plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN – ODDZIAà W POZNANIU
Vol. 30 nr 2
Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji
2010
JAN ĩUREK∗, TOMASZ KUBASIK∗∗
BADANIA EFEKTYWNOĝCI
PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH PROJEKTOWANYCH
Z ZASTOSOWANIEM PROGRAMÓW CAD/CAM
W artykule przedstawiono analizĊ ewolucji procesu technologicznego czĊĞci klasy sworzeĔ
w typowym przedsiĊbiorstwie branĪy lotniczej. Dokonano krótkiego przeglądu wybranych sposobów obliczeĔ efektywnoĞci procesów technologicznych. Porównano w sposób schematyczny dwa
warianty procesu technologicznego, co pozwoliáo na pokazanie róĪnicy pomiĊdzy konwencjonalnym wytwarzaniem wielostopniowym a zintegrowanym jednostopniowym wytwarzaniem wyrobów. Na przykáadzie okresu zwrotu gáównych kosztów inwestycyjnych wykazano opáacalnoĞü
wdroĪenia do produkcji obrabiarki wielozadaniowej i nowoczesnych narzĊdzi skrawających.
Przedstawiono gáówne stymulatory wdraĪania nowoczesnych systemów komputerowych wspomagających pracĊ technologa programisty w przedsiĊbiorstwach wytwórczych.
Sáowa kluczowe: proces technologiczny, efektywnoĞü, CAD, CAM
1. WPROWADZENIE
Podstawową czĊĞcią procesu produkcyjnego – związaną bezpoĞrednio z dziaáaniami mającymi na celu uzyskanie Īądanych ksztaátów, wymiarów i wáaĞciwoĞci
przedmiotu pracy lub ustalenie wzajemnego poáoĪenia czĊĞci lub zespoáów w wyrobie – jest proces technologiczny [4, 9]. Dzieli siĊ on na operacje, przy czym
moĪe w nim wystąpiü ich koncentracja lub róĪnicowanie. Koncentracja wystĊpuje
wówczas, gdy operacja zawiera duĪą liczbĊ zabiegów, a róĪnicowanie, gdy ulega
ona rozbiciu na operacje proste – jedno- lub co najwyĪej kilkuzabiegowe. W tradycyjnym projektowaniu od doĞwiadczenia technologa zaleĪy przebieg procesów
technologicznych oraz ich koszty. W procesach tych nie są zwykle wykorzystywane elementy i metody standaryzacji, co prowadzi do bardzo duĪej ich róĪnorodnoĞci. Zastosowanie przez technologa programistĊ systemów CAD/CAM
(Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) skraca czas przygoto∗
∗∗
Prof. dr hab. inĪ. – Instytut Technologii Mechanicznej Politechniki PoznaĔskiej.
Mgr inĪ. – Pratt & Whitney Kalisz.
174
J. ĩurek, T. Kubasik
wania procesu techologicznego, zwiĊksza efektywnoĞü oraz zmniejsza ryzyko
popeánienia báĊdu przy opracowywaniu programu na obrabiarki sterowane numerycznie [11].
Na Ğwiecie dąĪy siĊ do wykonywania moĪliwie najwiĊkszej liczby powierzchni, a najlepiej caáej czĊĞci, na jednej obrabiarce wielozadaniowej. Obróbka kompletna, integracja technik wytwarzania i technika symulacyjna warunkują obecnie
rozwój kaĪdego przedsiĊbiorstwa. ZwiĊkszają one elastycznoĞü produkcji i wyraĨnie skracają áaĔcuchy wytwórcze, co przekáada siĊ na skrócenie czasu obróbki,
czyli na zwiĊkszenie efektywnoĞci procesu produkcyjnego [7].
