VÝROBA VELMI PŘESNÝCH DĚR A JEJICH VZÁJEMNÉ POUZDŘENÍ V KOMBINACI RŮZNÝCH MATERIÁLŮ SVOČ – FST 2009 Pavel Motyčák, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Hlavním cílem této práce je vytvořit ucelený soubor informací o problematice výroby velmi přesných otvorů současně do dvou různých materiálů. Jedná se o kombinace duralu a nerez oceli nebo titanu a nerez oceli. Tato práce se zabývá řešením součásti, která byla zadána společností AERO Vodochody a. s. Jedná se o přepážku zabudovanou na křídlech letadel a je jí veden hřídel na brzdící klapky. Díl je zhotovnen ve 14 různých variantách provedení. Při výrobě samotných dílů byla zjištěna řada nedostatků, jak u samotného těla součásti, vyráběného v rámci kooperace, tak při výrobě otvorů. Jedná se především o rozměrovou nepřesnost, problémy s jakostí, o nedodržení válcovitosti, zastaralou technologii a s tím i související výrobní časy. Samotná práce se zabývá řešením jednoho tvarového představitele. Cílem praktické části je navrhnout optimální řešení pro zkvalitnění výroby a zvýšení efektivity obrábění pro jednoho daného představitele. KLÍČOVÁ SLOVA Kombinace materiálů, produktivní nástroje, vrtání, vnitřní chlazení, optimalizace variant ÚVOD Společnost AERO Vodochody a. s. se zabývá zejména vývojem, výrobou, prodejem a servisem letadel a leteckých celků v oblasti vojenské i civilní letecké techniky. Společnost navazuje na tradice firmy Aero - továrna letadel, založené v roce 1919, a řadí se tak mezi nejstarší výrobce letecké techniky na světě. V současné době je největším výrobcem letecké techniky v České republice a historicky největším výrobcem proudových cvičných letadel na světě. 1. VYRÁBĚNÁ SOUČÁST Společnost si sama nebo pomocí kooperace vyrábí i díly, s jedním takovým se setkávám ve své práci. Jedná se o přepážku, u které mají být vyvrtány velmi přesné otvory do materiálu o toleranci H7. Do těchto otvorů jsou následně nalisována pouzdra. Díl je již vyráběn (obr. 1-1, obr. 1-2, obr. 1-3) ve 14 různých variantách výroby, které mají buď tvarové, rozměrové odlišnosti nebo se jedná o kombinaci různých materiálů. Při výrobě samotných dílů byla zjištěna řada nedostatků, jak u samotného těla součásti, tak při výrobě otvorů. Jedná se především o rozměrovou nepřesnost, o problémy s jakostí, o nedodržení válcovitosti, zastaralou technologii a s tím i související výrobní časy.
Obr. 1 - 1: Součást
Obr. 1 - 2: Titanový díl
Obr. 1 - 3: Duralový díl
2. POSTUP VÝROBY OTVORŮ NA SOUČÁSTECH Díl se před sestavením zkontroluje dle materiálového listu. Očistí se díra v kování i pouzdro a nanese se antikorozní pasta. Následně se nalisuje pouzdro dle výkresové dokumentace při teplotě 190 °C a po dobu 3 minut. Po zalisování pouzdra se nechá 30 minut v běžné teplotě a pak se přesune na vyvrtávačku WH10 CNC (obr. 2 - 1), kde následuje upnutí dílu do přípravku.
Obr. 2 - 1: Vyvrtávačka WH10 CNC [1]
Obr. 2 - 2: Obrábění dílu upnutého v přípravku
Dosedací plochy přípravku a dílu musí být pečlivě očištěny od nečistot a odmaštěny (obr. 2 - 3). Poté se ustaví díl do přípravku pomocí středícího čepu a lehce se zajistí upínkami (obr. 2 - 4). Zkontroluje se, zda jsou upínky ve správné poloze, aby nedošlo k poškození dílu. Ten se musí vyrovnat vůči vřetenu stroje s co největší přesností. Po vyrovnání dílu se postupně střídavě utahují upínky.
