Stosowanie przez producenta nowoczesnych technik wytwarzania z jednej strony świadczy o rozwoju firmy i dążeniu do poszerzania oferty. Z drugiej strony ich wdrożenie wymaga właściwego podejścia, które w końcowej fazie analizy ma dać odpowiedź w zakresie ekonomicznych aspektów nowej technologii
Można wyróżnić 3 źródła postępu w zakresie technologii obróbki skrawaniem:
- rozwój szeroko pojętych obróbek wysokowydajnych (HSM),
- rozwój układów sterowania obrabiarek CNC,
- rozwój konstrukcji obrabiarek i oprzyrządowania.
Jest to podział czysto umowny, w którym kolejność nie odgrywa znaczenia. Poszczególne te obszary nawzajem na siebie wpływają i od siebie zależą. Obróbki wysokowydajne wymusiły zarówno rozwój narzędzi, jak i konstrukcji obrabiarek i oprzyrządowania. Można powiedzieć, że rozwój w tych obszarach umożliwił rozpowszechnienie HSM.
Postęp w jakiejkolwiek z powyższych dziedzin w konsekwencji otwiera możliwości realizacji obróbki przedmiotów, których wytworzenie wg dotychczasowych metod obróbkowych było albo niemożliwe, albo zbyt kosztowne. Przykładem mogą tu być różnego rodzaju wirniki, łopatki, których optymalny kształt warunkował możliwość obróbki. Kompromisem było uzyskiwanie w wyniku obróbki quasipowierzchni optymalnych, które ze względu na możliwości technologiczne były jedynie zbliżone do konstrukcyjnych. Analiza konstrukcji pod kątem możliwości wytworzenia określana jest mianem technologiczności konstrukcji i jest procesem który powinien zachodzić na etapie opracowywania konstrukcji, na podstawie ścisłej współpracy konstruktora i technologa.
Rozwój metod wytwarzania (narzędzi, układów sterowania, konstrukcji oprzyrządowania i obrabiarek – np. obsługa 6 osi) umożliwia z kolei, w wyniku postępu technologicznego, obróbkę powierzchni wirnika zgodnie z założeniami konstrukcyjnymi, co wpływa np. na wydłużenie okresu trwałości produktu, lub oszczędności w bilansie energetycznym. Przy czym w tego typu przypadkach zdolności produkcyjne wzrastają w wyniku rozwoju (w zasadzie) wszystkich powyższych obszarów.
Zatem postęp technologiczny może:
- wpływać na dotychczasowe procesy technologiczne,
- umożliwić produkcję przedmiotów o właściwościach geometrycznych i jakościowych dotąd nieosiągalnych lub uzyskiwanych w stopniu ledwo zadawalającym,
- pozwolić na ekonomicznie uzasadnioną obróbkę materiałów trudnoskrawalnych.
We wszystkich powyższych przypadkach musi być przeprowadzona szczegółowa analiza wdrożenia nowej technologii. W numerze 05/2005 Design News w artykule „Miejsce technologa w inżynierii “współbieżnej”
(http://www.designnews.pl/akademia_design1005.php4?num=253) przedstawiono schematy postępowania technologa w przypadku wprowadzania zmian w istniejącym procesie technologicznym, jak również dla opracowywania procesu technologicznego nowego produktu w ujęciu globalnym przedsiębiorstwa. W dalszej części artykułu rozważaniom poddano działania technologa w procesie decyzyjnym (inżynieria współbieżna), a konkretnie przeprowadzenie analizy zasadności zastosowania obróbek wysokowydajnych (HSM).
Obróbki wysokowydajne nie poddają sie łatwemu zdefiniowaniu. Ogólnie HSM (High Speed Machining) można opisać jako obróbkę skrawaniem z zastosowaniem podwyższonych parametrów obróbkowych (mniejsze siły skrawania, korzystniejsze rozpraszanie energii cieplnej), z wykorzystaniem oprzyrządowania i narzędzi specjalistycznych oraz obrabiarek specjalizowanych i specjalnych, przeznaczonych głównie lub wyłącznie do obróbki szybkościowej (artykuł autora „Wpływ wysokowydajnych obróbek na przebieg procesu technologicznego” http://www.designnews.pl/akademia_designnews1105.php4?num=271). W tym samym artykule przedstawiono również główne zalety i wady HSM. W podanej definicji użyto słów „specjalizowanych” i „specjalnych”, które opisują maszyny technologiczne dla potrzeb HSM w zestawieniu z obrabiarkami, oprzyrządowaniem i narzędziami konwencjonalnymi. W rzeczy samej obróbki wysokowydajne (HSM) stanowią odrębną gałąź postępu technologicznego. To sprawia, iż w kontekście HSM nie jest konieczne każdorazowe podkreślanie „specjalizowane”, czy „specjalne”.
