Další krok: propojení technologie obrábění kovů s ekonomikou výroby (2. část)

Proces obrábění kovů je způsob výroby, kdy jsou obrobky vyráběny odebíráním materiálu ve formě třísek. Ostří nástroje je vtlačováno do materiálu obrobku a ten se deformuje tak silně, až dojde k oddělení materiálu ve formě třísek. Základním prvkem v tomto procesu je řezná hrana, která provádí skutečný řezný proces. Pochopení vzájemného působení mezi břitem a materiálem obrobku je základem pro důkladné porozumění procesu obrábění kovů.

Během řezného procesu působí na řeznou hranu zatížení, které vzniká v důsledku procesních podmínek (prostředí, v němž je proces realizován), řezných dat, geometrie nástroje (rozhodující je vyváženost mezi ostrostí a pevností řezného nástroje) a materiálu obrobku a geometrie. Všechny uvedené prvky způsobí mechanické zatížení (řezné síly), tribologické zatížení (tření, opotřebení), tepelné zatížení (teplota v řezu) a chemické zatížení na břitu. Tato zatížení způsobují poškození řezné hrany, která má však určitou kapacitu únosnosti zatížení (odolnost vůči poškození). Zátěžová kapacita nástroje je dána řezným materiálem, použitým povlakem a makro- a mikrogeometrií břitu. Střet zatížení působících na řeznou hranu a zátěžové kapacity nástroje způsobí poškození nástroje. To může být způsobeno jevy souvisejícími s opotřebením, či nesouvisejícími (vylamování, vyštipování, …) s opotřebením. Bez ohledu na typ poškození je pro zajištění spolehlivého řezného procesu (bezporuchová výroba, zemtkování obrobků, ...) naším cílem bezpečné, kontrolovatelné a předvídatelné poškození.

Obrobitelnost je v technologii obrábění kovů široce rozšířený pojem. Je to systémová vlastnost, která vyjadřuje, do jaké míry může být obrábění efektivní. Jinými slovy, obrobitelnost poskytuje údaj o tom, jak snadné či obtížné je vyrobit daný počet správných obrobků (nízká zmetkovitost) v daném čase (produktivita) a při stanovených nákladech (nákladová efektivnost).

Jádrem pro pochopení principu obrobitelnosti je porozumění základům o příčinách poškození nástroje a stanovení jeho životnosti a vliv těchto prvků na řezný proces. Jak je řezný nástroj vystavován různým zatížením, ztrácí po určité době (životnost nástroje) řezný výkon. Pragmaticky řečeno, pokud nástroj neobrábí správným způsobem a příliš mnoho problémů ohrožuje dosažení dobrého výsledku operace (jakost obrobku), pak došlo k maximálnímu opotřebení nástroje a konci jeho životnosti a je nutné jej vyměnit. Rozlišujeme různé procesy poškození nástroje. V zásadě existují dvě významné skupiny, z nichž v první poškození souvisí s opotřebením (ta jsou kontrolovatelná a předvídatelná), a ve druhé poškození s opotřebením nesouvisí (ta je nutné eliminovat, protože nejsou předvídatelná a kontrolovatelná, a tudíž nelze zajistit spolehlivý řezný proces).

Ekonomika výroby popisuje všechna opatření, která lze podniknout k zajištění optimalizace řezného procesu. Cílů může být více: lepší ekonomika výroby (potřeba vyrábět levněji), vyšší kvalita obrobku, výroba šetrnější k životnímu prostředí, univerzálnější nastavení (eliminace prostojů) či zvýšení produktivity (dosažení rychlejší výroby). Na druhou stranu, každý z uvedených cílů může představovat překážku. Předpokladem bezproblémového výrobního procesu je správná volba nástroje. Použitím vysoce výkonných nástrojů je zajištěna produktivita procesu i univerzální přístup (nižší prostoje). Nákladově efektivní břity zaručují produktivní a zároveň ekonomickou výrobu. Přesné nástroje splní požadavky ekonomické výroby při dosažení vysoké kvality obrobku. Speciálně vyrobené nástroje zase nabízejí vysokou kvalitu obrobku a ekologicky šetrnou a bezpečnou výrobu. A v neposlední řadě, s univerzálními nástroji bude výrobní proces šetrný k životnímu prostředí a představuje univerzální systém.

