Do produkcji szerokiego asortymentu elementów obrabianych wykonanych z różnych materiałów stosuje się szereg procesów obróbki skrawaniem. Jednakże wspólnym celem wszystkich producentów jest wytwarzanie określonej liczby przedmiotów o pożądanej jakości, w określonym czasie i za odpowiednią cenę.
Wielu producentów osiąga ten cel, postępując według zawężonego modelu, który obejmuje wybór i zastosowanie narzędzia oraz rozwiązywanie pojawiających się problemów w sposób reaktywny. Zmiana tego podejścia może zaowocować obniżeniem kosztów i wzrostem wydajności. Zamiast czekać, aż pojawią się problemy, a następnie korygować poszczególne operacje wykonywane podczas obróbki, producenci w pierwszej kolejności powinni skupić się na proaktywnym planowaniu wstępnym, którego celem jest wyeliminowanie wadliwych części i nieplanowanych przestojów. Po wprowadzeniu stabilnego i niezawodnego procesu należy przeprowadzić analizę ekonomiki produkcji, aby zrównoważyć jej tempo w stosunku do kosztów. Następnie, w oparciu o bezpieczne, sprawdzone ekonomicznie założenia, producenci powinni wybrać odpowiednie narzędzia i warunki skrawania, aby w pełni zoptymalizować proces obróbki.
Ekonomika produkcji
Ważne jest, aby przed podjęciem kroków mających na celu optymalizację operacji skrawania metali, zapewnić bezpieczeństwo i niezawodność procesów obróbki polegających na wyeliminowaniu wadliwych części czy nieplanowanych przestojów. Zapewnienie bezpieczeństwa wymaga stworzenia stabilnego środowiska produkcyjnego. Kwestie, na które producenci powinni zwrócić szczególną uwagę obejmują konserwację obrabiarek, programowanie CAM, systemy oprawek narzędziowych i podawanie cieczy chłodząco-smarującej. Należy także sprawdzić elementy automatycznej obsługi elementów obrabianych, takie jak systemy załadowywania/rozładowywania palet lub elementów obrabianych.
Teoria i praktyka ekonomiki produkcji skupia się na zapewnieniu maksymalnego bezpieczeństwa i przewidywalności procesu produkcyjnego, dążąc przy tym do zachowania najwyższej zdolności produkcyjnej przy najniższych kosztach. Po spełnieniu warunków bezpieczeństwa i przewidywalności procesu obróbki skrawaniem metali i środowiska produkcyjnego ekonomika produkcji ogranicza się już tylko do dwóch czynników: znalezienia równowagi pomiędzy zdolnością produkcyjną a kosztami wytwarzania w odniesieniu do konkretnych warunków produkcji. Na przykład w produkcji masowej prostych części należy dążyć do maksymalizacji zdolności produkcyjnej przy minimalnych kosztach. Z drugiej strony przy wielu wariantach skomplikowanych części produkowanych w krótkich seriach należy przede wszystkim kłaść nacisk na zapewnienie całkowitej niezawodności i dokładności, licząc się z dużymi kosztami wytwarzania.
Minimalizowanie nieplanowanych przestojów
Maksymalne wykorzystanie zasobów w produkcji wymaga zminimalizowania przestojów, czyli, mówiąc prosto, okresów, w których obrabiarka nie wykonuje skrawania. Niektóre przestoje są wymagane i zaplanowane, a wśród nich są przerwy poświęcone na programowanie i konserwację obrabiarki, montowanie osprzętu, ładowanie i wyładowanie obrabianych przedmiotów oraz wymiana narzędzi.
Producenci wliczają spodziewane przestoje do planów produkcyjnych, ale wytwarzanie wybrakowanych części skutkuje przestojami niespodziewanymi. Kiedy wybrakowany przedmiot musi zostać ponownie obrobiony, czas przeznaczony na pierwotną obróbkę uznaje się za niezaplanowany przestój, a tym samym stratę.
