14. PROJEKTOWANIE PRZEBIEGU OBRÓBKI — PROCES

TECHNOLOGICZNY

14.1. INFORMACJE PODSTAWOWE

W rozdz.1 zasygnalizowano już, że w trakcie przygotowywania każdego

wyrobu występują dwa podstawowe etapy: przygotowanie konstrukcyjne wyrobu
oraz przygotowanie technologiczne. W tym ostatnim przypadku określony zostaje
sposób wykonania zaprojektowanego wyrobu. Bardzo istotnym składnikiem przy-
gotowania technologicznego wyrobu jest opracowanie procesu technologicznego.
Jeżeli w trakcie tego procesu zmianie ulega kształt, własności, wygląd przedmiotu
obrabianego, to jest to proces technologiczny obróbki. Jeżeli w trakcie procesu
gotowa część otrzymuje określone położenie w mechanizmie — będzie to proces
technologiczny montażu. W przypadku jednego jak i drugiego procesu określony
zostanie przebieg obróbki ( a więc jak po kolei zmieniać się będzie przedmiot ob-
rabiany w trakcie trwania tego procesu) lub w jakiej kolejności montowane będą
poszczególne części tak aby otrzymać wyrób finalny. Prawidłowe zaprojektowanie
tych procesów to możliwość minimalizacji kosztów wytwarzania, a więc większa
konkurencyjność wyrobu na rynku. Na rys.14.1 przedstawiono poglądowy
(uproszczony) schemat przedstawiający na tle kształtowania wału stopniowego po-
szczególne elementy składowe ( strukturę) procesu technologicznego.

Proces technologiczny składa się z operacji technologicznych czyli za-

mkniętych części procesu technologicznego wykonywanych na określonym
przedmiocie przez jednego pracownika na jednym stanowisku pracy. W operacji
wyróżnić można zabiegi— czyli jednostki kalkulacyjne czasu obróbki i dalej
przejścia charakteryzujące w ilu warstwach skrawany jest naddatek na obróbkę. W
danej operacji występować mogą różne zamocowania, charakteryzujące położenie
przedmiotu w stosunku do narzędzia. W uproszczeniu ilustruje to rys.14.1.

14. Projektowanie przebiegu obróbki- proces technologiczny

141

∅d1 + naddatek na obróbkę

∅d1

l1

l2

l3

∅d2

∅d3

l1

l2

l3

∅d2+ naddatek

l1

l2

l3

∅d3

∅d2

∅d1
+

naddatek

na szlif.

Uproszczony rysunek gotowej
części

Operacja 10 : Cięcie materiału

Operacja 20: Toczenie zgrubne

3 przejścia

Operacja 30 : Toczenie kształtujące

Zabieg : toczenie

∅d2

Zabieg : toczenie

∅d3

Zmiana zamocowania

Operacja 40: Szlifowanie

Rys.14.1. Uproszczony schemat poglądowy
przykładowego procesu technologicznego

14. Projektowanie przebiegu obróbki- proces technologiczny

142

Opracowanie procesu technologicznego wymaga przygotowania informacji wstęp-
nych tzw. danych wejściowych do projektowania procesu technologicznego. Sta-
nowią je:
• Rysunek konstrukcyjny, na który naniesiono wszystkie informacje geome-

tryczne, a także inne informacje (dotyczące przykładowo końcowego stanu
powierzchni przedmiotu) niezbędne do opracowania struktury procesu tech-
nologicznego,

• Informacje dotyczące programu produkcji, a więc ilości sztuk części które

należy wytworzyć; jeżeli ilość części jest niewielka (produkcja jednostkowa i
małoseryjna) stosujemy obrabiarki elastyczne, łatwo przezbrajalne zmierzając
raczej w kierunku zmniejszenia ilości operacji (koncentracja operacji); w przy-
padku produkcji wielkoseryjnej lub masowej celowe jest zastosowanie obra-
biarek specjalizowanych , droższych lecz umożliwiających wysokowydajną
obróbkę ,