EfektywnoĞü ekonomiczna przedsiĊbiorstwa (zwana równieĪ ekonomicznoĞcią, rodzajem sprawnoĞci dziaáania), definiowana np. jako rezultat dziaáalnoĞci
gospodarczej przedsiĊbiorstwa, gaáĊzi produkcji lub caáej gospodarki [3], okreĞla
relacjĊ uzyskanych efektów do poniesionych nakáadów. Najdokáadniej efektywnoĞü procesu technologicznego E moĪna obliczyü za pomocą wskaĨnika ekonomicznej efektywnoĞci przedsiĊwziĊcia (1), opisanego dokáadnie w pracy [12]:
§1
·
¨¨ I + K ¸b + s
¹̧
E = ©T
,
P
(1)
gdzie: T – czas zwrotu nakáadów inwestycyjnych,
I – wielkoĞü nakáadów inwestycyjnych,
K – koszt robocizny,
s – roczna wartoĞü zuĪycia surowców, materiaáów, paliwa, energii itp.,
b – wspóáczynnik korygujący, wyraĪający wpáyw dáugoĞci okresu eksploatacji na efektywnoĞü inwestycji,
P – roczna wielkoĞü produkcji.
EfektywnoĞü procesu technologicznego zaleĪy bezpoĞrednio od sumy czasów
jednostkowych tj, sumy czasów przygotowawczo-zakoĔczeniowych tpz i nakáadów
inwestycyjnych. W celu porównania dwóch wariantów procesu technologicznego
wykazano róĪnicĊ w czasach ich wykonania oraz okres zwrotu gáównych kosztów
inwestycyjnych T0 przy okreĞlonym rocznym planie produkcyjnym i staáym koszcie roboczogodziny w przedsiĊbiorstwie. Do wyliczenia powyĪszego posáuĪyá
wzór, dokáadniej opisany w pracy [5]:
T0 =
I
,
(2)
Uk
gdzie: I – suma nakáadów poniesionych na realizacjĊ przedsiĊwziĊcia,
Uk – suma rocznych oszczĊdnoĞci.
Do oszacowania sumy oszczĊdnoĞci rocznych Uk wykorzystano wzór (3), przy
czym za ekonomiczną wielkoĞü serii produkcyjnej przyjĊto 50 czĊĞci:
Badania efektywnoĞci procesów technologicznych...
∆ ¦ t pz ·
§
¸¸ K r ,
U k = P¨¨ ∆ ¦ t j +
50 ¹
©
175
(3)
gdzie: ∆ ¦ t j – róĪnica sumy czasów jednostkowych dwóch wariantów procesu,
∆ ¦ t pz – róĪnica sumy czasów przygotowawczo-zakoĔczeniowych,
Kr – koszt jednej godziny roboczej na wydziale produkcyjnym,
P – roczna wielkoĞü produkcji.
2. EWOLUCJA PROCESU TECHNOLOGICZNEGO
Do badaĔ przyjĊto zaprojektowany kilkanaĞcie lat temu proces technologiczny
obróbki czĊĞci klasy sworzeĔ, wchodzącej w skáad przekáadni planetarnej silnika
turboĞmigáowego (rys. 1, 2). CzĊĞü byáa ksztaátowana
w wiĊkszoĞci na obrabiarkach konwencjonalnych o duĪym
stopniu róĪnicowania operacji (tabl. 1). Materiaá czĊĞci to
podwyĪszonej jakoĞci lotnicza stal niskostopowa z zawartoĞcią wĊgla 0,07 – 0,13% oraz duĪą zawartoĞcią chromu (1 –
1,4%) i niklu (3 – 3,5%), dodatkowo zawierająca mangan,
krzem, fosfor, molibden, bor, miedĨ, siarkĊ. Stal ta zazwyczaj
jest stosowana na czĊĞci nawĊglane wymagające duĪej miniRys. 1. Sworznie w
malnej twardoĞci rdzenia w wąskim zakresie i podlegające
koĔcowej fazie prosztywnym normom defektoskopii magnetycznej proszkowej.
cesu
ObrabialnoĞü materiaáu (wg AISI – American Iron and Steel
Fig. 1. Pins in final
phase of process
Institute) w stanie dostawy ksztaátuje siĊ na poziomie 50%
przy twardoĞci 24 HRC. Po ulepszaniu cieplnym obrabialnoĞü
spada do poziomu okoáo 25% przy twardoĞci rdzenia 35 – 42 HRC i twardoĞci
powierzchni nawĊglanej 60 – 67 HRC.
