VERTIKÁLNÍ OBRÁBĚCÍ CENTRUM A ZAKÁZKOVÁ CNC TECHNOLOGIE

VERTIKÁLNÍ OBRÁBĚCÍ CENTRUM A ZAKÁZKOVÁ CNC TECHNOLOGIE CUSTOM MADE PRODUCTION UPON A VERTICAL MACHINE

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR THESIS

AUTOR PRÁCE

PETR OKÁČ

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2012

Ing. MILAN KALIVODA

FSI VUT

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

List

2

ABSTRAKT Bakalářská práce se zabývá tématem zakázkové výroby v oblasti kovovýroby, které je autorovi blízká díky vlastní praktické zkušenosti v oboru. První část práce je zaměřena na výhody a nevýhody vyskytující se v podnikání malých a středních firem, jejich význam v ekonomice státu a problémy, se kterými se malé firmy potýkají v kaţdodenní praxi. Druhá část práce je zaměřena na porovnání výroby přípravku na CNC obráběcím stroji, porovnání s moţností jeho výroby na konvenčních strojích a zhodnocení moţností v zakázkové výrobě. Klíčová slova CNC výroba, podnikání, obrábění, přípravek, efektivnost.

ABSTRACT The thesis focuses on the topic of custom metalworking, which is familiar to author due to his experience in the field. The first part describes advantages and disadvantages associated with business of small and middle companies, their role in economy and everyday problems they need to solve. The second part compares the manufacturing of a steel part on CNC machine to manufacturing it using conventional machines and evaluating possibilities for custom manufacturing. Keywords CNC manufacturing, business, clamping part, effectivity.

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE OKÁČ, Petr. Vertikální obráběcí centrum a zakázková CNC technologie. Brno 2012. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inţenýrství, Ústav strojírenské technologie. 29 s. příloh 7. Vedoucí práce Ing. Milan Kalivoda.


FSI VUT

List

3

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci na téma Vertikální obráběcí centrum a zakázková CNC technologie vypracoval samostatně s pouţitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce.

Datum

Petr Okáč

FSI VUT


List

4

PODĚKOVÁNÍ Děkuji tímto Ing. Milanu Kalivodovi z VUT Brno za vedení práce a trpělivost při konzultacích. Dále děkuji panu Stanislavu Kofroňovi a panu Michaelu Nádherovi z firmy TRW–DAS, a.s., za moţnost zveřejnění podkladů souvisejících s touto bakalářskou prací.

FSI VUT


List

5

OBSAH ABSTRAKT .......................................................................................................................... 2 PROHLÁŠENÍ....................................................................................................................... 3 PODĚKOVÁNÍ ..................................................................................................................... 4 OBSAH .................................................................................................................................. 5 ÚVOD .................................................................................................................................... 6 1

VÝZNAM MALÝCH A STŘEDNÍCH FIREM ........................................................... 7 1.1 Společenské přínosy malých a středních firem ............................................................ 7 1.2 Ekonomické přínosy malých a středních firem ........................................................... 7 1.3 Představení firmy Okac ............................................................................................... 8 1.4 Charakteristika výrobních procesů: ............................................................................. 9 1.5 Podnikání v oboru z pohledu autora ............................................................................ 9

2

DEFINICE DÍLU ......................................................................................................... 11 2.1 Funkčnost ................................................................................................................... 11 2.2 Technologičnost dílu.................................................................................................. 11 2.3 Technologický postup ................................................................................................ 12 2.3.1 Materiál ............................................................................................................... 13 2.3.2 Výroba konvenčnímitechnologiemi .................................................................... 13 2.3.3 Polotovar ............................................................................................................. 13 2.3.4 Řešení upínání..................................................................................................... 13 2.3.5 Výběr nástrojů..................................................................................................... 14 2.3.6 Sled operací......................................................................................................... 17 2.4 Technicko-ekonomické zhodnocení .......................................................................... 21 2.4.1 Časová náročnost ................................................................................................ 21 2.4.2 Celkové posouzení .............................................................................................. 22

3

NÁVRHY A VYLEPŠENÍ .......................................................................................... 24 3.1 Konstrukční úprava polotovaru ................................................................................. 24 3.2 Optimalizace operace hrubování ............................................................................... 24

4

DISKUZE .................................................................................................................... 25

ZÁVĚR ................................................................................................................................ 26 SEZNAM POUŢITÝCH ZDROJŮ ..................................................................................... 27 SEZNAM POUŢITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ ......................................................... 28 SEZNAM PŘÍLOH.............................................................................................................. 29

FSI VUT


List

6

ÚVOD CNC výroba je dnes jednou z nejpouţívanějších technologií strojírenského obrábění. Její zavádění do výrobních postupů lze datovat do konce osmdesátých let, kdy si největší firmy mohly dovolit investice do těchto strojů v řádu několika milionů korun. S postupem času se CNC výroba stala běţnou součástí výroby i v menších firmách, a to zejména díky poklesu pořizovací ceny a velkým výhodám v porovnání s výrobou na konvenčních strojích. Díky relativně dobré dostupnosti technologie CNC výroby mohl autor práce investovat do vlastní výrobní technologie a do své provozovny zakoupit repasované obráběcí centrum VMC 760 (obr. 1). Téma bakalářské práce "Vertikální obráběcí centrum a zakázková CNC technologie“ bylo zvoleno s ohledem na vlastní zkušenosti autora s touto problematikou. Obsah práce je zaměřen na porovnání výhod a nevýhod zakázkové výroby v malých provozovnách s výrobou sériovou, dále je rozebrán význam malých firem z pohledu ekonomického a sociálního. Porovnání výroby CNC s konvenčními stroji je demonstrováno na výrobě konkrétního výrobku.

Obr. 1 Vertikální obráběcí centrum VMC 760.

