Projektowanie procesów technologicznych

Spis treści:

1.              WPROWADZENIE              2

1.1. Projektowanie technologiczne              4

1.2.  Charakterystyka technik wytwarzania stosowanych w procesach produkcyjnych wyrobów z metali              12

2.              Wykład 2              18

a.              Rodzaje półfabrykatów i zasady ich doboru              18

3.              Wykład 3              25

a.              Rodzaje obróbki skrawaniem a dokładność obróbki              25

b.              Karta instrukcji obróbki (KIOS)              34

4.              Wykład 4              40

a.              Technologiczne przygotowanie produkcji              40

1.    
WPROWADZENIE

Do wytworzenia jakiegokolwiek przedmiotu niezbędne są trzy elementy (rys. 1):

materiał – energia – informacja

Rys. 1                                                                                                  Rys. 2

Na całość niezbędnej informacji składają się (rys. 2):

- informacja o strukturze funkcjonalnej wyrobu – określana na etapie projektowania wyrobu,

- informacja o konstrukcji wyrobu – określana na etapie konstruowania wyrobu,

- informacja o sposobie wytworzenia wyrobu – określana na etapie przygotowania produkcji.

W okresie produkcji rzemieślniczej całością informacji, niezbędnej w procesie wytwórczym, dysponował rzemieślnik. Inaczej jest w okresie produkcji przemysłowej. Produkcję tę charakteryzuje podział zadań w procesie produkcji, lub szerzej w cyklu życia produktu. W cyklu życia produktu gromadzona jest, generowana i przetwarzana ogromna ilość różnorodnych informacji. Podział cyklu życia na etapy pokazano na rys. 3.

Rys. 3. Fazy rozwoju i życia produktu

Efekty realizacji procesu wytwórczego zależą od bardzo wielu czynników. Przedstawia je rys. 4.

Rys. 4. Ogólna struktura procesu wytwórczego

W toku wykładu zajmować się będziemy jedynie zagadnieniami wchodzącymi w skład Projektowania Technologicznego i to w odniesieniu do obróbki ubytkowej (skrawanie, obróbka ścierna).

1.1. Projektowanie technologiczne

Proces technologiczny jest jedną z głównych części procesu produkcyjnego. Podstawową jego funkcją jest zmiana stanu początkowego materii (surowiec, półwyrób) w stan końcowy (wyrób). Proces technologiczny dzieli się na operacje (rys. 5.).

Rys.5.  Elementy składowe procesu technologicznego

Operacja jest to część procesu wykonywana na jednym stanowisku roboczym przez jednego pracownika (lub grupę pracowników) na jednym obiekcie wytwarzanym (lub grupie obiektów) bez przerw na inna pracę. Zwykle na proces technologiczny składa się wiele operacji, których realizacja może wymagać stosowania różnych technik wytwórczych, przy czym proces wytwarzania tego samego produktu może składać się z różnej liczby operacji. Zależy to od stanu początkowego przetwarzanej materii, a także, od uwarunkowanego różnymi czynnikami, przyjętego wariantu procesu. Podstawowym składnikiem operacji jest zabieg.

Zabieg jest to część operacji technologicznej realizowana za pomocą tych samych środków technologicznych i przy niezmienionych parametrach procesu realizowanego w operacji.

Każda operacja lub zabieg wymaga wykonania określonych czynności. Każdą czynność można jeszcze podzielić na ruchy elementarne. Pojęcia czynności i ruchów elementarnych wykorzystuje się głównie w planowaniu produkcji masowej do przeprowadzania analizy czasowej. Mają one również znaczenie przy podejmowaniu prac nad mechanizacją
i automatyzacją wytwarzania.

