Obniżenie kosztu jednostkowego wytworzenia wyrobu

 

Ankieta przeprowadzona przez amerykańskie Krajowe Stowarzyszenie Producentów (National Association of Manufacturers, dalej NAM) wykazała, że 53% producentów spodziewa się, że pandemia COVID-19 wpłynie na ich działalność. Producenci znajdują się pod jeszcze większą presją związaną z podtrzymaniem konkurencyjności, co dotyczy także masowej produkcji trudnych w obróbce stalowych przedmiotów. Poniżej Rolf Olofsson, Product Manager w firmie Sandvik Coromant, która jest światowym liderem w dziedzinie narzędzi do obróbki skrawaniem metalu, wyjaśnia, w jaki sposób alternatywne podejście do obróbki tokarskiej stali umożliwia optymalizację kosztu jednostkowego wytworzenia wyrobu i ogólnej rentowności.

Ekonomika produkcji decyduje o rentowności firmy. W przypadku obróbki skrawaniem metalu ekonomika produkcji powinna skupiać się na zapewnieniu najwyższej niezawodności i przewidywalności procesów oraz bezpieczeństwa środowiska pracy. Takie powinny być jej dwa nadrzędne cele: po pierwsze podtrzymywać najwyższy poziom wydajności produkcji, a po drugie – jej jak najniższy koszt; każdy z tych celów należy rozpatrywać w kontekście sytuacji, w jakiej znajduje się dany producent.

Osiągnięcie tych celów może stanowić nie lada wyzwanie w obróbce tokarskiej stali, w której zdarzają się „wąskie gardła”, spowolnienia produkcji lub ograniczenie liczby przedmiotów wykonywanych w ramach jednej partii. Do tego dochodzą wyzwania dla całej branży związane z pandemią COVID-19. W reakcji na podany przez NAM odsetek wynoszący 53% producentów, agencja Pricewaterhouse Coopers opublikowała następujący komentarz: „Te ponure przewidywania stają się rzeczywistością wobec spadających cen ropy i popytu, zatorów w łańcuchach dostaw, spowolnienia konsumpcji i niepewności na rynkach kredytowych”.

Producenci, zwłaszcza zajmujący się produkcją masową, są szczególnie wyczuleni na znaczenie kosztu jednostkowego w zarządzaniu obróbką tokarską stali. Podstawową zasadą obliczania kosztu jednostkowego jest dzielenie sumy łącznych kosztów stałych i łącznych kosztów zmiennych przez łączną liczbę wytworzonych przedmiotów. Ponadto parametry toczenia stali zależą w dużym stopniu od wymogów rynku, przy czym celem jest redukcja kosztów produkcji lub wzrost wydajności.

Na przykład firmy wytwarzające części dla branży motoryzacyjnej muszą brać pod uwagę scenariusze wysokiego lub niskiego popytu. Scenariusze niskiego popytu wymagają stosowania narzędzi, za pomocą których można wytworzyć więcej sztuk przypadających na jedno ostrze, zapewniając jednocześnie wysoce niezawodny przebieg procesu technologicznego, czego skutkiem jest mniejsza liczba wybraków. Z kolei w scenariuszach wysokiego popytu niezbędne są rozwiązania zwiększające wydajność skrawania, krótsze czasy cyklu i większy stopień wykorzystania obrabiarek, przy jednoczesnym ograniczeniu do minimum przerw w produkcji.

Bez względu na prawdopodobny scenariusz, producenci powinni dążyć do maksymalizacji wydajności obróbki, dzięki czemu – jak wykazały badania firmy Sandvik Coromant – można zmniejszyć koszt produkcji przedmiotu o 15%. Ale kluczem do osiągnięcia tego celu przy jednoczesnym osiągnięciu maksymalnej niezawodności procesu może być alternatywne podejście do kwestii wyposażenia w narzędzia.

 

 

Skrócenie czasu nieprzeznaczonego na skrawanie

Według obliczeń Sandvik Coromant, koszt narzędzi może stanowić od 3 do 5% ogólnego kosztu produkcji. Wydaje się rzeczą naturalną, by przy zakupie narzędzia, zużywającego się z czasem, np. płytki skrawającej do toczenia stali, brać pod uwagę wyłącznie początkowy koszt jednostkowy. Jednak firma Sandvik Coromant zaleca swoim klientom zmianę spojrzenia w taki sposób, aby koszt narzędzi był uwzględniany jako czynnik w całym procesie kosztorysowania produkcji, który obejmuje także koszty ogólne, takie jak spadek wartości parku maszynowego.

Jeśli przeanalizujemy typowy dzień pracy w zakładzie obróbki skrawaniem, okaże się, że podczas dwóch zmian trwających łącznie 14,4 godziny, 60% czasu to czas poświęcany na produkcję, czyli czas wykonania, natomiast pozostałe 40% jest przeznaczanych na inne czynności i stanowi czas uzupełniający. Oczywistym celem powinno być skrócenie czasu nieprzeznaczonego na skrawanie i maksymalne wydłużenie czasu głównego tj. przeznaczonego na zmianę właściwości przedmiotu.