Pragmatická definice globální ekonomiky výroby by mohla znít následovně: „Zajištění maximální bezpečnosti a předvídatelnosti procesu při dosažení nejvyšší produktivity s vynaložením co nejnižších nákladů“. Tato definice popisuje správný způsob, jak docílit nejlepšího výsledku každého výrobního procesu, a to v co možná nejkratší době s co možná nejnižšími náklady. Podmínkou pro dosažení takového výsledku je však předvídatelný řezný proces. Ten ale zajistí jen dobře vzdělaný a kvalifikovaný personál. Pokud bude výsledek řezného procesu jakkoliv nejistý či nepředvídatelný, prostoje z důvodu nepředvídaných problémů budou příliš vysoké. Důkladné vyhodnocení vzniku prostojů z důvodu technických problémů odhalí jako hlavní překážky nekontrolované poškození nástroje a potíže s utvářením a odvodem třísek. Tomu je třeba vždy věnovat zvláštní pozornost.

Současně je ale nutné také obezřetně volit řezné podmínky. Pro danou aplikaci je možné použít všechny kombinace řezných podmínek, některé kombinace jsou však vhodnější z hlediska spolehlivosti procesu. Při volbě různých kombinací řezných podmínek platí různá omezení jejich reálném použití. Některá omezení mají na proces obrábění zásadnější vliv než ostatní. Abychom v samotném řezném procesu eliminovali co nejvíce různých omezení, je nutné zvolit optimální řezné podmínky. Tím si zajistíme také větší manipulační prostor k maximalizaci řezných podmínek a dosažení maximální produktivity při vynaložení co nejnižších nákladů.

Uvedení této teorie v praxi vede k poměrně jednoduchému postupu. Vždy zvolte co možná největší hloubku řezu a posuvy a nechejte prostor pro kombinování minimální potřebné řezné rychlosti (problémy s tvorbou nárůstku na břitu). Ve druhém kroku, kdy je dosažena maximální hloubka řezu a posuv a je potřebná další optimalizace, lze využít jako vyrovnávací faktor řeznou rychlost. Je však třeba poznamenat, že pokud pozměníme řeznou rychlost, vliv vnějších omezujících faktorů se podstatně zvýší.

Mikroekonomická analýza nákladů a času výrobního procesu obrábění kovů ukazuje, že podstatná část z celkového výrobního času je vynaložena na nastavení stroje, manipulaci s nástroji a řešení problémů (prostoje). Práce se snadněji použitelnými, univerzálními nástroji minimalizuje tyto časy a vzniká tak větší prostor pro efektivní výrobu. Poté by měla následovat snaha o co nejefektivnější využití dostupného výrobního času (efektivnost procesu). Náklady na nástroje jsou při zhodnocení celkových nákladů poměrně nízké. Správným způsobem použitý a fungující nástroj není příliš nákladný, nefunkční nástroj však může stát celé jmění v případě, že dojde k zastavování výroby a výrobě zmetků.

Z makroekonomického hlediska odhaluje analýza celkového výrobního procesu další důležité prvky. Spousta skrytých nákladů je ve skladových zásobách polotovarů obrobků, proto je nezbytné provádět mikroekonomický přístup velmi pečlivě. Například nemá smysl optimalizovat čas obrábění na stroji A, pokud je u stroje B problém s produktivitou. To by pouze vedlo k tvorbě dalších nákladů v polotovarech obrobků mezi dvěma stroji. V tomto případě je mnohem lepší soustředit se na optimalizaci nákladů na obrábění na stroji A, což by sice znamenalo snížení produktivity na stroji A, v celkovém procesu je to však nakonec stroj B, který je v dosažení produktivity limitujícím faktorem. Spousta nebezpečí se skrývá v seřízení a výměnách nástrojů (před spuštěním výroby je nutné s tím počítat). Představují další ztrátu spolehlivosti výrobního procesu. Mnohem podstatnější však je, že seřízení a výměny nástroje mohou být hlavní příčinou poklesu kvality obrobků. Velká zmetkovitost obrobků vzniká právě po seřízení či výměně nástroje.