Tradycyjną metodą stosowaną przez firmy jest reakcyjne podejście do redukcji nieplanowanych przestojów — kiedy pojawia się problem wstrzymujący produkcję, rozpoczyna się poszukiwanie rozwiązania. Lepszym sposobem od czekania na niekorzystną sytuację jest profilaktyczne planowanie, które pozwala określić kluczowe cele operacji i skupić wokół nich cały proces od samego początku. W większości przedsiębiorstw spędza się 20% czasu na przygotowanie i 80% na wprowadzanie oraz testowanie, ale lepszym wyjściem jest wykorzystanie 80% czasu na przygotowanie, a reszty na wdrożenie i modyfikacje — o ile okażą się potrzebne.
Przygotowując się do operacji skrawania, firma powinna przeanalizować swoje cele i opracować procesy niezbędne do osiągnięcia ich. Zwiększenie tempa produkcji nie zawsze jest podstawowym celem. Mimo że w niektórych branżach, jak w produkcji części motoryzacyjnych, zachowały się przykłady wysokiej jakości produkcji masowej, zwykle procesy produkcyjne kierują się w stronę większego zakresu wariantów i mniejszej liczby wytwarzanych egzemplarzy (ang. high-mix, low-volume; HMLV).
W masowej produkcji utrata 50 czy 100 sztuk produktu w procesie skrawania staje się niewielkim procentem, niezauważalnym pośród setek tysięcy wytwarzanych egzemplarzy. W przypadku gdy stosuje się metodę HMLV, cały proces musi zostać w pełni opracowany jeszcze przed rozpoczęciem produkcji. W metodzie HMLV produkuje się krótkie serie, małe zestawy, pojedyncze partie, a nawet pojedyncze egzemplarze dostosowane pod zamówienie. W tej sytuacji klika wybrakowanych części może oznaczać stratę.
Model mikro czy makro
Tradycyjne podejście mające na celu uzyskanie maksymalnej zdolności obróbki skrawaniem metali polega na przyjęciu zawężonego modelu mikro opartego na optymalizacji 1:1 jednego narzędzia w jednej operacji. Z drugiej strony, modele makro ujmują produkcję z szerszej perspektywy. W przypadku tych modeli całkowity czas jednostkowy wymagany do wyprodukowania danego elementu obrabianego odgrywa ważniejszą rolę.
Zależność pomiędzy modelami ekonomicznymi mikro i makro można porównać do perspektywy artysty tworzącego obraz. Model mikro skupia się na konkretnych danych, podobnie jak artysta, który koncentruje się na pojedynczych pociągnięciach pędzla. Model makro obejmuje całościowe postrzeganie procesu wytwarzania części, tak samo jak oglądanie całego obrazu. Jest oczywiste, że liczy się dbałość o szczegóły, ale nie za cenę ignorowania ogólnego celu procesu.
Koszty ukryte
Przesadne skupianie się na szczegółach może odwrócić uwagę od ostatecznego wyniku procesu. Na przykład niekorzystne jest skrócenie czasu skrawania o dziesięć sekund dzięki zastosowaniu dodatkowego narzędzia, którego ustawianie i indeksowanie trwa dziesięć minut. To samo dotyczy skupianiu się na osiągnięciu wyższej jakości produktów niż wymagana przez klienta — prowadzi to do zwiększenia kosztów i czasu produkcji. Całkiem poważnie można potraktować pytanie: „Jak długo potrwa i ile będzie kosztować wyprodukowanie najgorszego z możliwych elementu, którego funkcjonalność jest jeszcze do zaakceptowania?”.
Koszty operacyjne
Modele kosztów obróbki można także postrzegać z perspektywy mikro i makro. Modele mikro rozważają procesy obróbki skrawaniem z zawężonego punktu widzenia, łącząc warunki obróbki skrawaniem z obniżaniem kosztów. Modele ekonomiczne makro o szerszej perspektywie uwzględniają całkowity czas potrzebny do wytworzenia elementu obrabianego.
