modularyzacja w projektowaniu procesów technologicznych

Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2012
MODULARYZACJA W PROJEKTOWANIU
PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH
Jerzy ŁUNARSKI, Stanisław TUPAJ
Organizacja produkcji większości współczesnych zakładów lotniczych opiera się na liniach produkcyjnych.
Istniejące już i wykorzystywane w produkcji procesy technologiczne wraz z wyposażeniem powinny być podstawą
dla technologa przy opracowaniu nowych procesów, które muszą mieć podobny lub zbliżony przebieg. Oznacza
to, że w zakładzie produkcyjnym powinien istnieć system,
który umożliwi poprawne, tzn. optymalne pod względem
kosztów, zaprojektowanie procesu technologicznego.
System powinien uwzględniać metody technologii typowej, grupowej, standaryzacji, unifikacji i modularyzacji
oraz zawierać niezbędne bazy danych, np. wyposażenia
technologicznego i in. W większości przypadków można zaobserwować, że organizacja produkcji zarówno wcześniejsza, jak i obecna opiera się na klasyfikacjach części, które można różnicować według różnych kryteriów.
Przeważnie [3] dzielą się one na klasy, podklasy, grupy
i typy. Przez pojęcie typu rozumiemy ogół elementów
jednej klasy, o podobnych cechach konstrukcyjno-technologicznych i o znacznym podobieństwie kształtów
i wymiarów, które można wykonać wg standardowego,
typowego procesu.
Występujące podobieństwa technologiczne w poszczególnych grupach części, a szczególnie podobieństwo w zakresie sposobów obróbki typowych powierzchni, powodują, że zastosowanie tu zasad modularyzacji
jest możliwe i opłacalne.
Modularyzacja jest w zasadzie rozszerzeniem zasad
normalizacji, mającej na celu ograniczenie różnorodności
do niezbędnego minimum. O ile jednak normalizacja jest
powszechnie akceptowana i w pełni dobrowolna, to jej
bardziej zaawansowane prace dotyczą typizacji i unifikacji produkcji i realizowane są w obrębie konkretnych organizacji w celu ograniczenia różnorodności i wydłużenia
serii produkcyjnych. Modularyzacja jest dalszym krokiem
w tym kierunku i tym bardziej skuteczna, im na wcześniejszym etapie projektowania zaczniemy korzystać
z możliwości, jakie ona daje. Polega ona na takim konstruowaniu wyrobów, aby można w nim było wyraźnie wyodrębnić pewne zintegrowane elementy tworzące pewną całość o konkretnym funkcjonalnym przeznaczeniu i charakteryzujące się znacznym stopniem autonomiczności
pod względem możliwości wykonania, zamontowania
i zdemontowania z wyrobu bez naruszania pozostałych
jego elementów oraz łatwą serwisowalnością w procesach jego użytkowania [5].
Podział produkowanych elementów
na grupy i typy
Produkcja lotnicza, w odróżnieniu od masowej produkcji wyrobów AGD, RTV i podobnych, jest produkcją
mało- i średnioseryjną, dlatego w tradycyjnej organizacji oddziałów produkcyjnych krajowej produkcji lotniczej
dominowało ustawienie maszyn (urządzeń technologicznych) według:
1. podobieństwa technologicznego (tj. istniały oddziały tokarek, frezarek, szlifierek, wiertarek, dłutownic,
ślusarnia itd.),
2. podobieństwa przedmiotowego (np. gniazdo kół zębatych stożkowych, kół zębatych walcowych, wałków, tarcz turbin, łopatek, aparatów kierujących, korpusów i in.).
Obecnie oba te sposoby ustawienia stanowisk roboczych coraz częściej zostają zastąpione przez ustawienie
w postaci autonomicznych linii produkcyjnych (lub komórek produkcyjnych) dedykowanych określonym rodzajom,
grupom (rodzinom) elementów. Linie te projektowane są
w sposób analogiczny jak linie do obróbki wielkoseryjnej
i masowej w przemyśle samochodowym celem organizacji produkcji przepływowej, tj. linia ma umożliwiać przepływ jednej sztuki, dla której jest obliczany odpowiedni
takt. Ten sposób organizacji produkcji nosi nazwę technologii przepływowej (TP) i jest dalszym rozwinięciem
idei typizacji [4]. Należy zaznaczyć, że zgodnie z obecnym sposobem podejścia do organizacji produkcji, linie
(komórki) produkcyjne nie są czymś stałym i niezmiennym, lecz ulegają okresowym modyfikacjom wskutek ich
doskonalenia, wprowadzania do nich nowych wyrobów
i dostosowywania do oczekiwań klientów i zmian na rynku.
