نویسنده: پانکاج کی مهروترا
مترجم: حبیب الله علیخانی
مقدمه
ارزش مربوط به ابزارهای برشی پیشرفته، در قابلیت آنها در کاهش هزینه های تولید برش فلزی می باشد. یک گستره ی وسیع از فاکتورها بر روی اقتصاد ماشین کاری، مؤثر می باشند. این فاکتورها برخی به صورت مستقیم و برخی به صورت غیر مستقیم بر روی ماشین کاری، اثرگذارند. مدل های هزینه ای مختلف که در واقع از این فاکتورها استفاده می کنند، می توانند تدوین شوند. همانگونه که در شکل 1 مشاهده می شود، با افزایش سرعت برش، هزینه ها بر هر قطعه کاهش می یابد که علت این مسئله، کاهش در هزینه های کارگری و ماشین کاری، می باشد. عموماً ابزارهای برش پیشرفته گران قیمت تر از ابزارهای کاربیدی متداول می باشند. چندین دلیل برای این موضوع، وجود دارد: این علت ها، عبارتند از: هزینه ی مواد اولیه ی بالاتر و هزینه های تولید بالاتر. حجم پایین تر این ابزارها، همچنین اجازه نمی دهد تا مزیت هایی در زمینه ی اقتصادی، ایجاد شود. در واقع در این حالت، یک حالت مینیمم ایجاد می شود و سپس دوباره افزایش می یابد که علت این مسئله، سایش بیش از حد ابزار و در نتیجه افزایش هزینه های مربوط به این ابزارها، می باشد. یک چنین مدل هایی به صورت نرمال شامل اثرات مربوط به تغییر در مواد ابزاری نیستند. مواد مورد استفاده در ساخت ابزارهای پیشرفته باید قادر باشند تا هزینه های پایین تری را در سرعت های برش بالاتر ایجاد کنند که علت این مسئله، افزایش کارایی می باشد (شکل 2). در این مقاله، هزینه های ماشین کاری از لحاظ المان های اساسی آن مورد آنالیز قرار می گیرد، بدون در نظر گرفتن مدل هزینه های خاص. با انجام این کار، یک آنالیز اقتصادی بر روی انواع عملیات های برش فلزی، انجام می شود.
هزینه های کل مربوط به تولید یک قطعه، شامل هزینه های نیروی کاری و مواد (LC و MC) می باشد.
هزینه های کل بر هر قطعه = MC مربوط به هر قطعه + LC مربوط به هر قطعه
عموماً هزینه های مربوط به مواد مورد استفاده در ابزارهای جدید بر واحد هر قطعه، بیشتر از هزینه های مربوط به ابزارهای کاربیدی متداول، می باشد. به هر حال، استفاده از ابزارهای پیشرفته، تا حد زیادی موجب کاهش هزینه های کارگری و هزینه های مربوط به مواد می شود که علت این مسئله، بهبود کارایی می باشد. این مسئله همراه با تولید قطعه ی بیشتر بر واحد هر سری و یا حذف فلز در یک نرخ بالاتر، می باشد. به عنوان یک نتیجه، یک هزینه ی تولید پایین تر ممکن است در زمان استفاده از این ابزارها، ایجاد شود.
یک بررسی نمونه وار برای تخمین هزینه های تولید بر هر قطعه، در شکل 3 نشان داده شده است. قطعه، سرعت برش، تغذیه و ... . کمک می کند تا بتوان عملیات را توصیف کرد. هزینه های مربوط به سری ها، عمر ابزار، تعداد گوشه های برشی موجود و ... شاخصی است از میزان هزینه بر واحد قطعه. زمان برش، زمان سیکل تولید یک قطعه، هزینه های ماشین کاریی، هزینه های مربوط به نیروی کاری و ...، تخمینی مناسب از هزینه های کارگری کل می باشد. هزینه های مربوط به ماده و هزینه ی کارگری به همراه هم، به عنوان هزینه های تولید کل یک قطعه، در نظر گرفته می شوند. برخی اوقات، هزینه ی کارگری از هزینه ی ماشین کاری و هزینه های ثابت، جدا می شود (شکل 1).