Rys. 6. Obróbka wału w jednej operacji i w dwu zamocowaniach

Rys.7. Obróbka wału w kolejnych operacjach

Rys.8. Obróbka korpusu zaworu w jednej operacji i trzech pozycjach

Rys.9. Obróbka wału w trzech kolejnych zabiegach

Rys.10. Schemat procesu technologicznego

Przedstawiona ogólna struktura funkcjonalna procesu wytwórczego stosowana jest w wytwarzaniu przede wszystkim w obszarze technik mechanicznych. W innych dziedzinach wytwórczości można jednak wyróżnić podobne elementy procesu. Ze względu na specyfikę tych dziedzin elementy te mają inne, ogólnie przyjęte, nazwy. Tak jest np. w przemyśle chemicznym, gdzie stosuje się określenia: operacje jednostkowe i chemiczne procesy jednostkowe.

Na schemacie blokowym w tablicy 1 przedstawiono kolejność działań podejmowanych przy opracowywaniu przebiegu procesu wytwarzania złożonego wyrobu.

Tablica 1.

Część z tych działań, zawarta w blokach  9, 10 i 11, obejmuje formułowanie procesu technologicznego. Rozpoczynają się one od określenia postaci materiału wyjściowego, czyli tzw. przygotówki. Zwykle możliwe jest przyjęcie różnych postaci przygotówki i z kolei różnych wariantów procesu technologicznego dla poszczególnych przygotówek. Opis takiego procesu ograniczony jest do ustalenia, jakie operacje i w jakiej kolejności należy wykonać. Uszczegółowienie operacji następuje w blokach od 12 do 20.

Po wstępnym sformułowaniu wariantów procesu technologicznego należy dokonać wyboru optymalnej postaci przygotówki oraz optymalnego procesu technologicznego uwzględniając różne kryteria, zależnie od sytuacji, tak by uzyskać najlepsze efekty ekonomiczne produkcji. Taką szeroką analizę wariantową należy przeprowadzać w następujących sytuacjach decyzyjnych:

-        włączenie nowego produktu do programu produkcyjnego przedsiębiorstwa,

-        dostosowanie procesu wytwórczego do zmian konstrukcyjnych wyrobu,

-        poszerzanie potencjału produkcyjnego w związku z oczekiwanym wzrostem popytu,

-        zastępowanie przestarzałej technologii nową (racjonalizacja produkcji).

Przykład dwu wariantów procesu technologicznego wykonania takiego samego wyrobu (płytki sprzęgła wielopłytkowego) pokazano na rys.11.

Rys. 11. Dwa warianty wykonania takiego samego przedmiotu

Różnią się one stosowanymi technikami wytwarzania i liczbą operacji. W wypadku pierwszego wariantu konieczne jest stosowanie czterech różnych technik i wykonanie pięciu operacji, zaś w wariancie drugim zaledwie dwu technik i dwu operacji. Wybór wariantu nie jest jednak, w tym wypadku, zadaniem tak trywialnym, gdyż zależy on przede wszystkim od planowanej wielkości produkcji i istniejącego wyposażenia zakładu w środki produkcji. I tak, jeśli np. planuje się niewielką serię wyrobów, zaś zakład nie dysponuje prasą i wykrojnikami do precyzyjnego wykrawania, to wariant drugi może okazać się znacznie droższy od wariantu pierwszego.

Oceny efektywności ekonomicznej procesu wytwarzania dokonuje się zwykle metodami rachunku kosztów. Kryteria jakościowe mogą przy tym zostać uwzględnione poprzez analizę wartości. Aby uwzględnić wpływ niepewności odnośnie do przyjętych warunków brzegowych (np. cen surowców, cen sprzedaży, sytuacji na rynku zbytu itp.) należy przeprowadzić analizę ryzyka i analizę czułości.

Analizę porównawczą wariantów procesu technologicznego należy przeprowadzać w sposób usystematyzowany i, w miarę możności, nie należy stosować decyzji opartych na intuicji. Tok postępowania w takiej analizie pokazano na rys.12.

Rys.12. Tok postępowania przy wyborze metod i technik wytwórczych

Kryteria, jakie stosuje się przy ocenie możliwych do zastosowania wariantów, metod i technik wytwórczych zestawiono na rys. 13.

