Повышение прочности литейных форм: два независимых противоречия в одной технологической операции

Леонид Полонский

Формулировка проблемы и Нежелательного Эффекта. На отливках фиксировался брак в виде сорных раковин — включений керамических частиц формовочной смеси в поверхностном слое металла. Технология не предполагала такого дефекта, точный источник не был очевиден, что определило выбор инструмента диагностики — Диверсионный анализ вместо прямого причинно-следственного.

Из перечня гипотез, полученных обращением диверсионной задачи («как устроить попадание частиц формовочного материала в отливку»), экспериментальной проверкой на месте подтвердилась гипотеза смывания частиц с внутренней поверхности литейной формы потоком жидкого металла при заливке. НЭ был переформулирован предметно: недостаточная прочность (плотность) внутренней поверхности литейной формы.

Далее в рамках причинно-следственного анализа этого уточнённого НЭ для решения средствами ТРИЗ была отобрана задача с явным ограничением Задачедателя — без переделки и без остановки производства полуформ: Как увеличить прочность (плотность) форм увеличением сжатия формовочной смеси на формовочной машине?

Часть 1. Отклонение потока формовочной смеси при дозировании

Диагностика процесса. Обследование выявило, что формовочная машина работает в три такта: (1) свободная засыпка дозы формовочной смеси в пространство, ограниченное опокой поверх орошённой мастер-формы; (2) вертикальное прессование, уплотняющее смесь; (3) освобождение опоки с готовой полуформой. Прочность поверхности определяется степенью уплотнения смеси именно у мастер-формы, а не средней плотностью по объёму дозы.

Инструмент. Ограничение «без переделки оборудования» исключает конструктивные решения (новый узел прессования, дополнительное уплотнение) и указывает на применение оператора ИКР к уже существующей технологии: Элемент Системы — технология производства — САМ обеспечивает повышение сжатия формовочной массы в зонах, где это нужно, без изменения оборудования.

Ресурсный анализ. Обследование обнаружило, что колодец дозирующего устройства уже оснащён пластинами, способными частично отклонять поток падающей дозы, — элемент, физически присутствующий в системе, но не используемый по назначению.

Решение. Экспериментально отклонили поток формовочной массы пластинами в сторону участков формы с бóльшей глубиной рельефа. Замер поверхностной прочности показал стабильный прирост.

Вторичная задача и её причина. Положение пластин задаётся вручную при переналадке и специфично для каждой номенклатуры формы. При большой номенклатуре, многосменной работе и текучести кадров эта настройка объективно теряется как знание — чем и объясняется, что ресурс существовал, но не применялся. Предложены две концепции удержания знания: (1) таблица настроек пластин по номенклатуре форм, закреплённая у машины; (2) автоматизация привода пластин, встраиваемая в период плановой остановки на ППР.

Часть 2. Локальное упрочнение связующим

Обнаруженный в Части 1 НЭ («Низкая прочность внутренней поверхности литейной формы») дополнительно раскрылся в форме физического противоречия к параметру «количество связующего (бетонит) в формовочной смеси».

Физическое противоречие. Связующей добавки должно быть больше — для липкости частиц и достаточной прочности внутренней поверхности формы при сборке (установке стержней) и при протекании расплава во время заливки. Связующей добавки должно быть меньше — для текучести формовочной массы при прессовании (равномерного распределения давления) и для снижения газовыделения и пригара после отливки.

Противоречивые требования разнесены:

• во времени — одно требование действует при сборке формы и заливке, другое при прессовании полуформы;
• в пространстве — одно требование относится к внутренней поверхности формы, другое ко всему объёму формовочной массы;
• в отношении — одно требование к процессу формования, другое к последующим процессам сборки и заливки.

Разрешение по параметру текучести (во времени процесса). Применён приём 18 «Использование механических колебаний»: формовочная масса приводится в вибрацию во время прессования, что повышает её текучесть без изменения состава.

Разрешение по параметру прочности поверхности (в пространстве). Для самого требования к прочности применён оператор ИКР к веществу: Связующее само делает отформованную поверхность прочной. Информационный поиск дал два подходящих класса связующих: УФ-отверждаемые и электронно-отверждаемые.

Вторичная задача повышенной стоимости такого связующего разрешена приёмом 3 «Принцип местного качества»: отверждаемое связующее наносится не в общую массу, а только на внутреннюю поверхность отформованной полуформы (например, пульверизатором), после чего отверждается засветкой.

Сверхэффект. Локальное нанесение связующего позволяет одновременно снизить его долю в общей массе (бетонит), что повышает текучесть массы при прессовании и снижает расход связующего — то есть работает на разрешение обеих сторон противоречия сразу, а не только одной.

Требует проверки. Последствия контакта отверждённого поверхностного слоя связующего с жидким чугуном при заливке — вопрос вынесен за рамки решённой части задачи как отдельная инженерная проверка.

Методическое наблюдение. Случай показывает, как одна формулировка НЭ («низкая прочность поверхности формы») естественно расщепляется на два независимых противоречия — конструктивно-технологическое (доступ к уже существующему, но неиспользуемому ресурсу отклоняющих пластин) и физическое противоречие по параметру состава (связующее). Первое решается ресурсным анализом под жёстким ограничением «без переделки», второе — классическим разнесением требований ФП в пространстве с приёмом местного качества. Общий вывод для практика: ограничение «без изменения оборудования» не блокирует поиск, а перенаправляет его — сначала в сторону уже присутствующих в системе, но неактивированных ресурсов.