همچنین هزینه های ثابت ممکن است شامل بخش کارگری باشد که در واقع منجر به بدست آمدن هزینه ی کارگری می شود. همانگونه که در شکل 3 مشاهده می شود، ایجاد یک هزینه ی ماشین کاری بهینه، ممکن است فرایندی پیچیده باشد. بنابراین، این پیشنهاد می شود که هر کدام از این چنین آنالیز هزینه هایی، با کمک یک مهندس ابزار متخصص، انجام شود.

هزینه های مواد

هزینه های مستقیم و غیر مستقیم مواد به صورت نرمال، به عملیات ماشین کاری، اعمال می شود. در برخی موارد، هزینه های غیر مستقیم مواد ممکن است شامل هزینه های ثابت و هزینه های کارگری، باشند.

هزینه های مستقیم مواد

هزینه های مستقیم مربوط به مواد در حقیقت هزینه هایی می باشد که برای سری های ابزار برش، پرداخت می شوند. هزینه های مربوط به اجزای واقعی و یا قطعات ماشین کاری شده، اگر چه مهم می باشند، معمولاً در آنالیز اقتصاد ماشین کاری، در نظر گرفته نمی شوند. با وجود این، تخریب بالقوه که در حقیقت در طی ماشین کاری تحمیل می شود، ریسک بیشتری نسبت به اجزای ارزشمندتر دارد. به عنوان یک نتیجه، ماشین کاری اجزای گران قیمت به صورت نرمال، تحت شرای حفاظتی نسبی، انجام می شود. قیمت قطعات بر اساس موادی است که اجزا از آن تشکیل شده اند. برای مثال، قطعات ساخته شده از نیکل و تیتانیم که در صنعت هوافضا استفاده می شوند، به صورت نرمال، گران قیمت تر از قطعات چدنی است که در صنعت اتومبیل، استفاده می شوند.
عموماً ابزارهای برش پیشرفته گران قیمت تر از ابزارهای کاربیدی متداول می باشند. چندین دلیل برای این موضوع، وجود دارد: این علت ها، عبارتند از: هزینه ی مواد اولیه ی بالاتر و هزینه های تولید بالاتر. حجم پایین تر این ابزارها، همچنین اجازه نمی دهد تا مزیت هایی در زمینه ی اقتصادی، ایجاد شود.
هزینه های مربوط به سری های ابزار برش پیشرفته ممکن است از کمتر از 5 دلار بر سری برای سرمت ها و یا سری های سرامیکی سفید، تا چند صد دلار برای برخی از ابزارهای ابر سخت مونولیتیکی، تغییر کند. اگر چه هزینه های سری بالا ممکن است شوک قابل توجهی به برخی از مصرف کننده ها، وارد کند، هزینه ی سری بر واحد قطعه ی تولیده شده، باید برای تعیین قابلیت سود دهی اقتصادی یک ابزار معین، در نظر گرفته شود:
Insert Cost/ part=IC/(α×β)
که در اینجا،
IC: هزینه ی سری
α: تعداد قطعه ی تولید شده در هر لبه ی برشی
β: تعداد لبه های ابزاری موجود در هر سری
عمر ابزار در حقیقت با استفاده از تعداد قطعاتی تعیین می شود که بوسیله ی هر لبه ی برش، تولید می شود. این عمر مفید تحت تأثیر ترکیبی از شرایط برش و نوع ماده ی مورد استفاده در برش، می باشد. عمر طولانی تر ابزارها در شرایط عملیاتی، منجر به کاهش هزینه های سری نسبت به قطعه ی تولید شده، می شود. این جنبه از ماشین کاری، بعدها، مورد بررسی قرار می گیرد.
