Bearbeitungserfolg erfordert ein produktives Gleichgewicht

Einführung

Bei der Herstellung einer breiten Palette von Teilen aus sehr unterschiedlichen Werkstückmaterialien verwenden Hersteller eine Vielzahl von Bearbeitungsverfahren. Unabhängig davon ist das gemeinsame Ziel aller Hersteller, eine bestimmte Anzahl von Werkstücken in einer gewünschten Qualität, in einer bestimmten Zeit und zu angemessenen Kosten herzustellen.

Viele Hersteller erreichen dieses Ziel, indem sie einem Modell mit enger Perspektive folgen, das mit der Werkzeugauswahl und -anwendung beginnt und Probleme auf einer reaktiven Basis löst. Eine Umkehrung dieses Ansatzes kann jedoch Kosten senken und die Effizienz steigern. Anstatt auf auftretende Probleme zu warten und dann Anpassungen an einzelnen Bearbeitungsvorgängen vorzunehmen, sollten sich Hersteller zunächst auf eine proaktive Vorplanung konzentrieren, die darauf abzielt, Ausschussteile und ungeplante Ausfallzeiten zu eliminieren. Nachdem ein stabiler und zuverlässiger Prozess etabliert wurde, kann die Anwendung der Konzepte der Produktionsökonomie den Herstellern helfen, ein Gleichgewicht zwischen Produktionsrate und Herstellungskosten zu finden. Auf der Grundlage eines sicheren, wirtschaftlich starken Betriebs können Hersteller dann Werkzeuge und Schnittbedingungen auswählen, die den Bearbeitungsprozess vollständig optimieren.

Produktionsökonomie

Bevor Sie Maßnahmen zur Optimierung der Metallzerspanung ergreifen, ist es wichtig, dass die Prozesse sicher und zuverlässig sind, abzüglich defekter Teile oder ungeplanter Ausfallzeiten. Um Prozesssicherheit zu erreichen, muss eine stabile Produktionsumgebung geschaffen werden. Zu den Bereichen, die Hersteller analysieren müssen, gehören Werkzeugmaschinenwartung, CAM-Programmierung, Werkzeughaltesysteme und Kühlmittelanwendung. Automatisierung der Arbeitsabwicklung wie Paletten- oder Roboter-Teillade-/-entladesysteme könnten ebenfalls Teil der Bewertung sein.

Die Kunst und Wissenschaft der Produktionsökonomie konzentriert sich darauf, maximale Sicherheit und Vorhersagbarkeit des Herstellungsprozesses zu gewährleisten und gleichzeitig höchste Produktivität und niedrigste Produktionskosten aufrechtzuerhalten. Wenn der Metallzerspanungsprozess und die Umgebung sicher und vorhersehbar sind, wird die Produktionsökonomie zu einem zweidimensionalen Streben:das Finden eines Gleichgewichts zwischen Produktionsleistung und Herstellungskosten, das für die spezifische Situation eines Herstellers angemessen ist. Beispielsweise kann bei der Massenproduktion einfacher Teile die Maximierung des Outputs bei minimalen Kosten die Hauptüberlegung sein. Andererseits muss bei der Fertigung von wertvollen komplexen Teilen mit hohem Produktmix und geringen Stückzahlen der Schwerpunkt auf absoluter Zuverlässigkeit und Genauigkeit liegen, bevor die Herstellungskosten berücksichtigt werden.

Mikro versus Makro

Der traditionelle Ansatz zur Maximierung der Zerspanungsleistung beinhaltet ein Mikromodell mit enger Perspektive, das auf der Optimierung einzelner Werkzeuge in einzelnen Arbeitsgängen basiert. Makromodelle hingegen betrachten Fertigungsprozesse aus einer breiteren Perspektive. Diese Modelle konzentrieren sich auf die gesamte Boden-zu-Boden-Zeit, die zur Herstellung eines bestimmten Werkstücks erforderlich ist.

Die Beziehung zwischen den mikro- und makroökonomischen Modellen kann mit der Perspektive eines Künstlers bei der Erstellung eines Gemäldes verglichen werden. Das Mikromodell konzentriert sich auf einzelne Details, so wie sich ein Künstler auf einzelne Pinselstriche konzentrieren würde. Das Makromodell tritt zurück und betrachtet den Teilproduktionsprozess als Ganzes, wie bei der Betrachtung eines Gemäldes in seiner Gesamtheit. Es ist klar, dass auf Details geachtet werden muss, aber nicht um den Preis, den Gesamtzweck der Bemühungen zu ignorieren.

