KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 28 nr 1 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2008 WOJCIECH ŁYBACKI, KATARZYNA ZAWADZKA WSPOMAGANIE DIAGNOSTYKI WAD ODLEWÓW NARZĘDZIAMI ZARZĄDZANIA JAKOŚCIĄ Przedstawiono sposób analizy wad odlewów oparty na koncepcji ważonego diagramu Ishikawy. Znany diagram Ishikawy, po określeniu zbioru przyczyn głównych i zbioru podprzyczyn, uzupełniono o wagi cząstkowe. Przypisanie poszczególnym przyczynom i podprzyczynom wag pozwala wyodrębnić na wykresie Ishikawy przyczyny najistotniejsze i wyeliminować mniej ważne. Na konkretnym przykładzie przedstawiono metodykę analizy wad odlewów, ilustrując kolejne kroki odpowiednimi tabelami i rysunkami. Słowa kluczowe: wady odlewów, diagram Ishikawy 1. WPROWADZENIE Wadą odlewu według normy PN-85/H-83105 Odlewy Podział i terminologia wad jest zmiana kształtu, powierzchni, naruszenie ciągłości oraz nieprawidłowość struktury wewnętrznej. Duża różnorodność wad występujących w odlewach wynika z samej istoty technologii wytwarzania odlewów, składającej się z operacji technologicznych obejmujących zaprojektowanie i wykonanie formy odlewniczej oraz technologię wytapiania ciekłego metalu. Istotne znaczenie mają również kwalifikacje pracowników odlewni, charakter produkcji, wyposażenie techniczne odlewni itp. Analizując przyczyny występowania wad, należy uwzględnić tzw. wiedzę stałą o przyczynach ich występowania, sposobach zapobiegania im oraz informacje bieżące z procesu. Strukturę informacyjną systemu analizy wad odlewniczych ilustruje rys. 1 [4]. W literaturze przedmiotu wyróżnia się trzy rodzaje podejść do analizy wad [4]: gdy wystąpienie określonego typu wady zostało stwierdzone (rys. 2), gdy stwierdzenie przyczyny wymaga dodatkowych informacji (rys. 3), gdy została stwierdzona nieprawidłowość w trakcie procesu technologicznego (rys. 4). Dr inż. Mgr inż. Instytut Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej.
90 W. Łybacki, K. Zawadzka Rys. 1. System analizy wad odlewniczych Fig. 1. System of casting defects analysis Rys. 2. Warianty podejść do analizy wad Fig. 2. Alternative approach to casting defects analysis Rys. 3. Warianty podejść do analizy wad Fig. 3. Alternative approach to casting defects analysis Rys. 4. Warianty podejść do analizy wad Fig. 4. Alternative approach to casting defects analysis Złożoność przyczyn występowania wad w odlewach utrudnia ich diagnostykę. Trudności te ilustruje rys. 5, na którym przedstawiono, oparty na normie PN- -85/H-83105, schemat powiązań pomiędzy wybranymi wadami a przyczynami ich powstawania. Opisowy sposób charakteryzowania możliwych przyczyn powstawania wad nie ułatwia identyfikacji przyczyny bądź oddzielenia przyczyn głównych od drugorzędnych. Współczesna teoria i praktyka zarządzania jakością pozwala na zastosowanie bardziej efektywnych narzędzi do analizy wad odlewów [2, 3].