FSI VUT

1


List

7

VÝZNAM MALÝCH A STŘEDNÍCH FIREM

Je nespornou skutečností, ţe ve struktuře všech firem tvoří malé a střední firmy drtivou většinu. V Evropě operuje 19 miliónů malých a středních firem, které představují 99,8% všech firem v EU a zaměstnávají více neţ 74 miliónů lidí. Tyto strohé údaje nevypovídají plně o významu, jaký mají malé a střední firmy v kaţdé společnosti. Dále bude zmíněn alespoň společenský a ekonomický přínos [8]. 1.1 Společenské přínosy malých a středních firem Málokdo si uvědomuje, ţe malé a střední firmy garantují nejběţnější svobody. Dávají šanci k svobodnému uplatnění občanů – podnikatelů, dávají šanci k samostatné realizaci lidí v produktivním procesu. Malí a střední podnikatelé na sebe nemohou strhnout moc, nemohou dosáhnout monopolního postavení. Jsou vlastně protipólem ekonomické i politické moci. Lidé se v těchto firmách učí přeţít a učí se k zodpovědnosti, protoţe jakýkoliv omyl pro ně znamená pád a vlastní ztrátu. Malý a střední podnikatel nemá kam uniknout, důsledky neúspěchu nese osobně. Existence malých a středních firem stabilizuje společnost, neboť jakákoli výrazná politická nejistota a radikální proudy jsou pro ně zdrojem rizik. Pro malé a střední firmy není typické, aby byly vlastněny zahraničními subjekty. Firmy tohoto typu reprezentují místní kapitál, místní vlastnické poměry. Efekty z podnikání zůstávají v daném regionu, popř. státě. Obvyklá cesta, jak rychle oţivit region, vede přes podporu malých a středních firem v dané oblasti. Malé a střední firmy jsou obvykle mnohem těsněji svázány s daným regionem. Podnikatel v regionu zpravidla bydlí. Vedle toho, ţe poskytuje danému regionu zaměstnanost a ekonomické přínosy, není výjimečné, ţe se stává sponzorem různých charitativních a dalších akcí. Nelze pominout ani tu skutečnost, ţe ve vztahu k danému prostředí jsou tito podnikatelé mnohem méně anonymní. Jejich okolí je zná a jejich činy jsou tak pod veřejnou kontrolou. Mnohé malé provozovny (drobné krámky, kavárny, provozovny sluţeb) dotvářejí urbanizaci měst a vesnic, oţivují prostor, udrţují či obnovují historickou architekturu. Zvláště v historických centrech měst se doslova prezentuje drobný podnikatelský stav. Podle výstavby a upravenosti venkova je moţné bez větších omylů usuzovat na úroveň rozvoje malého a středního podnikání [8]. 1.2 Ekonomické přínosy malých a středních firem Význam malých a středních firem narůstá v době, kdy dochází celosvětově k nástupu nadnárodních korporací a řetězců, coţ je důsledek stále se rozvíjející globalizace, která pak zasahuje a ovlivňuje ţivot kaţdého z nás. Mýlil by se však ten, který by tvrdil, ţe toto „zmenšování světa“, jak by se také globalizace dala charakterizovat, přináší do ţivota společnosti, potaţmo občana jen samé pozitivní stránky. Síla těchto nadnárodních korporací a řetězců má velmi často za následek to, ţe v konečném důsledku je spotřebitel konfrontován se zboţím nevalné kvality, které navíc procestovalo někdy i několik světadílů. O vlivu na ţivotní prostředí ani nemluvě. Malé a střední firmy jsou pak v takovéto situaci výrazným protipólem, které jsou schopné pruţně zaplnit mezeru na trhu nebo vyjít vstříc konkrétnímu poţadavku zákazníka.


FSI VUT

List

8

Další výhodou malých a středních firem je snadnější schopnost zavedení systému LEAN (z angličtiny Lean manufacturing), coţ by se dalo volně přeloţit jako štíhlá výroba. Zavedením této koncepce se firma snaţí nejenom např. o eliminaci nákladů, ale i o sníţení náročnosti na suroviny a energie. Důsledkem je pak moţnost vylepšení postavení v konkurenčním prostředí, sníţit náklady na jedno pracovní místo nebo pruţněji reagovat na momentální potřeby trhu [8]. 1.3 Představení firmy Okac Historie firmy Okac se datuje od roku 1996, malosériová a zakázková CNC výroba je však záleţitostí posledních pěti let, kdy byly postupně pořízeny stroje potřebné k uplatnění v kovozpracujícím průmyslu. Zpočátku se jednalo o drobnou kovovýrobu na konvenčních strojích, následovalo pořízení obráběcího centra VMC 760 s řídicím systémem Siemens Acramatic (obr. 1.1). Samotné stroje však pro výrobu nestačí, nedílnou součástí je pak pořízení dalšího příslušenství jako jsou např. nástroje, upínače, kleštiny, měřidla, drţáky atd., které podstatně promluví do celkových nákladů. Uvedené stroje včetně konvenčních (obr. 1.2), zpravidla dostatečně stačí pokrýt potřeby malosériové a zakázkové výroby. Určitou nevýhodou je absence soustruhů, kdy výrobu rotačních součástek je pak nutné řešit v kooperační spolupráci. I ty sebedokonalejší stroje však sami o sobě nic neznamenají. Uplatnění a perspektiva firmy je závislá na zkušenostech, know-how, přístupu k zákazníkům, přístupu k práci atd. I oblast CNC výroby se neustále vyvíjí a zdokonaluje. Předně je to pak vyuţití 3D programování s konstrukcí na počítači (CAD – Computer Aided Design) a následné generování programu pro obráběcí stroj (CAM – Computer Aided Manufacturing). Některé modely výrobků zaslané zákazníkem jsou tvarově sloţité a klasickými konvenčními metodami obrábění jen obtíţně vyrobitelné. Dokáţe-li malá firma tímto způsobem komunikovat a vyrábět, jsouzde určité předpoklady pro úspěšné fungování firmy. Obráběcí centrum VMC 760

Technické parametry stroje Počet nástrojů v zásobníku 20 (ks) Rozměry stolu (mm) 920 x 470 Rozjezd v ose X (mm) 760 Rozjezd v ose Y (mm) 410 Rozjezd v ose Z (mm) 560 Rozsah plynule řazených 0-8000 otáček (1/min) Výkon hlavního motoru 7,5/11 vřetene (kW) Kuţel ve vřeteni (ISO) 40 Hmotnost stroje (kg) 5500 Rok výroby 1998 Výrobce - ZPS Zlín

Obr. 1.1 Vertikální obráběcí centrum [9].