W liniach takich system produkcyjny i proces technologiczny są ze sobą ściśle powiązane, przy czym przebieg realizacji procesu technologicznego w takim systemie powinien spełniać oczekiwania klienta oraz potrzeby
producenta.
Pierwszym krokiem (1), jaki należy wykonać
w celu uproszczenia projektowania technologii, jest
dokonanie podziału (typizacji) elementów, produkowanych w danej jednostce (linii, gnieździe), na grupy
i typy i na tej podstawie dokonanie typizacji procesów
technologicznych z wykorzystaniem możliwości, jakie
daje grupowanie operacji podobnych (obróbka grupowa
– OG. Cechy, które bierzemy pod uwagę przy podziale
(klasyfikacji) – to konfiguracja, wymiary, materiał, dokładność kształtowo-wymiarowa i jakość powierzchni [4]. Na
przykład obróbka korpusów wykonanych ze stopów magnezu powinna być wydzielona w odrębną linię, ale operacja wykonania uzębienia (wielowypustu) w tym korpu53
3/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu
sie może być kooperowana w linii kół zębatych (operacja
grupowa). Korpusy pomp zębatych, ze względu na małe
wymiary, będą wykonywane na odrębnej linii, a duże korpusy przekładni głównej na odrębnej linii. Możliwa jest
również stypizowana obróbka zgrubna elementów podobnych z uwagi na niską dokładność.
Podział na grupy jest czynnością trudną do realizacji
w praktyce, ponieważ liczbie grup (rodzin) części, zgodnie z zasadą technologii typowej, musi odpowiadać taka
sama liczba linii (komórek) produkcyjnych, może więc
zdarzyć się tak, że zabraknie maszyn, ponieważ do dyspozycji mamy ograniczoną ich liczbę. Inny przypadek to
taki, że części, które były wykonywane bez problemów,
przy dotychczasowym technologicznym ustawieniu maszyn (oddział tokarek, frezarek, szlifierek i in.), obecnie
nie dają się przypisać do żadnej istniejącej linii produkcyjnej. Problemy te rozwiązuje się, wykorzystując możliwości kooperacji zewnętrznej i wewnętrznej. Kooperacja zewnętrzna (z firmami) sprzyja specjalizacji i jest
zjawiskiem pożytecznym, natomiast niezaplanowana kooperacja wewnętrzna z innymi liniami (komórkami) produkcyjnymi zakłóca organizację pracy, wydłuża cykl produkcyjny, angażuje dodatkowy transport i wydłuża drogi
transportowe. Sytuację tę można poprawić, organizując
operacje grupowe w poszczególnych liniach typowych.
Oprzyrządowanie technologiczne w tych operacjach
winno zapewniać możliwości szybkiego ustalania, mocowania i obróbki podobnych powierzchni usytuowanych
w różnych typach części.
Krokiem kolejnym (2) jest sprawdzenie i porównanie przebiegów (marszrut) technologicznych
i ustalenie grup i typów obrabianych części przyporządkowanych poszczególnym liniom typowym oraz operacjom grupowym. Porównanie przebiegów wykonuje się
w postaci graficznej (tabeli) – co umożliwia wizualizację procesów, wyjawienie ich podobieństw i różnic oraz
pozwala poprawnie przyporządkować elementy do poszczególnych typów lub operacji grupowych. Sprawdza
się przy tym, czy do wykonania elementów używa się
tych samych maszyn i w takiej samej kolejności.
Krok trzeci (3) to wykonanie w poszczególnych typach i operacjach grupowych korekty lub modyfikacji elementów procesów technologicznych (operacji,
zabiegów), których potrzeba wynikła podczas realizacji
poprzedniego kroku (są to małe usprawnienia, a związane z tym bieżące koszty mieszczą się w budżecie linii),
tak aby przebiegi upodobnić do siebie.
Krok czwarty (4) to zaprojektowanie przedstawiciela grupy. Przedstawicielem grupy może być najbardziej złożony typowy element, który zawiera w sobie
wszystkie powierzchnie i procesy pozostałych elementów grupy. Gdy takiego elementu w grupie nie ma, jest
on projektowany w ten sposób, aby zawierał wszystkie
powierzchnie obrabiane rozpatrywanej grupy typowej.
