OPTIMALIZACE OBRÁBĚNÍ VYBRANÉHO DÍLCE Z OCELI PH13 8Mo SVOČ FST 2010 Bc. Jan Bozděch, Klenčí pod Čerchovem 136, 345 34, Klenčí pod Čerchovem Česká republika bozdechjan@seznam.cz ABSTRAKT Uvedený příspěvek se zabývá optimalizací výrobního procesu zadané součásti z oceli PH13-8Mo. Řeší především otázku výrobních nákladů. Protože ty představují významnou část celkové ceny produktu. Cestou, jak tyto náklady snížit bez dalších finančních investic na stávajícím výrobním zařízení, je právě nákladová optimalizace výrobního procesu. Tu můžeme provést v případě analýzy výrobního procesu a nalezením slabých míst, které tento proces ovlivňují, provedením změny současného stavu a poté nalezení hodnoty minimálních výrobních nákladů. Dalším faktorem je čas. Tedy doba, po kterou jsou konány výrobní a nevýrobní operace. Čas a náklady jsou spolu úzce spjaty. Materiálem výrobku je korozivzdorná ocel PH13-8Mo, která výrazně působí na dříve zmíněné faktory. KLÍČOVÁ SLOVA frézování, materiál, upínání, výrobní proces, vyměnitelné břitové destičky ÚVOD Tato diplomová práce má za úkol optimalizaci obráběcího procesu zadané součásti. Ta je jedním dílem ze sestavy dodávané do leteckého průmyslu pro konkrétní typ vojenského letadla. Tuto dipl. Práci řeším ve spolupráci s firmou Technometra Radotín, a.s., která tyto výrobky vyrábí. Jedná se o poměrně jednoduchou tvarovou součást s výjimkou několika prvků. Na obrázku 1 je její celý model. Obrázky 2 4 ukazují detaily jednotlivých tvarových prvků. Obr. 1 Zadaný výrobek Obr. 2 Detail spodní části výrobku Obr. 3 Detail horní části výrobku Obr. 4 Boční pohled na výrobek
Tento výrobek je vyráběn z polotovaru ve tvaru kvádru o rozměrech 1701 x 177 x 65 mm a celkové hmotnosti 152 kg. Konečné rozměry výrobku jsou 1688,5 x 165 x 4(44) mm. Tloušťka v nejnižších místech dosahuje hodnoty 4 mm a v nejvyšších bodech 44 mm. Výsledná hmotnost vyrobené součásti je 8 kg. OCEL PH13 8Mo Dodávaný polotovar je vyráběn z oceli PH13-8Mo. Jedná se o martenzitickou precipitačně vytvrzenou ocel, jejíž tvrdost se zvyšuje s dalším časem a tepelnými procesy. Vyznačuje se několika vlastnostmi, kterými jsou především: vysoká odolnost proti koroznímu poškození (vhodná pro použití v přírodních podmínkách: např. atmosféra, pára, ale i agresivních prostředích jako je mořská voda), odolnost proti koroznímu praskání při působení napětí, vysoká pevnost do 316 C (600 F) a dobrá tažnost a houževnatost. Zabraňuje oxidaci až do teplot 700 C, což je způsobeno především příměsí chrómu, niklu a molybdenu. Odolnost proti oxidaci se všeobecně zvyšuje stejně jako odolnost proti korozi. Prvek C Mn Si P S Cr Ni Mo Al N Chemické složení Min --- --- --- --- --- 12,25 7,50 2,00 0,90 --- Max 0,05 0,10 0,10 0,01 0,008 13,25 8,50 2,50 1,35 0,010 Tab.1 Chemické složení oceli PH13 8Mo (Uvedené hodnoty jsou v %) Obrobitelnost oceli PH13 je nepříznivě ovlivňována jejím silným sklonem k deformačnímu zpevňování (opotřebení ve tvaru vrubu na hřbetě břitu), nízkou tepelnou vodivostí, stabilním houževnatým chováním (vysoké řezné síly a obtížný lom třísky) a sklon k nalepování (tvorba nárůstku). VÝROBNÍ PROCES Výrobní proces dané součásti je rozdělen do 3 operací: Operace 10 Obr. 5 Obrobek po operaci 10 Úkolem první operace je zarovnání největší plochy polotovaru a vytvoření elementů (frézované závity M12 a vystružené otvory pr. 12 H7), které slouží pro ustavení a upnutí v operaci 20. Operace 20 Obr. 6 Obrobek po operaci 20 Při operaci 20 dojde ke kompletnímu obrobení celé horní části součásti. Tato operace má 3 fáze: I) Hrubování vnější části a vybrání II) Dohrubování všech prvků III) Dokončování Pomocí 2 kolíků 12 H7 je součást ustavena a upnutí pak je uskutečněno prostřednictvím šroubů M12 a závitů vyhotovených v operaci 10.
