Uchwyt tokarski specjalizowany w operacji toczenia

Stosowanie uchwytów tokarskich w zakładach zajmujących się budową maszyn jest następstwem licznych prac i rozwoju myśli technicznej. W związku z postępem oraz możliwością zwiększania efektywności, a jednocześnie odciążenia ludzi od prac wymagających dużego wysiłku, szczególnie fizycznego, stosowanie lepszych i wydajniejszych metod produkcji to cel, do którego w dzisiejszych czasach należy dążyć.

W procesie wytwarzania realizacja tych założeń jest możliwa dzięki stosowaniu dedykowanego oprzyrządowania. W poniższej pracy zostanie przedstawiony przykład uchwytu tokarskiego specjalizowanego wykorzystywanego w operacji toczenia.

Celem pracy było wykorzystania uchwytu uniwersalnego jako bazy do zaprojektowania i wykonania uchwytu specjalizowanego takiego, aby istniała możliwość mocowania w nim kół linowych o średnicach od 240 do 580 mm. Pozwoliłoby to wyeliminować czasochłonne przezbrajania maszyny. Ponadto założono, że uchwyt musi spełniać warunki, jakie zostały narzucone poprzez ograniczoną ilość narzędzi i wymiary robocze maszyny. Istotny był również przebieg samego procesu obróbki, gdzie jako najbardziej korzystnym rozwiązaniem przyjęto wykonanie większości operacji podczas jednego zamocowania.

WPROWADZENIE

W trakcie wprowadzania nowego wyrobu do produkcji konieczne jest wykonanie szeregu prac przygotowawczych (Hausman & Leonard, 2003; Litvaj & Stancekova, 2015; Rudawska, 2016; Vivarelli & Pianta, 2000). Głównym elementem tych prac jest technologiczne przygotowanie produkcji. Obejmuje ono: sporządzenie procesu technologicznego, etap konstruowania oprzyrządowania specjalnego, opracowanie norm czasu pracy i norm zużycia materiału. Oprzyrządowanie technologiczne obejmuje wszelkiego rodzaju pomoce warsztatowe stosowane przy obróbce, montażu, kontroli lub transporcie stanowiskowym przedmiotu.

Do tego typu pomocy zalicza się: uchwyty i przyrządy do obróbki, montażu i kontroli, oprawki, sprawdziany, tłoczniki, podajniki, formy odlewnicze(Feld, 2002; Martinov, Obuhov, Martinova, & Grigoriev, 2014; Zahavi & Torbilo, 2019). Szacuje się, że około 60 – 70% czasu przygotowania produkcji zajmuje etap przygotowania specjalnego oprzyrządowania, a w wyjątkowych sytuacjach może wynosić nawet 90% (Barylski, 2017; Feld, 2000). Dlatego słuszne okazuje się stwierdzenie, że termin uruchomienia produkcji zależy od czasu wykonania oprzyrządowania technologicznego.

Jednocześnie konstrukcja odpowiedniego oprzyrządowania w znacznym stopniu wpływa na wydajność i jakość dalszego procesu wytwarzania. W przypadku procesów wytwórczych, gdzie główną operacją jest obróbka ubytkowa wyroby uzyskują kształt poprzez zdejmowanie kolejnych warstw materiału w procesie skrawania (Kurata, Merdol, Altintas, Suzuki, & Shamoto, 2010; Li & Kara, 2011; Schey, 2000).

W takim przypadku wydajność pracy można zwiększyć nie tylko przez zmianę parametrów skrawania, ale również przez zastosowanie specjalnego przyrządu lub uchwytu, którego użycie zapewni np. krótszy czas zamocowania lub większą dokładność wykonania. Stosowanie uchwytów i przyrządów nie tylko ułatwia pracę, ale również zwiększa jej wydajność. W sytuacji, gdy coraz częściej wykorzystywane są wysokowydajne metody obróbki czas pomocniczy zamocowania przedmiotu jest niewspółmiernie duży w porównaniu z czasem maszynowym (Krishnakumar & Melkote, 2000; Peter, 2018; Schmitz & Donalson, 2000).

