1. Экономические факторы
Глава I. Экономические и социальные факторы производства сварных конструкций
1. Экономические факторы
Современный завод тяжелого машиностроения не может нормально выполнять свои функции без четко сбалансированной мощности механосборочного и заготовительных производств. В тяжелом машиностроении основными видами заготовок являются сварные машиностроительные конструкции, стальное и чугунное литье, поковки и горячие штамповки.
За последние годы в результате опережающего роста производства сварных металлоконструкций в стране существенным образом изменилась структура заготовок. В тяжелом машиностроении объем применения сварных конструкций в общем объеме заготовок в 1978 г. превысил 40% и темпы роста выпуска сварных заготовок в отрасли значительно превышают темпы роста выпуска стального и чугунного литья и поковок из слитков.
Выбор наиболее целесообразного варианта исполнения деталей машин (литых, сварных, кованых, штампованных, комбинированных) обусловливается в основном следующими факторами: материальными ресурсами завода, технологическими возможностями установленного оборудования, пропускной способностью отдельных производств завода, сроками изготовления продукции, экономической целесообразностью. Первые три фактора сопряжены со сложившимися к определенному моменту возможностями завода-изготовителя. Недоучет одного из них при конструировании машин может привести к определенным трудностям в работе: уменьшению выпуска продукции, нарушению ритмичности, простоям или перегрузкам отдельных переделов и оборудования.
Если при конструировании исполнение детали возможно в различных вариантах, выбор того или иного исполнения должен определяться только экономической целесообразностью. Применение сварных конструкций взамен стального литья и других видов заготовок обеспечивает значительное снижение массы деталей, снижение расхода металла, сокращение сложных в техническом отношении и дорогостоящих металлургических производств. Перевод на сварное исполнение целесообразен и в тех случаях, когда экономия от снижения массы детали и уменьшения расхода металла превышает некоторое увеличение трудоемкости получения сварной заготовки.
С целью определения экономической целесообразности перевода с литья на сварку и установления общей закономерности Уралмашзаводом проведен анализ себестоимости изготовления 30 деталей по двум вариантам (табл. 1).
Анализ данных по расходу металла и себестоимости обработки позволяет сделать приведенные ниже выводы.
Расход металла. При замене стальных литых деталей на сварные их масса уменьшается в среднем на 20%, а масса заготовок — примерно на 30%. Экономия металла, несмотря на удорожание стоимости 1 т (цена 1 т проката из углеродистой стали составляет 100 р., жидкой стали — 83 р.), дает снижение затрат на металл в среднем на 7 р. на 1 т массы сварной детали. Если принять, что себестоимости получения заготовок и обработки резанием одинаковы в обоих вариантах, то уже при 9% снижении массы сварные детали становятся экономически выгодными.
Расход металла наиболее объективно характеризует сквозной коэффициент расхода металла, который можно в среднем принять равным 2 для литых деталей и 1,6 для сварных деталей из углеродистых сталей.
Себестоимость обработки. При изготовлении детали в литом варианте в металлургических цехах себестоимость 1 нормо-ч значительно выше, чем в цехах сварочного производства. Так, по всему металлургическому циклу Уралмашзавода (формовка, заливка, обрубка, термическая обработка и т. д.) себестоимость 1 нормо-ч равна примерно 19 р., в то время как суммарная себестоимость 1 нормо-ч обработки в цехах сварочного производства колеблется в пределах 4—6 р. Поэтому перевод с литья на сварку становится целесообразным даже при одинаковых затратах на металл и двойном увеличении трудоемкости сварного варианта.
На основании проведенного исследования составлена номограмма (рис. 2) для определения себестоимости изготовления деталей в сварном и литом вариантах.
В некоторых случаях для выбора варианта исполнения нет необходимости проводить экономические расчеты, так как определенные группы деталей явно тяготеют к литому, сварному, кованому или комбинированному вариантам. Так, к явно сварным относятся тонкостенные детали коробчатой конструкции, с большими внутренними полостями, с небольшим числом переходов, без ввариваемых массивных частей (рис. 3). К явно литым относятся массивные толстостенные детали с неравномерным распределением металла в сечениях, большим количеством сопрягаемых поверхностей, что при изготовлении детали в сварном варианте вызывало бы многоэлементность, большой объем обработки резанием под сварку и большую массу наплавленного металла. Такие детали часто незначительно отличаются по массе от сварных, а их себестоимость по отношению к сварным снижается за счет более низкой стоимости металла и исключения трудоемких операций обработки резанием элементов под сварку.
Себестоимость литых деталей в значительной мере зависит от объема их выпуска (табл. 2).
Из табл. 3 видно, что при определенной партии в некоторых случаях целесообразнее изготовлять детали литыми.
Комбинированные исполнения позволяют изготовлять детали из частей, которые явно нецелесообразно иметь литыми, коваными или из проката. При конструировании нужно по возможности избегать применения в одной сварной детали отливок, поковок и проката, так как при этом удлиняется цикл изготовления, усложняется маршрут и повышаются затраты на термическую обработку и транспортировку.