Na podstawie rys. 3 i tablicy 1 pierwszą wersjĊ procesu technologicznego
moĪna podzieliü na nastĊpujące fazy:
− ksztaátowanie zgrubne,
− nawĊglanie i wstĊpna obróbka cieplna,
− ksztaátowanie wykoĔczeniowe I (powierzchnie o wymiarach i warunkach tolerowanych powyĪej 0,1 mm oraz chropowatoĞci powierzchni Ra • 1,6 µm),
− miedziowanie i hartowanie,
− ksztaátowanie wykoĔczeniowe II (powierzchnie dokáadne, tj. wszystkie pozostaáe po ksztaátowaniu wykoĔczeniowym I z wyáączeniem bieĪni),
− pakiet operacji kontroli trawieniem, magnetycznej i mikroszlifowania bieĪni,
− operacje uzupeániające: cechowanie, mycie i kontrola ostateczna.
176
J. ĩurek, T. Kubasik
Cykl wykonania czĊĞci (tabl. 1 i rys. 3) na linii produkcyjnej sworzni wynosiá
40 dni, program produkcji 1200 sztuk rocznie, a áączne czasy tj = 197 min,
tpz = 790 min. W kooperacji z inną linią produkcyjną wiercono otwory, toczono
gwinty i frezowano kanaáki. CzĊĞü byáa wykonywana aĪ w 22 operacjach obróbki
skrawaniem. W związku z wdraĪaniem zasad Lean Manufacturing w zakáadzie
wymagaáo to wáaĞciwego balansowania obciąĪenia linii produkcyjnej.
Ekonomika przedsiĊbiorstwa oraz rosnące zamówienia klienta staáy siĊ gáównym motorem zwiĊkszenia efektywnoĞci produkcji. Podstawowym zaáoĪeniem
byáo skrócenie cyklu wykonania czĊĞci oraz zmniejszenie kosztu jej produkcji bez
pogorszenia jakoĞci i terminowoĞci dostaw.
Proces technologiczny sworznia po wdroĪeniu nowoczesnych rozwiązaĔ systemowych (zastosowano oprogramowanie CAD/CAM) i technicznych przedstawiono w tablicy 2.
Modernizacja procesu technologicznego (rys. 4) polegaáa na wykorzystaniu
w linii sworzni nowoczesnej obrabiarki wielozadaniowej Mori Seiki SL2500
(rys. 5), którą uzbrojono w najnowszej generacji narzĊdzia skrawające. Pozwoliáo to na zastosowanie duĪej prĊdkoĞci skrawania (HSC; wiĊcej informacji o
nowoczesnych narzĊdziach moĪna znaleĨü w literaturze [2, 10]). Caáa czĊĞü jest
obrabiana „na twardo”, co pozwoliáo znacząco uproĞciü proces technologiczny i
opracowaü programy na obrabiarki numeryczne z wykorzystaniem wdroĪonego
juĪ w przedsiĊbiorstwie oprogramowania CAD/CAM (Solid Edge i Edge CAM).
Zmieniono sposób podejĞcia do projektowania z szablonowego na dynamiczne
z zastosowaniem wizualizacji 3D i symulacji procesu obróbki.
Rys. 2. Szkic sworznia z naniesionymi wymiarami gáównymi
Fig. 2. Sketch of pin with marking main dimensions
Badania efektywnoĞci procesów technologicznych...
