刹车盘生产

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

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刹车盘生产 — 能进行优化吗?

每年的全球汽车销量都会创下新纪录。但是,并非全球任何地方都是如此。除了老牌汽车制造商之外,新的汽车制造商正在进入世界市场,以期从本国市场出口。所有在非国内市场生产汽车的汽车制造商都希望他们的供应商能够在当地交货。

国内市场的饱和导致工业化国家/地区的生产能力未得到使用。随着竞争的加剧,价格的压力也越来越大。汽车制造商将其后果转嫁给供应商,包括制造汽车零部件的铸造厂。因此,特别是刹车盘和制动鼓的制造商被迫制定新的策略。

铸造行业面临的极端和持续的压力绝不是什么新鲜事。值得注意的是,如何对生产进行详细的审查,以及如何不断努力优化铸造的每一道工序。然而,有一些基本决定似乎具有“宗教”根源。造型工艺一旦确定就不可动摇。关于造型工艺的真相和谣言各不相同且常常混杂在一起。

极其模糊的售后市场意味着没有关于刹车盘全球销售的详细数据。根于我们自己的市场数据以及来自汽车系统供应商的信息,据估计,全世界每年约制造 650 万吨刹车盘。该输出来自垂直无箱造型线、水平分型有箱、无箱造型线和地面造型线。目前,91 家铸造厂的 149 条 DISAMATIC 和 6 条 DISA MATCH 型线正在作出贡献。DISAMATIC 生产线上的刹车盘和制动鼓的全球产量目前约为每年 350 万吨(表 1)。下面的表 1 显示了这些铸件的生产份额。

图 1:大型通风式制动鼓(卡车)

   欧洲  北美  南美  中东 非洲   亚洲
 迪砂 230/2013  24  20  15  1  2  43
 迪砂 240/250/2130  5  9  3  -  -  9
 迪砂 270/2070  5  4  2  -  -  
 DISAMATIC 2110  -  -  -  -  -  7
 总计  34  33  20  1  2  59

表 1:大陆大陆之间对刹车盘生产的造型机偏好
各不相同

被委托生产刹车盘最后 50造型线中,三分之二位于亚洲清楚地说明了地区市场仍在成长。

投资成本和未来的运营成本在投资决策中占据最大分量。


投资成本

由于工厂供应商报价不包括土建工程,因此在初始计算中很容易忽略基础成本。在许多情况下,垂直造型工艺只要求简单基板的表面偏差在 + / - 20 毫米范围内。最大错箱不应超过 0.1 毫米,因为这可能会对铸型错箱产生影响。由于造型线下方无需凹陷,因此,在地面水平进行安装时,所需的最大弯曲度只起到次要作用。

垂直造型线设计简单,节省空间,具有更佳的成本优势,如果不仔细观察,这些优势可能会被忽略。垂直造型技术的一个巨大优势是:可以同时将两个半模造型到一个砂模里,并能立即与之前的铸型融合在一起。这可以更大限度地提高铸造车间的生产密度。通过研究年度生产能力与造型线和维修区域所需面积之间的关系,可以轻松量化该值。基础表面的计算如图 1 所示:除了 DISAMATIC 造型线自身的表面积,还必须考虑维修区域。迪砂造型线生产的刹车盘可实现年产量超过100 吨/平方米。而对于具备两台单独造型机或者一台双式造型机的高性能水平分型造型线,即使使用多层冷却室,也只能达到该产能的三分之二。

节能

多年来,减少能耗在铸造厂中扮演着重要的角色。到目前为止,讨论的重点是如何减少耗能最高的熔炼车间的能耗。虽然铸型部分“仅”占总产量的约 8% 至 12% [1],但仍有显著的节约潜力。造型车间的能耗由砂处理系统和造型线构成。根据所安装的造型技术的类型,造型线将占造型车间能耗的 30% 至 55%。

系统地使用基于轻量化设计标准的坚固的垂直造型线可显著降低能耗(表 2)。在这里,根据每吨可销售铸件消耗的千瓦时来计算年平均能耗也是一个好方法。要提高效率,需要进行三班制生产作业。此处我们可以设定造型线(造型机、下芯机以及浇注和冷却生产线)的年生产时间和实际能耗与净产量相比,显示出一定的消耗量低于 10 千瓦时/吨的潜力。

鉴于此结果,在将 DISAMATIC 垂直造型工艺与其他造型工艺进行比较时,迪砂无需担心,能耗仅为有箱造型线的 20% 左右。

图 2:DISA 270-A 通风刹车盘铸件串

  平均能耗,单位为 kW   连接负载
 单位为 kVA
迪砂 231 55 85
迪砂 231 FAST 60 85
迪砂 240 75 105
迪砂 250 90 145
迪砂 270 110 155