FSI VUT

Frézka FA3

List

9

Pásová pila na kov PNS 230 Sloupová vrtačka VR20

Obr. 1.2 Představení konvenčních strojů.

1.4 Charakteristika výrobních procesů: Kromě zakázkové výroby je dále moţné na základě výrobních znaků technických, organizačních a ekonomických výrobu rozdělit do tří základních skupin: -

kusová, sériová, hromadná.

Výroba kusová – vyrábí se od kaţdého druhu výrobku malé mnoţství (řádově pouze několik kusů). Výrobní proces se opakuje velmi nepravidelně, nebo se neopakuje vůbec. Vyrábí se výlučně na zakázku. Výroba sériová – vyrábí se určitý druh výrobku v jistém mnoţství, nazýváno série, které se opakují s větší či menší pravidelností Výroba hromadná – vyznačuje se úzkým sortimentem výrobků, vyráběných ve velkém mnoţství [6]. 1.5 Podnikání v oboru z pohledu autora I kdyţ je důleţitost malých firem nesporná, je také nutno podotknout a autor práce můţe z vlastní zkušenosti potvrdit, ţe ţivot malé firmy je velmi často z velké části závislý na firmách v regionu, které jsou zaměřením svojí výroby orientovány na automobilový průmysl. Toto odvětví v posledních letech zaznamenalo v České republice nevídaný rozvoj, kraj Vysočina nevyjímaje. Jsou to například firmy jako Bosch Diesel, s.r.o. výrobce předních světlometů Automotive Lighting, s.r.o. nebo výrobce řízení pro osobní automobily TRW – DAS, a.s. Dačice. Spolupráce s těmito významnými firmami se však neodvíjí na úrovni dodávek dílů pro finální výrobky, jak by si někdo mohl mylně myslet, jde však o výrobu, která s produkcí v těchto firmách zásadně souvisí. Celý výrobní proces kteréhokoliv dílu je doprovázen potřebou zajistit mnoţstvím přípravků, ať jiţ to mohou být přípravky upínací, měřící, montáţní nebo jiné díly, které nějakým způsobem souvisí s výrobním procesem. A právě zde se otevírá ideální prostor pro malosériovou nebo kusovou zakázkovou výrobu, která je jako stvořená pro firmu tak malého rozsahu, jako je firma Okac (obr. 1.3).

FSI VUT


List

Obr. 1.3 Podíl výroby ve firmě Okac.

Podíl výroby ve firmě Okac 25% Zakázková

75%

Sériová

10

FSI VUT

2


List

11

DEFINICE DÍLU

Na základě poţadavku od zákazníka byl poptán a následně objednán přípravek, na kterém je moţno objasnit a doloţit závěry, ke kterým bylo dospěno v první části práce. Moţná výroba upínacího přípravku bude řešena nejenom z pohledu technologičnosti konstrukce a způsobu vyrobení, zároveň ale budou představeny dva moţné způsoby výroby. U obou postupů je brán ohled především na moţnosti firmy, hlavně pak na strojní vybavení ve firmě Okac. 2.1 Funkčnost Aby bylo moţné potřebný rozbor provézt, je na místě krátce představit vyráběný přípravek. Firma TRW – DAS, a.s. Dačice, která výrobu přípravku zadala, je předním světovým výrobcem řízení pro osobní automobily a je zároveň vybavena testovací zkušebnou, kde je realizováno testování řídících jednotek nejenom na opotřebení řízení a počet cyklů, ale je schopná uskutečnit i testy nárazových zkoušek známých pod názvem CRASH TEST. Řízení, pevně upevněno na přípravku, je podrobeno simulovanému nárazu. Výsledkem a poţadovanou výstupní hodnotou je deformace řízení. V reálné praxi pak znamená deformace řízení eliminaci ohroţení posádky vozu a v současné době, kdy je bezpečnost vozů stále více preferována, získávají tyto testy na významnosti (obr.2.1).

Obr. 2.1 Uchycení řízení do upínacího rámu před provedením zkušebního testu.

2.2 Technologičnost dílu Hodnocení technologičnosti součásti (výrobku) se provádí z důvodů hospodárné výroby, zda je součást vyrobitelná, jak ji vyrobit co nejproduktivnější metodou, aby dosáhla předepsaného tvaru, jakosti a ceny. Obecně je hodnocení prováděno především z pohledu dodrţení tvaru a geometrie a dodrţení výrobních úchylek rozměrů a jakosti povrchu [4]. Z výše zmíněného je moţné potvrdit, ţe konečného tvaru a geometrie upínacího rámu je moţné dosáhnout bez větších komplikací. Stejně tak i u dodrţení výrobních úchylek nejpřesnější rozměry jsou v desetinách milimetru, coţ u obou způsobů výroby nebude znamenat ţádný problém.

Zajímavější ale bude hodnocení z pohledu stupně vyuţití materiálu km, kdy se zjišťuje, je-li vůbec výrobek vhodný zhotovit třískovým obráběním. Vychází se při tom za vztahu:


FSI VUT

𝑉

𝑘𝑚 = 𝑉𝑜 . 100 [%] 𝑝

List

12

(2.1)

kde: Vo- objem obrobku [mm3] Vp - objem polotovaru [mm3] Po dosazení objemu polotovaru (25,5·105 mm3) a objemu hotového výrobku (5,5 · 105 mm3) do vztahu 2.1 vychází stupeň vyuţití materiálu 21,5%. Blíţí-li se km = 100%, znamená to, ţe mnoţství odebraných třísek je malé a tedy obrábění vyţaduje i malou spotřebu pracovního času a naopak. Upínací rám se však s hodnotou km=21,5 % jeví jako díl pro třískové obrábění spíše nevhodným a stálo by proto za úvahu zamyslet se nad výrobou jiným způsobem, například odléváním. Zde je však na místě připomenout, ţe se jedná o kusovou výrobu v řádu několika kusů ročně, které jsou dle poţadavků zákazníka drobně upravovány. Náklady na výrobu modelu odlitku by byly vysoké, takţe i přes nízké vyuţití materiálu u obrábění bude upínací rám zhotoven obráběním. Přeměna polotovaru na hotový výrobek bude tedy provedena třískovým obráběním (obr. 2.2).

