Příručka pro technology: Ekonomika výroby a celková optimalizace

V procesu obrábění kovů se vždy vyskytnou situace, které mohou být optimalizovány. Představují jistá úskalí v dosažení konečných cílů každého výrobního podniku, jimiž jsou zejména hospodárnost a efektivita.

Takovými faktory mohou být produktivita (potřebujete vyrábět rychleji), efektivita nákladů (musíte snížit náklady) a kvalita (je vyžadována vyšší celková kvalita hotových obrobků). Čtvrtý problém bývá často opomenut či přehlížen. Je jím možnost zjednodušení procesu, použití menšího počtu nástrojů k dosažení konečného cíle. V této první části ze série dvou článků se soustředíme na první tři z uvedených problémů. Čtvrtým (racionalizací a zjednodušením) se budeme zabývat ve článku druhém.

Obr. 1 Předvídatelnost procesu obrábění

Ekonomika výroby je termín používaný k popisu veškerých opatření přijatých s cílem optimalizovat proces obrábění kovů. Cílů může být více: zvýšení produktivity, snížení nákladů na proces, větší předvídatelnost, širší možnost využití výrobních nástrojů, lepší kvalita povrchu obrobku, či ještě podrobněji: maximální trvanlivost nástroje, max. počet obrobených kusů na jedno ostří, pevná doba cyklu, nejvyšší možný zisk, minimální náklady na nástroje, minimální výrobní náklady, maximální produkce, koordinovaná výměna nástrojů…

Definice celkové 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.

Mikroekonomická analýza nákladů a času výrobního procesu obrábění kovů poukazuje na několik situací. Podstatná část z celkového výrobního času je vynaložena na seřízení stroje, manipulaci s nástrojem a řešení problémů. Práce se snadněji použitelnými, univerzálními nástroji tyto časy minimalizuje a vzniká tak větší prostor pro efektivní výrobu. Následně lze přistoupit ke druhému kroku, kterým je co nejefektivnější využití výrobního času. Náklady na nástroje jsou v přehledu celkových nákladů poměrně nízké. Správně používaný a fungující nástroj není tak nákladný, ale nástroj, který neobrábí, může stát při zastavení výroby celé jmění.

Z makroekonomického hlediska odhaluje analýza celkového výrobního procesu další důležité prvky (základní výzkum provedl prof. Stahl z Univerzity Lund ve Švédsku). Velká část skrytých nákladů je generována skladováním částečně obrobených dílců, proto je nezbytné provádět mikroekonomické hodnocení velmi pečlivě. Nemá například smysl optimalizovat čas obrábění na stroji A, je-li u stroje B problém s produktivitou. To by vedlo pouze k růstu dalších nákladů v polotovarech čekajících mezi oběma stroji. V tomto případě je mnohem lepší soustředit se na optimalizaci nákladů na obrábění na stroji A, což sice může znamenat snížení produktivity na stroji A, avšak v celkovém procesu je to nakonec stroj B, který je v dosažení vyšší produktivity limitujícím faktorem.
K překážkám v dosažení potřebné produktivity patří také seřizování a výměna nástroje (což zkoušky plně potvrzují). Představují významnou ztrátu spolehlivosti výrobního procesu. Ještě podstatnější však je, že seřizováním a výměnou nástrojů dochází k poklesu kvality obrobků. Velká zmetkovitost obrobků (z důvodu nízké kvality) vzniká právě po seřizování či výměně nástroje.

Všechna tato pozorování pomáhají definovat kroky k dosažení cíle, kterým je účinný a efektivní výrobní proces. Níže jsou uvedeny body základní optimalizační strategie procesů obrábění kovů:

1. Zvolit co nejlepší pracovní podmínky (CAM, obráběcí stroj, držáky, chlazení …), tyto aspekty mohou totiž být později při optimalizačním procesu omezující.
2. Rozhodnout o optimalizační strategii 1:1 (mikroekonomická = neproduktivní časy již byly minimalizovány) nebo o globálnějším přístupu (makroekonomická = je nutné se nesoustředit pouze na náklady na obrábění a časy, ale též na časy a náklady celého procesu, tedy včetně minimalizace neproduktivních časů v optimalizačním procesu).
3. Vybrat ten nejvhodnější nástroj pro danou situaci a cíl (univerzální, bezpečný, nejvýkonnější atd.).
4. Pro každou operaci zvolit co možná největší hloubku řezu (s minimálním počtem záběrů), zde může být omezení výkonem stroje, krouticím momentem, stabilitou upnutí obrobku a nástroje.
5. Zvolit co možná největší posuv pro každou operaci (je potřeba brát však v úvahu možné problémy s kvalitou obrobku a rizikem poškození nástroje).
6. Ověřit hloubku řezu a posuv – operace musí být bezpečná z hlediska úběru materiálu a odvodu třísek, vibrací, upnutí a stability, deformace obrobku).
7. Zvolit vhodné kritérium pro optimalizaci – minimální náklady či maximální produktivita?
8. Řeznou rychlost upravit dle vybraného kritéria.

