Redukcja kosztów wytwarzania poprzez optymalizację procesu wymiany narzędzi w tłoczniach. SMED.

Jednym z głównych trendów w wytwarzaniu szerokiej gamy produktów jest tłoczenie. Wynika to z olbrzymiej uniwersalności tego procesu, możliwości kształtowania na zimno i gorąco bardzo wielu produktów przy użyciu różnych operacji (cięcia, kształtowania, łączenia), często w jednym narzędziu lub w niewielkiej ilości kroków. Nowoczesne technologie jak hotforming oraz hydroforming pozwalają kształtować zarówno geometrię jak i własności wytrzymałościowe i użytkowe finalnych produktów. Te wszystkie czynniki powodują, że tłoczenie jest szeroko stosowaną oraz uznaną technologią wytwarzania.

Ogólna tendencja do wytwarzania tylko niezbędnej ilości produktów, bez konieczności ich nadmiernego magazynowania wymusza stosowanie rozwiązań umożliwiających szybkie przezbrojenie maszyn do produkcji innego asortymentu produktów. Rozwiązania z zakresu SMED (Single Minute Exchange of Die) – czyli szybkie przezbrojenia – uwzględniają zarówno aspekt transportu narzędzi, ich wymianę oraz szybkie mocowanie.

Przezbrojenie prasy,  czyli upraszczając odmocowanie i ewakuację dotychczasowego narzędzia oraz wprowadzenie i zamocowanie nowego narzędzia, pomijając czynności poboczne jak podłączenia do narzędzia medium, czujników, transferów itd. składa się z następujących, elementarnych, czynności:

Rys 1. Schemat przezbrojenia maszyny

Dostarczenie narzędzi

Ważnym czynnikiem w całym procesie przezbrojenia jest odpowiednie rozwiązanie magazynu narzędzi. Łatwy dostęp do narzędzi, umożliwienie szybkiego odłożenia i pobrania narzędzi oraz odpowiednie ciągi komunikacyjne mają wpływ na czas trwania przezbrojenia. W celu usprawnienia transportu narzędzi wykorzystuje się odpowiednio przygotowane regały z polami odkładczymi, suwnice, dedykowane wózki widłowe lub wózki transportowe do narzędzi. Ostatnia grupa wózków stosowana jest powszechnie dla małych i średnich narzędzi o masach do 4 ton.

Rys 2. Wózki transportowe sterowane ręcznie. Od lewej: o nośności 500 kg, 1000 kg i do 4000 kg.[Fot. Roemheld]

Niskie koszty zakupu, sterowanie ręczne i napęd pomocniczy, bardzo duża zwrotność oraz małe zapotrzebowanie na przestrzeń wokół są głównymi zaletami tego typu rozwiązań. Występujące w wózkach listwy lub wkłady kulkowe oraz system dokowania gwarantują łatwe i bezpieczne przemieszczanie narzędzia z/na regały oraz z/na stół prasy bądź stoły i urządzenia pomocnicze.

Wprowadzanie narzędzia

Kolejnym, istotnym aspektem w procesie przezbrajania jest sposób wprowadzania narzędzi do prasy. Powszechnie stosowane są urządzenia w postaci samotoków, wsporników i konsol transportowych  oraz odkładczych, które połączone są z prasą i licują z powierzchnią stołu. Narzędzie ułożone za pomocą suwnicy lub wózka na konsolę transportową może być w łatwy sposób wprowadzone do przestrzeni roboczej prasy. 

Rys 3. Konsola z napędem, umożliwiająca automatyczne wprowadzenie narzędzia.[Fot. Hilma-Roemheld]

Aby ułatwić, a w przypadku ciężkich narzędzi w ogóle umożliwić ruch narzędzia w obrębie prasy, stół powinien być wyposażony w listwy rolkowe lub kulkowe albo wkłady rolkowe czy też kulkowe.

