Projektowanie w systemach CAD/CAM i programowanie obrabiarek CNC

Projektowanie w systemach CAD/CAM i programowanie obrabiarek CNC

PROJEKTOWANIE PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH

dr inż. Tadeusz Rudaś

Instytut Technologii Maszyn PW

Projektowanie procesów technologicznych

2

Proces technologiczny – podstawowa część procesu produkcyjnego obejmująca działania mające na celu uzyskanie żądanych kształtów, wymiarów i właściwości przedmiotów pracy lub ustalenie wzajemnych położeń części lub zespołów w wyrobie.

stan początkowy przedmiotu pracy

stan końcowy przedmiotu pracy


3

S0 S2...S1

operacja 10

Sk

operacja k0

operacja technologiczna


4

operacja technologiczna – część procesu technologicznego wykonywana na jednym stanowisku roboczym na jednym przedmiocie (lub grupie przedmiotów) bez przerw na inną pracę

zabieg technologiczny – część operacji technologicznej realizowana przy pomocy tych samych środków technologicznych i przy niezmienionych parametrach obróbki, ustawieniu i zamocowaniu

przejście – część zabiegu, podczas której zdejmowana jest jedna warstwa materiału


5

Uszeregowanie prac związanych z projektowaniem procesu technologicznego

1) analiza danych wejściowych (konstrukcyjnych i technologicznych)

2) wybór półfabrykatu, sposobu jego wykonania, określenie naddatków na obróbkę

3) określenie wstępnego planu operacyjnego

4) wybór baz obróbkowych

5) opracowanie operacji technologicznych:

wybór środków technologicznych (obrabiarek i pomocy warsztatowych)

określenie naddatków i wymiarów obróbkowych

określenie liczby i kolejności przejść

wybór parametrów obróbki

6) określenie normy czasu dla poszczególnych operacji, liczby obrabiarek i robotników potrzebnych do realizacji procesu

7) analiza ekonomiczna procesu technologicznego

8) ostateczne opracowanie planu operacyjnego

9) wykonanie dokumentacji technologicznej


6

Toczyć na wym. Aa

Toczyć na wym. Bb

Toczyć na wym. Cc

.................................

Bazowanie

Obrabiarka

Narzędzia

Przyrz. i Uchwyt.

Narz. pomiarowe

tpz + tj

Organiz. obróbki

Obsada

Koszty

Opłacalność

normalne

specjalizowane

specjalne

Przejście 1-sze

Przejście 2-gie

......................

wym

iary

tole

ranc

je

chro

pow

atoś

ć

para

m. o

brób

.

Info

rmac

je w

ejśc

iow

e

Rys. konstrukcyjny

Wskaźniki techn.-ekonom.

Poziom cen

Program produkcji

Możliwości inwestycyjne

Terminy uruchom. prod.

Materiał, półfabrykat

Park obrab. i urządz.

Wykonawstwo oprzyrząd. specjalnego

Obsada personalna

Materiały, półfabrykaty

Frezować i nawiercać10

Toczyć20

Toczyć30

.................................

.................................

.................................

.................................

.................................

.................................

.................................

Obróbka cieplna

Obróbka cieplna

Część gotowa

Ob

rób

ka

wyk

ańcz

.O

bró

bk

a zg

rub

na

Ob

rób

ka

ksz

tałt

.


7

Analiza cech technologicznych (technologiczność konstrukcji)

normalizacja, unifikacja, typizacja części i zespołów

właściwy wybór materiałów, zaprojektowanie półfabrykatów oraz określenie sposobów ich wykonania

zmniejszenie pracochłonności i kosztu obróbki

Analiza cech konstrukcyjnych

analiza funkcji powierzchni

analiza wymiarowania

analiza dokładności (tolerancji, pasowań, chropowatości)