Producenci mierzą tempo produkcji na różne sposoby, uwzględniając czas wykonania gotowego elementu obrabianego lub całkowity czas potrzebny do zakończenia operacji. Na tempo produkcji wpływa wiele czynników, w tym wymagania dotyczące geometrii elementu obrabianego i właściwości materiału, przepływ produktów w całym obiekcie, wkład pracy pracowników, konserwacja, urządzenia zewnętrzne oraz ochrona środowiska, recykling i kwestie bezpieczeństwa (patrz pasek boczny).
Niektóre składniki kosztów produkcji są stałe. Złożoność elementów obrabianych i ich materiał określa w ujęciu ogólnym rodzaj i liczbę operacji obróbki skrawaniem potrzebnych do wykonania danego elementu obrabianego. Kosztami stałymi są zwykle koszty nabycia i utrzymania obrabiarek w firmie oraz zasilania niezbędnego do ich pracy. Koszty robocizny zostawiają trochę pola manewru, i mają, przynajmniej krótkoterminowo, stałą wartość. Koszty te powinny być zsynchronizowane z przychodami ze sprzedaży obrobionych komponentów. Zwiększenie tempa produkcji — prędkości, z którą elementy obrabiane są przekształcane w wykończone produkty — może wpłynąć na wysokość stałych kosztów.
Optymalizacja poszczególnych operacji
Po zakończeniu etapu równoważenia i optymalizacji w skali makro zdolności produkcyjnej i kosztów jako całości można osiągnąć dalszą popraw poprzez dokładną optymalizację poszczególnych operacji. Warunki obróbki skrawaniem — tzn. głębokości skrawania i prędkości posuwu oraz prędkość skrawania — odgrywają kluczową rolę w równoważeniu zdolności produkcyjnej i kosztów. Wszystkie trzy warunki lub każdy z nich mogą przyczynić się do skrócenia czasu obróbki skrawaniem. Natomiast ich wpływ na niezawodność procesu jest bardzo zróżnicowany. Głębokość skrawania zasadniczo nie ma wpływu na trwałość narzędzi. Posuw narzędzia ma niewielki wpływ na jego trwałość. Trzeba jednak pamiętać, że wpływ prędkości skrawania na trwałość narzędzia, jak również na niezawodność procesu skrawania jest znaczący.
Wielu kierowników zakładów uważa, że wystarczy zwiększyć prędkość skrawania, aby zwiększyć liczbę elementów obrabianych w tym samym czasie i obniżyć koszty produkcji. Zwykle jest to prawda, ale wymagany jest tu pewien kompromis. Ogólnie mówiąc, im szybciej przebiega operacja, tym mniej stabilna się staje. Duże prędkości generują więcej ciepła, które wpływa zarówno na narzędzie jak i element obrabiany. Zużycie narzędzia następuje szybciej i jest mniej przewidywalne. Zużycie narzędzi lub drgania mogą powodować zmianę wymiarów elementu obrabianego i obniżać jakość obróbki wykończającej.
Pęknięte narzędzie może uszkodzić element obrabiany. Ponadto niestabilny proces prowadzony na granicy ryzyka wymaga większej kontroli, co eliminuje potencjalne źródło oszczędności związane z robocizną. Ekstremalnie wysokie prędkości skrawania i zastosowanie agresywnych parametrów obróbki może wpłynąć na wzrost kosztów utrzymania, a nawet na przestoje wynikające z awarii obrabiarki.
Mając na uwadze te problemy, amerykański inżynier, F.W. Taylor, opracował na początku XX wieku model określania trwałości narzędzia. Model ten wykazuje, że po uwzględnieniu określonego połączenia głębokości skrawania i prędkości posuwu istnieje pewien zakres bezpiecznych wartości prędkości skrawania, w którym zużycie narzędzia jest przewidywalne i można je kontrolować. Model Taylora umożliwia obliczenie związku między prędkością skrawania, zużyciem narzędzia a jego trwałością, równoważy koszty i zdolność produkcyjną, a także wyraźnie wskazuje docelowe prędkości skrawania optymalne dla danej operacji.
