Оценка целесообразности совершенствования технологии изготовления деталей чугунных стеклоформ методами многокритериальной экспертной оценки

Оценка целесообразности совершенствования технологии.

Леушин И.О., Нищёнков А.В., Чистяков Д.Г.

СТАНДАРТИЗАЦИЯ. СЕРТИФИКАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ

УДК 658:669.131.7

ОЦЕНКА ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ЧУГУННЫХ СТЕКЛОФОРМ МЕТОДАМИ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ЭКСПЕРТНОЙ ОЦЕНКИ

Леушин И.О., Нищёнков А.В., Чистяков Д.Г.

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Аннотация. В статье рассматривается процесс изготовления и эксплуатации деталей чугунных стек-лоформ, применяемых для массового производства стеклянной тары. Выявлены тенденции к росту потребительского спроса на стеклянную тару, повышению эксплуатационного ресурса деталей стеклоформ и необходимости проведения исследований в этой области. Излагается необходимость сравнения действующих технологий изготовления деталей формовых комплектов и способа изготовления деталей стеклоформ с градиентной структурой литья. В качестве критериев оценки применялись методы Парето, Борда и БОФа. Ключевые слова: деталь, стеклоформа, чугун, экономический эффект, оценка.

Введение

Современное представление о совершенствовании комплекса свойств чугунных деталей стеклоформ (риС. 1), применяемых для массового выпуска стеклянной тары по методу «double blow» (двойного выдувания) и работающих при знакопеременных термических и ударных механических нагрузках, базируется на внедрении физических методов обработки уже готовых деталей: лазерное упрочнение, вакуумное ионно-плазменное напыление и т.п.

При этом совершенствованию технологии изготовления литых заготовок (структуризации материала чугуна в процессе литья и его термической обработки, формированию прочной зе-ренной структуры и фаз на этапе уже изготовления отливок и тому подобное) уделяется минимальное внимание ввиду устоявшегося мнения, что потенциал чугуна как конструкционного и функционального материала исчерпан. Благодаря такому подходу к решению проблемы повышения эксплуатационной стойкости деталей ключевые позиции в технологической цепочке их изготовления занимают операции борирова-ния, напыления, газового порошкового наплав-ления и т.д., а в процессе ремонта - перешли-

фовка, заварка, омическое перетравление и т.п., то есть процедуры устранения эксплуатационных дефектов (р^рывов оплошностей - трещин разгара, зон интенсивного окисления, коробления), вызванные невысокой надежностью работы материала - основы детали.

Рис. 1. Деталь стеклоформы

СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ

Ввиду этого весомую часть себестоимости изготовления таких деталей (о 10 тыс. руб./ед. продукции) занимают затраты иа «доведение» полученных при изготовлении свойств деталей до потребительского уровня на стадии упрочнения рабочих кромок и поверхностей стеклоформ.

Тенденция роста спроса на стеклотарную продукцию (риС. 2) обязывает стекольные заводы идти по пути максимизации эксплуатационного ресурса стеклоформующей оснастки при наименьшей стоимости на ее изготовление. Вследствие высокой оборачиваемости средств на заводах такого типа (4 раза в год - для бутылочного производства, 2 раза в год - для баночного) повышение показателей эксплуатационной стойкости деталей стеклоформ с 0,2-0,4 млн тепло-смен до 0,8-1,0 млн (доя роторного стеклоавто-мата со скоростным режимом 25-30 изд./мин с 1 недели непрерывной работы до 4-5) сокращает затраты на оснастку.

18 16

О |- 14 * 3 12

>. ^ 10 л 2

5а 8

ее6

^ I 2 £ ° 2

0

2001 2003 2005 2007 2009 20"

Год

Рис. 2. Динамика изменения объема производства стеклотары до 2013года [1]

Расчет экономической эффективности

На основании вышеизложенного становится понятным, что от повышения эксплуатационной стойкости формовых комплектов (и необходимости проведения экспериментальных работ в этом направлении) в большей мере выигрывают стеклотарные заводы, являющиеся потребителями металлопродукции и соотносящие ресурс стойкости напрямую на количество полученных ими годных стеклянных изделий. Критичность сложившейся ситуации заключается в больших производственных затратах именно стеклотар-ных заводов, потребляющих детали стеклоформ отечественного изготовления, способные отстоять в среднем не более 0,55 млн теплосмен на

линии1 (как правило, этот показатель редко выходит за рамки 0,3-0,4 млн циклов для формовых комплектов отечественного изготовления).