Obr. 2 - 3: Díl upnutý v přípravku mimo stroj
Obr. 2 - 4: Upnutí dílu pomocí trnu
Dále se upne do vřetene snímací sonda, kterou dojde k naškrtání velkého otvoru a boční hrany dílu. Sonda eliminuje nákladné prostoje stroje a zmetkovitost související s ručním nastavováním a kontrolou. Ruční nastavování nástrojů, ustavování obrobků a kontrola dílců jsou časově velmi náročné operace, které jsou náchylné na chyby obsluhy.
Použití sondy snižuje náklady na seřizovače nástrojů, drahé upínače. Snímání je rychlé a spolehlivé, přičemž odchylky stroje lze automaticky upravit. Software sondy automaticky kompenzuje délku a průměr nástroje, polohu obrobku a rozměrové chyby. Poté se dostáváme ke zhotovení otvorů na požadovanou toleranci. Nejdříve se protočí velký otvor na Ø 34 H7 pomocí digitální vyvrtávací hlavy. Následuje výroba bočních průchozích otvorů Ø 14 H7. V první fázi se navrtá součást navrtávacím vrtákem. Dále následuje vyvrtání vrtákem o Ø 7 mm a následně Ø 13,5 mm. Vždy kus otvoru nástroj vyvrtá a vyjede ze záběru, aby tříska nepoškodila povrch otvoru a boky součásti. Před samotným vrtáním do oceli vyjede nástroj ze záběru z důvodu snížení otáček a posuvu. Pro dosažení tolerance H7 dojde k výslednému vyhrubování a vystružení otvorů. Celkový čas stanovený na kompletní výrobu otvorů na jednom dílu je 50 minut. 3. VARIANTNÍ NÁVRHY ŘEŠENÍ Pro zajištění cílů, kterými je zkvalitnění výroby a zvýšení efektivity obrábění u daných dílů lze navrhnout několik variant řešení. Pro samotné zvýšení kvality a efektivity obrábění se v současné době nabízí nové produktivní nástroje s vnitřním chlazením. Vnitřní chlazení je metodou, která přináší výrazné zvýšení výkonu obrábění. Při vrtání je vnitřní chlazení upraveno tak, že řezná kapalina je přiváděna otvory v tělese nástroje až do místa řezu. Vnitřní chlazení zlepšuje drsnost obrobené plochy a zvyšuje trvanlivost nástroje. Při tomto způsobu chlazení je nutno zajistit dokonalé čištění řezné kapaliny. Zároveň musí být vybaven stroj chlazením osou vřetena. Jelikož stávající stroj není uzpůsoben k chlazení osou vřetena, nabízí se hned jedna z variant. Touto variantou je použití upínačů s vnitřním chlazením. Není však jasné, zda stroj vyhoví výkonnostním parametrům a zároveň by bylo nutno vyřešit zakrytování stroje. Z tohoto důvodu se nabízí dále automatizace stávajícího stroje nebo pořízení nového obráběcího centra a zároveň využití nových produktivních nástrojů. Varianta A Upínače s vnitřním chlazením
Obr. 3 - 1: Externí chlazení [2]
Obr. 3 - 2: Upínače s vnitřním chlazením [10]
Varianta B Automatizace stávajícího stroje •
Zakrytování stroje pro komplexní řešení vodního a třískového hospodářství
•
Vybavení stroje chlazením osou vřetena
•
Vybavení stroje zásobníkem nástrojů s manipulátorem Obr. 3 - 3: Schéma WH10 CNC(stávající stroj)
Krytování stroje: Ochranné krytování pracovního prostoru stroje slouží k zamezení odletu třísek a rozstřiku chladící kapaliny mimo pracovní prostor stroje (zejména u strojů vybavených chlazením osou vřetena). Krytování pracovního prostoru sestává ze snímatelné plechové kabiny s průhledy, spočívající na sběrné vaně, připevněné na saních pracovního stolu, s kterými kabina pojíždí. Konstrukce kabiny je zpevněna ocelovými nosníky a konzolemi. Plášť kabiny je vytvořen z ocelového plechu tloušťky 1,5 mm a výplně průhledů jsou řešeny tabulemi z kvalitního čirého plastu. Co se týká ručně ovládaných dveří, ty jsou provedeny jako skládací posuvné a jsou vybaveny magnetickými jistícími zámky. Zámek dveří s ručním otvíráním zastaví v případě otevření dveří za provozu okamžitě chod stroje. Odvod chladící kapaliny a třísek ze zakrytovaného pracovního prostoru stroje je řešen vyspádovanou vanou, která navazuje na standardní prvky odvodu chladící kapaliny a třísek. Plné krytování je nezbytné při vybavení stroje zařízením pro chlazení středem vřetena.
