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智能制造应用案例十丨 广东富华铸锻全流程自动化铸造生产线

在铸造行业“十四五”发展的开局之年,中国铸造协会在第五届中国铸造节上正式向全行业发布了《铸造行业“十四五”发展规划》,《规划》中明确了“智能制造”的发展目标。


智能制造:加快行业信息化建设步伐,形成适用典型铸造工艺和不同产品的智能制造成熟模式,制订智能铸造及成熟度评价系列标准,通过典型数字化车间/智能工厂示范建设,引领行业智能制造快速发展。到2025年,培育200个以上数字化车间/智能工厂。


在铸造行业,广东富华铸锻有限公司全流程自动化铸造生产线作为智能制造示范项目,引领着行业智能制造快速发展。今天将对此项目做详细介绍。


全流程自动化铸造生产线


一、企业简介


广东富华铸锻有限公司位于广东省江门市新会区沙堆镇,是一家有着近二十年历史的大型合资铸造企业,公司主要为富华机械集团供应轮毂、制动鼓、桥壳、鞍座、制动底板等汽车铸造零部件,其中轮毂、制动鼓为主导产品。2018 年公司在职员工 1521 人,全年产值 123193 万元,主营业务收入 131840 万元。2013年公司首次通过了高新技术企业认定,2015 年公司组建的研发中心被认定为“广东省专用车及商用车零部件铸锻(富华)工程技术研究中心”,公司先后通过了 ISO 9001;2015 年 IATF16949 质量体系认证;取得了中国 CCS、美国 ABS、法国 BV、德国 GL、英国 LR 等国家船级社的工厂认证证书。公司拥有专业研发人员百余人,其中中级职称 18 人,高级职称 8 人,涵盖模具设计、铸造工艺、型砂、熔炼等专业领域。公司获得授权专利 76 项,其中发明专利 4 项、实用新型专利 64 项、外观专利 6 项,公司的主要产品全部拥有自主知识产权。


公司自成立以来,一直以打造绿色铸造车间为目标,不停探索各类先进技术在铸造行业的应用。车间内部采用先进除尘设备,生产产生的废砂全部再生回收利用,生产过程尽可能实现自动化。公司自行规划设计的制动鼓生产线已经达到国际先进水平,实现从配料、熔炼、铁水运输、浇注、造型、铸件冷却、抛丸处理、打磨、浸漆到包装的全过程自动化控制,整个生产过程中铸件不离线、不着地。


二、项目背景


中国作为全球铸件产量最大的国家,铸造企业平均产量只有德国铸造企业的四分之一,铸造企业整体技术装备水平和发达国家还有较大差距。企业间技术装备水平差距也比较大,少数企业的技术装备水平已经达到国际水平,但是整体水平不高。铸造是一个传统的劳动密集型行业,我国铸造业整体自动化程度偏低,普遍存在劳动强度高、工作环境差、能耗高、环境污染重等现象。因此,通过自主创新,研制高度自动化的铸造生产线势在必行。


铸造是一个传统的行业,铸造车间的工作环境相对恶劣,劳动强度相对较大,尤其是其中的清理打磨工序。近年来,随着劳动力价格上涨,我国制造业企业人口红利逐渐消失,铸造企业由于其工作环境的恶劣,更加容易陷入招工难、留人难的问题。推进自动化改造,采用自动化设备辅助人工作业或者取代重体力劳动,可以改善工人作业环境,降低工人劳动强度,使铸造企业招得进人、留得住人。


铸造车间工人的文化程度整体偏低,专业技能相对较差,再加铸造厂工人流动性大,车间工人往往得不到系统性的技能培训,因车间工人工艺要求执行不到位而导致的质量问题时有发生。使用先进的自动化设备,可以有效减少人为因素对产品质量的影响。


绿色铸造是未来铸造行业的发展趋势。随着我国国民经济的发展方式向结构调整优化、注重效益环保、供给侧改革转变,铸造行业企业基于循环经济模式开展绿色、环保、节能转型势在必然。在传统铸造业的基础上,打造绿色、节能、环保的铸造生产基地,从产品设计、原辅材料、能源消耗、清洁工艺入手,充分运用除尘、除污、除气、降低噪音等设备,减少主要污染物的排放量,改善工人工作环境,向节能环保型铸造企业方向发展。


