Современное машиностроение все активнее осваивает виртуальное пространство и технологии. Компьютерное моделирование становится неотъемлемой частью любого успешного проекта. В литейном производстве применение SAE-программ в части разработки технологии – это уже стандарт. А. А. Бречко выпустил книгу «Литейные системы и их моделирование» еще в 1975 году. Тогда он опередил свое время. Идеи, заложенные автором, воплощаются в жизнь спустя более двух десятилетий.
На сегодняшний день литейное производство России требует глубокой модернизации, в то же время использование новейших технологий и оборудования в условиях постиндустриального производства не гарантирует успешного функционирования литейного цеха.
Неспособность обеспечить качество и приемлемую себестоимость отливок привела к потере такого заказчика, как ПАО «Силовые машины». Локализация производства автокомпонентов буксует на месте. И таких примеров много. Литейная промышленность сегодня – это, прежде всего, бизнес. Любой проект замыкается на получении максимальной прибыли.
Необходимо отметить, что литейное производство в составе машиностроительного комплекса и самостоятельный литейный цех – это не одно и то же. Объединение или технопарк нивелирует убыточность отдельного подразделения. Общая тенденция к модернизации зачастую приводит к закупке разрекламированного оборудования без учета перспективы развития производства и задач реконструкции. В итоге себестоимость литья на крупном предприятии растет, а расходы покрывает механическая обработка.
Стремление повысить рентабельность приводит к закрытию или отделению литейного производства. Став самостоятельной, литейка старается получить максимально выгодные заказы. Уже не редки случаи, когда дорогостоящие ответственные отливки пытаются изготовить в цехах рядового литья. В результате – упущенное время и потерянные средства.
Такое противоречие приводит к невозможности конкурировать даже с литейной промышленностью развивающихся стран. Если исключить государственные инвестиции, которые компенсируют любые ошибки в организации производства, то один из вариантов решения проблемы – это использование виртуальных технологий.
Степень риска в заготовительной отрасли весьма значительна, и здесь возможность смоделировать ситуацию в виртуальной среде приобретает решающее значение. Особенность литейного производства – многостадийный передел. В первую очередь, это касается литья в разовые формы. Промежуточные операции изготовления форм требуют запасов материалов. Работа с колес чревата срывом сроков. Развитой инфраструктуры рынка формовочных материалов пока нет. Каждый элемент литейной формы увеличивает вероятность брака в конечном изделии – отливке. Чем длиннее технологическая цепочка, тем более возрастает вероятность получить изделие, не соответствующее требованиям как по потребительским свойствам, так и по себестоимости.
Высокий риск получения брака порождает определенные ограничения в части принятия решений: прежде всего, это боязнь внести изменения в технологический процесс. Появляется желание работать с известной номенклатурой и, как результат, инертность производства. В то же время постиндустриальное производство – это сжатые сроки, малые партии и постоянно растущие потребительские свойства. Выход – нестандартные (креативные) решения.
Нестандартные решения плохо поддаются оценке на последствия для производства. Кроме того, вышеназванные особенности литейной отрасли исключают саму возможность принятия смелых решений. Если объект виртуальный, то ограничения ослабевают и, что немаловажно, расширяется поле возможного маневра. В первую очередь, это касается свойств заготовки. Современные SAE-программы позволяют с достаточной точностью прогнозировать ресурс детали. При этом могут быть заложены соответствующие дефекты структуры (см. рисунок 1).
Например, профессиональное металлорежущее и деревообрабатывающее оборудование из стран Юго-Восточной Азии имеет существенные дефекты чугунного и стального литья, но это не сказывается на их эксплуатационных характеристиках. В то же время себестоимость такого оборудования в разы ниже, чем промышленного.
Противоположный случай: концерн Toyota с его разрекламированной системой организации производства «Канбан» [1, 2]. Сборочный конвейер завода функционирует практически без резервов комплектующих. Фактически, по мнению экспертов, Toyota перекладывает запасы на мощности поставщиков и готова платить соответствующую цену за качество и сроки поставок.