Wspomaganie diagnostyki wad odlewów 91 Rys. 5. Przyczyny powstawania wybranych wad odlewów Fig. 5. Reasons of some casting defects 2. ANALIZA PARETO-LORENZA I DIAGRAM ISHIKAWY W DIAGNOSTYCE WAD ODLEWÓW Spośród tzw. siedmiu podstawowych narzędzi zarządzania jakością na uwagę zasługują: diagram Pareto-Lorenza, oparty na empirycznie stwierdzonej prawidłowości, że 20 30% przyczyn decyduje o 70 60% skutków, oraz diagram przyczynowo- -skutkowy Ishikawy, przedstawiający graficznie powiązania między czynnikami wpływającymi na proces i skutkami, które one wywołują. Wykres Ishikawy umożliwia graficzną prezentację powiązań pomiędzy przyczynami danego problemu i ich hierarchię. Ze względu na swoją budowę i kształt diagram ten nazywany jest często schematem jodełkowym lub schematem rybiej ości. Diagram Ishikawy ma strukturę hierarchiczną: przyczyny główne znajdują się najbliżej rdzenia, natomiast przyczyny
92 W. Łybacki, K. Zawadzka pośrednie, bezpośrednio powiązane z przyczynami głównymi, stanowią ich rozwinięcie. Przy sporządzaniu wykresu obowiązuje zasada od ogółu do szczegółu, w myśl której w pierwszej kolejności określa się przyczyny główne, a następnie przyczyny pośrednie: drugiego rzędu, a jeśli zachodzi konieczność, to przyczyny kolejnych rzędów. Sposób sporządzania wykresu Ishikawy ilustruje rys. 6. Rys. 6. Schemat wykresu Ishikawy Fig. 6. Scheme of Ishikawa diagram W celu określenia przyczyn głównych stosuje się tzw. podejście 5M lub 6M+E, wskazujące następujące grupy czynników mających wpływ na proces: manpower czynnik ludzki, machine wykorzystanie maszyny, material wykorzystanie materiałów i tworzyw, method metoda wytwarzania, management kierowanie, zarządzanie, measurement sposób pomiaru, environment czynniki środowiskowe (otoczenia). Schemat wykresu Ishikawy opartego na zasadzie 6M+E pokazano na rys. 7. Rys. 7. Schemat wykresu Ishikawy w układzie 6M+E Fig.7. Scheme of Ishikawa diagram in 6M+E set
Wspomaganie diagnostyki wad odlewów 93 Klasyczny wykres Ishikawy ułatwia analizę procesu w układzie przyczyna skutek, nie zawiera jednak informacji o charakterze ilościowym. Autor pracy [2] zaproponował uzupełnienie wykresu o wagi poszczególnych przyczyn. Po określeniu zbioru przyczyn głównych oraz zbioru podprzyczyn dla każdej przyczyny głównej tok postępowania jest następujący: każdej przyczynie głównej i podprzyczynie przypisuje się odpowiednią wagę, określa się wartości bezwzględne wag podprzyczyn, uzupełnia się diagram Ishikawy o wagi cząstkowe. Wagi poszczególnych czynników sprawczych określa się, wykorzystując macierz porównań parami opartą na zasadzie: jeśli jeden z porównywalnych czynników uznaje się za ważniejszy, to przypisuje mu się ocenę 1; drugi element otrzymuje ocenę 0. Jeśli oba czynniki uważa się za równoważne, to otrzymują one ocenę 0,5. Dla zwiększenia precyzji skalę ocen można rozszerzyć, przyjmując np. liczby: 0; ; 0,50; 0,75; 1. 3. BADANIA WŁASNE Analizę wad odlewów na podstawie koncepcji ważonego wykresu Ishikawy przeprowadzono, wykorzystując wyniki zawarte w arkuszu kontrolnym wad odlewów. Dane pochodzące z tego arkusza zostały uporządkowane według masy wadliwych odlewów w kolejności malejącej i przedstawione w tablicy 1 [6]. W pozostałych kolumnach podano skumulowane wartości niezbędne do sporządzenia diagramu Pareto-Lorenza (rys. 8). 100 90 80 70 60 % 50 40 30 20 10 0 W-102 W-403 W-303 W-105 W-103 W-208 W-101 wady W-211 W-202 W-201 W-205 W-206 W-406 W-216 Rys. 8. Wykres Pareto-Lorenza dla 15 wad Fig. 8. Pareto-Lorentzo diagram for 15 casting defects
94 W. Łybacki, K. Zawadzka Zestawienie wad odlewów na podstawie arkusza kontrolnego Casting defects sheet Tablica 1 Nazwa wady Oznaczenie Masa wadliwych odlewów [kg] % Wartości skumulowane masa [kg] [%] Zaprószenie 16739,54 41,15 16739,54 41,15 Niedolew W-102 6818,72 16,76 23558,26 57,92 Jama skurczowa W-403 4646,20 11,42 28204,46 69,34 Naderwanie W-303 3945,01 9,70 32149,47 79,04 Przestawienie W-105 3698,30 9,09 35847,77 88,13 Zalewka W-103 1102,90 2,71 36950,67 90,84 Strup W-208 989,60 2,43 37940,27 93,28 Uszkodzenie mechaniczne W-101 908,35 2,23 38848,62 95,51 Wgniecenie W-211 866,90 2,13 39715,52 97,64 Pęcherz zewnętrzny W-202 534,00 1,31 40249,52 98,95 Chropowatość W-201 196,05 0,48 40445,57 99,44 Nakłucia W-205 185,30 0,46 40630,87 99,89 Obciągnięcia W-206 17,40 0,04 40648,27 99,94 Zapiaszczenie W-406 15,90 