Forgácsolt alkatrész komplex gyártástechnológiai optimalizálása
Napjainkban a fejlődő technológiák és a gyártók között kiélezett verseny megteremti a szükségességét a folyamatos fejlesztésnek, optimalizálásnak. Ennek eredménye, hogy a műszaki területen dolgozó mérnökök megvalósítsák a méretpontos és hatékony gyártást. Ez egy folyamatosan újra jelentkező feladat, mert időről időre a folyamatok kapcsán javítás, változtatás, optimalizálás szükséges. Sorozatgyártás esetén a termelt mennyiségek folyamatos növekedése és a költségek csökkentése sem teszik lehetővé, hogy selejtes terméket állítsunk elő. Ez a szemléletmód tette szükségessé az általunk vizsgált termék teljes gyártástechnológiai elemzését.
Az alkatrész a kéttömegű lendkerék szerkezetébe kerül beépítésre, amelynek elsődleges feladata a torziós lengések csökkentése [1], ezért a gyártás során a hibamentes forgácsolás és a gazdaságos megmunkálás kivitelezése a fő irányelv. A kompaktgrafitos öntöttvas megmunkálása esztergagépek alkalmazásával történik [2]. A forgácsolás paraméterei a szívós alapanyag függvényében kerülnek beállításra. Az elkészült felületek minősége függ az alkalmazott előtolás és vágósebesség kombinációtól, amelyek optimális megállapítása az esztergálási művelet kritikus lépései közé sorolhatók [3]. A gyártás során tapasztalható hibák azonosítása egyszerűen és gyorsan próbagyártások segítségével történik. Számos módszer és eszköz áll rendelkezésünkre, mint a vizuális ellenőrzés, váltólapka-tesztelések, folyamatképesség-vizsgálatok [4]. A folyamatfejlesztési intézkedések ellenőrzésére és kiértékelésére statisztikai módszereket alkalmazunk, melyeket számítógépes szoftverek támogatnak. Általánosan elvárt igény az elért eredmények minősítése, amelyek segítségével egzakt módon ítélhető meg a változtatás.
Munkánk célja a kéttömegű lendkerék másodlagos tömegének gyártási és gazdasági szempontból történő átfogó vizsgálata és optimalizálása. A változtatások nagy potenciált rejtenek magukban, amelyekkel jelentős gazdasági előnyök járhatnak, illetve rejtett kapacitások szabadíthatók fel a termelésben.
A gyártási folyamat bemutatása
Az alkatrész mindkét oldalán vannak megmunkált felületek, ezért két megfogásban történik a forgácsolás. Függőleges főorsó elrendezésű karusszel esztergán kerül a geometria kialakításra [3]. Az első felfogásban kialakul a csapágyülék és a kúpos súrlódófelület. A második felfogás a szegecselési magasság felületét hozza létre, de itt nem tapasztalható kritikus forgácsolási jellemző. Az első felfogásban a leválasztandó nagy anyagmennyiség, illetve az ebből adódó vékony geometria deformációt eredményezhet, így kritikusnak tekinthető forgácsolás szempontjából. Célszerűségből a vizsgálatokat erre az oldalra végeztük el [5]. Az 1. ábrán látható a megmunkált alkatrész kúpos súrlódó, valamint a szegecselési felülete.
1. ábra Másodlagos tömeg megmunkált felületei
Anyag és módszer
A másodlagos tömeg alapanyaga kompaktgrafitos öntöttvas (jele: GGV 30). Ez az öntvénytípus a lemezgrafitos és a gömbgrafitos öntvények előnyös tulajdonságait egyesítik, így az autóiparban is közkedvelt az alkalmazásuk. A nyersanyag 168 HBW keménységű, szilíciumkarbid (SiC)-tartalma miatt a forgácsolóélre fokozott koptató hatással van [2].