表 2:DISAMATIC 造型线的电能消耗

刹车盘和制动鼓的生产要求尽可能以最低的成本实现最大的产量,从而降低每个铸件的成本。DISAMATIC 造型工艺比任何其他工艺都更符合这些要求。设备结构简单坚固,最多只需两个额外的主驱动装置:一个用于造型机,另一个用于浇注和冷却线。通过垂直脱模铸型,可在脱模造型线内放置浇注系统,并实现模腔的通风。

无需其他系统或干扰源,如通风和钻孔设备(通常采用有箱造型)。通常,生产只需要一个冷却线,因此,无需这些设备的转接线路和驱动设备。

没有砂箱意味着无需冲压铸型,从而简化了从潮膜砂分离的过程。此外,也无需对托盘和砂箱进行再循环和清理。有箱造型线需要使用一系列额外的设备和工具,这会增加投资成本。某些情况下,这些成本与 DISAMATIC 造型线的投资成本相当。在确定单个铸件成本时,必须考虑到这点。由于有箱造型线及其驱动设备具有较高的干扰级别,因此垂直分型无箱系统的正常运行时间较高。

各铸造厂之间的持续服务和备件成本各不相同,但还是可以粗略计算的,在基于外部采购的年度投资中约占 3%。尽管这一比例在各种工艺中可能都相似,但绝对成本负担肯定不同。

对于垂直造型技术而言,在考虑其投资成本时,生产强度、资源消耗、正常运行时间和维护都是显著的成本优势。应用技术是另一个同样重要的方面,它决定了净产量、铸件质量和铸型表面结构。

图 3:迪砂 240-C 通风刹车盘型板

应用

DISAMATIC 的主要优势之一就是它的高速。另一方面,高速需要非常短的浇注循环时间。高速这一优势与浇注相结合,需要相应大尺寸的浇注系统。较高的浇注速度可能导致较高的废品率。在 GIFA 2011 上,DISA 推出了 DIS 系统,可以实现铸型的双折射率,从而通过同时浇注两个铸型来延长浇注时间。与此同时,一些供应商提供浇注解决方案,使铸造厂能够利用双行程浇注带来的优势。

这项开发给予我们可用于不同方式的性能提升。更长的浇注时间可以减少浇注系统的交叉部分的能耗,同时释放额外铸件的空间或改善腔体切割。更长的铸型串浇注时间和两个铸型的同时浇注意味着浇注时间限制了造型线的循环时间。因此,有更多的时间浇注额外铸型,因而铸件缺陷数量进一步减少。通过这种方式,可以部分组合这两种优点。这些优点显示在表 3 中。 

  单行程浇注   双行程浇注 I  双行程浇注 II
 每个铸型的刹车盘数量  4 4 4
 刹车盘直径(毫米) 270 270 270
 刹车盘重量(公斤) 8.5 8.5 8.5
 浇注时间(秒) 10.4 13.3 10.4
 浇注速度(公斤/秒)  ~4.5  ~3.5  ~4.5
 成品率百分比  ~79  ~82.5  ~79
 铸型串重量(公斤)  ~ 43.0  41.2  ~43.0
 必需的熔炼容量(吨/小时)~13.3  ~12.5  ~13.3  ~15.9
 刹车盘产量/小时  1160  1288  1480
 造型线所用能量(千瓦时/吨)  12.4  10.0  9.7
 生产密度(吨/平方米)  ~95  ~105  ~120

表 3:使用双行程浇注后 DISA 270-A 性能提升的示例

图 3 显示了形成表 3 中信息基础的群集。使用单行程浇注的浇注系统的计算类似于双行程浇注的计算。不同之处在于浇注系统的横截面,然而在视觉表现中很难看到(图 3)。使用从 10.4 到 13.3 秒的双行程浇注来延长浇注时间,可以将浇注速度从 4.5 公斤/秒减小到到 3.5 公斤/秒。这意味着浇注杯的尺寸可以从 5 号减少到 4 号。浇注系统到模型的转轮长度和横截面也可以减少。这使得成品率增加了 3.5%。同时,造型能力也从每小时 290 个增加到 322 个。然而,浇注也可以 4.5 公斤/秒 进行,成品率为 79%,因此使用双行程浇注将造型能力提高到每小时 370 个铸型。

虽然铸件缺陷的性质在使用水平和垂直铸型工艺生产刹车盘时根本不同,但是废品率基本相当。垂直线上出现的微孔对应于水平线中的气孔。任何有经验的铸造厂员工都会在相应的流程中了解这些问题,并知道如何纠正问题。

