原标题：大型一体化压铸岛周边自动化设计与实践

摘要

随着新能源汽车行业的快速发展，大型一体化车身压铸技术作为实现车身轻量化的关键技术之一，正逐渐受到业界的广泛关注。本文旨在探讨大型一体化压铸岛周边自动化设计与实践，通过分析传统压铸现状、大型一体压铸岛布局、工艺流程和设备选型等方面，详细阐述大型一体化压铸岛周边自动化的关键技术要点，为大型一体化压铸岛周边自动化提供参考。

铝合金压铸在汽车行业及通讯行业得到了广泛的应用，特别是2020年以来，以特斯拉为首一体化压铸的兴起，引领压铸行业进入6 000 t以上超大型压铸时代。通常压铸机、保温炉、喷涂系统、取件设备和冷却设备等构成了压铸单元，行业术语称之为压铸岛。这些设备协同工作，实现铝合金等轻金属快速成形，通过冷却后得到所需的铸件。一体化压铸兴起以前，2 000 t压铸岛周边自动化配备简单，如图1传统压铸岛工艺布局，自动化仅仅用于喷涂及取件，渣包和料饼去除全部采用手工去除。

图1 传统压铸岛工艺布局简图

随着免热处理材料的开发，压铸零部件不断向高集成化发展，零部件尺寸和质量也在不断增加，同时压铸机的吨位也随之增加。通过调研，从表1压铸机与产品发展趋势来看，压铸机的吨位越大，产品质量越大。近年来，大型一体化压铸零件在汽车领域的应用越来越多，且集中在4 000 t以上，产品越来越大，质量也随之增加，人工搬运产品变得效率低下，且劳动强度越来越大，产品的渣包料饼去除，产品检测过程中搬运效率提升必须走自动化路线。本文结合自身压铸岛周边设计与实践经验，从产品工艺流程，压铸岛周边布局，熔化炉自动化投料，喷涂工装设计原理，快速水冷站设计，渣包去除控制要点及工装设计，等离子去料饼方案，自动化去毛刺，在线X-Ray探伤检测，自动化装箱和HSE等方面做了逐一说明。

表1 压铸机与产品发展趋势

1大型一体化压铸岛周边自动化设计

1.1 产品信息及工艺流程

图2为一体化压铸后车身简图，基本外形尺寸1 600 mm×1 450 mm×800 mm，采用自研材料HA1-H压铸铝合金材料，质量54.5 kg。由于产品尺寸和质量大，产品的搬运困难。因此，压铸岛的设计要尽可能减少搬运。图3为设计的工艺流程图，为了减少搬运过程，所有的加工都在压铸岛内完成，铝锭的投料采用移动机器人小车（以下简称AGV）以降低劳动强度。

图2 一体式压铸后车身简图

图3 压铸工艺流程

1.2 压铸岛周边自动化布局

根据图3的工艺流程，把所有的加工都尽可能放在压铸岛内。如图4压铸岛工艺布局所示，物料的流动如下：铝液熔化后，通过铝液泵将熔化炉中铝液搬运到保温炉中；保温炉中的铝液通过给汤机搬运到压室，通过压铸机压射，铝液充填到模具成为带浇注系统的产品；当凝固冷却后，取件机器人取件，放入冷却工位冷却；冷却后，搬运机器人将产品放入去渣包工位，去除渣包；机器人取件放入去料饼工位（等离子切割），去除料饼后，搬运机器人将产品放入打码工位，给产品刻印明码及二维码；随后搬运产品进入去毛刺工位，去毛刺完成后，根据品质检测需要进入X-RAY抽检，完成后通过成品下线AGV运输；通过人工工位全检后，AGV运输产品到装箱站，装箱站机器人根据产品的品质信息，进行分类装箱；当装箱完成后，AGV机器人将装箱好的料架搬运到对应的区域入库。

