Литейные заводы все чаще внедряют автоматизацию процессов на основе данных для достижения долгосрочных целей более высокого качества, меньшего количества отходов, максимального времени безотказной работы и минимальных затрат. Полностью интегрированная цифровая синхронизация процессов заливки и формовки (бесшовное литье) особенно ценна для литейных заводов, сталкивающихся с проблемами производства точно в срок, сокращения времени цикла и более частой смены моделей. Благодаря автоматизированным системам формовки и литья, которые бесшовно связаны между собой, процесс литья становится быстрее, а более качественные детали производятся более стабильно. Автоматизированный процесс заливки включает в себя мониторинг температуры заливки, а также подачу модифицирующего материала и проверку каждой формы. Это улучшает качество каждой отливки и снижает процент брака. Эта комплексная автоматизация также снижает потребность в операторах с многолетним специализированным опытом. Операции также становятся безопаснее, поскольку в целом задействовано меньше рабочих. Это видение не является видением будущего; это происходит сейчас. Такие инструменты, как автоматизация литейного производства и робототехника, сбор и анализ данных, развивались на протяжении десятилетий, но в последнее время прогресс ускорился с развитием доступных высокопроизводительных вычислений и передовых сетевых датчиков Industry 4.0 и совместимых систем управления. Решения и партнеры теперь позволяют литейным заводам создавать надежную, интеллектуальную инфраструктуру для поддержки более амбициозных проектов, объединяя несколько ранее независимых подпроцессов для координации их усилий. Хранение и анализ данных процесса, собранных этими автоматизированными, интегрированными системами, также открывает дверь к эффективному циклу непрерывного совершенствования на основе данных. Литейные заводы могут собирать и анализировать параметры процесса, изучая исторические данные, чтобы найти корреляции между ними и результатами процесса. Затем автоматизированный процесс обеспечивает прозрачную среду, в которой любые улучшения, выявленные в ходе анализа, могут быть тщательно и быстро протестированы, проверены и, где это возможно, внедрены.
Проблемы бесшовной формовки Из-за тенденции к производству точно в срок клиентам, использующим формовочные линии DISAMATIC®, часто приходится часто менять модели между небольшими партиями. Используя такое оборудование, как автоматическое устройство смены порошка (APC) или быстрое устройство смены порошка (QPC) от DISA, шаблоны можно менять всего за одну минуту. Поскольку происходит высокоскоростная смена шаблонов, узкое место в процессе, как правило, смещается в сторону заливки — времени, необходимого для ручного перемещения промежуточного ковша для заливки после смены шаблона. Бесшовное литье — лучший способ улучшить этот этап процесса литья. Хотя литье часто уже частично автоматизировано, полная автоматизация требует бесшовной интеграции систем управления формовочной линии и оборудования для заливки, чтобы они работали полностью синхронно во всех возможных рабочих ситуациях. Чтобы добиться этого надежно, блок заливки должен точно знать, где безопасно заливать следующую форму, и, при необходимости, корректировать положение блока заливки. Достичь эффективного автоматического заполнения в стабильном процессе производства той же формы не так уж и сложно. Каждый раз, когда изготавливается новая форма, колонна формы перемещается на то же расстояние (толщина формы). Таким образом, узел заполнения может оставаться в том же положении, готовый заполнить следующую пустую форму после остановки производственной линии. Для компенсации изменений толщины формы, вызванных изменениями сжимаемости песка, требуются лишь незначительные корректировки положения заливки. Необходимость в этих тонких корректировках недавно была еще больше снижена благодаря новым функциям формовочной линии, которые позволяют положениям заливки оставаться более постоянными при последовательном производстве. После завершения каждой заливки формовочная линия снова перемещается на один ход, помещая следующую пустую форму на место для начала следующей заливки. Пока это происходит, устройство заполнения может быть заполнено. При смене модели толщина формы может измениться, что требует сложной автоматизации. В отличие от горизонтального процесса песочницы, где высота песочницы фиксирована, вертикальный процесс DISAMATIC® может регулировать толщину формы до точной толщины, необходимой для каждого набора моделей, чтобы поддерживать постоянное