8

cecharodzaje produkcji

jednostkowa seryjna masowa

powtarzalność w czasie

brak serie wyrobów w określonych odstępach czasu

stałe wykonywanie określonego wyrobu

liczba operacji wykonywanych na stanowisku pracy

wiele (na ogół wielozabiegowych)

kilka do kilkunastu jedna

maszyny i urządzenia technologiczne

ogólnego przeznaczenia

ogólnego przeznaczenia, specjalizowane i specjalne

głównie specjalne

pomoce warsztatowe uniwersalne (katalogowe)

uniwersalne, specjalne

głównie specjalne

ustawienie obrabiarek grupowe wg typów obrabiarek

gniazda, częściowo wg operacji

wg operacji (gniazda lub linie)

półfabrykaty cięte materiały hutnicze, profile z blachy ciętej palnikiem, znaczne naddatki na obróbkę

dokładne półfabrykaty kształtem zbliżone do gotowej części


9

cecha rodzaje produkcji

jednostkowa seryjna masowa

przepływ materiałów i półfabrykatów

rozdzielnia robót – stanowisko pracy - rozdzielnia

od stanowiska do stanowiska (bez magazynów międzyoperacyjnych)

kwalifikacje robotników

wysokie różne, znaczny procent pracowników przyuczonych

niskie pracowników produkcyjnych, wysokie ustawiaczy i służb pomocniczych

udział pracy ręcznej

duży (zwłaszcza montaż, trasowanie, dopasowywanie)

ograniczony do niezbędnego minimum

prawoie całkowite wyeliminowanie pracy ręcznej

dokumentacja technologiczna

rysunek wykonawczy i karta technologiczna (przewodnik)

karta technologiczna, karty instrukcyjne ważniejszych operacji

bardzo szczegółowa


10

Określenie planu operacyjnego

Stopnie obróbki:

I. obróbka zgrubna – zadanie: usunięcie całego nadmiaru materiału, mniej istotne zwiększenie dokładności

II. obróbka kształtująca – zadanie: nadanie przedmiotowi wymiarów i kształtów

III. obróbka wykańczająca – zadanie: uzyskanie wysokiej dokładności lub (i) jakości warstwy wierzchniej

IV. obróbka dokładnościowa lub powierzchniowa (w razie potrzeby)

Struktura procesu technologicznego – określony porządek w ustalaniu kolejności operacji


11

Przesłanki podziału procesu technologicznego na stopnie obróbki:

obróbka zgrubna wiąże się z intensywnym procesem skrawania (siły, ciepło) – stąd znaczne błędy wskutek odkształceń układu OUPN, zmiany własności warstwy wierzchniej

po zdjęciu zewnętrznej warstwy materiału następuje intensywne wyzwalanie naprężeń wewnętrznych, co daje odkształcenia PO

możliwość doboru najbardziej odpowiednich obrabiarek (do obróbki zgrubnej obrabiarki mniej dokładne o dużej mocy, bardziej zużyte)

możliwość racjonalnego wykorzystania kwalifikacji robotników (obróbka zgrubna – niższe kwalifikacje)

Określenie planu operacyjnego


12

stopień obróbki

dokładność i chropowatość (orientacyjnie)

przygotowanie baz obróbkowych

obróbka powierzchni podstawowych

obróbka powierzchni drugorzędnych

KT OC

I do IT12

do Ra=25

obróbka baz do następnych operacji

obróbka zgrubna powierzchni podstawowych

* *

II IT9 – IT11

Ra = 3.2-12.5

jeśli stały się mniej dokładne np. po OC

obróbka kształtująca powierzchni podstawowych


* *

III IT5 – IT8

Ra=1.6 lub

mniej

jeśli była OC, ew. uchwyty o większej dokładności ustalenia

obróbka wykańczająca powierzchni podstawowych (funkcjonalnych)

sporadycznie (szlifowanie wielowypustów, gwintów)

KT ostateczna

*

Struktura procesu technologicznego


13

stopień obróbki

dokładność i chropowatość (orientacyjnie)

przygotowanie baz obróbkowych

obróbka powierzchni podstawowych


KT OC

I do IT12

do Ra=20

obróbka baz do następnych operacji

obróbka zgrubna powierzchni podstawowych

* *

II IT9 – IT11

Ra = 2,5-10

jeśli stały się mniej dokładne np. po OC

obróbka kształtująca powierzchni podstawowych


* *

III IT5 – IT8

Ra=1.6 lub

mniej

jeśli była OC, ew. uchwyty o większej dokładności ustalenia

obróbka wykańczająca powierzchni podstawowych (funkcjonalnych)


KT ostateczna

*

obcinanie, obróbka czół, wykonanie nakiełków

toczenie zgrub ne, wiercenie głębokiego otworu

poprawianie nakiełków, jeśli uległy rozbiciu

toczenie kształtujące, szlifowanie zgr. „szyjek”

otwory o małych średn., gwinty, rowki wpustowe

hartowanie

poprawianie nakiełków po obróbce cieplnej

szlifowanie zgrubne i wykańcz. pow. zewn. i wewn.


