27. ledna 2021 21:19

Snížení nákladů na vyrobenou součást

~ Obchodují-li výrobci na kolísajících trzích, měli by vyhodnotit celý proces soustružení oceli ~

Jak ukázal průzkum americké Národní asociace výrobců (NAM), 53 % výrobců očekává, že COVID-19 ovlivní chod jejich provozů. Chtějí-li si udržet svou konkurenceschopnost, ocitají se pod ještě větším tlakem – včetně hromadné výroby zahrnující obrábění náročných ocelových součástí. Rolf Olofsson, produktový manažer ze společnosti Sandvik Coromant, která zaujímá vedoucí postavení mezi výrobci obráběcích nástrojů, objasňuje, jak alternativní přístup k operacím využívaným při soustružení ocelí pomáhá optimalizovat náklady na vyrobenou součást a celkovou ziskovost.

Ekonomika výroby je určující pro ziskovost společnosti. V případě obrábění kovů by se ekonomika výroby měla soustředit na zajištění toho, aby tyto procesy a pracovní podmínky byly bezpečné a předvídatelné. Je třeba sledovat dva hlavní cíle: za prvé zachování maximálního objemu výroby a za druhé dosažení co nejnižších výrobních nákladů, přičemž každý z těchto cílů má vztah ke konkrétní situaci výrobce.

Z pohledu soustružnických operací využívaných při soustružení ocelí, které mohou představovat překážky pro plynulost výroby, výrobu zpomalovat nebo snižovat počet součástí vyrobených za jeden pracovní cyklus, představují tyto cíle náročné výzvy. A v současné době musí průmysl čelit ještě větší výzvě, kterou se stal COVID-19. V reakci na statistickou hodnotu 53 %, zjištěnou asociací NAM, společnost Pricewaterhouse Coopers uvedla: „V prostředí padajících cen a poptávky po ropě, potíží s fungováním dodavatelských řetězců, klesajících výdajů a nejistoty panující na úvěrových trzích se již tyto chmurné vyhlídky stávají realitou.“

Výrobci, zejména v hromadné výrobě, si při plánování soustružnických operací prováděných při obrábění ocelí velmi dobře uvědomují, jaké jsou náklady na vyrobenou součást. Základní princip výpočtu nákladů na vyrobenou součást spočívá v sečtení celkových fixních nákladů a celkových variabilních nákladů a vydělení takto získané hodnoty celkovým počtem vyrobených kusů. Parametry soustružení ocelí také do značné míry závisí na tržní poptávce vedené snižováním výrobních nákladů nebo zvyšováním produkce.

Například společnosti, které se zabývají výrobou automobilových součástí mohou být v budoucnosti nuceny vyrovnat se se scénářem vysoké nebo naopak nízké poptávky. Scénáře s nízkou poptávkou vyžadují nástroje schopné vyrobit více kusů na břit a zároveň nabídnout bezpečnost obráběcího procesu a snížení počtu vyřazených zmetkových součástí. Scénáře s vysokou poptávkou vyžadují nástrojová řešení, která umožňují zvýšení rychlosti úběru kovu, zkrácení času cyklu a zvýšení využití stroje díky minimálním prostojům ve výrobě.

Bez ohledu na to, před kterým scénářem výrobci stojí, měli by se snažit maximalizovat u svých obráběcích procesů dosahovaný výkon, což podle zjištění společnosti Sandvik Coromant může snížit náklady na vyrobenou součást o 15 %. Ale aby toho bylo možné dosáhnout a zároveň maximalizovat bezpečnost obráběcího procesu, může být řešením využití alternativního přístupu k nástrojovému vybavení.

Zkrácení časů, kdy nástroj není v záběru

Společnost Sandvik Coromant spočítala, že náklady na nástroje mohou činit 3 až 5 % celkových výrobních nákladů. Při posuzování nákupu nástroje, který se časem opotřebí, jako jsou karbidové břitové destičky pro soustružení oceli, je přirozené vzít v úvahu pouze počáteční jednotkové náklady. Namísto toho ale společnost Sandvik Coromant doporučuje, aby se její zákazníci podívali na věc trochu jinak a přehodnotili, jak zohlednit náklady na nástroje v nastavení celého procesu kalkulace nákladů, který zahrnuje režijní náklady, jako jsou odpisy strojů.

Podíváme-li se na typický pracovní den v obrobně, řekněme, že během dvou pracovních směn v celkové délce 14,4 hodiny se 60 % času spotřebuje na výrobu, neboli jedná se o čas v řezu, zatímco 40 % času je věnováno jiným věcem, neboli jde o čas, který není využit pro obrábění. Cílem by v tomto případě mělo samozřejmě být zkrácení doby, která není využita pro obrábění a maximalizace času v řezu.