Obr. 2.2 Ukázka postupu přeměny polotovaru na hotový výrobek.

2.3 Technologický postup V této části práce bude upínacímu rámu věnována pozornost nejenom z pohledu materiálu, polotovaru, upínání a modelových simulací obrábění, zároveň bude provedena krátká úvaha nad efektivním vyuţitím nástrojů.


FSI VUT

List

13

2.3.1 Materiál Materiálem předepsaným na výkrese je nelegovaná ocel obvyklých jakostí 11 373. Jedná se o ocel, která je svým sloţením vhodná ke svařování, dále pak pro konstrukci strojů, kde dochází ke statickému a mírně i dynamickému namáhání. Chemické sloţení a mechanické vlastnosti jsou uvedené v tabulkách 2.1 a 2.2 [1]. Tab. 2.1 Mechanické vlastnosti materiálu 11373. Mechanické vlastnosti Pevnost v tahu Rm[MPa]

370

Mez kluzu Re [MPa]

250

Taţnost [A10 %]

7

Tab. 2.2 Chemické sloţení materiálu 11373. Chemické sloţení (rozbor tavby v %) C max. 0,175

Mn

Si

[-]

[-]

P max. 0,045

S max. 0,045

N max. 0,007

Al [-]

2.3.2 Výroba konvenčními technologiemi Výroba na konvenční frézce FA3, přestoţe je teoreticky moţná, byla jiţ v počáteční fázi zamítnuta. Pro výrobu dílu tímto způsobem by bylo nutné zakoupit tvarové frézy, které by výrobu výrazně prodraţily. Dále je jiţ na první pohled jasné, ţe čas výroby touto metodou by výrazně převyšoval čas na obráběcím centru. I přes niţší náklady na klasickém stroji by se výroba nevyplatila. V kapitole celkové posouzení je tento způsob na příkladu odfrézování boků znázorněn. 2.3.3 Polotovar Polotovarem je výpalek v rozměru 286,5 x 178 x 50 mm, přídavky na potřebné úhlování dílu jsou 2 mm. Správné úhlování dílu je nezbytné především z důvodu upnutí obrobku a následného najíţdění nulového bodu, který bude umístěn uprostřed polotovaru. V případě, ţe by došlo k nedodrţení potřebné kolmosti stran a délkových rozměrů, mohla by nastat situace, kdy by při obrábění dílu z druhé strany nemuselo dojít k poţadovanému napojení některých tvarových ploch a hrozila by tak reklamace zákazníkem. 2.3.4 Řešení upínání Především z tohoto důvodu byl v rámci firmy Okac zhotoven samotný výkres pro úhlování polotovaru, který tento problém výrazně eliminuje (výkres v příloze č. 2). Z důvodu zamezení kolize nástroje s upínacím svěrákem byl dodatečně zhotoven výkres maximální moţné hloubky usazení polotovaru do svěráku (obr. 2.3).


FSI VUT

Strana 1

List

14

Strana 2

Obr. 2.3 Usazení obrobku do svěráku.

2.3.5 Výběr nástrojů Výběr vhodných nástrojů pro obrobení přípravku je volen s ohledem na třídu obrobitelnosti 14b u materiálu 11 373 a zároveň na moţnosti nástrojového vybavení firmy Okac. Správné zvolení nástrojů a řezných rychlostí je sice důleţité, ale na rozdíl od sériové výroby, kde se upřednostňuje spíše produktivita na úkor opotřebení nástrojů, je dobré u výroby kusové více zvaţovat poměr cena - výkon. Uvedenou domněnku je vhodné předvést na příkladu vrtání otvorů v upínacím rámu (tab. 2.3 a 2.4). Tab. 2.3 Pouţití vrtáku z rychlořezné oceli. Spirálový vrták HSS [2] ø vrtáku [mm]

Počet otvorů

8,2 8,5

1 6

6,8

4

vc [m.min-1]

30

Celkem

tas [min]

Cena vrtáku [Kč]

0,25 1,50

30,00 Kč 30,00 Kč

1,00

20,00 Kč

2,75

80,00 Kč

Tab. 2.4 Pouţití vrtáků ze slinutých karbidů. Spirálový vrták SK [2] ø vrtáku [mm] 8,2 8,5 6,8 Celkem

Počet otvorů 1 6 4

vc [m.min-1]

80

tas [min]

Cena vrtáku [Kč]

0,07 0,42 0,28 0,77

1 200,00 Kč 1 200,00 Kč 905,00 Kč 3 305,00 Kč

Z uvedených dvou srovnání jasně vyplývá, ţe je zbytečné investovat do drahých vrtáků, kdyţ stejnou sluţbu odvedou nástroje za nesrovnatelně niţší cenu, při vcelku nepodstatné úspoře času.


FSI VUT

List

15

Jestliţe u výběru vrtáků je moţné výrazně uspořit výběrem levnějších nástrojů, v případě frézování břitovými destičkami podobná úvaha není moţná, neboť pořizovací ceny jsou mezi jednotlivými provedeními břitových destiček ze slinutých karbidů srovnatelné. Zde však lze sníţit náklady vhodným výběrem destiček, způsobem frézování a optimalizací řezných podmínek. Hlavním kritériem při volbě výměnných břitových destiček ze slinutých karbidů je výběr ze tří hlavních skupin (tab. 2.5). Tab. 2.5 Přehled rozdělení slinutých karbidů. Označení

Barva

Tříska

Pouţití

K

Červená

Krátká

Šedá litina, neţelezné slitiny, nekovové mat.