Rys.13. Niektóre z kryteriów stosowanych przy wyborze wariantu technik wytwórczych

Wiele z tych kryteriów ma charakter ilościowy; na szereg z nich jednak można dać odpowiedź jedynie jakościową. Niektóre z kryteriów są tzw. kryteriami koniecznymi. Przy braku spełnienia takiego kryterium rozpatrywany wariant techniki (metody) wytwórczej jest od razu odrzucany. Wybór określonej metody wytwórczej zależy w znacznym stopniu od ukształtowania konstrukcyjnego oraz wymagań odnośnie do cech jakościowych przedmiotu, a w szczególności tolerancji wymiarowych i jakości powierzchni (chropowatość, falistość, odchyłki kształtu i położenia). Ogólnie obowiązuje prawidłowość, że wyższa jakość wiąże się z nieproporcjonalnym przyrostem kosztów. Winna ona być zatem jedynie tak wysoka, jak jest to konieczne. Koszty produktu są więc w znacznym stopniu determinowane przez konstruktora określającego wymagania jakościowe. Na rys.14 pokazano zależność kosztów wytwarzania od tolerancji wymiarowej, przy czym podobna zależność dotyczy jakości powierzchni.

Rys. 14. Zależność względnych kosztów wytwarzania od tolerancji wymiarowych.

Po ustaleniu optymalnego, w danych warunkach, przebiegu procesu technologicznego wykonuje się dokumentację technologiczną. Zawiera ona wszystkie dane niezbędne do zapewnienia prawidłowego przebiegu poszczególnych operacji. Zakres dokumentacji i jej szczegółowość zależy przede wszystkim od wielkości produkcji. W produkcji wielkoseryjnej musi ona być bardzo szczegółowa, zaś dla małej serii może być uproszczona. Do najważniejszych jej pozycji należą: karta technologiczna i instrukcja obróbki (KIOS). Kartę technologiczną sporządza się dla konkretnego wyrobu. Stanowi ona spis operacji uzupełniony wyszczególnieniem stanowiska roboczego dla każdej z nich oraz pomocy specjalnych. Podane są w niej również: czas jednostkowy oraz łączny czas wykonania operacji dla serii o określonej wielkości.

Dla produkcji małoseryjnej i jednostkowej karta technologiczna to, najczęściej, całość dokumentacji technologicznej i dlatego poszczególne operacje muszą być opisane szerzej,
z wyszczególnieniem pomocy uniwersalnych i specjalnych. W takich przypadkach na stanowisko pracy, oprócz karty, dostarcza się rysunek warsztatowy.

W produkcji wielkoseryjnej i masowej karta technologiczna stanowi jedynie uporządkowany rejestr operacji. Każda z tych operacji jest opracowywana szczegółowo w tzw. instrukcjach obróbki. Instrukcja obróbki zawiera treść operacji podaną w formie opisowej i szkicowego rysunku. W opisie podaje się stanowisko robocze, liczbę i kolejność zabiegów, warunki obróbki dla poszczególnych zabiegów oraz wszelkie pomoce niezbędne do wykonania danej operacji (uchwyty, przyrządy, oprawki, imaki, narzędzia i sprawdziany).

W wypadku wytwarzania zautomatyzowanego, z wykorzystaniem numerycznie sterowanych maszyn i urządzeń wytwórczych, dokumentacja technologiczna ma postać programów obróbki znajdujących się w pamięci komputerów sterujących tymi urządzeniami.

1.2.  Charakterystyka technik wytwarzania stosowanych w procesach produkcyjnych wyrobów z metali

Metale należą do podstawowych materiałów konstrukcyjnych. W technice znajdują zastosowanie najczęściej jako stopy, ze względu na to, że ustalając skład stopu ma się możliwość kształtowania własności metalu w pożądanym kierunku. Własności te mają ścisły związek z krystaliczną budową metali. Ich kształtowanie ma dwa aspekty: z jednej strony chodzi o uzyskanie pożądanych właściwości użytkowych produkowanych wyrobów, z drugiej strony zaś o właściwości technologiczne, decydujące o możliwości zastosowania określonych technik wytwórczych, bądź też o kosztach wytwarzania.