图4 压铸岛工艺布局。

2周边关键设备设计

2.1 熔炼系统

大型一体化压铸带浇注系统质量约为82 kg，按90 s节拍计算，每小时铝液消耗量为3.28 t，为了保证产能的稳定性，选择4 t/h熔化能力的熔化炉。为了保证保温炉温度的稳定性，选择10 t保温炉。如图5所示，铝液熔化后，通过铝液泵将铝液运输到保温炉中，保温炉下方也通过透气砖通入氩气，让铝液中的氢气溢出，同时保温炉也设计循环泵，保证铝液的密度指数小于2%。同时也避免了传统保温炉通过叉车转运铝液，大大降低了劳动强度，提升了效率。

图5 熔化保温炉示意图

图6所示，熔化炉上料采用AGV的方式，主要构成有AGV小车，托盘和料车，料车底部带有叉车孔，方便叉车上下料，侧面的叉车孔和熔化炉投料提升机链接，可以提升料车，实现无人化操作。

图6 AGV投料小车示意图

2.2 喷涂系统

为了缩短喷涂时间，大型一体压铸喷涂必须采用仿形喷涂。如图7所示，仿形喷涂采用多回路方式，对模具上需要喷涂的位置进行分区控制，这样有利于根据产品的实际需求，设定不同喷涂量及喷涂时间，在保证脱模效果的同时，还能进一步减少喷涂时间。

图7 仿形喷涂简图

同时，配比机采用多个脱模剂混合箱，可以实现不同浓度配比，结合工装的多回路控制，不仅实现了分区时间控制，也实现了分区浓度控制，特别有利于深腔的位置；结合大型压铸机的开模距离比较大，6 000 t以上压铸机开模距离在2 000 mm以上，这样就有足够的空间在动定模设计喷涂，可以实现动定模同时喷涂，大幅缩短了喷涂时间。

2.3 冷却装置

由于产品质量较大，采用传统的风冷方式，需要更多的时间且占用空间大，因此，大型一体压铸零件冷却必须采用水冷，这样效率更高。可以在30 s以内将产品的温度降低在70 ℃以下，为后工序的产品尺寸稳定性提供了保障。水箱的材质采用304不锈钢，可以避免后续使用时生锈。水温控制在50 ℃左右。如图8所示，水冷工装采用浮球加紧工装，借助水的浮力，在升降过程中，零件定位更稳定，速度更快，生产效率更高。

图8 水冷装置简图

2.4 去渣包站

大型一体化零件渣包去除是行业的痛点，主要体现在几个方面：①为了避免渣包取件过程中掉落，通常把渣包连接在一起，造成去除后容易挂在设备上，造成堆积故障停机；②渣包去除不干净；③渣包去除时拉缺产品，造成产品缺料，影响品质。为了解决这些问题，带浇道的产品进入去渣包站之前必须进行剪断。如图9是去渣包站的示意图，废料可以采用AGV小车转运，减少人工搬运，提升效率。为了解决渣包去除不干净或缺料的问题，在时间中，总结了如图10所示的经验。压铸模设计过程中需要将渣包的搭接口厚度控制在1.5 mm以内，否则去除渣包过程中，会拉伤产品本体。

图9 去渣包站结构示意图

图10 去渣包原理图

2.5 等离子切割站

图11为等离子切割站示意图，采用倒挂机器人搬运等离子切割枪头，对产品的浇道进行切割，浇道去除后，掉入AGV小车中，去渣包AGV小车，等离子切割小车及熔炉的小车规格一致，可以实现去渣包料饼直接通过AGV进行投料到熔炉中，实现物料循环，不需要人工转运。如图5所示。图12为切割浇道的分界线。由于等离子切割在切割过程中，本体必须连续，因此，模具设计时，需要把浇道前端链接在一起，这样既保证了不断弧，又不切伤产品。

图11 等离子切割站

图12 切割浇口示意图

2.6 去毛刺站

大型一体压铸零件，可采用机器人配合电主轴方式进行毛刺处理，工具可以选用锉刀、铣刀和砂轮片等工具，对零件毛刺和非标进行打磨处理。毛刺主要产生的位置为产品分型线、镶拼线和顶针痕迹。为了让去毛刺站高效运行，采用双各位旋转工作台结构，保证上下料不影响去毛刺加工时间；同时，产品夹紧工装具备360°旋转，既保证了产品的正面可以去毛刺，反面也可以去毛刺。去毛刺的标准主要参考整车的装配，分为不同等级，影响装配和外观的毛刺必须去除，对不影响外观及功能的毛刺，可以不用去除。