0,04 40664,17 99,97 Skóra słonia W-216 10,50 0,03 40674,67 100,00 Z diagramu Pareto-Lorenza wynika, że 70% masy odlewów wadliwych spowodowały trzy wady: (zaprószenia), W-102 (niedolewy) oraz W-403 (jama skurczowa). Pozostałe wady pojawiały się sporadycznie i nie miały istotnego wpływu na wskaźnik braków. Diagram macierzowy dla wad:, W-102 i W-403 Matrix diagram for casting defects:, W-102 i W-403 Tablica 2 Czynnik Σ n W-102 Σ n W-403 Σ n Człowiek 1 0 1 0,267 1 0,400 Maszyna 0,75 0,188 0,5 0,133 Materiał 0,75 0,188 1 0,267 0,5 0,200 Metoda 1 0 0,067 0,100 Kierowanie 0,5 0,125 1 0,267 0,75 0,300 SUMA 4 1 3,75 1 2,5 1 Wady, W-102, W-403 poddano analizie, opierając się na koncepcji ważonego wykresu Ishikawy. Wagi poszczególnych przyczyn głównych wyznaczono na podstawie macierzy porównań, według podejścia 5M (tabl. 2); pominięto wpływ otoczenia i pomiaru na występowanie tych wad. Znormalizowane wagi czynników głównych umieszczono na wykresie Ishikawy w kołowych polach. Górna część pola zawiera wagę względną odniesioną do danego czynnika, natomiast dolna wagę bezwzględną odniesioną do całej grupy. W przypadku czynników głównych obie wagi są równe. W podobny sposób, korzystając z ma-
Wspomaganie diagnostyki wad odlewów 95 cierzy porównań (rys. 9, 11 i 13), określono podprzyczyny drugiego rzędu. Obie wagi: względną i bezwzględną dla trzech rozpatrywanych wad umieszczono na diagramach Ishikawy (rys. 10, 12 i 14). Rys. 9. Diagramy macierzowe przyczyn występowania wady (zaprószenie) Fig. 9. Matrix diagrams for casting defect (sand holes)
96 W. Łybacki, K. Zawadzka a) Niewłaściwe wykończenie wnęki formy lub rdzenia 0,300 0,075 Nieostrożne wyjmowanie modelu z formy Niedostateczne odpowietrzenie lub oczyszczenie formy i rdzenia 0,200 0,05 0,200 0,05 0,100 0,025 Niezabezpieczenie otwartych nadlewów i wlewów przed zapiaszczeniem Zbite lub skrzywione sworznie ustalające 0,182 0,034 Brak staranności przy wykonywaniu rdzenia 0,200 0,05 Niejednolite zagęszczenie masy Nadmierne luzy w elementach ustalających skrzyń formierskich 0,182 0,34 Zbyt gwałtowny transport form i rdzeni 0,273 0,051 Zapiaszczenie wnęki formy przy składaniu 0,273 0,051 0,091 0,017 Człowiek 0.250 0.250 Maszyna 0.188 0.188 0.250 0.250 Metoda 0.188 0.188 Materiał 0.125 0.125 Kierowanie Brak lub zbyt małe luzy między rdzennikiem a gniazdem rdzennika Źle wykonane oprzyrządowanie modelowe Przypalenie formy lub rdzenia Nieostrożne wyjmowanie modelu z formy 0,158 0,04 0,105 0,026 0,053 0,013 0,158 0,04 0,158 0,04 0,158 0,04 0,105 0,026 0,105 0,026 Nieprawidłowe suszenie formy lub rdzenia Nieprawidłowa konstrukcja modelu lub rdzennicy Obluzowanie elementów ustalających położenie modelu względem płyty Obluzowanie elementów ustalających płyty 0,047 0,047 0,047 Zbyt niska wytrzymałość masy w stanie wilgotnym 0,047 Zbyt duża osypliwość masy Zbyt duża przepuszczalność masy Złe przyleganie lub łuszczenie się powłoki ochronnej formy 0,188 0,024 0,125 0,016 0,031 0,031 0,188 0,024 Narzucanie zbyt dużego tempa pracy Brak odpowiednich Instrukcji w miejscu ich użytkowania Nieprawidłowa konstrukcja układu wlewowego Brak odpowiedniej komunikacji między pracownikami lub brak przepływu informacji Brak odpowiedniego systemu motywacji Rys. 10. Ważony wykres Ishikawy dla wady zaprószenia () Fig. 10. Balanced Inhikawa s diagram for sand holes defect ()
Wspomaganie diagnostyki wad odlewów 97 Rys. 11. Diagramy macierzowe przyczyn występowania wady W-102 (niedolew) Fig. 11. Matrix diagrams for W-102 casting defect (misrun)
98 W. Łybacki, K. Zawadzka Rys. 12. Ważony wykres Ishikawy dla wady niedolew ( W-102) Fig. 12. Balanced Inhikawa s diagram for misrun defect (W-102)
Wspomaganie diagnostyki wad odlewów 99 Rys. 13. Diagramy macierzowe przyczyn występowania wady W-403 (jama skurczowa) Fig. 13. Matrix diagrams for W-403 casting defect (shrinkage cavity) Każdy z ważonych diagramów Ishikawy można poddać szczegółowej analizie i uzyskać ilościową informację o przyczynie występowania danej wady. Na przykład wagi oznaczone strzałką pionową na rys. 14 odnoszą się do podprzyczyny z grupy człowiek. Górna waga o wartości 0,231 jest wagą względną i oznacza, że podprzyczyna ta stanowi 23,1% skutków generowanych przez całą grupę człowiek. Z kolei odnosząc te 23,1% do wagi całej grupy, tj. 0,400, otrzymuje się wagę bezwzględną tej podprzyczyny wynoszącą 0,092, czyli 9,2%.