Az alkatrészen jelentkező problémák azonosításához a másodlagos tömeget egy új bevezetésre kerülő termékként elemezzük, így azok a módszerek használatosak a teljes gyártási folyamat alatt, amelyek új termék esetén is javasoltak. A vizsgálat célja a valós gyártási körülmények során jelentkező „zajok” kiszűrése a folyamatból. A problémák meghatározása folyamán három csoportra bontható hibák jelentkeztek. Az alapanyaggal összefüggésben a mikroporozitás [2], valamint a forgácsolás során az anyag képlékeny kenődése [2]. A másik csoportba sorolható tényező a forgácsolás során tapasztalható alacsony éltartam. Számos okra vezethető vissza ez a jelenség, mint például alacsony minőségű váltólapkák, helytelen forgácsolási paraméterek vagy rossz szövetszerkezeti összetétel a nyersanyag esetén. Az előbb felsorolt két csoport nehezíti a forgácsolási műveleteket, továbbá selejtes termékhez vezetnek, így mielőbbi változtatás szükséges. A harmadik csoport ettől különböző, ugyanis itt a munkaszervezés kérdése kerül előtérbe, mely inkább menedzsmentfeladat, azonban ennek megváltoztatása is műszaki alapokon kell hogy nyugodjon.
A nyersanyagon jelentkező hibák kizárólag öntödei módosításokkal javíthatók. A mikroporozitás és a képlékenység változtatása is ennek megfelelően zajlik. Ipari körülmények között ez hosszabb folyamat, mint egy forgácsolási paraméter optimalizálás, ezért ritkábban választják ezeket a változtatásokat, azonban esetünkben szükségessé vált. A megmunkáló szerszámot optimalizáló módszerek közé helyezhető a váltólapka-tesztelés folyamata, amely a megmunkálási területen, helyben elvégezhető. Ekkor a váltólapkák addig forgácsolnak, amíg az alkatrész egy jellemző mérete ki nem lép a tűrésmezőből. Ez alapján határozhatók meg az egy éllel megmunkálható alkatrészek száma, tehát az éltartam. Számos keményfém váltólapkát teszteltünk különböző gyártótól, amelyek 1,2 mm-es rádiusszal és kémiai bevonattal rendelkeznek.
A módszerek kiértékelése elkerülhetetlen a sorozatgyártási folyamatok esetén, amelyet folyamatképesség-tesztekkel hajtunk végre. A folyamat elve szerint 30 egymást követő alkatrész összes rajzi mérete kiértékelésre kerül koordináta-mérőgép segítségével. A mérés által szolgáltatott adatok számítógépes szoftver segítségével kerülnek minősítésre. Az adatokból meghatározható az a statisztikai valószínűség, amely szerint a gauss görbe normál eloszlását követve a méretek a tűrésmezőhöz képest hova rendeződnek. A szórás és variancia segítségével számolható potenciális képesség index 1,91-os elvárt értékének elérése szükséges [6].
A gyártástechnológiai folyamat során lehetőség van az egyes műveletek idejének meghatározására (gépi ciklusidő, kézi idő, sétaidő). Ezek segítséget nyújtanak az egyes változások hatékonyságának vizsgálatában (optimalizálás költségre, termelési teljesítményre). Esetünkben elsődleges a gépkezelői beavatkozások csökkentése úgy, hogy a költségek és a megmunkálási idő összességében ne emelkedjen.
Eredmények
Öntvény megmunkálásánál jellemző az alapanyag vagy a szerszám minőségének kifogásolhatósága. A korábban említett fellazult szövetszerkezet az alkatrész működő felületén, az úgynevezett súrlódó felületen, 10%-os gyakorisággal jelentkezett, amely a 2. ábrán látható.
2. ábra A súrlódó felület fellazult szövetszerkezete
A más alkatrésszel nem kapcsolódó felületeken mikroporozitás-problémák megengedettek, ha ezeknek a teljes kiterjedése nem haladja meg a 45 mm-t. A hibák gyakran a hirtelen keresztmetszet-változásoknál lépnek fel, vagyis elsősorban bemetszés keresztmetszeti átmenetein, átkötési tartományaiban keletkeznek. Az okok a szilárdulási folyamatban keresendők, amelyet a vegyi összetétel, a szemcseállapot, a lehűlési feltételek és a geometriai hatások (pl. homokperem-effektus, keresztmetszeti átmenetek) befolyásolnak. A módosítások esetén célszerű alkalmazni a Maurer-diagramot, amely segít a kívánt szövetszerkezet létrehozásában.
