Producent komponentów motoryzacyjnych ze środkowego zachodu USA mierzył się z rosnącą presją ze strony klientów OEM: węższymi tolerancjami twardości, większymi wolumenami i bardziej rygorystycznymi wymaganiami audytowymi. Ich przestarzały piec do obróbki cieplnej typu skrzyniowego nie nadążał już — jakość partii była niespójna, koszty energii były wysokie, a linia nie mogła dorównać czasowi taktu zautomatyzowanych komórek produkcyjnych.

Aby rozwiązać ten problem, klient zamówił specjalny, niestandardowy piec do obróbki cieplnej typu rurowego (Niestandardowy piec do obróbki cieplnej, 580kW, 1100°C) zaprojektowany i zbudowany przez nasz zespół, dedykowany do kół zębatych, wałów i innych krytycznych części stalowych.

Tło klienta i problemy

Zakład przetwarza głównie koła zębate, wały i elementy mechanizmów różnicowych. Przed modernizacją polegał na starzejącym się piecu do obróbki cieplnej typu skrzyniowego do nawęglania, normalizacji i odpuszczania. Z czasem kilka problemów stało się krytycznych:

• Niespójna twardość i mikrostruktura
  Utrzymanie jednorodnej temperatury było trudne, co prowadziło do zauważalnych wahań między partiami. Niektóre części wymagały przeróbki, co bezpośrednio wpływało na dostawy i koszty.

• Wysokie zużycie energii na część
  Niefektywna izolacja i niezoptymalizowane układy palników/ogrzewania oznaczały, że piec zużywał dużo energii do utrzymania temperatury, podnosząc jednostkowy koszt energii.

• Wąskie gardło w zautomatyzowanej linii
  Reszta linii produkcyjnej była w dużej mierze zautomatyzowana (załadowanie przez robota, transport taśmowy, automatyczne mycie), ale stary piec nadal wymagał ręcznego załadunku/rozładunku i częstej interwencji operatora.

• Ograniczone okno procesowe dla przyszłych materiałów
  Istniejący system miał problemy w pobliżu górnej granicy zakresu temperatur i oferował niewielki margines dla nowych stopów lub prób w wyższych temperaturach wymaganych przez dział Badań i Rozwoju.

Problemy te sprawiły, że kierownictwo poszukiwało rozwiązania w postaci pieca do obróbki cieplnej typu rurowego, które mogłoby ustabilizować jakość, jednocześnie obniżając długoterminowe koszty operacyjne.

Kluczowe wymagania dla niestandardowego pieca do obróbki cieplnej

Podczas wspólnej oceny i projektowania klient z USA zdefiniował kilka nienegocjowalnych wymagań:

• Moc zainstalowana: 580kW, aby zapewnić wysoką przepustowość przy jednoczesnym utrzymaniu stabilnej temperatury podczas ciągłego załadunku.

• Maksymalna temperatura pracy: 1100°C, aby objąć obecne cykle nawęglania/normalizacji i przyszłe próby wysokostopowe.

• Pełna integracja z istniejącą automatyzacją – piec musi przyjmować części od robotów i przenośników, z powtarzalnym pozycjonowaniem i płynnym przekazywaniem.

• Efektywność energetyczna i zgodność z bezpieczeństwem zgodne z lokalnymi amerykańskimi przepisami elektrycznymi i bezpieczeństwa, wspierające przyszłą certyfikację przez strony trzecie.

• Identyfikowalność – piec do obróbki cieplnej musiał interfejsować się z systemem MES zakładu, rejestrując krzywe temperatury, czasy przetrzymywania i receptury dla każdej partii.

Rozwiązanie w postaci niestandardowego pieca do obróbki cieplnej typu rurowego o mocy 580kW

W oparciu o te wymagania, dostarczyliśmy specjalny, niestandardowy piec do obróbki cieplnej typu rurowego skonfigurowany w następujący sposób:

1. Konstrukcja rurowa wielostrefowa i kontrola temperatury

   • Wielostrefowa komora rurowa z niezależnie kontrolowanymi strefami grzewczymi w celu precyzyjnego dostrojenia profilu temperatury wzdłuż długości pieca.

   • Maksymalna temperatura pracy 1100°C, zapewniająca zapas procesowy dla nawęglania, normalizacji i odpuszczania w wysokiej temperaturze.

   • Termopary wysokiej precyzji w połączeniu z regulacją PID w celu utrzymania ścisłej jednorodności temperatury i zmniejszenia rozrzutu twardości w częściach.

2. Optymalizacja energii i funkcje bezpieczeństwa

   • Ulepszona izolacja i zoptymalizowany układ elementów grzejnych w celu zminimalizowania strat ciepła, poprawiając efektywne wykorzystanie zainstalowanej mocy 580kW.

   • Zarezerwowane interfejsy dla atmosfery ochronnej i obróbki spalin w celu wsparcia czystszego przetwarzania i kontroli emisji.

   • Wiele blokad bezpieczeństwa na drzwiach, obwodach nadtemperaturowych i zasilania w celu spełnienia amerykańskich norm bezpieczeństwa i ułatwienia zatwierdzenia przez lokalnych inspektorów.

3. Automatyzacja i łączność MES

   • Znormalizowane interfejsy dla robotów i przenośników rolkowych zarówno na wlocie, jak i wylocie, umożliwiające w pełni automatyczne załadunek i rozładunek tac/mocowań.

   • PLC i HMI zaprojektowane do komunikacji z systemem MES zakładu: krzywa temperatury każdej partii, czas przetrzymywania i dane receptury są automatycznie rejestrowane.

   • Zarządzanie recepturami wewnątrz niestandardowego pieca do obróbki cieplnej umożliwia szybkie przełączanie między różnymi typami komponentów bez ręcznego przeprogramowywania.

Wyniki: poprawa jakości, energii i przepustowości

Po uruchomieniu i rozruchu klient z USA zgłosił wymierne ulepszenia:

• Bardziej stabilna jakość obróbki cieplnej
  Wartości twardości i głębokości warstwy wierzchniej dla kół zębatych i wałów stały się znacznie bardziej spójne w partiach. Przeróbki z powodu obróbki cieplnej poza tolerancją znacznie spadły.

• Niższy koszt jednostkowy energii i pracy
  Pomimo zainstalowanej mocy 580kW, zoptymalizowana izolacja i kontrola obniżyły zużycie energii na gotową część w porównaniu do starego pieca skrzyniowego. Jednocześnie w dużej mierze usunięto ręczną obsługę, pozwalając operatorom na nadzór, a nie ciągłą interwencję.

• Lepsza równowaga linii i krótszy czas realizacji
  Ciągły przepływ przez piec do obróbki cieplnej typu rurowego odpowiada teraz czasowi cyklu obróbki skrawaniem i mycia oraz kontroli, zmniejszając WIP i poprawiając ogólną prędkość dostawy.

Zakład pozycjonuje od tego czasu ten niestandardowy piec do obróbki cieplnej jako szablon dla przyszłych modernizacji linii i rozważa podobne konfiguracje dla nowych komórek produkcyjnych dedykowanych komponentom o wyższej wartości.