Cum se alege o maşină-unealtă (VII)

În următoarele episoade ale acestui articol vom prezenta mai multe soluţii care duc la creşterea productivităţii maşinilor-unelte. În acest număr, vom prezenta situaţii generale, urmând ca în numărul viitor să prezentăm exemple concrete, soluţii adoptate de mari companii producătoare.

Minimizarea timpilor auxiliari şi reducerea tipilor de reglare. Soluţii la maşini-unelte

La o maşină de rectificat roţi dinţate, cu doi arbori principali se utilizează două manipulatoare cu câte două axe – deplasare pe verticală şi montanţi pivotanţi figura 17.Fiecare axă manipulatoare este echipată cu câte un arbore portpiesă. Când o piesă este rectificată, al doilea arbore portpiesă transferă piesa prelucrată transportorului şi apucă o piesă de rectificat, montantul se roteşte în poziţia de rectificare şi apoi se accelerează rotirea pentru diminuarea timpilor auxiliari. Maşina se poate echipa cu o axă multifuncţională, pentru măsurare şi verificare.Piesele prelucrate pot fi sortate chiar pe maşină. Acest centru de rectificare a roţilor dinţate este destinat producţiei în serii mari sau în masă.

 Figura 17

Pentru creşterea gradului de confort în vehiculele pentru transportul de persoane (reducerea nivelului de zgomot şi de vibraţii) s-au realizat maşini de rectificat roţi dinţate sau arbori pinion.Acestea rectifică complet dantura, fiecare piesă fiind prelucrată în aceleaşi condiţii [13]. Caracteristicile maşinii care realizează piese de înaltă calitate sunt (printre altele):

• Batiul este realizat dintr-un material termostabil (nu este specificat dacă acesta este un material natural – granit, sau unul artificial – beton de un anumit tip);
• Turaţia pietrei poate ajunge la 10000rot/min;
• Puterea de acţionare a pietrei de rectificare este de până la 35 kW;
• Se realizează viteze de deplasare (avans) mari;
• Pietrele abrazive pot fi realizate dintr-un material abraziv nou Cubitron II;
• Se pot realiza ondulaţii pe flancurile dintelui pentru optimizarea/diminuarea zgomotului emis;
• Ondulaţiile de pe flancurile dinţilor pot fi rea­lizate la nivel submicronic.

Evitarea deteriorării piesei în timpul manipulării acesteia, după terminarea prelucrării, este de mare interes. Pentru aceasta trebuie realizată o interacţiune între un sistem video de urmărire, software-ul de comandă şi robotul de manipulare [14]. Sincronizarea fiecărei faze asigură obţinerea unei prinderi optime şi a unei poziţionări corecte a piesei. Sistemul de identificare dinamic (cu piesa în mişcare) 3D a obiectului, cu un software puternic (separare, identificare, selectare a piesei) asigură prinderea şi manipularea fără pericole a piesei.

Un sistem de alimentare rotativ (RLS – Rotary Loading System) oferă o soluţie de fabricaţie de înaltă eficienţă, cu una sau două maşini, oferind un grad de utilizare de peste 90% [15]. Pentru loturi de piese începând de la o bucată/lot în sus, RLS oferă un potenţial de eficienţă considerabil. În timp ce maşina prelucrează, operatorul poate efectua alte sarcini de producţie, costurile cu forţa de muncă reducându-se cu până la 20%. Investiţia în RLS se amortizează în mai puţin de 2 ani.

Soluţia se poate integra şi unor echipamente existente (maşini-unelte), putându-se adapta unor maşini-unelte mai vechi (în exploatare), la preţuri relativ mici.Un stocator de piese cu până la 24 de sertare, ocupând un spaţiu limitat, asigură semifabricate suficiente pentru un al treilea schimb fără operator uman. RLS este flexibil şi poate fi extins, pe aceeaşi suprafaţă ocupată.

