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，中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司的高铁齿轮箱金属型低压铸造智能绿色车间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。
高铁齿轮箱金属型低压铸造智能绿色车间
一、企业简介
中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司（以下简称中车戚墅堰所或公司）创建于1959年，是中国中车股份有限公司下属的核心企业。2015年，随着中国南车与中国北车合并，成为中国中车股份有限公司全资子公司。
中车戚墅堰所是中国轨道交通装备基础材料、基础工艺、基础零部件的专业研发机构，是我国轨道交通关键核心零部件研发及产业化单位，同时也是轨道交通行业基础材料与基础工艺的技术研发及推广单位；是国家技术创新示范企业、国家高新技术企业、江苏省创新型企业，建有国家级企业技术中心、国家级博士后科研工作站、国家认可的实验室、7个省级工程中心、2个院士工作站等研发平台。
近年来，公司围绕自身核心竞争力，将智能制造作为工业化信息化融合的主攻方向持续发力。2015年开始，中车戚墅堰所在工信部国家智能制造试点项目的支持下，围绕公司主打产品高铁齿轮传动系统搭建涵盖智能设计、智能运营、智能生产、智能决策模块的智能制造平台，项目成果受到评审专家一致好评。
轨道车辆齿轮转动系统只能组装工业互联网工厂
二、项目背景
传统的砂型铸造劳动强度大，工作环境恶劣，对环境污染影响较大。随着近年来中国经济的飞速发展， 在保证了基本的物质需求时，人们开始偏向于追求精神层面的东西，年轻人在选择职业的时候对工作环境和劳动强度的关注度尤为明显。因此，传统的铸造厂普遍出现了用人荒、招工难、留人难等现象。改善员工劳动环境、降低劳动强度已经成为铸造行业普遍问题之一，追求绿色铸造、可持续发展也是铸造业必须要走的道路。
中车戚墅堰所铝合金齿轮箱铸件产品涉及机车、动车领域，少量涉足城轨地铁领域。既有产品结构中机车HXD1C铝合金齿轮箱、G327动车齿轮箱、四方长客平台标动齿轮箱、CRH6齿轮箱等产品占比较大；其中标动齿轮箱、CRH6齿轮箱、地铁齿轮箱等产品占比呈上升趋势。 因此公司以金属型低压工艺研究应用为基础，快速规划建设了铝合金齿轮箱金属型低压铸造智能车间。
为了进一步提升齿轮箱的质量，提高生产效率，改善生产环境，减轻劳动强度，适应时代对绿色铸造的呼唤，满足客户对高端铸件的需求，本项目针对铝合金中小型复杂铸件，采用机、电、气、液等一体化控制技术，设计了一条金属型低压铸造生产线，设计产能为年产 10000 套，可满足国内所有高铁动车组铝合金齿轮箱的生产需求。
三、实施方案
中车戚墅堰所高铁齿轮箱金属型低压铸造智能车间总投资5000万元，设计产能10000套/年。该项目基于“自动化＋信息化 绿色化”的新一代铸造智能工厂架构，综合应用了AGV、机器人等智能装备以及传感器、 智能单元管理与控制系统等，通过物联网技术实现设备数据采集、存储、上传，打通人、设备、系统之间的数据通道，实现高效协同。该智能车间主要设备有低压铸造机4台、ABB机器人系统2套、表干炉系统1台、除气机2套、化铝炉2台、除尘系统1套及密度当量仪、热分析仪、光谱仪等。
该项目依托铸造工艺生产设计，以铝合金低压铸造单元和物流智能单元为支撑，形成具有特色的完善的MES、QM、TPM（全面数字化管理）平台，建立了具有中车特色的实时数据库、历史数据库和专家知识库，通过数据分析、推理，利用MES系统的高效集成，对人员、设备、安全环境、生产、质量、能耗的全过程进行监控管理，实现了制造过程自动化、网络化，物流采集信息化，物料转运自动化。