Operace 30 Obr. 7 Upínání při operaci 30 V této operaci je součást upnuta pomocí dvaceti upínek podle obrázku 7. Poloha je podobně, jako u předchozí operace zajištěna kolíky. Následně je provedeno hrubování, dohrubování a dokončování. Po těchto úkonech jsou upínky přepnuty na obrobené plochy a dofrézují se ostrůvky, které ještě na spodní ploše zbyly. Tím je dokončena operace 30 a celá výroba součásti. 1. Operace 2 hod 1 960 Kč 2. Operace Upnutí 2 hod 1 960 Kč Hrubování 19 hod 18 620 Kč Dohrubování + obrábění na čisto 17 hod 16 660 Kč 3. Operace Upnutí 2 hod 1 960 Kč Hrubování 9 hod 8 820 Kč Dohrubování + obrábění na čisto 12 hod 11 760 Kč Celkem 63 hod 61 740 Kč Tab. 2 Náklady na jednotlivé operace a jejich spotřeba času SLABÁ MÍSTA VE VÝROBĚ Při analýze výroby jsem objevil několik slabých míst, kde lze zlepšit ekonomiku procesu, jsou to: Hrubování Hrubovací operace jsou konány čelními frézami Stellram 7792VXD09-A050Z5R (obr. 7) a 7792VXD09- WA032Z3R. Obr. 8 Fréza Stellram [4] Obr. 9 VBD Stellram Tyto frézy jsou určeny pro obrábění slitin niklu, titanu a pro nerez oceli. Prvně jmenovaná fréza má 5 vyměnitelných břitových destiček (VBD) a druhá 3 VBD (viz obr. 9).
Při obrábění materiálu dochází ke zpevňování v povrchové vrstvě. To má za následek vytváření výmolu v rohu řezné části destičky (viz obr. 9 v kroužku). Toto kritické místo se nachází na největším průměru fréza a právě se zvětšujícím se průměrem frézy (obr. 8 v kroužku) se postupně snižuje hloubka třísky a destička pak již odebírá jen zpevněnou vrstvu. Hodnoty opotřebení VBD byly měřeny na katedře technologie obrábění. Dosahovali hodnot uvedených v tabulce č. 3. Místo měření Hodnota opotřebení na čele Hodnota opotřebení na hřbetě Rovnoměrné opotřebení 0,106 0,115 Vrub 0,378 0,384 Tab. 3 Hodnoty opotřebení VBD Stellram (hodnoty jsou uvedené v mm) Spotřeba destiček Trvanlivost nástrojů Stellram úzce souvisí s jejich opotřebením. VBD mají 4 řezné hrany. Jedna hrana dosahuje trvanlivosti 1 hodiny v řezu. Na 1 kus je při hrubování spotřebováno 26 VBD při ceně za jednu VBD 250 Kč. Výslední náklady jsou tedy 6 500 Kč. Dráhy nástrojů pro hrubovací úkony Technologie je vytvářena v CAD/CAM systému SurfCam. Pomocí něhož jsou i generovány dráhy pro jednotlivé nástroje. Největší nedostatky jsem zjistil u hrubovacích úkonů. Dráhy pro frézu Stellram 7792VXD09-A050Z5R jsou uvedeny na obrázku č. 10. V kroužcích jsou označená místa, kde se nachází dráhy, při kterých nástroj koná minimální úběr materiálu. Obr. 10 Dráhy nástroje pro hrubování hodní části výrobku Spotřeba materiálu Polotovarem pro výrobek je kvádr o rozměrech 1701 x 177 x 65 mm a celkové hmotnosti 152 kg. Jeho cena je 3 000 euro. Rozměry výrobku jsou 1688,5 x 165 x 4(44) mm a výsledná hmotnost vyrobené součásti je 8 kg. To znamená, že 95% materiálu je spotřebováno ve formě třísek. Upínání Upínání obrobku je provedeno v operaci 10 pomocí upínek, v operaci 20 prostřednictvím závitů M12 a v operaci 30 je to opět pomocí upínek (viz výše operace 30 obr. 7). Časová náročnost upínání během všech tří operací je přibližně 6 hodin. MOŽNOSTI ZLEPŠENÍ SOUČASNÉ TECHNOLOGIE Pro zlepšení současné technologie je možné několik řešení. Jsou to: Úprava dráhy hrubovacích nástrojů První možností zlepšení je úprava drah nástrojů pro hrubovací úkony vytvořených systémem SurfCam. Místa, která byla upravena viz obr. 10 v obrázku jsou zakroužkována.