KT ostateczna

obr. pow. kształtowych: zębów, wielowypustów, roztaczanie otworów osiowych

Struktura procesu technologicznego


14

bazowanie – nadanie przedmiotowi pracy określonego położenia wymaganego dla wykonania operacji technologicznej poprzez odebranie koniecznej liczby stopni swobody

zamocowanie – przyłożenie sił i momentów sił do przedmiotu pracy dla zapewnienia stałości (niezmienności) jego położenia podczas wykonywania danej operacji technologicznej

baza – powierzchnia, linia lub punkt przedmiotu pracy, względem których położenie rozpatrywanego innego punktu, linii lub powierzchni jest określone w sposób bezpośredni

W każdej operacji i zabiegu przedmiot powinien zajmować ściśle określone położenie.

Zagadnieniami tymi zajmuje się w technologii teoria bazowania.


15

stopnie swobody bryły sztywnej

X

Z

Y

AB

C


16

ile stopni swobody należy odebrać ?


17

ile stopni swobody należy odebrać ?


18

bazy

konstrukcyjne produkcyjne

właściwe zastępcze

montażowe obróbkowe

stykowe sprzężonenastawcze

główna pomocnicze

technologiczne kontrolne


19

baza stykowa – baza obróbkowa, która styka się z odpowiednimi elementami obrabiarki, uchwytu lub narzędzia

ustalenie – bazowanie polegające na zetknięciu baz stykowych przedmiotu pracy z odpowiednimi elementami uchwytu lub obrabiarki (elementami ustalającymi)

ustawienie – odebranie przedmiotowi pracy wszystkich stopni swobody. Ustawienie obejmuje ustalenie przedmiotu pracy oraz zetknięcie go z elementami oporowymi uchwytu


20

baza nastawcza – baza obróbkowa, której położenie nastawia się względem odpowiednich elementów obrabiarki, uchwytu lub narzędzia


21

baza sprzężona – baza obróbkowa, gdy przy tym samym położeniu przedmiotu obrabianego względem odpowiednich elementów obrabiarki lub uchwytu wykonuje się zarówno tę bazę, jak i rozpatrywaną powierzchnię tak, żeby ich wzajemne położenie zależne było jedynie od położenia wykonujących je narzędzi


22

oznaczenia elementów ustalających i mocujących

nazwa elementuoznaczenie

widok z boku widok z góry widok z dołu

podpora stała

podpora ruchoma

podpora regulowana

podpora samonastawna

podpora wahliwa

podpora podwójna sprzężona


23

oznaczenia kłów, uchwytów, zabieraków

nazwa oznaczenie objaśnienia

kieł stały znak zwrócony ostrzem w stronę przedmiotu oznacza kieł zewnętrzny

znak zwrócony ostrzem od przedmiotu oznacza kieł wewnętrzny

kieł obrotowy

znak zwrócony ostrzem w stronę przedmiotu oznacza kieł zewnętrzny


kieł samonastawny

znak zwrócony ostrzem w stronę przedmiotu oznacza kieł zewnętrzny


zabierak stały

tokarski szlifierski, prosty, hakowy, ramkowy

zabierak samozaciskający, zabierak czołowy

znak postawiony na powierzchni walcowej – zabierak samozaciskający

znak postawiony na powierzchni czołowej – zabierak czołowy


24

nazwa oznaczenie objaśnienia

uchwyty szczękowe

n – liczba szczęk uchwytu

koło wokół liczby szczęk – szczęki przetoczone lub przeszlifowane

γ – rodzaj napędu uchwytu (P – pneumatyczny, H – hydrauliczny, E – elektryczny)

uchwyt z elementami ustalajaco-zamocow.

znak umieszczony na powierzchni zewnętrznej przedmiotu – tuleja zaciskowa

znak umieszczony na powierzchni wewnętrznej przedmiotu – trzpień rozprężny (sprężysty, rozsuwny)

trzpień stały, kołek pełny, tuleja stała,

znak umieszczony na powierzchni zewnętrznej przedmiotu – tuleja stała

znak umieszczony na powierzchni wewnętrznej przedmiotu (otworze) – trzpień stały, kołek pełny

oznaczenia uchwytów, trzpieni, tulei

n

n

n

γ

γ


25

nazwa elementu

oznaczenie

widok z boku, z przodu z tyłu

widok z góry widok z dołu

docisk

nazwa oznaczenie

uchwyt magnetyczny


26

kształty powierzchni roboczych podpór i docisków

kształt oznaczenie przykłady

płaski

kulisty

walcowy

pryzmowy

stożkowy

rowkowany, gwintowy, wielowypustowy


27

15±0.05 = 40-0.05 – Xx1x2

Analiza tolerancji w projektowaniu procesów technologicznych

B=f(A1,A2,…,An)