Najlepszy sposobem na jego osiągnięcie jest maksymalizacja objętościowej wydajności skrawania przy jednoczesnym zwiększeniu stopnia wykorzystania obrabiarki. Według firmy Sandvik Coromant poprawa wykorzystania obrabiarki o 20% może zwiększyć zysk brutto nawet o 10%.

 

 

Większa trwałość narzędzia

Producenci mierzą wydajność produkcji na różne sposoby, a jednym ze wskaźników jest liczba przedmiotów obrabianych (sztuk) wyprodukowanych w określonym czasie. Istnieje jednak kilka czynników, które mogą uniemożliwić osiągnięcie żądanej liczby przedmiotów wytworzonych w ciągu jednej zmiany. Konieczność częstej wymiany płytek, przerwy w produkcji i niewłaściwy dobór płytek do zastosowania lub materiału są uważane za najbardziej czasochłonne czynniki we współczesnej produkcji.

W jaki sposób producenci mogą przezwyciężyć te trudności, które towarzyszą obróbce trudno skrawalnych przedmiotów z aluminium, stali niestopowych i innych materiałów obrabianych? W takich przypadkach głównym kryterium doboru płytki powinna być jej przydatność do obróbki danego przedmiotu. Jest to spore wyzwanie, ponieważ o wydajności płytki skrawającej decyduje tak wiele zmiennych, że stworzenie jednego gatunku spełniającego szerokie spektrum wymagań związanych z obróbką stali P15–P25 stanowi niewdzięczne zadanie. Określenia P15–P25 odnoszą się do wymogów względem parametrów obróbki, jakie wynikają ze zróżnicowanych warunków obróbki. Dotyczy to parametrów skrawania, chropowatości powierzchni, głębokości skrawania, precyzyjnego lub zgrubnego wykończenia powierzchni oraz skrawania ciągłego lub przerywanego.

Gatunek wykorzystywany do tego zastosowania musi spełniać liczne wymagania. Ogromne znaczenie ma na przykład odporność na wykruszenia, jako że twardość ostrza musi być wystarczająca, by uniknąć deformacji plastycznej na skutek bardzo wysokich temperatur powstających w strefie skrawania. Ponadto, pokrycie płytki powinno być odporne na starcie powierzchni przyłożenia, powstawanie zużycia kraterowego (żłobka na powierzchni natarcia) i narostu. Kluczowe znaczenie ma też ścisłe przyleganie pokrycia do podłoża. Słabo przylegające pokrycie odsłania podłoże, co może prowadzić do szybkiego stępienia katastroficznego ostrza.

Można powiedzieć, że kluczem do uniknięcia tego rodzaju skutków jest ograniczenie występowania zużycia, którego rozwój następuje w sposób miarowy i przewidywalny oraz eliminacja form zużycia o charakterze nieciągłym i nie dających się kontrolować. Innymi słowy, celem jest osiągnięcie przewidywalności zużywania się narzędzi. Oczywiście ciężko jest osiągnąć całkowitą przewidywalność, zwłaszcza jeśli uwzględnimy obecną tendencję rynkową do obróbki z ograniczonym nadzorem lub bezzałogowej.

We wszystkich sytuacjach obróbkowych, optymalnym rodzajem zużycia płytki jest kontrolowane starcie powierzchni przyłożenia, zapewniające przewidywalną trwałość ostrza. Gatunek doskonały to taki, który w niewielkim stopniu ulega niepożądanym rodzajom zużycia, a w niektórych rodzajach obróbki jest na nie całkowicie odporny.

Dla osiągnięcia maksymalnej liczby wyprodukowanych egzemplarzy ważny jest dobór właściwej płytki węglikowej – i dlatego Sandvik Coromant wprowadzi na rynek do swojego asortymentu nową parę gatunków węglikowych do toczenia materiałów z grupy ISO P, oznaczonych jako GC4415 i GC4425, odnoszących się odpowiednio do wymogów P15 i P25. GC4425 oferuje udoskonaloną odporność na zużycie, wytrzymałość termiczną i udarność, natomiast gatunek GC4415 ma uzupełniać GC4425 w zastosowaniach wymagających pracy z najwyższymi parametrami skrawania i odporności na wysoką temperaturę.

Obydwa gatunki idealnie nadają się do obróbki stali niskostopowej i niestopowej. Z ich pomocą można dokonywać obróbki znacznej liczby przedmiotów w ramach produkcji masowej i seryjnej, gdzie przyczyniają się do zwiększenia trwałości ostrza narzędzia, eliminacji nagłych pęknięć oraz redukcji kosztów przeróbek wybraków i ich złomowania.