Dlatego koniecznym jest podejmowanie działań w kierunku opracowania takich konstrukcji, aby ten czas był możliwie jak najkrótszy. Należy wspomnieć również, że w obróbce skrawaniem można spotkać najbardziej zróżnicowane oprzyrządowanie (Grint & Woolgar, 2013). Wynika to przede wszystkim z dużej liczby dostępnych na rynku obrabiarek oraz konieczności wykonywania wielu części, często o nietypowych kształtach i wysokiej dokładności.

Podejmując zadanie zaprojektowania oprzyrządowania specjalnego do produkcji określonych wyrobów, punktem wyjścia jest rysunek wykonawczy wyrobu gotowego (Filla, 2005). Rysunek ten jest bazą do opracowania rysunku półfabrykatu oraz wykonania projektu oprzyrządowania specjalnego, przede wszystkim w odlewnictwie oraz przetwórstwie tworzyw polimerowych. W obróbce skrawaniem podstawą jest również tzw. instrukcja obróbki dla danej operacji technologicznej (Barry, 2006; Peter, 2018). Technolog zaznacza w niej, za pomocą określonych symboli miejsca podparcia i zamocowania przedmiotu. Dobrze zaplanowany sposób ustalenia jest punktem wyjścia do projektowania uchwytu dla danej operacji. Istotne w konstrukcji oprzyrządowania jest odpowiednie dobranie materiału, z którego zostaną wykonane elementy składające się po złożeniu na gotowy uchwyt. Od tego doboru zależy eksploatacja i trwałość oprzyrządowania. Powszechnie stosowanymi materiałami są stale narzędziowe węglowe i wysokostopowe. Elementy mniej istotne wykonuje się ze stali węglowej wyższej jakości (Endler, Leonhardt, Scheibe, & Born, 1996; Kalsi, Sehgal, & Sharma, 2010; Kramer, 1987).

Każda konstrukcja specjalnego oprzyrządowania powinna być oparta w pierwszej kolejności na elementach znormalizowanych. Dzięki temu zmniejszeniu ulegają koszty opracowania dokumentacji oraz koszt wykonania oprzyrządowania. Ponadto należy wzorować się na sprawdzonych rozwiązaniach, które mogą być gwarancją prawidłowego działania oraz pozwolą zmniejszyć ryzyko niepowodzenia(Kramer, 1987).

Celem niniejszej pracy było opracowanie uchwytu tokarskiego specjalizowanego. Przedstawiono możliwości wykorzystania uchwytu uniwersalnego jako bazy do zaprojektowania i wykonania uchwytu specjalizowanego wykorzystywanego podczas obróbki żeliwnych kół linowych.

OPRACOWANIE UCHWYTU SPECJALIZOWANEGO DO OPERACJI TOCZENIA

Opis elementu obrabianego

Elementem obrabianym dla którego opracowano omawiany uchwyt obróbkowy są koła linowe występujące w dźwigach osobowych produkcji jednego z lubelskich przedsiębiorstw. Na rys. 1 przedstawiono przykład koła żeliwnego o średnicy zewnętrznej 240 mm. Koła linowe występują w różnych rozmiarach o średnicach od 160 mm do 700 mm. Wykonane są z materiałów takich jak żeliwo, stal lub poliamid (Lonkwic, b.d.). W zależności od konfiguracji posiadają różne ilości rowków pod liny o zmiennych średnicach.

Rys. 1. Koło linowe żeliwne o średnicy 240 mm

Uchwyt będący przedmiotem niniejszej pracy docelowo ma znaleźć zastosowanie podczas obróbki kół żeliwnych o średnicach od 240 mm do 580 mm.

Na odlew kół zastosowano materiał żeliwo szare EN-GJL-250 wg PN-EN 1561:2012. Wybór takiego materiału wynika z aktualnego zapotrzebowania przedsiębiorstwa oraz parku maszynowego jakim dysponuje.

Opis stanowiska obróbkowego

Opisane powyżej detale poddawane są obróbce na centrum tokarskim Mazak Megaturn Smart 600. Jest to tokarka pionowa przeznaczona do wykonywania wielkogabarytowych detali o znacznej średnicy i dużej wysokości.

