Obróbka form z wykorzystaniem HSC

Obróbki z rodziny HSM wpisują się w obraz współczesnej firmy zarówno jako miejsce, w którym powstaje produkt [1] jak również jako innowacja, której celem jest polepszenie jakości, rozszerzenie możliwości technologicznych, skrócenie czasu obróbki

FOT. 1. Powierzchnia matrycy po obróbce HC

W zarządzaniu procesem technologicznym jednym z najważniejszych kryteriów optymalizacyjnych jest czas dostawy dla Klienta, zatem skrócenie czasu obróbki, bez pogorszenia jakości wpisuje się w realizację tego kryterium. Obróbki z rodziny HSM (patrz artykuły autora „Wpływ wysokowydajnych obróbek na przebieg procesu technologicznego” oraz „Wdrażanie HSM” opublikowane we wcześniejszych wydaniach Design News) w przypadku obróbki form, czy to na potrzeby przeróbki tworzywa sztucznego, czy też obróbki plastycznej cechują się skróceniem czasu obróbki i przyczyniają się do zmiany przebiegu procesu technologicznego. Najlepiej daje się to zaobserwować na konkretnym przykładzie. Analizie poddano obróbkę formy przeznaczonej do obróbki plastycznej elementów konstrukcji lotniczej [2] (ze względu na ochronę praw autorskich rysunki przedmiotów zostały zmienione na potrzeby artykułu – przyp. autora). Przedstawione w pracy [2] tłocznik (stempel i matryca – rys.1) są wytwarzane w procesie technologicznym wykorzystującym obróbkę materiałów twardych HC (Hard Cutting), jako produkcji jednostkowej.

TABELA 1. Poszczególne warianty procesu technologicznego obróbki matrycy

Na potrzeby porównania różnych wariantów procesu technologicznego, takich jak:

• klasyczny układ (półfabrykat miękki),
• z wykorzystaniem obróbki HSC (półfabrykat miękki),
• obróbka HSC (półfabrykat twardy),

przeprowadzono szczegółowo analizę czasów i kosztów związanych z wytworzeniem matrycy (rys.1) w produkcji jednostkowej, zgodnie z charakterem rzeczywistej produkcji. Przyjęto założenie, że ze względu na podobieństwa konstrukcyjne matrycy i stempla (rys.1) analiza obróbki tylko jednego wybranego przedmiotu (w tym przypadku matrycy) będzie reprezentatywna dla porównania różnych wariantów procesu technologicznego. W tabeli 1 zestawiono obok siebie poszczególne warianty procesu technologicznego matrycy. Marszruty poszczególnych procesów przedstawiono w uproszczony sposób, z pominięciem szkiców technologicznych.

Różnica między procesami: klasycznym i wykorzystującym HC dotyczy przede wszystkim wyeliminowania – w tym drugim przypadku – kosztownej i czasochłonnej obróbki elektroerozyjnej. Do niedawna obróbka materiałów twardych (ogólnie powyżej 45 HRC, tu 56–60 HRC) była w prawie nie możliwa do przeprowadzenia z zachowaniem uzasadnionego poziomu kosztów. Jedną z technologii jaka pozwalała na obróbkę stali o podwyższonej twardości było właśnie EDM (Electro Discharge Machining). Jest to obróbka kosztowna zarówno ze względu na konieczność wytworzenia elektrody, jak i na czas jej trwania (długi czas trwania odpowiada niskiej wydajności, co z kolei sprzyja uzyskaniu mniejszej chropowatości). Wprowadzenie obróbki HC na etapie obróbki wykańczającej pozwoliło na znaczną oszczędność czasu i skrócenie przebiegu procesu technologicznego, z zachowaniem wysokich wymagań dotyczących dokładności geometrycznej oraz właściwości warstwy wierzchniej (chropowatość) – fot. 1. Konstrukcja matrycy i stempla jako brył obrotowych ułatwiła wdrożenie HC w obróbce toczenia. By móc zastosować HC obrabiarka powinna spełniać określone wymagania, co do sztywności, układu sterowania, zabudowy przestrzeni roboczej, systemu chłodzącego. W omawianych procesach technologicznych obróbkę HC przeprowadzono na sucho, bez udziału chłodziwa. Prędkość skrawania wynosiła 100 [m/min], posuw roboczy 0,1 [mm/obr], a prędkość obrotowa wrzeciona około 450 [obr/min]. Zastosowano narzędzia z wkładkami sześciennego azotku boru (CBN tu 10 i 200).