Fiind în imposibilitatea de a angaja personal de execuţie suplimentar pentru operarea maşinilor-unelte, o firmă a decis să rezolve problema alimentării maşinilor-unelte prin achiziţionarea unui robot. Investiţia s-a dovedit foarte profitabilă şi a condus la achiziţionarea de către firmă a unui al doilea robot [16].

Tehnologia de prelucrare uzuală implică mai multe prinderi ale piesei. S-a analizat soluţia achiziţiei unei maşini capabile să realizeze strunjiri, frezări, găuriri într-o singură prindere a piesei. Costul achiziţiei s-a dovedit a fi mare, iar utilizarea unui robot nu rezolva problema operatorului.

În final, s-a adoptat soluţia a două maşini: un strung şi un centru de frezare, ambele alimentate de un robot (de precizat faptul că acea companie furniza componente pentru industria de exploatare a petrolului). Soluţia asigură:

• preţuri mai atractive; loturile de piese, foarte diverse, adesea au doar 10 piese în lot; din cauza flexibilităţii se pot prelucra piese foarte diverse, cu posibilitatea unor previziuni, estimări mult mai precise ale termenelor de livrare şi ale preţului; preţul s-a micşorat, au crescut producţia şi profitul;
• readucerea în firmă (workplaces back) a unor activităţi, care erau realizate în colaborare. Celula de lucru robotizată a oferit o capacitate de producţie suplimentară, absorbind foarte multă manoperă, care se poate realiza în firmă;
• protecţia proprietăţii intelectuale: piesele erau livrate unui producător de echipamente pentru industria petrolieră. Reducând mişcarea pieselor s-a redus şi mişcarea documentaţiei, crescând protecţia informativă;
• afaceri în plus: crescând capacitatea de prelucrare (volum, tipuri de piese etc) firma a atras mai multe comenzi;
• flexibilitate mărită: faţă de operatorul uman, robotul poate „învăţa” un nou proces instantaneu. Operatorul trebuie să fie şcolarizat şi introdus treptat în pro­blemele unor proceduri variabile. Robotul poate fi uşor reprogramat într-o singură zi, fără a reveni la „vechi practici”.

Reanalizând fluxul tehnologic, s-a hotărât achiziţionarea a încă unui strung, iar robotul va fi reprogramat să transfere componente între cele trei maşini. Robotul a redus costurile cu mâna de lucru cu 75%, crescând capacitatea de prelucrare cu 49%. Introducerea celui de-al doilea strung a ridicat probleme de spaţiu. S-au găsit soluţii de stocare a semifabricatelor în zona de acces a robotului. Cu un stocator vertical, celula poate opera 16-20 de ore zilnic, în loc de a trebui să funcţioneze 24 de ore.

O analiză foarte interesantă a fabricaţiei unor loturi mici sau chiar a unor unicate, în condiţii profitabile, este realizată în [17]. Rezolvarea acesteia se învârteşte în jurul unei probleme esenţiale: cum să se automatizeze producţia în mod eficient, considerând atât loturi mici de piese, cât şi o mare varietate de piese. Întrebarea ridică mai multe probleme:

• ce nivel de automatizare asigură producerea mai eficientă  a loturilor mici şi a componentelor cu geometriile cele mai variate;
• cum se pot decupla sarcinile de lucru ale operatorului şi tipul solicitat de maşină.

Companiile pot produce eficient chiar unicate, prin utilizarea mai intensă a maşinii-unelte şi a operaţiilor, fără participare umană, utilizând sisteme de paletizare pentru centre de prelucrare, coordonate prin utilizarea unui software de comandă flexibil.

În cazul unui nivel scăzut de automatizare, gradul de utilizare a maşinii-unelte nu este optim, rezultând timpi de prelucrare şi de reglare relativ lungi şi, ca urmare, costuri mari pe piesă. Un sistem de manipulare paletizat (PHS – Pallet Handling System) reduce costurile unitare cu peste 20%. La piese a căror prelucrare durează peste 2 ore, reducerea este cu cca 1/3.