177
Tablica 1
Proces technologiczny sworznia przed modernizacją
Manufacturing process of pin before modernization of process
Nr
operacji
5
10
30–70
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120–160
165
170
175
180
185
190
195
200
205
210
215
220
225
230
235
240
245
250
255
Nazwa operacji
toczenie
toczenie
obróbka cieplno-chemiczna
toczenie
toczenie
docieranie fazek
szlifowanie CNC
frezowanie
Ğlusarska
wiercenie
wiercenie
Ğlusarska
obróbka galwaniczna i cieplna
docieranie fazek
szlifowanie CNC
szlifowanie
toczenie CNC
toczenie CNC
frezowanie CNC
frezowanie CNC
Ğlusarska
docieranie fazek
szlifowanie CNC
kontrola trawieniem
docieranie fazek
szlifowanie CNC
szlifowanie CNC
Ğlusarska
polerowanie
kontrola magnetyczna
cechowanie
kontrola
Nazwa i typ obrabiarki
tokarka rewolwerowa BRT-50
tokarka rewolwerowa BRT-50
–
tokarka rewolwerowa BRT-50
tokarka rewolwerowa BRT-50
wiertarka stoáowa WS-16
szlifierka do waáków HTG-52
frezarka pozioma FNC-25
stanowisko Ğlusarskie
wiertarka sáupowa WKS-32
wiertarka sáupowa WKS-32
stanowisko Ğlusarskie
–
wiertarka stoáowa WS-16
szlifierka do waáków HTG-52
szlifierka do otworów Voumard 5A
tokarka pociągowa TZC-63N4
tokarka pociągowa TUR-50SN
frezarka pionowa SN-V 800
frezarka pozioma FNC-25
stanowisko Ğlusarskie
wiertarka stoáowa WS-16
szlifierka do waáków HTG-52
stanowisko do badaĔ
wiertarka stoáowa WS-16
szlifierka do waáków HTG-52
szlifierka do waáków HTG-52
stanowisko Ğlusarskie
polerka 1000A
stanowisko do badaĔ
signomat S2
stanowisko do kontroli ostatecznej
Suma
tj
[min]
tpz
[min]
7,9
2,1
–
14,3
24,8
3,6
11,3
10
1,6
5,3
2,3
1
–
4,5
11,3
10,4
6,4
7
10,3
5,2
17,4
2,7
8
–
1,8
3,5
7,1
3,2
7
–
7
–
197
45
30
–
70
75
20
25
40
10
20
20
10
–
20
20
30
45
45
40
45
10
10
25
–
10
45
45
10
15
–
10
–
790
J. ĩurek, T. Kubasik
178
Operacja 5. Toczenie
Operacja 10. Toczenie
Operacja 80. Toczenie
Operacja 75. Toczenie
3
3
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
3
Operacja 180. Toczenie
3
Operacja 195. Frezowanie CNC
Operacja 220. Docieranie fazek
Operacja 185. Toczenie
Operacja 190. Frezowanie CNC
3
Operacja 205. Docieranie fazek
Operacja 225. Szlifowanie CNC
Operacja 210. Szlifowanie CNC
Operacja 230. Szlifowanie CNC
Operacja 240. Polerowanie
A
A
Przekrój A-A
Rys. 3. Szkic operacji ksztaátowania ubytkowego sworznia przed modernizacją procesu
Fig. 3. Draft operation of pin’s forming before modernization of process
Badania efektywnoĞci procesów technologicznych...