Ilość elementów, które mogą wejść w kolizję pomiędzy sobą została znacznie zredukowana, w porównaniu z ich ilością w tokarkach pionowych innych producentów. Maszyna posiada wysoką sztywność oraz duży moment obrotowy zachowując jednocześnie wysoką i stabilną dokładność.

Problematyka zastosowania uchwytu specjalizowanego

Opracowanie specjalizowanego uchwytu tokarskiego powstało w wyniku zmiany maszyny z obrabiarki konwencjonalnej, na której dotychczasowo były wykonywane omawiane koła linowe, na obrabiarkę sterowaną numerycznie. Kolejnym czynnikiem była konieczność zwiększenia efektywności produkcji.

Dysponując określonym ilością oraz typem narzędzi należało wykonać taki uchwyt, aby istniała możliwość obróbki kół linowych tak, aby jak najlepiej wykorzystać możliwości pracy automatycznej. Do przeprowadzenia pełnej obróbki kół stosowane są narzędzia produkcji firmy Sandvik przedstawione na rys. 2.

Narzędzia mocowane są za pomocą oprawek do szybkiego mocowania tzw. Capto. Ze względu na wielkość obrabianych detali oraz brak magazynu jednocześnie mogą pracować tylko trzy narzędzia posiadające dolne mocowanie: wytaczak otworu zgrubnego, wytaczak otworu wykańczający oraz wytaczak do rowków.

Większa ilość tego typu narzędzi uniemożliwiłaby pracę, ponieważ podczas obróbki wystąpiłaby kolizja narzędzi z uchwytem. Pozostałe dwa narzędzia wykorzystywane w obróbce, czyli narzędzie do toczenia wzdłużnego i planowania oraz narzędzie do toczenia kształtowego rowków linowych posiadają zamocowanie boczne.

Rys. 2. Narzędzia wykorzystywane do operacji toczenia kół linowych:  1 – narzędzie do planowania i toczenia wzdłużnego, 2 – narzędzie do wytaczania zgrubnego, 3 – narzędzie do wytaczania wykańczającego, 4 – narzędzie do wytaczania rowków,  5 – narzędzie do toczenia kształtowego rowków linowych („Https://www.sandvik.coromant.com”, 2019)

Punktem wyjścia przy projektowaniu uchwytu było przeprowadzenie analizy rysunków wykonawczych oraz półfabrykatów obrabianych części. Dysponując rysunkiem półfabrykatu koła linowego przedstawionym na rys. 3 możliwe było zaproponowanie ergonomicznego sposobu mocowania.

Rys. 3. Rysunek półfabrykatu koła linowego

Ustalono, że wewnętrzna powierzchnia większego wieńca będzie stanowić powierzchnię oporową przygotowywanego uchwytu.

Założenia konstrukcyjne i technologiczne

Istotne przy projektowaniu uchwytów jest dokonanie odpowiedniej analizy z punktu widzenia: przedmiotu obrabianego, obrabiarki i pracownika. Przeprowadzając wstępną analizę dotyczącą możliwości zamocowania przedmiotów obrabianych stwierdzono konieczność zastosowania uchwytu specjalizowanego. Jak wcześniej wspomniano, każda konstrukcja specjalnego oprzyrządowania powinna być oparta w pierwszej kolejności na elementach znormalizowanych. Dlatego do opracowania został wykorzystany uchwyt pneumatyczny trzyszczękowy: Kitagawa NV24C15, który jest fabrycznie zastosowany w maszynie.

W opracowania uchwytu został zaproponowany zmodyfikowany zestaw szczęk ze specjalnymi nakładkami umożliwiającymi mocowanie kół o różnych średnicach. Projektując tego typu uchwyt należy wykorzystać możliwie najwięcej rozwiązań uniwersalnych oraz elementów handlowych, dzięki czemu możliwe jest zminimalizowanie kosztów związanych z wykonywanymi modyfikacjami.

W trakcie realizacji prezentowanego opracowania również przyjęto takie założenie. Kolejne założenie konstrukcyjne dotyczy przede wszystkim właściwości geometrycznych uchwytu. Przyjęto, że powinien być przystosowany do obróbki kół o średnicach zewnętrznych od ø240 mm do ø580 mm.

