Przykład racjonalizacji czasu obróbki przedmiotu klasy korpus realizowanej na centrum frezarskim

1. Wprowadzenie

Proces technologiczny jest nieodzow- nym i podstawowym elementem procesu produkcyjnego, podczas którego definiu- je się kolejne etapy modyfikacji kształ- tu, wymiarów, jakości powierzchni czy struktury i właściwości wyrobu w celu uzyskania żądanego produktu. Proces ten przebiega przeważnie wieloetapowo.

Każdy z etapów, określanych jako ope- racje lub szczegółowiej jako zamocowa- nia, zabiegi, czynności itd., jest przyję- tym rozwiązaniem spełniającym mini- malne kryteria konstrukcyjne, użytkowe czy ekonomiczne. W wielu przypadkach nie są to rozwiązania optymalne, a nawet racjonalne. Samo określenie odpowied- niego kryterium racjonalności procesu może, na poziomie technologa, stwarzać zasadnicze problemy. Trudno w danych warunkach produkcyjnych jednoznacz- nie stwierdzić, czy zastosowana do ob- róbki konkretnej powierzchni obrabiarka, narzędzie czy parametry technologicz- ne są optymalne (wg ustalonych kryte- riów) i czy nie udałoby się znaleźć lep- szych rozwiązań. W wielu przypadkach głównym czynnikiem weryfikującym dany proces technologiczny jest jedno- znaczna i czytelna odpowiedź konkuren- cyjnego rynku.

Problem optymalizacji procesów tech- nologicznych jest poruszany i analizowa- ny przez wielu autorów [2, 3, 4, 9]. W tym

obszarze uwzględnia się zarówno kryte- ria technologiczne (jakość powierzchni, trwałość narzędzi, dokładność wymia- rowo-kształtową wyrobu), jak również kryteria ekonomiczne (koszt jednostko- wy, koszt utylizacji czy oddziaływania technologii na środowisko).

W artykule skoncentrowano się na problemie minimalizacji czasu obrób- ki. Czas obróbki wyrobu jest jednym z podstawowych aspektów podlegają- cych ocenie podczas projektowania pro- cesu technologicznego. Na minimalizację czasu obróbki ma wpływ wiele czynni- ków. Sumaryczny czas realizacji proce- su produkcyjnego to czas poświęcony samym operacjom technologicznym, jak również czas konieczny do przeprowa- dzenia czynności pomocniczych i czas przerw. Przykładową strukturę czasu re- alizacji procesu produkcyjnego przedsta- wia rys. 1.

Strukturę normy czasu trwania ope- racji za Feldem [4, 5] przedstawiono na rys. 2. Wynika z niej, że sposób zaplano- wania technologii obróbki ma zasadni- czy wpływ na czas wykonania wyrobu tw, czyli na czas główny tg oraz czas po- mocniczy tp. W tym obszarze można po- przez zmianę parametrów technologicz- nych czy dostosowanie oprzyrządowa- nia lub modyfikację technologii obróbki uzyskać realne zmniejszenie czasu reali-

zacji procesu. Czas przygotowawczo-za- kończeniowy tpz oraz czas uzupełniający tu uzależniony jest w istotnym stopniu od czynnika ludzkiego.

Czasy jednostkowy tj jest jednym z podstawowych kryteriów oceny pro- cesu technologicznego. Jednak jedynie czas wykonania tw jest tym składnikiem czasu jednostkowego, który możliwy jest do matematycznego wyznaczenia, a tym samym może podlegać procesowi prze- widywalnej optymalizacji. Z tego też

Streszczenie: Czas obróbki wyrobu jest jednym z podstawowych aspek- tów podlegających ocenie podczas projektowania procesu technologicz- nego. Na minimalizację czasu obrób- ki ma wpływ wiele czynników. W ar- tykule przedstawiono przykładowe rozwiązania racjonalizacji tego para- metru dla procesu technologicznego przedmiotu dedykowanego do obrób- ki na centrum frezarskim w produkcji wielkoseryjnej.

Słowa kluczowe: obróbka skra- waniem, czas jednostkowy, proces technologiczny, racjonalizacja para- metrów technologicznych

Abstracr: The machining time is one of the fundamental aspects to be evaluated during the process devel- opment. The minimization of the ma- chining time depends on many fac- tors. The article presents examples of solutions of this rationalization of technological process parameter for the object dedicated to working on milling center in the large-lot produc- tion.

Key words: machining, cycle time, technological process, rationalization of process parameters.

Rys. 1. Struktura czasu realizacji procesu produkcyjnego [2, 3]

reklama

względu w pracy podjęto próbę racjona- lizacji procesu technologicznego elemen- tu przewidzianego do obróbki kompletnej na centrum frezarskim w produkcji wiel- koseryjnej właśnie w aspekcie minimali- zacji czasu tw.