179
Tablica 2
Proces technologiczny sworznia – nowy wariant
Manufacturing process of pin – new version of process
Nr
operacji
5
10
30÷90
100
105
110
115
120
125
215
220
225
230
235
240
245
250
255
Nazwa operacji
toczenie
toczenie
obróbka cieplno-chemiczna
szlifowanie
toczenie CNC
frezowanie CNC
Ğlusarska
docieranie fazek
szlifowanie CNC
kontrola trawieniem
docieranie fazek
szlifowanie CNC
szlifowanie CNC
Ğlusarska
polerowanie
kontrola magnetyczna
cechowanie
kontrola
Nazwa i typ obrabiarki
tokarka rewolwerowa BRT-50
tokarka rewolwerowa BRT-50
–
szlifierka bezkáowa SASL-125
tokarka SL2500
frezarka pozioma FNC-25
stanowisko Ğlusarskie
wiertarka stoáowa WS-16
szlifierka do waáków HTG-52
stanowisko do badaĔ
wiertarka stoáowa WS-16
szlifierka do waáków HTG-52
szlifierka do waáków HTG-52
stanowisko Ğlusarskie
polerka 1000A
stanowisko do badaĔ
signomat S2
stanowisko do kontroli ostatecznej
Suma
tj
[min]
tpz
[min]
7,9
2,1
–
1,5
30
10
16
4,5
12
–
1,8
3,5
7,1
3,2
7
–
7
–
113,6
45
30
–
20
240
40
10
20
25
–
10
45
45
10
15
–
10
–
565
NarzĊdzia te pozwoliáy na wykonanie czĊĞci w krótszym o okoáo 30% czasie
bez pogorszenia jakoĞci i przy speánieniu wszystkich zaáoĪeĔ konstrukcyjnych
(porównanie czasów obróbki przedstawiono na rys. 6).
Okres zwrotu gáównych kosztów inwestycyjnych (T0 wedáug wzoru (2)), czyli
zakupu obrabiarki, jej uzbrojenia w narzĊdzia i oprzyrządowanie w stosunku do
moĪliwych oszczĊdnoĞci (tylko dla jednej czĊĞci, stanowiącej okoáo 11,9% obciąĪenia nowej obrabiarki przy pracy w systemie trzyzmianowym), wyniósá 6,2 roku
(przyjĊto staáy koszt jednej godziny jej pracy na linii produkcyjnej). Po maksymalnym obciąĪeniu stanowiska, czyli wdroĪeniu wiĊkszej liczby czĊĞci z linii
sworzni wedáug pokazanego schematu, okres zwrotu gáównych nakáadów inwestycyjnych T0 wyniósá niecaáe 9 miesiĊcy (w obliczeniach przyjĊto staáą róĪnicĊ
w wariantach procesów technologicznych oraz pominiĊto koszty np. dziaáu technologicznego jako bardzo maáe w porównaniu z kosztami obrabiarki i jej uzbrojenia). Uzyskanie okresu zwrotu gáównych kosztów inwestycyjnych w przedziale do
jednego roku jest bardzo dobrym wynikiem.
J. ĩurek, T. Kubasik
180
Operacja 5. Toczenie
Operacja 10. Toczenie
Operacja 105. Toczenie CNC
Operacja 100. Szlifowanie
3
3
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 240. Polerowanie
Operacja 230. Szlifowanie CNC
A
A
Przekrój A-A
Rys. 4. Szkic operacji ksztaátowania 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)
Badania efektywnoĞci procesów technologicznych...
Porównanie czasów tpz przed zmianą i po zmianie
procesu technologicznego
Porównanie czasów t j przed zmianą i po zmianie
procesu technologicznego
900
200
790
800
Czas tpz [min]
Czas tj [min]
250
197
150
113,6
100
181
700
565
600
500
400
300
200
50
100
0
0
Wariant procesu
Przed modernizacją
Wariant procesu
Po modernizacji
Przed modernizacją
Po modernizacji
Rys. 6. Porównanie czasów tj i tpz wersji procesu przed modernizacją (a) i po modernizacji (b)
Fig. 6. Comparison of times tj and tpz before (a) and after modernization version of process (b)
3. PODSUMOWANIE
PrzedsiĊbiorstwa produkcyjne są zmuszone do poszukiwania nowych sposobów zwiĊkszania wydajnoĞci produkcji i obniĪania jej kosztów. MoĪna to osiągnąü przez wprowadzanie coraz krótszych cykli rozwoju wyrobów i ich procesów
technologicznych, przez minimalizacjĊ stanów zapasów i sprawną logistykĊ oraz
przez zastosowanie efektywnych i innowacyjnych koncepcji realizacyjnych w produkcji [1]. Ciągáym wyzwaniem jest projektowanie optymalnego, tzn. zapewniającego minimalny koszt lub pracocháonnoĞü, procesu wytwarzania [13]. Rosnące
znaczenie obrabiarek, pozwalających zwiĊkszyü efektywnoĞü produkcji [6] przez
integracjĊ technik ksztaátowania wyrobów, przyczynia siĊ do przechodzenia
z konwencjonalnego wytwarzania wielostopniowego na zintegrowane wytwarzanie jednostopniowe [7].