Opracowując niezbędne założenia technologiczne należy każdy rozważany przypadek traktować indywidualnie oraz dobrać prawidłowe kryteria techniczne. Przyjęto następujące założenia technologiczne:

wykonanie elementów z odpowiedniej stali odpornej na zużycie,
możliwość wykonania przedmiotów na frezarce i tokarce,
możliwość zastosowania elementów znormalizowanych,
możliwość dostępu do elementów zamocowujących,
masa uchwytu nie powinna być duża, a jednocześnie powinien być sztywny,
budowa uchwytu powinna zapewniać łatwy odpływ wiórów podczas obróbki,
budowa powinna umożliwiać obserwację miejsc obrabianych i dokonanie pomiarów w uchwycie, bez konieczności demontażu.

Bazując na ofertach handlowych firm dostarczających materiały dokonano wyboru stali do wykonania nakładek szczęk oraz wkładek teowych. Przyjęto stal 16MnCr5 wg. PN-EN 10277:2018-09. Jest to stal do obróbki cieplnej, elementy z tego typu stali charakteryzują się wysoką odpornością powierzchni na zużycie. Wybrano półfabrykaty w postaci prętów o wymiarach ⌀110 mm x 130 mm oraz ⌀30 mm x 130 mm.

Proces obróbki nakładki oraz wkładek teowych zaplanowano przeprowadzić na frezarce, z wyjątkiem powierzchni oporowej nakładki, którą planowano toczyć na tokarce. W szczękach będących elementem handlowym zaplanowano wykonanie uzębienia oraz wyfrezowania wycięcia dla mocowania śrub teowych dołączonych do szczęk.

Elementami znormalizowanymi wykorzystanymi do przygotowania uchwytu tokarskiego będą śruby walcowe z gniazdem sześciokątnym o wymiarach gwintu M12 i M16. Ponadto rozmieszczono otwory do mocowania śrub w taki sposób, aby dostęp do nich był nieuciążliwy. Biorąc pod uwagę możliwość obserwacji obrabianych miejsc, będzie ona zapewniona, ponieważ mocowanie ma nastąpić od strony wewnętrznej obrabianych elementów.

Projekt uchwytu specjalizowanego

Projekt uchwytu specjalizowanego wykonano z wykorzystaniem oprogramowania wspomagającego projektowanie Solidworks. Program posiada narzędzia pozwalające projektować elementy konstrukcji w trójwymiarowej przestrzeni roboczej.

Projekt uchwytu składał się z następujących etapów:

wykonanie modelu uchwytu Kitagawa NV24C15,
wykonanie modelu szczęk miękkich,
wykonanie modelu specjalnych nakładek i wkładek teowych,
utworzenie złożenia wraz z elementami znormalizowanymi (elementy złączne),
symulacja pracy uchwytu dla obrabianych elementów pod względem kolizji.

Zdecydowanie pomocne okazało się stworzenie pokazanego na rys. 4 modelu 3D uchwytu Kitagawa NV24C15 na podstawie dostępnych rysunków technicznych producenta. Szczególnie istotne było określenie skoku szczęk dolnych uchwytu.

Rys. 4. Model 3D uchwytu Kitagawa NV24C15 wykonany w oprogramowaniu Solidworks

Kolejnym krokiem było opracowanie modelu szczęk o uzębieniu 3 mm x 60°. Na podstawie danych producenta DKT wykonano model szczęk miękkich o numerze katalogowym MKS-M 530-6, w których dokonano modyfikacji. Wykonano odpowiednie wycięcia oraz wykonano uzębienie w celu możliwości zastosowania specjalnych wkładek teowych odpowiadających za zamocowanie uchwytu, natomiast uzębienie umożliwia zwiększenie regulacji uchwytu, co może przyczynić się do jego uniwersalności.

W dalszym etapie wykonano specjalne nakładki oraz wkładki teowe do ich mocowania. Istotny był dobór odpowiednich wymiarów w celu podwyższenia obecnych szczęk, możliwości zastosowania wymienionych wcześniej narzędzi oraz uniknięcia kolizji szczęk z obrabianym detalem podczas zamocowania.

