UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO EKONOMSKO-POSLOVNA FAKULTETA Robert MALIČ RAZVOJ ORODJA ZA BRIZGANJE BATA Univerzitetnega študijskega programa Gospodarsko inženirstvo smer Strojništvo Maribor, avgust 2016
RAZVOJ ORODJA ZA BRIZGANJE BATA Študent: Študijski program: Smer: Robert MALIČ univerzitetni študijski program Gospodarsko inženirstvo Strojništvo Mentor FS: Mentor EPF: doc. dr. Jasmin KALJUN doc. dr. Katja CRNOGAJ Maribor, avgust 2016
I
I Z J A V A Podpisani Robert MALIČ, izjavljam, da: je diplomsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela, da je predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze, da so rezultati korektno navedeni, da nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih, da soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in elektronske verzije zaključnega dela. Maribor, 16.8.2016 Podpis: II
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorjema doc. dr. Jasminu Kaljunu in doc. dr. Katji Crnogaj za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi staršem in vsem ostalim, ki so verjeli vame in me spodbujali, da sem tudi uradno zaključil s študijem. III
RAZVOJ ORODJA ZA BRIZGANJE BATA Ključne besede: razvoj, orodje, stroški, analiza, brizganje UDK: 621.7.07-11+657.478(043.2) POVZETEK V diplomskem delu je prikazan celoten razvoj orodja, od osnovnih podatkov in zahtev naročnika, do končnega izdelka. Na podlagi ponujene cene za orodje in izdelek smo morali, kolikor je mogoče natančno, načrtovati in oceniti stroške različnih izvedb, ugotoviti, kako posamezna izvedba vpliva na funkcionalnost orodja ter proizvodnjo izdelka, kar se na koncu odrazi na lastni ceni izdelka. Ker kljub izkušnjam nismo mogli dovolj dobro oceniti tveganj, smo s pomočjo preizkusnega orodja poiskali odgovore na pereča vprašanja. Rezultati, dobljeni s preizkusnim orodjem, so pokazali, da je potrebno za ekonomično izbiro izvedbe uporabiti oblikovni del, narejen z novo tehnologijo, zaradi optimalnega temperiranja. Ta izbira nam je, kljub nenačrtovanim stroškom, dala optimalno rešitev, gledano na vrednost celotnega projekta. IV
DEVELOPMENT OF TOOL FOR INJECTION MOLDING OF PISTON Key words: development, tool, costs, analysis, injection molding UDK: 621.7.07-11+657.478(043.2) ABSTRACT The work shows the overall development of the tool starting with the entry data and customer requirements up to the final product. On the basis of the offered prices for the tool and the product, the costs of different designs had to be planned and assessed as precisely as possible and it also had to be determined how each version would affect the functionality of the tool and the production of the product, which is reflected in the cost price of the final product. Since we, despite our experiences, could not adequately assess the risks, we used the test tool to find answers to pressing questions. The results obtained with a test tool have shown, that economically it is necessary to select the cavity part made with new technology for optimal tempering. This was despite unplanned costs the optimal solution, considering the value of the entire project. V
KAZALO 1 UVOD... - 1-1.1 Opredelitev problema...- 1-1.2 Predstavitev izdelka...- 2-2 DOLOČITEV LASTNE CENE IZDELKA... - 7-2.1 Lastna cena izdelka...- 7-2.2 Analiza lastne cene izdelka...- 9-3 RAZVOJ GRAVURNEGA DELA... - 13-3.1 Študija izvedljivosti...- 13-3.2 Analiza potencialnih rešitev...- 16-3.3 Stroškovna ocena posamezne rešitve...- 22-3.4 Načrtovan brizgalni cikel posamezne rešitve in vpliv na ceno izdelka...- 24-4 IZDELAVA POIZKUSNEGA ORODJA... - 26-4.1 Predstavitev strojnega parka...- 26-4.2 Izbira materialov in normalij...- 27-4.3 Izdelava orodja...- 29-4.4 Testiranje in temperiranje orodja...- 31-4.5 Analiza stroškov, postopka in cikla brizganja poizkusnega orodja...- 33-5 IZDELAVA SERIJSKEGA ORODJA... - 35-5.1 Utemeljitev odločitve za serijsko orodje...- 35-5.2 Izdelava orodja...- 37-5.4 Poizkusno brizganje in meritev izdelka...- 51-5.5 Popravki...- 55 - VI
6 RAZVOJNA PRIPOROČILA... - 56-6.1 Priporočila glede stroškovne analize orodja in izdelka ter njun vpliv na odločanje za izbiro konstrukcijskih rešitev...- 56-6.2 Konstrukcijska priporočila za bodoče razvijanje orodij...- 58-7 SKLEP.... - 60-8 SEZNAM UPORABLJENIH VIROV... - 61 - VII
KAZALO SLIK Slika 1.1: Tehniška risba izdelka... - 2 - Slika 1.2: 3D model izdelka... - 3 - Slika 1.3: Kalkulacija cene izdelave orodja... - 5 - Slika 2.1: Razrez lastne cene izdelka... - 9 - Slika 3.1: Dolivna mesta... - 13 - Slika 3.2: Delilna ravnina... - 14 - Slika 3.3: Negativne površine... - 15 - Slika 3.1: Jedra pomične strani orodja... - 16 - Slika 3.2: Jedra pomične strani orodja A1... - 17 - Slika 3.3: Jedra pomične strani orodja A2... - 17 - Slika 3.4: Jedra pomične strani orodja A3... - 18 - Slika 3.5: Jedra pomične strani orodja A4... - 19 - Slika 3.6: Lasersko sintrano oblikovno jedro... - 19 - Slika 3.7: Primer dvostopenjskega sistema izmetavanja HASCO Z 1691 [4]... - 20 - Slika 3.8: Primer pospešenega izmetavanja CUMSA AE103036 [5]... - 21 - Slika 4.1: Potopna erozija... - 26 - Slika 4.2: Žična erozija... - 27 - Slika 4.3: Model izdelka za testno orodje... - 28 - Slika 4.4: Model oblikovnega dela na dolivni strani... - 29 - Slika 4.5: Obračalni mostiček HASCO Z9661 [3]... - 30 - Slika 4.6: Model oblikovnega dela na izmetalni strani... - 31 - Slika 4.7: Jedro verzija A2... - 33 - Slika 5.1: Oblikovni vložek dolivne strani... - 39 - Slika 5.2: Jedro dolivne strani... - 40 - Slika 5.3: Gravurni del dolivne strani... - 40 - VIII
Slika 5.4: Oblikovni vložek izmetalne strani... - 41 - Slika 5.5: Gravurni del izmetalne strani... - 42 - Slika 5.6: Potek vode skozi oblikovno jedro... - 43 - Slika 5.7: Potek vode skozi oblikovno jedro... - 44 - Slika 5.8: Dvostopenjsko izmetavanje... - 45 - Slika 5.9: Sistem pospeševanja ploščatega izmetača oz. tretja stopnja izmetavanja... - 46 - Slika 5.10: Izmetalni sistem v končnem položaju... - 47 - Slika 5.11: Sistem dolivanja na tri plošče... - 48 - Slika 5.12: Sistem dolivanja na tri plošče v odprtem stanju... - 50 - Slika 5.13: Dolivna in izmetalna polovica orodja... - 51 - Slika 5.14: Vzorci prvega preizkusa serijskega orodja... - 53 - Slika 5.15: Kontrolne mere na izdelku... - 54 - IX
KAZALO PREGLEDNIC Preglednica 2.1: Lastna cena izdelka... - 7 - Preglednica 3.1: Stroškovna ocena vsake rešitve... - 23 - Preglednica 3.2: Strošek brizganja... - 25 - Preglednica 4.1: Dejanski stroški... - 34 - Preglednica 5.1: Analiza tveganj... - 35 - Preglednica 5.1. Rezultati meritev pri posameznih ciklih... - 55 - Preglednica 6.1 Lastna cena izdelka... - 56 - Preglednica 6.2: Vrednost projekta... - 57 - X
UPORABLJENI SIMBOLI B število brizgov na uro BC brizgalni cikel DS dodatni strošek za izdelavo izbrane verzije v primerjavi z verzijo A1 LC lastna cena izdelka oz. proizvodna cena izdelka PB prihranek pri brizganju PC prodajna cena izdelka SA1 strošek verzije A1 oz SAx = strošek pripadajoče verzije SB strošek brizganja SBA1 strošek brizganja verzije A1 oz. SBAx = strošek pripadajoče verzije SP skupni prihranek Sp spodnja točka preloma SU strojna ura načrtovanega brizgalnega stroja ZS zagonski strošek XI
UPORABLJENE KRATICE 3D CAD CNC DFM DIN DMLS FMEA ISO mm Model izdelka Computer Aided Design Computer Numerical Control Design for Manufacturing Deutsches Institut für Normung Direct Metal Laser Sintering Failure Mode and Effect Analysis International Organisation for Standardization milimeter XII
1 UVOD 1.1 Opredelitev problema Podjetje je, po oddani ponudbi na razpisu poslovnega partnerja, prejelo naročilo za orodje in izdelek. Za namen serijske proizvodnje je potrebno razviti orodje za injekcijsko brizganje termoplastov za brizganje bata. Izdelek je na enem delu oblikovno zapleten in obstaja več rešitev za izdelavo tega dela. Preostanek orodja se zaradi različnih rešitev problematičnega dela ne spreminja. Orodje bo imelo zaradi zapletenosti in pričakovanih letnih količin izdelkov samo eno gnezdo, s stranskimi odmičnimi jedri ter večstopenjskim izmetavanjem. Izkušnje v podjetju so pokazale, da je smiselno za takšne izdelke izdelati poizkusno orodje, kar smo upoštevali že v ponudbi. V diplomskem delu se bomo zaradi obsežnosti celotnega orodja osredotočili predvsem na reševanje problematičnega dela izdelka v samem orodju, ki ima več možnih rešitev. Različne rešitve se namreč močno razlikujejo stroškovno, imajo pa tudi velik vpliv na sam potek izdelave izdelka, kar se tiče pričakovanih težav med proizvodnjo in brizgalnim ciklom. Vse to pa vpliva na končno ceno izdelka. Ker sta bili ponujeni ceni za orodje in izdelek že sprejeti, sta le-ti fiksni. Izziv razvoja orodja je poiskati rešitev, pri kateri bodo med proizvodnjo minimalne težave, ki pa bo še vseeno ekonomsko upravičena, kar pomeni, da morebitne prihranke pri brizgalnem ciklu ne izgubimo pri ceni orodja. V ta namen bo potrebno precej natančno oceniti stroške vsake posamezne rešitve ter predvideti njihov vpliv na proizvodnjo in brizgalni cikel. Dokončno potrditev za serijsko orodje bo dalo preizkusno orodje in informacije, ki jih bomo dobili med preizkusnim brizganjem. Pričakovana življenjska doba izdelka je pet let. Pričakovane letne količine se vsako leto spreminjajo, kar je potrebno upoštevati pri razvoju orodja in predvideti ter oceniti morebitna tveganja tudi iz tega vidika. - 1 -
