Как сделать производство тормозных дисков дешевле и лучше? С помощью DISAMATIC!

Michael Colditz, DISA, Duisburg/Germany; Seong-Heon Kang; Heung-Soo Kim, Pohang-Si/South Korea; Per Larsen, DISA, Copenhagen/Denmark

- Published

Производство тормозных дисков –     есть ли предел совершенству?

Ежегодно сообщается о новых рекордах продаж автомобилей по всему миру, однако эти результаты не охватывают все регионы земного шара в равной степени. Наряду с авторитетными автомобильными производителями на мировой рынок приходят новые компании, которые стремятся экспортировать свою продукцию на внешние рынки. Необходимо отметить, что сегодня у всех фирм, которые производят автомобили для разных рынков сбыта, стремительно развивается локализации комплектующих.

В то же время в индустриально развитых государствах, из-за насыщения внутренних рынков, появились свободные производственные мощности. Стремительно растёт конкуренция, а вместе с ней и ценовое давление, которое сказывается на производстве комплектующих. Не является исключением и производство автомобильных отливок (к примеру, производители тормозных дисков и тормозных барабанов часто вынуждены разрабатывать новые стратегии, направленные на повышение эффективности производства).

В современных рыночных условиях ценовое давление для литейного производства не является чем-то новым. Сегодня необходимо постоянно переориентировать производство на новые модели и оптимизировать каждый отдельно взятый производственный этап в технологии литья. Однако, стоит отметить, что того, кто однажды выбрал определённую технологию формовки, очень трудно переубедить от неё отказаться. Очень часто такая позиция основана на неподтверждённых слухах и неаргументированной информации о разных технологиях формовки.

В связи с тем, что рынок комплектующих достаточно большой, достаточно сложно посчитать, к примеру, объемы реализации тормозных дисков в мире. Однако на основании некоторых рыночных данных, а также информации от постоянных поставщиков автомобильной промышленности известно, что в настоящее время в мире производится около 6,5 млн. тонн тормозных дисков в год. При этом их производство осуществляется на без-опочных формовочных машинах с вертикальной полостью разъёма либо опочных формовочных машинах с горизонтальной полостью разъёма. В некоторых случаях встречается литьё в формы, изготовленные вручную. В процессе производства тормозных дисков и барабанов задействовано 149 формовочных машин DISAMATIC и 6 установок DISA MATCH на 91 литейном производстве. Доля производства тормозных дисков в мире  и доля производства тормозных барабанов на машинах DISAMATIC в настоящее время составляет около 3, 5 млн. тонн в год (рис. 1). География машин DISAMATIC в производстве таких отливок приведена в таблице 1.

Рисунок 1: Тормозные диски для грузовиков, произведенные на оборудовании DISAMATIC

Европа

Северная Америка

Южная Америка

Ближний Восток

Африка

Азия

DISA 230/2013

24

20

15

1

2

43

DISA 240/250/2130

5

9

3

9

DISA 270/2070

5

4

2

DISAMATIC 2110

7

Общее

34

33

20

1

2

59

 

Из таблицы можно видеть, что предпочтения способов формовки при изготовлении тормозных дисков варьируются от континента к континенту.

Из 50 формовочных машин, которые эксплуатировались в производстве тормозных дисков, 2/3 были поставлены в Азию, что является очевидным признаком развития рынка.

В то же время, когда речь заходит о новых инвестициях, приходится оценивать в первую очередь затраты в будущее производство.

Капитальные затраты

Капитальные затраты - фактор, который часто недооценивается при первой калькуляции. В предложении поставщиков оборудования часто не учитывается такой фактор, как, например, создание фундамента для формовочной линии. Необходимо отметить, что для установки вертикальной формовочной машины в большинстве случаев достаточно только фундаментной плиты, с отклонением на поверхности не превышающим +/- 20 мм. При этом максимальный изгиб не должен превышать 0,1 мм, так как это может привести к смещению литейной формы. В то же время для самой формовочной машины, входящей в состав формовочной линии, не нужны приямки, а допускаемый максимальный изгиб имеет второстепенное значение, так как оборудование устанавливается на полу литейного цеха.