В более выгодных условиях (на данный момент) находятся стеклотарные заводы, потребляющие детали иностранного изготовления от брендовых производителей (2ГТ2МЛКК, Ин-хом-98 и т.д.), способов выдержать (по заверению поставщиков) ресурс в 0,7-1 млн теплосмен. В этой связи остро стоит проблема импортоза-мещения деталей стеклоформ и на этом основании требуется разработка эффективной технологии изготовления литых деталей с высоким показателем ресурсоспособности при производственных затратах, позволяющих повысить конкурентоспособность отечественных предприятий.

Цель анализа, проводного авторами, - оценить эффективность реализации в рамках действующего производства разработанной авторами технологии изготовления деталей стеклоформ. Основные преимущества предлагаемой авторами технологии изготовления деталей стеклоформ, описанные в работах [2, 3], заключаются в повышении:

- теплофизических свойств стеклоформ (за счет интенсификации процессов графито- и ферритообразования на стадии изготовления отливки);

- прочностных показателей деталей (за счет глобуляризации графитовых включений в рабочем слое2 литой заготовки);

- жаростойкоста формового ком-

2013 плекта (а счет легирования группой

элементов (81, А1, Сг), формирующих на поверхности детали плотные окис-ные плены сложных нестехиометри-ческих составов, типа шпинелей БеСг204, РеЛ1204и т.п.);

- термостойкости деталей (за счет градиентного расположения графитовых включений в массе чугуна с феррит-перлитной металлической основой: рабочий слой (до 10 мм) -шаровидный графит, промежуточный слой (10-40 мм) - вермикулярный графит, наружный слой (>40 мм) - пластинчатый графит).

Ключевыми моментами в предлагаемой авторами технологии создания готового формового комплекта являются:

1 По данным ООО «Красное Эхо» (Владимщюкая обл.); ООО «Завод Символ» (Влад™ирская обл.); ОАО «Свет» (Рес^блика Удмуртия); ОАО «Жергатсгай стекольный завод» (К^^ская обл.); ООО «Кшенсгай стеклотарный завод» (Ростовская обл.); ООО «ЧСЗ-Липецк» (Липецкая обл.) и т.д.

2 Слой, контактирующий с расплавленным стеклом (в черновой

форме) или «^икой» (в чистовой форме).

Оценка целесообразности совершенствования технологии

ЛеушинИ.О., Нищёнков А.В., Чисшков Д.Г.

- сокращение производственных расходов на изготовление литой заготовки;

- сокращение продолжительности изготовления детали (за счет оптимизации процесса термической обработки отливок и устранения процедуры упрочнения рабочих кромок);

- повышение эксплуатационного ресурса готовой детали до 0,8-1,0 млн теплосмен.

С целью сравнительной оценки тех или иных проектов (технологий изготовления деталей) рационально применить анализ технологий на основе методов выбора по Парето или методов многокритериальной экспертной оценки. Выбор данных методов для оценки различных технологий изготовлений металлоизделий вызван сложностью точного определения затрат по операционной деятельности представленных выше стеклотарных заводов и производственных расходов заводов-поставщиков формовых комплектов. Ввиду этого определить экономическую эффективность в стоимостных показателях не представляется возможным [4].

В качестве альтернативных вариантов рассматривались наиболее перспективные технологии изготовления деталей стеклоформ в Запад-

ной части России и Поволжье:

1) способ изготовления детали из чугуна с пластинчатой формой графита (с процедурой последующего упрочнения рабочих кромок) (способ №1) [5];

2) способ изготовления детали из чугуна с вермикулярным графитом [6] или дифференцированной структурой типа ВЧ—»ЧВГ (способ №2) [7, 8].

Оценка технологий изготовления деталей стеклоформ по Парето и Борду определила два варианта предпочитаемых технологий: метод изготовления деталей с дифференцированной структурой и метод получения деталей с градиентной структурой литья. При этом выбрать наиболее оптимальный вариант этим методом не удалось, так как балльная система оценки технологий определила одинаковое количество баллов у обоих вариантов. Однако метод экспертной технической оценки выявил явное преимущество технологии получения деталей стеклоформ с градиентной структурой литья (способ №3) (табл. 1), то есть способы изготовления деталей стеклоформ №1 и 2 являются технически сложно реализуемыми.