A forgácsolás közben jelentkező képlékenység tovább nehezíti a megmunkálást. Ezzel rontja a felületi érdességet és a minőséget, amely a selejtszámok növekedését idézi elő. Az alapanyag változtatásánál az összetétel módosításával a keménység növelését is célul tűztük ki (185 HBW-re).
Öntödei változtatás során a szén- és a szilíciumtartalom arányának változtatásával a kívánt szövetszerkezetet és hűlési körülményeket értek el. Előírás szerint maximum 40%-ig növelhető a ferrit aránya. A perlit arányának növelésével és a ferrit %-os csökkentésével valósult meg a módosítás, amely kedvezően a működő felületekről a nem működő felületekre helyezte át a felületi öntvényhibákat. A keménység változtatása, amely a gyakorlatban a hűtési sebesség csökkentését jelenti, elősegíti a grafitképződést, illetve a szilíciumtartalom növekedésével elérhető az anyag 168 HBW-ről 185 HBW-re történő keménységnövelése [7]. A mikroporozitás öntödei úton történő módosításával pozitívan változott, azaz csökkent a selejtes termékek száma.
A gyártás során a másik nehézséget a szerszámot érintő alacsony éltartam adja. A forgácsolási folyamat során négy szerszámot alkalmazunk, amelyek kialakítják a csapágyüléket, illetve a kúpos súrlódó felületet. Utóbbi esetén jelentkezett az alacsony éltartam simítás során, amit egy TNMG 160412-TT7015 típusú váltólapkával alakítunk ki. A biztonságosan alkalmazható éltartam 7 db termék megmunkálását teszi lehetővé. Jellemzően a lapkán abrazív kopás nyomai látszódnak. Az éltartam növelése céljából elvégzett váltólapkatesztekkel a megmunkálható darabszám növekedése tapasztalható. A következőben a folyamatot erre a simító szerszámra mutatjuk be, mert a termelés szempontjából ez adja a kritikus keresztmetszetet.
Az adott simítási műveletben a leghosszabb éltartamot az alábbi lapkájával értük el, az eredményeket az 1. táblázat foglalja össze.
A hatékonyságnövelés harmadik lehetősége a munkarendhez kapcsolódik. A forgácsolási megmunkálás elkerülhetetlen jelensége a váltólapkacsere, amit egy műszakon belül 25 alkalommal hajtanak végre az optimalizált éltartam végett. A párhuzamosan dolgozó gépek kétoldali szerszámcseréje csak egymást követően végezhető el, ekkor fedezhető fel az állásból származó kieső idő, amelyet a 3. ábrán láthatunk.
3. ábra Állásból származó veszteségidők azonosítása
A gép állásideje lapkacserénként 51,5 s, amely egy teljes műszak során 21,5 percet jelent a 25 lapkacsere miatt. Továbbá a 3. ábrán megfigyelhető szerszámcserék utáni méretellenőrzésből adódó kieső idő, amely szintén jelentős, 35 s kiesést jelent lapkacserénként.
Értékelés
Látszik az első táblázat alapján, hogy a TNMX 160412-WMX3210 típusú lapka teljes biztonsággal 15 darab legyártására képes. A 4. ábrán megtekinthető a javasolt lapka új és a forgácsolás utáni állapotban [8].
4. ábra Lapka új és károsodott képe
A szerszámon jellemzően kráteres kopások alakultak ki a megnövekedett forgácsoló erő hatására. A wiper típusú élkialakításnak és az öntöttvasra kifejlesztett bevonattal (WMX3210) megfelelő felületi érdesség érhető el. A lapka speciális geometriája (a felülettel párhuzamos forgácsoló él) csak nagyobb ráhagyások és leválasztandó anyagok megmunkálását segíti (általános ISO kialakításhoz viszonyítva). Ezért a lapka optimális működéséhez a forgácsolási paramétereket is változtatni kellett. Az előtolás fokozott növelésével elérhető az optimális forgácsolás, azonban el kell kerülni a lapka túlzott hőterhelését, amit a vágósebesség csökkentésével értünk el. A módosított értékek láthatóak a 2. táblázatban.