Výchozí stav: Čas: 11,5 hod = 690 min Posuv: 1440 mm/min Hloubka třísky: 0,7 mm Dráha nástroje v jedné hladině : 13 994 mm Stav po úpravě: Čas: 7,6 hod = 455 min Posuv: 1440 mm/min Hloubka třísky: 0,7 mm Dráha nástroje v jedné hladině : 9 234 mm Tato úprava přináší zkrácení celkové doby hrubování při operaci 20 z hodnoty 19 hodin na 15,1 hodiny. Z ekonomického hlediska to znamená snížení celkových nákladů výroby z hodnoty 61 740 Kč na 59 918 Kč. Upínání Další možností zlepšení je změna systému upínání. To by bylo provedeno pomocí upínacího systému Quadextra. Jedná se o moderní elektromagnetický upínací systém (viz obr. 11). Obr. 11 El. upínací systém Quadextra [5] Obr. 12 Přepólování magnetů [5] Magnetický dvojitý cyklus funguje na principu čtvercových, šachovnicově uspořádaných pólů. Po čtyřech stranách pólu jsou uspořádány statické permanentní magnety, zatímco pod pólem leží magnet přepólovatelný. Proudový impuls procházející vinutím, vytvoří silné elektromagnetické pole, které je schopné tento typ magnetu ve zlomku sekundy přepólovat (viz obr. 12). Tato charakteristika umožňuje magnetický tok držet uvnitř systému, kdy se uzavírá právě mezi magnety po stranách a magnetem spodním nebo se naopak při přepólování jejich magnetické toky sečtou a působí vně systému, tj. uzavírají se přes upínaný obrobek. Neutrální aura umožňuje kompletní magnetickou izolaci, která vede k tomu, že dřívější nedostatky, jako přilnutí třísek na strojích, nástrojích a zařízeních v těsné blízkosti se více neobjevují. Systém, potažmo upnutí obrobku nelze narušit případným výpadkem elektrického proudu, neboť zůstává nadále zajištěno. Jelikož k upnutí, resp. přepólování je třeba velmi krátkého času, je i spotřeba elektrického proudu zanedbatelná, ačkoliv magnetická síla přetrvá na neomezenou dobu. Upínací plocha i obrobek nejsou tímto zahřívány, takže nemůže dojít k žádné deformaci nebo změně rozměrů. Pomocí elementů upnutých na magnetické desce, lze upínat i prohnuté polotovary a tvarově složité součásti (viz obr. 13).
Obr. 13 Upínání polotovarů [5] Cena dodávky uvedené magnetické desky je: 265 000 Kč. Výchozí dávka vyráběných součástí: 22 kusů Náklady na 1 kus by vzrostly o 12 045 Kč. Výchozí stav upínání: Čas upínání = 6 hod Náklady = 5 880 Kč Stav upínání po úpravě: Čas upínání = 2 hod Náklady = 1960 Kč Tato úprava přináší zkrácení celkové doby upínání z hodnoty 6 hodin na 2 hodiny. Z ekonomického hlediska to však znamená nárůst celkových nákladů výroby jednoho kusu o 8 125 Kč. Tento upínací systém by však mohl být použit na široké spektrum výrobků, což by následně snížilo i náklady jednoho kusu. Použití jiného nástroje pro hrubovací úkony V současné technologii jsou pro hrubovací úkony použity frézy Stellram (viz výše). Tyto frézy vykazují trvanlivost 1 hodiny na jednu hranu VBD. Byly vytipovány nástroje od jednotlivých výrobců, které jsou schopny obrábět podobné typy materiálů. Při hrubovacích operacích byly použity tři různé typy: a) Fréza Iscar Obr. 14 VBD Iscar Obr. 15 VBD Iscar Při obrábění frézou Iscar bylo dosaženo hodnot trvanlivosti jedné hrany 10 minut a při upravených řezných podmínkách 27 minut. Pak došlo k destrukci ostří VBD (viz obr. 14 a 15). b) Fréza Pramet Při použití frézy Pamet bylo dosaženo hodnot trvanlivosti jedné hrany 12 minut a při upravených řezných podmínkách 40 minut. Došlo zde ke stejnému porušení celistvosti ostří jako u VBD Iscar. Ani jeden z těchto nástrojů tedy nevyhověl požadavkům na vyšší trvanlivost než fréza Stellram.