Таблица 1

Критерий оценки Обозначение критерия Метод изготовления детали из чугуна с пластинчатым графитом (способ №1) Метод изготовления детали с дифферен-цированной структурой литья (способ №2) Метод изготовления детали с градиентной структурой литья (способ №3) Идеальный вариант

Инвестиционные затраты W1 4 3 3 4

Потребность в обслуживающем персонале 3 3 4 4

Безопасность процесса Wз 3 2 2 4

Занимаемая площадь W4 3 2 2 4

Дополнительное упрочнение рабочих кромок W5 1 3 4 4

Качество шихтовых материалов (сырья) W6 3 2 2 4

Время изготовления литой детали W7 2 3 4 4

Применение дополнительного оборудования W8 4 3 3 4

Стоимость шихтовых материалов (сырья) W9 2 1 4 4

Дефектность получаемых деталей W10 2 3 4 4

Эксплуатационный ресурс получаемых литых деталей W11 1 3 4 4

Сумма баллов 28 28 36 44

Эффективность сравниваемых вариантов 0,64 0,64 0,82 1

Метод экспертной технической оценки

СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ

Сущность применяемого метода заключалась в выполнении следующего алгоритма:

- составлялся список возможных критериев оценки;

- качество варианта технологии по каждому критерию оценивалось балльной шкалой (очень хорошее - 4 балла, хорошее - 3, достаточное - 2, приемлемое - 1, неудовлетворительное - 0);

- идеальный вариант технологии имел четырехбалльную оценку по всем возможным показателям;

- для оценки эффективности сравниваемых вариантов технологий сумма баллов вариантов делилась на такую же сумму идеального варианта;

- за окончательный вариант выбиралась технология с возможно более высокой технической эффективностью при допустимой рентабельности (при этом техническая эффективность выше 0,8 расценивалась как очень хорошая, 0,7-0,8 - хорошая, ниже 0,6 - неудовлетворительная).

Однако недостатком метода экспертных оценок является невозможность учета значимости показателей (н^фимер, для способа №3 стоимость шихтовых материалов (балл 4) имеет явно большую значимость, чем скорость изготовления деталей (б^ш тоже 4)), кроме того, рекомендуемое для данного метода число расчетных показателей - не менее 15, иначе снижается точность расчета, также метод те позволяет учесть информацию о количественных соотношениях между значениями тех или иных критериев для различных вариантов технологий, что может привести к потере значимых данных и неточности решения.

В этой связи неоспоримым преимуществом обладает метод БОФа (метод принятия решения на множестве альтернатив по множеству сравниваемых показателей), ранжирующий все критерии по важности (табл. 2) [9].

Сущность метода БОФа заключалась в следующем:

критерию (табл. 3);

- определение весовых коэффициентов сравниваемых технологий по каждому критерию и нормирование полученных результатов (см. табл. 3);

- обобщение результатов и принятие решения о выборе технологии по критерию максимального результата.

Таблица 2

Ранжирование и нормирование показателей

№ п.п. Критерий W1 W2 Wз W4 W5 W6 W7 W8 W9 W10 W11

1 Ранг 8 4 7 11 10 5 6 9 2 3 1

2 Весовые коэффициенты значения критериев 0,36 0,73 0,45 0,09 0,18 0,64 0,55 0,27 0,91 0,82 1,00

3 Нормированные значения весовых коэффициентов 0,06 0,12 0,08 0,02 0,03 0,11 0,09 0,05 0,15 0,14 0,17

Важным преимуществом метода БОФа является то, что от те только позволяет учесть значимость всех критериев, в том числе критериев выраженных в любых формах, но и позволяет учесть информацию о количественных соотношениях тех или иных критериев для различных вариантов технологии.

Таким образом, порядок вычислений следующий:

Я,

с/ = 1- 1

-1

м

+ с1=-

С]

= 1-

Я -1

]1

к

ус

^^ т

т=1

С//

-*ср =

к

к=1

1=1

где ] - номер критерия в перечне; М - число критериев; С] - весовой коэффициент каждого

- отбор оптимального количества критериев ] Г0 критерия; Я. - ранг критерия; к - число

- ранжирование критериев по степени их значимости (в порядке уменьшения значимости) (п.1, см. таб л. 2);

- определение весовых коэффициентов каждого значения критерия и нормирование полученных результатов (п. 2-3, см. табл. 2);

- ранжирование вариантов технологии в соответствии с экспертной оценкой по каждому

сравниваемых вариантов.

При использовании количественных, а не порядковых значений, критериев использовали следующие формулы:

С]1 = -

1/ ¡У//

к

£1/у/

к=1

Оценка целесообразности совершенствования технологии

Леушин И.О., Нищёнков А.В., Чисшков Д.Г.

и С р =

Ы1

где Жр - значение критерия с номером /для I-го варианта технологии.

