Bearbeitungsexzellenz erreichen: Produktivität, Qualität und Kosten in Balance bringen

Einführung

Bei der Herstellung einer breiten Palette von Teilen aus weit unterschiedlichen Werkstückmaterialien nutzen Hersteller eine Vielzahl von Bearbeitungsprozessen. Unabhängig davon ist das gemeinsame Ziel aller Hersteller, eine bestimmte Anzahl von Werkstücken einer gewünschten Qualität in einer festgelegten Zeit und zu angemessenen Kosten zu erstellen.

Viele Hersteller erreichen dieses Ziel, indem sie einem engen Perspektivmodell folgen, das mit Werkzeugauswahl und -anwendung beginnt und Probleme auf reaktiver Basis löst. Diesen Ansatz umzukehren, kann jedoch Kosten senken und Effizienz steigern. Statt auf Probleme zu warten und dann Anpassungen an einzelnen Bearbeitungsoperationen vorzunehmen, sollten Hersteller sich zuerst auf proaktive Vorplanung konzentrieren, die darauf abzielt, Ausschussteile und ungeplante Stillstandszeiten zu eliminieren. Nachdem ein stabiler und zuverlässiger Prozess etabliert wurde, kann die Anwendung der Konzepte der Produktionsökonomie Herstellern helfen, ein Gleichgewicht zwischen Produktionsrate und Fertigungskosten zu finden. Dann, auf dem Fundament sicherer, wirtschaftlich starker Operationen aufbauend, können Hersteller Werkzeuge und Schneidbedingungen wählen, die den Bearbeitungsprozess vollständig optimieren.

Produktionsökonomie

Bevor Schritte zur Optimierung der Metallzerspanung unternommen werden, ist es essenziell, dass die Prozesse sicher und zuverlässig sind, ohne fehlerhafte Teile oder ungeplante Ausfallzeiten. Die Erreichung von Prozesssicherheit erfordert die Schaffung einer stabilen Produktionsumgebung. Die Bereiche, die Hersteller analysieren müssen, umfassen Werkzeugmaschinenwartung, CAM-Programmierung, Werkzeugspannsysteme und Kühlmittelanwendung. Automatisierung der Werkstückhandhabung wie Paletten- oder Roboter-Be-/Entladesysteme könnten Teil der Bewertung sein.

Die Kunst und Wissenschaft der Produktionsökonomie konzentriert sich darauf, maximale Sicherheit und Vorhersagbarkeit im Fertigungsprozess zu gewährleisten, während höchste Produktivität und niedrigste Produktionskosten beibehalten werden. Wenn der Metallschneidprozess und die Umgebung sicher und vorhersehbar sind, wird die Produktionsökonomie zu einer zweidimensionalen Aufgabe: ein Gleichgewicht zwischen Produktionsoutput und Fertigungskosten zu finden, das für die spezifische Situation eines Herstellers angemessen ist. Beispielsweise bei der Massenfertigung einfacher Teile kann die Maximierung des Outputs bei minimalen Kosten die primäre Überlegung sein. Andererseits bei High-Mix-Low-Volume-Fertigung wertvoller komplexer Teile muss der Schwerpunkt auf totaler Zuverlässigkeit und Genauigkeit liegen, bevor Fertigungskosten adressiert werden.

Mikro versus Makro

Der traditionelle Ansatz zur Maximierung der Metallzerspanungsleistung beinhaltet ein enges Perspektiv-Mikro-Modell, basierend auf der Optimierung einzelner Werkzeuge in einzelnen Operationen. Makro-Modelle hingegen betrachten Fertigungsprozesse aus einer breiteren Perspektive. Diese Modelle konzentrieren sich auf die gesamte Floor-to-Floor-Zeit, die erforderlich ist, um ein gegebenes Werkstück herzustellen.

Das Verhältnis zwischen Mikro- und Makro-Ökonomiemodellen kann mit der Perspektive eines Künstlers beim Erstellen eines Gemäldes verglichen werden. Das Mikro-Modell konzentriert sich auf einzelne Details, genauso wie ein Künstler sich auf einzelne Pinselstriche konzentrieren würde. Das Makro-Modell tritt zurück und betrachtet den Teilefertigungsprozess insgesamt, wie das Betrachten eines Gemäldes in seiner Gesamtheit. Es ist klar, dass Aufmerksamkeit für Details notwendig ist, aber nicht auf Kosten der Ignorierung des Gesamtzwecks der Anstrengung.