• Dane o parku obrabiarkowym; posiadanie tej informacji jest konieczne, gdyż

wiedząc jakimi obrabiarkami dysponujemy przygotowujemy proces technolo-
giczny pod konkretne posiadane obrabiarki a nie pod takie którymi nie dyspo-
nujemy, chociaż rozważając problematykę uruchomienia produkcji nowego
wyrobu należy rozważać ewentualną celowość zakupu obrabiarek lub tez ko-
rzystanie z usług kooperacyjnych w zakresie jakiś operacji procesu technolo-
gicznego,

• Dane dotyczące surówek czyli materiałów wyjściowych po przejściu proce-

sów technologicznych przygotowawczych (np. odlewy, odkuwki, wytłoczki
itd.); dobór surówki decyduje o projektowanym procesie technologicznym a w
zasadzie o konieczności realizacji niektórych jego operacji technologicznych.

Projektowanie procesu technologicznego odbywa się według schematu przedsta-
wionego na rys.14.2.
Etapy obróbkowe są „niezmiennikiem” procesu technologicznego — nie można
zmieniać ich kolejności. Nie znaczy to, że w procesie technologicznym muszą wy-
stępować wszystkie etapy obróbkowe. Przykładowo dobranie bardzo dokładnej su-
rówki eliminuje etap obróbki zgrubnej, natomiast brak wymagań związanych z du-
żą dokładnością może eliminować etap obróbki wykańczającej i bardzo dokładnej,
tak że cały proces technologiczny stanowić będą jedynie operacje obróbki kształ-
tującej. Kolejność operacji technologicznych w poszczególnych etapach obróbko-
wych nie jest w zasadzie ograniczona. Może ona być dostosowana do rodzaju
urządzeń technologicznych, ich położenia na terenie firmy i od innych czynników
których uwzględnienie rzutować może na efektywność projektowanego procesu
technologicznego.

Przebieg procesu technologicznego opracowuje się w formie dokumentacji

technologicznej. Dokumentacja to obejmuje już ostatecznie opracowany proces
technologiczny i zawierać musi informacje i zalecenia niezbędne do fizycznej re-
alizacji procesu technologicznego. Zalecenia zawarte w dokumentacji przekazane
pracownikom bezpośrednio produkcyjnym, winny umożliwić produkcję wyrobu o
wymaganej jakości i możliwie największej wydajności, przy jednoczesnym za-

14. Projektowanie przebiegu obróbki- proces technologiczny

143

chowaniu minimalizacji kosztów wytworzenia. W skład dokumentacji technolo-
gicznej wchodzą przede wszystkim:
• Karta technologiczna przedstawiająca cały przebieg obróbki od materiału wyj-

ściowego do gotowej części,

• Karta instrukcyjna — jest to szczegółowe opracowanie dotyczące poszczegól-

nych operacji procesu technologicznego, zawiera obok szczegółowego opisu
(najczęściej ze szkicem) obróbki także zalecenia dotyczące doboru parametrów
obróbki, stosowanych narzędzi, sposobu mocowania przedmiotu i inne infor-
macje pozwalające pracownikowi bezproblemowo i dobrze wykonać daną ope-
rację technologiczną,

• Ewentualnie instrukcja uzbrojenia obrabiarki sporządzana tylko dla niektórych

typów obrabiarek (np. uzbrojenie głowicy rewolwerowej na tokarce rewolwe-
rowej)

