用TRIZ方法求解鑄造成本高的問題

王 有，劉麗娟

（太原重工股份有限公司冶鑄分公司鑄鋼廠,山西太原 030024）

某廠造型新上馬的樹脂砂系統(tǒng)生產(chǎn)線生產(chǎn)鑄件，其成本較高，如何降低整個造型過程中的成本是急切要解決的問題。通過成本分析，發(fā)現(xiàn)主要成本高的原因為材料，所以決定從材料入手來降低成本。

1 材料成本統(tǒng)計

財務部門對樹脂砂生產(chǎn)線主要原輔材料每月消耗的噸耗情況進行了統(tǒng)計。樹脂固化劑占成本的15%～30%；鉻礦砂占成本的15%～25%；海砂占成本的10%～20%；再生砂與所用樹脂固化劑的成本占成本的10%左右；圓鋼占成本的7%～15%，其余原輔材料（涂料，陶瓷管，保溫冒口套，覆蓋劑等等）除鋼水以外的材料占15%左右。從上述數(shù)據(jù)看出生產(chǎn)成本占比較大的材料為樹脂，鉻礦砂，海沙，圓鋼。生產(chǎn)過程主要材料如圖1、圖2所示。

分析后認為理想降低成本的措施是保證鑄件質(zhì)量前提下減少原輔材料消耗，或以低成本代替高成本材料。

圖1 生產(chǎn)實際情況

圖2 各種材料消耗結(jié)構(gòu)簡圖

2 利用TRIZ方法進行分析并形成方案

TRIZ是利用矛盾原理解決發(fā)明問題的一種有效方法，目前已逐漸成為解決企業(yè)內(nèi)部技術(shù)創(chuàng)新問題的主要方法。

樹脂生產(chǎn)線主要材料功能分析見圖3.采用TRIZ功能裁剪的方法將系統(tǒng)中的過剩功能，不必要的功能進行裁剪，達到減少材料的消耗，從而達到降低成本的目的。從功能分析圖3可知，很多功能都是起到支撐作用，在實際生產(chǎn)中考慮是否可以合并此類功能，故制定了幾種實施方案：

方案1：根據(jù)功能分析圖可知海砂和再生砂均起支撐作用且海砂價格較高，所以裁掉海砂其支撐功能由再生砂代替，但是要兼顧鑄件的質(zhì)量。

方案2：功能裁剪裁掉價格高的鉻礦砂，形成型腔的功能由海沙代替，其激冷功能由涂料代替或引進可用資源外冷鐵來實現(xiàn)。根據(jù)鑄件的厚度及鋼水溫度試驗定制。

方案3：功能裁剪掉價格高昂樹脂固化劑，其功能由某低價液料代替。裁剪法則：此法需要對設備進行調(diào)整。

方案4：功能裁剪掉所有的型砂，型砂的功能全部由型腔來實現(xiàn)。裁剪法則：砂型可以制成金屬模具或其他材料模具，對于批量大的鑄件可以考慮如螺母柱這樣接近實塊類產(chǎn)品。

方案5：功能裁剪裁掉所有造型輔料，僅剩下鋼水。造型輔料及模型的功能全部由鋼水自我實現(xiàn)，如圖4所示，3D打印就是例子。

圖3 生產(chǎn)過程功能分析圖

3 因果分析并尋找解決問題的方案

根據(jù)TRIZ理論和生產(chǎn)實際畫出生產(chǎn)過程的成本高因果圖（見圖5），找出問題的根原因。

圖4 方案5裁剪后的生產(chǎn)過程圖

3.1 樹脂砂生產(chǎn)線成本高的根原因

由因果圖可知樹脂砂生產(chǎn)線成本高的根原因有以下三個：

1）地坑大、鑄件?。?/p>

2）捂砂的最小厚度限制（為了降低成本，鉻礦砂的厚度達到20 mm左右就能夠滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，但是目前受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，模型結(jié)構(gòu)及人員操作限制，無法實現(xiàn)）；

