城轨齿轮箱铸件造型生产线的设计与应用.pdf

822023 年第 S2 期数字智能技术城轨齿轮箱铸件造型生产线的设计与应用年产量逾 1 万套的城轨齿轮箱铸件，由两个生产班组负责生产（8 人/班），造型生产方式为地摊式手工造型。生产流程是中班制做外模，白班下芯合箱，期间外模造型、流涂、配箱等工序存在频繁的周转、等待时间长和劳动强度高等问题。生产节奏一般依靠一线工人主观拉动，效率低，生产计划执行不到位，无法满足批量订单交付需求。为了保障交付经常存在拖班、加班现象，效率亟待提高。因此提升车间“数智化”建设水平，建立智能化、节拍化的造型生产线以提升生产效率，降低劳动强度，满足产品批量交付需求，成为公司推动智改数转工作的主要目标。造型生产线建设以精益生产理论为指导，消除浪费，包括：返工和错误生产，无效和过度的工艺，无增值的活动，运输和搬运，等待等。主要工作包括生产线的设计、生产工艺优化和生产线运行等三个部分，其中生产线设计工作是产线建设的基础，需要根据产品工艺要求，确定生产线的相关参数与运行方式，以达到改善效果最大化的目标。1造型生产线设计利用特定的输送装置将造型生产设备连接起来，建设一条造型生产线，按照工位制、节拍化生产模式进行生产12。1.1生产节拍设计 生产线的节拍就是生产单件产品所需的时间，生产节拍值反映了产线的生产能力，也是衡量生产线生产效率水平的重要参数。原城轨齿轮箱造型生产采用地摊式生产模式，主要包括造型、起模、流涂、下芯和合箱等工序，两班日均产量 36 套共 72 箱。通过对城轨齿轮箱系列产品的生产流程分析与工序时间写实，得出单个外模固化所需时间最长约为 7 min，即整条生产线的时间瓶颈工序。要实现高效节拍化生产，最大限度提升产能，则生产节拍设定为 7 min/箱为理论最优节拍，即同一工位须在 7 min 内完成作业内容。因单一产品生产模具等待时间长，需要等待脱模后配合工装继续生产，若按照 7 min/箱的理论节拍测算，无法满足节拍设计需求，所以设计两种齿轮箱产品（每种齿轮箱分上下箱体，共 8 块型板）进行模拟生产。日产量计算公式如下：Pt=(6 60 min)N=7 min/箱式中，Pt生产节拍，min/箱；N日产量，箱。通过计算，并考虑到员工作息时间，每天单班实际工作 6 小时，造型产线理论单班产能达 26 套 52 箱。1.2工位设计工位是指产品在产线上流转时，员工在一个节拍内完成规定作业内容，产品相对停留的区域。工位是最小的生产单元，一条生产线由若干工位连接组成。通过绘制城轨齿轮箱造型工序山积图，如图1所示，可以看出工序间的作业时间不平衡，现有工位内作业内魏然，崔会，朱蓁，王延生，何帆（常州朗锐铸造有限公司，江苏 常州 213164）摘要：城轨齿轮箱铸件原采用传统地摊式手工造型生产，机械化程度低，存在连续性生产能力差、体力劳动强度高等问题。从城轨齿轮箱造型生产线设计、生产工艺优化、生产线运行等方面介绍了智能化、节拍化齿轮箱造型生产线，选择树脂砂造型生产模式，实现了城轨齿轮箱节拍化流水线生产，提高了产品生产效率，减少了高强度体力劳动。关键词：生产工艺；节拍化作业；工位设计；机械设计中图分类号：TG 242.1文献标识码：B文章编号：1673 3320（2023）S2 0082 06收稿日期：2022-11-08修定日期：2023-08-11作者简介：魏然（1989-），男，毕业于合肥工业大学材料加工工程，工程师，主要从事运营管理，人力资源管理，生产支持等方面工作，E-mail:。2023 年第 S2 期数字智能技术83容需要优化。原生产模式为中班造型，次日白班流涂合箱，共有 11 个工序，其中造型放砂、起模、流涂工序之间存在大量吊运操作，影响作业效率。所以在工位设计时需要考虑消除无效物流，压缩工序间的等待时间。结合造型产线生产六要素的分析，根据生产线节拍需要，重新优化设计生产工艺，对工序作业内容进行同期化管理：设计起模与流涂工位合并，造型工序拆分为造型放砂与造型辅助工序，取消生产过程中 3 次吊运，以减少时间浪费，提高作业效率。通过优化、合并、简化工位作业内容，最终设定 6 个生产工位，分别是：造型辅、造型、起模流涂、下芯、合箱、紧固吊运。图 1 地摊式工序山积图Fig.1 Mountain plot of floor type process1.3自动化设计传统砂型铸造企业的高强度体力作业是制约其可持续发展的重要因素之一，青年员工从事体力劳动意愿低，因此企业面临招工困难、青年技能人才短缺等问题。