Versteckte Kosten

Übertriebene Fixierung auf Details kann die Aufmerksamkeit vom Endergebnis des Prozesses ablenken. Beispielsweise ist es ein Nachteil, die Schneidzeit um zehn Sekunden zu verkürzen, wenn dies mit einem zusätzlichen Werkzeug erreicht wird, das zehn Minuten an Einrichtungs- und Indexierzeit hinzufügt. In ähnlicher Weise erhöht das Streben nach einer Produktqualität, die über die Kundenanforderungen hinausgeht, die Kosten und die Produktionszeit. Fast ernsthaft könnte man fragen:„Wie lange würde es dauern und wie viel würde es kosten, ein möglichst schlechtes Werkstück herzustellen, das noch funktionell akzeptabel ist?“

Betriebskosten

Auch Modelle für Bearbeitungskosten können Mikro- und Makroperspektiven darstellen. Mikromodelle betrachten Schneideprozesse aus einem engen Blickwinkel und verknüpfen Schneidebedingungen direkt mit Kostensenkungen. Makroökonomische Modelle arbeiten aus einer breiteren Perspektive und betonen die Gesamtzeit, die zur Herstellung eines bestimmten Werkstücks erforderlich ist.

Hersteller messen die Produktionsrate auf verschiedene Weise, von Werkstücken, die über einen bestimmten Zeitraum fertiggestellt wurden, bis hin zur Gesamtzeit, die für die Fertigstellung eines Vorgangs erforderlich ist. Viele Faktoren beeinflussen die Produktionsrate, einschließlich Anforderungen an die Werkstückgeometrie und Materialeigenschaften, Produktfluss in einer Anlage, Personaleinsatz, Wartung, Peripheriegeräte sowie Umwelt-, Recycling- und Sicherheitsaspekte.

Einige Elemente der Herstellungskosten sind fix. Die Komplexität und das Material des Werkstücks bestimmen im Allgemeinen die Art und Anzahl der Bearbeitungsvorgänge, die zur Herstellung eines Teils erforderlich sind. Die Kosten für die Anschaffung und Wartung der Werkzeugmaschinen einer Einrichtung und der Energie für deren Betrieb sind im Grunde Fixkosten. Die Arbeitskosten sind etwas flexibler, aber zumindest kurzfristig effektiv fixiert. Diese Kosten müssen durch Einnahmen aus dem Verkauf von bearbeiteten Komponenten ausgeglichen werden. Die Steigerung der Produktionsrate – die Geschwindigkeit, mit der Werkstücke in fertige Produkte umgewandelt werden – kann die Fixkosten ausgleichen.

Individuelle Optimierung

Nachdem das Gesamtbild der Produktivität und Kosteneffizienz eines Prozesses ausgewogen und auf Makrobasis optimiert wurde, können Hersteller durch sorgfältige Optimierung einzelner Vorgänge weitere Verbesserungen erzielen. Die Schnittbedingungen – nämlich Schnitttiefe, Vorschubgeschwindigkeit und Schnittgeschwindigkeiten – spielen eine Schlüsselrolle beim Ausgleich von Produktivität und Kosten. Jede oder alle der drei können zur Reduzierung der Bearbeitungszeit beitragen, aber die Auswirkung jeder einzelnen auf die Zuverlässigkeit des Prozesses ist sehr unterschiedlich. Die Schnitttiefe hat im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Standzeit. Die Vorschubgeschwindigkeit wirkt sich geringfügig auf die Standzeit aus. Der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit auf die Standzeit sowie auf die Zuverlässigkeit des Schneidprozesses ist jedoch erheblich.

Viele Werkstattleiter glauben, dass eine einfache Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit mehr Teile pro Zeiteinheit produzieren und dadurch die Herstellungskosten senken wird. Normalerweise stimmt das, aber Kompromisse sind damit verbunden. Im Allgemeinen gilt:Je schneller eine Operation läuft, desto instabiler wird sie. Hohe Drehzahlen erzeugen mehr Wärme, die sich auf Werkzeug und Werkstück auswirkt. Werkzeugverschleiß tritt schneller auf und ist weniger vorhersehbar, und Werkzeugverschleiß oder Vibrationen können dazu führen, dass die Abmessungen der Teile variieren und die Oberflächengüte abnimmt.