Выполнить заказ и получить прибыль, опираясь только на опыт и интуицию, – такой подход является по сути игрой в рулетку. Гарантия успеха – это только выход вперед хотя бы по одному из трех показателей конкурентоспособности: себестоимость, сроки, потребительские свойства. Оценить возможности действующего, а уж тем более проектируемого производства без привлечения моделирующих программ весьма затруднительно. Зная поле допустимых дефектов в заготовке и модель производства, можно точнее подобрать технологию и оборудование.
При модернизации действующего производства и проектировании новых мощностей перспективной выглядит схема, когда вначале идет анализ деталей номенклатуры цеха на предмет эксплуатационных и потребительских характеристик (см. рисунок 1). Затем создается виртуальная модель производства. Только после этого выбирается технология и оборудование для выполнения производственной программы. В этом случае любой креативный проект можно оценить по степени как собственной «провальности», так и воздействия на существующее производство.
Такой подход стал возможен с появлением на рынке предложений по 4D-моделированию. В этих программных продуктах помимо твердотельной модели осуществляется функциональная привязка элементов. По сути это первый шаг к полноценной виртуальной модели производства. Наличие такой модели в пирамиде управления на основе сетевого решения открывает возможность работы литейного цеха в условиях постоянно меняющегося спроса и номенклатуры.
Современные PLM-системы позволяют симулировать не только работу оборудования, но и деятельность персонала вплоть до влияния усталости и удобства инструмента (см. рисунок 2)
В данном направлении прорыв осуществила компания Siemens [4]. Пакет Teсnomatix Plant Simulation позволяет моделировать технологические процессы, связанные с большим объемом ручного труда. Такая задача характерна для цехов крупного литья, участков ЛВМ и др. То, что раньше решал диспетчер цеха, сегодня способен сделать ПК. Причем моделирование возможно как на действующем производстве (MES-системы), так и на этапе проектирования.
Предварительный анализ производственного цикла, начиная с долгосрочного планирования, оперативного плана и заканчивая моделированием работы конечного оборудования и персонала, позволит свести к минимуму ошибку в расчете рентабельности. Кроме того, для действующего цеха комплексное моделирование определит сектор, в котором следует искать заказы, что могут быть выполнены с получением прибыли и минимальным риском повышения накладных расходов. Безусловно, применение PLM-среды на нынешнем производстве сталкивается с отсутствием элементарных систем планирования и автоматизации технологического оборудования, но элементы моделирования дают возможность оценить влияние и направление требующейся модернизации. Здесь уместно сравнение с программами моделирования литейной технологии («Полигон», LVMflov и т. д.). Пакет не дает подсказки, но показывает ошибки.
Относительно вновь создаваемого производства можно предположить, что виртуальная модель будущего цеха должна служить основой проектных работ «в натуре». Подушкой безопасности относительно неизбежных ошибок моделирования служит система многоуровневого планирования от пакетов класса ERP до диспетчеризации конечного оборудования MES. Основные преимущества такой иерархической структуры – ограниченные права доступа к проекту и обратная связь с производством через локальную сеть. Таким образом, виртуальное производство в виде пирамиды управления инициирует производственный процесс. В случае отклонения происходит оперативный пересмотр графика работы оборудования и персонала. Гибкость подобной системы очевидна. В рыночных условиях непостоянного спроса появляется возможность за основу принимать не технологический цикл, а бизнес-процесс в целом [3]. В идеальном случае функционирование литейного цеха можно рассматривать как бизнес-проект под конкретный сектор рынка. В процессе подготовки производства может быть совершенно не очевидно, что определенная номенклатура окажется убыточной. Попытки решить проблему рентабельности заказа человеческим фактором требуют значительного опыта и таланта, коими современные молодые кадры не обладают. Виртуальная модель производства может показать, как скажется новый заказ на выполнении действующей программы, и оценить степень риска по выходу годного.
Различного рода симуляторы становятся нормой современной жизни. В силу специфики литейного производства, обусловленного многократным технологическим переделом, IT-технологии приходят сюда с большим опозданием. Заготовительная отрасль требует больших капиталовложений, и здесь проверка на наличие системных ошибок имеет огромное значение.
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 3 (45) 2018