Versteckte Kosten

Übertriebene Fixierung auf Details kann die Aufmerksamkeit vom Endergebnis des Prozesses ablenken. Zum Beispiel ist es nachteilig, die Schnittzeit um zehn Sekunden zu reduzieren, wenn dies mit einem zusätzlichen Werkzeug erreicht wird, das zehn Minuten in Rüst- und Indexierzeit hinzufügt. Ebenso wird das Erreichen von Produktqualität über Kundenanforderungen hinaus Kosten und Produktionszeit erhöhen. Fast ernsthaft könnte man fragen: „Wie lange würde es dauern und wie viel würde es kosten, das schlechteste mögliche Werkstück herzustellen, das noch funktional akzeptabel ist?“

Betriebskosten

Modelle für Bearbeitungskosten können auch Mikro- und Makro-Perspektiven darstellen. Mikro-Modelle betrachten Schneidprozesse aus einer engen Sichtweise, indem sie Schneidbedingungen direkt mit Schneidkosten verknüpfen. Makro-Ökonomische Modelle arbeiten aus einer breiteren Perspektive und betonen die Gesamtzeit, die erforderlich ist, um ein gegebenes Werkstück herzustellen.

Hersteller messen Produktionsrate auf verschiedene Weisen, von fertiggestellten Werkstücken über einen Zeitraum bis zur Gesamtlänge der Zeit, die erforderlich ist, um eine Operation abzuschließen. Viele Faktoren beeinflussen die Produktionsrate, einschließlich Werkstückgeometrieanforderungen und Materialcharakteristiken, Produktfluss durch eine Anlage, Personaleinsatz, Wartung, Peripheriegeräte und Umwelt-, Recycling- und Sicherheitsfragen.

Einige Elemente der Fertigungskosten sind fix. Werkstückkomplexität und Material diktieren im Allgemeinen die Art und Anzahl der erforderlichen Bearbeitungsoperationen, um ein Teil herzustellen. Die Kosten für die Anschaffung und Instandhaltung der Werkzeugmaschinen einer Anlage und die Energie für ihren Betrieb sind im Wesentlichen Fixkosten. Personalkosten sind etwas flexibler, aber für mindestens den kurzfristigen Zeitraum effektiv fix. Diese Kosten müssen durch Einnahmen aus dem Verkauf bearbeiteter Komponenten ausgeglichen werden. Die Erhöhung der Produktionsrate – die Geschwindigkeit, mit der Werkstücke in fertige Produkte umgewandelt werden – kann Fixkosten ausgleichen.

Individuelle Optimierung

Nachdem das Gesamtbild der Produktivität und Kosteneffizienz eines Prozesses auf Makro-Basis ausbalanciert und optimiert wurde, können Hersteller weitere Verbesserungen durch sorgfältige Optimierung einzelner Operationen erzielen. Schneidbedingungen – nämlich Schnitttiefe, Vorschub und Schnittgeschwindigkeiten – spielen eine Schlüsselrolle bei der Balance von Produktivität und Kosten. Jeder oder alle drei können zu Reduktionen der Bearbeitungszeit beitragen, aber der Einfluss jedes einzelnen auf die Zuverlässigkeit des Prozesses variiert stark. Schnitttiefe hat im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Standzeit. Vorschub beeinflusst die Standzeit leicht. Der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit auf die Standzeit sowie auf die Zuverlässigkeit des Schneidprozesses ist jedoch signifikant.

Viele Werkstattleiter glauben, dass eine einfache Erhöhung der Schnittgeschwindigkeiten mehr Teile pro Zeiteinheit produziert und damit Fertigungskosten reduziert. Normalerweise ist das wahr, aber Trade-offs sind involviert. Im Allgemeinen wird ein Betrieb umso instabiler, je schneller er läuft. Hohe Geschwindigkeiten erzeugen mehr Hitze, die sowohl Werkzeug als auch Werkstück beeinflusst. Werkzeugverschleiß tritt schneller und weniger vorhersehbar auf, und Werkzeugverschleiß oder Vibrationen können dazu führen, dass Teilemaße variieren und die Oberflächengüte abnimmt.

