WYKŁAD NR 4
4.1. Ekonomiczne aspekty obróbki skrawaniem
Proces obróbki skrawaniem powinien być tak przeprowadzony, aby przy najmniejszych możliwych kosztach uzyskana została wymagana przez odbiorcę jakość obrabianych części, a czas ich wykonania nie przekroczył czasu określonego w zamówieniu.
W pewnym uproszczeniu można przyjąć, że optymalizacja procesu skrawania polega na właściwym doborze technologicznych parametrów skrawania: g, p i v.
4.1.1. Dobór głębokości skrawania g
Dobór głębokości skrawania musi być poprzedzony ustaleniem naddatków na obróbkę. Wielkość naddatku całkowitego – warstwy materiału, która powinna być usunięta z surówki dla otrzymania gotowej części – określa się orientacyjnie na podstawie liczby przejść niezbędnych do uzyskania założonej dokładności wykonania danej części.
W pewnym uproszczeniu można przyjąć, że każde przejście poprawia klasę dokładności o 2 tzn. przejście z IT13 do IT7 wymaga trzech przejść, a do IT6 – czterech.
Naddatek na każde przejście musi być na tyle duży, aby usunąć błędy obróbki powstałe podczas wcześniejszego przejścia. Wzrost dokładności wykonania danej części w kolejnych obróbkach powoduje, że głębokości skrawania cały czas maleją. Stąd w obróbkach zgrubnych i półwykańczających głębokości skrawania są dość duże, a w obróbce wykańczającej i dokładnej bardzo małe.
4.1.2. Dobór prędkości posuwu
Dobór posuwu decyduje najbardziej o dokładności obróbki (szczególnie o chropowatości powierzchni) i jej wydajności. Im mniejszy posuw tym chropowatość obrabianej powierzchni jest mniejsza (stąd przy obróbkach wykańczających i dokładnych posuw powinien być możliwie jak najmniejszy). Niestety wraz ze zmniejszaniem prędkości posuwu zmniejsza się również wydajność obróbki, a jej czas wydłuża się. Dobór prędkości posuwu musi więc zapewniać wymaganą jakość powierzchni przy maksymalnej możliwej wówczas wydajności obróbki.
4.1.3. Dobór prędkości skrawania
Dobór prędkości skrawania wynika z założonej trwałości ostrza, tzn. czasu, po którym ostrze jest ostrzone lub wymieniane. Zwiększenie prędkości skrawania, zwiększa co prawda wydajność obróbki, ale zmniejsza trwałość ostrza i zmusza do częstszej jego wymiany lub ostrzenia.
Istnieje prędkość skrawania, przy której wydajność obróbki jest maksymalna, tzw. prędkość skrawania największej wydajności vw (odpowiada jej trwałość największej wydajności Tw). Zwiększanie prędkości skrawania powyżej vw nie powoduje wzrostu wydajności obróbki, lecz jej spadek, gdyż skrócenie czasu obróbki jest mniejsze niż czas stracony na ostrzenie lub wymianę narzędzia.
Istnieje również prędkość skrawania, przy której koszty wykonania obróbki są najmniejsze, tzw. ekonomiczna prędkość skrawania ve (odpowiada jej ekonomiczna trwałość ostrza).
Ekonomiczna prędkość skrawania ve jest zawsze mniejsza od prędkości skrawania największej wydajności vw. Rzeczywista dobrana prędkość skrawania powinna być zawarta w przedziale <vw;ve>.
4.1.4. Wydajność obróbki i jej koszty w funkcji prędkości skrawania (trwałości ostrza)
Na wykresie występują dwa punkty charakterystyczne: trwałość największej wydajności Tw i trwałość ekonomiczna Te. Ich wyznaczenie jest bardzo skomplikowaną sprawą, gdyż wymaga znalezienia funkcji wydajności obróbki i funkcji kosztów obróbki, uwzględniających istotne czynniki mające wpływ na koszty i wydajność obróbki (m.in. posiadane przez firmę obrabiarki, ich sztywności i dokładności, narzędzia, koszty ogólne itd.).
Dla najprostszego przypadku obróbki – jednym narzędziem – opracowano wzory pozwalające określić wartości trwałości największej wydajności Tw i trwałości ekonomiczna Te.
Mają one postać:
Tw = τ (s-1) tz
Te = τ (s-1) (tz + Kn/Ko),
gdzie:
τ = tskr/tm ≤ 1,
s – określony doświadczalnie wykładnik z zależności między prędkością skrawania a
trwałością narzędzia,
tz – czas wymiany stępionego narzędzia,
Kn – koszty związane z eksploatacją narzędzia, przypadające na jeden okres trwałości
(koszty materiału i wykonania narzędzia, koszty ostrzenia),
Ko – koszty minutowe obrabiarki uwzględniające amortyzację, obsługę, koszty
administracyjne i inne koszty ogólnozakładowe.