在加工和安装汽车刹车盘之后,两种生产工艺之间无明显差异。一家全球活跃的大型汽车公司已确定,使用垂直或水平造型工艺制造的刹车盘之间的长期操作没有质的差别。

一个常见的缺点,尤其对于较大的 DISAMATIC 造型线而言,是浇注铸型时不断上涨的铁水静压力。自 1977 年以来,这些铸型高度为 700 毫米和 800 毫米的垂直造型线已在铸造厂中出现。1979 年,第一台 DISAMATIC 2070-A 在刹车盘铸造厂开始运作,铸型尺寸为 700 x 950 毫米。因此,我们在问题和解决方案方面拥有 35 年的丰富经验。铁水静压力的影响可以通过浇注系统控制,但也能力有限。造型设备供应商建议,高度超过 800 毫米的铸型不适合用于刹车盘生产。

通过型板双面挤压砂模可确保铸型表面的最大硬度,朝向铸型中心稍微减小。在水平有箱造型工艺中,要满足垂直铸型工艺的这种自然工艺优势,需要将二次填充框架与型板垫板集成。二次填充框架用于在有箱造型线的边界区域增加铸型稳定性,并确保所需的低拔模角度。

在有箱造型线中,需要关闭装置来关闭上砂箱和下砂箱,但是由于调整过程中以机械方式确定间隙而存在错箱风险。必须持续监控所有有箱造型线上的销和衬套的磨损情况。另一方面,在垂直分型造型线中,成品铸型将在型板的引导下被推出模腔并与之前的铸型接触。这会导致产生错箱,随之导致更高的修整要求被显著降低。

在垂直造型工艺中,在铸型顶部终止的型板表面上的胶合带足以在浇注过程中使模腔通气。通过随后的通气孔的穿孔或钻孔损坏模制的群集也是这样。

图 4:机器人在 DISA 240-C 生产线上执行通风刹车盘型芯的下芯操作

潮膜砂

造型技术的选择也对潮膜砂回路起决定性作用。在水平造型工艺中,通过过度挤压上砂箱,可以在一定程度上调节下砂箱的量。金属砂箱比率在 1:3 至 1:12 的范围内并不罕见。砂处理过程中型砂冷却和均衡的问题相应严重。由此产生的质量问题将严重影响生产结果。使用过的潮膜砂应在 40°C 的温度下进行最佳配制。

具有可调节铸型厚度的垂直分型铸型系统在这方面证明是有利的。垂直造型线的 PLC 可计算恒定的铁砂比。然而,铸造厂可以利用刹车盘生产中的低模板高度来根据自己的需要进行调整。但是,在这种情况下,达不到上述范围。这个恒定比率意味着铸型砂上的热负荷相对均匀 — 这是令铸造质量部门感激的优势。在水平有箱造型设备中发生的溢砂在垂直造型工艺中几乎不存在,这意味着砂处理设备可以设计得更小,从而也减少了能耗。

图 5:DISA 240-C,带两个通风刹车盘型芯的铸型

韩国 Hyundai Sungwoo Automotive 的经验

韩国铸造厂 Hyundai Sungwoo Automotive 于 1987 年 5 月在浦项开始生产,使用的有箱造型系统尺寸为 900 x 700 x250/250 毫米。410 名员工在 6 万平方米的区域工作。该铸造厂的年产量为 148000 吨。2013 年,生产了 121000 吨铸件,2014 年增长为 127000 吨。铸造厂在 GJL 和 GJS 生产汽车零件。2012 年造型机被取代,使得刹车盘生产循环时间变为 15.2 秒。2005 年,两台 DISA 240-C 型造型机其中一个铸型尺寸为 600 x 850 x 150-500 毫米,生产刹车盘的循环时间为 9.3 秒;另一个有箱造型厂的铸型尺寸与另一台造型机相同,生产其他汽车铸件的循环时间为 20 秒。所有生产刹车盘的设备都直接连接到冷却滚筒和连续抛丸机。

2013 年两个工厂的生产流程相似,生产时间约为 4500 小时,这意味着可以对有箱造型设备和两台 DISA 240-C 旧设备的性能进行直接比较。两种系统均只生产刹车盘,但由于尺寸原因,刹车盘在两工厂间分布不同。

DISA 240-C 具有刚性输送系统,包括用于将型芯输送到下芯机器人的滤芯。型芯和滤芯都放置在固定位置(表 4 和 5)。刹车盘在 DISAMATIC 上的直径在 260 和 325 毫米之间的范围内制造,以获得可接受的系统效率。较小和较大的刹车盘在水平造型线上制造(图 7 和 8)。水平造型线制造两个大型圆盘,或每个铸型箱最多六个小圆盘(表 4),而 DISAMATIC 每个铸型总共生产两个圆盘。