3）液料加入比例大（為了降低成本，型砂中加入樹脂固化劑量越小越好，但是實際生產(chǎn)過程中為了保證鑄件質(zhì)量與操作的方便，故采用統(tǒng)一的材料比）。

每個根原因都是一個矛盾點，后面針對具體矛盾制定解決方案。

圖5 因果分析圖

3.2 地坑大與鑄件小的問題

待解決問題為物理矛盾（物理矛盾為同一參數(shù)的矛盾）。地坑大鑄件小，在生產(chǎn)過程中希望地坑能夠適應所有鑄件，所以地坑要大一些，但是生產(chǎn)小鑄件時，大地坑會浪費很多的砂子與液料，所以希望地坑小一些。這是一對物理矛盾問題轉(zhuǎn)換，矛盾見圖6.

1）根據(jù)TRIZ創(chuàng)新方法中，解決物理矛盾采用空間分離方法解決，形成以下方案：

方案1：將地坑分割成幾個塊。采用中間阻擋的辦法將大地坑分割開幾個小地坑，以適應不同大小的鑄件。

方案2：利用技術(shù)矛盾的組合原理。一個地坑將多個鑄件進行組合生產(chǎn)。

方案3：空間分離。查對應的技術(shù)矛盾找出廉價品替代的辦法解決。如在地坑中采用廢舊冒口等代替砂子，節(jié)約型砂使用量。

2）采用物理矛盾條件分離

由功能分析圖3知，靠近地坑邊緣部位采用再生砂，僅起支撐作用。在實際生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)鑄造完成后在遠離鑄件地方的型砂仍有一定強度，距離鑄件較近地方的型砂由于高溫燒損的原因，是發(fā)散的，沒有強度?；谶@個原因形成方案4.

方案4：抓坑時將地坑中遠離鑄件的有強度的型砂保留下來，以減少地坑的大小，減少型砂的消耗量。

圖6 生產(chǎn)簡圖

3.3 液料加入比例大的問題

原材料消耗簡圖如圖7所示，液料比既要大又要小這是物理矛盾。

圖7 原材料消耗簡圖

1）采用空間分離的方法：原來同一型砂統(tǒng)一液料比例，經(jīng)過技術(shù)分析認為靠近鑄件表面的強度要大一些，保證鋼水不會跑鋼或不形成鋼包砂；遠離鑄件表面的型砂強度可以小一些，只要有一定的強度對前面的型砂起支撐作用就滿足要求。

方案5：調(diào)整液料的比例，使不同強度要求位置的砂液料比例不一樣；

2）空間分離。查找空間分離中對應技術(shù)矛盾中的借用中介物原理。

方案2：背砂的液料比進一步降低。降料比例由原來的2.0%降低到1.2%，但是在鋼水壓力大的部位，一定厚度的面砂后面采用鋼板和硬圓鋼備點的辦法增加強度。

4 方案評價與實踐

4.1 功能裁剪的降成本方案進行評價

功能裁剪方案1：海砂裁剪已經(jīng)實現(xiàn)。條件是再生砂數(shù)量能夠滿足生產(chǎn)，且其回收的粉塵不要太大，保證必要的強度，通過設備調(diào)整具備可行性。

功能裁剪方案2：裁掉鉻礦砂有部分實現(xiàn)，一般薄壁件適合，厚大件及圓角部位還在采用，需要進一步加強并進行有效突破，具備可行性。

功能裁剪方案3：裁掉樹脂固化劑具備可行性，但是需要設備調(diào)整，難度較大，不符合理想解的要求。

功能裁剪方案4：裁剪掉所有的型砂。只適合于批量件，若生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單的實塊批量件，可以考慮采用，需要定制模具，只有滿足一定量成本就會降下來。