1.2 Predstavitev izdelka Bat, za katerega je potrebno razviti orodje, je del nove črpalke, ki jo je razvil naročnik. Za pripravo ponudbe smo prejeli tehniško risbo izdelka (slika 1.1) ter 3D model (slika 1.2). Določene so tudi pričakovane letne količine, med 5.000 in 10.000 kosov ter material izdelka: POM Kepital F20. Iz risbe in modela je razvidno, da je kos tolerančno in oblikovno zahteven. Veliko je tankih sten z majhnim vmesnim prostorom, kar močno oteži temperiranje teh delov. Na notranji strani izdelka je tudi nekaj negativnih površin, ki jih je potrebno izdelati v toleranci, s čim manj zapleti. Negativne površine bodo predstavljale glavni problem razvoja orodja in s tem jedro tega diplomskega dela. Sama izdelava oblikovnega dela za negativne dele kosa kot takšna sicer ne bo težavna. Težava nastopi pri snemanju izdelka iz gravure, na pomičnem delu orodja. Snemanje bo potrebno izvesti v več stopnjah, pri temperaturi izdelka, ko se le-ta ne bo več plastično deformiral, ne sme pa biti toliko ohlajen, da bi se negativni del trgal v orodju. Slika 1.1: Tehniška risba izdelka - 2 -
Slika 1.2: 3D model izdelka 1.3 Predstavitev ponudbe naročniku Pri orodjih, ki so bolj zahtevna, naredimo neke vrste FMEA analizo (Failure Mode and Effect Analysis) [1]. Pri tej analizi poizkusimo predvideti vse težave, ki bi lahko nastale, bodisi pri izdelavi orodja ali kasneje pri uporabi orodja med samo proizvodnjo izdelka. Analiza v tej fazi je hitra in obravnava očitne in večje težave, ki jih lahko pričakujemo na podlagi zahtevnosti izdelka in potrebnih rešitev na orodju, da se ta izdelek izdela. V praksi težimo k hitri, vendar še vedno kakovostni izdelavi ponudbe, ki nam sicer ne dovoljuje podrobnih analiz, moramo pa oceniti največja tveganja, ker je za podjetje oddana ponudba pri nespremenjenih vhodnih podatkih, zavezujoča. Podrobnejšo analizo pa naredimo pred pričetkom razvoja serijskega orodja, ko imamo na razpolago tudi podatke iz testnega orodja. Pri bolj zapletenih orodjih iz izkušenj dodamo še pavšalni del pri ponudbi, s katerim pokrijemo morebitne manjše težave, ki smo jih pri hitri analizi spregledali ali pa pri razvoju orodja ugotovimo, da rešitve, ki smo jih načrtovali, zaradi različnih razlogov ne bomo mogli - 3 -
uporabiti in se moramo zateči k alternativnim rešitvam. Je pa pri tem potrebno biti pozoren, da imamo neko minimalno varnost, da pa zato po drugi strani zaradi tega ne oddamo nekonkurenčne ponudbe. Pri hitrem pregledu pripadajoče dokumentacije izdelka smo ugotovili, da bo zaradi oblike kosa in merskih ter oblikovnih zahtev potrebno več točkovno dolivanje neposredno na kos, na zgornjo površino kosa, ker zaradi luknje na centru izdelka ne bo mogoče dolivati na optimalno mesto za en sam dolivek. Stransko dolivanje pa zaradi tankih sten ni primerno niti glede zapolnitve gravure niti glede deformacij. Ker bodo dolivna mesta na fiksni strani orodja, bomo potrebovali orodje s sistemom na tri plošče in hladno kanalnim dolivanjem, ki omogoča neposredno dolivanje na izdelek, dolivek pa se odtrga in odstrani iz orodja v fazi odpiranja. Zaradi negativnih oblik na notranji strani izdelka se bo le-ta snemal v treh korakih, čeprav bomo preverili možnost snemanja v samo dveh. Na podlagi teh ugotovitev smo izdelali ponudbo za eno gnezdno orodje, s trostopenjskim odpiranjem, stranskimi odmičnimi jedri ter tristopenjskim snemanjem. Brizgalni cikel je določil tehnolog brizganja izkustveno, z upoštevanjem dodatnih šest sekund, za varnost oziroma rezervo, v primeru težav pri snemanju kosa. Testno orodje smo na podlagi izkušenj ocenili na 5.000. Ker je ponudba delana za znanega naročnika, smo pri ponudbi upoštevali tudi pretekle izkušnje glede cene, ki je za naročnika še spremenljiva. Ta ponudba je bila specifična tudi zaradi tega, ker se je tudi naročnik zavedal, da je kos težaven za izdelavo in da smo s ponudbo prevzeli precej veliko tveganje tudi na svoja ramena. Zaradi pomislekov glede snemanja in izdelave negativnega dela na kosu se je naročnik strinjal tudi s stroški preizkusnega orodja, ki se bo izdelalo samo za del kosa, na katerem so negativne oblike in ne bo celega izdelka, ker bi to pomenilo, da je potrebno izdelati tudi stranska odmična jedra, ki pa niso problematična, predstavljajo pa precejšen strošek na testnem orodju. Izdelek je bil pri oddajanju ponudbe še v fazi razvoja, zato smo pričakovali, da bodo na izdelku in orodju potrebne spremembe, preden se bo serijska proizvodnja začela. Spremembe se vrednotijo posebej, zato v ponudbi niso upoštevane. V primeru večjih sprememb na izdelku, ki bi vplivale na samo proizvodnjo ceno izdelka, se izdela nova ponudba naročniku, preden se sprememba izvede. - 4 -
Na sliki (slika 1.3) je prikaz izdelane ponudbe za to orodje. Če naročnik ne zahteva posebej stroškov vsake delovne operacije posebej, se tega v praksi ne dela, kot je bilo tudi v tem primeru. Slika 1.3: Kalkulacija cene izdelave orodja - 5 -
Terminski del predstavlja oceno potrebnega časa za izdelavo orodja in izvedbo preizkusa in je osnova za pogajanja okoli terminskih planov pred naročilom. Dejanski rok izdelave orodja in dobava ničelne serije se določi tik pred naročilom, glede na takratno zasedenost orodjarne in proizvodnje, ker lahko med povpraševanjem in naročilom mine več mesecev ali pa tudi več kot leto. Pričakovane letne količine so med 5.000 in 10.000 izdelkov na leto, skupna pričakovana količina pa 36.000 izdelkov v petih letih. Končna ponudba za orodje je imela dodano še 10 % maržo in je znašala 39.800. - 6 -
2 DOLOČITEV LASTNE CENE IZDELKA 2.1 Lastna cena izdelka Pri določitvi lastne cene izdelka moramo upoštevati vse stroške, ki pri tem nastanejo. Ugotoviti moramo, koliko nas stane proizvodnja izdelka. Pri tem je potrebno biti pozoren na pravilno dodeljevanje stroškov, da izdelek ne bi izkazoval previsokih stroškov ali bil nekaterih stroškov oproščen [2]. Ker je bilo orodje v našem primeru ponujeno posebej, cena orodja ne vpliva na lastno ceno izdelka. V podjetju pri določanju lastne cene izdelka upoštevamo materialne stroške, proizvodne stroške, stroške dela in pakiranja. Če je želja s strani naročnika oziroma, če je dogovorjeno drugače, pa tudi stroške orodja in ostale investicije, potrebne za proizvodnjo (npr. avtomatizacija linije), in se le-te amortizirajo skozi ceno izdelka, v dogovorjenem časovnem obdobju ali v določeni seriji izdelkov in ni ponujeno posebej. V tem primeru je lastna cena izdelka določena glede na postavke, ki jih prikazujemo v preglednici (preglednica 2.1): Preglednica 2.1: Lastna cena izdelka Materialni stroški Cena na izdelek v Bruto teža izdelka 64 g Cena materiala 1,69 /kg 0,1060 Cena barvila 7,5 /kg 0,0096 Kalo 3 % 0,0035 Skupaj 0,1191 Proizvodni stroški - 7 -
Cikel brizganja 70 s Število gnezd 1 Strojna ura 20 Strošek brizganja 20 /(3600 s/70 s) 0,3889 Letna kapaciteta 5.000-10.000 Priprava orodja 20 Zagonski izmet 3 Priprava orodja tehnik 12 Zagonski strošek 35 /5.000 kosov 0,007 Skupaj 0,3959 Stroški dela Delavec na stroju 0,4 /h 0,0078 Ostala dela 3D meritve 4 /h 0,0778 Skupaj 0,0856 Pakiranje Strošek pakiranja 0,2 /100 k 0,002 Lastna cena izdelka 0,6026 Prodajna cena izdelka je imela dodano še 15 % maržo in je znašala 0,6930. - 8 -
2.2 Analiza lastne cene izdelka Trošenje inputov, ki so variabilni, povzroča variabilne stroške.»ker kratkoročno podjetje spreminja svoj output tako, da vključuje več ali manj enot variabilnega inputa, to pomeni, da so variabilni stroški odvisni in se spreminjajo s: - količino vloženih inputov in s tem s količino outputa ter - cenami, ki jih je potrebno plačati za vsako enoto variabilnega outputa«[2:173]. Iz diagrama (slika 2.1) se lepo vidi, da je v našem primeru velik del lastne cene izdelka v proizvodnih stroških. V spodnjem pregledu bomo analizirali vsako postavko posebej in pogledali, kje in na kakšen način je smiselno vplivati na lastno ceno, da bi jo s tem zmanjšali in posledično povečali dobiček. Lastna cena Stroški dela 14% Pakiranje 0% Proizvodni stroški 66% Materialni stroški 20% Materialni stroški Proizvodni stroški Stroški dela Pakiranje Slika 2.1: Razrez lastne cene izdelka - 9 -
Po definiciji so vse postavke, ki jih upoštevamo pri lastni ceni izdelka, variabilni stroški. Tudi strojna ura brizgalnega stroja, na katerem se bo brizgal izdelek in v kateri je upoštevan del fiksnih stroškov podjetja. Strojna ura brizgalnega stroja je namreč deloma sestavljena tudi iz stroška amortizacije za brizgalni stroj, zavarovanja in morebitnih obresti, plač nekaterih delavcev,... Je pa v tej strojni uri zajet tudi zaslužek ter strošek električne energije in strošek vzdrževanja stroja, ki pa sta po definiciji variabilna stroška [2]. Cena strojne ure, je določena s strani lastnika podjetja, zato v to postavko nimamo natančnega vpogleda. Vsi materialni stroški, proizvodni stroški, razen zagonskega stroška, stroški dela in pakiranje v povprečju ostajajo vedno enaki, ne glede na obseg proizvodnje. Do sprememb le-teh bi prišlo samo v primeru, da se spremeni bodisi cena materiala ali da se vodstvo odloči in spremeni cene strojnih ur in dela, kar seveda ne pomeni, da na te stroške ne moremo vplivati. Na materialne stroške, ki predstavljajo 20 % lastne cene, lahko vplivamo s tem, da si izpogajamo boljše nabavne cene materiala pri dobavitelju ali da menjamo dobavitelja, ki ima enak material, po bolj ugodni ceni. Načeloma lahko naročniku predlagamo tudi alternativni material, ki je po lastnostih enak, ampak cenejši, vendar je v tem primeru material točno določen in ga ni mogoče spreminjati. Glede na majhno količino izdelkov in posledično pričakovano maksimalno letno količino materiala 660 kg, je to v tem primeru skoraj nemogoče. Stroške dela, ki predstavljajo 14 % lastne cene, bi lahko tudi zmanjšali. Z avtomatizacijo posluževanja stroja, pakiranja in deloma tudi preverjanja kakovosti, s 3D meritvami izdelka, bi lahko odpravili potrebo po delavcu vendar je to v tem primeru nesmiselno, ker gredo stroški najbolj osnovne avtomatizacije v tisoče. Največji del lastne cene izdelka v tem primeru predstavljajo proizvodni stroški 66 %. Na ta del lastne cene izdelka pa lahko v precejšnji meri vplivamo z razvojem orodja. Proizvodni stroški so sestavljeni iz: - 10 -