 工厂 年产量(吨) 年铸件(件) 废料总量 造型线相关废料
 有箱造型线  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%)

表 4:2013 年水平工艺和垂直工艺工厂的生产比较


每个造型线产生的废料是由于以下故障源而产生的(表 5)。

工厂  夹砂 铸型裂纹 错箱 型芯损坏 溢料 黑皮
 有箱造型线  76.55%  16.32%  0.2%  6.52%  0.37%  0.13%
 DISAMATIC  93.32%  5.49%  0%  1.06%  0.11%  0%

表 5:在表 4 的基础上,两条造型线废料的百分比分布

然而,由造型线产生的废品率非常接近所期望的零误差生产。

通过比较每个工厂的成品率和废品率,可以对正常运行时间作比较。同样,Hyundai Sungwoo 铸造厂能够提供准确的对比数据(表 6)。

 工厂 正常运行总时间   停机原因  停机时间(百分比)
 DISAMATIC  94%  型板更换  1.4
 设备故障  1.8
 补给铁(更换材料)  1.2
 合金更换  1.0
 其他原因  0.6
有箱造型线  94%  补给铁(更换材料)  2.7
 设备故障  2.5
 去除自动浇注
的残留金属
 0.3
 型板清理  0.1
 托盘车更换  0.1
 其他原因  0.3

表 6:停机时间列表

由于铸造厂的良好管理,生产和维修部门保证了两个工厂的高运行时间。他们采用预防性维护策略并对员工进行持续培训,承诺未来将进一步提高正常运行时间。

图 6:带通风刹车盘型芯的有箱造型线铸型

铸铁用于模型和型板两种工艺。在报废前,每种工艺的预期使用寿命为 40 万个周期。在韩国市场上,这些用于类似模型的工具成本差别很大。这意味着用于 DISAMATIC 造型工艺的型芯箱生产成本仅为有箱造型线同类型芯箱的 70%。垂直工艺的模型和型板的价格也更有利,仅占有箱造型线上使用的价格的 74%。

我们缺乏铸件错箱和尺寸精度方面的详细数据。这两种工艺之间似乎没有显著差异。所有铸件的加工直径增加 5 毫米,100% 在厂内完成,在出现质量问题时可直接反馈。

迪砂开发的流线型浇注系统使得铸造厂在成品率方面得到了显著的优化。采用传统浇注技术浇注的两个圆盘组的总重量为 35.9 公斤。浇注杯和浇口共 12.9 公斤,成品率为 64.7%。新技术的引进使浇注杯和浇口的份额减少到 8.2 公斤。灌浆团的总重量下降到 31.4 公斤,成品率增加到 73.9%。有箱造型厂的成品率为 73%。

在这家铸造厂无法比较两台造型机的功耗。然而,垂直造型工艺无疑具有相当大的优势。但是,可以比较每条生产线的能耗,包括过滤机组、振动输送机、供砂机组、皮带和冷却滚筒。有箱造型线每小时的能耗为 625 千瓦时,而 DISAMATIC 生产线仅为 232 千瓦时。这两个数目都不包括加热浇注设备的功耗。两套系统都有各自不同厂家的潮膜砂配制厂(每台 120 吨/小时)。这是必要的,因为生产线之间的距离对潮膜砂的要求各不相同。2013 年,垂直分型线砂处理的耗电量平均为 530 千瓦/小时,而水平分型线砂处理的耗电量为 540 千瓦/小时。

图 8:有箱造型线型板

图 9:Hyundai Sungwoo 铸造厂的机加工刹车盘

图 10:Hyundai Sungwoo 铸造厂的机加工刹车盘

摘要

本文比较了使用垂直分型无箱造型线和水平分型有箱造型线生产刹车盘的不同方面。在第一部分中,垂直造型工艺在投资成本方面具有优势。讨论的重点是铸造区域的年生产密度(吨/平方米)。区域利用是关系到生产的一个重要因素。此外,还讨论了与生产的铸件相关的造型线的年能耗,再次证明了 DISAMATIC 技术的明显优势。测试垂直造型工艺的发展对技术应用的影响。成品率或生产量可能增加的量表明铸造厂成本优化的潜力。

在第二节中,根据韩国铸造厂 Hyundai Sungwoo 的生产数据,对生产刹车盘的两种造型技术进行了比较(图 9 和图 10)。这两家工厂已运营数年,我们能够从其维护经验中学习。比较了设备性能、废品率和正常运行时间。在这种情况下,两种技术在性能、产量和质量上没有显著差异。然而,DISAMATIC 造型工艺在加工成本和能耗方面具有优势。

 

[1] 铸造技术研究所 gGmbH;“节能铸造”(1.0 版)杜塞尔多夫 2008