Ein Werkzeug kann brechen und das Werkstück beschädigen. Darüber hinaus kann ein Prozess, der an den äußeren Grenzen der Zuverlässigkeit betrieben wird, normalerweise nicht unbeaufsichtigt oder teilweise beaufsichtigt ausgeführt werden, wodurch eine potenzielle Quelle für Arbeitseinsparungen eliminiert wird. Extrem hohe Schnittgeschwindigkeiten und aggressive Bearbeitungsparameter können die Wartungskosten der Maschine und sogar Ausfallzeiten aufgrund von Maschinenausfällen erhöhen.

Diese Probleme erkannte der amerikanische Maschinenbauingenieur F.W. Taylor Anfang des 20. ^. Jahrhunderts ein Modell zur Bestimmung der Werkzeugstandzeit entwickelt. Das Modell zeigt, dass es für eine gegebene Kombination aus Schnitttiefe und Vorschub ein bestimmtes Fenster für Schnittgeschwindigkeiten gibt, in dem die Werkzeugverschlechterung sicher, vorhersehbar und kontrollierbar ist. Taylors Modell ermöglicht es, die Beziehung zwischen Schnittgeschwindigkeit, Werkzeugverschleiß und Standzeit zu quantifizieren, Kosteneffizienz und Produktivität in Einklang zu bringen und ein klares Bild der optimalen Schnittgeschwindigkeit für eine Operation zu liefern.

Im Allgemeinen sollten Hersteller für jede Operation die größtmöglichen Schnitttiefen und höchstmöglichen Vorschübe wählen, abhängig von der Stabilität der Werkzeugspannung, der Werkstückbefestigung und der Werkzeugmaschine sowie der Leistung der Werkzeugmaschine. Auch die Betriebssicherheit in Bezug auf Spanbildung und -abfuhr, Vibrationen und Werkstückverformung muss berücksichtigt werden. Ein ausgewogener Ansatz beinhaltet reduzierte Schnittgeschwindigkeiten, die mit proportionalen Erhöhungen der Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe abgestimmt sind. Die Nutzung der größtmöglichen Schnittiefe reduziert die Anzahl der erforderlichen Schnittdurchgänge und reduziert dadurch die Bearbeitungszeit. Die Vorschubgeschwindigkeit sollte ebenfalls maximiert werden, obwohl die Werkstückqualität und die Anforderungen an die Oberflächengüte durch zu hohe Vorschubgeschwindigkeiten beeinträchtigt werden können. In den meisten Fällen führt eine Erhöhung des Vorschubs und der Schnitttiefe bei gleichbleibender oder verringerter Schnittgeschwindigkeit zu einer Zerspanungsrate, die derjenigen entspricht, die durch höhere Schnittgeschwindigkeiten allein erreicht wird.

Die Fertigungskosten sind die Summe aus Werkzeugkosten und Maschinenkosten. Mit steigenden Schnittgeschwindigkeiten werden die Bearbeitungszeiten kürzer und die Maschinenkosten sinken. Ab einem bestimmten Punkt steigen jedoch die Gesamtkosten, da kürzere Werkzeugstandzeiten die Werkzeugkosten und Werkzeugwechselzeiten so stark erhöhen, dass die Einsparungen bei den Maschinenkosten übertroffen werden.

Wenn eine stabile und zuverlässige Kombination aus Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe erreicht ist, können die Schnittgeschwindigkeiten zur endgültigen Kalibrierung des Vorgangs verwendet werden. Das Ziel ist eine höhere Schnittgeschwindigkeit, die die Maschinenzeitkosten reduziert, aber die Schneidwerkzeugkosten nicht durch beschleunigten Werkzeugverschleiß übermäßig erhöht.

Nicht schneidende Probleme

Umwelt- und Sicherheitsaspekte stellen zunehmend wichtige Faktoren in der Produktionsökonomie dar. Hersteller stehen unter dem Druck, Energie zu sparen. Die Verwendung und Entsorgung von Kühlmitteln und Schneidölen wird zunehmend reglementiert und teuer. Eine ausgewogene Herangehensweise an die Schnittbedingungen kann den Herstellern helfen, mit diesen und ähnlichen Bedenken umzugehen. Niedrigere Schnittgeschwindigkeiten in Kombination mit erhöhtem Vorschub und kleineren Schnitttiefen reduzieren die zum Entfernen von Metall erforderliche Energiemenge. Ausgewogene Bedingungen erhöhen auch die Standzeit des Werkzeugs, reduzieren den Werkzeugverbrauch und die Entsorgungsprobleme. Ein geringerer Energieverbrauch führt zu einer geringeren Wärmeerzeugung und bietet Möglichkeiten für eine Bearbeitung mit minimaler oder ohne Kühlmittelzufuhr.

