Υλικά. Μεταλλικά. Σύνθετα. Σιδηρούχα κράματα. Μη σιδηρούχα κράματα

Transcript

1 Επιλογή Κατεργασιών K.G. Swift and J.D. Booker, Process selection : from design to manufacture, 2nd ed., Butterworth-Heinemann, SWI. Πολλαπλή βιβλιογραφία Βιβλιοθήκης ΕΜΠ

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons και δημιουργήθηκε στο πλαίσιο του Έργου των Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων από την Μονάδα Υλοποίησης του ΕΜΠ. Για υλικό που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 Υλικά Μεταλλικά Σιδηρούχα κράματα Απλοί χάλυβες Κραματωμένοι χάλυβες Χυτοσίδηροι Μη σιδηρούχα κράματα Ελαφρά κράματα Zn, Al, Mg, Ti Βαρέα κράματα Cu, Pb, Ni Πυρίμαχα W, Mo, Ta Ευγενή μέταλλα Σύνθετα Πολυμερή Θερμοπλαστικά Μερικώς κρυσταλλικά, πχ πολυαμίδια, ασετάλ, Άμορφα, πχ PVC, πολυκαρβονικά, πολυστυρένια Θερμοσκληρυνόμενα Ελαστομερή, πχ στυρένια, βουτίλια, σιλικόνες, νιτρίλια Εποξικά / φαινολικά / αμινικά, πολυετερικά Φυσικά, πχ πρωτεϊνικά Κεραμικά Τεχνικά κεραμικά, πχ αλούμινα, καρβίδια, νιτρίδια Γυαλιά, πχ βοριοπριτικά, πυροκεραμικά Δομικά, πχ πορσελάνη, πήλινα, Ηλεκτρονικά, πχ ημιαγωγοί Φυσικά, πχ πέτρα 3

4 Κατεργασίες Χύτευση Μόνιμου καλουπιού Με βαρύτητα Με χαμηλή πίεση Με υψηλή πίεση Φυγοκεντρική Squeeze Αναλώσιμου καλουπιού Σε άμμο Croning (κελύφους) Χαμένου κεριού Χαμένου αφρού Με κεραμικό καλούπι Με γύψινο καλούπι Αποβολή υλικού Μηχανική Με εργαλείο καθορισμένης γεωμετρίας, Απλή σημειακή επαφή, πχ τόρνευση, πλάνιση Πολλαπλή σημειακή επαφή, πχ φρεζάρισμα, διάτρηση, Με εργαλείο μη καθορισμένης γεωμετρίας, πχ λείανση Με δέσμη υψηλής ενέργειας Laser Ηλεκτρόνια Νερό Με υπερήχους Ηλεκτρική / χημική Ηλεκτροδιάβρωση Ηλεκτροχημική κοπή Χημική κοπή 4

5 Κατεργασίες Διαμόρφωση Επιπέδου ελάσματος Διάτρηση-απότμηση Κάμψη Κοίλανση-τύπωση Συμπαγούς υλικού Έλαση Διέλαση Ολκή Σφυρηλάτηση Σκόνης Κονιομεταλλουργία Επικαλύψεις Θερμικός ψεκασμός Plasma Με απόθεση ατμών PVD, CVD Ηλεκτροεπικάλυψη Επιψευδαργύρωση Εφυάλωση Προστασία Μηχανικές Peening Επιφανειακή έλαση Θερμοχημικές Παθητικοποίηση, πχ ανοδίωση, φωσφάτωση Διάχυση, πχ ενανθράκωση, εναζώτωση, Θερμικές Βαφή πχ επαγωγικά, σε φούρνο, με laser, με φλόγα κλπ Ανόπτηση πχ επαναφοράς, αποτατική, ομογενοποίησης κλπ 5

6 Σύνδεση Συγκόλληση Τόξου Επενδεδυμένου ηλεκτροδίου - SMAW Βυθισμένου τόξου - SAW Προστασίας αερίου, GMAW, GTAW Ηλεκτροσκωρίωση Με δέσμη Laser Αντίστασης Στερεάς κατάστασης Τριβής Διάχυσης Παραμόρφωσης Εκρηκτική Κολλήσεις Σκληρές (brazing) Μαλακές (soldering) Μηχανική Μόνιμη Ήλωση Μορφής (παραμόρφωση) Ημι-μόνιμη Άρμωση Ελατηριωτή Λυόμενη, με κοχλίες πείρους σφήνες Με κόλλες Εποξικές Φαινολικές Κυανοακρυλικές κλπ κλπ κλπ 6