TB = Σ TAii=1

n

AiB

TB = Σ TAii=1

n

Dla łańcuchów równoległych


28

x215±0.05 = 40-0.05 – Xx1

15 = 40 – X X = 25

0.05 = 0 – x2 x2 = -0.05

-0.05 = -0.05 – x1 x1 = 0

15±0.05 = 40-0.1 – Xx1x2

15 = 40 – X X = 25

0.05 = 0 – x2 x2 = -0.05

-0.05 = -0.1 – x1 x1 = -0.05


29

planowanie produkcji (potrzebna znajomość wskaźnika wykonania normy)

wynagradzanie pracowników

obliczanie przewidywanego kosztu wyrobu

poprawny wybór obrabiarki i jej wyposażenia

zgodność właściwości materiału obrabianego z wymaganiami rysunku

właściwa wielkość naddatków na obróbkę

zastosowanie najbardziej dogodnych sposobów obróbki

odpowiednie kwalifikacje robotnika do danej pracy

właściwa organizacja pracy i obsługi stanowiska roboczego

zastosowanie norm czasu pracy:

normalne warunki pracy:


30

tpz

tg tp

tw

to o tot

to

t fo t fn

t f

tu

t j

n o rm a cza su t t = tpz/n + tg + tp + to + tf

t = tpz/n + (tg + tp)(1 + ku)


31

tg = (l+ld+lw)/(f n)

ld = d ctgκr /2 +(0.5-2)mm lw = 0.5–3 mm

ld = ae (d - ae) +(1-2)mm

lw = (2-5) mm

ae

Obliczanie czasu głównego


32

Programowanie obróbki – CAD/CAM

W raportach generowanych przez oprogramowanie

CAD/CAM występuje czas obróbki zawierający czas główny oraz te składniki

czasu pomocniczego, które wykonywane są

automatycznie przez obrabiarkę


33

Kw – koszt własny wyrobu

M – koszt materiałów bezpośrednich na 1 szt.

n – liczba operacji składających się na proces technologiczny

Rzi – koszt robocizny bezpośredniej na 1 szt. w operacji i

B – straty spowodowane brakami

Ks – koszty przygotowania produkcji

Ku – koszt pracy stanowiska w ciągu godziny

tji – czas jednostkowy operacji i

Kog – koszty ogólnozakładowe

Kw = M + ΣRzi + B + Ks +ΣKutji + Kog

Obliczanie kosztów dla potrzeb porównania procesów


34

KN – zużycie narzędzi na 1 godzinę pracy

Kn – koszt napędu obrabiarki na 1 godzinę pracy

Kr – koszt remontów na 1 godzinę pracy

Km – koszt materiałów pomocniczych i konserwacji na 1 godzinę pracy

Ka – koszt amortyzacji maszyn i urządzeń

Kb – koszt amortyzacji budynku

Ku = KN + Kn + Kr + Km +Ka+Kb+Kst+Ke+Kc+Kp+Kwd

h

Kst – koszt wyposażenia stanowiska pracy (w ciągu roku)

Ke – koszt oświetlenia (w ciągu roku)

Kc – koszt ogrzewania (energii cieplnej) w ciągu roku

Kp – koszt eksploatacji pomocy warsztatowych (bez narzędzi) w ciągu roku

Kwd – pozostałe koszty wydziałowe w stosunku rocznym

h – liczba godzin pracy danego stanowiska w ciągu roku


35

tj – czas jednostkowy

tpz – czas przygotowawczo-zakończeniowy na 1 szt.