c) Fréza Seco Při použití frézy Seco bylo dosaženo vyšší trvanlivosti a to 2 hodiny na jednu hranu VBD v řezu. Tyto destičky byly následně použity při výrobě. Obr. 16 VBD Seco Obr. 17 VBD Seco Výrobce Opotřebení na čele Opotřebení na hřbetu KB KF VC VBB Iscar 1,479 --- 1,149 --- Stellram 0,378 0,106 0,384 0,115 Seco 0,646 0,201 0,546 0,215 Tab. 4 Hodnoty opotřebení VBDjednotlivých výrobců (hodnoty jsou uvedené v mm) Po použití frézy Seco byl snížen počet VBD použitých na výrobu jednoho kusu na 6 VBD Seco a protože při hrubování vybrání lepší výsledky dosahovaly VBD Stellram, tak ještě 12 destiček Stellram. Výchozí stav Počet VBD Stellram = 26 kusů = 6 500 Kč Stav po úpravě VBD Seco = 6 kusů = 1680 Kč + 12 ks VBD Stellram (3 000 Kč) = 4 680 Kč Hrubování pomocí nekonvenční technologie obrábění Poslední úpravou je změna technologie hrubování. To by bylo uskutečněno pomocí vodního paprsku, laseru, nebo pomocí plazmy. Po vyhrubování těmito metodami by ještě následovalo dohrubování frézováním a dokončení tvaru. V tabulce 5 jsou uvedeny náklady na jednotlivé použité technologie. Současný stav 1. varianta 2. varianta 3. varianta Hrubování Dohrubování Laser Plazma Vodní paprsek VBD 19 hod 3 hod 18 620,- 2 940,- 24 2 hod 1 980,- 3 523,- 12 2,5 hod 2 450,- 6 500,- 16 1 hod 980,- 11 100,- 4 Tab. 5 Ekonomické zhodnocení hrubování nekonvenčními technologiemi Σ 22 hod 26 420,- 2 hod 8 683,- 2,5 hod 13 190,- 1 hod 13 120,- Použití laseru nebo plazmy sebou přináší nebezpečí v podobě vysokého zpevnění povrchové zóny obrobku. U vodního paprsku se toto negativní ovlivnění neobjevuje, takže se tato metoda jeví jako nejlepší. Materiál odebraný aplikací této metody zůstane v celistvém stavu a to s sebou přináší další výhodu a to je možnost jeho dalšího využití ve výrobě.
ZÁVĚR Při řešení této diplomové práce bylo úkolem optimalizovat proces obrábění daného výrobku. Tohoto cíle lze dosáhnout různými způsoby. Jak bylo zjištěno, tak jako optimální se vzhledem k charakteru výrobku jeví použití jiné technologie hrubování než frézováním, konkrétně hrubováním vodním paprskem. Za zmínku stojí ale i ostatní možnosti zlepšení, tedy úprava drah nástrojů pro hrubování v použitém systému SurfCam, změna technologie upínání a v neposlední řadě také volba jiného nástroje pro časově nejnáročnější operace. Použití kombinace jednotlivých navržených možností (upínání, dráhy nástroje, jiný typ nástroje) by znamenalo ještě výraznější úbytek celkové ceny i času výroby. LITERATURA [1] Přikryl, Z.: Teorie obrábění. Praha: SNTL, 1982. [2] Mádl, J.: Optimalizace řezných podmínek v teorii obrábění. Praha: ČVUT, 1990. [3] Mádl, J., Kvasnička, I.: Optimalizace obráběcího procesu. Praha: ČVUT, 1998. [4] Katalog nástrojů firmy ATI Stellram GmbH: www.stellram.com [5] Katalog Quad extra SQ, firma MAG Centrum, s.r.o.: www.magcentrum.cz