W procesie technologicznym w całości bazującym na obróbce HC przygotówka poddawana jest ulepszaniu cieplnemu do uzyskania twardości, wymaganej od gotowego wyrobu, już na początku procesu lub jeszcze w zakresie obróbki u wytwórcy (huta). Ten wariant procesu technologicznego modyfikuje przebieg procesu technologicznego i pozwala na dodatkowe skrócenie czasu trwania obróbki. (tabela 2, wykres 1). 

 WYKRES 1. Analiza kosztu jednostkowego: I wariant – konwencjonalny proces technologiczny, II wariant – proces technologiczny z częściowym wykorzystaniem HC, III wariant – proces technologiczny w całości bazujący na obróbce HC

Jednak w porównaniu do procesu wykorzystującego w części obróbkę HC nie przynosi on znaczącego skrócenia czasu obróbki (szczególnie w ujęciu produkcji jednostkowej).

TABELA 2. Porównanie czasu i kosztu jednostkowego w zależności od procesu technologicznego 

 W tabeli 2. i na wykresie 1. przedstawiono także wyniki analizy kosztu jednostkowego dla każdego z wariantów procesu technologicznego. Otrzymane dane wskazują na wariant w części wykorzystujący obróbkę HC jako najbardziej ekonomiczny. Niemal 4-krotnie wyższe koszty w przypadku opcji bazującej w całości na HC nie pozwalają na stwierdzenie, że jest to rozwiązanie korzystne. Podstawowym czynnikiem wpływającym na koszt w tym przypadku był koszt narzędzi, szczególnie dla obróbki otworu i gwintu.

Przedstawiona analiza wskazała – jako najbardziej korzystny proces technologiczny danego przedmiotu – wariant z częściowym wprowadzeniem obróbki HC. Wariant III w porównaniu do wariantu II charakteryzuje się niekorzystną relacją między kosztem a czasem trwania procesu technologicznego. Choć następuje skrócenie czasu o kolejne kilkanaście minut, to jednak wariant II zapewnia korzystne skrócenie czasu… z zachowaniem ekonomicznego uzasadnienia.

Jak pokazuje przeprowadzona analiza, nie zawsze obróbki z rodziny HSM, same w sobie jako innowacja, przyczyniają się do osiągnięcia kryterium kosztów produktu. Innowacja uzupełnia jedynie rozwiązania kaizen wprowadzane w gemba [1]. Proste rozwiązania na stanowisku pracy pozwalają osiągnąć często więcej, niż najbardziej zaawansowane technologicznie w danym czasie rozwiązania innowacyjne.

Jak pisano w artykule pt. „Wdrażanie HSM”, wdrażanie obróbek z rodziny HSM (tu HC) wymaga przeprowadzenia szczegółowego planowania, sprawdzania analiz z uwzględnieniem wielu czynników. Wprowadzenie do firmy obróbki z rodziny HSM to inwestycja w nowe lub modernizacja starego gemba (tu w znaczeniu: stanowiska pracy, na którym wytwarzany jest produkt), wymagające jednocześnie przeszkolenia operatorów. Czasem maksymalne skrócenie czasu to jedynie pozorna oszczędność. Dlatego wdrażanie obróbek z rodziny HSM wymusza na technologach przeprowadzanie dokładnych analiz.

Dr inż. Radosław Morek jest adiunktem

Wydziału Inżynierii Produkcji PW

^{Piśmiennictwo:}

^{[1] Masaaki Imai, Gemba kaizen. Zdroworozsądkowe, niskokosztowe podejście do zarządzania, KAIZEN Institute Polska i Wydawnictwo MT Biznes Sp. z o.o. 2006}

^{[2] Andrzej Patrycy, Proces technologiczny tłoczników z wykorzystaniem obróbki HSC, Wydział Inżnierii Produkcji Politechniki Warszawskiej, 2007}

Linki:

(patrz artykuły autora „Wpływ wysokowydajnych obróbek na przebieg procesu technologicznego” – http://www.designnews.pl/akademia_design_news1105.php4?num=271

oraz „Wdrażanie HSM” – http://www.designnews.pl/akademia_designnews_ 200604.php4?num=375)

Autor: TEKST I ILUSTRACJE: RADOSŁAW MOREK, ANDRZEJ PATRYCY