功能裁剪方案5：裁剪掉型腔，其功能由鋼水來實現(xiàn)，鋼水直接出來想要的形狀。目前國際正在研發(fā)的3D打印就是此類，未來鑄造的發(fā)展趨勢，但是目前無法實現(xiàn)。

最終解為：具備可行性的幾種方案組合使用效果更佳

表1 由根原因1）形成的方案評價表

4.2 由因果分析形成的降成本方案進行評價

對根原因1）形成的系列方案進行綜合評價，評價結(jié)果如表1所示。

由表1可知方案1，2，4實施起來比較容易，但是方案1需要制作擋鐵，成本較高，根據(jù)廠情考慮是否使用；方案2只要生產(chǎn)時合理搭配就可以實現(xiàn)；方案3采用廢舊冒口替代的方法，增加了工人的勞動強度，但是節(jié)約成本還是比較明顯；方案4在抓地坑時，提前有計劃的根據(jù)鑄件尺寸，合理計劃操作即可達到。在實際生產(chǎn)過程中，上述方法均有采納且效果較好。

表2 液料比既要大又要小的問題方案評價

最終解為：根據(jù)工廠實際情況，幾種方案組合使用效果更好。

由根原因2）中液料比的問題，對其成本情況及實現(xiàn)的難易程度、可靠性評價如表2所示。

由表2可知，方案1比較容易實現(xiàn)，且可靠性高，只需要調(diào)整設備，使設備在不同的檔位可以加入不同比例的樹脂固化劑就可以做到。實際生產(chǎn)過程中，采用了很少的成本對設備進行調(diào)整，效果較好。

方案2實現(xiàn)時由于需要針對鋼水壓力較大的部位放置鋼板，且要背緊實，風險高，勞動強度大，推廣較困難。目前方案1已經(jīng)使用，方案2需要后期試驗后使用。

最終解為：結(jié)合生產(chǎn)實際情況方案1與方案2綜合應用。

5 應用效果

將TRIZ分析得出的降成本方案應用于實際生產(chǎn)中，取得了較好的效果。生產(chǎn)工部及公司財務每月都要進行相應的成本統(tǒng)計，其中采取保留坑邊砂的辦法每月可以節(jié)約再生砂在200 t左右，由此可以節(jié)約成本4萬元；采用廢舊冒口代替砂子，每月可以節(jié)約再生砂50 t，由此可以節(jié)約成本1萬元；采用調(diào)整不同位置液料比的方法樹脂固化劑消耗量降低了25%，每月可以節(jié)約樹脂在5 t左右，固化劑1.2 t左右可以節(jié)約成本在5.5萬元左右。僅再生砂項每月可以節(jié)約成本10.5萬元。以2014年為例，以往每月需要使用海砂在60 t左右，使用功能裁剪方案1將海砂裁剪掉以后，海砂使用量由原來每年720 t降低到100 t，由此可以節(jié)約海砂620 t，按照當時每噸價格為230元計算，由此可以節(jié)約成本成16.56萬元。根據(jù)方案2，僅2014年用100 t海砂代替鉻礦砂使用，節(jié)約成本在30萬元。綜上所述，通過TRIZ方法的應用實踐在14年可以節(jié)約成本150余萬元。目前上述方法，還在繼續(xù)推廣使用。

鉻礦砂的厚度問題已經(jīng)根據(jù)物場分析制定出一個工具正在試驗階段。

解釋說明：生產(chǎn)中涉及到的原料采購價格，以及通過管理、培訓等能解決的問題可以通過管理手段去解決，本文沒有進一步分解。本文重點是分析了降低材料成本所需解決的相關(guān)技術(shù)難題，也是成本消耗的主要部分。

6 結(jié)束語

自主創(chuàng)新，方法先行，TRIZ是一種很實用的創(chuàng)新方法，將其與鑄造專業(yè)知識相結(jié)合能夠有效解決許多實際生產(chǎn)中的問題。