Przytoczony w artykule przykáad produkcji, wdroĪonej w koĔcu ubiegáego roku, a obecnie dopracowanej w najmniejszych szczegóáach, obrazuje Ğwiatową
pogoĔ za zwiĊkszaniem szybkoĞci wytwarzania i elastycznoĞci produkcji, których
gáównym stymulatorem jest klient mający coraz wiĊksze wymagania (trudniejsze
do wykonania czĊĞci, lepsza jakoĞü, niĪsza cena). Badania dwóch wariantów procesu technologicznego potwierdziáy opáacalnoĞü inwestowania w nowoczesne
obrabiarki wielozadaniowe, narzĊdzia skrawające i komputerowe systemy inĪynierskie. Zysk widoczny jest nie tylko w skróconym czasie projektowania i wytwarzania wyrobu, ale równieĪ w wiĊkszej elastycznoĞci produkcji przedsiĊbiorstwa. WyĪej starano siĊ takĪe wykazaü, Īe korzystniejsze od stosowania alternatywnych obrabiarek jest planowanie procesu technologicznego uwzglĊdniające
zasady wyrównowaĪenia linii produkcyjnej.
182
J. ĩurek, T. Kubasik
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
Chlebus E., Techniki komputerowe CAx w inĪynierii produkcji, Warszawa, WNT 2000.
Cichosz P., NarzĊdzia skrawające, Warszawa, WNT 2006.
Cygan Z., EfektywnoĞü eksploatacji systemów technicznych, Warszawa, PWN 1990.
Feld M., Podstawy projektowania procesów technologicznych typowych czĊĞci maszyn,
Warszawa, WNT 2003.
Kosmol J., Automatyzacja obrabiarek i obróbki skrawaniem, Warszawa, WNT 2000.
OczoĞ K. E., Trendy rozwojowe obrabiarek produkcyjnych, Mechanik, 2003, 5–6, s. 269 – 275.
OczoĞ K. E., Wybrane aspekty racjonalnego doboru technik ksztaátowania wyrobów (gáównie ubytkowego), Mechanik, 2008, 5–6, s. 361 – 379.
Pająk E., Zaawansowane technologie wspóáczesnych systemów produkcyjnych, PoznaĔ,
Wydawnictwo Politechniki PoznaĔskiej 2000.
PN-83/M-01250 Techniczne przygotowanie produkcji. Terminologia.
Smith T. G., Cutting tool technology. Industrial Handbook, London, Springer 2008.
Weiss Z., Techniki komputerowe w przedsiĊbiorstwie, PoznaĔ, Wydawnictwo Politechniki
PoznaĔskiej 2002.
ĩurek J., Problematyka technologicznoĞci konstrukcji w budowie maszyn. Synteza teorii
i praktyki przemysáowej, PoznaĔ, Wydawnictwo Politechniki PoznaĔskiej 1989.
ĩurek J., Siecla R., Projektowanie optymalnego procesu wytwarzania, Zeszyty Naukowe
Politechniki PoznaĔskiej, Mechanika, 1990, nr 34.
Praca wpáynĊáa do Redakcji 26.01.2010
Recenzent: prof. dr hab. inĪ. 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