- stroška brizganja, ki predstavlja kar 64,54 % celotne lastne cene izdelka. Strošek brizganja dobimo na osnovi strojne ure (20 ) deljeno s številom izdelkov, ki jih v eni uri proizvedemo. Ker je cena strojne ure fiksna lahko vplivamo samo na količino izdelkov, ki jih lahko v eni uri izdelamo. Z uvajanjem novih tehnologij in tehničnih rešitev lahko močno optimiziramo in stabiliziramo proizvodni proces, kar v praksi pomeni manj nepričakovanih zastojev in manj izmeta, lahko pa tudi skrajšamo čas brizganja, kar je tudi namen tega diplomskega dela. - zagonskega stroška 1,46 %. Zagonski strošek je fiksen in nastane ob vsakokratnem zagonu proizvodnje. Izračunan je na serijo 5.000 izdelkov zato se na enoto izdelka spreminja glede na serijo. Pri manjši seriji se zvišuje ali pa znižuje z večjo. Čeprav je delež tega stroška majhen, lahko z optimizacijo zagona proizvodnje in z orodjem, ki ima dobre tehnične rešitve, ki optimizirajo in stabilizirajo proces brizganja, te stroške tudi zmanjšamo. 2.3 Točka preloma Naša prodajna cena za izdelek je fiksna, potrjena s strani naročnika in je ni več mogoče spreminjati. Se pa kljub vsemu spreminjajo povprečni celotni stroški pri proizvodnji izdelka. Točki preloma oz. prag rentabilnosti sta točki obsega poslovanja, pri katerih se proizvodna cena izdelka izenači s prodajno ceno [2]. Glede na našo lastno ceno izdelka je edina postavka, ki stroškovno vpliva na obseg poslovanja, strošek zagona proizvodnje. Ker je le-ta strošek fiksen in je bil izračunan na proizvodnjo 5.000 kosov v seriji, lahko z zmanjševanjem pridemo do serije, kjer se bo proizvodna cena izenačila s prodajno ali jo celo presegla. V našem primeru lahko spodnjo točko preloma izračunamo na ta način, da od prodajne cene odštejemo proizvodno ceno, ki jo zmanjšamo za zagonski strošek pri seriji 5.000 izdelkov. Na ta način izenačimo potencialni dobiček z zagonskimi stroški na enoto izdelka. Dobljeno vrednost pa potem delimo s skupnim zagonskim stroškom in dobimo potrebno serijo, ko je proizvodna cena enaka prodajni. - 11 -
( ) ( ) Sp = spodnja točka preloma ZS = zagonski strošek (35 ) PC = prodajna cena izdelka LC = lastna cena izdelka oz. proizvodna cena izdelka Dobljeni rezultat pomeni, da bi pri seriji, manjši od 360 izdelkov, proizvajali izdelek z izgubo. Pri serijah, večjih od tega, pa proizvajamo z dobičkom. Večje kot je število izdelkov v seriji, manjši delež v proizvodni ceni predstavlja zagonski strošek. Pri povečevanju obsega proizvodnje v tem primeru ni smiselno iskati druge točke preloma, ker ni realnih možnosti, da bi se obseg proizvodnje tega izdelka povečal do takšne mere, da bi bile potrebne investicije v proizvodnjo, ki bi se odrazile na ceni izdelka. Glede na najvišjo pričakovano letno količino izdelkov in na načrtovani cikel brizganja lahko namreč izračunamo, da stroj ne bo zaseden več kot 200 h, kar je pri tri izmenski proizvodnji slabih 9 delovnih dni. Letna kapaciteta strojev je planirana na 85 % izkoriščenost stroja, izdelek pa lahko proizvajamo na več identičnih strojih. - 12 -
3 RAZVOJ GRAVURNEGA DELA 3.1 Študija izvedljivosti V študiji izvedljivosti bomo na modelu pregledali: kako bo izdelan oblikovni del orodja, kje bo dolivno mesto na izdelku, kje bo potekala delilna ravnina in mesta izmetavanja. Ravno tako se ocenijo in določijo tudi potencialno težavna področja na izdelku kot so: tanke stene, negativni koti v smeri odpiranja, premajhni snemalni koti, ki bi lahko povzročali težave, oblike, ki jih ni mogoče izdelati. Po tej študiji se naročniku pošljejo vse pripombe in predlogi, da lahko pred začetkom izdelave orodja kos še spremeni oz. popravi. Potrditi pa mora tudi dolivno mesto in delilno ravnino, če le-to ni bilo specificirano že v tehnični dokumentaciji pri povpraševanju ali pri podatkih ob naročilu. Slika 3.1: Dolivna mesta Naročniku po izdelani študiji izvedljivosti pošljemo v pregled tudi popravljen model izdelka, da si ga lahko dobro ogleda in po potrebi tudi kaj izmeri in popravi. Dokler niso vse točke v študiji izvedljivosti usklajene, se z delom na projektu ne prične. Na sliki (slika 3.1) je prikazan predlog za dolivna mesta in tudi predlog poglobitve za dolivek, da pri trganju ne bi štrlel nad ravnino izdelka. Po izkušnjah bi samo eno dolivno mesto ali pa dve dolivni mesti povzročili precejšnjo deformacijo na kosu. Tri dolivna mesta so nek minimum, da je kos dovolj cilindričen, da nimamo kasneje težav s toleranco. Še vedno pa - 13 -
obstaja možnost, da se izdela dolivno jedro z več dolivnimi mesti, ampak po izkušnjah bi tri morala zadostovati. Na sliki (slika 3.2) je z rdečo linijo označen potek delilne ravnine. Ker je bil sam kos v veliki meri že s strani naročnika modeliran z mislijo na smeri odpiranja in delilne ravnine, je v tem primeru potrebno samo odobritev delilne ravnine po vertikalni smeri in spodnjem robu vodila bata. Slika 3.2: Delilna ravnina Z rdečo so obarvane tudi negativne površine na kosu (slika 3.3). Na kosu, razen teh negativnih površin, ki so namenske in jih naročnik želi imeti na izdelku, ni negativnih kotov. Prav tako ni vertikalnih sten. Vse površine, razen vodila bata, imajo snemalne kote v smeri odpiranja orodja, kot ga je načrtoval naročnik. - 14 -
Slika 3.3: Negativne površine Ravno izdelava teh negativnih oblik na izdelku je največji izziv na orodju. Ker so negativne površine na različnih delih notranjega dela bata, jih ne bo mogoče snemati hkrati. Da lahko snamemo izdelek iz jeder, je potrebno sprostiti izdelek na nasprotni strani, da ima negativna oblika v elastičnem območju deformiranja dovolj prostora, da se izdelek ne utrga v orodju. Iz modela in pozicij negativnih površin je tudi razvidno, da bo potrebno sredinsko jedro izdelati iz treh delov. Zunanja dva dela bosta cevaste oblike in precej tanka, tako da ju ne bo mogoče temperirati. Notranje jedro bo pa sicer dovolj veliko, da se ga bo dalo temperirati, je pa oblika bata takšna, da se s klasičnimi izdelovalnimi postopki ne da izdelati hladilnih kanalov višje kot nekaj milimetrov do sredinskega dela. Na tem delu pa se stik termoplasta z jedrom niti ne prične. Zaradi tega je vprašljiva učinkovitost temperiranja in je potrebno razmišljat, kako uspešno dovajat potrebno toploto pri zagonu orodja, med obratovanjem pa omejiti segrevanje jeder. Najprej zaradi kontroliranega procesa brizganja in tudi zaradi temperaturnih razlik in raztezkov v materialih jeder, ki bodo drsela drug po drugem. Za izdelavo sredinskega jedra na pomični strani orodja in temperiranje le-tega imamo na razpolago več rešitev, ki pa imajo vsaka svoje prednosti in slabosti. Tukaj pričakujemo tudi precejšen vpliv na brizgalni cikel. Prav tako sta na izbiro dve možnosti za snemanje izdelka. - 15 -
Ena je dvostopenjska rešitev, pri kateri bo del kosa ostal na tretjem delu jedra in ga bo potrebno snemati s kakšno pripravo, če ne bo zaradi snemanja negativnega roba na sredinskem delu bata sam padel iz orodja. Druga rešitev je pa trostopenjska, ki bo v tretji stopnji snela izdelek še iz tretjega dela jedra. Ostali oblikovni del orodja kot tudi ohišja ostane nespremenjen, ne glede na rešitev, ki jo bomo izbrali, zato preostanku orodja ne bomo posvečali veliko pozornosti. Bo pa, ne glede na analizo in naša načrtovanja, potrebno nekaj rešitev preizkusiti na izdelku, da se prepričamo, če naše predpostavke držijo in v kolikšni meri. 3.2 Analiza potencialnih rešitev V tem delu bomo analizirali štiri mogoče verzije jedra na pomični strani orodja ter dva sistema izmetavanja. Osnovna oblika vseh jeder je enaka. Razlikujejo se v načinu hlajenja, materialih ter izdelavi. Zunanji dve cevasti jedri sta enaki, ne glede na rešitev sredinskega jedra (slika 3.1). Vsa tri jedra so oblikovna. Sredinsko jedro je zgolj oblikovno, cevasti jedri pa služita tudi snemanju izdelka iz gravure. Slika 3.1: Jedra pomične strani orodja - 16 -
Verzija A1 Slika 3.2: Jedra pomične strani orodja A1 Ta verzija je najbolj enostavna. Sredinsko jedro je izdelano iz enega kosa, zato je najmanj obremenjeno glede obrabe, zaradi drsenja in poškodb. Tudi sam izdelovalni postopek je relativno enostaven in hiter. Zaradi same oblike, kot je na sliki razvidno (slika 3.2), jedra ni mogoče učinkovito temperirati, ker hladilnega medija ne moremo pripeljati v neposredno bližino stika taline z jedrom. Prenos toplote po jeklu pa ni najboljši. Je pa poceni in enostavna rešitev, ki jo je vredno preizkusiti. Verzija A2 Slika 3.3: Jedra pomične strani orodja A2 V osnovi je verzija A2 (slika 3.3) podobna verziji A1, s to razliko, da so jedru dodane izvrtine za vstavljena jedra iz AMPCO litine, ki bistveno bolje prevaja toploto kot jeklo. Kar se tiče - 17 -
obrabne obstojnosti in trdnosti sta obe verziji zelo podobni, je pa ta verzija zaradi izdelave izvrtin za AMPCO jedra precej dražja, ker morajo jedra tesniti in morajo biti izvrtine zato izdelane natančno. Tudi razširitev pri vrhu jedra ne more biti izdelana z vrtanjem, temveč s potopno erozijo, kar zopet podraži jedro. Je pa nujno potrebna, da je čim večja površina jedra v stiku s temperirnim medijem, zaradi prenosa toplote. Pri tej verziji je pod vprašajem tudi učinkovitost prenosa toplote preko jeder. Verzija A3 Pri tej verziji (slika 3.4) je sredinsko jedro sestavljeno iz dveh delov. Oblikovni del je v celoti iz AMPCO litine, spodnji del pa je jeklen kot v prejšnjih verzijah. Kar se tiče samega temperiranja, je ta verzija najboljša, ki jo lahko izdelamo v podjetju. Sicer se AMPCO zlitina ne obdeluje najbolje na potopni eroziji in tudi polirati se ne da najbolje, ker je precej mehkejša kot jeklo. Izdelava takšnega jedra je pa vseeno cenejša kot pri verziji A2. Ima pa ta verzija pomanjkljivost. Ker bo del jedra v stalnem stiku z drsnim drugim jedrom, obstaja verjetnost, da se bo mehkejši del obrabil in bo orodje začelo prelivat. Vprašanje je tudi, kako se bo obnašal spoj obeh kosov, ker je jedro zaradi prisilnega snemanja stalno izpostavljeno precej velikim silam. Ker je ta verzija kljub vsemu cenejša kot verzija A2, jo je v primeru, da verzija A1 ne bi bila zadovoljiva, tudi smiselno preizkusiti. Slika 3.4: Jedra pomične strani orodja A3-18 -