Przedsiębiorcy chcąc funkcjonować we współczesnej gospodarce muszą być konkurencyjni, zarówno poprzez swoją ofertę, jak i organizację produkcji oraz dostaw. Stąd jednym z najważniejszych kryteriów optymalizacyjnych jest czas wyprodukowania jednego przedmiotu. Celem dla producentów obrabiarek jest skracanie czasu operacji (zabiegów). Obróbki wysokowydajne HSM wpisały się jako jedna z dróg osiągnięcia tak stawianego celu. Inną drogą jest zwiększanie prędkości ruchów przestawnych (pomocniczych), co znajduje swoje odzwierciedlenie np. w czasie wymiany narzędzia. Według danych przedstawionych w raporcie o obrabiarkach cnc (Design News nr 02/06 http://www.designnews.pl/raport0206.php4?art=582) średni czas wymiany narzędzia wynosi prawie 4 sekundy, a spotyka się obrabiarki, gdzie czas ten został zredukowany poniżej 2 sekund (jednak takich rozwiązań konstrukcyjnych obrabiarek i oprzyrządowania nie należy zaliczać do obróbek wysokowydajnych HSM). Połączenie obu tych gałęzi stanowi bardzo dobre rozwiązanie, dające w skali roku znaczne oszczędności. Przekłada się to na efektywność maszyny w zestawieniu z czasem niezbędnym na czynności eksploatacyjne i remontowe.
HSM to także obróbka objętościowa (HPM), która w przeciwieństwie do HSC (High Speed Cutting) cechuje się dużymi wartościami grubości warstw skrawanych. Znajduje to swoje odbicie w narzędziach i oprawkach, a także w konstrukcji obrabiarek, ze względu na sztywności maszyny. Wdrożenie HSM opiera się przede wszystkim na modernizacji parku maszynowego. W zestawieniu z właściwościami HSM, wielkość produkcji odgrywa drugorzędną, lecz ważną rolę. Charakter wielkoseryjny, czy wręcz masowy, spotykany jeszcze w przemyśle samochodowym, związany jest ze znaczącym czynnikiem, jakim jest czas operacji. Każde zaoszczędzone sekundy w poszczególnym zabiegach stanowią w skali roku odczuwalną kwotę, o którą warto walczyć. Oczywiście obróbka szybkościowa w skali jednostkowej również ma korzystne oddziaływanie na czas operacji. Przykładem tu może być obróbka, gdzie osiąga się nawet kilkudziesięciogodzinne oszczędności. Konkretne korzyści są uzależnione od technologiczności konstrukcji, wymaganych końcowych właściwości warstwy wierzchniej oraz geometrycznych. Powyższe czynniki stanowią podstawę do doboru narzędzi oraz parametrów obróbkowych. Połączenie tych wszystkich elementów i ich rozważanie prowadzi wprost do analizy zasadności wdrożenia HSM. Na schemacie przedstawiono algorytm przebiegu analizy zasadności wdrożenia HSM, dla danego przedmiotu obrabianego.
Wielkość produkcji odgrywa znaczącą rolę przy analizie danych globalnych, zatem nie znalazła swojego bezpośredniego odzwierciedlenia w przedstawionym schemacie. W przypadku zasadności zastosowania HSM rozpatrywany jest proces technologiczny każdego produktu osobno.
Na schemacie wyróżniono części dla nowopowstającego i modernizowanego procesu technologicznego, gdyż ma to wpływ przede wszystkim na zarządzanie dokumentacją technologiczną. W pierwszym etapie dokonywana jest analiza technologiczności konstrukcji. W kolejnym kroku opracowywana lub modernizowana jest marszruta procesu technologicznego, w tym definiowane są poszczególne operacje i zabiegi. Dobór narzędzi i parametrów zachodzi w późniejszym czasie. Wówczas, gdy wszystkie operacje i pojedyncze zabiegi zostały rozpisane, gdy ustalono parametry obróbki, przeprowadzane jest normowanie czasu, który obok kosztów narzędzi i oprzyrządowania jest najważniejszym czynnikiem w analizie ekonomicznej (na schemacie pole koloru szarego). Jednym z ostatnich działań jest opracowanie dokumentacji technologicznej i jej emisja. Skromnie przedstawiono inwestycje, mając tu na względzie przede wszystkim obrabiarkę. HSM wymaga obrabiarki zaprojektowanej dla obróbek wysokowydajnych, oprzyrządowania specjalnego, narzędzi i oprawek narzędziowych specjalnie opracowanych dla HSM. Reasumując, wdrożenie HSM uzależnione jest od wielu aspektów związanych z procesem produkcyjnym. Jednak należy pamiętać, że celem jest dokonanie obróbki skrawaniem, w wyniku której następuje zmiana właściwości geometrycznych przedmiotu obrabianego, zgodnie z wymaganiami odbiorcy.
r.morek@cim.pw.edu.pl dr inż. Radosław Morek jest adiunktem w Instytucie Technologii Maszyn PW http://www.cim.pw.edu.pl