Простая компактная сборка вертикальных формовочных машин позволяет экономить на затратах, которые могут стать очевидными не сразу. Важное преимущество вертикальной формовочной установки заключается в одновременной формовке обеих полуформ и сводке литейной формы. Благодаря этому производительность существенно возрастает. Этот показатель можно рассчитать, если отнести годовую производительность в тоннах годных отливок к эффективно используемой площади для формовочных линий и для их обслуживания. Расчёт основных площадей демонстрируется на рис. 2. Помимо площади, занимаемой самой формовочной линией DISAMATIC, речь идёт и о площадях, характеризуемых дистанционными параметрами. Формовочные линии, разработанные компанией DISA для производства тормозных дисков, достигают годовой производительной плотности более 100 т/м2 годных отливок. Этого показателя высокопроизводительные опочные машины с горизонтальной плоскостью разъёма достигают на только на 2/3, даже при условии использования многоярусных охладительных сооружений.

Экономия электроэнергии

Сокращение энергозатрат в литейном производстве уже много лет играет важнейшую роль. До сих пор стремление снизить энергозатраты было сосредоточено в первую очередь на самом энергоемком участке – плавления. Несмотря на то, что потребление энергии при формовке составляет всего лишь 8-12% от всей энергоёмкости производства, это также является хорошей возможностью для оптимизации. Энергопотребление распределяется между процессом приготовления формовочной смеси и самой формовочной линией. Таким образом, энергозатраты на технологию формовки составляют только часть, которая в зависимости от типа машин может составлять от 30 до 55%.

С учетом критерия легкости использование мощных вертикальных формовочных линий значительно снижает расход энергии (таблица 2). В этом случае следует проанализировать числовое выражение среднего годового потребления – киловатт на тонну годных отливок. Для повышения эффективности производства тормозных дисков литейные цеха должны работать в три смены. Если же соотнести годовой временной цикл производства и фактическое энергопотребление формовочного оборудования (состоящего из формовочной машины, стержнеукладчика, заливочного участка и охладительного конвейера) с годным количеством отливок в тоннах, то можно с уверенностью достичь энергопотребления равного 10 кВт/ч. С таким показателем технология DISAMATIC однозначно лидирует среди других формовочных технологий, так как эффективное энергопотребление на опочных формовочных линиях составляет только 20 % от аналогичного параметра формовочных линий DISAMATIC.

Рисунок 2: Литники DISA 270-A

Среднее потребление мощности в кВт

Общая потребляемая мощность в кВ ·А

DISA 231

55

85

DISA 231 fast

60

85

DISA 240

75

105

DISA 250

90

145

DISA 270

110

155

 

Таблица 2: Общая потребляемая электрическая мощность формовочных линий DISAMATIC

Производство тормозных дисков и тормозных барабанов требует максимально возможных результатов при одновременно низких затратах. Формовочное оборудование DISAMATIC как нельзя лучше отвечает данным требованиям. Это оборудование простое в эксплуатации и работает на двух приводах: один – для формовочной машины, а другой – для конвейера участка заливки и охлаждения. Вертикальная плоскость разъёма создаёт дополнительные опции литниково-питающей системы, а также вентиляцию потенциальных мест образования газо-усадочных раковин в полости разъёма. Также устройство для накалывания вентиляционных отверстий либо сверлильные приспособления не нужны. Сам технологический процесс производства осуществляется в большинстве случаев с одной линией охлаждения. Поперечные перемещения и необходимые для него приводы также отсутствуют. Нет необходимости выталкивания форм, поскольку не применяются опоки, что упрощает выбивку отливок, а также отделение от формовочной смеси. Возврат и очистка палет и опок также не нужны. Только отсутствие этих затрат на дополнительное оборудование и инструменты, которые необходимы в опочных формовочных линиях, снижают капитальные затраты. Необходимо отметить, что инвестиции в опоки и палеты в некоторых случаях могут превышать инвестиции в оборудование DISAMATIC. Разумеется, все дополнительные расходы сказываются на себестоимости отливки.