соотношение песка и железа и учитывать высоту модели. Это является важным преимуществом в обеспечении оптимального качества литья и использования ресурсов, но из-за различной толщины форм автоматическое управление литьем становится более сложным. После смены модели машина DISAMATIC® начинает производить следующую партию форм той же толщины, но заливочная машина на линии по-прежнему заполняет формы предыдущей модели, которые могут иметь другую толщину формы. Чтобы бороться с этим, формовочная линия и заливочная установка должны работать слаженно как одна синхронизированная система, производя формы одной толщины и безопасно заливая другую. Бесшовная заливка после смены модели. После смены модели толщина оставшейся формы между формовочными машинами остается прежней. Заливочный узел, изготовленный из предыдущей модели, остается прежним, но поскольку новая форма, выходящая из формовочной машины, может быть толще или тоньше, вся строка может продвигаться на разные расстояния в каждом цикле — на толщину новой формы. Это означает, что с каждым ходом формовочной машины бесшовная литейная система должна корректировать положение литья, готовясь к следующей отливке. После заливки предыдущей партии форм толщина формы снова становится постоянной, и возобновляется стабильное производство. Например, если новая форма имеет толщину 150 мм вместо формы толщиной 200 мм, которая все еще заливалась ранее, заливочное устройство должно перемещаться на 50 мм назад к формовочной машине с каждым ходом формовочной машины, чтобы находиться в правильном положении заливки. Для того чтобы заливочная установка была готова к заливке, когда колонна формы перестанет двигаться, контроллер заливочной установки должен точно знать, в какую форму она будет заливать, когда и куда она попадет в зону заливки. Используя новую модель, которая производит толстые формы при литье тонких форм, система должна иметь возможность отливать две формы за один цикл. Например, при изготовлении формы диаметром 400 мм и заливке формы диаметром 200 мм заливочное устройство должно находиться на расстоянии 200 мм от формовочной машины для каждой изготовленной формы. В какой-то момент ход 400 мм вытолкнет две незаполненные формы диаметром 200 мм из возможной зоны заливки. В этом случае формовочная машина должна дождаться, пока устройство для заливки не закончит заливку двух форм диаметром 200 мм, прежде чем перейти к следующему ходу. Или, при изготовлении тонких форм, заливщик должен иметь возможность полностью пропустить заливку в цикле, продолжая при этом заливку толстых форм. Например, при изготовлении формы диаметром 200 мм и заливке формы диаметром 400 мм размещение новой формы диаметром 400 мм в зоне заливки означает, что необходимо изготовить две формы диаметром 200 мм. Отслеживание, расчеты и обмен данными, необходимые для интегрированной системы формования и заливки для обеспечения бесперебойной автоматизированной заливки, как описано выше, в прошлом представляли трудности для многих поставщиков оборудования. Но благодаря современным машинам, цифровым системам и передовому опыту бесшовная заливка может быть (и была) достигнута быстро с минимальной настройкой. Основным требованием является некая форма «учета» процесса, предоставляющая информацию о местоположении каждой формы в режиме реального времени. Система DISA Monitizer®|CIM (Computer Integrated Module) достигает этой цели, регистрируя каждую изготовленную форму и отслеживая ее перемещение по производственной линии. Как таймер процесса, он генерирует ряд потоков данных с временными метками, которые вычисляют положение каждой формы и ее сопла на производственной линии каждую секунду. При необходимости он обменивается данными в реальном времени с системой управления завода по розливу и другими системами для достижения точной синхронизации. Система DISA извлекает важные данные для каждой формы из базы данных CIM, такие как толщина формы и можно/нельзя заливать, и отправляет их в систему управления завода по розливу. Используя эти точные данные (сгенерированные после выдавливания формы), заливщик может переместить узел заливки в правильное положение до прибытия формы, а затем начать открывать стопорный стержень, пока форма все еще движется. Форма прибывает вовремя, чтобы получить чугун с завода по розливу. Это идеальное время имеет решающее значение, т. е. расплав точно достигает заливочной чаши. Время заливки является распространенным узким местом производительности, и за счет идеального выбора времени начала заливки время цикла может быть сокращено на несколько