原生产作业模式两班共需要 16 人，实现产能 36 套/天，其中流涂工序需要 4 h，受起重设备与场地限制，在流涂工序结束前，下芯和配箱工序无法进行作业。此外，型砂翻转属于高强度体力作业，砂模分离、流涂翻转与合箱作业都需要人工翻转近 420 kg 的砂型，部分工序需要 3 人同时操作才能完成，因此作业过程效率低、劳动强度高、安全隐患大。同时一线员工长时间高负荷作业易在生理或心理产生负面影响，不利于技能人才的培养与保留。为进一步降低生产工序对一线员工的依赖性，减少无效的物流与时间浪费，增强工序间的衔接能力，在设计生产线时，主要从以下方面进行研究：（1）产线高度、生产工装符合人体工程学设计，消除弯腰清理外模、跪地下芯合箱等作业环境影响问题；（2）在三个翻转工位设计同步翻转机构，根据同期化作业的原则，只需设计两台同步翻转机构，其中一台覆盖起模与流涂工位，另一台覆盖合箱工位，彻底消除高强度体力作业；（3）模具、砂型根据生产逻辑自动运转至指定工序；（4）产线循环功能；起模工序的砂型角度翻转由同步翻转机构完成；（5）下芯工序设置专用下芯吊具；合箱工序外模翻转由同步翻转机构完成，起重设备由原来的主要生产设备转变成辅助设备。自动化设计实现了工位制流水线生产模式，布局图如图 2 所示。根据车间现状，产线设计为 U 型，总长度 35 米，利用自动化设备替代人工转运和翻转，实现单件流节拍化生产，有效提高生产效率，降低劳动强度，改善劳动环境。图 2 城轨齿轮箱造型线布局Fig.2 Shape line layout of urban rail gearbox2生产工艺优化生产工艺是企业制造产品的总体流程方法，树脂砂铸造生产工艺主要包括物料管理、人员配置、设备设施、标准作业和数智化建设等方面，工艺优化以拉动产能为目标，以实现精益成本管理为导向，注重流程改善、非增值流程作业的成本把控，进而全面减少浪费和缩减企业成本。图 3 物料配送管理Fig.3 Material distribution management2.1物料管理建立物料配送机制，可以实现物料的先进先出，有序的投入到生产中，消除生产过程中的物料浪费，物料842023 年第 S2 期数字智能技术配送是企业对生产物料投入进行有效管控的途径之一。根据企业实际情况，分析物料种类，制定物料配送的流程，实施物料定额配送。首先要建立物料配送管理制度，明确配送职责。如图 3 所示，配备配送队伍和工具，建立物料信息库，物料配送范围必须覆盖公司内所有生产物料。以冷铁配送为例，在造型生产过程中冷铁用量大，品种多。通过梳理冷铁流转路线，在开箱班组设置冷铁回用点，起到冷铁定点回收的目的，如图 4 所示，再由配送人员回收分拣处理；最后配送人员再根据生产计划，定量成套配送到生产班组。（a）冷铁回用点（b）冷铁分类图 4 冷铁管理 Fig.4 Iron chill management2.2工位优化与人员配置在树脂砂铸造企业，人工成本在生产总成本中占比较高，企业生产管理的本质就是优化生产人员配置，实现人力资源利用最大化。作为生产作业的主体，人员配置是否合理，直接决定了产线的生产效率与产品质量。原地摊式生产模式对人的依赖性较强，造型工序需要 3 人负责造型起模，其中 1.5 人造型放砂，1.5 人起模，流涂工序需要 2 人共同作业。工位优化后，仅需 3 人即可完成地摊作业模式下 5 人的工作量，其中造型工序可由 3 人工作量减少至 1.5 人工作量，起模后外模直接传送进入流涂工序，流涂工序可由 2 人工作量减少至 1 人工作量，过程中减少了 2 次吊运工作。按照同期化原则，根据工位数量与作业内容，结合人员素质与特长，在造型、流涂等 6 个工位分别设置 1人负责作业，定岗定人，如图 5 所示，其中工位 1 为造型辅助工位，工位 2 为造型工位，工位 3 为起模流涂工位，工位 4 为下芯工位，工位 5 为合箱工位，工位 6 为紧固吊运工位。生产线消除了无效物流，压缩了工序之间的等待时间，实现了班组人数由 8 人压降到 6 人，班组人工成本实现压降且产能得到显著提高。地摊造型生产方式与造型生产线生产方式单班生产各工位作业时间、瓶颈及产能情况对比如表 1 所示，产能提升由 18 套提升至 26 套，生产效率由 2.25 套/h 提升至 4.33 套/h。