本项目按照智能制造标准进行设计实施，按照客户端、ECS/Web服务器、数据库三层架构方案进行，以生产六要素管理为核心，实现了从人员管理、质量管理、设备管理、物料管理、实时监控到生产过程的全面集成的数字化管理。
高铁齿轮箱低压铸造智能工厂设计理念
成形智能工厂现场图
金属型低压铸造车间系统架构图
（一）、生产线的主要组成
该生产线主要由模具安装与加热、熔化及精炼除气、制芯及涂料表干、低压浇注及取件等四个工部组成。
1.模具安装与加热
采用模块化结构的装模小车，小车和驱动机构是独立结构，由隐藏在操作平台下的驱动机构控制小车， 在小车装好模具后将小车吊走。此处还设计了专用的烘烤机构，在半合模状态下采用整体式加热。加热器以天然气为燃料，放置在低压机平台上，上方设有除尘罩。
2.熔化及精炼除气
采用天然气对铝锭和回炉料进行熔化，配备1.2吨/h集中熔化炉和1吨/h坩埚熔化炉各一台，坩埚炉作为应急备用。加料塔根据铝锭量自动投料。炉膛内无视觉死角清渣方便省力，全过程自动运行、自动诊断、自动异常响应及故障报警等，操作便捷、可靠、安全。
精炼除气机有2套，精炼剂自动给料，采用氩气自动有挡板转子除气，配有升液管和炉盖保温炉2台。
3.制芯及涂料表干
采用环保型冷芯砂和制芯机自动制芯，采用水基涂料浸涂，泥芯组装后进入表干炉烘干，然后运输到浇注平台。表干炉由炉体、燃气式加热室、冷却室、炉内平板输送机以及热风循环系统、排湿系统、电气控制系统组成，使用天然气，具有泄漏报警和欠压切断功能。
4.浇注及开模取件
采用低压浇注机自动浇注，启动按钮将坩埚炉升液管升至浇注平台，根据设定好的浇注曲线“一键浇注”。 浇注完毕后，在保压的状态下进行凝固，因此铸件的致密度较高。凝固结束后卸压，然后系统按照设定的程序自动开模，先移开四周边模各5mm，打开顶模，然后交替移动各边模，最终打开边模。浇注完毕后，由机器人来抓取工件，放到倍速链上运走。该低压浇注机通过八导柱结构保证了平稳性，坩埚炉升液管液面加压控制方式具有液面悬浮功能。
（二）、项目主要创新点
精益化的设计理念：在生产线设计时，充分考虑了目视化管理、标准化作业和准时化生产的精益管理理念，建立了精益生产示范线。
数字化的技术应用：采用数字化CAE模拟技术和数字化3D打印技术，对铝合金齿轮箱金属型低压铸造工艺进行模拟分析、试验验证和工艺优化。
自动化的控制系统：设计了砂芯（铸件）和铝水两条自动化运输线，通过转运小车，取消了行车吊运，避免了行车作业的安全风险。采用低压浇注机自动控制浇注及开、合模，启动按钮实现“一键浇注”。
实时化的在线检测：在精炼除气工位进行实时检测，使用密度当量仪检测铝液含氢量，直读光谱仪检测元素含量，进口热分析仪判断组织大小并预测变质效果。
智能化的机器代人：采用ABB-800kg机器人进行下芯、取件和托板换位，通过快换机构实现自动更换夹具，大大减轻了劳动强度，避免了人受热烤和烟熏。
模块化的功能应用：采用模块化结构的换模小车和应急取物小车，进行模具的安装或更换以及人工下芯或取件。模块小车用完后即可吊走，操作方便，安全可靠。
信息化的管控系统：中控室配有网络服务器、监控显示器和信息数据显示器，实时监控温度、能耗、 人员、设备状态，进行设备和产品生产管理。
绿色化的节减措施：铝合金轻型材料，金属型净成形工艺，冷芯及水基涂料工艺，利用烟气余热加热熔化，各冒烟点配有吸尘罩，VOCs光氧催化处理，均符合绿色环保的理念。