三、实施方案


富华铸锻全流程自动化铸造生产线总投资 1.5 亿元,主要生产商用车制动鼓铸件,设计产能 10 万吨/年。本项目充分运用各类先进铸造设备,合理设计各个生产环节的节拍,通过生产线的集成,将铸造过程的各个工序进行无缝衔接,实现了铸造全流程自动化,在生产全过程铸件不离线不落地,工序之间实现数据自动通讯,生产、质量、设备、物料、能耗等数据信息自动采集并汇总分析,保证高性能零件的质量控制,智能化达到工业 3.5 的水平。



全流程自动化铸造生产线示意图


整个项目的核心内容及创新点有以下几点:


(一)全流程铸件不下线


传统铸造车间内各个工序相对独立,工序之间通过天车、叉车或者平车来进行物料以及铸件的转移。本项目创新生产线设计,将铸造流程中相对独立的各个工序进行无缝连接,实现从生铁、废钢等原材料进炉至成品码垛打包全流程自动化,生产过程中铸件不下线,一条生产线完整包含全部工序,铸件在冷却、抛丸、喷漆的同时完成了铸件的转运,无需额外的人工转运,减少工伤事故隐患。


(二)双主机造型


本项目采用静压造型工艺,静压造型是目前最常用的湿型砂造型工艺之一,具有砂型紧实度强、铸件尺寸精度高、表面粗糙度好、模板利用率高、劳动条件好等特点,可用于生产结构复杂的铸件。本项目根据制动鼓铸件结构相对简单,无需下芯的特点,运用双主机分别完成上砂型和下砂型的造型工作,相对于传统的单主机造型线,生产效率更高,可以达到 170 箱/小时,远高于单主机造型线的生产效率。


(三)高度自动化


工业机器人已经成为制造业的重要角色,越来越多的企业采用机器人获得更高的生产效率、解决人力难题。本项目各个工序都尽可能的采用自动化设备替代人工作业,如采用自动加配料系统完成炉前加配料,采用自动转运车将熔炼好的铁水运输至浇注工位,采用自动浇注机实现浇注,采用自动打磨机清理铸件披缝、毛刺及浇冒口残留,采用自动喷漆完成铸件防锈处理,采用自动码垛机和打包机完成成品的打包。传统铸造车间里熔炼、打磨、油漆是工作环境较恶劣的几个工序,劳动强度也相对较大,通过自动化设备的运用,一方面大大改善了工人的工作环境,降低了工人的劳动强度;另一方面,还减少了工人操作环节,避免了人为因素引起的产品质量波动。


(四)恒温定速浇注


本项目采用新型气压保温浇注炉来实现恒温定速浇注。充分利用虹吸与联通器原理实现了浇注和补充金属液的同步操作。通过调整浇注炉内的气压,控制出水槽位置的铁水液面高度恒定,进而实现浇注速度恒定;通过感应线圈对炉内铁水进行加热,确保浇注温度恒定。浇注炉的控制系统及电气功能全部通过电脑控制,预先编程设计精确的浇注位置、速度及温度,实现精准的自动化浇注,工艺稳定性得到较大的提升。在浇注蠕墨铸铁时,浇注炉内采用氮气压力,可以延迟孕育衰退、蠕化衰退。


(五)通过式在线连续冷却、连续抛丸、连续打磨


本项目的落砂、抛丸、打磨均设计成轨道通过式,铸件在流通过程中就完成了落砂、冷却、抛丸、打磨,无需二次转运。以一种连续通过方式进行冷却、抛丸、打磨,铸件上一道工序完成后通过运输轨道直接运送至下一道工序,工序间无缝对接,实现全流程系统化控制。落砂、抛丸、打磨均采用全封闭的形式,清理过程中产出的粉尘通过除尘系统吸收,减少了车间内粉尘和噪声污染,实现了绿色铸造的目标。