Obr. 3 - 4: Schéma krytování stroje ze 2/3 [3]
Obr. 3 - 5: Schéma standardního krytování stroje [3]
Chlazení osou vřetena: Zařízení pro chlazení nástrojů je určeno jako zvláštní technologické příslušenství pro vodorovné vyvrtávačky. Slouží k chlazení nástrojů s přívodem chladicí kapaliny osou pracovního vřetena (chlazení osou vřetena). Regulace tlaku chladicí kapaliny přiváděné do osy vřetena se děje ručně nebo automaticky změnou otáček čerpadla. Samotné chladicí zařízení sestává ze sběrné nádrže na chladicí kapalinu s vestavěným čerpadlem dodávajícím kapalinu ke stroji, s filtračním zařízením okruhu osového chlazení a s odlučovačem oleje z chladicí kapaliny, ze samostatné přečerpávací jednotky dopravující kapalinu ze sběrné jímky do sběrné nádrže a z části umožňující dopravu kapaliny až do osy vřetena. Zařízení pro automatickou výměnu nástrojů:
Obr. 3 - 6: Řetězový zásobník [3]
Obr. 3 - 7: Meandrový zásobník [3]
Varianta C Nový stroj Obráběcí centrum DMU 125 FD duoBLOCK
Obr. 3 - 8: DMU 125 FD duoBlock [4] 5osé řešení bez limitů (vhodná kombinace pro každou aplikaci) Osa B •
Maximální stabilita díky obrábění v blízkosti středu naklápění
•
Planetová převodovka pro klidný chod a nejlepší kvalitu povrchu
•
Upínání SK50/HSK-A100 od rozjezdu 800 mm
•
Ve spojení s duoBlock maximální dynamika u 5osého frézování, vynikající kvalita povrchu Obr. 3 - 9: B-osa, otočná frézovací hlava [4]
Osa A •
Velké úhly obrábění
•
5osé obrábění, negativní úhel až 30°
•
5osé simultánní frézování i ve spojení s upínací věží (přitom velmi dobrý odvod třísek)
•
Ideální kinematika stroje
Obr. 3 - 10: 5-osé obrábění, A-osa [4] NC naklápěcí otočný stůl; •
Optimální odvod třísek díky horizontálnímu vřetenu
•
Velmi vhodný pro obrábění negativních úhlů
•
K dodání i s rychlým otočným výměníkem palet
Obr. 3 - 11: NC naklápěcí otočný stůl [4]
4. PRODUKTIVNÍ NÁSTROJE Na výrobku je tolerance otvorů H7 a drsnost je zde 1,6 µm. Všeobecně tolerance H7 je dosažitelná pomocí vystružování, kdy touto metodou obrábění zajistíme i požadovanou drsnost otvorů. Proto bych navrhoval nejdříve předvrtání otvorů nástroji s vnitřním chlazením a zanechání přídavku na vystružování 0,2 – 0,3 mm v závislosti na požadovaném průměru díry a obráběném materiálu. Navržené řezné podmínky pro zvolené nástroje [5, 6, 7]: Nástroj
Firma
Průměr nástroje [mm]
Monolitní karbidový vrták Iscar
13,7
Obráběný materiál
Řezné podmínky
dural
vc = 150 m/min f = 0,35 mm/ot
titan
vc = 40 m/min f = 0,08 mm/ot
nerez ocel
vc = 35 m/min f = 0,08 mm/ot
dural titan nerez ocel
vc = 10 m/min f = 0,18 mm/ot
dural
vc = 170 m/min f = 0,3 mm/ot
titan
vc = 40 m/min f = 0,12 mm/ot
nerez ocel
vc = 40 m/min f = 0,08 mm/ot
dural titan nerez ocel
vc = 10 m/min f = 0,2 mm/ot
dural
vc = 220 m/min f = 0,56 mm/ot
titan
vc = 45 m/min f = 0,18 mm/ot
nerez ocel
vc = 45 m/min f = 0,1 mm/ot
Monolitní karbidový výstružník Iscar
14
Vrták CoroDrill Delta – C SANDVIK Coromant
13,8
Výstružník - Reamer 830 SANDVIK Coromant
14
Monolitní karbidový vrták Gühring
13,8
Monolitní karbidový výstružník Gühring
14
dural titan nerez ocel
vc = 10 m/min f = 0,22 mm/ot
Gühring
8
nerez ocel
vc = 60 m/min fz = 0,027mm/zub
RF 100 F - Ratio fréza