Применение крупных сварно-литых деталей часто диктуется ограниченными техническими возможностями литейных и кузнечно-прессовых цехов (грузоподъемность кранов, емкость сталеплавильных агрегатов, мощность прессов и т. д.). При создании машин и агрегатов большой единичной мощности требуются поковки и отливки очень больших размеров и массы; в связи с этим предприятия тяжелого машиностроения совместно с ИЭС им. Е. О. Патона выполнили большую работу по переводу цельнолитых и цельнокованых деталей на сварные из отдельных поковок, отливок и проката большой толщины. Это дало возможность организовать производство крупных заготовок без существенной реконструкции заготовительной базы. Расчленение заготовок позволило придать отдельным элементам более рациональную форму и применить прогрессивные технологические процессы, например машинную формовку, для литых элементов деталей.
Примером выбора такого варианта исполнения являются станины прокатных станов в сварно-литом варианте, изготовляемые на Уралмашзаводе. Конструктивное исполнение этих станин из частей кроме чисто экономических факторов обусловлено еще и тем, что цельную станину невозможно было поднять краном в сталелитейном цехе после отливки и остывания.
Замена литых деталей комбинированными сварно-литыми конструкциями с применением электрошлаковой сварки целесообразна при обеспечении одного из следующих условий:
а) масса сварнолитой конструкции уменьшается не менее чем на 10% по сравнению с массой литой конструкции;
б) трудоемкость машинной формовки литых частей детали снижается на 30—40% по сравнению с трудоемкостью ручной формовки цельнолитой детали;
в) брак изготовленных литых деталей уменьшается на 10— 15%.
Многолетний опыт показывает, что в большинстве случаев получение сварно-кованых конструкций гидравлических цилиндров крупных прессов значительно экономичнее, чем цельнокованых. Примеры цилиндров показаны на рис. 4, а, б, а их материалоемкость и трудоемкость приведены в табл. 3.
Опыт, накопленный заводами тяжелого машиностроения, позволяет сделать вывод, что многие детали металлургического машиностроения можно изготовлять в сварном варианте. Так. Электростальский завод тяжелого машиностроения (ЭЗТМ) провел анализ экономической целесообразности перевода литья на сварку как по материалоемкости, так и по потреблению основных и вспомогательных материалов в металлургическом и сварочном производствах. Этот анализ показал, что на одну деталь из стальных отливок расходуется 8,45 т различных материалов, а при изготовлении сварных деталей, равноценных по своим функциональным свойствам, но имеющим меньшую массу, требуется только 0,85 т, т. е. примерно в 10 раз меньше.
Обычно производство стальных отливок имеет следующие металлургические переделы: подготовка шихты, модельный, фасонолитейный и термообрубной. Для прохождения этого цикла требуется межцеховая транспортировка с применением соответствующих грузоподъемных и транспортирующих механизмов, учет, планирование, оформление документов и т. д. Естественно, чем больше потребность в материалах, тем больше расходы на их I рлпсиоргпровку, складирование, хранение, погрузку, учет ит. п. ( лирные конструкции изготовляют в одном цехе или корпусе, куда поступает прокат, а отправляются готовые изделия. Транспортные расходы при этом уменьшаются в 6 раз.
Анализ применения различных заготовок в отрасли металлургического машиностроения, опыт мировой практики производства тяжелых машин, экономические расчеты показывают, что существующая в настоящее время в этой отрасли структура заготовок не прогрессивна и требует изменения в сторону увеличения удельного объема сварных конструкций в общем объеме потребления заготовок.
Наряду с резким снижением массы сварные конструкции имеют самый высокий коэффициент использования металла. Этот коэффициент для заготовок различных видов имеет следующие значения: чугунное литье — 0,86, стальное литье — 0,83, поковки — 0,65, штампованные заготовки — 0,85, сварные конструкции — 0,95. В связи с этим представляется возможным значительно снизить объем и трудоемкость обработки резанием. Увеличение доли сварных конструкций в объеме заготовок до 45% обеспечивает уменьшение отходов в стружку не менее чем на 20%.
Приведенные выше экономические преимущества достигаются в результате технологических особенностей сварочного производства. Не менее важное влияние оказывают конструктивные особенности машин, создаваемых на базе сварных конструкций. Уменьшение массы сварных деталей на 20—30% и возможность применения при этом наиболее рациональной конструктивной формы позволяют усовершенствовать кинематическую схему машин и сократить их металлоемкость. Этому способствует также возможность применения для сварных конструкций сталей повышенной прочности и специальных профилей проката.
Широкое применение сварных конструкций в тяжелом машиностроении позволяет повысить рабочие параметры, долговечность и эксплуатационную надежность создаваемого оборудования. Снижение массы машин повышает их производительность на единицу массы. Так, за счет широкого применения сварных конструкций и сталей повышенной прочности, а следовательно, и более рациональной схемы машин в последние годы снижена удельная металлоемкость по машинам для обжига рудных окатышей с 13,8 до 8,4 т/м2, по машинам непрерывного литья стали с 8,3 до 5,6 т/тыс. т готовой продукции, по шагающим экскаваторам ЭШ-40/85 и ЭШ-20/90 не менее чем на 20% на 1 м3 емкости ковша и т. д.
Ряд современных машин тяжелого машиностроения большой единичной мощности был создан исключительно благодаря применению сварных конструкций. К таким машинам относятся шагающие и роторные экскаваторы, нефтебуровые установки, агломерационные машины и др. В них сварные конструкции составляют до 70% массы машин. Например, шагающий экскаватор Уралмашзавода с ковшом емкостью 25 м3 и стрелой длиной 100 м (рис. 5) имеет удельный объем сварных конструкций 65%.