Verzija A4 Slika 3.5: Jedra pomične strani orodja A4 Zadnja verzija jedra (slika 3.5) je tudi iz dveh delov, s tem da je oblikovni del (slika 3.6) izdelan z laserskim sintranjem DMLS Direct Metal Laser Sintering [3]. S to tehnologijo, s katero še nimamo praktičnih izkušenj, je mogoče izdelati poljubne temperirne kanale v jedru. Tudi sama trdota materiala je zadovoljiva, po navedbah proizvajalca naj bi dosegla 54 HRC. Proizvajalec tudi jamči za tesnjenje izdelka. Samo jedro izdelajo polno, z 0,5 mm dodatka na vse mere. Do konca se jedro potem izdela s klasičnimi obdelovalnimi postopki. Slika 3.6: Lasersko sintrano oblikovno jedro - 19 -
Razen pomislekov okoli spuščanja jedra je tukaj precejšnja slabost tudi cena same izdelave takšnega jedra, ki je v osnovni ponudbi nismo upoštevali, ker takrat še nismo imeli dovolj informacij in zagotovil, da je takšna izvedba praktično mogoča. Je pa velika prednost tega jedra v optimalnem temperiranju, kar bi skrajšalo brizgalni cikel, zmanjšalo napake na izdelku in zagotovilo stabilen proces med proizvodnjo. Verzija B1 Pri snemanju kosa iz orodja imamo na izbiro dve varianti. Prva je dvostopenjska, ki v vsaki stopnji sprosti eno negativno obliko na jedrih, vendar po obeh stopnjah ostaja nevarnost, da izdelek ostane na zunanjem cevastem jedru. Slika 3.7: Primer dvostopenjskega sistema izmetavanja HASCO Z 1691 [4] Za dvostopenjsko izmetavanje obstaja na tržišču več vrst izmetalnih sistemov, ki pa v našem primeru ne pridejo v poštev, ker so obstoječi in v podjetju v praksi preizkušeni sistemi - 20 -
narejeni tako, da se izmetuje v sredini orodja, kar pa v našem primeru ne bo mogoče, zaradi postavitve jedra na gibljivi strani orodja, ki bo ravno toliko iz centra orodja, da se bo lahko izmetavalo s standardnim izmetalnim stebrom Ø24 mm. Prostora za večstopenjske izmetalne sisteme pa ni, ker le-ti zahtevajo več prostora, kot je razvidno iz slike (slika 3.7). Zaradi tega bo potrebno dvostopenjsko snemanje rešiti mehansko, v lastni izdelavi. Po prvem hodu bo potrebno mehansko, z odmikanjem sprostiti prvi del, da bo pot nadaljeval samo še drugi del, ki sname izdelek še iz zunanjega negativnega roba. Verzija B2 Slika 3.8: Primer pospešenega izmetavanja CUMSA AE103036 [5] - 21 -
Razlika med to verzijo in verzijo B1 je v dodanem sistemu, ki pred koncem izmetalnega hoda za nekaj milimetrov privzdigne dodatne izmetalne igle, ki snamejo izdelek še iz zunanjega cevastega jedra in popolnoma sprostijo izdelek iz gravurnega dela. Na trgu je več sistemov, ki na različne načine rešujejo to težavo v orodjih. Bodisi s privzdigovanjem dodatne izmetalne plošče, bodisi s pospeševanjem ene ali več izmetalnih igel, Eden izmed sistemov je prikazan na sliki (slika 3.8). Kot že pri dvostopenjskem sistemu se tudi tukaj srečujemo s podobno težavo. Zaradi oblike izdelka in sredinskega jedra ni na voljo dovolj prostora v orodju, da bi lahko uporabili katero od standarnih rešitev, zato bo potrebno izdelati sistem, ki bo privzdignil izmetalne igle, po meri. 3.3 Stroškovna ocena posamezne rešitve Iz analize potencialnih rešitev je razvidno, da so si jedra med seboj podobna, kar se pa samega oblikovnega dela tiče, je le-ta identičen na vseh jedrih. Osnovne operacije so na vseh jedrih enake. Zaradi različnih rešitev temperiranja pa imajo ostale verzije dodane še druge operacije, za katere je potrebno oceniti, koliko delovnih ur je za to potrebnih. Iz tega podatka potem dobimo stroškovno oceno izdelave za posamezno verzijo. Pri sistemih izmetavanja pa je potrebno zgolj oceniti, koliko stane tretja stopnja izmetavanja, ker prvi dve stopnji ostaneta nespremenjeni. Vse verzije A potrebujejo struženje, vrtanje, kaljenje, ploskovno in okroglo brušenje, rezkanje, erodiranje, poliranje ter nitriranje, za povečanje površinske trdnosti in boljših drsnih lastnosti. Ker je verzija A1 najbolj enostavna verzija, ki vsebuje samo zgornje delovne operacije v tabeli le-teh ne bomo navajali pri vsaki verziji posebej. Pri ostalih verzijah bodo dodane samo dodatne operacije, ki jih verzija A1 ne vsebuje. Obe verziji B pa potrebujeta rezkanje, vrtanje, ploskovno brušenje, kaljenje, potopno in žično erozijo ter sestavo. - 22 -
Na verziji B2 bodo zato samo dodatno potrebne operacije. Preglednica 3.1: Stroškovna ocena vsake rešitve Verzija Dodatne operacije Strojne ure Ročno delo Material Skupaj A1 15x40 12x25 50 950 A2 Vrtanje in erodiranje izvrtin za jedra, erodiranje razširitve za hlajenje, izdelava AMPCO jeder, sestava 24x40 14x25 80 1390 A3 Izdelava jeklene osnove, izdelava AMPCO gravurnega dela, sestava 20x40 14x25 220 1370 A4 Izdelava jeklene osnove, dodelava lasersko sintranega gravurnega dela, sestava 20x40 12x25 2460 3560 B1 30x40 4x25 560 1860 B2 Rezkanje, brušenje, kaljenje, žična erozija, potopna erozija, sestava vzvoda za tretji hod 40x40 4x25 600 2300 Iz preglednice (preglednica 3.1) je razvidno, da verzija A4, zaradi nakupa lasersko sintranega oblikovnega jedra, močno cenovno odstopa od ostalih in bi s to verzijo verjetno prekoračili ponujeno ceno za orodje. Po drugi strani pa nam ta verzija vsaj teoretično precej skrajša cikel brizganja in zagotavlja boljši nadzor nad brizgalnim procesom. - 23 -
3.4 Načrtovan brizgalni cikel posamezne rešitve in vpliv na ceno izdelka Na tej stopnji so načrtovani brizgalni cikli zgolj groba ocena, na podlagi izkušenj in določenih predvidevanj, ki pa niso nujno točna. Sam izmetalni sistem na brizgalni cikel nima vpliva, ker sta hitrost in hod izmetavanja enaka, ne glede na to ali je dvo oz. tro stopenjsko izmetavanje. V preglednici (preglednica 3.2) so prikazani načrtovani brizgalni cikli za vsako verzijo jedra, ter strošek brizganja na kos. Kot smo videli v analizi lastne cene izdelka, lahko z razvojem orodja vplivamo samo na stabilnost in čas brizgalnega cikla. Ta posledično vpliva na strošek brizganja na kos. Ker z razvojem orodja oz. izbiro različnih rešitev na ostale stroške pri lastni ceni ne moremo vplivati, le-ti v razpredelnici niso upoštevani. Strošek brizganja izračunamo po formuli: kjer je SB = strošek brizganja SU = strojna ura načrtovanega brizgalnega stroja 20 B = število brizgov na uro BC = brizgalni cikel Ker je verzija A1 osnovna, najcenejša in najlažja verzija za izdelat, bi bila ob tem, da zanemarimo potencialne težave in čas brizganja, edina logična izbira. Zaradi tega jo bomo postavili kot izhodišče oziroma merilo, s katerim bomo primerjali vse ostale verzije. Celotna pričakovana serija bi naj bila 36.000 izdelkov v petih letih. Na podlagi tega podatka, dodatnega stroška v razliki cene izdelave med posameznimi verzijami, glede na verzijo A1 in pričakovanega brizgalnega cikla za vsako verzijo, lahko izračunamo kolikšen je dodatni strošek izdelave posamezne verzije in kolikšen je pričakovan prihranek pri brizganju v celotni življenjski dobi izdelka. Iz potencialnega prihranka pa potem lahko razberemo, katera verzija bi bila najbolj ugodna. - 24 -
DS = dodatni strošek za izdelavo izbrane verzije v primerjavi z verzijo A1 SA1 = strošek verzije A1 oz SAx = strošek pripadajoče verzije PB = prihranek pri brizganju SBA1 = strošek brizganja verzije A1 oz. SBAx = strošek pripadajoče verzije SP = skupni prihranek Preglednica 3.2: Strošek brizganja Verzija Brizgalni SB - strošek PB -Prihranek pri DS - dodatni SP skupni cikel v s brizganja v brizganju v strošek v prihranek v A1 70 0,3889 0 0 0 A2 68 0,3778 399,6 440-40,4 A3 65 0,3611 1.000,8 420 580,8 A4 60 0,3333 2.001,6 2610-608,4 Iz preglednice (preglednica 3.2) je razvidno, da je ob predpostavki, da naša predvidevanja držijo, ekonomsko najbolj upravičena verzija A3, ker nam kot edina poveča dobiček skozi življenjsko dobo izdelka. Niso pa pri tem izračunu upoštevane ostale spremenljivke pri proizvodnji (stabilnost cikla in s tem povezana merska stabilnost izdelka, morebitni zastoji zaradi poškodb na izdelku ali orodju, trganje v gravuri, ), ki tudi vplivajo na odločitev pri razvoju orodja. Nismo jih upoštevali, ker jih v tej fazi ne znamo ovrednotiti in bomo s tem namenom izdelali poizkusno orodje. - 25 -
4 IZDELAVA POIZKUSNEGA ORODJA 4.1 Predstavitev strojnega parka Orodjarna podjetja ima na razpolago dva tri osna CNC rezkalna stroja, en tri in pol osni CNC rezkalni stroj, dve CNC žični eroziji (slika 4.1), dve CNC potopni eroziji (slika 4.2), CNC stružni center, ploskovni brusilni stroj ter portalni vrtalni center. Orodjarna ima tudi poseben prostor za poliranje gravurnih delov ter poseben prostor za ročno dodelavo orodij ter sestavo. Slika 4.1: Potopna erozija Politika podjetja teži k izdelavi orodij v lastni orodjarni, zaradi krajših dobavnih rokov, ki so vedno bolj zaostreni ter najlažjega in najhitrejšega naknadnega popravila orodij ali izvajanja sprememb na njih. Iz tega razloga smo se pri odločitvi za konstrukcijo testnega orodja v prvi vrsti odločili za vrste in oblike gravure in orodja, ki jih lahko hitro in kakovostno izdelamo sami. Pri testnih orodjih je to še posebej pomembno, ker se v tej fazi razvoja orodja največ preizkuša in je potrebno na želene spremembe in ideje hitro odreagirati, da se celoten čas preizkušanja ne zavleče preveč, zaradi čakanja na proste kapacitete zunanjih dobaviteljev. - 26 -