Rys.14.2. Etapy obróbkowe procesu technologicznego

Przykładowe

sposoby obróbki

Montaż

części

Wykonanie półwyrobu

Obróbka

cieplna

Wykonanie

części

Obróbka zgrubna

IT 9-14

R

a

=10-40

µm

TAK

NIE

Obróbka

kształtująca

IT 6 – 8

R

a

=2,5-5,0

µm

TAK

NIE

Obróbka wykań-

czająca

IT 3 -5

R

a

= 0,16 –1,25

µm

TAK

NIE

Obróbka

bardzo dokładna

IT 1-3

R

a

< 0,16

µm

TAK

NIE

TAK

NIE

TAK

NIE

‰

toczenie

‰

frezowanie

‰

struganie

‰

szlifowanie

‰

cięcie

‰

toczenie

‰

frezowanie

‰

struganie

‰

szlifowanie
HEDG

‰

wiercenie

‰

erozja

‰

obróbka HSM

‰

obróbka
ścierna

‰

erozja

Obróbka

cieplna

14. Projektowanie przebiegu obróbki- proces technologiczny

144

Szczególnie dwie pierwsze karty stanowią podstawę dokumentacji, chociaż

w niektórych przypadkach dokumentację technologiczną stanowić może jedynie
karta technologiczna. Należy zwrócić uwagę, że z jednej strony dokładne opraco-
wanie technologii, rozpatrywanie wariantów procesu technologicznego i symulacja
jego efektów powoduje zmniejszenie kosztów produkcji, lecz z drugiej strony zbyt
szczegółowe opracowanie dokumentacji odsuwa w czasie produkcję wyrobu.
Trudno tutaj jednoznacznie wyrokować o stopniu szczegółowości dokumentacji
technologicznej, warto jednak pamiętać że błędy popełnione w trakcie jej przygo-
towania zwielokrotniają koszty produkcji.

14.2. OPTYMALIZACJA PARAMETRÓW OBRÓBKI

Obróbka realizowana jest w określonych warunkach, które zależą głównie

od rodzaju materiału obrabianego określanego przez skrawalność

22

, stosowanego

narzędzia oraz efektów jakie oczekujemy po tej obróbce. O ile rodzaj materiału
obrabianego narzucony jest przez konstruktora, to zarówno zastosowane narzędzia
jak i parametry które dawać mają pożądany efekt obróbki, zależą od technologa.
Efekty tych ustaleń znajdują odzwierciedlenie w postaci zapisów na kartach in-
strukcyjnych obróbki.

W ramach doboru parametrów obróbki wyznacza się :

• naddatki na obróbkę,
• parametry skrawania a przede wszystkim prędkość skrawania, prędkość po-

suwu oraz głębokość skrawania.

Naddatkiem na obróbkę (całkowitym) nazywa się warstwę materiału, która powin-
na być usunięta z surówki dla otrzymania gotowej części. Naddatek całkowity
usuwany jest sukcesywnie w poszczególnych operacjach procesu technologiczne-
go. Stąd usuwany w danej operacji nazywany jest naddatkiem operacyjnym. Wła-
ściwy dobór naddatku jest zagadnieniem niezwykle ważnym gdyż:
• zbyt mała wartość naddatku sprzyja co prawda minimalizacji zużycia materia-

łu, obniżeniu kosztów obróbki (mniej przejść narzędzia), jednakże może nie
spowodować eliminacji błędów występujących w trakcie obróbki oraz błędów
przedmiotu będących wynikiem obróbki poprzedzającej; można więc nie uzy-
skać wymaganej dokładności przedmiotu,

• zbyt duży naddatek, to nadmierne zużycie materiału, wydłużony czas obróbki,

dodatkowe zużycie narzędzi skrawających itd.

Doboru naddatków dokonuje się w oparciu o tablicowe normatywy naddatków za-
mieszczone w różnych publikacjach (np. [3]) lub indywidualnie dla danego proce-
su technologicznego. W pierwszym przypadku jest to czynność szybka lecz należy
sobie zdawać sprawę, że tak wyznaczone naddatki stanowią one pewne uogólnie-
nie doświadczeń różnych jednostek związanych z obróbką określonych części. In-
dywidualne określenie naddatków dla danego procesu technologicznego jest proce-
sem dłuższym i kosztowniejszym, lecz niekiedy może mieć on swoje uzasadnienie

22

Skrawalnością (obrabialnością) nazywa się podatność materiału na zmianę objętości lub

chropowatości jego powierzchni w jednostce czasu.

14. Projektowanie przebiegu obróbki- proces technologiczny

145

ekonomiczne.

