PROJEKTOWANIE PRZEBIEGU OBRÓBKI proces tchnologiczny
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 Uproszczony rysunek gotowej części "d2 "d3 "d1 l3 l1 l2 "d1 + naddatek na obróbkę Operacja 10 : Cięcie materiału Operacja 20: Toczenie zgrubne "d2+ naddatek 3 przejścia l3 l1 l2 "d3 Operacja 30 : Toczenie kształtujące "d2 Zabieg : toczenie "d2 Zabieg : toczenie "d3 l3 l1 l2 "d1 Zmiana zamocowania +naddatek na szlif. 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) Wykonanie półwyrobu Przykładowe sposoby obróbki Obróbka TAK toczenie cieplna NIE Obróbka zgrubna frezowanie TAK IT 9-14 struganie NIE szlifowanie Ra=10-40 �m cięcie Obróbka TAK kształtująca toczenie NIE IT 6 8 frezowanie TAK Obróbka struganie Ra=2,5-5,0 �m cieplna NIE szlifowanie HEDG Obróbka wykań- wiercenie TAK erozja czająca NIE IT 3 -5 Ra= 0,16 1,25 �m TAK Obróbka obróbka HSM NIE bardzo dokładna obróbka IT 1-3 ścierna erozja Ra< 0,16 �m Wykonanie części Montaż części Rys.14.2. Etapy obróbkowe procesu technologicznego 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 znalezć 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 wskaznikami 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 ap= 1mm. Kryterium optymalizacji jest wydajność obróbki Q, natomiast warunkami ograniczającymi dopuszczalna chropowatość powierzchni po obróbce Rt max i minimalny okres trwałości narzędzia Tmin. Ponadto istnieje ograniczenie górne (max) oraz dolne (min) dla wartości posuwu na obrót f i prędkości skrawania Funkcja kryterium : wydajność obróbki �! ln v max.: głęb. skraw.ap = 1 mm fmin fmax Q = a �" f �" v = f �"v p po logarytmowaniu Wydajność maksymalna ln Q = ln f + ln v vmax 1 warunek ograniczający T > Tmin Warunek ograniczający 1 C Optymalna T = wartość Punkt warunków y z v �" f Obszar roz- prędkości optymalnych wiązań po logarytmowaniu skrawania dopuszczal- ln T = ln C - y �"ln v - z �"ln f nych 2 warunek ograniczający Rt< Rt,max q Rt = C1 �" f vmin po logarytmowaniu Warunek ograniczający 2 ln Rt = ln C1 + f �"ln f Wydajność minimalna ln f 3 i 4 warunek ograniczający dotyczy możliwych do uzyskania na obrabiarce maksymalnych i Optymalna wartość posuwu minimalnych wartości v oraz f v. Rys.14.3. Optymalizacja parametrów skrawania przy pomocy programowania liniowego. 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, bądz wykorzystania programu Solver z powszechnie stosowanego arkusza kalkulacyjnego Excel. 14.3. DOKAADNOŚĆ PROCESU TECHNOLOGICZNEGO I JEGO KONTROLA 14.3.1. DOKAADNOŚĆ 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 bądz 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 wyraznie, 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 zródła 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. Rys.14.4. Model powstawania drgań sa- mowzbudnych 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.