图 5 工位人员分布Fig.5 Staff distribution at workstation表 1 两种生产方式对比Tab.1 Comparison of the two production modes工位地摊式生产线工序时间/h瓶颈工序/h日产能/箱工序时间/h瓶颈工序/h日产能/箱造型2361.552起模10.5清理0.51流涂1.54下芯1211合箱1.51吊运0.512023 年第 S2 期数字智能技术852.3设备设施根据城轨齿轮箱生产节拍与工位设计，结合自动化设计初衷，得出生产所需的主要有辊道输送装置、控制程序、翻转设备、流涂机、除尘和 VOC 处理系统等主要设备。根据生产现场规定了产线尺寸、接入电源、运行环境和除尘系统，根据预期生产线运行逻辑达到模具自动循环，在制品砂型由人工控制流转的效果，确定了电机的功率、辊道输送方式及 PLC 设计逻辑。设备详细清单如表 2。表 2 主要设备清单 Tab.2 List of major devices项次数量设备主要参数11Z294 振实台，载荷：5 t，台面尺寸：2 800 mm1 350 mm，功率：23.7 kW（改装）27JDGD100 机动辊道，B=1 000 mm，L=2 900 mm，功率：1.5 kW（带承重工字钢及废砂收集斗）31ZYCA 机动转运车，载荷：5 t，台面尺寸：2 800 mm1 350 mm，功率：21.5 kW41ZYCB 回转式机动转运车，载荷：5 t，台面尺寸：2 800 mm1 350 mm，功率：（21.5+1.1）kW51JDGD100 机动辊道，B=1 000 mm，L=3 150 mm，功率：1.5 kW（带承重工字钢及废砂收集斗）61JDGDA100 回转式机动辊道，B=1 000 mm，L=3 150 mm，功率：（1.5+1.1）kW（带承重工字钢及废砂收集斗）74DF+63SD1-3 200+3 200 变频伺服轻型起重机81JDGD100 机动辊道，B=1 000 mm，L=16 000 mm，功率：5.5 kW（带承重工字钢及废砂收集斗）911 吨电动葫芦101除尘风机 55 kW 风量 35 000 m/h 风压 3 500 P 变频控制111废气净化喷淋塔 直径 2 m 二级喷淋 不带自动检测 手工检测加药项目除尘器采用了斜装滤筒除尘器，脉冲喷吹，带检修平台。各支路风管应设自动或手动碟阀门以便调节风量，大风量风机进口设电动菊花式风阀，减小风机电机启动时的电流冲击。在风机出风口处装消音器，风机与电机底座采用同一整体钢结构，使风机与电机之间扭力作用在钢结构上，钢结构底座与基础连接使用隔振弹簧（橡胶）。风机采用变频控制，排放浓度小于 15 mg/m3。2.4标准作业标准作业是完成节拍化生产的基础内容，科学的作业步骤可实现生产高效和经济增长。根据产品特点，以工艺设计为源头，设计了新的标准作业内容，优化了生产流程、明确了作业顺序、作业时间、质量控制项点。其中造型参数影响了固化时间，通过优化固化剂加入量，控制砂温，确保了型砂均匀固化；涂料浓度影响了流涂效率，原波美度为 5055，通过试验，确定波美度为 4852，解决了流涂后表面堆积和流挂的问题。通过梳理 6 个工位作业内容，对关键工位、关键工序进行区分，编制并下发了工位标准作业文件，标准作业内容（部分）见表 3。2.5数智化建设在现代车间管理优化中，信息技术的引入改变了原来靠人管理的管理模式，通过各种“数智化”技术的应用，改善及优化了生产作业流程，在提高效率和工艺防错等方面充分发挥了信息化的优势，使企业生产力得到大幅提升。造型生产线在设计时匹配设置了数字化智能电子看板，采用可视化技术，实时反馈生产状态，与生产任务完成情况，并对作业内容进行记录，减少了日常纸质记录破损而保存困难的问题。同时，数字系统兼具防错功能，系统实时展现作业指导书与产品编号，避免生产物料放置错误、遗漏与重号铸件产生。862023 年第 S2 期数字智能技术表 3 标准工位作业票(部分)Tab.3 Standard Station Operation ticket(part)标准作业起模、流涂工位序号123三要素ST（s）作业步骤作业要领步骤 141起模1.垂直起模、不得歪拉斜吊。2.直接起模，不吊运底板。步骤 247外模翻转清理1.冒口、冷铁周围碎砂清理干净。2.使用冒口塞，保护好冒口后再流涂。步骤 330冒口防护、流涂1.