|
Elnevezés |
Kiinduló érték |
Optimalizált érték |
|
vágósebesség [m/min] |
500 |
400 |
|
előtolás [mm/ford] |
0,23 |
0,4 |
2. táblázat Forgácsolási paraméterek változtatása
A váltólapka-teszteléseket követően elvégeztük azok kiértékelését folyamatképesség-vizsgálattal, ezt szemlélteti az 5. ábra. A kiinduló állapot esetén a méretek nagy szóródása tapasztalható a kúpos súrlódó felületen. A méretek bizonytalansága mellett az éltartamok is változó értékeket mutatnak.
5. ábra Folyamatképesség-vizsgálati módszer
Az új típusú váltólapkával megfigyelhető a méretek kis szóródása, így alkalmas akár szerszámkorrekció nélkül is biztosítani a 15 db-os éltartamot, ez az állapot a 6. ábrán látható.
6. ábra Javított folyamatképesség-vizsgálati módszer
Váltólapkák alkalmazása során a paraméterek változtatása is elengedhetetlen tényező a megfelelő forgácsolási viszonyok eléréséhez. Ennek következtében a megmunkálási idő is változik. A vágósebesség csökkentése önmagában a megmunkálóprogram teljes idejének növekedését eredményezi, azonban az előtolásérték markáns változtatása a változtatott lapkára nézve 3,4 másodperc időnyereséget jelent.
Az adott simító lapka esetén hátrányos a magas egységár, amely 5,53 €/db. Azonban a súrlódó felületet megmunkáló nagyoló szerszámra tartozó kritérium szerint a simító és nagyoló lapkák éltartamának egyeznie kell az azonos időben történő csere megvalósításához minőségügyi szempontok miatt. Így az éltartam mindkét szerszám esetén 15-re növekedett, amelynek köszönhetően a magas egységár ellensúlyozva van. A nagyoló szerszámon nem jelentkezett kritikus forgácsolási hatás, így akár több mint 15 alkatrész megmunkálására is alkalmas lenne. Összességében 1711,85 €/év költség takarítható meg, mindamellett a részt vevő szerszámok egységesen tudják a 15 munkadarab legyártását. Az összességében 3%-os megmunkálásiidő-csökkenés éves szinten 97 óra gépkapacitás felszabadulását jelenti.
Munkaszervezési változtatások
Az öntvény anyagának változtatásai és az új szerszám alkalmazása lehetőséget ad egy új munkaszervezés tesztelésére is. A párhuzamosan futó megmunkálások növelik a hatékonyságot, azonban váltólapka-csere során a vele szinkronban dolgozó gépállásból származó veszteségek is megnőnek.
Sorozatgyártás idején és az éves megrendeléseket figyelembe véve szignifikáns kieső idő azonosítható. A korábbi eredmények alapot adtak arra, hogy a megmunkálási folyamat során ne kelljen a szerszámkopással foglalkozni 15 db megmunkálásáig. Továbbá a lapkacsere után a szerszám kinyúlási értékei a szerszám pontosságától függ csak. Ennek nagyságrendje eggyel kisebb, mint a gyártandó darab tűrése. Ez megadja a lehetőséget, hogy a darab ellenőrzését ne a gyártási folyamatban, hanem párhuzamosan lehessen elvégezni. Ez további időmegtakarítást jelent, az optimalizált idővonalat a 7. ábra mutatja be.
7. ábra Optimalizált idővonal
A megmunkálási folyamatok eltolása, hogy a másik gép mindig termeljen, amikor az egyik gépen lapkacserék vannak, illetve a mérés kiemelése a termelési folyamatból összesen 36 perc megtakarítást eredményezhet egy műszak során. A kiesések csökkentése növeli a gép kihasználtságát, illetve a dolgozó leterheltsége is egyenletesebb szintet mutat. Fontos megjegyezni, hogy ez a folyamat erősen függ a gépkezelőktől, vagyis az elérhető 36 perc csupán egy elvi elérhető érték. A kialakított új folyamat bevezetése még nem történt meg. Kiemelten fontos a szerszámkorrekciók nyomon követesé a bevezetés során, mert ezzel igazolható a méretellenőrzés kiemelése és párhuzamosítása.