7 παραδείγματα Υλικό Ορείχαλκος Ποσότητα / έτος η εναλλακτική Κατεργασία Τόρνευση Χαρακτηριστικά Κόστος η εναλλακτική Κατεργασία Κονιομεταλλουργία Υψηλή απώλεια υλικού Χαμηλός προς μέσος ρυθμός παραγωγής Χαρακτηριστικά Μηδενική απώλεια υλικού Υψηλός ρυθμός παραγωγής Κόστος 1 7

8 Παραδείγματα Υλικό Ποσότητα / έτος 5000 Κράμα αλουμινίου 1 η εναλλακτική Κατεργασία Spinning Χαρακτηριστικά Κόστος 1.8 Υψηλό εργατικό κόστος Χαμηλός ρυθμός παραγωγής Χαμηλή ακρίβεια 2 η εναλλακτική Κατεργασία Βαθειά κοίλανση Χαρακτηριστικά Κόστος 1 Χαμηλό εργατικό κόστος Υψηλός ρυθμός παραγωγής Υψηλή ακρίβεια 8

9 Σχεδιασμός για κατεργασία και συναρμολόγηση 9

10 Χάρτες πληροφοριών κατεργασίας Process Information Maps - PRIMA Περιγραφή της κατεργασίας Σύντομη εξήγηση των βασικών χαρακτηριστικών Διαγραμματική αποτύπωση της λειτουργίας της κατεργασίας Εικόνα τελικού προϊόντος Κατάλληλα Υλικά Παραλλαγές κατεργασίας και ιδιαίτερα στοιχεία Οικονομικά ζητήματα Ρυθμός παραγωγής Ελάχιστη ποσότητα Κόστος εργαλείων - Κόστος εργατικών Χρόνος ολοκλήρωσης τεμαχίου Τυπικές εφαρμογές παραδείγματα Μορφή τεμαχίου Γενική μορφή Εύρος διαστάσεων - Ελάχιστη διάσταση διατομής Ποιότητα Διάγραμμα ικανότητας κατεργασίας (process capability chart)- CPK Τυπική τραχύτητα επιφάνειας Τυπικά ελαττώματα 10

11 Ικανότητα κατεργασίας process capability Ο συντελεστής ικανότητας της κατεργασίας ορίζεται ως : Cp=ανοχή προδιαγραφής / 6σ κατεργασίας Η τιμή του συντελεστή Cp ισχύει μόνο εφόσον η κατεργασία βρίσκεται υπό έλεγχο. Όταν Cp =1 to 99.73% των προϊόντων είναι αποδεκτά. Έτσι επιζητείται Cp =1.33 ή ακόμη και Cp =2. Ανάλογη είναι και η απορρέουσα απαίτηση δειγματοληψίας, πχ Cp =1 απαίτηση δειγματοληψίας από 1:1 έως 1:5, Cp =1.5 απαίτηση δειγματοληψίας 1:5 έως 1:15, Cp είναι το μέτρο της διασποράς αλλά όχι και της θέσης του μέσου. Η θέση του μέσου υπεισέρχεται στο Cpk = min {A1, A2} Α1={άνω όριο προδιαγραφής μέση }/3σ Α2={μέσο - κάτω όριο προδιαγραφής}/3σ. Διαγράμματα ικανότητας κατεργασίας δίνουν την εξάρτηση της ανοχής από τη διάσταση Δύο περιοχές συνδυασμού διάστασης-ανοχής Εκεί όπου εξασφαλίζεται σίγουρα Cpk = 1.33 Εκεί όπου χρειάζεται ειδικός έλεγχος για να εξασφαλισθεί Cpk =

12 PRIMA - Sand casting χύτευση σε άμμο Περιγραφή Υλικά Τα περισσότερα μεταλλικά Κάποιες δυσκολίες με Sn, Zn, Ti, Be Παραλλαγές Υγρής άμμου Οι κοινότερη και φθηνότερη. Χαμηλή αντοχή καλουπιού και υψηλή υγρασία Ξηρής άμμου Χρησιμοποιούνται πλαίσια πυρήνων αντί για μοδέλλα και το καλούπι ξηραίνεται σε φούρνο Ακριβή και χρονοβόρα Επιφανειακής ξήρανσης άμμου Κυρίως για χάλυβες Μοδέλα: Ολόσωμα για χαμηλό κόστος, Διαιρετά για μέσες ποσότητες, με πλάκα σύνδεσης για μεγάλες ποσότητες Ξύλινα για μικρές ποσότητες, μεταλλικά για μεσαίες ή υψηλές ποσότητες, σκληρά πλαστικά: ανερχόμενα. Cosworth casting: πλήρωση με χαμηλή πίεση για καλύτερη ποιότητα, αλλά μεγαλύτεροι χρόνοι ολοκλήρωσης τεμαχίου και υψηλότερο κόστος καλουπιού. 12