Bezpečnost a spolehlivost procesu je vždy na prvním místě. Nikdo nemá zájem vyrábět rychle a levně vadné obrobky. Maximální bezpečnosti a předvídatelnosti procesu obrábění 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, na zváženou je zde stabilita), avšak řezná rychlost zkracuje trvanlivost jeho ostří podstatným způsobem. Vysoké řezné rychlosti velmi ovlivňují náklady na řezné nástroje a spolehlivost procesu.

Protože je cílem vyrábět efektivněji a účinněji, je třeba všechny prvky procesu pečlivě vyhodnotit a zvážit jejich potenciální riziko ohrožení spolehlivosti. A pokud je toto riziko příliš vysoké, měly by být některé podmínky změněny či modifikovány nebo je nutné s jejich možnými následky počítat v dalším optimalizačním procesu.

Tabulka. Rizika ohrožení spolehlivosti

Nyní se zaměřme na situaci, kdy jsou všechny neproduktivní časy již maximálně zkráceny. Nástroj byl vybrán v souladu se správně definovaným cílem, kterého chceme dosáhnout. Jinými slovy – přejděme k bodu 4 výše uvedeného optimalizačního systému.

V samotném procesu obrábění kovů jde o dosažení vysokého úběru materiálu (= produktivita) při vynaložení co nejnižších nákladů. Pro dosažení tohoto výsledku jsou k dispozici tři řezné parametry, se kterými lze pracovat. Jak již bylo řečeno, vysokého úběru materiálu se docílí maximalizací hloubky řezu a posuvu (kroky 4, 5 a 6). Tím se udrží vysoká spolehlivost procesu. Je však nutné zmínit, že to vyžaduje stabilní pracovní podmínky (stabilní upnutí nástroje i obrobku, stabilitu obráběcího stroje a stálý řezný výkon). Jakmile se dostaneme na mezní hodnoty, můžeme přejít k optimalizaci řezné rychlosti (kroky 7 a 8).

Vyhodnotíme-li vliv řezné rychlosti na určitý řezný proces, zjistíme, že vyšší řezné rychlosti zvýší produktivitu (vysoký úběr materiálu), zvyšují ale i náklady (kratší životnost nástroje). Nižší řezné rychlosti mají efekt právě opačný – náklady jsou nízké, ovšem produktivita též.

Výrobní náklady jsou součtem nákladů na nástroje a strojních nákladů. Se zvyšující se řeznou rychlostí výrobní náklady klesají, avšak od jistého bodu se opět začnou zvyšovat. Od určité řezné rychlosti je trvanlivost ostří nástroje velmi krátká, a tudíž musí být břitová destička často vyměňována. Snížení strojních nákladů má zde z celkového hlediska menší význam, než rychle rostoucí náklady na nástroje. Někdy lze zvolit řeznou rychlost tak, že celkové náklady jsou minimální. Takovou řeznou rychlost pak nazýváme ekonomickou a s ní spojená trvanlivost je taktéž řečena jako ekonomická (*).

Stejným způsobem lze přistupovat i k produktivitě. Při zvýšení řezné rychlosti dochází k vysokému úběru materiálu a tím i ke zvýšení produktivity. I zde však dojdeme do bodu, od něhož se hodnota začíná snižovat. Trvanlivost ostří nástroje je tak krátká, že čas získaný rychlejším obráběním je kratší než časové ztráty vzniklé při výměně opotřebovaných nástrojů. Toto maximum řezné rychlosti nazýváme řeznou rychlostí pro maximální produkci a související životnost nástroje nazýváme trvanlivostí pro maximální produkci (*).