Összefoglalás
A teljes gyártási folyamat során a változtatások hatására szignifikáns eredmények jelentkeztek. A nyersanyag csoportjába sorolható és a gyártást nehezítő problémák az egész gyártástechnológiára hatással voltak. A váltólapkatesztek kiinduló állapotából, ahol a TNMG 160412-TT7015 típusú szerszám dolgozott, 7 éltartam volt elérhető. Az optimalizált szerszámmal, amely egy wiper kialakítású TNMX 160412-WMX3210 típusú lapka, az éltartamok 15-re javultak. Az éves költségeket tekintve több megmunkálási folyamat lapkacseréjét is beleszámolva 1711,85 €/év megtakarítás érhető el.
A simító szerszám forgácsolási paramétereinek módosítása a teljes megmunkálóprogramot 3,4 másodperccel javította. Ez megközelítőleg 3%-os időcsökkenést eredményez. A kapacitásnövekedés további termékek bevezetését is elősegítheti állandó dolgozói létszám és megmunkáló gép esetén.
Gyártási folyamatok során azonosított állásból származó veszteségek kiszűrése markáns időmegtakarítást eredményezhet. Azonban fontos megjegyezni, hogy ezek a változtatások hosszú távon csak magas gyártási fegyelem mellett tarthatók meg.
A beavatkozások a megmunkálások javítása érdekében időben megvalósultak, ezzel jelentős eredmény valósítható meg. A fejlődő technológiáknak hatására mindig jelennek meg újabb és újabb eszközök, szerszámok és módszerek, amelyekkel a folyamatok optimalizálhatósága tovább növelhető.
Köszönetnyilvánítás
Az ED 18-1-2019-0030 szerződésszámú projekt (Alkalmazásiterület-specifikus nagy megbízhatóságú informatikai megoldások tématerület) a Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Alapból biztosított támogatással, a Tématerületi kiválósági program támogatásával valósult meg.
Felhasznált irodalom
[1] A. Walter, S. Brummund és B. Merz, Estimation of the instaneous engine torque for vehicles with dual mass flywheel, Germany: Unversitat at Karlsruhe, 2007.
[2] Tisza M., Az anyagtudomány alapjai, Miskolc: Miskolci Egyetemi Kiadó, 2013.
[3] Ambrusné Alady M., Árva J. és Nagy P. S., Forgácsoló eljárások, Budapest: Műszaki Kiadó, 2013.
[4] Michelberger P., Szeidl L., Várlaki P., Alkalmazott folyamatstatisztika és idősoranalízis, Budapest: Typotex Kiadó, 2001.
[5] Hollanda D., A forgácsolás alapjai, Kolozsvár: Scienta Kiadó, 2008.
[6] Kemény S., Papp L. és Deák A., Statisztikai minőség szabályozás, Budapest: Műszaki Könyvkiadó, 2000.
[7] C. Fragassa, G. Minak és A. Pavlovic, Tribology in Industry, Bologna: Alma Mater Studiorum University of Bologna, 2006.
[8] A. Thakur és S. Gangopadhyay, „Influence of tribological properties on the performance of uncoated, CVD and PVD coated tools in machining of Incoloy 825,” Indian Institute of Technology, India, 2016.
Bognár Dániel, duális gépészmérnöki szak, BSc IV. évf.
Dr. habil. Andó Mátyás egyetemi docens, ELTE Informatikai Kar, Savaria Műszaki Intézet
Takács Gergő szektorvezető, Schaeffler Savaria Kft.
A cikk forrása:
Bognár D., Andó M., Takács G. (2020): Forgácsolt alkatrész komplex gyártástechnológiai optimalizálása, Mérnöki és Informatikai megoldások/Engineering and IT Solutions I., pp. 15-21, https://doi.org/10.37775/EIS.2020.1.2
Forrás: Techmonitor