控制涂料波美度在 4852。2.均匀喷涂，用稀释剂对容易堆积部位清理。步骤 430转运至流水线、点火1.外模转运到流水线上才可点火。2.在砂型中间部位点火，点火速度块。步骤 51在制品输送注意输送是否到指定位置。3生产线运行生产线交付前，成立了生产线问题收集小组，把过程问题进行汇总，统一反馈，试运行期间共解决了程序、水平、输送打滑等十几类问题。并完成了危险源的识别、设备设施保养基准书、操作培训等相关工作，对关键设备设施制定了设备点检表，由操作者按期填写。目前生产线通过有效的合并工序、删减工序，简2023 年第 S2 期数字智能技术87化了 5 个工位，使 6 个工位作业时长趋于平衡，如图6 所示。产线适用城轨齿轮箱、机车齿轮箱等 100 多种产品的造型生产，在制品的输送、翻转等作业流程实现机械化和自动化，消除了低效、繁杂的物流周转过程，有效降低了操作人员的劳动强度，消除了造型过程中的各类安全风险，释放场地面积约 2 600 m2，新产线如图 7 所示。为了进一步提高工位生产能力，同步设计了各类工位生产工装，将生产物料分类摆放，进一步消除弯腰作业和来回走动的情况。图 6 生产线工序山积图Fig.6 Mountain plot of production line process图 7 城轨齿轮箱生产线Fig.7 Urban rail gearbox production line4结语（1）提高城轨齿轮箱产能，由 36 套/天提升到 50套/天以上，产能提升 38%左右；（2）消除了员工翻箱的高强度体力劳动，由 16 人/天降到 14 人/天，人工效率提高 12.5%；（3）砂型吊运频次降低，消除了砂型杯振动的情况，减少砂眼等缺陷，产品质量提升 1%；（4）消除了行车、叉车频繁交叉运行的状态，提高生产现场本质安全度；（5）由于生产线定点作业的特点，实现了粉尘和VOC 收集与处理。结果表明，建设工位制节拍化生产模式的智能化造型生产线，应用机械化设施代替手工作业，能够提高产能，降低劳动强度，节约人工成本，有利于质量管理，符合绿色铸造企业的发展趋势。参考文献1刘化龙，奚国华.精益管理之道 M.北京：清华大学出版社，2017：21-47.2葛烽锋.C 公司基于精益管理的高铁闸片节拍化生产模式优化研究 D.苏州：苏州大学，2020.Design And Application of Intelligent And Rhythmic Urban Rail Gear Box Molding Production LineWEI Ran,CUI Hui,ZHU Zhen,WANG Yansheng,HE Fan(Changzhou Leadrun Casting Co.,Ltd.,Changzhou 213164,Jiangsu China)Abstract:Urban rail gear box casting blank was originally produced by traditional floor-type manual molding in the workshop，which had low mechanization,poor continuous production capacity and high physical labor intensity.The intelligent and rhythmic gear box molding production line was introduced from the aspects of design,production process optimization and production line operation.The production mode of resin sand molding was selected to realize the line production of rail gear box,improve the production efficiency and reduce the high intensity manual labor.Key words:production process;rhythmic production;workstation design;mechanical design（编辑：杨杨，）