Acest lucru se realizează prin utilizarea optimă a maşinii, în combinaţie cu utilizarea unui personal mai redus şi investiţii corespunzătoare.

Dispozitivele de fixare sunt reglate în paralel (simultan) cu prelucrarea, utilizând staţii separate, disponibile în dife­rite variante: deplasabile, înclinabile, basculante. Astfel, timpii de reglare nu sunt incluşi în timpul de maşină.

Sistemele de fixare flexibile, având sisteme de prindere universale, permit reducerea numărului de palete necesare. Poziţiile de prelucrare multiple măresc timpii de prelucrare şi, în consecinţă, inventarul de accesorii din sistem. Sistemul de manipulare a paletelor reduce, suplimentar, necesarul de personal, extinzând timpul de efectuare a unor operaţii de prelucrare fără prezenţă umană, permiţând prelucrarea în al treilea schimb sau în zile libere.

Utilizarea sub potenţial a maşinilor-unelte conduce la o creştere a numărului acestora. În loc de a utiliza două maşini-unelte, cu schimbător de palete, care asigură un coeficient de utilizare de sub 75%, utilizarea unei singure maşini-unelte cu un schimbător de palete şi cu un sistem de manipulare a paletelor realizează aceleaşi efecte (grad de utilizare). Satisfacerea unor cereri (comenzi) mai mari se poate realiza prin extinderea sistemului (noi centre de prelucrare), într-o fază ulterioară. Costurile suplimentare se amortizează prin creşterea productivităţii, într-un timp relativ scurt, în funcţie de volumul investiţiilor.Un sistem integrat de management al sistemelor de fixare şi al materialelor poate sprijini mediul de producţie. Semifabricatele, piesele finite şi sculele pot fi depozitate pe euro-palete în sistem, în vecinătatea zonei de reglare. Se reduc, astfel, costurile cu logistica şi dimensiunile stocatoarelor.

Datorită creşterii nivelului de individualizare a produselor, loturile foarte mici sau unicatele joacă un rol crescând în comparaţie cu producţia de masă. Rezultă necesitatea manipulării şi prelucrării unei varietăţi mari de componente. În aceste condiţii, companiile trebuie să reducă timpii de oprire şi să extindă operaţiile fără supraveghere umană, sau cu un număr redus de operatori.

Pentru aceasta, sistemul de manipulare a paletelor şi utilizarea unui robot suplimentar măresc eficienţa la fabricarea unor loturi mici.

Un software special reglementează transportul pieselor, administrează depozitele temporare, sculele şi dispozitivele de fixare şi asigură datele necesare prelucrării în regim de comandă numerică. El poate fi adaptat unui anumit sistem şi poate coordona zone de producţie, care sunt conectate sistemului de palete. El comunică, prin interfeţe standard, cu toate sistemele de comandă importante şi de ordin superior.

La abordarea problemelor legate de flexibilitate la maşinile-unelte grele, soluţiile nu diferă esenţial, dar au particularităţi legate de tipurile de maşină.

Pentru creşterea flexibilităţii unui strung carusel, maşina poate fi echipată cu variate soluţii de schimbare a paletelor portpiesă şi cu capete de frezare adaptabile. Varianta opţională cu masă mobilă (axa Y) permite frezarea, strunjirea şi rectificarea unor piese complexe, într-o singură prindere.

Turaţiile mari (până la 800 rot/min), echiparea cu un sistem de răcire cu presiune de până la 40 MP (400 bar) permit prelucrarea diverselor materiale, inclusiv a aliajelor de titan (cu scule, metode şi procese corespunzătoare) (figura 18 [19]).

Figura 18

O altă familie de strunguri carusel oferă posibilitatea rectificării (inclusiv a corectării pietrei), schimbarea automată a capetelor de rectificare şi măsurarea piesei (figura19 [19]).Pe această maşină se pot prelucra piese tratate termic. Pe piesă se realizează suprafeţe precise, cu abateri de coaxialitate şi cu bătaie axială sub 1,5µm.