So – stawka godzinowa robotnika - operatora

Su – stawka godzinowa ustawiacza

Nr – narzuty na robociznę (ubezpieczenia, premie, nagrody, urlopy, dodatki, fundusz socjalny)

Rz = (tjS0 + tpzSu)Nr Ks=tTCT+KPWI+KNI

tT – czas projektowania procesu technologicznego i opracowania programów obróbki na obrabiarki sterowane numerycznie

CT – koszt jednostkowy pracy biura technologicznego

KPWI – koszt inwestycyjny przyrządów i uchwytów specjalnych

KNI – koszt inwestycyjny narzędzi

Obliczanie wybranych składników kosztu własnego


36

Knp – wartość nowego narzędzia nos – liczba ostrzeń

Kns – koszt jednego ostrzenia

T – ekonomiczny okres trwałości ostrza w godzinach

tgi – czas główny t ji – czas jednostkowy

KN = (Knp+nosKns) tgi/ [T (nos+1)tji]

Knp – wartość nowego narzędzia nos – liczba ostrzeń

KPS – koszt kompletu płytek skrawających k – liczba ostrzy w płytce skrawającej

m – liczba kompletów płytek wykorzystywana w całym okresie eksploatacji narzędzia

Koszt pracy narzędzi – narzędzia składane

KN = (Knp+m k KPS) tgi/ [T m k tji]

Koszt pracy narzędzi – narzędzia jednolite


37

Koszt realizacji produkcji (roczny)

K=Ks+nKz

Ks – koszty stałe (niezależne od wielkości produkcji)

Kz – koszty zmienne (zależne od wielkości produkcji)

N – wielkość produkcji

Koszt jednostkowy produkcji(koszt własny)

Kw=Kz+Ks/n


38

Porównanie wariantów procesu


39

zakres wymiarów, mm

0-15 0.003 0.005 0.008 0.013 0.02 0.031 0.051 0.08

15-25 0.004 0.0065 0.01 0.015 0.025 0.038 0.064 0.1

25-38 0.005 0.008 0.013 0.02 0.031 0.051 0.08 0.13

38-70 0.0065 0.01 0.015 0.025 0.038 0.064 0.1 0.15

70-115 0.008 0.013 0.02 0.031 0.051 0.08 0.13 0.2

115-200 0.01 0.015 0.025 0.038 0.064 0.1 0.15 0.25

200-350 0.013 0.02 0.031 0.051 0.08 0.13 0.2 0.3

350-500 0.015 0.025 0.038 0.064 0.1 0.15 0.25 0.38

docieranie i gładzenie

szlifowanie, toczenie diamentem

przeciąganie

rozwiercanie

toczenie, wytaczanie

frezowanie

wiercenie

IT (orientacyjnie) 3 4 5-6 7 8 9 10 11

osiągane tolerancje, mm

wg R.Bakerijan: Tool and Manufacturing Engineer's Handbook, Vol.VI, Chapter 11, 1992


40

docieranie i gładzenie

rozwiercanie

przeciąganie

toczenie/wytaczanie diamentem

szlifowanie dokładne

toczenie

wytaczanie

frezowanie

wiercenie

0.4 0.2 0.1 0.056.4 3.2 1.6 0.8

wg R.Bakerijan: Tool and Manufacturing Engineer's Handbook, Vol.VI, Chapter 11, 1992


41

dokumentacja technologiczna – zbiór dokumentów zawierający informacje potrzebne do realizacji procesu technologicznego

dokumenty główne:

karta technologiczna

instrukcja technologiczna

program obróbki technologicznej (CNC)

karta normowania czasu pracy

wykaz pomocy warsztatowych

karta normowania materiału


42

karta technologiczna (dotyczy całego procesu technologicznego)


43

instrukcja technologiczna (dotyczy operacji technologicznej)


44

instrukcja technologiczna (szkic obróbkowy)


45

Wykorzystanie oprogramowania SolidWorks do tworzenia graficznej dokumentacji technologicznej


46

Automatyzacja projektowania procesów technologicznych

Sposoby realizacji:

• projektowanie w oparciu o zbiór indywidualnych procesów

• projektowanie w oparciu o procesy typowe

• projektowanie z uwzględnieniem technologii grupowej (często dla istniejących procesów)

Metoda wariantowa wywodzi się z idei typizacji procesów technologicznych. Polega na odnalezienie procesu o największym podobieństwie technologicznym i po wprowadzeniu niezbędnych poprawek uzyskaniu nowego procesu.

Metoda generacyjna - oparta jest na na idei Features. Proces powstaje w oparciu o syntezę procesów elementarnych (procesów obróbki poszczególnych powierzchni części).


47

Baza danych procesów technologicznych

Documents

Projektowanie w systemach CAD/CAM i programowanie obrabiarek CNC