100 W. Łybacki, K. Zawadzka c) Konstrukcja odlewu uniemożliwiająca krzepnięcie kierunkowe Nieodpowiedni kształt, wielkość lub umiejscowienie nadlewu, powodujące niedostateczne zasilanie pewnych części odlewu 0,231 0,092 Rozmieszczenie i przekroje wlewów doprowadzających uniemożliwiające kierunkowe i równoczesne krzepnięcie Rozmieszczenie wlewów doprowadzających powodujące nadmierne miejscowe nagrzewanie się formy lub rdzenia 0,077 0,031 0,154 0,062 0,231 0,092 0,154 0,062 0,154 0,062 Występowanie węzłów cieplnych, niekorzystne ukształtowanie połączeń ścianek Ukształtowanie układu wlewowego powodujące niedostateczne ciśnienie metalostatyczne 1 0,200 Zbyt wysoka temperatura metalu przy zalewaniu do form Człowiek 0,400 0,400 Materiał 0,200 0,200 W-403 0,100 0,100 Metoda 0,300 0,300 Kierowanie Położenie formy podczas zalewania utrudniające krzepnięcie kierunkowe 1 0,100 Nieprawidłowa konstrukcja układu wlewowego, odlewu, modelu lub rdzennicy Brak odpowiedniego systemu motywacji Narzucanie zbyt dużego tempa pracy 0,188 0,056 0,075 0,075 0,125 0,038 0,188 0,056 Brak odpowiedniej komunikacji między pracownikami lub brak przepływu informacji Brak odpowiednich Instrukcji w miejscu ich użytkowania Rys. 14. Ważony wykres Ishikawy dla wady jama skurczowa (W-403) Fig. 14. Balanced Inhikawa s diagram for shrinkage cavity defect (W-403) 4. PODSUMOWANIE Przedstawiona propozycja zastosowania koncepcji ważonego diagramu Ishikawy do analizy wad odlewów może ułatwić interpretację przyczyn występowania wad. Przypisanie poszczególnym przyczynom i podprzyczynom wag pozwala wyodrębnić na wykresie Ishikawy przyczyny najistotniejsze i wyeliminować mniej ważne. Przyjęcie odpowiedniej skali ocen poszczególnych wad, uzależnione od wiedzy i doświadczenia technologów, pozwoli na podjęcie skutecznych działań ograniczających wpływ poszczególnych podprzyczyn na daną wadę.
Wspomaganie diagnostyki wad odlewów 101 LITERATURA [1] Gwiazda A., Koncepcja ważonego wykresu Ishikawy, Problemy Jakości, kwiecień 2005. [2] Hamrol A., Mantura W., Zarządzanie jakością. Teoria i praktyka, Warszawa Poznań, PWN 1996. [3] Kindlarski E., Kontrola i sterowanie jakością, Warszawa, Oficyna Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej 1991. [4] Kluska-Nawarecka S., Metody komputerowe wspomagania diagnostyki wad odlewów, Kraków, Wyd. Instytutu Odlewnictwa 1999. [5] PN-85/H-83105Odlewy podział i terminologia wad. [6] Szestak-Zawadzka K., Zastosowanie narzędzi zarządzania jakością do eliminacji wad odlewów, praca dyplomowa, Politechnika Poznańska 2007 (maszynopis). Praca wpłynęła do Redakcji: 1.04.2008 Recenzent: prof. dr hab. inż. Adam Hamrol ASSISTANCE OF CASTING DEFECTS DIAGNOSIN BY MEANS OF QUALITY MANAGEMENT TOOLS Summary The way of casting defects analysis based on the conception of Ishikawa balanced diagram has been presented. Attributing to respective reasons and sub reasons weights allows isolating on Ishikawa s diagram the most important reasons and eliminating the less important ones. By way of a concrete example methodology of casting defects diagnosis has been illustrated with tables and figures. Key words: casting defects, Ishikawa s diagram