BADANIA EFEKTYWNO CI PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH PROJEKTOWANYCH Z ZASTOSOWANIEM PROGRAMÓW CAD/CAM

Transkrypt

1 K O M I S J A B U D O W Y M A S Z Y N P A N O D D Z I A W P O Z N A N I U Vol. 30 nr 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2010 JAN UREK, TOMASZ KUBASIK BADANIA EFEKTYWNOCI PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH PROJEKTOWANYCH Z ZASTOSOWANIEM PROGRAMÓW CAD/CAM W artykule przedstawiono analiz ewolucji procesu technologicznego czci klasy sworze w typowym przedsibiorstwie brany lotniczej. Dokonano krótkiego przegldu wybranych sposobów oblicze efektywnoci procesów technologicznych. Porównano w sposób schematyczny dwa warianty procesu technologicznego, co pozwolio na pokazanie rónicy pomidzy konwencjonalnym wytwarzaniem wielostopniowym a zintegrowanym jednostopniowym wytwarzaniem wyrobów. Na przykadzie okresu zwrotu gównych kosztów inwestycyjnych wykazano opacalno wdroenia do produkcji obrabiarki wielozadaniowej i nowoczesnych narzdzi skrawajcych. Przedstawiono gówne stymulatory wdraania nowoczesnych systemów komputerowych wspomagajcych prac technologa programisty w przedsibiorstwach wytwórczych. Sowa kluczowe: proces technologiczny, efektywno, CAD, CAM 1. WPROWADZENIE Podstawow czci procesu produkcyjnego zwizan bezporednio z dzia- aniami majcymi na celu uzyskanie danych ksztatów, wymiarów i waciwoci przedmiotu pracy lub ustalenie wzajemnego pooenia czci lub zespoów w wyrobie jest proces technologiczny [4, 9]. Dzieli si on na operacje, przy czym moe w nim wystpi ich koncentracja lub rónicowanie. Koncentracja wystpuje wówczas, gdy operacja zawiera du liczb zabiegów, a rónicowanie, gdy ulega ona rozbiciu na operacje proste jedno- lub co najwyej kilkuzabiegowe. W tradycyjnym projektowaniu od dowiadczenia technologa zaley przebieg procesów technologicznych oraz ich koszty. W procesach tych nie s zwykle wykorzystywane elementy i metody standaryzacji, co prowadzi do bardzo duej ich rónorodnoci. Zastosowanie przez technologa programist systemów CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) skraca czas przygoto- Prof. dr hab. in. Instytut Technologii Mechanicznej Politechniki Poznaskiej. Mgr in. Pratt & Whitney Kalisz.

2 174 J. urek, T. Kubasik wania procesu techologicznego, zwiksza efektywno oraz zmniejsza ryzyko popenienia bdu przy opracowywaniu programu na obrabiarki sterowane numerycznie [11]. Na wiecie dy si do wykonywania moliwie najwikszej liczby powierzchni, a najlepiej caej czci, na jednej obrabiarce wielozadaniowej. Obróbka kompletna, integracja technik wytwarzania i technika symulacyjna warunkuj obecnie rozwój kadego przedsibiorstwa. Zwikszaj one elastyczno produkcji i wyranie skracaj acuchy wytwórcze, co przekada si na skrócenie czasu obróbki, czyli na zwikszenie efektywnoci procesu produkcyjnego [7]. Efektywno ekonomiczna przedsibiorstwa (zwana równie ekonomiczno- ci, rodzajem sprawnoci dziaania), definiowana np. jako rezultat dziaalnoci gospodarczej przedsibiorstwa, gazi produkcji lub caej gospodarki [3], okrela relacj uzyskanych efektów do poniesionych nakadów. Najdokadniej efektywno procesu technologicznego E mona obliczy za pomoc wskanika ekonomicznej efektywnoci przedsiwzicia (1), opisanego dokadnie w pracy [12]: 1 I + K b + s E = T, (1) P gdzie: T czas zwrotu nakadów inwestycyjnych, I wielko nakadów inwestycyjnych, K koszt robocizny, s roczna warto zuycia surowców, materiaów, paliwa, energii itp., b wspóczynnik korygujcy, wyraajcy wpyw dugoci okresu eksploatacji na efektywno inwestycji, P roczna wielko produkcji. Efektywno procesu technologicznego zaley bezporednio od sumy czasów jednostkowych t j, sumy czasów przygotowawczo-zakoczeniowych t pz i nakadów inwestycyjnych. W celu porównania dwóch wariantów procesu technologicznego wykazano rónic w czasach ich wykonania oraz okres zwrotu gównych kosztów inwestycyjnych T 0 przy okrelonym rocznym planie produkcyjnym i staym koszcie roboczogodziny w przedsibiorstwie. Do wyliczenia powyszego posuy wzór, dokadniej opisany w pracy [5]: I T 0 =, (2) gdzie: I suma nakadów poniesionych na realizacj przedsiwzicia, U k suma rocznych oszczdnoci. Do oszacowania sumy oszczdnoci rocznych U k wykorzystano wzór (3), przy czym za ekonomiczn wielko serii produkcyjnej przyjto 50 czci: U k