Применение множества дополнительных устройств и приводов в конституции опочных формовочных линий, являющихся дополнительным источниками шума, - ещё одно свидетельство того, что безопочные вертикальные формовочные системы более просты в использовании. Текущие расходы на обслуживание и запчасти варьируются от цеха к цеху и могут оцениваться в 3% инвестиционных затрат в год. Если процентный показатель в различных технологиях будет одинаковый, то абсолютный показатель будет однозначно отличаться.

При анализе инвестиционных затрат, производительной интенсивности энергопотребления, доступности технического обслуживания, ценовые преимущества, конечно, на стороне технологии вертикальной формовки. Не менее важным аспектом является само технологическое оборудование, обеспечивающее выход годных отливок высокого качества.

Рисунок 3: Модельная плита для DISA 240-C

Технологическое оборудование

Высокая скорость формовки линий DISAMATIC является одним из важнейших преимуществ. Правда, скорость формовки определяет и очень короткое циклическое время заливки в форму. Для того, чтобы, с одной стороны, использовать полную мощность линии, а с другой стороны, заливать литейные формы необходимо использовать соответствующие литниково-питающие системы с низкой металлоёмкостью, но, рассчитанные на высокие скорости заливки, что формирует экономию на выходе годных отливок. Известно, что высокие скорости заливки были причиной большего количества брака. На выставке GIFA 2011 компанией DISA была представлена система двойной подачи форм, которая увеличивает время остановки формы за счёт одновременной заливки двух форм. В то же время многие поставщики литейного оборудования предложили свои решения двойной подачи.

Благодаря этой новой разработке повышается производительность, которая может быть использована в различных направлениях. Более длительное время заливки способствует сокращению объёма литниково-питающей системы, это даёт возможность высвободить место для дополнительного размещения отливок в форме. Благодаря более длительной остановке формы при одновременной заливке двух форм можно избежать ограничений в производительности линии из-за заливки. Таким образом, можно беспрепятственно залить дополнительные формы и в целом сократить количество брака отливок. Аналогичным образом возможна частичная комбинация обоих преимуществ. Эти преимущества представлены в таблице 3.

Единичная подача

Двойная подача I

Двойная подача II

Количество тормозных дисков в форме

4

4

4

Диаметр тормозных дисков в мм

270

270

270

Вес диска в кг.

8,5

8,5

8,5

Время заливки в сек.

10,4

13,3

13,3

Скорость заливки в кг./сек.

~4,5

~3,5

~4,5

Выход в %

~79

~82,5

~79

Вес литников в кг.

~ 43,0

~41,2

~43

Необходимая производительность плавки т/ч

~12,5

~13,3

~15,9

Количество тормозных дисков в час

1160

1288

1480

Энергозатраты на формовочной линии кВт/т

12,4

10,0

9,7

Производительная плотность т/м2

~95

~105

~120

 

Таблица 3: Пример повышения производительности DISA 270-A посредством использования двойной подачи

На рисунке 3 показаны литники, которые лежат в основе данных таблицы 3. Прокладка литниково-питающих систем для производства при использовании как единичной, так и двойной подачи, схожи. Основные различия сосредоточены в поперечных полостях литниково-питающих систем, которые достаточно трудно распознать в визуально-графическом отображении (рисунок 3). При увеличении времени заливки посредством двойной подачи с 10,4 до 13,3 секунд появилась возможность сократить скорость заливки с 4,5 до 3,5 кг/с. Тем самым стало возможным применение литниковой чаши №4 вместо №5. Длина литниковых каналов и их поперечные размеры, а также размеры питателей тоже уменьшились. Стало возможным увеличение выхода на 3,5%. Одновременно производительность формовки увеличилась с 290 до 322 форм в час. При этом существует возможность сохранения скорости заливки 4,5 кг/с при выходе годного литья 79% - производительность формовки с двойной подачей в таком случае увеличивается до 370 форм в час.