Podobnie dobiera się parametry skrawania. Najczęściej przy pomocy tablic

i nomogramów opracowanych przez instytucje naukowo —badawcze a także przez
producentów narzędzi skrawających. Te ostatnie dotyczą zazwyczaj systemu na-
rzędziowego danego producenta i mogą różnić się od parametrów zalecanych dla
tej samej obróbki przez innego producenta. Dobór parametrów skrawania na pod-
stawie normatywów jest (podobnie jak przy doborze naddatków) szybki i wygodny
lecz w większości przypadków nie są to parametry optymalne. Zmierzając do
optymalizacji parametrów obróbki (co stwarza warunki do minimalizacji kosztów
obróbki) często w fazie przygotowania produkcji prowadzi się symulację efektów
obróbki i stosuje różne procedury optymalizacyjne. Sprzyja temu rozwój techniki
komputerowej.
Jako przykład procedury optymalizacyjnej parametrów skrawania można przed-
stawić programowanie liniowe. Stosowane jest ono w różnych obszarach techniki,
stąd w literaturze znaleźć można dużą ilość informacji związanych z algorytmem
postępowania w przypadku programowania liniowego. Jednakże warunkiem zasto-
sowania procedury optymalizacyjnej jest znajomość relacji między parametrami
obróbki a wskaźnikami charakteryzującymi efekty techniczno—ekonomiczne ob-
róbki ( potocznie mówi się o znajomości modeli matematycznych). Na rys.14.3
przedstawiono uproszczony i uogólniony przykład wyznaczania optymalnych
wartości prędkości skrawania i prędkości posuwu przy założeniu stałej głębokości
skrawania a

p

= 1mm. Kryterium optymalizacji jest wydajność obróbki Q, natomiast

warunkami ograniczającymi dopuszczalna chropowatość powierzchni po obróbce
R

t max

i minimalny okres trwałości narzędzia T

min

. Ponadto istnieje ograniczenie

górne (max) oraz dolne (min) dla wartości posuwu na obrót f i prędkości skrawania

v.

Rys.14.3. Optymalizacja parametrów skrawania przy pomocy programowania liniowego.

Funkcja kryterium : wydajność obróbki

⇒

max.: głęb. skraw.a

p

= 1 mm

v

f

v

f

a

Q

p

⋅

=

⋅

⋅

=

po logarytmowaniu

v

f

Q

ln

ln

ln

+

=

1 warunek ograniczający T > T

min

z

y

f

v

C

T

⋅

=

po logarytmowaniu

f

z

v

y

C

T

ln

ln

ln

ln

⋅

−

⋅

−

=

2 warunek ograniczający R

t

< R

t,max

q

t

f

C

R

⋅

=

1

po logarytmowaniu

f

f

C

R

t

ln

ln

ln

1

⋅

+

=

3 i 4 warunek ograniczający dotyczy możliwych
do uzyskania na obrabiarce maksymalnych i
minimalnych wartości v oraz f

Warunek ograniczający 2

ln v

ln f

f

min

f

max

v

min

v

max

Warunek ograniczający 1

Obszar roz-
wiązań
dopuszczal-
nych

Wydajność maksymalna

Wydajność minimalna

Optymalna wartość posuwu

Optymalna
wartość
prędkości
skrawania

Punkt warunków
optymalnych

14. Projektowanie przebiegu obróbki- proces technologiczny

146

Warunkiem stosowania programowania liniowego jest opis kryterium optymaliza-
cji i warunków ograniczających zależnościami liniowymi. Ponieważ modele opi-
sujące warunki ograniczające są funkcjami wykładniczymi, dokonano logarytmo-
wania, wprowadzając na osiach wykresu programowania liniowego także logaryt-
my wartości parametrów skrawania. Ciągłymi liniami naniesiono na ten wykres
wszystkie warunki ograniczające (opisane w tablicy obok wykresu). Tym samym
określono obszar rozwiązań dopuszczalnych (ograniczony grubymi liniami cią-
głymi). Każdy zestaw parametrów z tego obszaru spełnia warunki ograniczające,
ale tylko jeden z zestawów jest optymalny z punktu widzenia kryterium wydajno-
ści obróbki. Kryterium to naniesione zostało na wykres (gruba linia przerywana).
Przesuwając równolegle w granicach obszaru rozwiązań dopuszczalnych linię ob-
razującą funkcję kryterium, osiągamy punkt optymalny ( dalsze przesuwanie funk-
cji kryterium spowoduje wyjście poza obszar rozwiązań dopuszczalnych). Współ-
rzędne tego punktu określają optymalne parametry skrawania. Metoda graficzna
rozwiązywania zagadnień programowania liniowego ( opisana powyżej) jest przy-
datna w przypadku optymalizacji dwóch parametrów. Zastosowanie programowa-
nia liniowego dla większej liczby parametrów wymaga stosowania innych algo-
rytmów obliczeń szeroko opisanych w literaturze, bądź wykorzystania programu
Solver z powszechnie stosowanego arkusza kalkulacyjnego Excel.