Zwykle producenci wybierają największą głębokość skrawania i najwyższe prędkości posuwu z możliwych dla danej operacji, biorąc pod uwagę stabilność docisku narzędzia, mocowanie elementu obrabianego i obrabiarki, a także moc obrabiarek. Należy też uwzględnić bezpieczeństwo pracy, w odniesieniu do formowania i odprowadzenia wióra, wibracje i deformacje przedmiotu obrabianego. Na zrównoważone podejście składa się mniejsza prędkość skrawania w połączeniu ze zwiększoną prędkością posuwu oraz głębokością skrawania. Zastosowanie możliwie największej głębokości skrawania pozwala na zmniejszenie liczby koniecznych przejść, co jednocześnie skraca czas obróbki skrawaniem. Zalecane jest stosowanie maksymalnej prędkości posuwu, pamiętając jednak, że zbyt duża prędkość może mieć wpływ na jakość elementu obrabianego oraz wykończenie powierzchni. W większości przypadków większe prędkości posuwu oraz głębokości skrawania przy tej samej lub niższej prędkości skrawania mogą spowodować zwiększenie tempa usuwania metalu w porównaniu z sytuacją, gdy zwiększona zostaje wyłącznie prędkość skrawania.
Koszty produkcji są sumą kosztów narzędzia i obróbki. Zwiększanie prędkości skrawania wiąże się ze skróceniem czasów obróbki skrawaniem przy obniżeniu kosztów obróbki. Jednakże w pewnym momencie ogólne koszty wzrastają, ponieważ mniejsza trwałość narzędzi zwiększa koszty oprzyrządowania i zmiany narzędzi na tyle, aby przewyższyć oszczędności w kosztach obróbki.
Do ostatecznej kalibracji procesu, po osiągnięciu stabilnego i stałego połączenia prędkości posuwu i głębokości skrawania, służy regulacja prędkości skrawania. Celem jest osiągnięcie wyższej prędkości skrawania, która pozwoli na obniżenie kosztów obróbki skrawaniem, ale nie zwiększy przy tym znacząco kosztów narzędzia skrawania wynikających z szybszego zużywania narzędzi.
Problemy niezwiązane z obróbką skrawaniem
Kwestie ochrony środowiska i bezpieczeństwa są czynnikiem odgrywającym coraz większą rolę w ekonomice produkcji. Producenci są pod presją, aby oszczędzać energię. Stosowanie i usuwanie chłodziwa i cieczy chłodząco-smarującej jest coraz droższe i podlega coraz bardziej rygorystycznym regulacjom. Zrównoważone podejście do warunków skrawania może pomóc producentom radzić sobie z tymi i podobnymi problemami. Niższe prędkości skrawania w połączeniu ze zwiększoną prędkością posuwu i mniejszymi głębokościami skrawania obniżają zapotrzebowanie na energię potrzebną do skrawania metalu. Zrównoważone warunki również zwiększają trwałość narzędzia, zmniejszają zużycie narzędzia i problemy z utylizacją. Niższe wyniki zużycia energii przy mniejszym wydzielaniu ciepła zmniejszają zapotrzebowanie na ciecz chłodząco-smarującą lub całkowicie eliminują potrzebę jej użycia.
Wnioski
Przyjęcie strategii oszczędności w produkcji wymaga przeprowadzenia ogólnej analizy środowiska obróbki skrawaniem i przyjęcia sposobu postępowania przeciwstawnego powszechnie przyjętym praktykom w zakresie skrawania metalu. Jednak wdrożenie tych zalecanych strategii może pozytywnie wpłynąć na koszty oraz jakość elementów obrabianych, a także umożliwić stworzenie bardziej ekologicznego środowiska produkcyjnego przy jednoczesnym zachowaniu odpowiedniej zdolności produkcyjnej i dochodowości w ramach stabilnego i niezawodnego procesu.
Autor: Patrick de Vos, menedżer ds. korporacyjnej edukacji technicznej, Seco Tools