Všechna tato pozorování nám pomáhají definovat kroky k dosažení našeho cíle, kterým je účinný a efektivní výrobní proces.
1. Zvolte nejlepší pracovní podmínky (CAM, obráběcí stroj, držáky, chlazení, …) – tyto aspekty mohou být později při optimalizačním procesu omezující.
2. Rozhodněte o optimalizační strategii 1:1 (mikroekonomická = neproduktivní časy již byly minimalizovány) nebo o globálnějším přístupu (makroekonomická = nesoustřeďte se pouze na náklady a časy obrábění, ale na časy a náklady celého procesu), včetně minimalizace neproduktivních časů v optimalizačním procesu.
3. Vyberte ten nejvhodnější nástroj pro danou situaci a cíl (univerzální, bezpečný, nejvýkonnější,…).
4. Pro každou operaci zvolte co možná největší hloubku řezu (s minimálním počtem záběrů) – zde můžete být omezeni výkonem stroje, točivým momentem, stabilitou upnutí obrobku a nástroje.
5. Zvolte co možná největší posuv pro každou operaci – vezměte však v úvahu možné problémy s kvalitou obrobku a riziko poškození nástroje.
6. Ověřte hloubku řezu a posuv – operace musí být bezpečná z hlediska úběru materiálu a odvodu třísek, vibrací, upnutí a stability, deformace obrobku,…
7. Zvolte vhodné kritérium pro optimalizaci – minimální náklady, či maximální produktivita?
8. Řeznou rychlost zvolte podle vybraného kritéria.

Bezpečnost a spolehlivost procesu je vždy na prvním místě. Není účelem vyrábět rychle a levně vadné obrobky. Maximální bezpečnosti a předvídatelnosti obráběcího procesu lze dosáhnout pouze dostatečným pochopením výrobního procesu a interakcí všech jeho proměnných.

Jako příklad bychom mohli uvést otázku, jaké řezné podmínky lze zvýšit, abychom dosáhli zkrácení obráběcího času. Pracovat můžeme s hloubkou řezu, posuvem nebo řeznou rychlostí. Všechny tři nám pomohou dosáhnout cíle, kterým je zkrácení času obrábění, ale dopad na spolehlivost procesu je výrazně odlišný. Hloubka řezu nemá na životnost nástroje tak velký vliv (bezpečnost a náklady, stabilita je zde otázkou), avšak řezná rychlost zkracuje životnost nástroje podstatným způsobem. Vysoké řezné rychlosti velmi ovlivňují náklady na řezné nástroje a spolehlivost procesu.

Protože cílem je vyrábět efektivněji a účinněji, je třeba všechny prvky procesu pečlivě vyhodnotit a zvážit jejich potenciální riziko ohrozit jeho spolehlivost. A pokud je riziko velmi vysoké, měly by být některé podmínky změněny či modifikovány nebo s jejich možnými následky správně uvažovat v dalším optimalizačním procesu.

Zaměříme se nyní na situaci, kdy jsou všechny neproduktivní časy co nejvíce minimalizovány. Nástroj byl vybrán v souladu se správně definovaným cílem, kterého chceme dosáhnout. Jinými slovy nyní přistoupíme k bodu 4 výše uvedeného optimalizačního systému.

V samotném procesu obrábění kovů jde o dosažení vysokého úběru materiálu (= produktivita) při vynaložení co nejnižších nákladů. K dosažení tohoto výsledku máme k dispozici tři řezné podmínky, se kterými můžeme pracovat. Jak uvedeno výše, vysokého úběru materiálu docílíme maximalizací hloubky řezu a posuvu (kroky 4,5 a 6). Tím udržíme proces velmi spolehlivý. Je však nutné zmínit, že to vyžaduje stabilní pracovní podmínky (stabilní upnutí nástroje i obrobku, stabilitu obráběcího stroje a dostatečný výkon). Jakmile se dostaneme na mezní hodnoty, můžeme přejít k optimalizaci řezné rychlosti (kroky 7 a 8). Když vyhodnotíme vliv řezné rychlosti na určitý řezný proces, zjistíme, že změna řezné rychlosti bude mít dopad na produktivitu a také ovlivní náklady (změna v životnosti nástroje).

K plnému pochopení tohoto modelu je důležité mít na paměti Taylorův princip pro stanovení životnosti nástroje. Tento model učí, že pro danou kombinaci hloubky řezu a posuvu je určitý prostor pro volbu řezné rychlosti tak, aby opotřebení nástroje bylo stále bezpečné, předvídatelné a kontrolovatelné. Při práci v tomto prostoru je možné souvislost mezi řeznou rychlostí a opotřebením a životností nástroje posoudit a vyhodnotit.

Patrick De Vos
Seco Tools AB

www.secotools.com/cz
seco.cz@secotools.com