P

Modrá

Dlouhá

Uhlíkové oceli, feritické korozivzdorné oceli

M

Ţlutá

Střední a dlouhá

Lité oceli, austenitické korozivzdorné oceli

Kromě těchto třech nejzákladnějších skupin, je moţné se setkat ještě s provedením N, S a H. Významná je i volba podskupin u slinutých karbidů, které s rostoucím číslem udávají obsah pojícího kovu a pro jednotlivé skupiny K, P, M - pak je voleno: K – K01, K05, K10, K15, K20, K25, K30, K35, K40. P – P01, P05, P10, P15, P20, P25, P30, P35, P40, P45, P50. M – M01, M05, M10, M15, M20, M25, M30, M35, M40, M45, M50. Protoţe vyráběný přípravek je z materiálu 11 373, budou pouţity slinuté karbidy typu P. Při obrábění materiálů zařazených v této skupině je řezný proces doprovázen velkými řeznými silami a značným opotřebením na čele, z tohoto důvodu obsahuje nástroj velké mnoţství TiC a TaC [3]. Pro lepší názornost tabulka 2.6. Tab. 2.6 Sloţení slinutých karbidů typu „P“. Slinuté karbidy typu P Označení

Obsah

WC

Karbid wolframu

30 – 82 %

TiC

Karbid titanu

8 – 64 %

Co

Kobalt

5 – 17 %

Na základě dostupných podkladů bylo rozhodnuto o opatření břitových destiček ze slinutých karbidů od firmy Seco Tools CZ, s.r.o. s označením MP2500, povlakované


FSI VUT

List

16

technickou metodou CVD (Chemical Vapour Deposition – chemické napařování), při sloţení povlaku z karbonitridu titanu [Ti (C, N)] a oxidu hlinitého (Al2O3) [7]. Při frézování upínacího rámu vybranými destičkami se osvědčilo frézování bez přítomnosti procesních kapalin, došlo tak prodlouţení trvanlivosti břitu. Teplo, které při frézování vzniká, způsobuje měknutí obráběného materiálu, ale stejně tak i řezného materiálu, který se pak stává houţevnatější. Vlivem přerušovaného řezu při frézování dochází ke střídavému teplotnímu zatěţování břitu a chlazení nástroje pak vyvolává teplotní šoky na břitu destičky a dochází k následnému rychlejšímu opotřebení. Z těchto důvodů je dobré vţdy zváţit pouţití chladicí kapaliny. Vţdy však nicméně záleţí na pouţité břitové destičce, povlaku a způsobu frézování.

Obr. 2.4 Při frézování rámu nebylo pouţito procesních kapalin.

Přehled zvolených nástrojů pro obrábění je uveden v tabulce 2.7. Tab. 2.7 Nástroje zvolené pro obrábění dílu. Pozice Název nástroje nástroje Fréza hrubovací ø 40 mm T1 VBD Fréza dokončovací ø 40 mm T2 VBD T3

Fréza monolitní ø 10 mm

T4

Vrták ø 6,8 mm

T5

Vrták ø 8,5 mm

Výrobce

Označení výrobce

Materiál SK

Seco tools

Superturbo R220.6912 XOMX 120408 TRM12

MP2500

GG 3042

HPC TiAIN

Holex 11400

Provozní výpočty: Pro výpočet řezných podmínek a strojních časů u jednotlivých nástrojů byly pouţity následující vztahy: vc = π · D · n ·10-3 [m·min-1]

(2.1)

f = z · fz

[mm]

(2.2)

vf = f · n · 10-3

[m·min-1]

(2.3)

tas = L/vf

[min]

(2.4)

kde:


FSI VUT

List

17

vc [m·min-1] - řezná rychlost, vf [m·min-1] - posuvová rychlost, n [min-1] - otáčky nástroje, D [mm] - průměr nástroje, f [mm] - posuv na otáčku, fz [mm] - posuv na břit, L [mm] - dráha nástroje, z [-] – počet zubů. Vzorový výpočet otáček vřetene pro frézu ø 40 mm: Zadané hodnoty: D=40 mm, vc=230 m·min-1 n=

230 .1000 3,14 .40

= 1990 ≅ 𝟏𝟖𝟎𝟎 min-1

Vzorový výpočet posuvu pro frézu ø 40 mm: Zadané hodnoty: z=5, n=1800, f=0,08 mm vf = 1800 · 5· 0,08 = 720 mm·min-1 2.3.6 Sled operací Obrobení dílu na vertikálním obráběcím centru bude provedeno na dvě upnutí, programy pro obrábění jsou jiţ vytvořeny předem pomocí CAD/CAM v programu Pro Engenieer. Po řádném upnutí a najetí nulových bodů, budou postupně pomocí nástrojů usazených v zásobníku provedeny tyto operace (tab. 2.8): Tab. 2.8 Nástroje pro jednotlivé operace. Strana 1 Pozice Operace nástroje T1 Hrubování - fréza ø 40 mm T2 Dokončování - fréza ø 40 mm T3 Dokončování - fréza ø 10 mm Strana 2 Pozice nástroje T1 T2 T3 T4,T5

Operace Hrubování - fréza ø 40 mm Dokončování - fréza ø 40 mm Dokončování - fréza ø 10 mm Vrtání - vrták 6,7 mm; 8,5 mm

Obrázek č. 2.5 2.6 2.7 Obrázek č. 2.8 2.9 2.10 2.11


FSI VUT

18

Hrubování - fréza ø 40 mm

Strana 1 Pozice nástroje 1

List

vc

n

vf

ap

L

tas

[m.min-1]

[min-1]

[mm.min-1]

[mm]

[m]

[min]

230

1800

720

3

114.5

69

Obr. 2.5 Model hrubovací operace. Nalevo odebraný materiál, napravo dráha nástroje.