13 PRIMA Χύτευση σε άμμο/οικονομικά ζητήματα Ρυθμός παραγωγής 1 50/h, αλλά εξαρτάται από το μέγεθος του χυτού. Χρόνος ολοκλήρωσης τυπικά της τάξης των ημερών, αλλά εξαρτάται από την πολυπλοκότητα και το μέγεθος του χυτού Χρησιμοποίηση υλικού: χαμηλή προς μέση % απώλεεις στο σύστημα τροφοδοσίας. Δυνατότητα ανακύκλωσης του υλικού του καλουπιού αλλά και του συστήματος τροφοδοσίας. Επαναχρησιμοποιούμενα μοδέλλα Εύκολο να αλλάξει ο σχεδιασμός του τεμαχίου κατά την παραγωγή. Οικονομική παραγωγή μερίδων κάτω των 100. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για μεγάλη παραγωγή με κατάλληλα συστήματα αυτοματισμού Χαμηλό κόστος εργαλείων (καλουπιών) Υψηλό κόστος εργατικών. Το κόστος αποπεράτωσης μπορεί να είναι υψηλό λόγω αποκοπής συστήματος τροφοδοσίας, καθαρισμού και βελτίωση ποιότητας επιφάνειας, όπως και του επιπέδου διαχωρισμού. 13

14 PRIMA Χύτευση σε άμμο/τυπικά παραδείγματα Μπλόκ και κεφαλές κυλίνδρων κινητήρων εσωτερικής καύσης Πολλαπλές σωληνώσεις Βάσεις-σκελετοί εργαλειομηχανών Κελύφη αντλιών 14

15 PRIMA Χύτευση σε άμμο/ Μορφή τεμαχίου Υψηλή πολυπλοκότητα δυνατή. Περιορίζεται μόνο από το μοδέλο. Όλες οι τομές επιφανειών πρέπει να έχουν ακτίνες καμπυλότητας Κρίσιμος ο σχεδιασμός του συστήματος τροφοδοσίας πύλεςαγωγοί-δρομείς κλπ. Σημαντική η θέση του επιπέδου διαχωρισμού Ένθετα, υποκοπές και προεξοχές δυντά αλλά με επιπλέον κόστος. Οπές πυρήνων μεγαλύτερες των 16 mm Επιπλέον υλικό για κατεργασία κοπής: mm. Κωνικότητα: 1 5 μοιρών. Ελάχιστη διάσταση διατομής: 3mm για ελαφρά κράματα και 6mm για σιδηρούχα. Εύρος μεγεθών: 25 g 400 t. 15

16 PRIMA Χύτευση σε άμμο / Ποιότητα Προσεκτικός έλεγχος ποιότητας της άμμου Η συρρίκνωση και παραμόρφωση του χυτού εξαρτώνται από τη μορφή του κυρίως όταν η διάσταση στη μια κατεύθυνση είναι πολύ μεγαλύτερη από τις άλλες δύο. Μεγάλες επίπεδες επιφάνειες είναι επιρρεπείς σε ελαττώματα Απαραίτητη η επιθεώρηση του χυτού. Υψηλό πορώδες και ποσοστό εγκλεισμάτων αποτελούν αρκετά συχνό πρόβλημα. Επιφανειακά ελαττώματα μπορούν να γεμισθούν με συγκόλληση. Γενικά η τραχύτητα επιφάνειας είναι υψηλή και η υφή κοκκώδης. Η αντοχή του χυτευμένου υλικού γενικά είναι χαμηλή. Η λεπτομέρεια αποτύπωσης μορφής είναι γενικά καλή. Τραχύτητα επιφάνειας Ra μεταξύ μm εξαρτώμενη από το υλικό του καλουπιού. Δεν ενδείκνυται για στενές ανοχές διαστάσεων χωρίς επιπλέον κατεργασία. Επιπλέον υλικό 0.5 2mm τυπικά απαραίτητο κάθετα στη διαχωριστική γραμμή. 16

