كانت شركة أمريكية لتصنيع مكونات السيارات في منطقة الغرب الأوسط تواجه ضغوطًا متزايدة من عملاء OEM: تفاوتات صلابة أكثر صرامة، وأحجام أكبر، ومتطلبات تدقيق أكثر صرامة. لم يعد فرن المعالجة الحرارية القديم من النوع الصندوقي قادرًا على مواكبة ذلك - كانت جودة الدُفعات غير متسقة، وكانت تكاليف الطاقة مرتفعة، ولم يتمكن الخط من مطابقة وقت التكت للإنتاج الآلي.

لحل هذه المشكلة، كلّف العميل فريقنا بتصميم وبناء فرن معالجة حرارية مخصص من النوع الأنبوبي (فرن معالجة حرارية مخصص، 580 كيلو واط، 1100 درجة مئوية)، مخصص للتروس والأعمدة والأجزاء الفولاذية الحرجة الأخرى.

خلفية العميل ونقاط الضعف

تعالج المنشأة بشكل أساسي تروس السيارات والأعمدة والمكونات التفاضلية. قبل الترقية، اعتمدوا على فرن معالجة حرارية قديم من النوع الصندوقي للكربنة والتطبيع والتلطيف. بمرور الوقت، أصبحت العديد من نقاط الضعف حرجة:

• صلابة وبنية مجهرية غير متسقة
  كان من الصعب التحكم في توحيد درجة الحرارة، مما أدى إلى اختلاف ملحوظ بين الدُفعات. تطلبت بعض الأجزاء إعادة العمل، مما أثر بشكل مباشر على التسليم والتكلفة.

• استهلاك طاقة مرتفع لكل قطعة
  عزل غير فعال وتخطيط غير مُحسّن للموقد/التسخين يعني أن الفرن استهلك الكثير من الطاقة للحفاظ على درجة الحرارة، مما أدى إلى رفع تكلفة وحدة الطاقة.

• عنق الزجاجة في خط آلي بخلاف ذلك
  كان بقية خط الإنتاج آليًا إلى حد كبير (تحميل الروبوت، نقل الناقل، الغسيل التلقائي)، لكن الفرن القديم لا يزال يتطلب التحميل/التفريغ اليدوي والتدخل المتكرر من المشغل.

• نافذة عملية محدودة للمواد المستقبلية
  كافح النظام الحالي بالقرب من الحد العلوي لنطاق درجة حرارته وقدم هامشًا ضئيلاً للسبائك الجديدة أو التجارب ذات درجة الحرارة الأعلى التي طلبها البحث والتطوير.

جعلت هذه المشكلات الإدارة تبحث عن حل فرن معالجة حرارية من النوع الأنبوبي يمكنه استقرار الجودة مع خفض تكاليف التشغيل على المدى الطويل.

المتطلبات الرئيسية لفرن المعالجة الحرارية المخصص

أثناء التقييم والتصميم المشتركين، حدد العميل الأمريكي العديد من المتطلبات غير القابلة للتفاوض:

• الطاقة المثبتة: 580 كيلو واط لدعم الإنتاجية العالية مع الحفاظ على درجة حرارة ثابتة أثناء التحميل المستمر.

• أقصى درجة حرارة تشغيل: 1100 درجة مئوية، لتغطية دورات الكربنة/التطبيع الحالية والتجارب المستقبلية عالية السبائك.

• التكامل الكامل مع التشغيل الآلي الحالي - يجب أن يقبل الفرن الأجزاء من الروبوتات والناقلات، مع تحديد المواقع القابلة للتكرار والتسليم السلس.

• كفاءة الطاقة والامتثال للسلامة بما يتماشى مع رموز الكهرباء والسلامة المحلية في الولايات المتحدة، ودعم شهادات الطرف الثالث المستقبلية.

• إمكانية التتبع - كان على فرن المعالجة الحرارية أن يتفاعل مع نظام إدارة التصنيع (MES) الخاص بالمصنع، وتسجيل منحنيات درجة الحرارة وأوقات الاحتفاظ والوصفات لكل دفعة.