При этом формула (2) применяется, когда большие значения критериев предпочтительнее меньших, а формула (3) - когда меньшие значения критерия предпочтительнее больших. Таким образом, для критерия (время изготовления литой детали в табл. 3 указано в часах: для технологии №1 - 45, №2 - 40, №3 - 31) вычисления проводятся по формуле (3), а для критерия (эксшгуата-ционный ресурс получаемых литых деталей в тыс. теплосъемов для технологии №1 - 300, №2 - 700, №3 - 1000 ч) - по формуле (2).

Таблица 3

Ранжирование вариантов технологий и расчет результатов

Критерий Ранжирование вариантов технологий Весовые коэффициенты Нормированные результаты

№1 №2 №3 №1 №2 №3 №1 №2 №3

W1 1 2,5 2,5 1 0,5 0,5 0,5 0,25 0,25

2,5 2,5 1 0,5 0,5 1 0,25 0,25 0,5

Wз 1 2,5 2,5 1 0,5 0,5 0,5 0,25 0,25

W4 1 2,5 2,5 1 0,5 0,5 0,5 0,25 0,25

W5 3 2 1 0,33 0,67 1 0,17 0,33 0,5

W6 1 2,5 2,5 1 0,50 0,5 0,5 0,25 0,25

W7 45 40 31 0,28 0,31 0,41 0,17 0,33 0,5

W8 1 2,5 2,5 1 0,5 0,5 0,5 0,25 0,25

W9 2 3 1 0,67 0,33 1 0,33 0,17 0,5

W10 3 2 1 0,33 0,67 1 0,17 0,33 0,5

W11 300 700 1000 0,15 0,35 0,50 0,15 0,35 0,50

Результаты исследований

В результате расчета показателей методом БОФа были получены данные фезудататы построчного суммирования): технология №1 - 0,311, технология №2 - 0,274, технология №3 - 0,416 (риС. 3). Наибольший результат при расчете достигнут для способа №3, что предполагает, что технология получения деталей стеклоформ с градиентной структурой литья является наиболее экономически эффективной.

I Технология 1  Технология 2  Технология 3 Рис. 3. Результаты расчета

Таким образом, метод БОФа дает более точные результаты при проведении оценки различных вариантов технических решений.

Заключение

В настоящее время рынок стеклотарной промышленности достаточно развит и его экономическая ниша постоянно расширяется. Это связано как с неуклонным приростом доли себестоимости в отпускной заводом стоимости выпускаемой стеклотары, так и с увеличением натурального объемов производства, за счет перехода на экологически безопасные и безвредно утилизируемые упаковочные и транспортировочные потребительские изделия, весомую долю в которых занимает стеклянная тара [10]. Своевременное повышение показателей эксплуатационной стойкости формовых комплектов на стек-лоавтомате вследствие применения деталей стеклоформ с градиентной структурой литья позволяет существенно повысить выручку предприятия как за счет снижения затрат на ремонт, переналадку и установку новых комплектов на производственной линии, так и за счет натурального прироста объемов производства.

Список литературы

1. Волков А.А. Маркетинговое управление системой сбыта стеклотарной продукции: автореф. дис. ... канд. экон. наук / А.А. Волков; ГОУ ВПО ВГТУ. Волгоград, 2007. 23 с.

2. Чистяков Д.Г., Леушин И.О. Формирование градиентной структуры в деталях стеклоформ из чугунов с различной степенью глобуляризации графита // Труды 10-й Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» (СММТ13), 2013. С. 253-254.

3. Леушин И.О., Чистяков Д.Г. Некоторые направления модернизации технологии изготовления отливок чугунных стеклоформ для массового производства стеклянной тары // Труды одиннадцатого Съезда литейщиков России (16-20 сентября 2013 года, г. Екатеринбург). Нижний Тагил: Изд-во УВЗ, 2013. С. 46-51.

к

СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ

4. Инновационные инженерные решения и их экономические оценки / О.В. Федоров, Б.В. Алгулин, Д.Н. Башкатов и др. М.: ИНФРА-М, 2005. 234 с.

5. Попов, В.М., Коган Б.Л. Термостойкость чугунов с различной формой графита // Литейное производство. 1991. №2. С. 15-17.

6. Александров М.В. Изготовление деталей стеклоформ из чугуна с вермикулярным графитом // Литейщик России. 2012. №7. С. 22-25.

7. Pan E.N., Ogi K., Loper Jr. C.R. Analysis of the Solidification Process of Compacted/Vermicular Graphite Cast Iron. // AFS.

1982. Vol. 90. P. 509-527.

8. Holmgren D., Kallbom R., Svensson I.L. Influences of the graphite growths direction on the thermal conductivity of cast iron. The Minerals, metals & Materials society and ASM International. 2007. Vol. 38A. P. 268-271.