4.1.5. Czas obróbki
Wyróżnia się następujące czasy obróbki:
a) czas maszynowy tm – czas trwania ruchu posuwowego, określany stosunkiem długości
przejścia L w ruchu posuwowym do prędkości ruchu posuwowego pt
L= ld + l + lw
pt – posuw minutowy
ld - dobieg
lw - wybieg
l – długość przedmiotu
b) czas skrawania t skr – czas trwania styku ostrza z materiałem (zwykle mniejszy od
maszynowego)
c) czas niemaszynowy obróbki tn – czas przygotowawczo-zakończeniowy (czas na zapoznanie się z dokumentacją, pobranie narzędzi, uzbrojenie maszyny, rozliczenia się z wykonanej roboty, doprowadzenie stanowiska do stanu wyjściowego), + czas obsługi technicznej (wymiana narzędzi) + czas obsługi organizacyjnej (czyszczenie i smarowanie maszyny) + czas przerw uzasadnionych (przerwy na potrzeby naturalne + czas na odpoczynek pracownika)
d) czas jednostkowy obróbki tj – czas potrzebny do wykonania jednej sztuki wyrobu:
tj = tm +tn
Wyznaczenie w/w czasów jest niezbędne ze względu na:
- określenie obciążenia poszczególnych obrabiarek,
- określenie kosztów pracy,
- określenie obciążenia fizycznego poszczególnych pracowników,
- znalezienie tzw. „wąskich gardeł” w produkcji.
4.1.6. Wydajność obróbki
Wydajność obróbki W (wydajność produkcyjna, wydajność jednostkowa) określa liczba operacji (części, sztuk), wykonywanych w jednostce czasu:
Wydajność skrawania można wyrazić także innymi sposobami:
- wydajność objętościowa Qv (objętość warstwy skrawanej w jednostce czasu)
Qv = 1000 g p v [mm3/min]
- wydajność masowa Qm (masa warstwy skrawanej w jednostce czasu)
Qm = 1000 r g p v [g/min],
ρ – gęstość materiału obrabianego w [g/mm3],
g – głębokość skrawania w [mm],
p – posuw na obrót w [mm/obr],
v – prędkość skrawania w [m/min].
4.2. Koszty obróbki w funkcji dokładności obróbki – ekonomiczna dokładność obróbki
Dla każdej metody obróbki istnieje najwyższa osiągalna dokładność, powyżej której zwiększenie czasu obróbki nie daje pożądanego efektu.
Dla każdej metody obróbki istnieje pewien czas minimalny (koszt minimalny) poniżej którego czas obróbki nie zmniejsza się nawet przy dowolnie dużym zwiększeniu tolerancji wymiaru.
Zależność pomiędzy czasem obróbki t a dokładnością wykonania Δ można wyrazić wzorem:
Krzywą można podzielić na trzy odcinki: A, B, C.
· Odcinek A (bardzo stromy) odpowiada warunkom, kiedy ze względu na brak właściwych obrabiarek żądaną dokładność uzyskuje się w sposób nieekonomiczny przez zastosowanie metod obróbki odpowiednich dla niższej dokładności, a więc przez zwiększenie czasu wykonania lub zatrudnienie pracownika o wyższych kwalifikacjach. Dokładność uzyskiwana w ten sposób nazywana jest dokładnością osiągalną.
· Odcinek B odpowiada warunkom obróbki z dokładnością ekonomiczną.
· Odcinek C odpowiada takim warunkom obróbki, kiedy osiągana dokładność znacznie przekracza żądaną, np. zastosowanie szlifowania tam, gdzie wystarczyłoby tylko toczenie. Postępowanie takie jest niewłaściwe, gdyż przy zastosowaniu innej metody obróbki można osiągnąć żądany cel szybciej i taniej. Zakres dokładności odpowiadający odcinkowi C jest nazywany dokładnością gwarantowaną.
Dokładność osiągalna i ekonomiczna na przestrzeni ostatnich 100 lat historii obróbki skrawaniem cały czas rosną. W 1910 roku najwyższa dokładność osiągalna obróbki wynosiła ok. 0.01 mm (100 μm), a pod koniec lat osiemdziesiątych osiągnęła wartość 0.005 μm (części systemów informatycznych takie jak dyski kompaktowe, dyski video czy ultraprecyzyjne, miniaturowe łożyska kulkowe), natomiast dokładność ekonomiczna wynosiła ok. 0.01 mm w 1960 roku, a obecnie wynosi ok. 1 μm.
O dokładności wyrobu decyduje w znacznej mierze dokładność pozycjonowania obrabiarek. Wynosi ona obecnie:
5 μm – dla centrów obróbkowych,
2 μm – dla wiertarek współrzędnościowych,
1 μm – dla szlifierek współrzędnościowych.
Pyszkowska