14.3. DOKŁADNOŚĆ PROCESU TECHNOLOGICZNEGO I JEGO

KONTROLA

14.3.1. DOKŁADNOŚĆ PROCESU TECHNOLOGICZNEGO

Sposób wykonania części opisany w procesie technologicznym (rodzaj i ko-

lejność operacji oraz określone parametry obróbki) winien zapewnić jej wymaganą
dokładność przy możliwie najniższych kosztach wytwarzania. Problematyka
kosztów poruszona zostanie w pkt.14.5, natomiast pojęcia związane z dokładnością
przedmiotu obrabianego przedstawiono w rozdz.3. W niniejszym rozdziale zesta-
wiono czynniki procesu technologicznego, które oddziałują na dokładność wyko-
nania części, przy czym zaznaczyć należy że o niektórych wymienionych tutaj
czynnikach wspominano już w poprzednich rozdziałach skryptu.

Uzyskiwana dokładność poszczególnych części jest sumą cząstkowych od-

chyłek cząstkowych wynikających z:

•

Niedokładności wykonania obrabiarek i urządzeń technologicznych wyni-
kającej z faktu, że obrabiarki wykonane są z określoną dokładnością (przykła-
dowo dla tokarek i frezarek promieniowe bicie wrzeciona kształtuje się na po-
ziomie 0,01mm) która rzutuje na dokładność wykonania części; ponadto
uwzględnić należy zużycie eksploatacyjne obrabiarki, które również wpływa
na ostateczną dokładność wykonania części,

•

Niedokładności narzędzi, przy czym należy tu wziąć pod uwagę niedokład-
ność wykonania narzędzi do obróbki kształtowej lub erod, a także zużycie na-
rzędzi w procesie skrawania bądź erodowania, które znajduje odzwierciedlenie
na przedmiocie obrabianym,

14. Projektowanie przebiegu obróbki- proces technologiczny

147

•

Niedostatecznej sztywności układu o—p—n, która powoduje odkształcenie
układów obrabiarki i tym samym powstanie błędów na przedmiocie obrabia-
nym ( zagadnienie to przybliżono w rozdz.2),

•

Nagrzewania się układu o—p—n, problem ten jest szczególnie istotny dla
operacji technologicznych mających za zadanie uzyskanie dużych dokładności;
w takiej sytuacji odkształcenia cieplne obrabiarki, przedmiotu i narzędzia może
być na tyle duże, iż przekroczy dopuszczalne tolerancje wykonywanego wy-
miaru; wymogiem technicznym eksploatacji niektórych precyzyjnych obrabia-
rek jest zlokalizowanie ich w wydzielonych klimatyzowanych pomieszcze-
niach właśnie po to aby zapewnić stabilizację cieplną; inne obrabiarki posia-
dają już specjalne układy chłodzenia swoich zespołów i podzespołów (dotyczy
to głównie obrabiarek stosowanych w nanoobróbce, gdzie odkształcenia ciepl-
ne mogą być dużo wyższe niż tolerancja wymiaru),

•

Naprężenia wewnętrzne w przedmiocie obrabianym, które są wypadkową
technologii wykonania surówki jak i parametrów obróbki stosowanych w ope-
racjach poprzedzających,

•

Drgania powstające podczas procesu,

•

Dokładności ustawienia przedmiotu na obrabiarce.