9. Управление инвестиционной деятельностью в регионах Российской Федерации / О.Ф. Быстрое, В.Я. Поздняков, В.М. Прудников, В.В. Перцев, С.В. Казаков. М.: ИНФРА-М, 2008. 358 с.

10. Doremus R.H. Glass Science, 2nd Edition. John Wiley & Sons, New York, 1994, 339 p.

INFORMATIONABOUT THE PAPER. INENGLISH

EXPEDIENCY ASSESSMENT OF IMPROVEMENT OF THE TECHNOLOGY OF MANUFACTURING THE CAST-IRON GLASS MOLD DETAILS BY MULTICRITERIAL EXPERT EVALUATION METHODS

Leoushin Igor Olegovich - D.Sc. (Eng), Professor, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.Y. Alexe-ev, Russia. Phone: +7 (831) 436-43-95. E-mail: igoleu@mail.ru.

Nischenkov Alexander Vladimirovich - Ph.D. (Eng), Associate Professor, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.Y. Alexeev, Russia. Phone: +7 (831) 436-24-96. E-mail: goz@nntu.nnov.ru.

Chistyakov Dmitry Gennadievich - Postgraduate Student, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.Y. Alexeev, Russia. Phone: +7 (952) 460-21-97. E-mail: chistyakov.nstu@bk.ru.

Abstract. This article presents the process of manufacturing and operation of cast-iron glass mold details, used for the mass production of glass containers. We revealed the rising trends of a consumer demand for glass packaging, increase in the service life of parts and glass molds, need for research in this area. We also outlined the need to improve existing technologies of details' production, as well as to compare the existing technologies of manufacturing the glass mold details and method of manufacture of glass molds with a gradient structure of casting. As for criteria for the evaluation of these technologies, we applied selection methods of Pareto, Bord and BOF method.

Keywords: detail, glass mold, cast-iron, economic effect, estimation.

References

1. Volkov A.A. Marketingovoe upravlenie sistemoi sbyta steklotarnoi produktsii [Marketing management the sales system of glass container products]. Extended abstract of PhD. diss. Volgograd, 2007. 23 p.

2. Chistyakov D.G., Leushin I.O. The gradient structure formation in glass molds details of cast irons with various degrees of graphite globularization. Trudy 10-i Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii "Sovremennye metallicheskie materialy i tehnologii" (SMMT13) [Proceedings of the 10th International Scientific Conference "Modern metallic materials and technologies" (SMMT13)]. 2013, pp. 253-254.

3. Leushin I.O., Chistyakov D.G. Some directions for modernization the manufacturing technology of castings iron glass molds for mass production of glass containers. Trudy odinnadtsatogo S'ezda liteishikov Rossii (16-20 sentyabrya 2013 goda, g. Ekaterinburg) [Proceedings of the Eleventh Congress of the Russian Foundrymen (16-20 September 2013, Ekaterinburg)]. Nizhnii Tagil: Izd-vo UVZ, 2013, pp. 46-51.

4. Fedorov O.V., Algulin B.V., Bashkatov D.N. and other. Inno-vatsionnye inzhenernye resheniya i ih ekonomicheskie otsenki [Innovative engineering solutions and their economic estimates]. Moscow: INFRA-M, 2005, 234 p.

5. Popov V.M., Kogan B.L. Heat resistance of cast irons with different forms of graphite. Liteinoe proizvodstvo [Foundry]. 1991, no. 2, pp. 15-17.

6. Aleksandrov, M.V. Manufacturing of glass molds details made of cast iron with vermicular graphite. Liteishik Rossii [Caster of Russia]. 2012, no. 7, pp. 22-25.

7. Pan, E.N., Ogi K., Loper Jr C.R. Analysis of the Solidification Process of Compacted/Vermicular Graphite Cast Iron. AFS, 1982, vol. 90, pp. 509-527.

8. Holmgren D., Kallbom R., Svensson I.L. Influences of the graphite growths direction on the thermal conductivity of cast iron. The Minerals, metals & Materials society and ASM International. 2007, vol. 38A, pp. 268-271.

9. Bystrov O.F., Pozdnyakov V.Ya., Prudnikov V.M., Percev V.V., Kazakov S.V. Upravlenie investitsionnoi deyatei'nost'yu v regionakh Rossiiskoi Federatsii [Management of investment activity in the regions of the Russian Federation]. Moscow: INFRA-M, 2008. 358 p.

10. Doremus R.H. Glass Science, 2nd Edition. John Wiley & Sons, New York, 1994, 339 p.