Nejlepším způsobem, jak toho dosáhnout, je udržet co nejkratší dobu výroby a zároveň zvýšit využití obráběcího stroje. Společnost Sandvik Coromant zjistila, že zvýšením využití strojů o 20 % lze skutečně dosáhnout zvýšení míry zisku o 10 %.

Prodloužení životnosti nástrojů

Výrobci měří výkonnost různými způsoby, jedním z nich je počet obrobených součástí (ks) dokončených za určité časové období. V dosažení požadovaného počtu obrobených kusů za směnu však mohou výrobcům bránit rozličné faktory. Má se za to, že k největším časovým ztrátám dochází v moderní průmyslové výrobě kvůli výměnám břitových destiček, přerušování výroby a potížím při hledání vhodných břitových destiček pro jednotlivé aplikace a obráběné materiály.

Jak se mohou průmysloví výrobci s těmito problémy vyrovnat, když pracují s problematickými obrobky z hliníku, nelegovaných ocelí a dalších typů obráběných materiálů? V takových případech je v prvé řadě třeba volit třídu břitových destiček s ohledem na její vhodnost pro daný obrobek. To je náročný úkol, protože na funkci a výkonnost břitových destiček má vliv mnoho proměnných, takže dojít až k jedné třídě splňující širokou škálu požadavků pro oblast P15 až P25 může být nevděčnou úlohou. Na oblast P15 až P25 se vztahuje řada požadavků, které rozmanité pracovní podmínky kladou na parametry obráběcího procesu — svou roli hrají řezné podmínky, kvalita obrobené plochy, hloubka řezu, obrobený nebo neopracovaný povrch, spojitý nebo přerušovaný řez.

Ve skutečnosti existuje celá řada podmínek nutných pro to, aby jakákoli nástrojová třída splnila takové nároky. Prvořadý význam má konkrétně odolnost proti náhlému lomu, protože s ní souvisí schopnost řezné hrany dosáhnout tvrdosti potřebné k tomu, aby po všech stránkách odolala plastickým deformacím vyvolaným extrémními teplotami působícími v oblasti řezu. Navíc povlak břitové destičky musí být schopen bránit rozvoji opotřebení hřbetu, opotřebení ve tvaru žlábku a vytváření nárůstku na břitu. Klíčové je, aby povlak spolehlivě přilnul k substrátu. Pokud povlak dobře nepřilne, substrát není chráněn, což může vést až k jeho rychlému poškození.

Lze říci, že abychom se vyvarovali takovýchto následků, klíčem k úspěchu je zajistit spojitý, kontrolovatelný průběh opotřebení a vyvarovat se nepravidelného, často nekontrolovatelného průběhu opotřebení. Jinými slovy, cílem je předvídatelný průběh opotřebení nástroje. Úplné předvídatelnosti není samozřejmě snadné dosáhnout, zejména z pohledu současného průmyslového trendu, jímž je obrábění s omezeným nebo žádným dohledem.

Optimálním způsobem opotřebení je u jakékoli břitové destičky kontrolované opotřebení hřbetu, protože vede k předvídatelné životnosti břitů. Ideální nástrojová třída je taková, která omezuje vývoj nežádoucích druhů opotřebení – a v případě některých operací jim brání ve vývoji úplně.

Aby mohl být maximalizován počet vyrobených kusů, je velice důležité zvolit vhodnou karbidovou břitovou destičku — to je také důvodem, proč společnost Sandvik Coromant zařazuje do své nabídky dvojici nových karbidových tříd pro soustružení materiálů ISO P. Jejich označení GC4415 a GC4425 odkazuje na oblasti jejich použití P15, respektive P25. Třída GC4425 nabízí zvýšenou odolnost proti otěru, odolnost proti účinkům tepla a houževnatost, zatímco třída GC4415 byla navržen tak, aby byla alternativou ke třídě GC4425 v případě, že je vyžadována vyšší výkonnost a vyšší odolnost proti účinkům tepla.

Obě tyto třídy se ideálně hodí pro obrábění nízkolegovaných a nelegovaných ocelí. Při použití v hromadné a sériové výrobě umožňují opracování většího počtu kusů a přispívají k prodloužení životnosti nástroje, eliminaci náhlých lomů a snížení počtu oprav vadných kusů a zmetků.

U obou nástrojových tříd, GC4415 i GC4425, našla uplatnění povlaková vrstva z oxidu hlinitého s usměrněnou krystalografickou orientací, která je nanášena technologií Inveio^® druhé generace. Co dělá technologii Inveio jedinečnou je patrné, prozkoumáme-li materiál na mikroskopické úrovni: povrch materiálu se vyznačuje usměrněnou krystalografickou orientací. Všechny krystaly povlaku z oxidu hlinitého jsou vyrovnány ve stejném směru a společně tvoří odolnou bariéru proti podmínkám působícím v místě řezu. U povlaku Inveio druhé generace je orientace krystalů ještě podstatně vylepšena.