2. Racjonalizacja procesu technologicznego przedmiotu dedykowanego do obróbki na centrum frezarskim w produkcji wielkoseryjnej

Rodzaj produkcji ma istotne znacze- nie podczas tworzenia procesu techno- logicznego. Jeśli bazuje na ustalonym

jego rodzaju, tj. produkcji jednostkowej, seryjnej czy masowej, możliwe staje się wykorzystanie dostępnych w literaturze wzorcowych procesów technologicznych [2, 4, 9]. Ogólnie znane są podstawowe różnice miedzy produkcją jednostkową a seryjną.

Zastosowanie maszyn i narzędzi ko- mercyjnych, brak rozbudowanej, szcze- gółowej dokumentacji technologicznej oraz wykorzystanie wiedzy i umiejętno- ści wykwalifikowanej kadry technicznej, to cechy produkcji jednostkowej. Produk- cja seryjna, w zależności od odmiany, w większym lub mniejszym stopniu opie- ra się na kompleksowym przygotowaniu

Rys. 2. Struktura normy czasu trwania operacji [4]

Rys. 3. Rysunek wykonawczy elementu korpusu z hydraulicznego układu napędowego wiertarki [1]

opracowanie oprzyrządowania technolo- gicznego [6]. Przykład takich rozwiązań podany zostanie w niniejszym artykule.

Analizie poddano proces technolo- giczny produkowanego seryjnie elemen- tu korpusu hydraulicznego układu napę- dowego wiertarki. Jest to zaawansowany technicznie przedmiot, wymagający od wykonawcy utrzymania wysokich wy- mogów dokładności, jakości powierzch- ni, kształtu oraz współosiowości elemen- tów konstrukcyjnych. Na rys. 3 przedsta- wiono jego dokumentację konstrukcyjną.

Przyjęto, że korpus będzie obrabia- ny na frezarskim centrum obróbkowym.

Wykorzystanie obrabiarki z magazynem palet umożliwia znaczące przyspiesze- nie procesu produkcyjnego ze względu na wyeliminowanie czasów przestoju związanych z zabiegami pozycjonowa- nia i mocowania obrabianych elementów.

Kief [7] twierdzi, że jeżeli przedmioty obrabiane zamocowane na paletach są au- tomatycznie dostarczane do obrabiarki, a następnie usuwane, to mówi się wów- czas o stacjach obróbkowych. Kosmol [8]

przykładowo podaje, że w projekcie nor- my [11] definiuje się również pojęcie cen- trum obróbkowego spaletyzowanego. Jest to centrum obróbkowe przystosowane do zamocowania na stole roboczym palet przedmiotowych. Zawiera zwykle dołą- czone do centrum stanowisko załadow- czo-rozładowcze palet lub magazyn palet oraz działający automatycznie zmieniacz palet. W definicji centrum spaletyzowa- nego położono nacisk na automatyzację

wymiany przedmiotu obrabianego za po- mocą wymiennych palet.

Jako podstawowe spaletyzowane cen- trum obróbkowe, po dogłębnej analizie sześciu obrabiarek firmy Okuma, tj.:

lzMULTUS B-300,

lzMU-500VA-L,

lzVTM-100 2APC,

lzVMP-16,

lz2SP-150H,

lzMA – 400HA,

wybrano centrum (stację obróbkową) Okuma 400 HA (rys. 4) [1].

Schematyczna budowa tej stacji obrób- kowej ze standardowym systemem dwu- paletowym wraz ze zmieniaczem pa- let przedstawiona jest na rys. 5. Istnieje możliwość rozbudowy tego systemu do modułów 6-, 10- czy 12-paletowych. Ta- kie wielopaletowe stanowisko obróbko- we wykorzystywane jest do wytwarza- nia elementów maszyn, które wymagają

Rys. 6. Schemat rozbudowy centrum obróbkowego Okuma typ MA-H [10]

reklama

zastosowania wielu pozycji, w celu ich kompletnej obróbki. Można również za- stosować te rozwiązania do realizacji na jednym spaletyzowanym centrum fre- zarskim, np. obróbki różnych części ma- szyn w tym samym cyklu produkcyjnym.

Przykład budowy centrum frezarskiego wielopaletowego firmy Okuma przedsta- wiono na rys. 6.

Zakres pracy technologa podczas defi- niowania każdego nowego procesu tech- nologicznego, a w szczególności podczas tworzenia procesu dla produkcji średnio- czy wielkoseryjnej, obejmuje szereg waż- nych czynności, między innymi:

lzanalizę technologiczności konstrukcji;

lzopracowanie ramowego i szczegółowe- go procesu technologicznego dla fre- zarskiego spaletyzowanego centrum obróbkowego;

lzopracowanie programu sterującego na centrum frezarskie;

lzopracowanie harmonogramu czasów obróbki – racjonalizację procesu tech- nologicznego w aspekcie zapewnienia jak najkrótszych czasów obróbki;

lzprzygotowanie dokumentacji techno- logicznej.