Krok piąty (5) polega na projektowaniu typowego
procesu technologicznego dla przedstawiciela (rzeczywistego lub wirtualnego) grupy przy wykorzystaniu
narzędzi informatycznych wspomagających projektowa54
nie (AutoCAD, CATIA, Unigraphics). Na podstawie tego
procesu opracowuje się procesy pozostałych elementów, co jest czynnością stosunkowo mało pracochłonną,
gdyż pomija się zbędne operacje, a w pozostawianych
koryguje się parametry powierzchni, narzędzi i warunki
obróbki. Ważnym elementem tego etapu jest zaprojektowanie oprzyrządowania, które powinno odpowiadać zasadom grupowej technologii, tzn. zaprojektowane oprzyrządowanie winno umożliwiać łatwe i szybkie ustalanie
i mocowanie wszystkich elementów rozpatrywanego
typu.
Krok szósty (6) to utworzenie bazy typowych procesów technologicznych oraz operacji grupowych na
dysku sieciowym. Tworzenie bazy nie może ograniczyć
się tylko do samych technologii, ale musi obejmować
również bazę oprzyrządowania (uchwyty i przyrządy,
sprawdziany i narzędzia), bazę warunków obróbki (posuwy, prędkości, chłodzenie i in.) oraz bazę normatywnych
elementów czasów kalkulowanych.
Krok siódmy (7) polega na nadzorowaniu i doskonaleniu procesów technologicznych grupy pod kierunkiem upoważnionego menedżera tego procesu (obejmującego również dedykowaną linię produkcyjną).
Wykorzystanie zasad modularyzacji
przy projektowaniu procesu technologicznego
Koncepcję modularyzacji jako sposobu na uelastycznienie produkcji, obniżenie pracochłonności technologicznego przygotowania produkcji, zmniejszenie różnorodności środków technologicznych i poprawy poziomu
organizacji przedstawiono w pracach [1, 2]. Autor publikacji [1, 2] zauważył, że dowolna część (przedmiot obrabiany) przedstawia sobą zbiór modułów powierzchni
(MP), nomenklatura których ograniczona jest 26 nazwami ze zbioru trzech klas: bazowe, robocze i wiążące.
Moduł powierzchni (MP) reprezentuje sobą przylegające powierzchnie, za pomocą których przedmiot realizuje przewidziane funkcje użytkowe. Oceniając powyższą
koncepcję pod kątem wykorzystania jej przy projektowaniu procesów technologicznych, wydaje się celowe
stworzenie, na podstawie istniejących i sprawdzonych
w produkcji technologii, bazy modułów powierzchni i zestawów powierzchni oraz sposobów ich jednoczesnej obróbki. Jest to szczególnie istotne, gdy mamy do czynienia ze specyficznymi elementami charakterystycznymi
dla wyrobów lotniczych (elementy cienkościenne, trudno
obrabialne materiały, stopy magnezu czy tytanu wymagające specjalnych warunków obróbki, nadstopy niklu
(superalloy), konieczność technologicznego zapewnienia
wysokiej odporności na pękanie i zmęczenie). Baza ma
posłużyć technologowi do projektowania kolejnych procesów.
Kluczowym problemem będzie dokonanie podziału
i wyodrębnienie elementarnych fragmentów konstrukcji,
które następnie w formie zabiegów znajdą się w procesach technologicznych. Ten podział dla korpusów silników
i ich elementów składowych mógłby być następujący:
Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2012
––
––
––
––
powierzchnie płaskie,
powierzchnie walcowe zewnętrzne,
powierzchnie walcowe wewnętrzne,
powierzchnie (obrotowe) o zarysie krzywoliniowym
zewnętrzne,
–– powierzchnie (obrotowe) o zarysie krzywoliniowym
wewnętrzne,
–– głębokie otwory,
–– otwory o małych średnicach,
–– otwory w kołnierzach,
–– otwory w kołnierzach i nabach,
–– otwory gwintowe,
–– zewnętrzne zarysy kołnierzy (nieobrotowe),
–– zewnętrzne zarysy kształtowe (nieobrotowe).
Należy założyć, że opis ww. powierzchni i sposobów
ich obróbki będzie zawierał wszystkie parametry przedmiotu i procesu niezbędne dla technologa przy projektowaniu nowej technologii.