Drgania powstające podczas obróbki przedmiotu wywołują zakłócenia w procesie,
powodując że teoretycznie określona chropowatość powierzchni po obróbce czy
też odchyłka okrągłości przedmiotu jest zakłócona. Z tego więc względu ich wy-
stępowanie w procesie obróbki jest niepożądane. Głównie można tu wspomnieć o
drganiach wymuszonych powstających w wyniku działania zewnętrznej siły
wzbudzającej, działającej niezależnie od ruchu drgającego. Przykładem są drgania
wymuszone przenoszone przez fundament obrabiarki, niewyrównoważenia narzę-
dzi itp. Przykłady te wskazują, że uzyskanie dużej dokładności obróbki to nie tylko
konstrukcja i charakterystyka samej obrabiarki lecz również jej posadowienie (za-
stosowanie tłumików drgań) jak i wyrównoważenie elementów wirujących. Drga-
nia wymuszone występują szczególnie wyraźnie, gdy będą wzbudzane w pobliżu
rezonansu, a więc wtedy kiedy częstotliwość drgań własnych układu obrabiarki jest
zbliżona do częstości działania siły wymuszającej. Takiego przypadku należy bez-
względnie unikać gdyż oprócz pogorszenia dokładności przedmiotu obrabianego
praca w takich warunkach można spowodować uszkodzenie obrabiarki. Różnicu-
jąc przedstawione wyżej częstotliwości oraz stosując tłumiki drgań spowodować
można, że amplituda drgań wymuszonych nie będzie w znacznym stopniu zakłócać
efektów obróbki. W przypadku obróbki znaczną rolę w kształtowaniu dokładności
przedmiotu odgrywają drgania samowzbudne. Są one wywołane również siłami
zewnętrznymi (tak jak przy drganiach wymuszonych), przy czym siły te wywołane
są nie przez źródła zewnętrzne (tak jak przy drganiach wymuszonych) lecz przez
sam proces. Powyższe ilustruje model przedstawiony na rys. 14.4.
Ruch taśmy na której znajduje się przedmiot do którego obu końców zamocowane
są sprężyny powoduje powstawanie jego drgań samowzbudnych. W przypadku za-
trzymania taśmy ruch drgający umieszczonego na niej przedmiotu zanika. Nierów-
ności powierzchni obrabianej (chropowatość powierzchni nie wynikająca bezpo-

14. Projektowanie przebiegu obróbki- proces technologiczny

148

średnio z odwzorowania kształtu ostrza narzędzia) są przede wszystkim wynikiem
oddziaływania drgań samowzbudnych. Dla technologa najbardziej interesującym
zagadnieniem jest określenie stabilnego obszaru obróbki, gdyż w takim przypadku
dokładność obróbki jest największa.

Dokładność ustawienia przedmiotu na obrabiarce
Jak przedstawiano to w poprzednich rozdziałach, część na której ma być przepro-
wadzona operacja obróbki musi być na obrabiarce ustawiona. Na ustawienie skła-
da się ustalenie (nadanie przedmiotowi ściśle określonego położenia w tych kie-
runkach, które mają wpływ na uzyskanie żądanych wymiarów) i zamocowanie.
Ustalenie przedmiotu decyduje o dokładności wykonania przedmiotu i może być
dokonywane:
• bezpośrednio na obrabiarce,
• według trasy czyli linii „narysowanej” na przedmiocie (patrz rozdz.12),
• w uchwytach obróbkowych.
Powierzchnie, linie lub punkty przedmiotu według których orientuje się część pod-
czas ustalania nazywa się bazami. Właściwy dobór baz pozwala na zwiększenie
dokładności wykonania przedmiotu. Z tego względu należy podczas ich wyboru
przestrzegać następujących zasad:
• za powierzchnie bazowe przyjmować te powierzchnie, których położenie jest

najbardziej dokładne i stałe,

• powierzchnie bazowe powinny być możliwie równe i czyste,
• przy częściach całkowicie obrabianych za powierzchnie bazowe przyjmuje się

te, które mają najmniejsze naddatki; jeżeli części nie mają obrabianych
wszystkich powierzchni, to za powierzchnie bazowe przyjmuje się te, które
pozostają nie obrobione,

• przy obróbce dokładnej należy dążyć do utrzymania zasady jedności baz, pole-

gającej na tym, że wszystkie operacje obróbki dokładnej należy wykonać
ustalając położenie części według tych samych baz.

Rys.14.4. Model powstawania drgań sa-
mowzbudnych