Dokončování - fréza ø 40 mm vf ap


vc

n -1

[m.min ] 280

-1

[min ] 2500

-1

[mm.min ] 600 - 1000

[mm] 0,05 - 1,5

L

tas

[m] 109

[min] 31

Obr. 2.6 Dokončovací operace. Odebrání přídavku 1,5 mm po hrubování.


FSI VUT

List

19

Dokončování – monolitní fréza ø 10 mm

Strana 1 Pozice nástroje

vc

n

vf

ap

L

tas

[m.min-1]

[min-1]

[mm.min-1]

[mm]

[m]

[min]

3

200

6000

600

1,5

3,4

3

Obr. 2.7 Dokončení zahloubení 1,5 mm a „načnutí“ dráţky šířky 14 mm.

Hrubování - fréza ø 40 mm vf ap


vc

n -1

[m.min ] 220

-1

[min ] 1800

-1

[mm.min ] 600

[mm] 3

Obr. 2.8 Hrubovací operace.

L

tas

[m] 43,2

[min] 38


FSI VUT

2

20

Dokončování - fréza ø 40 mm


List

vc

n -1

[m.min ] 280

vf -1

[min ] 2500

-1

[mm.min ] 600 - 1000

ap

L

tas

[mm] 0,05 – 1,5

[m] 90,2

[min] 27

Obr. 2.9 Dokončování.

Dokončování–monolitní fréza ø 10 mm


vc

n

vf

ap

L

tas

[m.min-1]

[min-1]

[mm.min-1]

[mm]

[m]

[min]

3

200

6000

600

1,5

18,9

8

Obr. 2.10 Dokončení dráţky šířky 14 mm.


FSI VUT

4 5

21

Vrtání otvorů 6,7 mm a 8,5 mm


List

ø vrtáku

vc

n

f

L

tas

mm

[m.min-1]

[min-1]

[mm]

[mm]

[min]

6,7 8,5

30 30

2000 1800

0,07 0,07

112 115

1 1,2

Obr. 2.11 Vrtání otvorů.

Provedení závitů M8 a M10 bude provedeno jako ruční operace. Na obráběcím centru je sice moţné závitování pomocí funkce G84.1 (závitování „na tvrdo“) provést, šance na zalomení závitníku je ale výrazně vyšší neţ u ručního závitování. Zahloubení otvorů ø10 x 15mm bude provedeno záhlubníkem na sloupové vrtačce VR20. 2.4 Technicko - ekonomické zhodnocení Částečné porovnání CNC technologie s klasickou konvenční a spotřeba času jsou náplní této kapitoly. 2.4.1 Časová náročnost Výsledný strojní čas tas je moţné vypočítat ze vztahu (2.3) z kapitoly 2.2.3. Protoţe však fréza vykonává během frézovacího procesu nemálo interpolačních pohybů, byl by ruční výpočet obtíţný. Bude proto dále počítáno s hodnotami generovanými simulačním programem (tab. 2.8). Tab. 2.8 Celkový strojní čas. Celkový strojní čas tas [min] Strana 1 Strana 2 Celkem

103 76 179

Jestliţe jsou k výslednému času při sériové nebo hromadné výrobě připočítávány další časy v podobě nezbytné přípravy a výměny nástrojů, označované jako tav, při výrobě kusové celkový čas dále narůstá a je velmi obtíţné tento čas předem stanovit a vţdy záleţí na konkrétním typu vyráběného dílu a šikovnosti obsluhy. Nezbytná je téţ neustálá kontrola prováděných operací vzhledem k tomu, ţe i malé zaváhání při finálních operacích v podobě špatně vyvrtaného otvoru nebo odfrézované plochy můţe zhatit někdy i

FSI VUT


List

22

několikadenní práci. K celkovému času pro výrobu upínacího přípravku (CAD/CAM, úhlování dílu, strojní čas, ruční operace) bylo nutné přičíst ještě čas, nazvaný jako manipulační, který narostl o přibliţně 30 %. Pro cenovou kalkulaci je proto moţné vycházet z celkového času výroby 583 minut (tab. 2.9). Tab. 2.9 Celkový čas výroby upínacího rámu. Celkový čas výroby [min] Příprava CAD/CAM 150 Úhlování polotovaru 60 Strojní čas tas 179 Ruční operace dokončovací 60 Manipulační čas 135 Celkem 583

2.4.2 Celkové posouzení Výroba upínacího přípravku byla zpracována pouze jedním způsobem výroby, a to pomocí obráběcího centra VMC 760. Klasické konvenční stroje mají sice v oblasti kovovýroby stále svoje místo a určité výhody jako např. snadnější ovládání nebo menší spotřebu energie, pro výrobu upínacího rámu by se ale výroba na konvenční frézce FA3 nevyplatila. Jen samotné odfrézování boků na upínacím rámu nástrojovou frézou o průměru 100 mm by znamenalo spotřebu času přibliţně 40 minut. K tomuto času je dále nutné připočítat ještě obrobení druhého boku s odlišným rádiusem (obr. 2.11 a tab. 2.10).

Obr. 2.11 Odfrézování boků dílu při pouţití čelní válcové frézy na klasickém stroji.


FSI VUT

List

23

Tab. 2.10 Parametry frézy při vyuţití konvenční technologie. Nástrčná čelní válcová fréza ø 100 mm [2]

vc

n

vf

ap

L

tas

[m.min-1]

[min-1]

[m.min-1]

[mm]

[m]

[min]

25

80

80

3

2,9

39


FSI VUT

3

List

24

NÁVRHY A VYLEPŠENÍ

Nezbytnou součástí kaţdé zakázky by měla být snaha o její zefektivnění, nejinak tomu je i v případě kusové výroby, potaţmo upínacího rámu. Následné moţné úpravy volbou vhodnějšího polotovaru a optimalizací frézovacího nástroje mohou při další zakázce sníţit výrazněji dobu frézování a opotřebení nástrojů. 3.1 Konstrukční úprava polotovaru Největší pozornost při hledání vyšší efektivity je věnována nejdelší první operaci hrubování při délce trvání 69 minut. Na obr. 3.1 je spolu se stávajícím řešením znázorněn model návrhu polotovaru, který by jako výpalek dokázal zkrátit dobu frézování a sníţit celkový odběr materiálu. Takto upravený polotovar by zároveň znamenal úsporu nástrojů při frézování (obr. 3.1).