3 gdzie: Badania efektywnoci procesów technologicznych U k = P t j t + 50 pz Kr, (3) t j rónica sumy czasów jednostkowych dwóch wariantów procesu, t pz rónica sumy czasów przygotowawczo-zakoczeniowych, K r koszt jednej godziny roboczej na wydziale produkcyjnym, P roczna wielko produkcji. 2. EWOLUCJA PROCESU TECHNOLOGICZNEGO Do bada przyjto zaprojektowany kilkanacie lat temu proces technologiczny obróbki czci klasy sworze, wchodzcej w skad przekadni planetarnej silnika turbomigowego (rys. 1, 2). Cz bya ksztatowana w wikszoci na obrabiarkach konwencjonalnych o duym stopniu rónicowania operacji (tabl. 1). Materia czci to podwyszonej jakoci lotnicza stal niskostopowa z zawarto- ci wgla 0,07 0,13% oraz du zawartoci chromu (1 1,4%) i niklu (3 3,5%), dodatkowo zawierajca mangan, krzem, fosfor, molibden, bor, mied, siark. Stal ta zazwyczaj jest stosowana na czci nawglane wymagajce duej minimalnej twardoci rdzenia w wskim zakresie i podlegajce sztywnym normom defektoskopii magnetycznej proszkowej. Obrabialno materiau (wg AISI American Iron and Steel Institute) w stanie dostawy ksztatuje si na poziomie 50% przy twardoci 24 HRC. Po ulepszaniu cieplnym obrabialno Rys. 1. Sworznie w kocowej fazie procesu Fig. 1. Pins in final phase of process spada do poziomu okoo 25% przy twardoci rdzenia HRC i twardoci powierzchni nawglanej HRC. Na podstawie rys. 3 i tablicy 1 pierwsz wersj procesu technologicznego mona podzieli na nastpujce fazy: ksztatowanie zgrubne, nawglanie i wstpna obróbka cieplna, ksztatowanie wykoczeniowe I (powierzchnie o wymiarach i warunkach tolerowanych powyej 0,1 mm oraz chropowatoci powierzchni Ra 1,6 µm), miedziowanie i hartowanie, ksztatowanie wykoczeniowe II (powierzchnie dokadne, tj. wszystkie pozostae po ksztatowaniu wykoczeniowym I z wyczeniem bieni), pakiet operacji kontroli trawieniem, magnetycznej i mikroszlifowania bieni, operacje uzupeniajce: cechowanie, mycie i kontrola ostateczna.