Fazit

Die Übernahme von produktionswirtschaftlichen Konzepten erfordert eine Gesamtanalyse der Bearbeitungsumgebung und die Akzeptanz von Denkweisen, die vielen etablierten Praktiken der Metallzerspanung zuwiderlaufen. Aber die Umsetzung der empfohlenen Strategien kann Kosteneinsparungen und Werkstückqualität verbessern und eine umweltfreundlichere Produktion ermöglichen, während gleichzeitig Produktivität und Rentabilität in einem stabilen und zuverlässigen Fertigungsprozess insgesamt aufrechterhalten werden.

Einrichtungsweite Perspektive

Die Vorteile der Betrachtung von Bearbeitungsprozessen aus einer Makroperspektive gehen über einzelne Metallzerspanungsoperationen hinaus. Eine umfassende Betrachtung betrachtet das Zusammenspiel aller Schritte in der Produktion. Ein vereinfachtes Beispiel sind zwei Werkzeugmaschinen, die in Serie zur Herstellung eines Bauteils eingesetzt werden. Wenn Werkzeugmaschine A optimiert wird, um ihre Leistung zu steigern, aber die Ergebnisse von Maschine B nicht verbessert werden können, werden Teile von der ersten Maschine als halbfertiger Bestand auf die zweite warten, was die Kosten erhöht. In diesem Fall würde eine einfache Optimierung der Schnittkosten (anstelle des Outputs) auf der ersten Maschine die Bearbeitungskosten insgesamt senken, während der Output erhalten bleibt.

Andererseits wird in einer Situation, in der Maschine B stillsteht und darauf wartet, Teile von Maschine A zu verarbeiten, die Erhöhung des Ausstoßes der ersten Maschine den Gesamtausstoß erhöhen. Viel hängt davon ab, ob der Produktionsfluss des Shops in einer Linien-, Chargen- oder Parallelsequenz organisiert ist.

Die Anschaffungskosten für Werkzeugmaschinen können auch relativ zum Geschäft eines Herstellers insgesamt bewertet werden. Eine typische Situation besteht darin, dass eine Werkstatt eine voll ausgelastete Fräsmaschine 40 Stunden pro Woche betreibt und beschließt, sie durch eine teurere, anspruchsvollere Maschine mit höherer Geschwindigkeit zu ersetzen. Wenn die neue Maschine jedoch betriebsbereit ist, verbringt sie die Hälfte der Zeit im Leerlauf.

Die Werkstatt steht vor der Herausforderung und den Kosten, mehr Arbeit zu finden, um die neue Maschine zu beschäftigen und die Investition darin zu rechtfertigen. Darüber hinaus passt eine Arbeit, die die Fähigkeiten der neuen Maschine voll ausschöpft, möglicherweise nicht gut zu den übrigen Betrieben oder Märkten der Werkstatt. Der bessere Weg wäre gewesen, zuerst den Blick über den Tellerrand zu werfen und zu antizipieren, was sich aus der höheren Leistung der neuen Maschine ergeben würde. Eine kostengünstigere, weniger fortschrittliche Maschine passt möglicherweise besser zu den aktuellen und erwarteten Teileanforderungen und Produktionsvolumina. In Kombination mit der älteren Maschine könnte eine sorgfältig ausgewählte Werkzeugmaschine auch eine erweiterte Flexibilität und Redundanz bieten, um geplante oder ungeplante Maschinenstillstände zu bewältigen.

Eine umfassende Betrachtung der Prozessoptimierung kann auch sehr grundlegende, einfache Maßnahmen und Analysen umfassen. Die Untersuchung gebrauchter Werkzeuge bietet einen umfassenden Überblick über das, was in einer Werkstatt vor sich geht. Wenn beispielsweise ein Betrieb im Allgemeinen Wendeschneidplatten mit 12 mm langen Schneidkanten verwendet, die Verschleißmuster an den Werkzeugen jedoch nur 2 mm oder 2½ mm erreichen, verwendet der Betrieb wahrscheinlich viel zu große Wendeschneidplatten für seine Aufgaben. Werkzeuge mit 6-mm-Schneiden wären mehr als ausreichend, und ein Werkzeug mit 6-mm-Schneidenlänge ist deutlich günstiger als ein Werkzeug mit 12-mm-Schneiden. Eine solch einfache Beobachtung kann die Werkzeugkosten um 50 Prozent senken, ohne die Produktivität zu beeinträchtigen.

Zuvor auf SecoTools.com vorgestellt.