Figura 19

Un centru de strunjire permite prelucrarea completă a unor piese complexe (figura20 [19]). Maşina este echipată cu motoare liniare, care asigură precizie şi repeta­bilitate maxime, viteze de avans de până la 50m/min, cu acceleraţii de 1,1g, cu traductoare de deplasare Renishaw cu o rezoluţie de 1/100 µm (adică 10nm) şi cu lichid de răcire cu temperatură controlată pentru toate elementele generatoare de căldură, asigurând o productivitate ridicată. O particularitate deosebită a acestei maşini o reprezintă do­tarea sa cu un arbore principal de foarte înaltă turaţie (până la 150000rot/min), care permite prelucrarea complexă (strunjire, frezare şi rectificare) şi uscată a unor componente din materiale ceramice. Maşina poate avea până la 7 axe comandate numeric şi 3 arbori principali, având o mare stabilitate termică, cu diverse posibilităţi de configurare a maşinii, inclusiv cu sisteme automate de încărcare/descărcare a pieselor. Maşina este astfel concepută, încât să poată prelucra piese şi din bară. Pietrele de rectificare pot avea diametre de la 0,5 la 80mm. Sistemele de fixare a pieselor sunt simple şi sunt oferite într-o gamă foarte mare.

Figura 20

O maşină automată este destinată fabricării unor piese prismatice (figura21 [19])de dimensiuni mici, din bare rotunde sau profilate. Maşina are 7 staţii de lucru a câte 4 axe, fiecare staţie având câte 4 arbori principali (2 orizontali şi 2 verticali). A opta staţie de lucru debitează piesa din bară.

Figura 21

A noua staţie, opţională, permite refixarea piesei pentru prelucrarea celei de a şasea feţe, cu un modul suplimentar cu 3 axe şi cu 3 arbori principali (figura22 [19]).

Figura 22

Astfel, maşina poate avea până la 32 de scule, are arbori cu turaţii până la 10000rot/min, un tambur cu 9 bare (din diferite materiale), cu diametrul de până la 28mm (opţional 42mm) şi lungime de max. 3m. Pentru prelucrarea unor componente mici, de precizie (orologerie, calculatoare, componente electronice), realizate din alamă, aluminiu, oţel inoxidabil se oferă un centru de prelucrare cu motoare liniare pe toate axele (viteze de avans de până la 50m/min şi acceleraţii de 3g), cu magazin de scule cu până la 144 de scule (schimbarea sculei aşchie-la-aşchie se realizează în 0,5 secunde), cu arbori principali (de la 1-4, dintre care doi verticali) cu turaţii de max. 10000rot/min şi rezoluţie a sistemului de comandă/măsurare de 5nm.

Bibliografie

1. *** SIGMA TANDEM, prospect

2. *** TITAN Maşini Grele S.A., catalog

3. *** Cy Turn, NC Rotary Tables, prospect

4. *** SIGMA TYPHOON 5A, prospect

5. *** HERMLE, C22, prospect

6. *** STAMA, Vertical Machining Centers MC526/532/533/534/538, prospect

7. *** DMG Mori Seiki, NMI/5000DCG/NMV 8000DCG, prospect

8. *** STAMA, MT, Milling-turning centers for perfect 6-side complete machining from bar and chuck, prospect

9. *** CHIRON, 24 Series, prospect

10. *** HURON, One Stop Solution for metal cutting, prospect

11. *** PARKER, Robert – Better decision through enterprise visibility: executive access to global manufacturing intelligence is the key; IDC Manufacturing Insights, May, 2013

12. *** KAPP NILES, Press kit, EMO Hannover 2013

Corneliu Gornic este inginer, Președinte Profex, Centru de Dezvoltare Tehnologică