Spojením obou hledisek – nákladové efektivity a produktivity – získáme jasnou představu o tom, na co se zaměřit při volbě správné řezné rychlosti. V případě, že zvolená řezná rychlost leží v blízkosti jak ekonomické řezné rychlosti, tak i řezné rychlosti pro maximální produkci, nazýváme tuto zvolenou rychlost vysoce efektivní řeznou rychlostí.

Porozumění principům popsaným v tomto článku pomůže čtenáři najít nejvhodnější kombinaci řezných podmínek pro danou aplikaci. Jde o optimalizaci 1:1, což znamená jedna aplikace a jeden řezný nástroj. Bez velkých počtů umožňuje tento přístup lépe pochopit vliv změny výrobních parametrů na náklady a čas obrábění. Všimněte si, že:

- pokud rostou náklady na obráběcí stroj (je využíván nákladnější stroj), náklady na obrábění rostou také. To lze částečně kompenzovat zvýšením řezné rychlosti;
- pokud rostou náklady na nástroje (jsou používány dražší nástroje), náklady na obrábění rostou také. Toto lze částečně kompenzovat snížením řezné rychlosti;
- je-li pro seřízení stroje a nástroje potřebný delší čas, je-li menší série nebo je třeba odebrat z polotovaru více materiálu, náklady na obrábění rostou. Toto však již bohužel nelze změnou řezné rychlosti vykompenzovat;
- v případě, že materiál je obtížně obrobitelný, náklady na obrábění vzrůstají a lze pozorovat, že se zóna vysoce efektivního obrábění zužuje (všimněte si, jak křivka nákladů strmě stoupá). To lze dobře kompenzovat zvolenou nižší řeznou rychlostí;
- a v neposlední řadě si povšimněte, že při zvyšující se hloubce řezu a/nebo posuvu dochází ke snížení nákladů a další optimalizace lze dosáhnout snížením řezné rychlosti.

To vše nás vede k jasnému závěru, že v uvedených případech je vždy výhodné pracovat s hloubkou řezu a posuvem, které jsou nastaveny na co možná nejvyšší hodnoty. Tento postup je zmíněn již v úvodu jako první kroky optimalizační metody 1:1.

Tento první článek velmi stručně popisuje obecnou optimalizační strategii procesu obrábění kovů, přičemž poslední kroky uvedené strategie jsou popsány podrobněji. Účelem tohoto článku není popsat čtenáři všechny matematické nástroje (*) pro uvedení této strategie do praxe. Pro ty, kteří by se uvedenou problematikou chtěli zabývat podrobněji, jsou k dispozici praktické nástroje, jako je Seco PCA (analýza produktivity a nákladů). V následující části se pak detailněji zaměříme na úvodní kroky obecné optimalizační strategie a poznáme, že právě tyto první kroky jsou ve skutečnosti mnohem významnější, než ty, kterými jsme se zabývali v tomto článku. Sebelepší optimalizace chybně zvoleného nástroje pouze zmírňuje následky, avšak neodstraňuje příčinu potíží.

Podrobné informace k této problematice lze získat také v rámci vzdělávacího programu STEP (Seco Technical Educational Programme). V případě zájmu kontaktujte zastoupení společnosti SECO. Pravidelně jsou společností Seco pořádána vzdělávací setkání k tomuto i dalším tématům.

Patrick De Vos, MSc.

(*) Jak ekonomická řezná rychlost, tak i řezná rychlost pro maximální produkci (a s tím související ekonomická trvanlivost nástroje a trvanlivost pro maximální produkci) mohou být pomocí matematických propočtů odvozeny z obecných rovnic nákladů a času pro procesy obrábění kovů a ze všeobecných Taylorových rovnic pro obrábění (v případě potřeby s přizpůsobením faktorů a prvků). Tyto výpočty však již patří mimo rámec tohoto článku. Širší přehled a podrobný popis lze nalézt v kapitole 9 knihy „Obrábění kovů, teorie a modely“ (Metal cutting, theories and models) autora prof. Stahla z Univerzity Lund ve Švédsku, publikované ve spolupráci se společností Seco. Mějte však na paměti, že tyto metody počítají s řadou předpokladů, které musejí být splněny (viz kroky 1 až 6 v optimalizační strategii popsané v tomto článku a výzkum provedený v této oblasti prof. Stahlem).

Seco Tools CZ
www.secotools.com/cz
seco.cz@secotools.com