Obr. 3.1 Návrh úpravy polotovaru.

3.2 Optimalizace operace hrubování Druhou moţností, jak zkrátit operaci hrubování je moţná investice do nákupu hrubovací frézy o průměru 80 mm např. od firmy Pramet tools s.r.o. (tab. 3.3). Tato fréza s kruhovými břitovými destičkami by se svými parametry dokázala urychlit operaci hrubování o přibliţně o polovinu. Časová úspora v tomto rozsahu je jiţ zajímavá i pro kusovou výrobu. Vţdy je však nutné zváţit investici do nového nástroje, kdy se často jedná o investici v řádech desítek tisíc korun. Tab. 3.2 Parametry stávajícího řešení. Hrubovací fréza ø 40 mm – Seco Tools Superturbo R220.69-12 [7]

vc

n

vf

ap

L

tas

[m.min-1]

[min-1]

[m.min-1]

[mm]

[m]

[min]

200

2000

600

3

114,5

69

Tab. 3.3 Parametry vylepšeného řešení. Hrubovací fréza ø 80 mm Pramet SCMORD [5]

vc

n

vf

ap

L

tas

[m.min-1]

[min-1]

[m.min-1]

[mm]

[m]

[min]

250

1000

2450

2

78,9

29

FSI VUT

4


List

25

DISKUZE

Výroba upínacího rámu byla zpracována pouze s vyuţitím obráběcího centra a celková časová náročnost z kapitoly 2.4.1 činí 583 minut. Zpracování výroby klasickou technologií se nerealizovalo především z těchto důvodů: -

výraznější nárůst času a pracnosti oproti CNC výrobě,

-

nutná investice do čelních válcových fréz pro obrábění boků rámu,

-

nutná investice do naklápěcích svěráků pro obrobení šikmých ploch.

Celková cena výroby rámu při průměrné hodinové sazbě malé firmy můţe při časové spotřebě 583 minut činit přibliţně 6 000 - 8 000,- Kč. Významnou část ceny tvoří pouţité nástroje, při jejichţ výběru je významné zváţit poměr cena/výkon (tab. 4.1). Tab. 4.1 Porovnání cen nástrojů. Varianty pouţitých nástrojů Levnější typ nástrojů Draţší typ nástrojů Nástroj Počet ks Cena Nástroj Počet ks Cena 3 8500,- Fréza 3 16500,Fréza 2 80,- Vrtáky 2 3305,Vrtáky 2 750,- Závitníky 2 1500,Závitníky 9330,- Celkem: 21305,Celkem:

Všechny pouţité postupy, metody a nástroje byly vybrány především s ohledem na výrobní moţnosti malé provozovny firmy Okac. Zřejmou nevýhodou malých firem je často nemoţnost vyuţívání nejmodernějších technologií, potaţmo nástrojů z důvodu vysokých a pro mnohé firmy nedostupných investic. Při zakázkové výrobě je vţdy nutné zvaţovat, zda konkrétní zakázka je realizovatelná jak z důvodu technických moţností stroje, tak z ekonomických důvodů (pořízení potřebných nástrojů, moţnosti vyuţití stávajících). Nutnost malých firem nalézat výrobní zlepšení (někdy i za cenu improvizace) vytváří mezi malými firmami rozdíly v jejich konkurenceschopnosti a přizpůsobivosti trhu. Vyrobený upínací přípravek byl v souladu s výkresem a v dodacím termínu uvedeném na objednávce dodán zadavateli zakázky, firmě TRW Dačice, a.s.. Vzhledem k oboustranné spokojenosti obou zúčastněných stran je moţné očekávat v budoucnu další spolupráci v oblasti výroby přípravků.

FSI VUT


List

26

ZÁVĚR Hlavním důvodem pro výběr tématu bakalářské práce „Vertikální obráběcí centrum a zakázková CNC technologie“ byla vlastní zkušenost autora s touto problematikou. Autor v této práci vychází z pozice majitele malé firmy zaměřené na podnikání v oblasti kovovýroby. Obsah práce je z velké části čerpán z vlastních podnikatelských zkušeností. Zároveň můţe poslouţit i jako porovnání s výrobou sériovou, se kterou je dnes moţné se setkat přeci jen častěji. První část práce byla zaměřena na situaci malých firem, jejich význam a potřebu pro společnost nejenom ekonomickou, ale i sociální. Dalším tématem pak bylo napojení na větší firmy, na kterých jsou malé firmy velmi často závislé. Po představení strojového parku firmy Okac byly prozatímní závěry ověřeny na výrobě upínacího rámu, který v praxi firma TRW Dačice a.s. (zadavatel zakázky) pouţívá jako nosnou konstrukci řízení při simulovaném zkušebním testu nárazové zkoušky. Snaha o zpracování výrobního postupu jak na obráběcím centru, tak pomocí klasických strojů se v práci nerealizovala v plném rozsahu, neboť posuzovaný díl se pro konvenční výrobu zásadně nehodí. Pro porovnání byla vypracována ukázka operace hrubování části dílu na konvenčním stroji, na kterém je vysoká časová náročnost jasně zřetelná. Vyhodnocení technologičnosti konstrukce, volby polotovaru, upínání, nástrojů a samotné výroby se tak jiţ realizoval pouze s ohledem na obráběcí centrum VMC 760, na kterém je díl s pomocí CAD/CAM snadněji vyrobitelný. V závěrečné kapitole byla navrţena dvě moţná vylepšení celkového výrobního procesu, která by mohla přispět ke zvýšení efektivnosti výroby. Především volba vhodnějšího polotovaru by znamenala výraznější úsporu oproti stávajícímu řešení.