Slika 4.2: Žična erozija 4.2 Izbira materialov in normalij Cilj poizkusnega orodja je, z minimalnimi stroški dobiti, kolikor se da veliko odgovorov na vprašanja in nejasnosti, ki jih imamo v zvezi s serijskim orodjem. Temu primerno se pristopa k izdelavi preizkusnega orodja. Vsi gibljivi deli se odmikajo ročno. Po navadi je ročno tudi snemanje izdelka iz gravure, če je le-to mogoče. V našem primeru nas zanima predvsem vpliv temperiranja jedra in brizgalnega cikla na prisilno snemanje iz gravure, ter potrebna kakovost poliranja gravurnega dela, predvsem globokih in tankih jeder ter reber, da ne bo prihajalo do poškodb na izdelku. Ker drugi hod ni problematičen, se bo le-ta snemal ročno. Videli pa bomo ali bo izdelek ostal na zunanjem cevastem jedru ali ne. V ta namen bomo uporabili manjše ohišje, ki je narejeno tako, da ga lahko uporabimo za več različnih izdelkov in bo potrebna minimalna predelava, da bo zadostilo zahtevam. Za oblikovne vložke bomo uporabili aluminij, za jedra na premični strani orodja pa poboljšano orodno jeklo 1.2312, zaradi poliranja in hlajenja. Zaradi majhne serije in malo - 27 -
manj tesnih toleranc, ker prelitost kosa pri testnem orodju ni tako pomembna, ne bo težav z obrabo. Na spodnji sliki (slika 4.3) je poenostavljen in predelan model, ki ga bomo preizkusili v testnem orodju. Iz slike se lepo vidi, da so na modelu odstranjene vse oblike, ki bi po nepotrebnem podražile preizkusno orodje. Stransko odmikanje v orodju ni problematično, zato smo ta del izdelka odstranili, ker bi močno podražil preizkusno orodje in izdelavo podaljšal za nekaj dni. Tudi vse ostale oblike na kosu, ki niso težavne, so odstranjene, da skrajšamo čas izdelave in znižamo stroške testnega orodja. Rebra, ki so na modelu ostala, so pa tam zaradi tega, da vidimo v kolikšni meri vplivajo na snemanje kosa iz orodja in na potrebno minimalno kakovost poliranja gravurnega dela, da se bo izdelek snemal brez težav in poškodb. Slika 4.3: Model izdelka za testno orodje Za temperiranje bomo uporabili normalije HASCO in Meusburger. Dolivanje bo enotočkovno na strani kosa. Za izdelavo modelov in tehniške dokumentacije uporabljamo CAD paket SolidWorks *6+. Z izdelavo 3d modelov že v fazi razvoja lahko vidimo kako posamezne komponente med sabo nalegajo in delujejo. 3D modele pa lahko potem tudi neposredno uporabimo na CNC strojih za izdelavo fizične komponente. - 28 -
4.3 Izdelava orodja Na fiksni oz. dolivni strani razlike med testnim in serijskim orodjem ne bo, razen v manjkajočem delu gravure. Iz 3D modela (slika 4.4) je razviden potek hladilnega medija ter hlajenja obeh vstavljenih jeder. Ker ni za pričakovati težav zaradi slabega hlajenja večjega jedra, le-to ne bo hlajeno drugače kot z oblivanjem z vodo. Obe jedri na dolivni strani se, razen morebitnega hlajenja večjega jedra, ne bosta več spreminjali, zato smo se odločili, da se bosta jedri izdelali iz materiala 1.2767, ki je primerno za poliranje ter zakalili na trdoto med 54 HRC in 56 HRC. Zaradi dolgih in tankih reber, ki bi se lahko deformirale po kaljenju, smo pustili na večjem jedru 1 mm dodatka, pred končno obdelavo. Obe jedri bosta z morebitnimi manjšimi spremembami uporabljeni tudi v serijskem orodju. Za oblikovne vložke na izmetalni oziroma pomični strani orodja pa smo uporabili enak potek temperirnih kanalov, kot bodo na serijskem orodju, čeprav le-to v poizkusnem orodju nima stranskih odmičnih jeder. Slika 4.4: Model oblikovnega dela na dolivni strani - 29 -
Jedro na gibljivi strani je ravno tako temperirano na enak način, kot bo na serijskem orodju. V ta namen bo potrebno na novo narediti zadnjo oziroma vpenjalno ploščo na preizkusnem orodju. Ker je izdelek in s tem tudi jedro, ki ga je potrebno hladiti, v centru orodja, smo za hlajenje uporabili obračalni mostiček (slika 4.5) podjetja HASCO, ki se ga zavijači v ploščo. Slika 4.5: Obračalni mostiček HASCO Z9661 [3] V našem primeru, pri tem načinu temperiranja jedra, je hladilna snov voda, ki teče po eni strani mostička do vrha jedra in po drugi strani dol. Ker se večino toplote izmenjave opravi na vrhu jedra, slabosti tega jedra niso pomembne pri hlajenju v tem primeru. Temperirni kanali so narejeni v dveh nivojih, da smo se izognili prostim mestom, ki bodo potrebna za stranska odmična jedra (slika 4.6). Jedro IS smo najprej naredili kot varianto A1 in je v orodju fiksno. Cevasto jedro in cevasto izmetalo pa se v orodje vstavljata skupaj ročno in se samo naslonita na izmetalni del orodja. V končni poziciji ni potrebno jeder fiksirati, ker jih material pri brizganju vedno potisne v končni položaj. Potreben izmetalni hod je 52 mm, ker pa izdelek snemamo ročno z jedri vred, je hod 50 mm, ki je na obstoječem ohišju za testna orodja zadostoval za namen preizkusa. Pri poliranju je bilo potrebno upoštevati, da se na mehkejših materialih, kot je v našem primeru aluminijeva zlitina in poboljšano orodno jeklo, ne doseže enaka kakovost površine kot na namenskem jeklu, ki je primerno za poliranje na visoki sijaj. Smo pa videli ali je dosežena kakovost poliranih površin dovolj dobra za uporabo na serijskem orodju ali je potrebna boljša. To predvsem velja za oblikovni vložek na izmetalni strani, ki je iz aluminijeve zlitine. - 30 -
Slika 4.6: Model oblikovnega dela na izmetalni strani 4.4 Testiranje in temperiranje orodja Pred prvim brizganjem je bilo potrebno orodje ogreti na cca 80 C, da se ne bi material pri prvih brizgih preveč ohladil in strdil v jedru, da ga ne bi utrgalo že pri prvem brizgu. Za cikel brizganja se šteje čas med dvema istima operacijama na stroju. Stroj beleži cikel od zaprtega in zaklenjenega orodja, do naslednjega zaklepa zaprtega orodja. V našem primeru smo za cikel vzeli čas od zaprtega zaklenjenega orodja, do ročnega jemanja izdelka z jedri iz stroja. Celoten cikel je bil zaradi ročnega snemanja izdelka iz cevastega jedra in vstavljanja le-tega nazaj v orodje daljše kot bo pri serijskem brizganju. Povprečna razlika je bila med 7 in 8 s, ker je potrebno odpreti varnostna vrata stroja, sneti izdelek iz jedra, le-tega vstaviti nazaj v - 31 -
orodje in zapreti varnostna vrata. To smo poizkusili kompenzirati z malenkost zmanjšanim pretokom vode. Pri nekje 75 sekundnem ciklu smo po dobre pol ure začeli dobivat iz orodja uporabne izdelke. Težava je pa nastopila kmalu za tem, ker očitno nismo mogli dovolj ohladiti jedra in je bilo potrebno začeti podaljševati čas hlajenja v orodju, ker so bili kosi vidno plastično deformirani. Tudi povečan pretok vode, ohlajene na 6 C, ni pomagal. Druga težava, s katero smo se srečali pri prvem preizkusu, je bila pa zapolnjevanje gravure. Zaradi samo enega dolivnega mesta in tankih sten na kosu smo težko zapolnili celotno gravuro, zato je bilo potrebno povečati brizgalni tlak ter hitrost brizganja. Ta kombinacija je, kljub dobremu odzračevanju pri nekaterih brizgih, povzročala zažiganje materiala ali pa nepopoln izdelek. Če je bil čas ročnega snemanja izdelka in vstavljanja malo daljši, se je masa na koncu brizgalne enote stroja bolj ohladila in se je že malenkost strdila, kar je še dodatno otežilo brizganje. Ker so na serijskem orodju načrtovana tri dolivna mesta, s precej boljšo razporeditvijo za ponjenje gravure in ker tri dolivna mesta omogočajo tudi večji pretok materiala, pričakujemo, da s tem na serijskem orodju ne bomo imeli težav. Po slabih dveh urah smo s prvim preizkusom končali in se odločili, da gremo v izdelavo verzije A2 (slika 4.7), da preverimo ali se bo uporaba AMPCO materiala kaj poznala pri samem ciklu in stabilnosti procesa. Za verzijo A2, namesto za verzijo A3, smo se odločili, ker smo lahko najhitreje predelali obstoječe jedro. Izdelati je bilo potrebno samo zatiče iz AMPCO materiala, pripraviti izvrtine na obstoječem jedru ter razširiti vrh hladilne izvrtine, da smo dobili večji stik vode z jedri in posledično povečan odvod toplote. Pri ponovnem preizkusu orodja s spremenjenim jedrom smo postopek temperiranja ponovili, vendar dejansko ni bilo opazne razlike v samem ciklu niti v temperaturi jedra, čeprav so bili parametri temperiranja enaki kot pri prvem preizkusu. Na spodnji sliki (slika 4.7) je jedro z vstavljenimi AMPCO vložki, je pa bilo jedro naknadno malo spremenjeno, ker smo kasneje testirali novo obliko notranjega dela izdelka. - 32 -
Slika 4.7: Jedro verzija A2 4.5 Analiza stroškov, postopka in cikla brizganja poizkusnega orodja Po končanem preizkusnem brizganju z verzijama jeder A1 in A2 smo sešteli dejanske ure, ki smo jih potrebovali za izdelavo testnega orodja z obema jedroma ter materialne stroške (preglednica 4.1). Odločili smo se za verzijo A2, namesto za verzijo A3, ker nam je pri izdelavi oblikovnega dela jedra, predvsem erodiranje in poliranje, vzelo več časa kot smo prvotno načrtovali. Zaradi globokih tankih reber in negativne oblike v luknji, ki je težko dosegljiva, smo morali bolj fino poerodirati površine, da ni bilo potrebno toliko naknadnega ročnega poliranja. Oz. z ročnim poliranjem negativne oblike pri bolj grobi strukturi niti ni bilo mogoče kakovostno spolirati. Kakovostno spolirano jedro je pa predpogoj, da lahko kos sploh prisilno snamemo iz oblikovnega trna, brez poškodb, deformacij in trganja. Zaradi tega je bilo ročnega poliranja za 4h več od načrtovanega, potopna erozija se je pa zaradi tega podaljšala za 12h. Pri predelavi verzije A1 v A2 pa večina najdražjih operacij odpade. Glede na rezultate pri brizganju na testnem orodju lahko upravičeno predvidevamo, da tudi celotni oblikovni del iz AMPCO zlitine v verziji A3, ravno tako ne bi dovolj uspešno odvajal toplote, da bi lahko skrajšali in stabilizirali proces za serijsko proizvodnjo. Dokaj stabilen - 33 -