десятых секунды. Система формования DISA также передает соответствующие данные с формовочной машины, такие как текущий размер формы и давление впрыска, а также более широкие данные о процессе, такие как сжимаемость песка, в Monitizer®|CIM. В свою очередь, Monitizer®|CIM получает и сохраняет критически важные для качества параметры для каждой формы с завода по розливу, такие как температура заливки, время заливки и успешность процессов заливки и инокуляции. Это позволяет помечать отдельные формы как плохие и разделять их перед смешиванием в системе встряхивания. Помимо автоматизации формовочных машин, формовочных линий и литья, Monitizer®|CIM предоставляет совместимую с Индустрией 4.0 структуру для сбора, хранения, отчетности и анализа. Руководство литейного производства может просматривать подробные отчеты и углубляться в данные, чтобы отслеживать проблемы с качеством и стимулировать потенциальные улучшения. Опыт Ortrander в бесшовном литье Ortrander Eisenhütte — семейный литейный завод в Германии, специализирующийся на производстве высококачественных чугунных отливок среднего объема для автомобильных компонентов, мощных дровяных печей и инфраструктуры, а также деталей общего машиностроения. Литейный завод производит серый чугун, ковкий чугун и чугун с вермикулярным графитом и производит около 27 000 тонн высококачественных отливок в год, работая в две смены пять дней в неделю. Ortrander эксплуатирует четыре 6-тонные индукционные плавильные печи и три формовочные линии DISA, производя около 100 тонн отливок в день. Это включает короткие производственные циклы продолжительностью один час, иногда меньше для важных клиентов, поэтому шаблон приходится часто менять. Чтобы оптимизировать качество и эффективность, генеральный директор Бернд Х. Уильямс-Бук вложил значительные ресурсы во внедрение автоматизации и аналитики. Первым шагом стала автоматизация процесса плавки и дозирования чугуна, модернизация трех существующих литейных печей с использованием новейшей системы pourTECH, которая включает в себя 3D лазерную технологию, инкубацию и контроль температуры. Печи, формовочные и литейные линии теперь управляются цифровым способом и синхронизируются, работая практически полностью автоматически. Когда формовочная машина меняет модель, контроллер заливки pourTECH запрашивает у системы DISA Monitizer®|CIM новые размеры формы. На основе данных DISA контроллер заливки рассчитывает, где разместить узел заливки для каждой заливки. Он точно знает, когда первая новая форма поступает на заливочный завод, и автоматически переключается на новую последовательность заливки. Если кондуктор достигает конца своего хода в любой момент, машина DISAMATIC® останавливается, и кондуктор автоматически возвращается. Когда первая новая форма снимается с машины, оператор получает уведомление, чтобы он мог визуально проверить, что она находится в правильном положении. Преимущества бесшовного литья Традиционные процессы ручного литья или менее сложные автоматизированные системы могут привести к потере производственного времени при смене моделей, что неизбежно даже при быстрой смене форм на формовочной машине. Ручная переустановка заливочной машины и форм для заливки медленнее, требует больше операторов и подвержена ошибкам, таким как расплескивание. Ортрандер обнаружил, что при ручном розливе его сотрудники в конечном итоге устают, теряют концентрацию и совершают ошибки, такие как ленивость. Бесшовная интеграция формовки и заливки обеспечивает более быстрые, последовательные и качественные процессы, одновременно сокращая отходы и простои. С Ortrander автоматическое заполнение устраняет три минуты, которые ранее требовались для регулировки положения блока розлива при смене моделей. Раньше весь процесс преобразования занимал 4,5 минуты, сказал г-н Уильямс-Бук. Сегодня менее двух минут. Меняя от 8 до 12 моделей за смену, сотрудники Ortrander теперь тратят около 30 минут за смену, что вдвое меньше, чем раньше. Качество повышается за счет большей согласованности и возможности непрерывно оптимизировать процессы. Ortrander сократил отходы примерно на 20% за счет внедрения бесшовного литья. Помимо сокращения времени простоя при смене моделей, вся формовочно-разливочная линия требует всего двух человек вместо прежних трех. В некоторые смены три человека могут управлять двумя полными производственными линиями. Мониторинг — это почти все, что делают эти рабочие: помимо выбора следующей модели, управления смесями песка и транспортировки расплава, у них мало ручных задач. Еще одним преимуществом является снижение