FSI VUT


List

27

SEZNAM POUŢITÝCH ZDROJŮ 1. CZ FERRO - STEEL, spol. s.r.o. ČSN 11373 – nelegovaná ocel obvyklých jakostí pro konstrukce [online]. Napajedla. Dostupné z: http://www.czferrosteel.cz/pdf/tyce-11373.pdf 2. Hoffmann Group. Virtuální katalog produktů. Hoffmann Group - Vše pro profesionální obrábění. [Online] 2011/2012. Dostupné z: http://www.hoffmanngroup.com/fileadmin/user_upload/1_International/catalog/cs/BK_Band1_cs/blaette rkatalog/index.html. 3. HUMÁR, A. Materiály pro řezné nástroje. Praha: MM publishing, 2008, 235 s. ISBN 978-80-254-2250-2. 4. KOCMAN, K., PERNÍKÁŘ, J. Ročníkový projekt II - obrábění.Studijní opory pro kombinovanou formu bakalářského studia v oboru 23-07-7 Strojírenská technologie. [Online] Brno: VUT-FSI, Ústav strojírenské technologie, 2002. Dostupné z: http://ust.fme.vutbr.cz/obrabeni/opory-save/RocnikovyProjekt_IIobrabeni.pdf. 5. Pramet Tools,s.r.o. Katalog obrábění [online]. Šumperk. Dostupné z: http://www.pramet.com/indexc1b6.html. 6. RUMÍŠEK, P. Mechanizace a automatizace. Brno: VUT v Brně, Fakulta strojního inţenýrství, 2002. 7. Seco Tools CZ,s.r.o. Katalog produktů [online]. 2012. Vyd. Brno. Dostupné z: http://www.secotools.com/CorpWeb/Downloads/seconews2_2011/MN/milling/Mil ling_2012_CZ_LR.pdf 8. VEBER, J. Podnikání malé a střední firmy. 2., aktualiz. a rozš. vyd. Praha: Grada, 2008, 311 s. ISBN 978-80-247-2409-6. 9. ZPS, a.s. Návod k instalaci, obsluze a údržbě pro vertikální obráběcí centrum VMC 760. Zlín, 1997. 10. NOVOTNÝ, J. Návod k používání sloupové pásové pily na kov PNS 230. Jihlava, 2004.


FSI VUT

List

SEZNAM POUŢITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ Zkratka

Jednotka

Popis

CVD

[-]

Chemical Vapour Deposition

HRA

[-]

Tvrdost dle Rockwella

SK

[-]

Slinutý karbid

Symbol

Jednotka

A

[%]

ap

[mm]

Šířka záběru ostří

D

[mm]

Průměr nástroje

f

[mm]

Posuv na otáčku

fz

[mm]

Posuv na zub

km

[%]

L

[mm]

Dráha nástroje

n

[min-1]

Otáčky vřetene

Re

[Mpa]

Mez kluzu

Rm

[Mpa]

Pevnost v tahu

tas

[min]

Jednotkový strojní čas

vc

[m.min-1]

Řezná rychlost

vf

[m.min-1]

Rychlost posuvu

Vo

[mm3]

Objem obrobku

Vp

[mm3]

Objem polotovaru

z

[-]

Počet zubů nástroje

Popis Taţnost

Stupeň vyuţití materiálu

28


FSI VUT

SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1 Příloha 2 Příloha 3 Příloha 4 Příloha 5 Příloha 6 Příloha 7

Výkres součásti Výkres polotovaru Technická data k obráběcímu centru VMC 760 Přehled M kódů Přehled G kódů Technická data k pásové pile PNS 160 Ukázka programu pro CNC obrábění

List

29

PŘÍLOHA 1 (1/2) Výkres součásti.

PŘÍLOHA 1 (2/2) Detail výkresu součásti.

PŘÍLOHA 2 Výkres polotovaru.

PŘÍLOHA 3 Technická data k obráběcímu centru VMC 760 [9].

PŘÍLOHA 4 Přehled M kódů [9].

PŘÍLOHA 5 Přehled G kódů [9].

PŘÍLOHA 6 Technická data k pásové pile PNS 230 [10].

PŘÍLOHA 7 Ukázka programu pro CNC obrábění. N01 T2M6 N02 ; / TRW RAM 99566997 N03 ; / STRANA 1 N04 ; / FR 40 Rb 0,8 DOKONCOVANI N05 G94 m3 s3000 N06 G1 X-185.15 Y-7.057 Z3. F10000 N07 Z-43. N08 Z-45. F500 N09 X-145.35 N10 Y-11.833 N11 X-93.35 N12 Y-45.833 N13 X-58.299 N14 Y31.718 N15 X-93.35 N16 Y-2.282 N17 X-145.35 N18 Y-7.057 N19 X-185.15 N20 Z3. F10000 N21 X-154.75 Y-9.232 N22 Z1.8 N23 Z-1.5 F1000 N24 G3 X-149.75 Y-14.232 I-149.75 J-9.232 N25 G1 X-103.818 N26 Y-62.633 atd. …… …… …… …… N2082 Z-35. F5000 N2083 G3 X147.321 Y103.571 I154.392 J110.642 F1000 N2084 G1 X157.821 Y93.071 N2085 G3 X171.963 Y93.071 I164.892 J100.142 N2086 G1 Z-8. F5000 N2087 X147.321 Y117.714 F10000 N2088 Z-34. N2089 Z-36.3 F5000 N2090 G3 X147.321 Y103.571 I154.392 J110.642 F1000 N2091 G1 X157.821 Y93.071 N2092 G3 X171.963 Y93.071 I164.892 J100.142 N2093 G1 Z3. F5000 N2094 M5 N2095 G01 Z150 F10000 N2096 G01 Y100 N2097 M02

VERTIKÁLNÍ OBRÁBĚCÍ CENTRUM A ZAKÁZKOVÁ CNC TECHNOLOGIE

Recommend Documents