Необходимо отметить, что если характер дефектов отливок принципиально различается в зависимости от технологии вертикальной либо горизонтальной формовки, доля брака примерно одинаковая. Если при вертикальной формовке проявляется микропористость, то при горизонтальной формовке – это усадочные раковины. Каждому опытному литейщику знакомы эти проблемы из личного опыта работы по той или иной технологии формовки, и он знает пути их устранения.

После обработки и установки тормозных дисков на автомобиль невозможно распознать различия в технологии изготовления. Один ведущий автомобильный концерн подтвердил, что на протяжении длительной эксплуатации не было выявлено качественных различий тормозных дисков, произведённых на вертикальной либо горизонтальной формовке.

Один из часто упоминаемых недостатков формовочных линий DISAMATIC - это возникающее ферростатическое давление во время заливки формы. При этом вертикальные формовочные линии с высотой кома от 700 до 800 мм. представлены на литейных производствах уже с 1977 года. В 1979 году на литейном заводе, производящем тормозные диски, была введена в эксплуатацию первая линия DISAMATIC 2070-A с размерами кома 700 x 950 мм. Опыт решения таких проблем имеется уже на протяжении 35 лет. Конструкция литниково-питающей системы позволяет сократить влияние ферростатического давления. Высота кома свыше 800 мм. не рекомендуется производителем формовочных линий для производства тормозных дисков.

Двустороннее уплотнение литейной формы над модельной плитой обеспечивает максимальную твёрдость формы на её поверхности, однако ближе к центру кома формы эта твёрдость снижается. Это естественное преимущество процесса вертикальной формовки на горизонтальной опочной формовочной линии может достигаться посредством дополнительных затрат на интегрирование вторичной наполнительной рамки на опоре модельной плиты. Вторичная наполнительная рамка используется для уплотнения формы в приграничных областях.

В опочных линиях необходимо оборудование для соединения нижней и верхней полуформ. При этом возникает опасение смещения при механических колебаниях в процессе сборки. Необходимо постоянно контролировать износ штырей и втулок во всех опоках. В вертикальной линии полученная форма напротив перемещается при помощи модельной плиты из формовочной камеры и соединяется сразу с предшествующей формой. Исключение смещения формы, ровно как и более высокие затраты на очистку в последующих процессах значительно сокращается. Для отвода газов из формы во время заливки в вертикальном процессе достаточно выпоров, смонтированных на модельной плите, которые сообщаются с верхней поверхностью формы. Повреждение формы при выполнении наколов либо сверлении выпоров также исключается.

Рисунок 4: Робот для укладки стержней на DISAMATIC

Формовочная смесь

Выбор технологии формовки имеет решающее влияние на оборот формовочной смеси. При горизонтальной опочной формовке возможность регулирования количества смеси на верхней прессующей плите при формовке полуформы очень мала. Соотношения металла и формовочной смеси нередко на площади формы составляет от 1:3 до 1:12. Это вызывает дополнительные трудности в процессе смесеприготовления (в охлаждении и гомогенизации формовочной смеси). Вытекающие отсюда проблемы по качеству влияют на результат производства в целом. Используемая формовочная смесь должна приготавливаться при оптимальной температуре 40°C.

И здесь проявляются преимущества вертикальных формовочных линий и их переменной толщины кома. В управлении процессом вертикальных формовочных линий поддерживается постоянное соотношение металла и смеси. Из-за небольшой высоты моделей для производства тормозных дисков литейное производство может адаптировать соотношение металла и смеси своим потребностям. Из-за этого постоянного соотношения формовочная смесь получает относительно равномерную термическую нагрузку – безусловное преимущество. В отличие от горизонтальных опочных формовочных машин здесь почти нет пересыпки песка. А формовочное и смесеприготовительное оборудование может быть рассчитано на меньшие объёмы, что значительно снижает энергозатраты.