Rys 4. Listwy rolkowe, kulkowe oraz wkłady sprężynowe.[For. Hilma-Roemheld]

Różnica pomiędzy rolką, a kulką transportową jest zasadnicza i wynika z rozkładu nacisków i wynikających z tego naprężeń. W przypadku kulek występują bowiem naciski punktowe, zaś w rolkach naciski liniowe. Charakter współpracy oraz rozkład naprężeń (Rysunek 5 i 6) powodują zatem bardzo duże rozbieżności w nośnościach – rolki przenoszą znacznie większe obciążenia, ale jednocześnie umożliwiają przesuw narzędzia tylko w jednym kierunku. Kulki, charakteryzujące się mniejszymi nośnościami pozwalają jednak na manipulację narzędziem po całej płaszczyźnie stołu. Nośność listew kulkowych można, w pewnych sytuacjach, zwiększyć zagęszczając odstępy między kulkami.

Rys 5. Rozkład nacisków przy styku kulki i rolki z narzędziem.
Rys 6. Rozkład naprężeń zredukowanych w kontakcie płyta-kulka (po lewej) oraz płyta-rolka (po prawej).

W przypadku dużych narzędzi i w przypadku konieczności częstych przezbrojeń narzędzi proces ten może zostać usprawniony przy zastosowaniu układu tandemowego – dwóch konsoli (w tym jednej z napędem) z każdej strony prasy.

Rys 7. Konsole w układzie tandemowym - narzędzie przepychane przez prasę. Dwie strony obsługowe skracają czas przezbrojeń.

W takim układzie konsoli obie strony prasy mogą być stronami obsługowymi i na każdej ze stron narzędzie może być przygotowywane do wymiany. Narzędzie układane jest na jednej konsoli i łączone z narzędziem w prasie. Po sprzęgnięciu narzędzi z konsolą napędową następuje transfer narzędzia przez prasę – jedno wyjeżdża, a drugie wprowadza się do prasy. Dzięki takiemu rozwiązaniu istnieje możliwość wcześniejszego przygotowania narzędzia do przezbrojenia jeszcze w trakcie pracy prasy.  Narzędzie można dostarczyć wcześniej, nie blokując suwnicy lub wózków transportowych, a tym samym usprawnić transport wewnątrzzakładowy.

Mocowanie narzędzi

Ostatnią kwestią w zakresie szybkiego przezbrojenia pras jest mocowanie narzędzi. Obecne, na rynku, powszechnie dostępne są systemy mechaniczne, hydrauliczne oraz elektromechaniczne.  Każde z tych rozwiązań charakteryzuje się innymi cechami, dostępnymi siłami i poziomem automatyzacji. W przypadku rozwiązań mechanicznych realny zakres sił mocujących wynosi do 100 kN (przy rowku T28). Zastosowanie zintegrowanych przekładni planetarnych lub wkładów hydraulicznych umożliwia uzyskanie dużych sił docisku, przy niewielkich momentach dokręcenia. W rozwiązaniach tych brak jest jednak innej, niż optyczna, kontroli zamocowania, co uniemożliwia stosowanie tych rozwiązań w systemach automatycznych lub zautomatyzowanych.

WZ-62273_Spannfutter Schnitt-hpr_2
Rys 8. Mechaniczna głowica mocująca 100 kN, z przekładnią planetarną i optycznym potwierdzeniem zamocowania.[Fot. Hilma-Roemheld]

W przypadku hydraulicznych systemów mocowań możliwe do osiągnięcia są znacznie większe siły mocowań, dochodzące, w rozwiązaniach standardowych, do 630 kN (na podstawie danych Hilma-Roemheld). Jako generatory ciśnienia wykorzystuje się zaawansowane zasilacze hydrauliczne, które w trakcie pracy czuwają nad zapewnieniem właściwego ciśnienia zasilania. Ze względów bezpieczeństwa w każdym obiegu mocującym powinny być zainstalowane wyłączniki ciśnienia dla zabezpieczenia maszyny, wyłączające ją, gdy ciśnienie spadnie o 15% poniżej wartości zadanej. Dla zwiększenia bezpieczeństwa elementy mocujące służące do zamocowania narzędzia na suwaku zasilane są dwoma oddzielnymi obiegami i mogą być dodatkowo zabezpieczone zaworami zwrotnymi. Te czynniki zapewniają najwyższe bezpieczeństwo, a wraz z możliwością kontroli położenia elementu mocującego (np. czujnikami zbliżeniowymi) pozwalają na zastosowanie tych rozwiązań w systemach automatycznych i zautomatyzowanych.