شکل 4 یک مثال است که در آن، هزینه ی ابزار سرامیکی تقریباً 3 برابر بالاتر از ابزارهای کاربیدی پوشش داده شده با اکسید آلومینا، می باشد. به هر حال، تعداد قطعات تولید شده بر لبه، دو برابر بیشتر است و زمان برش نسبت به قطعه نیز 40 % کمتر از ابزار کاربیدی است. با یک تعداد یکسان از گوشه های برشی موجود برای هر دو ابزار، هزینه های کل نسبت به قطعه برای ابزار سرامیکی تقریباً 40 % کمتر از سری های کاربیدی است.
لبه های برش در هر سری
همانگونه که در معادله های بالا مشاهده می شود، تعداد لبه های مفید موجود برای سری، همچنین نسبت به هزینه ی سری بر واجد قطعه، نیز تعیین می شود زیرا ابزارهای برشی به صورت نرمال بر اساس سری خریداری می شوند. تغییر در شکل سری ها، در حقیقت موجب می شود تا لبه های برشی مختلفی در هر سری مهیا شود. به هر حال، این موارد نیز محدودیت های عملیاتی مختلفی دارند. این الزامات عملیاتی به صورت نرمال، دارای بالاترین اثر بر روی انتخاب شکل و هندسه ی سری، می باشد. اگر چه هزینه ی مربوط به سری ها به طور گسترده ای متغیر می باشد. این هزینه و قیمت در واقع به تولید کننده، حجم تولید و چندین فاکتور دیگر، وابسته می باشد. عموماً اشکال پیچیده تر سری ها، موجب افزایش قیمت آنها می شود.
یک سری مدور ممکن است برای چندین برش استفاده شود. این مسئله در واقع به اندازه ی سری و عمق برش آن وابسته می باشد. یک سری مربعی شکل دارای 4 لبه ی برشی استت و یک سری مثلثی، سه لبه ی برش ایجاد می کند. سری های لوزی شکل نیز با اندازه ی زاویه ی مختلف (80، 55 و 355) موجود می باشند و دارای دو لبه ی برشی می باشند. این مسئله به صورت شماتیک در شکل 5 نشان داده شده است. برای سری های با شیار منفی، تعداد گوشه های موجود با استفاده از هر دو طرف سری، دو برابر می شود. برای سری هایی که دارای شیار مثبت هستند، تنها گوشه های یک طرف، استفاده می شود. سایر جزئیات مربوط به شکل سری های مختلف، می تواند در کاتالوگ مربوط به فروشنده، یافت شود.
این اشکال محدودیت های عملیاتی زیادی را در فرایند برش فلزی ایجاد می کند. برای مثال، سری های مکعبی (از نوع SHG)، 8 گوشه ی مهیا می کند که می تواند مورد استفاده قرار گیرد. این سری، یک شکل مناسب دارد اما این سری ها به صورت نرحال در زاویه ی هدایت 5 درجه ی مثبت و یا بیشتر، استفاده می شوند. به عبارت دیگر، یک سری لوزی شکل با زاویه ی 80 درجه (از نوع CNG) دارای هندسه ی ضعیف تری است و تنها نیمی از گوشه ها، برای برش، مهیا می شود. به هر حال، این نوع ابزار در زوایای هدایت منفی استفاده شوند. سری هایی با شیارهای مثبت تنها نیمی از گوشه های خود را مهیا می کنند (در مقایسه با سری های با شیار منفی) اما آنها می توانند در هندسه های شیار مثبت و یا خنثی مورد استفاده قرار گیرند تا بدین صورت نیروی برشی پایین تری ایجاد شود و سطح نهایی و یکپارچکی سطحی بهتری ایجاد گردد. در برخی کاربردها، تعداد گوشه های برشی موجود ممکن است دو برابر شود. این کار با استفاده از گوشه های برشی یکسان در هر دو حالت برشی سمت راست و سمت چپ، انجام می شود (شکل 6). باید مراقب باشیم که سایش سری در عملیات برش اول، مینیمم شود تا بدین صورت سایر بخش ها آسیب نبینند. استفاده کننده های مبتکر ممکن است تمام 4 گوشه و یا سمت های ابزارهای به شکل لوزی را نیز با استفاده از تیز کردن و یا استفاده از گوشه های منفرجه ی ابزار، استفاده کنند. در نهایت، یک گوشه ی سری می تواند ابتدا برای برش نهایی با عمق برش پایین و سایش کم، استفاده شود و سپس عملیات زبری گیری با استفاده از همان گوشه انجام شود. دوباره باید مراقب باشیم که از سایش بیش از حد در عملیات اول، جلوگیری شود. این استراتژی ها می تواند منجر به ماکزیمم شدن تعداد قطعاتی شود که در هر گوشه ی سری، تولید می شود.
