 
首先要深刻认识到切割是一项加工强度极高、冲击性极强的加工作业,因此,切割专机要充分借鉴机床的结构形式,使设备的具备较高的刚性,并在此基础上将运动机构的精度做到向机床看齐,是确保该设备具备稳定性和低刀具耗用的基础。
 
2、 切割专机需要具备可靠的自身防护能力。
 
要知道铸钢件的作业其本质实际上是一种磨削而非切削作业,磨削产生的副产品是细微而无孔不入的粉屑,而这是对设备运动机构最大的威胁。
 
对比机床而言,那种将运动机构开放式的结构是不适用于磨削工况的。合理的解决方案是该防护的防护、该疏导的疏导、该简化的简化……。说起来容易,实际执行起来确实有一大堆的技术细节和技术难题。
 
3、 切割专机需要具备高度的柔性。
 
这种柔性重点体现在以下两个方面:
 
1)、设备要适应异形工件的切割要求,尽量做到一次装夹,完成多位置多角度的切割作业。
 
众所周知,铸造工件的结构复杂度一般是远远高于机床加工件的,而机床则是通过三轴、四轴、五轴来划分,一般五轴机就已经是高端的数控加工中心了。而对于铸件切割设备来说,三轴一般是远远不够的,四轴也具有较大的局限性,五轴才基本够用,最好是能做到六轴,给工件和刀具提供足够的加工维度。因此,这一点就是对设备的柔性结构提出了较高的难度要求。
 
2)、设备要适应快速换模换件的生产需求。
 
现在制造企业小批量、多品种的生产的方式已经成为了新常态,因此,任何一个设备如果在快速换模换件上存在缺陷,都将降低用户对设备的使用效率。
 
因此,设备的设计一是要在加工模具或工装上多花心思,使用户能够实现快速更换;二是要在控制软件的可调整性可调用性上多做工作,使用户能快速的存储及调用不同的加工“参数配方”。
 
4、 切割专机需要具备编程的便利性。
 
1)、首先,一定要做到专而不独,用户可以对切割工艺进行自主编程。
 
2)、由于铸件天然具备不一致性和复杂性,因此数控机代码的编程方式较难适用于切割工况,而“所见即所得”的机器人试教编程的方式具备较强的合理性。
 
5、 切割专机需要具备对刀具强大的驾驭能力。
 
切割所需的锯片针对铸件的材质不同,在材质上和规格上的差异性和跨度都会比较大。
 
从材质上说,锯片可以有硬质合金、金刚石、树脂砂轮等;从规格尺寸上,常见的切割锯片直径从300-600mm不一而足。
 
因此,一个可用性及稳定性较高的切割专机,应该均能驾驭以上材质和规格的切割刀具,做到能输出较强的工作转矩、提供较高的主轴精度、具备连续性的刀具消耗补偿、具备刀具的过载和安全保护措施等。而这些都是维持刀具稳定进行切割加工的必要条件。
 
6、 其他:安全、精度、效率、自动化、人机工程学等要求。
 
作为一个完整的具备合理性和可用性的设备,这些方面的要求也非常设备,可以参考借鉴较为成熟的数控机床和工业机器人进行融合性的设计和优化。

 
最后总结一下:
 
针对铸钢件的自动化切割技术方案,以上提到似乎都是误区和困难,实现技术突破和成熟应用的难度依然很大,但结合互联网行业的经验, “痛点就是起点“,“痛点、难点全都是机会”……设备厂商要具备尝试和努力的勇气和信心,用户方也需要对技术要求有合理的把握。
 
今天及未来,作为需要做机器换人、产业升级、寻求高端智能装备的我们中国来说,铸件的自动化切割技术的开发和提升已经不能指望别人,需要我们中国人自己开动脑筋,创造性的来寻求解决方案。
 
市场在哪里,技术就在哪里,相信以中国市场的庞大和持续需求,一定也能在这个领域逐渐孕育出成功的技术和产品,来解决各行各业的制造业难题,也让我们拭目以待!








 
 
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