حل فرن المعالجة الحرارية من النوع الأنبوبي المخصص بقدرة 580 كيلو واط

بناءً على هذه المتطلبات، قدمنا فرن معالجة حرارية مخصص من النوع الأنبوبي تم تكوينه على النحو التالي:

1. تصميم أنبوبي متعدد المناطق والتحكم في درجة الحرارة

   • حجرة أنبوبية متعددة المناطق مع مناطق تسخين يتم التحكم فيها بشكل مستقل لضبط ملف تعريف درجة الحرارة بدقة على طول الفرن.

   • أقصى درجة حرارة تشغيل تبلغ 1100 درجة مئوية، مما يمنح مساحة للعملية للكربنة والتطبيع والتلطيف عالي الحرارة.

   • أزواج حرارية عالية الدقة جنبًا إلى جنب مع التحكم PID للحفاظ على توحيد درجة الحرارة الصارم وتقليل تناثر الصلابة عبر الأجزاء.

2. تحسين الطاقة وميزات السلامة

   • عزل مُحسّن وتخطيط عنصر تسخين مُحسّن لتقليل فقدان الحرارة، وتحسين الاستخدام الفعال للطاقة المثبتة البالغة 580 كيلو واط.

   • واجهات محفوظة للجو الوقائي ومعالجة العادم لدعم المعالجة الأنظف والتحكم في الانبعاثات.

   • أقفال أمان متعددة على الأبواب، ودوائر درجة الحرارة الزائدة والطاقة لتلبية معايير السلامة الأمريكية وتسهيل الموافقة من قبل المفتشين المحليين.

3. التشغيل الآلي والاتصال بنظام إدارة التصنيع (MES)

   • واجهات موحدة للروبوتات والناقلات الدوارة عند كل من المدخل والمخرج، مما يتيح التحميل والتفريغ التلقائي الكامل للصواني/الأجهزة.

   • تم تصميم PLC و HMI للتواصل مع نظام إدارة التصنيع (MES) الخاص بالمصنع: يتم تسجيل منحنى درجة الحرارة ووقت الاحتفاظ وبيانات الوصفة لكل دفعة تلقائيًا.

   • تتيح إدارة الوصفات داخل فرن المعالجة الحرارية المخصص التبديل السريع بين أنواع المكونات المختلفة دون إعادة البرمجة اليدوية.

النتائج: تحسنت الجودة والطاقة والإنتاجية

بعد التشغيل والتشغيل، أبلغ العميل الأمريكي عن تحسينات قابلة للقياس:

• جودة معالجة حرارية أكثر استقرارًا
  أصبحت قيم الصلابة وعمق الغلاف للتروس والأعمدة أكثر اتساقًا عبر الدُفعات. انخفضت إعادة العمل بسبب المعالجة الحرارية الخارجة عن التفاوت بشكل كبير.

• انخفاض تكلفة وحدة الطاقة والعمالة
  على الرغم من السعة المثبتة البالغة 580 كيلو واط، فقد أدى العزل والتحكم المحسّنان إلى خفض استهلاك الطاقة لكل جزء نهائي مقارنة بالفرن القديم من النوع الصندوقي. في الوقت نفسه، تمت إزالة المناولة اليدوية إلى حد كبير، مما سمح للمشغلين بالإشراف بدلاً من التدخل باستمرار.

• توازن أفضل للخط ووقت تسليم أقصر
  يتوافق التدفق المستمر عبر فرن المعالجة الحرارية من النوع الأنبوبي الآن مع وقت الدورة للتشغيل الآلي الأولي والغسيل والتفتيش اللاحق، مما يقلل من العمل قيد التنفيذ ويحسن سرعة التسليم الإجمالية.

قامت المنشأة منذ ذلك الحين بتحديد موقع فرن المعالجة الحرارية المخصص هذا كنموذج لترقيات الخط المستقبلية وتفكر في تكوينات مماثلة لخلايا الإنتاج الجديدة المخصصة للمكونات ذات القيمة الأعلى.