17 PRIMA:Χύτευση σε άμμο/ικανότητα κατεργασίας 17

18 Στρατηγική επιλογής κατεργασίας 1 Εκτίμηση ετήσιου ρυθμού παραγωγής 2 Επιλογή υλικού, εάν υπάρχει ευελιξία εναλλακτικών 3 Επιλογή εναλλακτικών PRIMA. 4 Θεώρηση κάθε PRIMA ως προς τα τεχνικά-οικονομικά δεδομένα: Εξοικείωση με την κατεργασία και τις παραλλαγές της Συμβατότητα με το υλικό Αξιολόγηση της συμμόρφωσης της γεωμετρίας του τεμαχίου Σύγκριση των απαιτήσεων ανοχών και ποιότητας επιφάνειας με τα δεδομένα ικανότητας κατεργασίας. 5 Θεώρηση της οικονομικής τοποθέτησης της κάθε κατεργασίας με υπολογισμό / εκτίμηση κόστους τεμαχίου για όλες τις εναλλακτικές κατεργασίες. 6 Επιλογή μιάς κατεργασίας και θεώρηση της ως προς τις απαιτήσεις της επιχείρησης. 18

19 Πίνακας επιλογής κατεργασιών μορφοποίησης 19

20 Λίστα Prima 20

21 Παρατηρήσεις Η λίστα και ο πίνακας Ποσότητας- Υλικού δεν είναι ούτε εξαντλητικά, ούτε πλήρη. Αντιπροσωπεύουν γενική βιομηχανική πρακτική, αλλά πάντα θα υπάρχουν εξαιρέσεις σε αυτό το βαθμό λεπτομέρειας. Δεν αποτελούν μεθοδολογία επιλογής κατεργασιών, αλλά απλώς ένα φίλτρο πρώτου επιπέδου Χρησιμοποιούνται απλά για να εστιασθεί η προσοχή καταρχήν σε κάποιες κοινά χρησιμοποιούμενες κατεργασίες και μάλιστα χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η μορφή / γεωμετρία του προϊόντος. Οι επιλογές γίνονται στη συνέχεια με βάση τους χάρτες PRIMA. 21

22 σύνδεσης Παρόμοια φιλοσοφία με τις κατεργασίες μορφοποίησης. Υλικό και πάχος Ποσότητα και μονιμότητα Λειτουργικά κριτήρια Βαθμός μονιμότητας Τύπος φορτίου (στατικό, κρουστικό, κυκλικό) Αντοχή Τεχνικά κριτήρια Μορφή-σχεδιασμός σύνδεσης Θερμοκρασία λειτουργίας Τύπος υλικού και συμβατότητα του Ακρίβεια Χωρικά κριτήρια Πάχος υλικού Διαστάσεις βάρος Γεωμετρία-σχήμα Άλλα τεχνολογικά κριτήρια Πολυπλοκότητα Ευελιξία στη συναρμολόγηση ευκολία προσανατολισμού Ασφάλεια Προσβασιμότητα Ποιότητα Οικονομικά κριτήρια Ποσότητα Ρυθμός παραγωγής Διαθεσιμότητα εξοπλισμού Ευκολία αυτοματισμού Απαιτούμενες δεξιότητες Εργαλεία Κόστος 22

23 Πίνακας επιλογής κατεργασιών σύνδεσης 23

24 Συγκριτική κοστολόγηση εναλλακτικών κατεργασιών Μοντέλο κόστους κατεργασίας τεμαχίου: M i = VC mt + R c P c V όγκος πρώτης ύλης που απαιτείται για την κατεργασία C mt κόστος μονάδας όγκου υλικού στην απαιτούμενη μορφή P c το βασικό κόστος κατεργασίας για ιδανική μορφή τεμαχίου που ορίζεται για τη συγκεκριμένη κατεργασία R c συντελεστής σχετικού κόστους για την πραγματική μορφή του τεμαχίου που λαμβάνει υπόψη την πολυπλοκότητα μορφής, την καταλληλότητα του υλικού, τις διαστάσεις διατομής, τις επιθυμητές ανοχές και την επιθυμητή τραχύτητα επιφάνειας. 24

25 Βασικό κόστος κατεργασίας τεμαχίου P C P c = αt + β/n α κόστος ανά sec προετοιμασίας και εκτέλεσης της κατεργασίας. Περιλαμβάνει Εξοπλισμό Εργατικά Έμμεσο κόστος - overheads T χρόνος κατεργασίας σε sec για ιδανική μορφή τεμαχίου β κόστος εργαλείων για ιδανική μορφή τεμαχίου N ποσότητα παραγωγής ανά έτος. Παρατηρήσεις Οι τιμές των α, β βασίζονται στην εμπειρία και την εξειδίκευση α: προσεγγιστικό στο βαθμό που δεν διαχωρίζει κόστος προετοιμασίας από κόστος εκτέλεσης της κατεργασίας 25