图13 去毛刺站简图

2.7 探伤检测站

探伤主要检测铸件内部的气孔和缩孔等缺陷，一般以离线检测为主，由于一体化压铸件产品尺寸大，采用离线检测的方式耗时，从压铸岛搬运到实验需要10 min，再将压铸件放入探伤设备检验反馈结果，不仅搬运劳动强度大，耗时多，还结果反馈慢。在开发初期就将探伤机放在压铸岛内，可以实现快速探伤检测。

同时由于信息传递延迟，浪费时间。为了解决这些问题，将X-RAY探伤设备集成在压铸岛中，不仅减少了产品的搬运，还可以快速反映铸件品质的状态。同时也可以根据增加抽检的频率。减少不良损失。图14为X-RAY探伤设备的外形图。产品放在检测支架小车上，下方有四个滚轮，由于小车下面的轨道和探伤房内部的轨道不连续，四个滚轮完美解决这个问题。小车进入铅房内，关闭安全门，开始进行探伤检测。

图14 探伤设备外形图

2.8 自动化装箱

图15为产品在AGV上的示意图。通过机器人将产品放在AGV小车上，小车识别到有产品后，搬运产品到人工检查工位（图16）；人工对产品外观进行100%检查，检查后输入合格和不合格信息，信息传递到自动化装箱站。机器人根据产品信息将产品放入合格品或不合格品的料架，实现了自动装箱。当装箱站的料架装满产品后，自动化装箱站呼叫新的AGV进入自动化装箱站，更换新的料架。整个过程自动化完成，减少人工搬运，提高效率。

图15 成品下线AGV搬运图

图16 自动装箱站示意图。

3压铸环保要求

压铸岛及周边环境保护方面的要求，如表2压铸专业涉及标准汇总所示，其中包含危废/弃物相关、职业卫生、通用标准、大气排放标准、大气污染防治技术和粉尘防爆标准等多个方面。这些规定由国家和地区的法律法规执法部门规定，依据地方法规有差异，实施压铸岛规划前需详细了解地方环境保护规定。

表2 压铸专业涉及HSE标准汇总

特别是熔炼区域，依据《安全预评价报告》及《国家安全生产监督管理总局令》第91号要求：企业对熔炼炉和保温炉等设备，应当设置铝液紧急排放和储存的设施，并在设备周围设置拦挡围堰，防止铝液外流。这个要求在企业容易被忽略。压铸环节，压铸废气大部分企业会按照烟雾净化内排处理，依据最新法规《铸造工业大气污染排放标准》-GB 39726—2020要求，压铸废气中含非甲烷总烃，必须采取有组织排放。

4结束语

（1）未来大吨位压铸岛要全工序集成，避免物料的不必要搬运，同时压铸岛还要实现智能化控制，提升整体生产效率。

（2）压铸模具设计制造，要充分考虑后工序渣包和浇道去除方案；模具与压铸机如何实现快速换模。

（3）X-RAY探伤规划设计在压铸岛内，可以实现快速检测，反映品质问题，X-RAY自动缺陷识别如何和压铸参数关联。

（4）零件搬运及废料的转移采用AGV搬运的方式，可以大幅减少人工，同时智能化需要提升。

（5）在环保方面，要依据最新法规，熔化保温炉要做好围堰，避免铝液泄露造成更大的损失；冷却水泄漏要做好检测，和压铸机关联；熔化炉和等离子除尘要有组织排放（＜10 mg/m³）；压铸机烟雾除尘采用有组织排放，去毛刺除尘采用湿式除尘器。

作者

侯东锋 王健 宋成猛 高文杰 李承璋 单浩

浙江极氪汽车研究开发有限公司

本文转载自：铸造杂志