Co se týká problematiky vrtání dvou různých materiálů, je možné nejdříve odvrtání té části dílce, kde je materiálem dural nebo titan. To lze provést za určitých řezných podmínek a následně je změnit pro část z nerezové oceli. Pro duralovou část je vhodné volit vyšší řezné rychlosti a posuvy, než pro titan a nerez ocel. Jak jsem již zmínil, jedná se o nástroje s vnitřním chlazením, kde pro danou kombinaci materiálů navrhuji koncentraci chladicího média min. 8 – 12 % a tlak min. 10 Bar. Co se týká řezných podmínek pro vystružování, ty jsou daleko nižší než u vrtání. Obecně lze říci, že zvyšováním řezné rychlosti u vystružování se zvětšuje průměr vystružené díry a zhoršuje se její geometrická přesnost, snižuje se trvanlivost břitu. Snížení řezné rychlosti přináší opak, tj. zlepšení geometrie otvoru a prodloužení trvanlivosti břitu nástroje Dále je nutné počítat u vystružování s tím, že při použití řezného oleje jako chladicího média se zvětší průměr obrobené díry cca o 0,01 mm, zhoršuje se drsnost opracovaného povrchu a zlepšuje se trvanlivost břitu nástroje.Oproti tomu při použití chladicí emulze, se zmenšuje průměr obrobené díry až o 0,03 mm (lze řešit větší koncentrací chladicí emulze), zlepšuje se drsnost, ale snižuje se trvanlivost břitu nástroje. Ohledně problematiky zhotovení otvorů dvou různých materiálů se nabízí též varianta, kde by nejdříve došlo k odvrtání duralové nebo titanové části vrtákem s vnitřním chlazením. Následně by se použila fréza, kterou by se vyrobily otvory do ocelového nerezového pouzdra, kde by došlo k odfrézování po šroubovici. Na závěr by se opět vystružily oba materiály najednou. 5. EKONOMICKÉ ZHODNOCENÍ Během své práce jsem po dlouhém zvažování a po mnoha konzultacích s lidmi z praxe, navrhl tři metody, které by se daly použít při výrobě dané součásti. Jedná se o variantu upínače s vnitřním chlazením, kterou jsem ale ihned zamítl vzhledem k tomu, že stávající stroj nemá vyhovující výkonnostní parametry a stejně by se muselo vyřešit zakrytování stroje. Dalšími variantami tedy jsou automatizace stávajícího stroje a pořízení nového obráběcího centra, samozřejmostí je, že by se při obou variantách využívaly nové produktivní nástroje. Obě tyto varianty jsem postupně propočítal a zjistil, za jakou dobu by se vrátila investice, která se vložila do pořízení nového stroje nebo do automatizace stávajícího stroje (tj. krytování, zásobník, apod.). Zároveň jsem zjistil, kolik by stroje, upravené dle zmíněných variant, vyrobily dávek za rok. Jedna dávka v tomto případě znamená, že se vyrobí 10 kusů. Samozřejmě, že nemohu přesně říci, kolik duralových či titanových kusů se za rok vyrobí, proto jsem u obou variant tyto možnosti rozšířil jak pro stoprocentní výrobu titanových, stoprocentní výrobu duralových součástí, ale spočítal jsem ji i pro možnost, že výroba titanových výrobků bude zabírat 1/3 výroby a zbytek bude obsahovat výrobu duralových součástí. Toto hledisko je pouze orientační, neboť každý rok může být poptávka po těchto dvou druzích součástí procentuálně jiná. Současný stroj, který je na pracovišti, vyrobí za rok 426 dávek. Využitelný efektivní časový fond je 5 120 hodin.