proces smo dosegli pri cca 75 sekundah, ampak več kot 2 uri nismo testirali orodja, ker nismo mogli zagotoviti zadostnega hlajenja. Ugotovili smo, da moramo za učinkovito hlajenje jedra bistveno večjo površino nameniti izmenjavi toplote in to v neposredni bližini stika taline z jedrom, kar pa s klasičnimi izdelovalnimi postopki, s katerimi razpolagamo v podjetju, ni mogoče. Se nam je pa tudi v tem času zgodilo, da je bil med izdelki kakšen, ki je bil močno plastično deformiran. Vzrok za deformacijo je bilo ne najbolje spolirano jedro, nekaj pa razlika v ciklih. Vmesni čas med ročnim jemanjem jedra iz orodja, snemanjem kosa in vstavljanjem nazaj v orodje je variiral po nekaj sekund. Preglednica 4.1: Dejanski stroški Operacija Število ur in cena strojne ure Strošek posamezne operacije Konstrukcija, programiranje 30x30 900 Stroški materiala in normalij 450 Rezkanje 36x40 1440 Struženje 8x30 240 Brušenje 5x40 200 Erodiranje 32x40 1280 Poliranje 16x25 400 Skupaj 4910-34 -
5 IZDELAVA SERIJSKEGA ORODJA 5.1 Utemeljitev odločitve za serijsko orodje Preden gremo v izdelavo konstrukcije za orodje, moramo narediti bolj podrobno analizo tveganja, ki je neke vrste FMEA analiza, ker upošteva načela in idejo te analize. Pri tej analizi poizkušamo poiskati in oceniti vsa tveganja pri izdelavi ali obratovanju orodja, vsakemu tveganju pripišemo težo oz. verjetnost, da se bo zgodilo s številčno vrednostjo od 1 do 5 in na koncu poiščemo rešitev, da se tveganje odpravi oziroma minimalizira. Nekatera tveganja se pojavljajo na vseh orodjih in se vedno rešujejo na enak način, zato leteh ne obravnavamo posebej, ker je sprotno reševanje takšnih tveganj samo po sebi umevno. Takšno tveganje je npr.: - prelivanje izdelka, ki lahko nastane zaradi nenatančne izdelave gravurnega dela, izbira brizgalnega stroja s premajhno zapiralno silo, napačno izbrani parametri brizganja, - zaribanje drsnih delov na orodju, do katerega lahko pride zaradi neprimerne izbire materialov, toplotne obdelave, neprimernih toleranc, neprimernega vzdrževanja in mazanja, Podatki iz testnega orodja, nam omogočajo, da lahko že precej natančno ocenimo nekatera tveganja, sploh na gravurnem delu. Ostala tveganja in primerne rešitve pa ocenjujemo na podlagi preteklih izkušenj (preglednica 4.2). Se pa še vedno kdaj najde kakšno tveganje, s katerim se še nismo srečali ali pa rešitve, ki jih poznamo, ne zadostujejo. To je pač sestavni del razvoja in pridobivanja novih znanj ter izkušenj. Preglednica 5.1: Analiza tveganj Tveganje Verjetnost Rešitev Nepopoln izdelek 2 Primerno postavljena dolivna mesta z dovolj velikim presekom, primerni parametri brizganja - 35 -
Trganje dela izdelka v gravuri 3-4 Kakovostno izdelani in spolirani gravurni deli, primerno temperiranje gravurnih delov, primerni parametri brizganja Plastična deformacija izdelka 3-4 Kakovostno izdelani in spolirani gravurni deli, primerno temperiranje gravurnih delov, primerni parametri brizganja Ostajanje izdelka v orodju 1 Tristopenjsko izmetavanje, po potrebni dvo kratno izmetavanje, redna kontrola in vzdrževanje izmetalnega sistem Lom izmetal ali stranskih odmičnih jeder 1 Varovanje orodja s končnim stikalom na izmetalnem paketu Ostajanje dolivka v orodju 1-2 Izdelati dovolj zanesljiv in robusten sistem odpiranja orodja, da se bo dolivek sprostil in snel iz orodja. Redna kontrola sistema Težav, ki smo jih pri testnem orodju imeli zaradi enega dolivnega mesta in posledično težav z zažiganjem materiala, nepopolno zabrizganimi kosi, na serijskem orodju ne pričakujemo, zaradi boljše postavitve dolivnih mest in večjega skupnega preseka dolivnih mest. Trganje negativnih oblik in plastične deformacije izdelka je v največji meri odvisno od sposobnosti kontroliranega in primernega temperiranja jedra ter njegove natančne izdelave in kakovostnega poliranja. Glede na rezultate testnega orodja je edina smiselna izbira za jedro verzija A4, kjer je jedro lasersko sintrano, z izdelanimi temperirnimi kanali v neposredni bližini stika taline z jedrom. Če bi se odločili za katero koli drugo verzijo, po vsej verjetnosti ne bi dosegli niti brizgalnega cikla, pri katerem smo dodali nekaj sekund za varnost, ki smo ga upoštevali v ponudbi za ceno izdelka. Prav tako je utemeljeno pričakovati, da bi imeli pri drugih verzijah velike težave tudi med samo proizvodnjo. Tega sicer ni mogoče izključiti niti - 36 -
za trenutno izbiro, ker s takšnimi oblikovnimi deli orodja še nimamo izkušenj, je pa to trenutno vseeno najboljša možnost, ki jo imamo. Pri preizkušanju preizkusnega orodja smo videli, da bi se dal brizgalni cikel skrajšati, če bi le lahko zagotavljali konstantno temperaturo jedra skozi celotni proizvodni proces, čeprav ni mogoče zatrditi za koliko. Pričakovani brizgalni cikel pa smo ocenili na okoli 65 s. Glede na morebitne težave, ki se jim s tem izognemo in potencialno precej krajši cikel kot je realen pri ostalih verzijah, se dodatni strošek za izdelavo lasersko sintranega jedra zdi upravičen tudi vodstvu podjetja. Pri pogajanjih z dobaviteljem jeder smo se uspeli dogovoriti, da nam naredijo dva jedra za isto ceno, ker stroškovno, glede na tehnologijo izdelave, izdelava dveh jeder hkrati ni bistveno večja, kot izdelava samo enega. Dobili pa smo tudi jamstvo, da nam izdelajo nova jedra v primeru, da bi ta spuščala. Pri izmetalnem sistemu smo na preizkusnem orodju videli, da kos verjetno ne bo zanesljivo sam padel iz orodja. Mogoče je, da bi bilo potrebno naknadno snemati izdelek, bodisi z robotom ali kakšno drugačno pripravo. V vsakem primeru je smiselno že v startu izdelati na orodju tri stopenjsko izmetavanje, da bo izdelek zagotovo padel iz orodja sam. Na orodju zaradi gibljivih stranskih jeder obstaja možnost, da se le-ta pri zapiranju zaletijo v ploščata izmetala, če bi prišlo do kakšne okvare na stroju ali pa napake pri povratnem gibu izmetalnega paketa v osnovno izhodišče. Da to preprečimo, moramo vgraditi končno stikalo v osnovno pozicijo izmetalnega paketa. Obstaja tudi nevarnost, da dolivek ne pade iz orodja. Zaradi velikosti dolivka in snemalnega hoda ter velikosti izdelka, standardni vlečni in zaklepni mehanizmi ne pridejo v poštev. Sistem bomo morali zato izdelati po meri v podjetju, ki bo pa moral biti dovolj robusten in zanesljiv,da bo opravljal svojo funkcijo 5.2 Izdelava orodja Pri izdelavi konstrukcije orodja se poslužujemo principov in načel DFM-a (Design for Manufacturing) oziroma po slovensko konstruiranje za proizvodnjo. Pri tem stremimo, da - 37 -
naredimo izdelek oziroma konstrukcijo, ki bo omogočala čim bolj enostavno, hitro in poceni izdelavo orodja visoke kakovosti, ki bo zanesljivo, enostavno za uporabo in vzdrževanje med obratovanjem v pričakovani življenjski dobi. Prva stvar, ki jo naredimo, preden se lotimo izdelave konstrukcije orodja, je prilagoditev izdelka na pričakovan skrček in zahtevane tolerance pomembnih mer na izdelku. Iz preizkusnih kosov smo videli, da je bil izbran skrček materiala v vrednosti 2% zelo dober približek, sploh ker so zaradi malenkost težjih pogojev brizganja bili potrebni drugačni parametri, kot bodo na serijskem orodju. Izdelek prilagodimo na način, da vse pomembne mere premodeliramo, bodisi na zgornjo ali na spodnjo toleranco, odvisno od tega, kako bomo lažje popravljali orodje, ko bomo lovili pravo mero. Vse pomembne luknje premodeliramo na zgornjo toleranco, ker lahko preveliko luknjo na izdelku vedno prilagodimo, z zmanjšanjem premera trna, ki jo definira. Pomembne zunanje mere izdelka pa premodeliramo na spodnjo toleranco, ker zopet na orodju enostavno povečamo izvrtine ali povečamo razdalje med stenami, če je to potrebno. V nasprotnem primeru bi pa bili prisiljeni izdelovati nove dele orodja ali pa reševati težave z varjenjem in podobnimi postopki nanosa materiala. Izdelava konstrukcije oz. orodja poteka na podoben način kot izdelave poizkusnega orodja. Najprej se naredi gravurni del orodja, ki je srce vsakega orodja, potem pa se okoli gravurnega dela izdelajo še plošče in ostali potrebni sistemi. Razlika med gravurnim delom serijskega orodja in poizkusnega orodja je v uporabljenih materialih in natančnosti izdelave ter obdelavi površin. Ker smo na testnem orodju uporabili enake gabarite vložkov in potek hlajenja, kot jih bomo na serijskem, se oblikovni vložki ne bodo bistveno razlikovali. Večje jedro na dolivni strani bomo lahko obdržali, s tem da bo potrebno dodelati površine. Na testnem orodju so bile površine tehnično spolirane za serijsko orodje smo pa videli, da bo potrebno spolirati površine na visoki sijaj. Za manjše jedro pa smo se odločili, da ga izdelamo iz AMPCO materiala, zaradi boljše toplotne prevodnosti, ker samega jedra ne hladimo dodatno. Oblikovni vložek za serijsko orodje (slika 5.1) ima dodane dodatne gravurne površine, ki jih na poizkusnem orodju ni bilo. Z drugačnimi barvami površin so označene površine, ki so še posebej pomembne. - 38 -
Slika 5.1: Oblikovni vložek dolivne strani - Zapiralne površine preprečujejo prelivanje izdelka. - Centrirne površine skrbijo za pravilno medsebojno lego gravurnih delov. V ta namen se sicer lahko uporabijo tudi drugačni ali standardni centrirni elementi. Za ta način smo se odločili, ker je izdelava teh površin na gravurnih vložkih v istem vpetju kot ostala končna obdelava površin na tri osnem rezkalnem stroju in se zmanjša možnost napake, pri ponovnem vpenjanju ali izdelavi centrirnih delov na ploščah orodja. - Distančne površine so pa površine, ki skrbijo za minimalno zračnost na robovih gravure 0,01-0,02 mm, da talina lepo zapolni gravurni del in ne pride do ujetega zraka in zažiganja materiala. Primerna zračnost pa dovoljuje tudi nižje brizgalne tlake. Ne sme pa biti prevelika, da ne prihaja do prelivanja na robovih izdelka. - 39 -