потребности в опытных сотрудниках, которых трудно найти. Хотя автоматизация требует некоторой подготовки операторов, она предоставляет людям критически важную информацию о процессе, необходимую для принятия правильных решений. В будущем машины могут принимать все решения. Дивиденды данных от бесшовного литья При попытке улучшить процесс литейные заводы часто говорят: «Мы делаем одно и то же тем же способом, но с разными результатами». Поэтому они отливают при одной и той же температуре и уровне в течение 10 секунд, но некоторые отливки получаются хорошими, а некоторые — плохими. Добавляя автоматизированные датчики, собирая данные с временными метками по каждому параметру процесса и отслеживая результаты, интегрированная система бесшовного литья создает цепочку связанных данных о процессе, что упрощает выявление основных причин, когда качество начинает ухудшаться. Например, если в партии тормозных дисков появляются неожиданные включения, менеджеры могут быстро проверить, что параметры находятся в допустимых пределах. Поскольку контроллеры формовочной машины, литейного цеха и других функций, таких как печи и смесители песка, работают согласованно, генерируемые ими данные можно анализировать для выявления взаимосвязей на протяжении всего процесса, от свойств песка до конечного качества поверхности отливки. Одним из возможных примеров является то, как уровень заливки и температура влияют на заполнение формы для каждой отдельной модели. Полученная база данных также закладывает основу для будущего использования автоматизированных методов анализа, таких как машинное обучение и искусственный интеллект (ИИ), для оптимизации процессов. Ortrander собирает данные о процессе в режиме реального времени через интерфейсы машин, измерения датчиков и тестовые образцы. Для каждой отливки формы собирается около тысячи параметров. Раньше он регистрировал только время, необходимое для каждой заливки, но теперь он точно знает, каков уровень заливочного сопла каждую секунду, что позволяет опытному персоналу изучать, как этот параметр влияет на другие показатели, а также на конечное качество отливки. Сливается ли жидкость из заливочного сопла во время заполнения формы или заливочное сопло заполняется до почти постоянного уровня во время заполнения? Ortrander производит от трех до пяти миллионов форм в год и собрал огромное количество данных. Ortrander также хранит несколько изображений каждой заливки в базе данных pourTECH на случай проблем с качеством. Поиск способа автоматической оценки этих изображений является будущей целью. Заключение. Одновременное автоматизированное формование и заливка ускоряют процессы, обеспечивают более стабильное качество и уменьшают отходы. Благодаря плавному литью и автоматической смене шаблонов производственная линия работает эффективно автономно, требуя лишь минимальных ручных усилий. Поскольку оператор играет роль надзора, требуется меньше персонала. Бесшовное литье теперь используется во многих местах по всему миру и может применяться на всех современных литейных заводах. Каждому литейному заводу потребуется немного иное решение, адаптированное к его потребностям, но технология для его внедрения хорошо зарекомендовала себя, в настоящее время доступна у DISA и ее партнера pour-tech AB и не требует много работы. Можно выполнять индивидуальные работы. Расширенное использование искусственного интеллекта и интеллектуальной автоматизации в литейных цехах все еще находится на этапе тестирования, но по мере того, как литейные цеха и производители оригинального оборудования соберут больше данных и дополнительного опыта в течение следующих двух-трех лет, переход к автоматизации значительно ускорится. Однако в настоящее время это решение является необязательным, поскольку интеллектуальные данные являются наилучшим способом оптимизации процессов и повышения рентабельности, большая автоматизация и сбор данных становятся стандартной практикой, а не экспериментальным проектом. В прошлом наибольшими активами литейного производства были его модель и опыт его сотрудников. Теперь, когда бесшовное литье сочетается с большей автоматизацией и системами Industry 4.0, данные быстро становятся третьим столпом успеха литейного производства.
—Мы искренне благодарим pour-tech и Ortrander Eisenhütte за их комментарии во время подготовки этой статьи.
Да, я хотел бы получать двухнедельную рассылку Foundry-Planet со всеми последними новостями, тестами и отчетами о продуктах и материалах. Плюс специальные рассылки — все с бесплатной отменой в любое время.
Время публикации: 05-10-2023