Рисунок 5: пресс-форма со стержннями, DISA 240-C

Опыт литейного производства автомобильного завода Hyundai Sungwoo, Корея

Литейное производство на автомобильном заводе Hyundai Sungwoo в Корее было запущено на опочной формовочной линии размерами 900 x 700 x250/250 мм. в мае 1987 г. в г. Поханг, Южная Корея. На площади 60000 м2 в настоящее время работают 410 сотрудников. Актуальная мощность литейного завода составляет 148000 т. годных отливок. В 2013 году было произведено 121000 т. литья, а на 2014 г. запланировано 127000 т. Литейный завод производит автомобильное литьё GJL и GJS. На уже упомянутой формовочной линии в 2012 году была заменена формовочная машина, благодаря чему производство тормозных дисков достигло цикла 15,2 секунд. Наряду с ещё одной опочной формовочной линией тех же размеров, циклическое время в которой составляет 20 секунд и которая предназначена для других отливок автомобильной промышленности, в 2005 г. были введены в эксплуатацию две линии DISA 240-C (размеры 600 x 850 x 150 до 500мм при цикличном времени 9,3 секунд).

Все линии, производящие тормозные диски работают в непосредственной связи с охладительным барабаном, а также проходными дробемётными установками. Поскольку производственный процесс выстроен одинаково и обе линии работали примерно 4.500 часов в 2013 году, можно сопоставить данные первой опочной формовочной линии с двумя более ранними DISA 240-C. На обеих линиях производятся только тормозные диски. При этом эти тормозные диски из-за своих размеров по-разному распределяются на линии.

Машина DISA 240-C снабжена надёжной системой транспортировки стержней, включая ситчатый фильтр и робот для укладки стержней. Оба стержня, а также ситчатый фильтр, устанавливаются на фиксированных позициях (рис. 4 и 5). Для достижения приемлемой эффективности линии на DISAMATIC изготавливаются тормозные диски диаметром от 260 до 325 мм. Более мелкие модели, а также одна более крупная модель изготавливаются на горизонтальной формовочной линии (рис. 7 и 8). На горизонтальной формовочной линии производятся два больших тормозных диска, либо до 6 мелких дисков на форму (таблица 4), в то время как DISAMATIC производит два диска на форму.

Линия

Производительность т./г.

Отливки шт./г.

Брак общ.

Брак на формовке

Опочная формовочная линия

42.000

4.128.592

30.703 (0,8%)

17.217 (0,40%)

DISAMATIC

43.000

3.433.961

24.576 (0,74%)

5.151 (0,15%)

 

Таблица 4 4: Сравнение производительности на горизонтальной и вертикальной формовочной линии в 2013 г.

Брак формовки распределяется следующим образом (таблица 5).

Линия

Усадочные раковины

Трещины

Смещение

Поломка стержня

Наплыв

Выбоины

Опочная формовочная линия

76,55%

16,32%

0,2%

6,52%

0,37%

0,13%

DISAMATIC

93,32%

5,49%

0%

1,06%

0,11%

0%

 

Таблица 5: Процентное соотношение брака обеих формовочных линий к таблице 4

 

Процентное соотношение брака, вызванного формовочной линией, в настоящее время достигает показателя, приближенного к желаемому, то есть отсутствию дефектов.

Компания Hyundai Sungwoo предоставила точные данные по готовности и количеству брака в сравнении (таблица 6).

Линия

Общая готовность

Время простоя

Простой в %

 

 

 

DISAMATIC

 

 

 

94%

Смена моделей

1,4

Сбой машины

1,8

Ожидание металла (смена материала)

1,2

Смена сплава

1,0

другое

0,6

 

 

 

Опочная формовочная линия

 

 

 

94%

Ожидание металла (смена материала)

2,7

Сбой машины

2,5

Опорожнение заливочной печи

0,3

Очистка модельных плит

0,1

Смена палет

0,1

Другое

0,3

Таблица 6: Перечисление причин простоя

Руководство литейного завода практикует также превентивное техобслуживание и постоянно повышает квалификацию персонала, так что в будущем можно рассчитывать на более высокую производственную готовность.