Blokowy charakter procesu technologicznego
jako element ułatwiający jego modularyzację
Procesy technologiczne mają strukturę blokową, na
przykład proces koła zębatego reduktora składa się
z następujących grup operacji (bloków): obróbki zgrubnej, ulepszania cieplnego, obróbki półwykańczającej
(w tym uzębień), obróbki cieplno-chemicznej, obróbki wykańczającej (w tym uzębień) oraz operacji oczyszczania
chemicznego i operacji kontrolnych; proces korpusu
spawanego w postaci blokowej przedstawia się następująco: kompletacja, operacje spawalnicze, operacje
kontrolne, obróbka mechaniczna, obróbka cieplna, kontrola, operacje wykańczające tokarskie, operacje wykańczające wiertarsko-frezarskie, operacje ślusarskie,
operacje kontrolne, operacje pokryć malarskich. W innych elementach lotniczych można zestawić inne bloki
obróbkowe. Uniwersalny podział na typowe bloki technologiczne mające zastosowanie przy wszelkiego rodzaju
częściach maszyn podane w [6] obejmuje następujące
bloki: przygotowawczy, zgrubny, obróbki cieplnej I (ulepszanie i starzenie), średnio dokładny I, cieplno-chemiczny (nawęglanie), średnio dokładny II (usuwanie warstw
nawęglonych z powierzchni chronionych), obróbki cieplnej II (hartowanie, ulepszanie), dokładny, obróbki cieplnej III (azotowanie, starzenie), wykończający, precyzyjny,
galwaniczny, gładkościowo-umacniający.
Podobieństwa technologiczne widoczne są w poszczególnych rodzinach części, natomiast w mniejszym
stopniu pomiędzy różnymi klasami części, jak na przykład w przedstawionych wyżej, ale tam również będą
występować podobieństwa poszczególnych operacji, na
przykład obróbka otworów, obróbka wielowypustów, obróbka uzębień, oczyszczania chemicznego lub strumieniowo-ściernego i inne realizowane w częściach przynależnych do różnych klas. Podobieństwo technologiczne
w zakresie oprzyrządowania i narzędzi dla różnych klas
części jest stosunkowo duże szczególnie w operacjach
grupowych. Wskazuje to na możliwości zastosowania
modularyzacji w procesach technologicznych, które
można stosunkowo łatwo wprowadzić w dedykowanych
liniach technologicznych obróbki typowych elementów
konstrukcji lotniczych. Kolejne działania projektowe powinny obejmować następujące etapy projektowania:
1. W procesach konstruowania części lotniczych sytuować zestawy powierzchni przylegających (moduły
konstrukcyjne) w taki sposób, aby można je było obrabiać jednocześnie zestawem narzędzi na wielowrzecionowych i wielonarzędziowych obrabiarkach.
2. W typowych procesach technologicznych wyodrębnić operacje lub ustawienia stanowiące zestaw zabiegów obrabiających wskazane powyżej zestawy
powierzchni (moduły technologiczne) w sposób jednoczesny lub wysoce wydajny.
3. Dla wskazanych modułów technologicznych opracować moduły warunków obróbki dla różnych materiałów obrabianych i różnych wymagań dokładnościowych (moduły warunków technologicznych).
4. Zestawić poszczególne moduły w odpowiednich
bazach danych i w procesach projektowania technologii dla różnorodnych elementów wykorzystywać
moduły zgromadzone w bazach danych, co powinno
znacznie uprościć procesy projektowania konkretnych procesów technologicznych.
Mankamentem powyższego podejścia jest różnorodność konstrukcyjna części obrabianych zlecanych przez
różnych producentów, którzy w swoich pracach projektowo-konstrukcyjnych kierują się różnymi kryteriami
i moduły konstrukcyjne mogą się znacznie różnić. W takim przypadku wskazane jest minimalizować objętość
modułów konstrukcyjnych do odrębnych powierzchni lub
dwóch powierzchni przylegających i dla takich modułów
zaprojektować moduły technologiczne.
Operacje ukierunkowane na obróbkę takich modułów konstrukcyjnych będą miały budowę modułową w takim sensie, jak to przedstawiono w pracy
[1]. Metody ich wykonania mogą więc być zapożyczane
z jednych procesów do drugich w szerokim zakresie, przy
czym należy zwracać uwagę na podobieństwa w zakresie obrabianego materiału. Ogólny schemat procesu technologicznego części
klasy „korpus” w zasadzie nie zmienił się na przestrzeni
ostatnich lat, jednak da się obecnie zauważyć zmniejszenie liczby operacji w procesie technologicznym na skutek ich łączenia w związku z coraz powszechniejszym
stosowaniem w produkcji obrabiarek CNC typu centrum
obróbcze (użycie pierwszych centrów obróbczych w krajowym przemyśle lotniczym przypada na przełom lat 60.
i 70. ub. wieku) oraz rozwój w zakresie ich konstrukcji, tj.
systemów sterowania oraz liczby sterowanych osi. Obecnie spotykamy centra obróbcze, gdzie połączono funkcje
frezarki, wiertarki i tokarki karuzelowej. To zjawisko koncentracji operacji, przedstawione powyżej, umożliwia jed55
3/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu
noczesną i wydajną obróbkę wielu powierzchni i szczególnie przemawia za stosowaniem zasady modularyzacji
w projektowaniu procesów technologicznych. W takiej
sytuacji następuje ograniczenie stosowalności i różnorodności w zakresie narzędzi obróbczych.