Szczególną uwagę należy poświęcić procesowi racjonalizacji czasów obrób- ki. Ramowy proces technologiczny ana- lizowanego korpusu do hydraulicznego układu napędowego wiertarki ma nastę- pujący przebieg [1]:

lztrasowanie;

lzobróbka zgrubna i kształtująca po- wierzchni stanowiącej pomocniczą ba- zę obróbkową;

lzobróbka zgrubna i kształtująca po- wierzchni stanowiącej zasadniczą ba- zę obróbkową;

lzobróbka wykańczająca powierzchni stanowiącej zasadniczą bazę obrób- kową;

lzwytaczanie głównych otworów z usta- leniem korpusu na obrobionej bazie ob- róbkowej;

lzobróbka powierzchni i nadlewów dru- gorzędnych;

lzwiercenie i gwintowanie małych otwo- rów;

lz kontrola jakości.

Dwie wymienne palety centrum uzbro- jono w komercyjne uchwyty mocujące o budowie blokowej, dwu- oraz cztero- stronne. Pierwsza paleta ma zamocowany uchwyt dwustronny, na którym ustala się i mocuje cztery obrabiane korpusy. Przy- kład tego rozwiązania z opisem przedsta- wiono na rys. 7. W trakcie racjonaliza- cji tego zabiegu zauważono, że poprzez zamocowanie tych samych obrabianych czół w jednej płaszczyźnie (rys. 7 – wer- sja 2) można uzyskać redukcję czasu ob- róbki o ok. 3%. Związane jest to z wy- eliminowaniem konieczności obrotu pa- lety w celu obróbki dwóch pozostałych czół korpusu przy ich lustrzanym zamo- cowaniu (rys. 7 – wersja 1). Kompletna obróbka w tym zamocowaniu będzie wymagała jedynie jednokrotnego obró- cenia uchwytu blokowego o 180°, a nie dwukrotnego, jakby to miało miejsce dla zamocowania w wersji 1. Innym rozwią- zaniem byłaby oczywiście dwukrotna wymiana kompletu wykorzystywanych

Rys. 7. Koncepcje rozwiązania ustalenia i zamocowania partii obrabianych korpusów w za- mocowaniu I, przed racjonalizacją (wersja 1) oraz po racjonalizacji (wersja 2) [1]

Rys. 9. Przestrzenne modele szkieletowe elementów oprzyrządowania technologicznego, zaprojektowanych w celu poprawnego ustalenia i zamocowania obrabianego korpusu [1]

podczas tego procesu narzędzi. Ta pro- pozycja została jednak odrzucona już na wstępnym etapie racjonalizacji, jako roz- wiązanie niezdające egzaminu.

Dalsze zabiegi obróbkowe prowadzo- ne są po ustaleniu korpusów w drugim zamocowaniu na palecie wyposażonej w uchwyt czterostronny, co przedsta- wiono na rys. 8.

Poprzez przesunięcie przedmiotu ob- rabianego w skrajne dopuszczalne po- łożenie (rys. 8 – wersja 2) możliwe sta- ło się zastosowanie narzędzi (wierteł) o zmniejszonym wysięgu. Taka optyma- lizacja długości narzędzia skutkuje wzro- stem jego trwałości, jak również wzro- stem dokładności wykonania otworu.

Dodatkowo podczas programowania toru ruchu tych narzędzi można było skrócić

czas dojazdu do pozycji roboczych (krót- sza droga), co również przyczyniło się do zredukowania czasu maszynowego.

Efektywne wykorzystanie systemu pa- letowego obrabiarki, z paletami wyposa- żonymi w uchwyty mocujące o budowie blokowej, wymaga zaprojektowania od- powiednich elementów ustalająco-mocu- jących. Technolog oczywiście w pierw- szej kolejności kompletuje system mo- cowania z elementów uniwersalnych, komercyjnych. Jedynie konieczne wy- posażenie specjalne, którego konstruk- cja uwarunkowana jest kształtem moco- wanego przedmiotu obrabianego, zostaje zaprojektowane i wykonane w jednostko- wych ilościach. Na rys. 9 przedstawio- no przykłady takich elementów zapro- jektowanych w celu poprawnego usta-

pracy obrabiarki poprzez:

–skrócenie torów ruchów pozycjono- wania narzędzi,

–zmniejszenie ilości koniecznych zmian narzędzi w ramach operacji, –wyeliminowanie dodatkowych ru-

chów roboczych systemu paletowe- go (obroty palet o 90° oraz 180°), –przyspieszenie procesu za- i odmo-

cowania przedmiotów obrabianych poprzez wykorzystanie specjalnie zaprojektowanych elementów usta- lająco-mocujących,

–zapewnienie odpowiedniej dokład- ności wymiarowo-kształtowej oraz wzrost trwałości narzędzi poprzez skrócenie ich wysięgu.