(六)铸件质量 在线检测


结合铸造生产过程控制,应用工业机器人检测技术,实现铸件的质量在线检测。机械手按照预设的检测频率,自动从生产线上抓取铸件进行检测。通过机器人检测系统与生产线线的无缝衔接,真正实现无人化的大规模高效智能检测,同时建立数据库保存产品信息、检测信息等数据,实现产品信息跟踪及追溯的同时,可以为将来引进大数据分析系统提供前期的数据支持。


(七)数字化车间


本项目对车间各类设备及生产数据进行实时采集,并对从车间实时采集上来的数据进行统计分析。将生产过程中各种信息进行准确采集和有效集成,及时准确掌握生产过程中的动态信息,分析设备运行数据、生产物料消耗等情况,为提高生产效率和物料资源利用率提供决策支持。同时,将信息采集模块和 ERP 系统的生产计划、订单任务等进行对接,在生产过程中,质量跟踪模块与过程跟踪模块同时跟踪现场生产模块的生产情况,并将跟踪信息实时传递给信息采集模块,信息采集模块通过网络传递给生产管理模块,生产管理模块依据采集的信息对生产进行管理与控制。


四、项目实施效果


富华铸锻全流程自动化铸造生产线 2017 年 2 月建成试产,试产一月就达到了满产的目标,各项指标均达到预期,基本实现了生产全过程的自动化,成为了国内铸造厂里最先进的生产线之一。借助于本项目的投产,富华铸锻 2017 年产量突破了 20 万吨,当年营业收入 12.5 亿元,相对于 2016 年的 5.65 亿元,同比增长 121%。


(1)全线自动化,生产效率达到行业平均水平的 2 2~3 3 倍,废品率降低至 0.3%


以下本项目采用双主机造型,生产效率更高,各个生产工序节拍设计合理,各个工序衔接流畅,每小时 170箱以上的效率已经达到国内静压造型线平均水平的 2~3 倍。得益于整个生产线的高度自动化,需要人工干预的工序极少,大大降低了因为工人操作不当而导致的质量问题,生产工艺的稳定性得到极大提升,整条生产线的平均废品率已经控制在 0.3%以下,远低于行业平均水平。同时,自动化程度的提高,也使得本项目需要的工人数量大大减少,本生产线年人均产量超过 800 吨,是行业平均水平的数倍。


(2 )尺寸精度高,加工余量少


运用高精度的造型技术,产品尺寸精度得到大幅度提高,直径 500mm 左右的制动鼓铸件,加工余量可以设置到 1.5mm,产品拔模斜度最低可以低至 0.8°。加工余量的减少,一方面可以减少加工工序的加工成本,另一方面还可以减少原材料的消耗,达到资源节约的目的。同种型号的制动鼓铸件,在该生产线上生产的产品,通过生产过程的精确控制,可以将铸件重量减轻 5~10%,实现轻量化设计的目标。


(3 )机器代人,改善工人的工作环境、降低工人的劳动强度


本项目通过运用自动化设备、机器人替代人工作业,实现机器人自动打磨披锋、毛刺及浇冒口残余,工人从高劳动强度的工作解放出来,改善工人的工作环境、降低工人的劳动强度。工人不直接进行高劳动强度的作业,也相应的降低了工伤事故发生的概率。


(4)绿色铸造,引领行业升级


本项目致力于打造一个绿色的铸造工厂。一方面,在产品开发初期,技术人员就对产品工艺进行仿真模拟分析,优化工艺方案,选择最优的生产工艺,缩短开发周期,减少工艺试验次数。另一方面,落砂清理工序均采用全封闭设备,同时,在车间内部全部采用先进的除尘设备,减少车间粉尘等污染物的排放。生产过程中产生的废砂通过废砂再生设备处理后全部回收再生重复利用,减少了固废的排放。包括空压机的余热也通过回收再利用为生活区供热,做到了全方位的节能减排。


本项目建成后,铸协领导曾多次组织国内铸造同行来参观考察,已然成为了我国铸造业自动化工厂的一个示范工程,对我国绿色铸造发展以及铸造行业的自动化升级、产业升级具有重大意义。


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