Zmiany, jakie następują w poszczególnych operacjach, wiążą się z powszechnym stosowaniem nowych
narzędzi oraz nowych konstrukcji obrabiarek, szczególnie takich rozwiązań, wynikiem których są większe prędkości obrotowe wrzeciona oraz posuwów, doprowadzenie
chłodziwa do strefy obróbki przez wrzeciono i narzędzie, zwiększenie funkcjonalności i pojemności magazynów
narzędzi, a także nowych rozwiązań w zakresie bazowania stołów obrabiarek (system paletowy).
Projektowanie procesu technologicznego rozpoczyna
się od stworzenia marszruty, tj. ustalenia liczby operacji, ich kolejności. Następnie technolog przystępuje do
zaprojektowania poszczególnych operacji, co przy blokowym charakterze procesu technologicznego sprzyja
w sposób naturalny zastosowaniu modularyzacji w jego
projektowaniu i obniża koszty technologicznego przygotowania produkcji oraz koszty samej produkcji.
Zakończenie
Obecnie podczas projektowania procesu technologicznego technolog wykorzystuje zwykle wcześniej
opracowane i sprawdzone w produkcji rozwiązania oraz
swoją wiedzę. Obróbka nadstopów niklu, stopów tytanu oraz innych trudno obrabialnych materiałów
nastręcza dość duże problemy w fazie uruchomienia
produkcji, szczególnie jeżeli są to elementy cienkościenne o wąskich tolerancjach i zaostrzonych
wymaganiach co do jakości warstwy wierzchniej.
Kluczowymi operacjami są tu operacje tokarskie i wiertarsko-frezarskie. Odpowiedni dobór prędkości skrawania, posuwów, głębokości warstwy zbieranej, rodzaju
narzędzia oraz dopracowanie oprzyrządowania, tak aby
uzyskać zadowalającą wydajność procesu, zabiera wiele czasu technologowi oraz generuje dodatkowe koszty.
Opracowanie modułów powierzchni poszczególnych
korpusów i innych złożonych elementów, a następnie
stworzenie ich bazy, która będzie zawierać wymagane
parametry obróbki, jakie technolog musi podać w operacji technologicznej, w dużym stopniu usprawni pracę
technologa. Zagadnienie tworzenia modułów, które zawierać będą racjonalne rozwiązania, należy rozszerzyć
na pozostałe procesy, m.in. obróbkę cieplną, procesy
spawania, lutowania, nitowania, umacniania i in.
LITERATURA
1. Базров
Б.
М.:
Модульная
технология
в машиностроении. Машиностроение, Москва
2001.
2. Bazrow B. M.: Koncepcja modułowego wytwarzania
w przemyśle budowy maszyn. Technologia i Automatyzacja Montażu nr 3/1999, str. 2-4.
3. Ивашенко И. А.: Проектироване технологических
процессов производства двигателей летательных аппаратов. Машиностроене, Москва 1981.
4. Фролов К. В. (Председатель ред. сов.):
Машиностроение – энциклопедия. Том 1-5,
Стандаризация и сертификация в машиностроении. Издательство Машиностроене-1,
Москва 2002.
5. Łunarski J.: Modularyzacja – ważne narzędzie konkurencyjności. Technologia i Automatyzacja Montażu
nr 2/2006, str. 2.
6. Łunarski J., Banaś G.: Technologia budowy maszyn,
cz. I. PRz., Rzeszów 1988.
_______________________
Prof. dr hab. inż. Jerzy Łunarski jest profesorem zwyczajnym Politechniki Rzeszowskiej oraz pracownikiem Instytutu Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego
w Warszawie. Mgr inż. Stanisław Tupaj jest pracownikiem WSK – PZL Rzeszów S.A.
ciąg dalszy ze str. 45
Monografia „Przekładnie falowe” przedstawia istotne, z punktu widzenia aplikacyjnego i naukowego, zagadnienia z zakresu modelowania, projektowania, badań
i technologii przekładni falowych, opracowane głównie na
podstawie wieloletnich badań autora.
Adresowana jest do pracowników naukowych, studentów starszych lat wydziałów mechanicznych oraz
56
inżynierów konstruktorów i technologów zatrudnionych
w przemyśle.
Książka formatu A4 zawiera 239 stron i jest dostępna
w sprzedaży wysyłkowej www.wydawnictwopw.pl Opracował: Jerzy Łunarski