Efektem tych prac była redukcja cza- su obróbki pojedynczego korpusu o 63 s, gdzie kompletny czas obróbki jedne- go korpusu wyniósł 19,74 min, czyli 1184,4 s. Przy produkcji seryjnej 10 000 sztuk rocznie daje to oszczędność czasu sięgającą 10 500 min (175 godzin), czy- li prawie 22 dni robocze. Jest to znaczą- ce przyspieszenie procesu produkcyjne- go, skutkujące wymiernymi korzyściami ekonomicznymi.

4. Podsumowanie

Racjonalizacja procesu produkcyjnego w celu uzyskania wymiernych efektów ekonomicznych jest ze wszech miar uza- sadniona. Stwierdzono, że:

lzmożna uzyskać znaczący wzrost pro- duktywności, optymalizując, w aspek- cie założonych kryteriów, podstawowe parametry i środki produkcji procesu technologicznego;

lzsam proces projektowania ustalenia i zamocowania przedmiotu (partii przedmiotów) należy prowadzić wie- lokierunkowo.

Receptą na produktywne wytwarza- nie części maszyn nie zawsze jest, jak by się wydawało, projektowanie proce- su technologicznego ze wspomaganiem

Rys. 8. Koncepcje rozwiązania ustalenia i zamocowania partii obrabianych korpusów w zamocowaniu II, przed racjonalizacją (wersja 1) oraz po racjonalizacji (wersja 2) [1]

komputerowym. Klasyczne podejście do tego zagadnienia, z dokładnym, me- todycznym i skrupulatnym analizowa- niem kolejnych zabiegów, operacji, a na- wet czynności technologicznych ma na- dal racjonalne uzasadnienie. To podejście zaowocowało, w przedstawionej publika- cji, uzyskaniem znaczących oszczędno- ści w czasach obróbkowych analizowane- go przedmiotu, co właściwie w każdym przedsiębiorstwie jest jednym z głów- nych argumentów do wdrożenia takiego rozwiązania w praktyce.

Podsumowując, można stwierdzić, że racjonalne tworzenie i zarządzanie pro-

dr hab. inż. Piotr Niesłony – Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji, Wydział Mechaniczny, Politechnika Opolska;

e-mail: p.nieslony@po.opole.pl

cesem technologicznym czy produkcyjnym wymaga dużej elastyczności i kompetencji inżynierów zaangażowanych w jego opracowywanie, wdra- żanie i modernizację. Zasad- niczo nie ma czegoś takiego jak „idealny proces technolo- giczny”. Za dużo jest czynni- ków deterministycznych nie- możliwych do przewidzenia na danym etapie projekto- wania. Prowadzona systema- tycznie racjonalizacja procesu jest jedyną możliwością dopa- sowywania technicznych wa- runków procesu do aktualnie występujących uwarunkowań.

Literatura

[1] Borek P.: Proces technolo- giczny części typu korpus na centrum obróbkowym wielopaletowym. Praca dy- plomowa inżynierska, Pro- motor dr inż. Piotr Niesło- ny, Politechnika Opolska, Opole 2009.

[2] Choroszy B.: Technologia maszyn. Oficyna Wydaw- nicza Politechniki Wro- cławskiej, Wrocław 2000.

[3] CiChosz P.: Obróbka skra- waniem wysoka produk- tywność, Oficyna Wydaw- nicza Politechniki Wro- cławskiej, Wrocław 2007.

[4] Feld M.: Podstawy projek- towania procesów techno- logicznych typowych czę- ści maszyn. WNT, Warsza- wa 2009.

[5] Feld M.: Technologia bu- dowy maszyn. WNT, War- szawa 1993.

[6] Feld M.: Uchwyty obróbkowe. WNT, Warszawa 2002.

[7] kieF h. B.: NC/CNC Handbuch. Carl Hanser Verlag, Muenchen 1991.

[8] kosMol J.: Automatyzacja obrabiarek i obróbki skrawaniem. WNT, Warsza- wa 1999.

[9] Matusiak-szaranieC a.: Analiza kon- strukcyjna i technologiczna korpusów i urządzeń technicznych. Vol. 27 nr 2, Archiwum Technologii Maszyn i Auto-

matyzacji, 2007.

[10] OKUMA Strona polskiego przedstawi- ciela firmy OKUMA, producenta obra- biarek [Dostęp – październik 2011], In-

formacje o firmie. Dostępny w Interne- cie: http://www.htm.net.pl/

[11] Projekt Polskiej Normy: „Obrabiarki do metali: Obrabiarki zautomatyzo- wane, elastyczne i ich systemy. Nazwy i określenia”.

reklama

artykuł recenzowany