Opisane elementy zamocowano przy pomocy śrub walcowych z gniazdem sześciokątnym wykonanych wg PN-EN ISO 4762:2006. Szczęki miękkie mocowano przy pomocy śrub M16x55, nakładki na szczęki zamocowano przy pomocy śrub M12x35 i M12x50. Poszczególne elementy uchwytu zaznaczono na rys. 5.

Rys. 5. Budowa uchwytu tokarskiego specjalizowanego

W dalszej kolejności utworzono złożenie zaprojektowanych elementów przedstawione na rys. 6.

Rys. 6. Widok złożenia uchwytu tokarskiego specjalizowanego

Wykonanie złożenia okazało się istotne w celu wykonania odpowiedniej symulacji w oprogramowaniu Solidworks. W celu przeprowadzenia symulacji do złożenia został wstawiony model koła linowego. W pierwszej kolejności dokonano symulacji zamocowania z modelem koła o minimalnej założonej średnicy zewnętrznej – ⌀240 mm.

Przedstawiony na rys. 7 schemat pokazuje ustawienie szczęk w momencie obróbki koła. Stwierdzono brak kolizji, co pozwala na zastosowanie tego typu szczęk w analizowanym opracowaniu.

Rys. 7. Schemat zamocowania koła ⌀240 mm

W kolejnym etapie przeprowadzono symulację dla maksymalnej założonej średnicy koła – ⌀580 mm. Także, w tym przypadku istnieje możliwość zamocowania, a rys. 8 przedstawia sposób ustawienia szczęk.

Rys. 8. Schemat zamocowania koła ⌀580 mm

Jako ostatnią przeprowadzono symulację dla koła o średnicy ⌀400. Szczególną uwagę należało zwrócić na ewentualność wystąpienia kolizji szczęk z występującymi żebrami. Dla danej średnicy również stwierdzono brak kolizji. W związku z powyższymi symulacjami ustalono, że istnieje możliwość obróbki pozostałych kół o średnicach w zakresie od ø240 mm do ø580 mm.

Opracowując uchwyt zaproponowano sposób obróbki kół, który należało uwzględnić przy przygotowaniu procesu technologicznego oraz programowaniu ścieżek obróbkowych dla centrum obróbczego. Szczególną uwagę poświęcono możliwości obróbki detalu bez konieczności wielu zmian zamocowania, ponieważ są one czasochłonne oraz wymagają dodatkowych nakładów pracy.

Wykorzystując narzędzia wymienione wcześniej należało opracować następującą kolejność obróbki:

planowanie oraz toczenie powierzchni zewnętrznej narzędziem nr 1,
toczenie rowków kształtowych narzędziem nr 5,
wytaczanie otworu zgrubne i wykańczające narzędziami nr 2 i 3,
wytaczanie rowków narzędziem nr 4.

Powyższe operacje należy wykonywać podczas jednego zamocowania, planowanie drugiej strony koła należy wykonywać w szczękach uniwersalnych. Wykonując określoną ilość przedmiotów należy w pierwszej kolejności wykonać obróbkę według przedstawionej kolejności dla wszystkich detali, następnie wymienić szczęki oraz dokonać obróbki drugiej strony kół.

ZALETY I OGRANICZENIA ZAPROPONOWANEJ KONSTRUKCJI UCHWYTU TOKARSKIEGO

Zaproponowana konstrukcja posiada zalety, jak również pewne ograniczenia. Do najważniejszych zalet uchwytu należą:

możliwość obróbki przedmiotów różnych wymiarów,
ekonomiczność pod względem kosztów oraz magazynowania,
poprawa ergonomii pracy pracownika,
skrócenie czasów przygotowawczo-zakończeniowych,
dostosowanie do optymalnego wykorzystania narzędzi.

Zastosowanie uzębienia na szczękach pozwala na płynną regulację rozstawu szczęk dla poszczególnych przedmiotów, dzięki czemu uchwyt zyskuje cechy uchwytu uniwersalnego. Ze względu na niewielki skok szczęk podstawowych, który wynosi 6 mm wykonanie jednego zestawu szczęk pozwala na oszczędności finansowe związane z zakupem kolejnych elementów oprzyrządowania w celu ich dostosowania do odpowiedniego zamocowania oraz brak konieczności przygotowania miejsca magazynowego na kolejne szczęki dla kół o różnych średnicach.

