Optimalizace obrábění vybraného dílce z oceli PH13 – 8Mo

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
[email protected]
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
Chemické
složení
C
Mn
Si
P
S
Cr
Ni
Mo
Al
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
Tab.1 Chemické složení oceli PH13 – 8Mo (Uvedené hodnoty jsou v %)
N
--0,010
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. Operace
3. Operace
Celkem
Upnutí
Hrubování
Dohrubování +
obrábění na čisto
Upnutí
Hrubování
Dohrubování +
obrábění na čisto
2 hod
2 hod
19 hod
1 960 Kč
1 960 Kč
18 620 Kč
17 hod
16 660 Kč
2 hod
9 hod
1 960 Kč
8 820 Kč
12 hod
11 760 Kč
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 7792VXD09WA032Z3R.
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
Výrobce
Obr. 17 VBD Seco
Opotřebení na čele
Opotřebení na hřbetu
Iscar
KB
1,479
KF
---
VC
1,149
VBB
---
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.
Hrubování
Současný stav
1. varianta
2. varianta
3. varianta
19 hod
18 620,-
Dohrubování
Laser
Plazma
Vodní
paprsek
VBD
3 hod
24
2 940,2 hod
3 523,12
1 980,2,5 hod
6 500,16
2 450,1 hod
11 100,4
980,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