4 176 J. urek, T. Kubasik Cykl wykonania czci (tabl. 1 i rys. 3) na linii produkcyjnej sworzni wynosi 40 dni, program produkcji 1200 sztuk rocznie, a czne czasy t j = 197 min, t pz = 790 min. W kooperacji z inn lini produkcyjn wiercono otwory, toczono gwinty i frezowano kanaki. Cz bya wykonywana a w 22 operacjach obróbki skrawaniem. W zwizku z wdraaniem zasad Lean Manufacturing w zakadzie wymagao to waciwego balansowania obcienia linii produkcyjnej. Ekonomika przedsibiorstwa oraz rosnce zamówienia klienta stay si gównym motorem zwikszenia efektywnoci produkcji. Podstawowym zaoeniem byo skrócenie cyklu wykonania czci oraz zmniejszenie kosztu jej produkcji bez pogorszenia jakoci i terminowoci dostaw. Proces technologiczny sworznia po wdroeniu nowoczesnych rozwiza systemowych (zastosowano oprogramowanie CAD/CAM) i technicznych przedstawiono w tablicy 2. Modernizacja procesu technologicznego (rys. 4) polegaa na wykorzystaniu w linii sworzni nowoczesnej obrabiarki wielozadaniowej Mori Seiki SL2500 (rys. 5), któr uzbrojono w najnowszej generacji narzdzia skrawajce. Pozwoli- o to na zastosowanie duej prdkoci skrawania (HSC; wicej informacji o nowoczesnych narzdziach mona znale w literaturze [2, 10]). Caa cz jest obrabiana na twardo, co pozwolio znaczco uproci proces technologiczny i opracowa programy na obrabiarki numeryczne z wykorzystaniem wdroonego ju w przedsibiorstwie oprogramowania CAD/CAM (Solid Edge i Edge CAM). Zmieniono sposób podejcia do projektowania z szablonowego na dynamiczne z zastosowaniem wizualizacji 3D i symulacji procesu obróbki. Rys. 2. Szkic sworznia z naniesionymi wymiarami gównymi Fig. 2. Sketch of pin with marking main dimensions

5 Badania efektywnoci procesów technologicznych Proces technologiczny sworznia przed modernizacj Manufacturing process of pin before modernization of process Tablica 1 Nr operacji Nazwa operacji Nazwa i typ obrabiarki t j [min] t pz [min] 5 toczenie tokarka rewolwerowa BRT-50 7, toczenie tokarka rewolwerowa BRT-50 2, obróbka cieplno-chemiczna 75 toczenie tokarka rewolwerowa BRT-50 14, toczenie tokarka rewolwerowa BRT-50 24, docieranie fazek wiertarka stoowa WS-16 3, szlifowanie CNC szlifierka do waków HTG-52 11, frezowanie frezarka pozioma FNC lusarska stanowisko lusarskie 1, wiercenie wiertarka supowa WKS-32 5, wiercenie wiertarka supowa WKS-32 2, lusarska stanowisko lusarskie obróbka galwaniczna i cieplna 165 docieranie fazek wiertarka stoowa WS-16 4, szlifowanie CNC szlifierka do waków HTG-52 11, szlifowanie szlifierka do otworów Voumard 5A 10, toczenie CNC tokarka pocigowa TZC-63N4 6, toczenie CNC tokarka pocigowa TUR-50SN frezowanie CNC frezarka pionowa SN-V , frezowanie CNC frezarka pozioma FNC-25 5, lusarska stanowisko lusarskie 17, docieranie fazek wiertarka stoowa WS-16 2, szlifowanie CNC szlifierka do waków HTG kontrola trawieniem stanowisko do bada 220 docieranie fazek wiertarka stoowa WS-16 1, szlifowanie CNC szlifierka do waków HTG-52 3, szlifowanie CNC szlifierka do waków HTG-52 7, lusarska stanowisko lusarskie 3, polerowanie polerka 1000A kontrola magnetyczna stanowisko do bada 250 cechowanie signomat S kontrola stanowisko do kontroli ostatecznej Suma

6 178 J. urek, T. Kubasik Operacja 5. Toczenie Operacja 10. Toczenie Operacja 75. Toczenie Operacja 80. Toczenie 3 Operacja 85. Docieranie fazek Operacja 90. Szlifowanie CNC Operacja 95. Frezowanie Operacja 105. Wiercenie Operacja 110. Wiercenie Operacja 165. Docieranie fazek Operacja 170. Szlifowanie CNC Operacja 175. Szlifowanie 3 Operacja 180. Toczenie Operacja 185. Toczenie Operacja 190. Frezowanie CNC 3 3 Operacja 195. Frezowanie CNC Operacja 205. Docieranie fazek Operacja 210. Szlifowanie CNC Operacja 220. Docieranie fazek Operacja 225. Szlifowanie CNC Operacja 230. Szlifowanie CNC Operacja 240. Polerowanie A A Przekrój A-A Rys. 3. Szkic operacji ksztatowania ubytkowego sworznia przed modernizacj procesu Fig. 3. Draft operation of pin s forming before modernization of process