26 Pc Παράδειγμα για χύτευση 26

27 Συντελεστής R c Rc = C mp C c C s C ft C mp το σχετικό κόστος συνδεδεμένο με την καταλληλότητα υλικούκατεργασίας C c το σχετικό κόστος συνδεδεμένο με την γεωμετρική πολυπλοκότητα του τεμαχίου, C s το σχετικό κόστος συνδεδεμένο με το μέγεθος του τεμαχίου και το πάχος διατομής C t το σχετικό κόστος συνδεδεμένο με την απαιτούμενη ανοχή C f το σχετικό κόστος συνδεδεμένο με την απαιτούμενη ποιότητα επιφάνειας. C ft = max (C f, C t ) Όταν παράγεται καλή ποιότητα επιφάνειας, επιτυγχάνοντια και καλές ανοχές 27

28 R c P c 28

29 C mp Δείχνει τη δυνατότητα χρήσης συγκεκριμένου υλικού σε συγκεκριμένη κατεργασία. Κάποιοι συνδυασμοί είναι σαφώς αδύνατοι 29

30 Cc Υπάρχουν 3 βασικές κατηγορίες σχημάτων Αξονοσυμμετρικά ολόσωμα Πρισματικά ολόσωμα Λεπτότοιχα Κάθε μια χωρίζεται σε 5 υποκατηγορίες με βάση την πολυπλοκότητα της τελικής μορφής του τεμαχίου δηλ. Βασικά ΜΧ (1 σετάρισμα, απλά εργαλεία) Δευτερογενή ΜΧ (επιπλέον κατεργασία, σύνθετα εργαλεία) ΜΧ πολλαπλών αξόνων (περισσότερα σεταρίσματα) Μη ομοιογενή ΜΧ Σύνθετες μορφές Απλού άξονα Διαμπερή ΜΧ Αν ένα τεμάχιο ανήκει σε περισσότερες της μιας κατηγορίες επιλέγεται εκείνη που δίνει τη μεγαλύτερη τιμή Cc 30

31 Αξονοσυμμετρικά 31

32 Πρισματικά 32

33 Λεπτότοιχα 33

34 Κατηγορία Α - C c 34

35 Παράδειγμα Cs 35

36 Υπολογισμός C t C f 1 Καθορισμός των πιο σημαντικών τιμών ανοχών. 2 Προσδιορισμός της ζώνης ανοχής στον πίνακα Ct 3 Καταμέτρηση του αριθμού ανοχών σε κάθε ζώνη. 4 Προσδιορισμός του αριθμού επιπέδων όπου βρίσκονται οι κρίσιμες τιμές. 5 Επιλογή του κατάλληλου C t index από τον πίνακα. Επανάληψη της διαδικασίας για την ποιότητα επιφάνειας Μόνο η πιο στενή ανοχή χρησιμοποιείται ακόμη και αν βρίσκεται μόνο σε ένα επίπεδο. Στο διάγραμμα φαίνονται διαφορετικές γραμμές που αναφέρονται στον αριθμό διαφορετικών αξόνων ή επιπέδων (1/2/3) όπου βρίσκονται οι κρίσιμες ανοχές και που δεν μπορούν να επιτευχθούν από την ίδια κατεύθυνση με χρήση της κατεργασίας αυτής. 36

37 Παράδειγμα C t 37

38 Παράδειγμα C f 38

39 Κόστος μονάδα υλικού C mt 39

40 Συντελεστής απωλειών υλικού W c Με βάση την τελική μορφή δίνει τον όγκο της πρώτης ύλης V=V f W c W c διαφορετικό για κάθε κατηγορία σχήματος και διαφορετική κατεργασία 40

41 Αρκτικόλεξα κατεργασιών AM Automatic Machining CCEM Cold Continuous Extrusion (Metals) CDF Closed Die Forging CEP Continuous Extrusion (Plastics) CF Cold Forming CH Cold Heading CM2.5 Chemical Milling (2.5mm depth) CM5 Chemical Milling (5mm depth) CMC Ceramic Mold Casting CNC Computer Numerical Controlled Machining CPM Compression Molding GDC Gravity Die Casting HCEM Hot Continuous Extrusion (Metals) IC Investment Casting IM Injection Molding MM Manual Machining PDC Pressure Die Casting PM Powder Metallurgy SM Shell Molding SC Sand Casting SMW Sheet Metal Work VF Vacuum Forming 41

42 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.