Biorąc pod uwagę występowanie produkcji jednostkowej konieczność zmian szczęk wymagałaby wysiłku pracownika ze względu na wysoką masę szczęk. Dzięki zastosowanej regulacji przygotowanie obrabiarki do pracy uległo znacznemu skróceniu, czego efektem było skrócenie czasów przygotowawczo-zakończeniowych. Wykonanie uchwytu specjalizowanego pozwoliło na zastosowanie wybranych narzędzi, bez konieczności zakupu specjalnych do danego procesu obróbkowego.

Jako ograniczenia uchwytu należy wymienić:

dość duża masa szczęk,
konieczność odpowiedniego ustawienia na uzębieniu,
możliwość wystąpienia kolizji narzędzi z uchwytem.

Biorąc pod uwagę zależność prędkości obrotowej od masy szczęk prezentowaną przez producentów (Operating Instructions for Megatum Smart Machine Tools, 2012) stwierdzono, iż w przypadku masy szczęk ok. 11 kg ulega ograniczeniu możliwa prędkość obrotowa do 1200 obrotów/min. Biorąc jednak pod uwagę fakt, iż obróbka dotyczy przedmiotów wykonanych z żeliwa o znacznych wymiarach, występujące prędkości obrotowe będą znacznie niższe.

Ze względu na wykonanie dodatkowego uzębienia wzrosła z 3 do 6 liczba miejsc dokładnego ustawienia o tym samym odsunięciu, co zwiększa ryzyko pomyłki. Przygotowując programy obróbkowe należy zwróci szczególną uwagę na odpowiednie rozmieszczenie narzędzi, a także dokładne wprowadzenie wymiarów szczęk, co pozwoli na uniknięcie kolizji.

PODSUMOWANIE

Uchwyty wykorzystywane w procesach obróbki skrawaniem stanowią istotną rolę w szeroko pojętej produkcji. Stosowanie uchwytów jest konieczne niemal w większości procesów technologicznych. W większości przypadków uchwyty te służą do zamocowania i ustalenia obrabianego przedmiotu, w niektórych przypadkach spełniają dodatkowe funkcje pomocnicze. Uchwyty stosuje się w celu zwiększenia jakości produkowanych części i wydajności procesu, zmniejszenia ilości braków oraz kosztów produkcji.

Optymalny dobór uchwytu pozwala na zwiększenie wydajności obróbki. Dzieje się to za sprawą skrócenia czasów pomocniczych związanych z ustaleniem, zamocowaniem i odmocowaniem przedmiotu, jak również możliwość obróbki kilkoma narzędziami w efekcie czego następuje zmniejszenie czasu głównego.

Na podstawie wykonanego w pracy modelu uchwytu tokarskiego specjalizowanego wykazano prawidłowość stosowania proponowanego rozwiązania. Przeprowadzono analizę poprawności jego funkcjonowania dzięki zrealizowanym symulacjom. Możliwość przeprowadzenia symulacji umożliwiła wprowadzenie zmian w fazie projektowania, bez konieczności ponoszenia zbędnych kosztów.

Pomocne okazało się także przeprowadzenia analizy na obrabiarce przy pomocy narzędzi w celu sprawdzenia zakresu ich pracy, co było dodatkową możliwością weryfikacji zaproponowanego rozwiązania, jednocześnie skutkowało uniknięciem pomyłek. W pracy szczególne znaczenie miały założenia konstrukcyjne oraz technologiczno-ekonomiczne przedstawionego uchwytu, które zostały w pełni spełnione.

Przedstawiony projekt umożliwił obróbkę przedmiotów różnych wymiarów przy wykorzystaniu jednego oprzyrządowania. Dzięki temu proces wytwarzania kół linowych stał się bardziej ekonomiczny z punktu widzenia producenta oraz bardziej ekonomiczny dla osób, które brały czynny udział w czasie jego realizacji. Ponadto zaproponowane rozwiązanie przyczyniło się do skrócenia czasów przygotowawczo-zakończeniowych procesu oraz optymalnego wykorzystania narzędzi.

Bibliografia: