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鑄件澆冒口還在采用人工切割嗎？鑄件自動切割機顛覆了你的認知——圣偉機械

2022-06-02

近年來，隨著中國制造業整體水平的快速提升，在鑄造行業的鑄鋼件后處理加工工序中，傳統鑄件澆冒口切割都是采用人工操作，而這個環節正日益成為一個行業難題，亟待通過自動化方式來實現解決。

而這方面目前所面臨的問題點如下：

1、隨著制造業勞動力老齡化的迫近，勞動強度大，工作條件惡劣，具有安全及健康隱患的人工澆冒口清理工作崗位已經越來越不受歡迎，60-70年代的老員工面臨退休或轉崗，而80-90后的年輕工人拒絕接受這類工作。

2、中國環保及安全監管力度與日劇增，手工切割、火焰氣割等傳統方式在環保和安全方面均不達標，整改要求日益迫切。

3、由于鑄造產業已經大比例的從歐美日等發達國家遷移出來，鑄件后處理方面沒有更新的國外技術方法可供參考，自動化應用技術亟待通過自身的努力獲得突破。

隨著這一需求的日漸增強，目前市場上逐漸涌現出機器人切割和專機切割的解決方案。以下，筆者將結合自身的行業經驗，對此分別做分析解釋，拋磚引玉，供業內人士共同研討。

機器人切割 — 錯誤的捷徑

毋庸置疑，機器人的優點是在三維空間內的輕拿輕放，多維變位，快速移動，以及具備較高的定位精度。利用這些優勢，機器人已經在搬運碼垛、上下料、焊接、拋光打磨等領域樹立了自己無可撼動的統治地位。但是，將機器人用于澆冒口的自動切割，卻是進入了一個誤區。

1、首先，從內部結構上分析，機器人的手臂轉動采用伺服電機及精密的RV齒輪減速器，這種結構方式使機器人具備了較高的精度，但由于其精密度較好，顯然無法耐受長期的沖擊性。

就鑄件切割的工況而言，實際上加工強度是非常大的，如果讓機器人來做這個活，其結果是機器人關節會不斷遭受超負載沖擊，最終會導致精密齒輪擠壓形變，精度受損直至徹底損壞。這種精度損傷會從鋸片的損耗上反映出來，快則幾個星期就看到效果，慢則幾個月表現就非常明顯了，而且會呈越來越嚴重的趨勢，這顯然會給機器人維護保養、以及后期使用成本帶來巨大難題。

2、從外部結構上來分析，機器人不論夾持工件還是夾持刀具進行切割工作，都會遇到結構設計上的難題。

首先，這里先明確一下自動切割用主軸電機的配置，通常來說，如果切割鋼、不銹鋼、特種合金等黑色金屬工件，則一般要采用22KW以上的電機。

1）.如果采用機器人夾持工件方式，由于帶澆冒口的毛坯鑄件非常復雜及形狀不規則，使得夾具設計在工件基準支撐位、壓緊位置、以及上料方式方面都存在較大的難題。這些難題在簡單工件上可以克服，但在復雜工件上是難以克服的。

傳統切割工藝

2）.如果采用機器人夾持鋸片的方式，同樣也存在結構方面的問題難以克服。

A. 如果采用電機直連方式，則發現電機的功率不能過大（不超過2.2KW），否則電機的法蘭盤會與鋸盤存在較大干涉，導致鋸盤沒有工作空間。如果采用電主軸，仍然存在扭矩過小，不適宜于切割工況的問題。

B. 如果采用皮帶傳動方式，顯然，需要有電機、皮帶、皮帶輪、主軸、安裝板等較大的機構來實現組合，而這些機構在體積上顯然過于龐大，導致機器人完全無法夾持及正常工作。

3、從刀具的損耗方面來分析，機器人切割的工作方式，會導致刀具的磨損快速，達不到預期壽命。根據測試過的經驗數據來看，鋸片的壽命在機器人切割的工況下，存在巨大的隨機性和差異性，長期來看，耗材損耗完全難以估量，使用戶難以接受。

分析其原因有二：

1）.機器人采用手臂懸空夾持工件去碰高速鋸片的工作方式，在切割過程中不斷受到較強的沖擊力，但由于沒有較好的剛性結構保證，會持續產生一定程度的震顫，這種震顫會反作用于鋸片，使鋸片不斷承受除刀鋒之外的沖擊力，使之加大了擺動及溫升，結果是出現跑偏等切割質量下降的情況，同時鋸片壽命快速縮短。

2). 一般來說，鋸片這種輕薄但高速旋轉的刀具比較適合垂直向下安裝，類似于臥車的主軸方式。但機器人切割系統卻常常會采用鋸片平躺安裝的結構方式，這種方式的優點是鋸片與機器人的干涉較小、落料方便、節省空間等，但缺點是鋸片的自重會帶來旋轉中的鋸片邊緣的擺動加大，這種看似輕微的精度漂移，實際就已經足夠對高速旋轉的鋸片磨損和壽命產生巨大的不利影響。

4、機器人切割系統從體積占用和成本方面來看，與切割專機對比也會存在較大的劣勢，一般來說，機器人切割系統的成本造價會達到專機的2倍以上。

設計者和使用者考慮到工件、工裝、切削力、剛性等綜合因素，切割用機器人常常會選用負載能力在260-500KG這個級別，這種機器人顯然比較龐大，這樣會導致與之配套的基座基板、工作臺、防護箱等的體積和占地同樣都比較龐大，同時成本也相應提升，這樣會使整個項目的性價比并不是很高。