7 Badania efektywnoci procesów technologicznych Proces technologiczny sworznia nowy wariant Manufacturing process of pin new version of process Tablica 2 Nr operacji Nazwa operacji Nazwa i typ obrabiarki t j [min] t pz [min] 5 toczenie tokarka rewolwerowa BRT-50 7, toczenie tokarka rewolwerowa BRT-50 2, obróbka cieplno-chemiczna 100 szlifowanie szlifierka bezkowa SASL-125 1, toczenie CNC tokarka SL frezowanie CNC frezarka pozioma FNC lusarska stanowisko lusarskie docieranie fazek wiertarka stoowa WS-16 4, szlifowanie CNC szlifierka do waków HTG kontrola trawieniem stanowisko do bada 220 docieranie fazek wiertarka stoowa WS-16 1, szlifowanie CNC szlifierka do waków HTG-52 3, szlifowanie CNC szlifierka do waków HTG-52 7, lusarska stanowisko lusarskie 3, polerowanie polerka 1000A kontrola magnetyczna stanowisko do bada 250 cechowanie signomat S kontrola stanowisko do kontroli ostatecznej Suma 113,6 565 Narzdzia te pozwoliy na wykonanie czci w krótszym o okoo 30% czasie bez pogorszenia jakoci i przy spenieniu wszystkich zaoe konstrukcyjnych (porównanie czasów obróbki przedstawiono na rys. 6). Okres zwrotu gównych kosztów inwestycyjnych (T 0 wedug wzoru (2)), czyli zakupu obrabiarki, jej uzbrojenia w narzdzia i oprzyrzdowanie w stosunku do moliwych oszczdnoci (tylko dla jednej czci, stanowicej okoo 11,9% obci- enia nowej obrabiarki przy pracy w systemie trzyzmianowym), wyniós 6,2 roku (przyjto stay koszt jednej godziny jej pracy na linii produkcyjnej). Po maksymalnym obcieniu stanowiska, czyli wdroeniu wikszej liczby czci z linii sworzni wedug pokazanego schematu, okres zwrotu gównych nakadów inwestycyjnych T 0 wyniós niecae 9 miesicy (w obliczeniach przyjto sta rónic w wariantach procesów technologicznych oraz pominito koszty np. dziau technologicznego jako bardzo mae w porównaniu z kosztami obrabiarki i jej uzbrojenia). Uzyskanie okresu zwrotu gównych kosztów inwestycyjnych w przedziale do jednego roku jest bardzo dobrym wynikiem.

8 180 J. urek, T. Kubasik Operacja 5. Toczenie Operacja 10. Toczenie Operacja 100. Szlifowanie 3 3 Operacja 105. Toczenie CNC 3 II zamocowanie Operacja 110. Frezowanie CNC I zamocowanie Operacja 120. Docieranie fazek Operacja 125. Szlifowanie CNC Operacja 220. Docieranie fazek Operacja 225. Szlifowanie CNC Operacja 230. Szlifowanie CNC Operacja 240. Polerowanie A A Przekrój A-A Rys. 4. Szkic operacji ksztatowania ubytkowego sworznia nowy wariant procesu Fig. 4. Draft operation of pin s forming new version of process a) b) Rys. 5. Widok obrabiarki Mori Seiki SL2500 (a) i jej przestrzeni roboczej (b) Fig. 5. View of machine tool Mori Seiki SL2500 (a) and working area (b)

