Оптимизация времени цикла литейного формования: чтение временного бюджета и поиск реальных секунд

У каждого завода по литейному формованию есть заявленный цикл и фактический средний цикл, и разрыв между ними обычно составляет от 8 до 15 процентов. Никто не планирует этот разрыв, никто не измеряет его отдельно, и именно там скрывается самая дешевая мощность завода.

Эта статья представляет собой систематический метод, а не список трюков. Она начинается с поэтапного временного бюджета, определяет, какие этапы безопасно атаковать, а какие — нет, охватывает профиль впрыска и компромиссы при усилении, объясняет, почему тепловой баланс, а не скорость машины, задает устойчивый лимит, количественно оценивает инвестиции в автоматизацию и завершается примером до и после с арифметикой окупаемости, которую можно использовать для финансирования.

Чтение временного бюджета

Начинайте с разбиения заявленного цикла на этапы. Используйте собственную трассировку цикла машины или монитор шота, а не секундомер; современные машины предоставляют фактическое время работы клапанов и поршня. Числа ниже являются примерными для детали среднего размера, примерно 1,8 кг веса заливки в двухкамерной форме, на машине мощностью от 350 до 500 тонн.

Этот бюджет устанавливает управляемые части примерно на 15-30 секунд общего времени, против 4-14 секунд действительно критического для качества времени. Ошибка предприятий — атаковать критические для качества фазы, потому что они выглядят как мертвое время на экране. Удаление одной секунды задержки перед зажатием затвора не экономит секунду; это приводит к отказу и очистке формы.

Полезное преобразование для каждого последующего обсуждения: при цикле длительностью 40 секунд одна секунда составляет 2,5 процента пропускной способности. Две смены, 250 дней, полностью загруженная ячейка с тарифом в диапазоне 80-110 долларов США в час, и одна секунда примерно стоит 10 000–13 000 долларов США в год на одной машине. Переводите секунды в деньги, и улучшения начинают восприниматься совершенно по-другому.

Где обычно находятся наибольшие выигрыши

По нашему опыту на литейных предприятиях рейтинг возможностей удивительно последовательный.

• Извлечение и удаление. Ручное извлечение медленное, потому что оно человеческое, переменное, потому что оно человеческое, и оно создает бесценные секунды между открытием формы и следующим циклом. Робот проходит тот же путь каждый цикл, может начать движение во время открытия формы, и может охлаждать и ориентировать деталь последовательно. Типичная экономия: 4-8 секунд, плюс очередь преимуществ по цепочке.
• Распыление и сушка. Часто 20 процентов от заявленного цикла. Самый эффективный проект в литейных ячейках, обычно за счет дозированного микроспрея, зонального контроля и направленного продувки. Типичная экономия: 2-5 секунд.
• Короткие остановки и микроостановки. Двадцать событий по 30 секунд за смену — это 10 минут, что превышает 30 процентов времени смены на замену формы за неделю. Большинство заводов никогда не регистрируют события продолжительностью менее пяти минут, поэтому эти затраты невидимы.
• Время переключения формы. Обсуждается отдельно ниже и часто имеет большую годовую стоимость, чем все совокупные сокращения цикла.
• Время стабилизации запуска. Десять до тридцати выстрелов, необходимых для достижения теплового равновесия холодной формы, плюс отходы, которые они производят. Это не строго время цикла, но это доступная мощность, и на нее хорошо влияет инженерия.
• Настройка профиля впрыска. Обычно от 0,3 до 1,0 секунд, и это должно быть основано на квалификации процесса, а не на интуиции.

Практически никогда не дает безопасной победы сокращение времени задержки или ускорение быстрого выстрела, потому что оба напрямую ухудшают пористость и размерную стабильность, а также увеличивают стоимость в операциях, которые мы видим на этапе отделки.

Профиль впрыска и время усиления.

Профиль поршня имеет две противоречивые цели: заполнить полость до того, как металл застынет, и не захватить воздух по пути.