Ein Werkzeug kann brechen und das Werkstück beschädigen. Zudem ist ein Prozess, der an den äußeren Grenzen der Zuverlässigkeit operiert, typischerweise nicht in der Lage, unbeaufsichtigt oder halb unbeaufsichtigt zu laufen, was eine potenzielle Quelle von Personaleinsparungen eliminiert. Extrem hohe Schnittgeschwindigkeiten und aggressive Bearbeitungsparameter können Maschinenwartungskosten und sogar Stillstandszeiten durch Maschinenausfälle erhöhen.

Diese Probleme erkennend, entwickelte der amerikanische Maschinenbauingenieur F.W. Taylor zu Beginn des 20. Jahrhunderts ein Modell zur Bestimmung der Werkzeugstandzeit. Das Modell zeigt, dass für eine gegebene Kombination aus Schnitttiefe und Vorschub ein bestimmtes Fenster für Schnittgeschwindigkeiten existiert, in dem Werkzeugverschleiß sicher, vorhersehbar und kontrollierbar ist. Taylors Modell ermöglicht es, die Beziehung zwischen Schnittgeschwindigkeit, Werkzeugverschleiß und Werkzeugstandzeit zu quantifizieren, Kosteneffizienz und Produktivität auszugleichen und ein klares Bild der optimalen Schnittgeschwindigkeit für eine Operation zu liefern.

Im Allgemeinen sollten Hersteller die größtmöglichen Schnitttiefen und höchsten Vorschübe für jede Operation wählen, vorbehaltlich der Stabilität der Werkzeugspannung, Werkstückspannung und Werkzeugmaschine sowie der Maschinenleistung. Betriebssicherheit in Bezug auf Spanbildung und -abfuhr, Vibrationen und Werkstückverformung muss ebenfalls berücksichtigt werden. Ein ausgewogener Ansatz beinhaltet reduzierte Schnittgeschwindigkeiten, kombiniert mit proportionalen Erhöhungen von Vorschub und Schnitttiefe. Die Nutzung der größtmöglichen Schnitttiefe reduziert die Anzahl der erforderlichen Schneidgänge und damit die Bearbeitungszeit. Der Vorschub sollte ebenfalls maximiert werden, obwohl Werkstückqualität und Oberflächenanforderungen durch übermäßige Vorschübe beeinflusst werden können. In den meisten Fällen erzeugen Erhöhungen von Vorschub und Schnitttiefe bei Beibehaltung oder Senkung der Schnittgeschwindigkeiten Spanabtragsraten, die denen höherer Schnittgeschwindigkeiten allein entsprechen.

Produktionskosten sind die Summe aus Werkzeugkosten und Maschinenkosten. Mit steigenden Schnittgeschwindigkeiten werden Bearbeitungszeiten kürzer und Maschinenkosten sinken. Ab einem bestimmten Punkt steigen jedoch die Gesamtkosten, da kürzere Standzeiten die Werkzeugkosten und Werkzeugwechselzeiten so weit erhöhen, dass sie die Einsparungen bei den Maschinenkosten übersteigen.

Wenn eine stabile und zuverlässige Kombination aus Vorschub und Schnitttiefe erreicht wurde, können Schnittgeschwindigkeiten für die finale Kalibrierung der Operation genutzt werden. Das Ziel ist eine höhere Schnittgeschwindigkeit, die Maschinenzeitkosten reduziert, aber die Werkzeugkosten nicht übermäßig durch beschleunigten Werkzeugverschleiß erhöht.

Nicht-schneidende Aspekte

Umwelt- und Sicherheitsfragen stellen zunehmend wichtige Faktoren in der Produktionsökonomie dar. Hersteller stehen unter Druck, Energie zu sparen. Verwendung und Entsorgung von Kühlmitteln und Schneidölen wird zunehmend reguliert und teuer. Ein ausgewogener Ansatz zu Schneidbedingungen kann Herstellern helfen, mit diesen und ähnlichen Bedenken umzugehen. Niedrigere Schnittgeschwindigkeiten kombiniert mit erhöhtem Vorschub und kleineren Schnitttiefen reduzieren die Energie, die zum Metallabtrag erforderlich ist. Ausgewogene Bedingungen erhöhen auch die Standzeit, was Werkzeugverbrauch und Entsorgungsfragen reduziert. Geringerer Energieverbrauch resultiert in reduzierter Wärmeerzeugung und bietet Chancen für minimal- oder kühlmittelfreies Bearbeiten.