Varianta
Automatizovaný stroj
Nový stroj
Pořizovací cena
4 mil. Kč
10 mil. Kč
Díly
duralové
titanové
1/3 titanové + duralové
duralové
titanové
1/3 titanové + duralové
Výrobní kapacita [dávka/rok]
912
874
904
1002
947
978
Návratnost [roky]
3
4,84
3,41
4,8
6,6
5,33
6. ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Práce si kladla za cíl zhodnotit stávající část výroby výše uvedených dílů ve společnosti AERO Vodochody a. s. a navrhnout řešení zvýšení efektivity a produktivity obrábění těchto dílů. Jednalo se především o současné zhotovení otvorů do dvou různých materiálů. Po provedené analýze a bližším zkoumání bylo zjištěno, že při návrhu nových produktivních nástrojů s vnitřním chlazením je nevyhovující stávají stroj, na kterém je současná výroba otvorů prováděna. Proto byly navrženy 3 varianty, které by se daly využít pro danou oblast. První variantou, která se hned nabízela, byly upínače s vnitřním chlazením. Avšak hned v zápětí byla zamítnuta, protože by se muselo vyřešit zakrytování stroje, jež je nezbytné pro chlazení osou vřetena, a zvýšit výkonnostní parametry stroje. Proto se rovnou přistoupilo k následujícím dvěma variantám, jimiž jsou automatizace stávajícího stroje a pořízení nového obráběcího centra. Zároveň se řešilo pořízení nových produktivních nástrojů od tří předních výrobců. Varianty byly zhodnoceny z hlediska ekonomického a technologického. Propočtem bylo zjištěno množství vyrobených dávek pro dané varianty a zároveň návratnost investice. Díky výpočtům (viz kap. 5.) se nabízí doporučení varianty automatizace stávajícího stroje z hlediska kratší doby návratnosti investice a nižší pořizovací ceny. Naopak nové centrum je schopno vyrobit ve stejném časovém fondu větší počet dávek. Z hlediska dlouhodobého plánu je doporučeno pořízení nového obráběcího centra, které lze využít pro výrobu dalších součástí. 7. PODĚKOVÁNÍ Na závěr tohoto příspěvku děkuji vedocímu DP, panu prof. Ing. Karlovi Jandečkovi, CSc. za odbornou pomoc, společnosti AERO Vodochody a. s., která mi umožnila zpracovat diplomou práci, především děkuji technologovi panu Radku Pohlovi za jeho pomoc a rady. 8. LITERATURA Internetové adresy: [1] http://www.aero.cz [2] http://www.grumant.cz/data/1210598483758Inzerat_na_Aero.pdf [3] http://www.tosvarnsdorf.cz [4] http://www.dmgczech.com/en,dmg,dmg-czech [5] http://www.coromant.sandvik.com [6] http://www.guehring.cz [7] http://www.iscar.cz Knižní publikace: [8] Příručka obrábění, Sandvik Coromant, 1997 [9] Kleinová, J.: Ekonomické hodnocení výrobních procesů, Plzeň, 2005 Publikace v odborném časopisu: [10] Horešovský, K.: Více možností v oblasti vyvrtávání, Průmyslové spektrum, č.12, 2002