Этап медленного выстрела. Поршень движется через рукав при скорости примерно 0,2–0,6 м/с, достаточно медленно, чтобы в передней части образовалась стабильная волна, а не разрывающаяся, которая втягивает воздух в металл. Если ускориться, возникает захват воздуха и окислы, что превращается в пористость и бифильмы; если замедлиться, теряется температура металла в рукаве и появляется риск холодных зазоров в тонких секциях. Критическая скорость определяется уровнем заполнения рукава: если рукав заполнен частично, быстрый поршень в рукаве большого диаметра вызывает сильную волну. Уменьшение диаметра рукава для увеличения процента заполнения часто позволяет ускорить медленный выстрел без потери качества, что является законным способом сокращения цикла.

Три практических замечания. Во-первых, большинство заводов работает на этапе медленного выстрела дольше, чем необходимо, потому что он был настроен во время квалификации, которую никто не пересматривал. Регистрация расстояния медленного этапа относительно точки, где металл фактически достигает ворот, часто восстанавливает 0,3–0,8 секунд. Во-вторых, оптимизация первого этапа гораздо безопаснее, чем вмешательство в любые последующие. В-третьих, каждое изменение здесь должно быть подтверждено рентгеновским или плотностным измерением, прежде чем оно попадет в производство, потому что режим отказа невидим до обработки или полировки.

Быстрый наполнитель. Время заполнения полости обычно составляет 0,03–0,12 секунд для обычных толщин стенок, при скорости ворот в диапазоне 25–55 м/с. Изменение времени заполнения дорогостояще, потому что его сокращение требует большей пропускной способности машины или больших ворот, а большие ворота увеличивают необходимое время задержки. Это решение на стадии проектирования, а не рычаг на производственной площадке.

Усиление. Давление усиления должно достигать формы, пока ворота еще открыты. Время до начала усиления после заполнения примерно 10–30 миллисекунд, а наращивание давления должно завершиться в пределах 20–40 мс. Доминируют два режима отказа, и ни один из них не проявляется в данных о времени цикла:

• Слишком рано. Всплеск давления происходит, когда металл еще движется через ворота, вызывая образование наплывов, которые нужно обрезать, и это сокращает срок службы формы. Деталь может выглядеть нормально и содержать внутренние напряжения.
• Слишком поздно. Ворота замерзли, давление никогда не достигает заливки, и возникают внутренние усадочные пористости. Это одна из самых распространённых причин пористости, которая ошибочно приписывается расплаву.

Диагностика недорога: измерьте фактическую кривую давления в цилиндре заливки и положение поршня одновременно и сравните их с точкой заполнения. Если сокращение цикла привело к сокращению любой части этой цепочки, стоимость проявляется позже в виде брака и дополнительных работ на станциях обрезки и шлифовки. См. дефектах и решениях при алюминиевом литом под давлением как проявляются эти дефекты.

Тепловой баланс: истинный предел для устойчивого цикла

Скорость машины почти никогда не является ограничением. Тепловой баланс — это.

Каждый выстрелDeposits примерно 300-400 кДж в матрицу на каждый килограмм залитого металла. Для выстрела весом 1,8 кг это примерно 540-720 кДж за цикл. При цикле длительностью 42 секунды это непрерывные 13-17 кВт, которые необходимо удалять через системы охлаждения, испарение распылением, теплопроводность к плитам и радиацию в цех. Если сократить цикл без улучшения отвода тепла, температура матрицы будет расти, пока не произойдет что-то: припаивание, образование шлака, смещение размеров или термическое трещинообразование.