Wszystkie techniki wytwarzania można podzielić na 6 podstawowych grup (Tablica 2). Za kryterium podziału przyjęto spoistość materiału podlegającego obróbce. Przedstawiona systematyka jest bazą normy międzynarodowej.

Tablica 2. Ogólny podział technik wytwarzania

Sześć grup technik wytwarzania przedstawionych w tablicy 2 podzielono z kolei na podgrupy na kilku poziomach hierarchicznych.

Wybór techniki, jaką należy zastosować przy wytwarzaniu określonego przedmiotu, zależy przede wszystkim od wymaganych tolerancji wymiarowych i jakości powierzchni przedmiotu, a także od rozmiarów produkcji (liczby sztuk).

Wytwarzane w dużych liczbach elementy, współpracujące z sobą w złożonych wyrobach, są zwykle kojarzone przypadkowo, bez dopasowywania. Aby było to możliwe musi być przyjęty, znormalizowany system pasowań, zaś wymiary przedmiotów muszą być tak dobrane, aby warunki wynikające z żądanych pasowań, były spełnione. Wymaga to podjęcia w przedsiębiorstwie odpowiednich środków zapewniających utrzymanie, w toku produkcji, wymaganych dokładności wymiarowych produkowanych przedmiotów.

Produkowane przedmioty wykonywane są według rysunków konstrukcyjnych. Wymiary stawiane na tych rysunkach noszą nazwę nominalnych. W praktyce wymiary nominalne są nieosiągalne ze względu na nieuniknione błędy wykonania i dlatego wymiary rzeczywiste przedmiotów są od nominalnych zawsze nieco większe lub mniejsze. W przypadku, kiedy konieczne jest, by wymiar rzeczywisty nie odbiegał zbytnio od nominalnego, należy na rysunku podać dopuszczalne odchyłki, czyli tolerować wymiar nominalny.

Tolerowanie polega na podaniu dwu wymiarów granicznych, dolnego A i górnego B
(rys. 15), między którymi winien się znaleźć wymiar rzeczywisty przedmiotu. Różnicę między wymiarami granicznymi nazywamy tolerancją T wymiaru. Wielkość tolerancji (inaczej pola tolerancyjnego) określa wymaganą dokładność wytwarzania. Międzynarodowa organizacja normalizacyjna - ISO (International Standards Organization) przyjęła 20 klas dokładności oznaczonych cyframi od 01; 0,1 do 18 poprzedzonymi literami IT, przy czym wartość tolerancji odpowiadająca danej klasie dokładności zależy od wielkości wymiaru nominalnego. Aby, przy najniższych kosztach (tzn. przy najmniejszej liczbie koniecznych narzędzi, przyrządów i środków pomiarowych) umożliwić zamienność części wyrobów złożonych produkowanych seryjnie, lub masowo, ISO przyjęła system tolerancji. Skrótowe oznaczenie tolerancji ISO składa się z liter i cyfr, przy czym litery oznaczają położenie pola tolerancyjnego, w stosunku do linii zerowej (wymiaru nominalnego), zaś cyfry od 01; 0 ,1 do 18 odpowiadają klasie dokładności (w tym wypadku bez liter IT, aby uniknąć pomyłek) i oznaczają wielkość pola tolerancyjnego. Litery (od a do z) mogą być małe (w wypadku wymiarów zewnętrznych, np. średnicy wałka), lub duże (w wypadku wymiarów wewnętrznych, np. średnicy otworu). Litera h (lub odpowiednio H) oznacza, że pole tolerancyjne rozpoczyna się dokładnie na linii zerowej oznaczającej wymiar nominalny.