Technologie Inveio poskytuje břitové destičce vysokou odolnost proti otěru a delší životnost. Trvanlivější nástroje jsou samozřejmě žádoucí z hlediska snižování nákladů na vyrobenou součást. Vedle dalších parametrů výběru musí vzít technici v úvahu i to, jak geometrie břitové destičky ovlivňuje kontrolu utváření třísek a výsledky obráběcího procesu.

Lepší geometrie

Geometrie jako taková určuje typ břitové destičky a je navržena podle typu obráběcího procesu: dokončování, střední obrábění a hrubování. Každý z nich má své vlastní podmínky, pokud jde o stanovení řezné rychlosti – vlastní pracovní oblast, která je dána přijatelným dělením třísek ve vztahu k rychlosti posuvu a hloubce řezu.

Aby společnost Sandvik Coromant svým zákazníkům usnadnila výběr nejvhodnějších soustružnických břitových destiček a nástrojových tříd v souladu s jejich požadavky, umožnila jim provádět tento výběr online s pomocí aplikace CoroPlus^® Tool Guide.

Tři hlavní řezné parametry – řezná rychlost, posuv a hloubka řezu – mají při soustružení významný vliv na životnost nástroje, a tedy i na náklady na vyrobenou součást. Zvýšením hodnot řezných parametrů o 20 % tak lze snížit náklady na vyrobenou součást o 10 %. Model amerického strojního inženýra Fredericka Winslowa Taylora vyvinutý na počátku 20. století stanovil vztah mezi řeznou rychlostí, opotřebením nástroje a jeho životností.

Taylor dospěl k závěru, že využití maximální možné hloubky řezu vede ke snížení počtu potřebných pracovních průchodů, a tím ke zkrácení doby obrábění. Upozornil však také, že optimalizovaný proces soustružení ocelí závisí na stabilitě upínače, ve kterém je uchycen nástroj, upnutí obrobku, způsobu přívodu řezné kapaliny u obráběcího stroje a na výkonu obráběcího stroje.

Holistický přístup

Taylorův model nám ukazuje, že optimalizované soustružení ocelí sahá nad rámec nástrojových tříd a geometrií. Namísto toho by výrobci měli posoudit celou nástrojovou koncepci. Vše, počínaje třídou břitových destiček, konstrukcí upínky i samotného nástrojového držáku, může umožnit zvýšení výkonnosti, snížení nákladů a zajistit vyšší stupeň bezpečnosti obráběcího procesu.

Tento holistický a alternativní přístup vyzkoušel jeden ze zákazníků z oblasti všeobecného strojírenství, když pro výrobu hnacího hřídele použil karbidové břitové destičky ve třídě GC4425 z nabídky společnosti Sandvik Coromant. Při návrhu třídy GC4425 byl kladen důraz na zvýšení její odolnosti proti otěru, odolnosti proti účinkům tepla a houževnatosti. Navíc je způsobilá pro práci při vyšších hodnotách řezných parametrů. Břitové destičky byly použity pro obrábění oceli 4140 v tepelně zpracovaném stavu (PHT). Jedná se o chrom-molybdenovou legovanou ocel s tvrdostí 40 HRC (tvrdost podle Rockwella, typ C). Tato třída oceli je běžně využívána ve všech oblastech výroby, počínaje ozubenými koly a čerpadly, až po nejrůznější aplikace v automobilovém průmyslu a výrobě stavebních strojů a zařízení.

U obrobku z oceli 4140 PHT bylo provedeno hrubování vnějších ploch s využitím obrábění ve všech směrech. V rámci této zkoušky bylo provedeno srovnání výkonnosti GC4425 s konkurenční ISO břitovou destičkou používanou pro stejný proces. Rozhodující bylo, že jsme mohli zvýšit řeznou rychlost (vc) a zněkolikanásobit rychlost posuvu (fn) — vc = 183 m/min (600 ft/min) a fn = 0.33 mm/ot (.013 in/ot) u konkurenčních břitových destiček versus 244 m/min (800 ft/min) vc a 0.51 mm/ot (.020 in/ot) fn v případě GC4425.

Břitové destičky Sandvik Coromant nakonec umožnily zvýšení produktivity o 100 % a zkrácení času cyklu o 50 %. V konečném výsledku zákazník dosáhl snížení nákladů o 30 %.

Tento výsledek ukazuje, že provedou-li výrobci zhodnocení celé nástrojové koncepce, mohou dosáhnout vyšší ziskovosti výroby a snížení nákladů za vyrobenou součást. Mají-li si výrobci udržet konkurenceschopnost i přes přetrvávající dopady onemocnění COVID-19, tento holistický přístup ke třídám břitových destiček, jejich geometriím a celkové ekonomice výroby se stane klíčovým.

www.sandvik.coromant.com