Механизм устанавливает жесткий порог по времени задержки:

• Время застывания расплава в вороте. Эмпирически оно примерно пропорционально квадрату толщины ворот. Для сплавов типа ADC12, ворот толщиной 2,0 мм застывает примерно за 0,8-1,2 секунды, а ворот 3,0 мм — примерно за 1,8-2,6 секунд. Более длительное удержание, чем время застывания, не дает эффекта, и именно поэтому толщина ворот является переменной в проектировании с прямыми последствиями для времени цикла.
• Температура извлечения. Детали должны быть ниже примерно 400-450 °C для ADC12 перед извлечением, иначе они деформируются на извлекающих шпильках или проваливаются при обработке. Это часто является ограничивающим фактором для деталей с толстыми секциями, и поэтому более толстые детали имеют по сути более длинные циклы.
• Распределение температуры в состоянии равновесия. Стремитесь к разнице не более 50 °C по поверхности матрицы после достижения стабильности. Любое превышение этого указывает на проблему с системой охлаждения, которую никакой проект по сокращению времени цикла исправить не сможет.

Где вмешиваться, в порядке приоритета:

• Конформное или усиленное охлаждение горячих ядер и области ворот. Удаление 30-50 °C из локальной горячей точки обычно дает экономию в 1-3 секунды. Охлаждающие вставки и материалы с высокой теплопроводностью (пины из бериллиево-медных или медных сплавов) — стандартные решения для ядер, которые не могут переносить воду.
• Обслуживание водопроводных линий. Масляные отложения и ржавчина в запущенных системах могут значительно снизить теплообмен. Очистка от накипи по графику — это недорогой, повторяемый и часто недооцениваемый способ сэкономить несколько секунд.
• Правильный поток, а не больший поток. Турбулентный поток в системах охлаждения удаляет гораздо больше тепла, чем ламинарный. Проверьте число Рейнольдса, измеряя поток по каждой цепи с помощью расходомера; матрица, которая работает при 30 литрах в минуту при проектных 60, никогда не достигнет целевого времени цикла.
• Предварительный нагрев матриц. Матрицы должны достичь равновесия перед производством хороших деталей. Предварительный нагрев до 150-250 °C перед первым выстрелом устраняет большую часть периода стабилизации и снижает термический шок, что увеличивает срок службы матрицы.

Обратите внимание, что отходы при запуске являются частью той же проблемы. От десяти до тридцати выбросов отходов или переработки за запуск, три или четыре запуска в неделю, — это несколько тысяч деталей в год. Это потеря доступности и качества, и на это реагируют те же тепловые режимы.

Автоматизация ковша, распылителя и извлечения

Два качественных показателя важнее таблицы. Во-первых, автоматизация обеспечивает повторяемость так же, как и секунды, и именно повторяемость повышает эффективность OEE и качество, а не только пик производительности. Во-вторых, выбор метода извлечения определяет, насколько легко деталь можно передать следующему этапу автоматизации. Робот, который размещает детали в приспособление или на конвейер в известной ориентации, является ключевым для автоматической обрезки и роботизированной очистки; ручное извлечение в контейнер — это место, где теряется большая часть этой ценности. См. Автоматическая машина для очистки от заусенцев, как она работает для отливок насколько последовательное представление детали меняет возможности автоматической обработки.

Быстрая смена матриц и эффективность оборудования (OEE)

Аргументы о времени цикла часто игнорируют тот факт, что машина не может производить ничего во время смены матриц, а многие заводы меняют матрицы от двух до четырех раз в неделю на одну машину.

Экономия примерно 75 минут на смену при трех сменах в неделю за 50 недель — около 190 часов на одну машину в год. При стоимости работы 90 USD в час это примерно 17 000 USD на машину в год, обычно при капитальных затратах от 10 000 до 25 000 USD. Менее очевидная выгода — коммерческая: более короткие смены делают малые партии экономически оправданными, что снижает запасы готовой продукции и повышает оперативность.

OEE делает это видимым. Представительная обычная ячейка может показывать доступность 72 процента, производительность 87 процентов, качество 94 процента, что в сумме составляет около 59 процентов. После сокращения цикла, быстрого переключения и стабилизации параметров та же ячейка обычно достигает доступности 80 процентов, производительности 92 процента, качества 97 процентов, примерно 71 процент. Это улучшение на 12 пунктов значительно ценнее любого отдельного проекта по времени цикла, и интересное в том, что большая часть этого достигается за счет смен, микроостановок и стабилизации, а не за счет ускорения работы машины.