Rys. 15. Zasada tolerowania wymiaru przedmiotu

A - wymiar graniczny dolny, B - wymiar graniczny górny, T - tolerancja, F - odchyłka tolerancyjna dolna, G - odchyłka tolerancyjna górna,

Przykład

Rozpatrzmy nominalny wymiar (np. średnicę otworu) równy 100 mm. Jeśli ma on zostać wykonany w klasie dokładności IT5, to tolerancja tego wymiaru (według tabeli dla zakresu wymiarów, w którym mieści się 100 mm) wynosić będzie T = 15 mm. Dopuszczalne wartości odchyłek tego wymiaru zależeć będą od położenia pola tolerancyjnego. Przyjmując, że pole tolerancyjne rozpoczyna się na linii zerowej dokładność wymiaru zapiszemy jako 100H5 co odpowiada zapisowi 100+0,015. Wartości odchyłek mogą być różne, zależnie od położenia pola tolerancyjnego, ale ich różnica będzie zawsze równa tolerancji odpowiadającej klasie dokładności.

Określenie położenia pola tolerancyjnego jest niezbędne, aby zapewnić wymagane warunki współ-pracy dwu skojarzonych z sobą elementów złożonego wyrobu. Elementy takie mogą, w czasie prawidłowej eksploatacji wyrobu, albo pozostawać względem siebie w spoczynku, albo też poruszać się. Kojarzeniu spoczynkowemu mogą przy tym być stawiane różne wymagania w zależności od tego czy np. przewidywana jest możliwość rozłączania elementów lub czy połączenie ma przenosić obciążenia. Rozróżnia się zatem pasowania ruchowe, mieszane i wtłaczane (rys.16). Pasowania ruchowe mogą być: przestronne, obrotowe, bądź suwliwe. Gwarantują one występowanie luzu między współpracującymi elementami. Pasowaniom mieszanym odpowiada występowanie przylegania elementów lub, w przeważającej większości wypadków, lekkiego wcisku. Pasowanie wtłaczane oznacza, iż montaż elementów nie jest możliwy bez użycia, znacznej często, siły, względnie wykorzystania cieplnych zmian wymiarów elementów, a zatem ogrzewania ich, bądź chłodzenia. Pasowanie oznacza się na rysunku podając wymiar nominalny (jednakowy dla obu współpracujących elementów) oraz dwu tolerancji, np. f100H7/h6.

Rys.16. Rodzaje pasowań na przykładzie wałka i otworu

Osiągalna klasa dokładności IT należy do najważniejszych wyróżników charakteryzujących techniki wytwórcze, przy czym wielkość pola tolerancyjnego rośnie wraz wielkością liczby określającej klasę. Wymagana dokładność decyduje o wyborze określonej techniki oraz koniecznych do zastosowania środków wytwórczych, takich jak obrabiarki, narzędzia, czy środki pomiarowe, a także o przebiegu projektowanego procesu technologicznego.

Drugim z najważniejszych czynników charakteryzujących techniki wytwórcze jest uzyskiwana jakość powierzchni, a w szczególności jej chropowatość. Wprowadzono kilka, różnie określonych, mierników chropowatości. Do najczęściej stosowanych należą: średnia wysokość nierówności Rz oraz  średnie arytmetyczne odchylenie profilu Ra. Definicje tych wskaźników przedstawia rys.17.

Rys.17. Definicje wskaźników chropowatości powierzchni Ra i Rz

Chropowatość osiągana w toku procesu wytwórczego zależy od wielu czynników charakteryzujących dany proces. Każdemu rodzajowi procesu wytwórczego można przypisać pewien zakres chropowatości otrzymywanych w normalnych warunkach i możliwych do osiągnięcia przy zastosowaniu specjalnych obrabiarek, narzędzi bądź też szczególnych zbiegów.

Zestawienie wysokości chropowatości powierzchni Rz...