专业化的先进技术：低压浇注机采用伺服液压系统通过八导柱结构保证了平稳性；坩埚炉升液管液面加压控制方式具有液面悬浮功能；坩埚保温炉在各工位通过快插机构实现自动接通电源和气源；机器人通过快换机构实现自动更换夹具。
四、项目实施效果
中车戚墅堰所金属型低压铸造成形智能车间综合技术优势显著，实现了中国标准动车组金属型低压铸造批量应用的国内外首创，其工艺应用达到国际先进水平，引领中国铸造转型升级，从铸造大国转变为铸造强国。铸造成形智能车间在多方面实现首创，为铸造行业绿色智能转型提供示范。班组作业人员仅5人，人均效率提升4倍以上；无重体力劳动、无粉尘排放；提高了铸件外观及内部质量，成品率较原先提升20%以上；成本降低5%以上。
1、利用数值模拟和 3D 打印技术,生产线试制开发时间缩短 60%，节约成本 50%以上
本项目主要产品为高铁齿轮箱，结构复杂，质量要求高，属于高端铸件，特别是金属型工艺，模具修改时间长、成本高。通过数字化模拟可以指导工艺方案改进、模具设计和生产过程控制，大大缩短试制周期和成本。在工艺试制过程中，利用本厂的数字化3D打印机，快速打印砂芯和塑料模，大大方便了工艺方案的试验验证。
2、使用金属型低压铸造替代传统树脂砂铸造工艺，效率提升了 50%，产品不良率降低 20%以上
传统铸造工艺常采用树脂砂手工造型制芯，砂芯强度不均匀，砂芯易变形，尺寸精度低（通常为CT11-13 级）；采用人工涂刷涂料，涂料层厚薄不均，并有刷痕，铸件表面粗糙度低（为Ra100）；组芯合箱采用分 体式，砂芯数量多，劳动强度大，生产效率低，平均合一箱砂芯需要4名工人8小时才能完成；传统工艺飞边、毛刺多，清理打磨工作量大，整体外观质量不高。本项目应用金属型低压铸造，机器人下芯取件，造型及浇注人工减少至2人，铸造尺寸精度由±2mm提升至±1mm，铸件表面粗糙度由Ra50 提高至 Ra12.5，同时组织明显细化，平均力学性能提升10%以上。
3、实现轻体力劳动为主、低能耗的绿色铸造的生产模式
粉尘、噪声、重体力劳动、能耗偏高且工人从业愿望差等问题在铸造行业突出，本项目主要采用设备进行机械化、自动化生产，有望实现90%以上轻体力劳动，粉尘等污染物排放大大降低。
通过铸造工艺集成设计与仿真分析应用，将工艺设计多层次优化后，材料消耗优化至最少；通过采用冷 芯制芯、新型生产工艺和优质铸造材料及高效除尘治理，减少了树脂和固化剂辅助材料，大大降低了对环境和人的影响；降低了能源消耗的废弃物排放和对环境的影响，使单位产值能耗降低12%，固定废弃物利用率达到98%，成为铸造行业中全面解决绿色问题的典型示范企业。
4、采用绿色设计理念、开辟绿色铸造新模式，具备可推广和复制性
本项目把传统铸造车间转换为国内一流的智能、柔性、绿色、高效的铸造车间，主要经济、技术、质量指标实现跨越式突破，现场从业人数减少75%以上，对促进我国轨道交通铝合金零部件数字化铸造车间发展，带动绿色铸造产业发展具有重大意义，具备可推广和复制性。本项目势必为中国铝合金铸造企业的转型升级提供借鉴，推动中国铸造业快速转变发展方式，实现产品、产业升级。
中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司的高铁齿轮箱金属型低压铸造智能绿色车间项目的成功实施，在带动行业智能制造发展方面具有重大意义，为铸造行业企业转型升级赋能，推动行业健康发展。
相关阅读：
「智能制造应用案例」案例一：铸造3D打印全流程智能工厂
「智能制造应用案例」案例二：高强铸件生产和加工数字化车间
「智能制造应用案例」案例三：大型铸钢件制造数字化工厂
「智能制造应用案例」案例四：柳工智能铸造现代化绿
,