鑄件自動切割機

綜上所述，可以明確機器人并不適用于鑄鋼件的自動化切割。但是，為什么我們看到，來自國外的技術方案卻往往采用機器人方式呢？

我的理解，黑色金屬鑄造這個行業的現狀是，歐美日等發達國家在幾十年前已經實現了對金屬鑄造這種高耗能、高污染、自動化程度低的產業整體轉移，目前中國占有全球40-50%的份額，印度占有20-30%的份額，兩者合計達到70-80%的全球份額，這種現狀就是，中國和印度這種不發達的人口大國幾乎完全承接了這個比較麻煩的產業。

這種產業大規模轉移的結果就是，擅長于做工業自動化的這些發達國家，由于失去了本土需求的市場基礎，實際上在鑄造自動化方面失去了技術創新的動力與熱情，尤其是在鑄件后處理方面沒有再做任何努力，這就是為什么我們在這方面找老外的解決方案時，結果就發現除了機器人集成系統，同樣也就是手動、半自動等更落后的方式。

老外為什么選擇用機器人呢，機器人系統簡單、開發周期短啊！所以我們常常看到了德國意大利的老外用機器人做切割的案例，但需要指出的是，這些案例除了沒什么技術含量外，就是一個字：貴！其實，貴也沒有解決問題，老外做的機器人切割系統，我以上提到的缺點也完全都存在。

總結一下，鑄件切割這種工作雖然屬于粗加工范疇，但它依然與車銑刨磨這些機械加工一樣，對設備結構和刀具方面存在較高的要求，需要專機專用。而機器人作為通用設備，其結構和工作方式并不適合于切割工況，希望鑄造行業的用戶以及機器人系統集成商不要陷入此方面的誤區，不再走彎路，避免形成資源和成本上的浪費！

鑄件自動化切割機專為鑄件切割而生 — 設備商要明確難點所在。

說到自動化切割專機，各設備供應商當然是八仙過海，各顯其能，各有各的方案，各有各的道理。筆者在這里以圓盤切割專機作為討論對象，提一些技術準則，以提供設備開發者進行參考。

鑄件自動切割機

1、切割專機要具備機床般的強度和剛性。

對比以上機器人方案的劣勢，一個技術的關鍵點就是機器人手臂的懸空結構輸于剛性欠佳，結果導致一系列問題的產生。

首先要深刻認識到切割是一項加工強度極高、沖擊性極強的加工作業，因此，切割專機要充分借鑒機床的結構形式，使設備的具備較高的剛性，并在此基礎上將運動機構的精度做到向機床看齊，是確保該設備具備穩定性和低刀具耗用的基礎。

2、切割專機需要具備可靠的自身防護能力。

要知道鑄鋼件的作業其本質實際上是一種磨削而非切削作業，磨削產生的副產品是細微而無孔不入的粉屑，而這是對設備運動機構最大的威脅。

對比機床而言，那種將運動機構開放式的結構是不適用于磨削工況的。合理的解決方案是該防護的防護、該疏導的疏導、該簡化的簡化……。說起來容易，實際執行起來確實有一大堆的技術細節和技術難題。

3、切割專機需要具備高度的柔性。

這種柔性重點體現在以下兩個方面：

1）、設備要適應異形工件的切割要求，盡量做到一次裝夾，完成多位置多角度的切割作業。

眾所周知，鑄造工件的結構復雜度一般是遠遠高于機床加工件的，而機床則是通過三軸、四軸、五軸來劃分，一般五軸機就已經是高端的數控加工中心了。而對于鑄件切割設備來說，三軸一般是遠遠不夠的，四軸也具有較大的局限性，五軸才基本夠用，最好是能做到六軸，給工件和刀具提供足夠的加工維度。因此，這一點就是對設備的柔性結構提出了較高的難度要求。

2）、設備要適應快速換模換件的生產需求。

現在制造企業小批量、多品種的生產的方式已經成為了新常態，因此，任何一個設備如果在快速換模換件上存在缺陷，都將降低用戶對設備的使用效率。

因此，設備的設計一是要在加工模具或工裝上多花心思，使用戶能夠實現快速更換；二是要在控制軟件的可調整性可調用性上多做工作，使用戶能快速的存儲及調用不同的加工參數配方。

4、切割專機需要具備編程的便利性。

1）、首先，一定要做到專而不獨，用戶可以對切割工藝進行自主編程。

2）、由于鑄件天然具備不一致性和復雜性，因此數控機代碼的編程方式較難適用于切割工況，而所見即所得的機器人試教編程的方式具備較強的合理性。

5、切割專機需要具備對刀具強大的駕馭能力。

切割所需的鋸片針對鑄件的材質不同，在材質上和規格上的差異性和跨度都會比較大。

從材質上說，鋸片可以有硬質合金、金剛石、樹脂砂輪等；從規格尺寸上，常見的切割鋸片直徑從300-600mm不一而足。

因此，一個可用性及穩定性較高的切割專機，應該均能駕馭以上材質和規格的切割刀具，做到能輸出較強的工作轉矩、提供較高的主軸精度、具備連續性的刀具消耗補償、具備刀具的過載和安全保護措施等。而這些都是維持刀具穩定進行切割加工的必要條件。

6、其他：安全、精度、效率、自動化、人機工程學等要求。

作為一個完整的具備合理性和可用性的設備，這些方面的要求也非常設備，可以參考借鑒較為成熟的數控機床和工業機器人進行融合性的設計和優化。