برای ابزارهای برشی با هزینه های تولید بالا، سری های اتصال یافته به سطح ابزار، می توانند مورد استفاده قرار گیرند (شکل 7). برای مثال، برای ابزارهای پلی کریستالی ابر سخت (ابزارهای الماسه و CBN) تتولید شده با روش های فشار بالا، یک سری کوچک بریده می شود و به زیرلایه های کاربیدی ارزان تر، چسبیده می شوند. این مسئله موجب می شود تا گوششه های برشی مفیدی در هری سری، ایجاد شود و استفاده از ابزار نیز محدود نگردد. سری های کوچک نیز از قطعات کوچکی از مواد ابر سخت بهره می برند و بنابراین، هزینه ها را کاهش می دهند. عمق برش این سری ها، معمولاً بوسیله ی طول لبه ی سری، محدود می شوند. همچنین سرعت های برش بسیار بالا نیز در مورد این ابزارها، استفاده نمی شود زیرا این مورد ممکن است منجر به افزایش دما، و جدا شدن اتصال بین بخش سخت و زیرلایه شود. پیشرفت های اخیر در زمینه ی تکنولوژی پوشش های الماسه، می تواند موجب شود که این گوشه ها، به صورت کامل برای برش کاری، موجود باشند، بدون آنکه عمق برش، محدود شود. این مسئله موجب کاهش هزینه های ابزار برای هر قطعه ی تولید شده، می شود.
برخی از مواد مورد استفاده در ابزارهای برشی، به سختی تولید می شوند و در تولید آنها محدودیت شکل، وجود دارد. همانگونه که در شکل 8 مشاهده می شود، یک شکل ساده از ابزارهای سیالونی، می تواند بر روی شکل پیچیده ای از ابزارها و یا بر روی زیرلایه های کاربید ارزان قیمت، چسبانده شود. یک چنین ابزاری کارایی برش یک ماده ی سرامیکی را دارد و قیمت آن نیز پایین تر است.
استفاده کننده از ابزارهای برشی پیشرفته و گران قیمت ممکن است همچنین هزینه های ابزایر خود را در برخی از عملیات ها، با استفاده از سری هایی با اندازه ی کوچکتر، کاهش دهند. بنابراین یک سری I.C یک دوم اینچ، ممکن است با یک سری I.C سه هشتم اینچ، جایگزین شود. این مسئله موجب کاهش بخشی از هزینه ها، می شود. عملیات سایش مجدد نیز که برای سایش ابزار در استفاده ی اول استفاده می شود، اضافی است و منجر به آسیب دیدن لبه های برشی می شود.
علاوه بر این، هزینه های مربوط به انتقال این سری ها، نگهداری و توسعه ی تکنولوژی های سایش مجدد نیز باید در تخمین قیمت کل مربوط به سایش، در نظر گرفته شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
CERAMIC CUTTING TOOLS/ Materials, Development, and Performance/ E. Dow Whitney