Slika 5.2: Jedro dolivne strani Slika 5.3: Gravurni del dolivne strani - 40 -
Jedro dolivne strani (slika 5.2) smo uporabili isto kot na preizkusnem orodju, vendar smo za serijsko orodje dodatno naredili dolivne kanale za talino ter poglobili hladilni utor, za boljše odvajanje toplote. Gravurni del na dolivni strani (slika 5.3) je lahko ostal precej podoben gravurnemu delu na preizkusnem orodju in ni bilo potrebnih dodatnih sprememb niti pri gabaritih niti pri razporeditvi in velikosti temperirnih izvrtin. Do večjih sprememb je prišlo na pomični oziroma izmetalni strani orodja, kjer je bilo potrebno narediti še odmična stranska jedra, ki jih na poizkusnem orodju nismo delali. Smo pa lahko, podobno kot na dolivni strani, obdržali gabarite oblikovnega vložka in razporeditev ter velikost hladilnih izvrtin. Slika 5.4: Oblikovni vložek izmetalne strani Podobno kot pri oblikovnem vložku, na dolivni strani, so tudi tukaj z enakimi barvami označene pomembne površine, ki služijo enakemu namenu, kot smo opisali (slika 5.4). - 41 -
Slika 5.5: Gravurni del izmetalne strani Kot je razvidno iz slike (slika 5.5), je gravurni del izmetalne strani postal precej bolj kompleksen kot pri preizkusnem orodju. Izdelava stranskih odmičnih jeder zahteva precej dela že na samem oblikovnem vložku, saj je potrebno izdelati utore, ki vodijo in centrirajo odmično jedro ter tesnijo na vseh površinah, kjer je stik s talino. Drsni deli so, kljub kakovostni izdelavi in uporabi primernih materialov, v našem primeru je to jeklo 1.2767, zakaljeno na 54-56 HRC, zaradi potrebe po poliranju gravurnega dela na visoki sijaj in rednemu mazanju, podvrženi obrabi. Pri konstrukciji stremimo k minimalnim drsnim površinam, sploh na robovih, kjer bi obraba povzročala prelive na kosu. Drsne ploščice in vodila so narejena iz drugega materiala kot odmično jedro in sicer iz 1.2343, ki je zakaljen na 52-54 HRC, ker je lažje in ceneje izdelati novo vodilo ali drsno ploščico kot odmično jedro. Na stiku stranskega odmičnega jedra z oblikovnim vložkom pa imamo vse površine, ki bi bile drsne, izdelane pod kotom, tako da pride do stika obeh kosov tik preden je stransko jedro v končni poziciji. S tem se minimizira možnost obrabe in poškodb. Na sliki 5.5 tudi vidimo, da imamo v vodilih vzmetne vijake s kroglico, ki pri odprtem orodju skrbijo, da se odmično jedro med odpiranjem na stroju, izmetavanjem in zapiranjem stroja - 42 -
ne bi slučajno premaknilo in povzročilo lom vodilnih stebrov, ki primikajo in odmikajo odmično jedro. Varnostni vijak pa iz istega razloga ne dopušča, da bi jedro pri odpiranju slučajno zdrsnilo mimo končne pozicije, kjer ga zadrži vzmetni vijak. Ker smo se odločili za lasersko sintrano jedro, je potrebno to jedro tudi primerno vgraditi in temperirati, da ga lahko izkoristimo v popolnosti. Sam postopek laserskega sintranja nam da neporozno strukturo, ki ne prepušča vode. Sama kakovost površine pa ni najboljša, zato je potrebna naknadna obdelava, s klasičnimi postopki. Ker pa notranjih izvrtin, ki so namenjene hlajenju gravurnega dela, ni mogoče naknadno obdelati, bodo le-te ostale precej hrapave. Zaradi lukenj majhnega prereza obstaja večja možnost, da se hladilni kanali med normalnim obratovanjem zamašijo, zato je potrebno za hlajenje uporabiti filtrirano in destilirano vodo, ki hkrati tudi zmanjša hitrost korozije, ki je težavna, zaradi tankih sten med kanali in zunanjim delom gravure ter zaradi zmanjšanega odvoda toplote. Slika 5.6: Potek vode skozi oblikovno jedro Na sliki (slika 5.6) je prikazana montaža oblikovnega jedra na izmetalni strani v orodje ter sistem hlajenja, s potekom vode skozi orodje in jedro. Jedro je vstavljeno v vpenjalno ploščo na izmetalni strani in pritrjeno s pritrdilno ploščico. Izvrtine v plošči pripeljejo vodo do hladilne ploščice, v katero je vstavljena hladilna cevka, ki je na drugi strani vstavljena v oblikovno jedro. Voda priteče skozi ploščico do hladilne cevke in po hladilni cevki steče do jedra, ki ima štiri hladilne veje, ki se končajo na zunanji strani hladilne cevke. Voda potem steče med hladilno cevko in jedrom nazaj v pritrdilno ploščico in od tam v ploščo in nazaj v hladilni sistem stroja. Smer pretoka vode je zgolj simbolična, saj je popolnoma vseeno, v kateri smeri teče voda. Pri izdelavi samega jedra je pomembno, da zaradi drsenja jedra po - 43 -
cevastem jedru, oblikovno jedro in telo jedra sestavimo, preden gre jedro na okroglo brušenje, saj s tem zagotovimo, da ne bo odstopanja v geometriji in v merah, ki bi povzročile kasnejše težave pri montaži ter obrabo drsnih delov. Slika 5.7: Potek vode skozi oblikovno jedro Na sliki (slika 5.7) je prikazano kako teče voda po eni veji. Jedro ima štiri enake veje, razporejene simetrično in zamaknjene za 90. Izmetavanje izdelka bomo izvedli v treh korakih, ker smo videli, da v dveh korakih ne moremo zagotoviti snemanje orodja iz snemalne puše. S tem si pa tudi prihranimo potrebo po naknadnem reševanju te težave. Ker standardnih rešitev za večstopenjsko izmetavanje ne moremo uporabiti, moramo izdelati izmetalni sistem sami, ki bo kombinacija dvostopenjskega sistema na zaklep in pospeševanja ploščatih izmetal z vzvodom, da pridobimo dodatne 4 mm hoda, ki zagotovijo, da izdelek snamemo iz snemalnega jedra. Za dvostopenjski sistem (slika 5.8) smo modificirali obstoječi sistem iz enega starejšega orodja, ki obratuje že vrsto let, ker se je sistem pokazal kot robusten in zanesljiv. Princip delovanja je razviden iz spodnje slike. Izmetalni steber, ki je povezan z izmetalnim sistemom brizgalnega stroja, je vpet v ploščo druge stopnje izmetavanja. Vzmet potiska zaklep v izhodiščni položaj, v katerem drži prvo stopnjo sistema. Zaklep je, glede na sliko, voden horizontalno v plošči druge stopnje, vertikalno pa z vodilom zaklepa. V prvi stopnji se izdelek sname iz oblikovnega jedra in s tem sprosti negativno obliko na notranjem delu. V drugi stopnji pa izmetalna puša sprosti negativni rob na oblikovni puši. Sam sistem po korakih deluje na naslednji način: 1. V začetku izmetavanja se obe stopnji pomikata skupaj. - 44 -
2. Ko pride zaklep preko poševnine vodila zaklepa, se le-ta toliko odmakne, da sprosti plošče prve stopnje, ki ostanejo v tem položaju. 3. Pot nato nadaljuje druga stopnja izmetalnega sistema, v katero je vgrajen sistem pospeševanja ploščatega izmetača (Slika 5.9). 4. Ko izmetač na drugi strani vzvoda zadane distančno pušo, le-ta porine izmetač do iste ravnine kot jo ima plošča druge stopnje, posledično pa ta vzvod pospeši ploščati izmetač, da se sname izdelek iz snemalnega jedra. 5. Pri povratku pa vzmet in plošča prvega sistema najprej povrneta vzvod v prvotni položaj. Slika 5.8: Dvostopenjsko izmetavanje - 45 -
6. Ko je zaklep preko poševnine vodila zaklepa, pa vzmet potisne zaklep v položaj, v katerem le-ta zopet drži plošče prve stopnje 7. Ko stroj izmetalni sistem vrne v prvotni položaj, se vklopi končno stikalo, vrgajeno v vpenjalno ploščo na izmetalni strani. Ker pa ima končno stikalo vseeno nekaj tolerance, pa zagotovimo končni položaj izmetalnega sistema s povratniki, preko katerih dolivne strani orodja pri zapiranju potisne sistem do začetnega položaja. Slika 5.9: Sistem pospeševanja ploščatega izmetača oz. tretja stopnja izmetavanja Za delovanje tretje stopnje je potrebno najprej sprostiti vzvod (slika 5.10). Plošča prvega sistema v začetnem položaju namreč drži vzvod fiksno v začetni poziciji, s čimer zagotavljamo, da je ploščati izmetač s pomočjo vzmeti tudi v pravilni poziciji, da ni kasneje vtisnjen v izdelek, kar bi lahko povzročilo, da izdelek ne bi padel iz orodja, kljub trem stopnjam izmetavanja. - 46 -
Slika 5.10: Izmetalni sistem v končnem položaju Sistem orodja na tri plošče (Dreiplatten-Kaltkanalwerkzeug) (slika 5.11) omogoča direktno dolivanje na izdelek kot pri toplokanalnih sistemih s toplo šobo, s tem da je v tem primeru na dolivni strani še ena delilna ravnina, po kateri tečejo hladni kanali za doliv taline. Na ta način lahko brizgamo maso na kos na mestih, kjer brez toplokanalnega sistema tega ne bi mogli [7]. Dolivek pa pri odpiranju orodja avtomatsko odtrgamo in izmečemo iz orodja na dolivni strani. Sistem sicer ni enako ekonomičen kot toplokanalni sistem, smo se pa v našem primeru prisiljeni zateči k njemu, ker toplokanalnega sistema v tem primeru, zaradi oblike - 47 -
izdelka, ne moremo uporabiti. Dolivanje je nujno potrebno na zgornji strani izdelka, zaradi enakomernega polnjenja gravure in zmanjšanja deformacij izdelka. Slika 5.11: Sistem dolivanja na tri plošče Dolivni kanal teče med ploščama, kjer je prva stopnja odpiranja, od tam pa imamo dolivne kanale direktno na izdelek, skozi zeleno jedro na dolivni strani (slika 5.2.2). Dolivni kanal teče med ploščami in ga ni mogoče izmetavati z izmetalnim sistemom. Zato mora dolivek izmetati samo odpiranje orodja. To se v našem primeru zgodi na sledeči način (slika 5.12): 1. Ko se orodje prične odpirati, zadrževalci iz umetne mase na oblikovni plošči izmetalne strani, ki so na trdo vtisnjeni v oblikovno ploščo dolivne strani, s pomočjo tlačnih vzmeti iz elastomera odprejo orodje, na prvi stopnji odpiranja. Zadrževalno jedro, ki ima negativno obliko in je oblito z dolivkom pa zagotovi, da se dolivek odtrga iz izdelka. Tlačna vzmet nam zagotovi, da je ta ravnina prva, ki se prične odpirati, ker bi se drugače lahko zgodilo, da se začne orodje odpirati na ravnini druge stopnje odpiranja in potem ne bi mogli več utrgati dolivka, ki bi tako ostal v orodju, 2. Ko je dolivek odtrgan in sproščen iz jedra, še vedno ostaja na dolivni plošči in zadrževalcu. Prva stopnja odpiranja ima v našem primeru hod 110 mm. Ko pride v - 48 -