Рисунок 6: Стержни в опоке

Для обеих технологий в качестве основы для моделей и модельных плит используется металл. Срок эксплуатации модельных плит на обеих технологиях составляет 400.000 формовок. Стоимость этих инструментов значительно отличается от сопоставимых моделей на южнокорейском рынке. Так, стержневые ящики для изготовления стержней по технологии DISAMATIC по стоимости составляют всего 70% сопоставимых стержневых ящиков на опочной формовочной линии. Относительно модельных плит цены на вертикальной технологии составляют примерно 74% от горизонтальной технологии.

У обеих технологиях принципиальных различий нет. На всех отливках к диаметру добавляют слой 5 мм. на обработку. Обработка литья на 100% осуществляется на собственном производстве, поэтому в случае возникновения проблем по качеству, о них сразу же уведомляют.

В рамках технологии литниковых систем и по выходу годного литья DISA смогла достичь значительной оптимизации литейного производства благодаря разработке рациональной с точки зрения аэрогидродинамики литниково-питающей системы. Так, общая масса литниковой системы с двумя тормозными дисками ив традиционной технологии литниковых систем составляла 35,9 кг. Из них 12,9 кг. на литниковую заливочную чашу и на литник. Выход годного литья составлял 64, 7%. С применением новой технологии доля заливочной чаши и литника была сокращена до 8, 2 кг. Общая масса литниковой системы снизилась до 31, 4 кг, а выход готового литья повысился до 73,9%.

Сравнение потребления электроэнергии на обеих линиях на данном литейном производстве не представляется возможным. Однако нет никаких сомнений, что вертикальный процесс формовки демонстрирует значительные преимущества. Правда, на литейном предприятии возможно сопоставление энергопотребления производственного оборудования, включая фильтровые установки, вибротранспортёры, бункеры готовой смеси, конвейера и охладительные установки. Так, почасовое потребление энергии на опочной производительной линии составляет 625 кВтч, а на линии DISAMATIC – 232 кВтч. Оба показателя не учитывают расход подогреваемых заливочных печей. Обе формовочные линии включают установки подготовки сырья смеси различных производителей на 120 т./ч. Она необходима из-за пространственного разделения, а также из-за различных требований к сырью смеси. Энергопотребление установки подготовки сырья смеси для вертикальной формовочной линии составлял в 2013 году в среднем 530 кВтч, а на горизонтальной формовочной линии – 540 кВтч.

Рисунок 7: Модельная плита опочной формовочной линии

Рисунок 8: обработанные тормозные диски, произведенные на литейном заводе Hyundai Sungwoo

Рисунок 9: обработанные тормозные диски, произведенные на литейном заводе Hyundai Sungwoo

Общие выводы

В статье приведено сопоставление различных аспектов производства тормозных дисков на вертикально и горизонтально разделяемых формовочных линиях. В первой части подчёркиваются преимущества при инвестиционных затратах на вертикальную формовочную технику. Речь идёт о годовой производительной плотности в тоннах на квадратный метр имеющейся заводской площади. Использование площади рассматривается в соотношении с производительностью. Далее предлагается соотнести ежегодное потребление энергии формовочных линий с производимым литьём. Здесь выявляются однозначные преимущества формовочной технологии DISAMATIC. Дальнейшее развитие вертикальной технологии формовки рассматривается с перспективы её влияния на технологическое оборудование. Возможное повышение выхода либо повышение производительности демонстрирует дальнейший потенциал оптимизации расходов в литейном производстве.

Во второй части проводится сравнение между обеими технологиями формовки в изготовлении тормозных дисков (рисунки 9 и 10) на основании производственных данных южнокорейского литейного цеха автомобильного завода Hyundai Sungwoo в Корее. Обе линии эксплуатируются уже много лет, есть опыт техобслуживания. Сравниваются как производительность линий, так их готовность и степень брака. При этом были выявлены значительные различия в производительности, количестве брака и качестве обеих линий. Относительно затрат на инструменты и энергию преимущества на стороне технологии формовки DISAMATIC.

ОАО Институт литейного оборудования; «Энергоэффективное литейное производство» (Версия 1.0), Дюссельдорф, 2008