Gatunki GC4415 i GC4425 posiadają pokrycie wykonane w technologii Inveio® drugiej generacji, wykorzystującej jednokierunkowe uporządkowanie ziaren w warstwie pokrycia. Wyjątkową cechę technologii Inveio można dostrzec, badając materiał pod mikroskopem: jego powierzchnia charakteryzuje się jednokierunkowym uporządkowanym rozkładem orientacji ziaren polikryształu. Takie samo zorientowanie każdego ziarna tworzącego warstwę pokrycia sprawia, że tworzy się wyjątkowo mocna bariera zwrócona w stronę powierzchni ostrza. W pokryciu Inveio drugiej generacji znacznie ulepszono uporządkowanie ziaren.

Dzięki Inveio płytka odznacza się znaczną odpornością na zużycie i większą żywotnością. Trwalsze narzędzia sprzyjają rzecz jasna zmniejszeniu kosztu jednostkowego wytworzenia przedmiotu. Ponadto, oprócz innych kryteriów doboru, inżynierowie muszą uwzględnić wpływ geometrii na kontrolę spływu wiórów i wydajność obróbki.

 

Lepsza geometria

Geometria dotyczy kształtu samej płytki, której konstrukcja zależy od rodzaju obróbki: wykończeniowej, średniej lub zgrubnej. Każdy typ obróbki wpływa na prędkość skrawania – ma własny obszar roboczy, wyznaczany przez akceptowalny stan łamania wiórów względem wartości posuwu i głębokości skrawania.

Aby pomóc klientom w doborze najlepszych płytek i gatunków tokarskich odpowiadających ich potrzebom, firma Sandvik Coromant umożliwiła wybór online za pomocą aplikacji CoroPlus Tool Guide.

Taylor doszedł do wniosku, że wykorzystywanie największej możliwej głębokości skrawania zmniejsza liczbę koniecznych przejść i tym samym skraca czas obróbki. Jednak twierdził zarazem, że optymalny przebieg toczenia stali zależy od stabilności mocowania, w którym znajduje się narzędzie, uchwytu przedmiotu obrabianego oraz zastosowania chłodziwa w obrabiarce, a także mocy napędów obrabiarki.

 

Podejście całościowe

Model Taylora pokazuje, że optymalizacja obróbki tokarskiej stali wykracza poza kwestię doboru gatunków i geometrii. Dlatego producenci powinni raczej rozważyć całościową koncepcję wyposażenia w narzędzia. Składowe elementy narzędzia – gatunek płytki, konstrukcja mocowania i oprawka narzędziowa – mogą zwiększać wydajność, obniżać koszty i sprzyjać osiągnięciu wyższego poziomu niezawodności procesu.

Tego rodzaju całościowe i alternatywne podejście zostało przetestowane przez klienta z branży maszynowej, który zastosował stworzoną przez firmę Sandvik Coromant płytkę węglikową w gatunku GC4425 do produkcji wału napędowego. Gatunek GC4425 zaprojektowano tak, aby uzyskać lepszą odporność na zużycie, wytrzymałość termiczną i udarność. Dodatkowo zapewnia on możliwość pracy z wyższymi parametrami skrawania. Płytkę zastosowano w obróbce stali w gatunku AISI 4140 po wstępnej obróbce cieplnej tj. stali stopowej chromowo-molibdenowej o twardości 40 HRC (skali twardości C wg Rockwella). Gatunek jest często używany do produkcji wszelkich przedmiotów – od kół zębatych po pompy – w różnych zastosowaniach w branży motoryzacyjnej i budowlanej.

Przedmiot obrabiany ze wstępnie ulepszonej cieplnie stali 4140 został poddany wielokierunkowej zewnętrznej obróbce zgrubnej. W celach testowych wyniki uzyskane przez płytki GC4425 porównano z wynikami konkurencyjnej płytki (o kształcie zgodnym z normą ISO) użytej do realizacji tego samego procesu. Kluczowa okazała się możliwość zwiększenia prędkości skrawania (vc) i niemal podwojenia wartości posuwu (fn) – płytka konkurencji pracowała z parametrami vc=183 m/min i fn=0,33 mm/obr., natomiast płytka GC4425 – vc=244 m/min i fn=0,51 mm/obr.

W ostatecznym rozrachunku płytka marki Sandvik Coromant umożliwiła poprawę produktywności o 100% przy jednoczesnym skróceniu czasu skrawania o 50%. W sumie klientowi udało się obniżyć koszty o 30%.

Wynik ten pokazuje, że uwzględnienie całościowej koncepcji wyposażenia w narzędzia umożliwia producentom zwiększenie rentowności produkcji i obniżenie kosztu jednostkowego. Opisane holistyczne podejście do kwestii doboru gatunków i geometrii płytek oraz całej ekonomiki produkcji będzie mieć zasadnicze znaczenie dla producentów chcących zachować konkurencyjność w obliczu trwających konsekwencji pandemii COVID-19.

 

Źródło: Sandvik Coromant

Authors

Related posts

Góra
English