skrajno lego, ki jo omogoča zadrževalec le-ta začne odpirati orodje na ravnini druge stopnje odpiranja. 3. Druga stopnja odpiranja sname dolivek iz zadrževalnega jedra. Del dolivnega kanala, ki je v dolivni plošči, pa mora biti izdelan tako, da ima dovolj velike snemalne kote, da dolivek sam pade iz orodja, ko je snet iz zadrževalnega jedra. 4. Ko pride druga stopnja v skrajni položaj omejevalca in distančnih vijakov, ki so privijačeni v dolivno ploščo in imajo 10 mm prostega hoda v vpenjalni plošči, pa plastični zadrževalec, vtisnjen v oblikovno ploščo, potegnejo iz plošče in se orodje prične odpirati na ravnini tretje stopnje odpiranja, kjer je tudi izdelek. 5. Pri zapiranju se postopek ponovi, s tem da plastični zadrževalec porine oblikovno ploščo in dolivno ploščo v začetni položaj, preden se zopet na trdo vtisne v izvrtino oblikovne plošče. Pri tem sistemu odpiramo orodje s pomočjo sile trenja med plastičnimi zadrževalci in izvrtinami, na oblikovni plošči dolivne strani. Luknje na dolivni strani morajo biti spolirane, da se plastika ne obrabi prehitro. Ti zadrževalci imajo tudi posebne konične vijake, s katerimi plastično deformiramo plastični del in lahko, pri sestavi orodja, silo po potrebi povečamo, ker so ti deli kot tudi luknje izdelani v neki toleranci, bodisi zaradi obrabe med obratovanjem stroja. V vsakem primeru mora biti sila trenja med plastičnim delom in izvrtino večja kot je vsota vseh ostalih sil na dolivni strani, da se orodje ne začne odpirati na tretji stopnji odpiranja. Posebej pozorni moramo biti, da sila, s katero zadrževalec zadržuje dolivek na dolivni plošči, ni manjša, kot je potrebna sila, da se dolivek utrga in sname iz izdelka in oblikovne plošče. Pri odpiranju mora dolivek ostati na zadrževalnem jedru,v dolivni plošči. Teh sil ne računamo, ampak jih pri montaži orodja prilagodimo na plastičnem zadrževalcu po občutku, glede na pretekle izkušnje. Zadrževalni jedri, ki sta v našem primeru dve, pa po potrebi korigiramo pri prvem preizkusu orodja. Dolivek je potrebno narediti tako, da se proti dolivnemu mestu pot snemalnim kotom stopničasto zmanjšuje, da se ne bi slučajno zgodilo, da bi prišlo na mestih, kjer gre iz plošče v vložek, do zamaknitve ali različnih premerov in s tem do negativne oblike na dolivku. - 49 -
Slika 5.12: Sistem dolivanja na tri plošče v odprtem stanju 5.3 Sestava orodja Sestava orodja, ki ima veliko gibljivih delov, ki so v medsebojni korelaciji, zahteva še posebno pozornost in natačnost. Kakovostno izdelane posamezne komponente po tehnični dokumentaciji ali po modelih so predpogoj, da se s sestavo sploh lahko prične. V prejšnjem poglavju smo že pri vsakem sistemu posebej opozarjali, na kaj je potrebno biti pozoren. Dober orodjar, s potrebnimi izkušnjami, takšne stvari načeloma pozna, vendar kljub temu pozornost ni odveč. Velja pravilo, da sistemi na orodju dobro tečejo, če jih je mogoče premikati z rokami. To seveda ne velja za sisteme, ki so pod vzmetmi ali na primer zadrževalci, ki so vtisnjeni strojno in morajo zagotavljati določeno silo, da orodje obratuje - 50 -
nemoteno. V podjetju imamo za sestavo in preizkušanje funkcionalnosti orodja na razpolago tuširno prešo, ki ima zapiralno silo 50t. Ta preša nam omogoča lažje manipuliranje s samim orodjem. Orodje je na stroju centrirano, podobno kot bo na stroju, odpiranje in zapiranje je zato vedno v isti osi in s tem zagotavljamo primerno prilagajanje delov. Kljub modernim obdelovalnim strojem, ki so numerično krmiljeni, sestava orodja še vedno zahteva dosti ročnega dela, še posebej pri delih, ki medsebojno nalegajo. Kljub vsemu ima vsak stroj neko toleranco obdelave, izkušen orodjar pa točno ve, kako morajo deli med seboj nalegat, da bo orodje lepo obratovalo, ampak da zaradi tega ne po prelivov. Po izkušnjah, ki jih imamo, centrirne in zapiralne površine pri sestavi prilagodimo do te mere, da se orodje popolnoma zapre pri polni zapiralni sili tuširne preše. Če se zapre preveč rado, to po navadi pomeni, da je dovolj zračnosti, da bi orodje lahko prelivalo. Odprto sestavljeno orodje (slika 5.13). Slika 5.13: Dolivna in izmetalna polovica orodja 5.4 Poizkusno brizganje in meritev izdelka Poizkusno brizganje serijskega orodja smo pričeli s počasnimi cikli odpiranja in zapiranja orodja, da smo videli, če vsi sistemi delujejo, kot morajo in da smo nastavili prave hitrosti odpiranja, zapiranja ter izmetavanja. Pomembno pri preizkusu novega orodja je, da ne - 51 -
pričnemo s prevelikimi hitrostmi teh gibov, ker lahko hitro pride do poškodb na gibljivih elementih. Odpiranje orodja je najbolj občutljivo na samem začetku, ker s to hitrostjo vplivamo na trganje dolivka in posledično izgled dolivnega mesta na izdelku. To se nastavlja kasneje, ko je kos že nabrizgan. Sama hitrost odpiranja naprej je pogojena z zadrževalci. Tu je potrebno poiskati maksimalno hitrost odpiranja, ki jo zadrževalci dolgoročno dopuščajo, da ne pride do loma. Ko pri tretji fazi sprostimo plastične zadrževalce, lahko do konca odpiralnega hoda odpiramo z maksimalno hitrostjo, ki jo stroj omogoča. Pri izmetavanju moramo paziti, da hitrost izmetavanja dopušča normalno obratovanje obeh sistemov, ter da zaradi prevelike hitrosti ne pride do plastične deformacije dela, kjer je negativna oblika ali celo do trganja le-te. Utrgan del v jedru povzroči zastoj stroja, povprečno za pol ure, tvegamo pa tudi, da pri čiščenju mase iz jedra poškodujemo polirano površino, kar bi pa pomenilo večurni zastoj. Hitrost povratnega zapiralnega hoda je omejena s povrnitvijo tretje izmetalne faze v prvotni položaj, ki pa ni kritična, ker v točki, ko plošča prvega sistema potisne vzvod v osnovni položaj, ni možnosti poškodbe izmetačev. Ploščati izmetač, ki bi bil potencialno nevaren, s tem gibom samo sprostimo, da ga lahko vzmet potisne do vzvoda. V primeru, da ga pa ne, pa to naredi talina pri brizganju. Zapiralna hitrost orodja ni problematična do zadnjih 15 mm hoda, ko se prične plastični zadrževalec vtiskovati v oblikovno ploščo dolivne strani. Tukaj mora biti hitrost nižja, da ne pride do pretirane obrabe plastičnega dela ali loma. Pred prvim brizganjem smo orodje zopet ogreli na 80 C, da ne bi že pri prvem brizgu prišlo do trganja izdelka v gravuri. Parametre brizganja smo vzeli iste kot pri poizkusnem brizganju, s to razliko, da smo fazo hlajenja skrajšali za 6 s, ker je gravurni del, kljub predogretemu orodju hladnejši, kot je bil na preizkusnem orodju in je bolje, da se kos plastično deformira, kot pa da ga utrga v jedru. Ko smo pričeli z brizganjem, so bili kosi že pri prvih brizgi skoraj dobri. Čisto prvi kosi so bili malenkost nezapolnjeni, ker jih, ravno tako zaradi možnosti trganja, nismo preveč zapolnili. To pomeni, da smo vbrizgali volumsko manj taline, predvsem na račun dolivka, pri malenkost nižjem tlaku in nižjem nadtlaku. Po slabi uri brizganja, ko smo računali, da se je temperatura - 52 -
orodja ustalila, smo pričeli brizgati manjše serije kosov, pri različnih nastavitvah stroja, da smo dobili vzorce za meritve. Vzorci se morajo meriti 24 ur kasneje, zato smo z meritvami ob stroju preverjali samo kritične mere in izločili nastavitve, kjer so bile mere pod spodnjo toleranco, ker se z nadaljnjim krčenjem le-te še samo zmanjšujejo. Novi oblikovni trn nam je omogočal cikle celo do 53 s, kar je bilo, glede na naša pričakovanja, prijetno presenečenje. Če smo cikel skrajšali še za dodatno sekundo, so se pa že začeli pojavljati kosi z vidno plastično deformacijo na notranjem jedru izdelka. Za meritve smo nabrizgali po 20 kosov (slika 5.14) pri vsaki nastavitvi stroja in sicer pri ciklih od 53 s do 63 s, z razmakom 2 s med posameznimi cikli. Slika 5.14: Vzorci prvega preizkusa serijskega orodja Z naročnikom smo se dogovorili glede mer, ki so mu kritične in jih bomo morali spremljati. Bolj mu je namreč pomembna funkcionalnost kosa kot vztrajanje pri merah, zapisanih na tehnični dokumentaciji. Mere, ki ne bodo vplivale na funkcionalnost kosa, bodo naknadno popravili na tehnični dokumentaciji. - 53 -
Za potrebe diplomskega dela bomo pogledali samo dve meri, ki sta kritični in ki na nek način definirata brizgalni cikel (slika 5.15). Prva mera»a«(ø41,49-0,25) je zunanji premer izdelka na vertikalnih rebrih, s katerimi dobijo potreben ujem in vodenje v sestavu, ker mora bit ostala stena pod kotom, da lahko orodje sploh snamemo iz zgravure. Druga mera»b«(53,0) je skupna razdalja od ravnine, na katero brizgamo, do sredinskega jedra z negativno obliko. Pomembna jim je sicer mera»c«(31,00-0,25), ki je definirana z negativno obliko na notranji strani izdelka, vendar jo je na kosu med proizvodnjo nemogoče kontrolirati. Korelacija med merama B in C pa daje dovolj natančni podatek, da je merjenje mere B dovolj, zato povzamemo toleranco mere C in tako B znaša (53,00-0,25) Slika 5.15: Kontrolne mere na izdelku V preglednici (preglednica 5.1) so z rdečo označene vse mere, ki so izven toleranc. Rezultati meritev nam kažejo, da mera A ni v tolikšni meri odvisna od brizgalnega cikla kot mera B. Pri krajših ciklih se material verjetno plastično deformira, ker še ni dovolj ohlajen, imamo pa podobno sliko pri naraščajočem ciklu, kar verjetno pomeni, da je material sicer že dovolj ohlajen, je pa sila, ki je potrebna, da sname kos iz negativne oblike, prevelika in se zaradi tega kos plastično deformira. Pri nespremenjenih ostalih parametrih bi kos, pri daljših ciklih, začelo prej kot slej trgati. - 54 -