Fazit

Die Annahme von Produktionsökonomie-Konzepten erfordert eine Gesamtanalyse der Bearbeitungsumgebung und die Akzeptanz von Denkweisen, die vielen etablierten Metallschneidpraktiken entgegenstehen. Aber die Umsetzung der empfohlenen Strategien kann Kosteneinsparungen und Werkstückqualität verbessern und umweltfreundlichere Produktion ermöglichen, während gleichzeitig Produktivität und Rentabilität in einem insgesamt stabilen und zuverlässigen Fertigungsprozess gewahrt bleiben.

Betriebsweite Perspektive

Die Vorteile der Betrachtung von Bearbeitungsprozessen aus einer Makro-Perspektive erstrecken sich über einzelne Metallschneidoperationen hinaus. Ein breiter Blick berücksichtigt die Wechselbeziehung aller Schritte in der Produktion. Ein vereinfachtes Beispiel involviert zwei Werkzeugmaschinen, die in Reihe eingesetzt werden, um eine Komponente herzustellen. Wenn Werkzeugmaschine A optimiert wird, um ihren Output zu steigern, aber die Ergebnisse von Maschine B nicht verbessert werden können, werden Teile der ersten Maschine als halbfertiges Inventar auf die zweite warten, was Kosten erhöht. In diesem Fall würde eine bloße Optimierung der Schneidkosten (statt des Outputs) an der ersten Maschine die Gesamtbearbeitungskosten senken, während der Output beibehalten wird.

Andererseits, in einer Situation, in der Maschine B untätig auf Teile von Maschine A wartet, wird die Erhöhung des Outputs der ersten Maschine den Gesamtoutput erhöhen. Vieles hängt davon ab, ob der Produktionsfluss des Betriebs in einer Linie, in Chargen oder parallel organisiert ist.

Maschinenanschaffungskosten können auch relativ zum Gesamtgeschäft eines Herstellers bewertet werden. Eine typische Situation involviert einen Betrieb, der eine Fräsmaschine voll ausgelastet 40 Stunden pro Woche läuft und entscheidet, sie durch eine teurere, raffiniertere, höhergeschwindige Maschine zu ersetzen. Wenn die neue Maschine jedoch läuft, steht sie die Hälfte der Zeit still.

Der Betrieb steht vor der Herausforderung und dem Aufwand, mehr Arbeit zu finden, um die neue Maschine ausgelastet zu halten und die Investition zu rechtfertigen. Weiterhin passt Arbeit, die den vollen Vorteil der Fähigkeiten der neuen Maschine nutzt, möglicherweise nicht gut zu den übrigen Betriebsabläufen oder Märkten des Betriebs. Der bessere Weg wäre gewesen, zuerst das große Bild zu betrachten und vorauszusehen, was aus dem höheren Output der neuen Maschine resultieren würde. Eine günstigere, weniger fortschrittliche Maschine könnte besser zu aktuellen und erwarteten Teileanforderungen und Produktionsvolumen passen. Gepaart mit der älteren Maschine könnte eine sorgfältiger gewählte Werkzeugmaschine auch erweiterte Flexibilität und Redundanz bieten, um geplante oder ungeplante Maschinenstillstände zu bewältigen.

Eine umfassende Sicht auf Prozessoptimierung kann auch sehr grundlegende, einfache Aktionen und Analysen involvieren. Die Untersuchung gebrauchter Werkzeuge bietet einen breiten Blick auf das, was in einer Werkstatt vor sich geht. Zum Beispiel, wenn ein Betrieb allgemein Wendeschneidplatten mit 12 mm langen Schneidkanten verwendet, aber Verschleißmuster auf den Werkzeugen nur 2 mm oder 2,5 mm erreichen, verwendet der Betrieb wahrscheinlich Platten, die viel zu groß für das sind, was sie tun. Werkzeuge mit 6 mm Schneidkanten wären mehr als ausreichend, und ein Werkzeug mit 6 mm langen Schneidkanten ist signifikant günstiger als eines mit 12 mm Schneide. Eine so einfache Beobachtung kann Werkzeugkosten um 50 % reduzieren, ohne die Produktivität zu beeinträchtigen.

Zuvor vorgestellt auf SecoTools.com.