Для предприятий, предлагающих цены клиентам, та же логика влияет на обещания по срокам поставки так же сильно, как и на внутренние издержки, и стоит пересмотреть это в соответствии с руководством по времени литья алюминиевых отливок.

Пример с окупаемостью

Предположим двухкамерную форму на машине весом 400 тонн, 5000 запланированных часов в год при двух сменах, полностью загруженная ставка ячейки 90 USD в час, включая оператора, энергию, амортизацию инструмента и накладные расходы. Только затраты на переработку, без учета металла.

До

• Фактический средний цикл: 48,0 секунд, что обеспечивает 75 выстрелов и 150 деталей в час
• Доступность 72 процента, производительность 87 процентов, качество 94 процента, OEE 58,9 процента
• Хороший выпуск: 150 × 5 000 × 0,589 = 441 750 деталей в год
• Базовая стоимость: 5 000 × 90 = 450 000 USD в год
• Стоимость преобразования единицы: 450 000 / 441 750 = 1,02 USD за деталь

Принятые меры

После

• Цикл 36,0 секунд → 100 выстрелов и 200 деталей в час
• Доступность 80 процентов, производительность 92 процента, качество 97 процентов, OEE 71,4 процента
• Поддержание постоянного выпуска в 441 750 хороших деталей теперь требует 3 094 часа вместо 5 000, при условии, что выпуск составляет 200 × 0,714
• Избежанные часы: 1 906 в год, стоимостью 171 500 долларов США по нагрузочной ставке
• Альтернативно, при полном использовании 5 000 часов производится 714 000 деталей, что на 62 процента больше хорошего выхода с одного ресурса

Окупаемость на основе освобожденной мощности составляет около шести месяцев. Даже при консервативных предположениях, что только половина избеганных часов может быть действительно перераспределена, окупаемость остается менее года. Добавьте выгоду от оборотного капитала за счет сокращения времени смен, делая возможными меньшие партии, и проект редко оказывается убыточным.

Дисциплина измерений

Улучшения времени цикла легко заявлять и трудно доказывать, поэтому инструментируйте процесс перед внесением изменений.

• Используйте счетчик машины, а не заявленный цикл. Записывайте время цикла на каждое выстрел, указывая минимум, среднее и стандартное отклонение. Стандартное отклонение выше примерно 8-10 процентов от среднего указывает на нестабильность, которую стоит исправить, прежде чем стремиться к среднему значению.
• Отделите три потери OEE и честно фиксируйте причины простоя, включая все, что длится более 30 секунд. Если ваши данные начинаются с пяти минут, вы управляете вымыслом.
• Проведите временное исследование минимум 30 последовательных циклов на видео, затем просмотрите кадр за кадром. Каждое предприятие, с которым мы работаем, находит хотя бы одну фазу, о которой никто не знал.
• Меняйте одну переменную за раз, позволяйте 50-100 выстрелов для стабилизации, и поддерживайте постоянной температуру металла, температуру формы, концентрацию смазки и оператора между замерами до и после.
• Повторно подтверждайте качество после любой смены инжекции или выдержки: индекс плотности или рентген, проверка размеров и серия косметических деталей на линии отделки. Изменение цикла, которое увеличивает количество отказов при полировке, просто переносит стоимость из одного отдела в другой.

DZ Machinery создает роботизированные ячейки для удаления заусенцев, шлифовки и полировки с силоуправляемыми плавающими шпинделями и автоматической сменой инструмента, и мы указываем время цикла на реальных испытаниях деталей, а не по чертежам. Если вы планируете проект по оптимизации времени цикла и хотите, чтобы модель последующей отделочной ячейки была включена в него, а не обнаружена позже, отправьте нам чертежи деталей и ваш текущий временной бюджет.