9 Badania efektywnoci procesów technologicznych Porównanie czasów t j przed zmian i po zmianie procesu technologicznego Porównanie czasów t pz przed zmian i po zmianie procesu technologicznego Czast j [min] ,6 Wariant procesu Czas t pz [min] Wariant procesu Przed modernizacj Po modernizacji Przed modernizacj Po modernizacji Rys. 6. Porównanie czasów t j i t pz wersji procesu przed modernizacj (a) i po modernizacji (b) Fig. 6. Comparison of times t j and t pz before (a) and after modernization version of process (b) 3. PODSUMOWANIE Przedsibiorstwa produkcyjne s zmuszone do poszukiwania nowych sposobów zwikszania wydajnoci produkcji i obniania jej kosztów. Mona to osign przez wprowadzanie coraz krótszych cykli rozwoju wyrobów i ich procesów technologicznych, przez minimalizacj stanów zapasów i sprawn logistyk oraz przez zastosowanie efektywnych i innowacyjnych koncepcji realizacyjnych w produkcji [1]. Cigym wyzwaniem jest projektowanie optymalnego, tzn. zapewniajcego minimalny koszt lub pracochonno, procesu wytwarzania [13]. Rosnce znaczenie obrabiarek, pozwalajcych zwikszy efektywno produkcji [6] przez integracj technik ksztatowania wyrobów, przyczynia si do przechodzenia z konwencjonalnego wytwarzania wielostopniowego na zintegrowane wytwarzanie jednostopniowe [7]. Przytoczony w artykule przykad produkcji, wdroonej w kocu ubiegego roku, a obecnie dopracowanej w najmniejszych szczegóach, obrazuje wiatow pogo za zwikszaniem szybkoci wytwarzania i elastycznoci produkcji, których gównym stymulatorem jest klient majcy coraz wiksze wymagania (trudniejsze do wykonania czci, lepsza jako, nisza cena). Badania dwóch wariantów procesu technologicznego potwierdziy opacalno inwestowania w nowoczesne obrabiarki wielozadaniowe, narzdzia skrawajce i komputerowe systemy inynierskie. Zysk widoczny jest nie tylko w skróconym czasie projektowania i wytwarzania wyrobu, ale równie w wikszej elastycznoci produkcji przedsibiorstwa. Wyej starano si take wykaza, e korzystniejsze od stosowania alternatywnych obrabiarek jest planowanie procesu technologicznego uwzgldniajce zasady wyrównowaenia linii produkcyjnej.

10 182 J. urek, T. Kubasik LITERATURA [1] Chlebus E., Techniki komputerowe CAx w inynierii produkcji, Warszawa, WNT [2] Cichosz P., Narzdzia skrawajce, Warszawa, WNT [3] Cygan Z., Efektywno eksploatacji systemów technicznych, Warszawa, PWN [4] Feld M., Podstawy projektowania procesów technologicznych typowych czci maszyn, Warszawa, WNT [5] Kosmol J., Automatyzacja obrabiarek i obróbki skrawaniem, Warszawa, WNT [6] Oczo K. E., Trendy rozwojowe obrabiarek produkcyjnych, Mechanik, 2003, 5 6, s [7] Oczo K. E., Wybrane aspekty racjonalnego doboru technik ksztatowania wyrobów (gównie ubytkowego), Mechanik, 2008, 5 6, s [8] Pajk E., Zaawansowane technologie wspóczesnych systemów produkcyjnych, Pozna, Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej [9] PN-83/M Techniczne przygotowanie produkcji. Terminologia. [10] Smith T. G., Cutting tool technology. Industrial Handbook, London, Springer [11] Weiss Z., Techniki komputerowe w przedsibiorstwie, Pozna, Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej [12] urek J., Problematyka technologicznoci konstrukcji w budowie maszyn. Synteza teorii i praktyki przemysowej, Pozna, Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej [13] urek J., Siecla R., Projektowanie optymalnego procesu wytwarzania, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznaskiej, Mechanika, 1990, nr 34. Praca wpyna do Redakcji Recenzent: prof. dr hab. in. Jerzy Honczarenko RESEARCH OF EFFICIENCY OF MANUFACTURING PROCESSES DESIGN WITH APPLICATION OF CAD/CAM PROGRAMS S u m m a r y Evolution analysis of manufacturing process concerning part grading pins in typical aviation enterprise has been presented in the paper. Several selected methods of manufacturing efficiency calculations have been shown. The schematic comparison of two technological process variants has been presented. Such comparison enabled to show difference between conventional multistage production and the integrated single stage production. Basing on the example describing the investment main cost return, the profitability of implementation of the multitask machine tool as well as the modern cutting tools has been also presented. Main stimulators of implementation in manufacturing enterprises of modern computer systems supporting the human process planning, have been also described. Key words: manufacturing process, efficiency, CAD, CAM