Rys 9. Hydrauliczny system mocowania i wymiany narzędzi. Widoczne zawory zwrotne oraz dwa obiegi na krzyż zabezpieczające narzędzie górne.

Osobną grupę mocowań stanowią systemy elektromechaniczne. Zgodnie z ideą Przemysłu 4.0 dedykowane są do rozwiązań w pełni automatycznych lub takich, w których wymagana jest ciągła kontrola i monitorowanie procesu zamocowania lub nie można zastosować systemów hydraulicznych. Duże siły mocowania, pełna kontrola procesu mocowania, brak medium roboczego, które może zanieczyścić proces technologiczny, ułatwiona instalacja (doprowadza się tylko przewody elektryczne) powodują, że ta grupa elementów mocujących znajduje coraz szersze zastosowanie.

Rys 10. Elektromechaniczny docisk klinowy. [For. Hilma-Roemheld]

Ostatnia grupą systemów mocowań znajdujących zastosowanie w prasach tłoczących są systemy magnetyczne. Płaska, metalowa powierzchnia mocowania płyty magnetycznej pozwala oszczędzić kosztownej standaryzacji wielkości narzędzi i wysokości brzegów mocowania.  Siła mocowania przyłożona do całej powierzchni narzędzia zapewnia mu odporność na wyginanie. Obie połowy formy są dzięki temu prowadzone idealnie równolegle wobec siebie. Niewątpliwą zaletą dla użytkownika jest redukcja kosztów przygotowania i konserwacji narzędzi. Taki system wymiany z pewnością zapewnia komfort i bezpieczeństwo pracy. Technika mocujących płyt magnetycznych opiera się na zasadzie magnesów permanentnych, działających także w przypadku braku zasilania elektrycznego. Dostarczenie energii elektrycznej konieczne jest wyłącznie w pierwszych sekundach do namagnesowania systemu. W czasie pracy urządzenia siła magnetyczna utrzymuje się niezależnie od źródła zasilania, a napięcie elektryczne wymagane jest tylko w celu kontroli i monitorowania procesu zamocowania. Siła magnetyczna tworzy się w bardzo płaskim, silnie skoncentrowanym polu magnetycznym, które wnika tylko na kilkanaście milimetrów w powierzchnię narzędzia – nie występuję zatem problem magnesowania detali. Osiągane siły magnetyczne wynoszą 2-18 kg/cm² (wg danych Roemheld-Rivi), zależą one od powierzchni narzędzia i wzrastają adekwatnie do jego wielkości. System sam w sobie nie posiada ruchomych elementów i w zasadzie nie wymaga konserwacji poza czynnościami w zakresie utrzymania czystości powierzchni. Można go stosować w niemal wszystkich prasach oraz integrować z nowymi urządzeniami.

Rys 11. Magnetyczny system mocujący w prasie tuszującej. [Fot. Roemheld-Rivi]

Aby proces przezbrojenia prasy faktycznie mógł zostać skrócony, do całego zagadnienia należy podejść kompleksowo: zaczynając od rozwiązań z zakresu transportu wewnątrz halowego narzędzi, poprzez systemy wprowadzania narzędzi, a na systemach mocujących kończąc. Dzięki istniejącym na rynku rozwiązaniom istnieje możliwość optymalizacji zagadnienia i docelowo osiągnięcie wzrostu produktywności przy zmniejszeniu nieproduktywnych czasów przestoju. Szybkie przezbrojenie maszyny pozwala również na spełnienie oczekiwań klientów w zakresie krótszych terminów dostaw i zapewnienie dostaw celowanych. Rozwiązania SMED odgrywają obecnie kluczową rolę w organizacji pracy tłoczni, a ich wprowadzenie jest niezbędne do zachowania pełnej wydajności i konkurencyjności na rynku.

Autor: dr inż. Maciej Boldys