ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2013/22-SE
Examensarbete 15 hp Juni 2013
Fixturutveckling
Utveckling och konstruktion av fixtur för skärande bearbetning
Jesper Danielsson
Johan Stenberg
Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten
Besöksadress:
Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0
Postadress:
Box 536 751 21 Uppsala
Telefon:
018 – 471 30 03
Telefax:
018 – 471 30 00
Hemsida:
http://www.teknat.uu.se/student
Abstract
Utveckling och konstruktion av fixtur för skärande bearbetning Development and design of fixture for machining
Jesper Danielsson and Johan Stenberg
This thesis has been performed at International Aluminum Casting AB in Eskilstuna, Sweden.
International Aluminum Casting is currently working with a number of improvements in their production in order to achieve their vision of being the leading aluminum foundry in Sweden. As a step in their improvement efforts, focus was directed on developing the company's fixtures for machining.
Efforts were focused on two main objectives: to develop a complete proposal on a fixture which leads to a more rational use of an assigned part and also form general design advice for development of fixtures in the future.
During the work progress, discussions have been made with experts at International Aluminum Casting within the field of fixture design. The objective was to obtain sufficient knowledge about the underlying problems with the current fixture for the part. At this stage of the thesis, a number of essential criteria for fixture design were produced. Information and inspiration were obtained by examining the company’s currently developed fixtures.
After gathering the necessary information the process of developing three different fixture concepts started. In order to produce these three drafts a couple of tools to form concepts where used and in that brainstorming played a crucial role. To
determine which of these concepts who had the greatest potential the PUGH-method where used and the best concept could be determined. The starting point to develop the best concept was based on the criteria previously mentioned for designing fixtures.
The result of this thesis became a fixture which has a capacity to fit six details instead of the previous four, which gives it an advantage from a manufacturing standpoint. The developed fixture has also enabled a faster production time for the part itself because the machine movements in the manufacturing process have been reduced. These movements manifest itself most clearly in tool changes and rotations of the fixture in the machining process. A shorter processing time resulting in reduced manufacturing costs. The fastening features of the part in the fixture have been improved, resulting in a simpler and a better work environment for the operator.
ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2013/22-SE Examinator: Lars Degerman
Ämnesgranskare: Claes Aldman Handledare: Folke Sandvik
I
Sammanfattning
Examensarbetet har utförts vid International Aluminium Casting AB:s kokillgjutningsenhet i Eskilstuna.
International Aluminium Casting arbetar idag med en rad olika förbättringar inom deras produktion för att nå deras vision att vara det ledande aluminiumgjuteriet i Sverige. Som ett steg i deras förbättringsarbete har fokus lagts på att utveckla företagets fixturer för skärande bearbetning.
Arbetet har haft två huvudmål; att ta fram ett förbättrat förslag på en fixturkonstruktion för en tilldelad detalj som International Aluminium Casting har i sin produktion. Arbetet har även haft som mål att ta fram konstruktionsråd för utveckling av fixturer för framtida
förbättringsarbeten.
Under arbetets gång har diskussioner förts med sakkunniga på International Aluminium Casting inom området fixturkonstruktion. Detta för att erhålla tillräckliga kunskaper kring de bakomliggande problemen med dagens fixtur för detaljen. I detta skede av arbetet togs ett antal nödvändiga kriterier fram för fixturkonstruktion. Information och inspiration för konstruerandet har även inhämtas genom att undersöka de idag utvecklade fixturerna hos företaget.
Efter att nödvändig information samlats in gick arbetet vidare med att ta fram tre olika fixturkoncept. För att ta fram dessa tre förslag användes konceptgenereringsmetoder där brainstorming spelade en central roll. För att avgöra vilket av dessa koncept som hade störst potential användes PUGH-metoden, som är ett verktyg för att objektivt avgöra vilket koncept som är det bästa. Utgångspunkten för att ta fram det bästa konceptet var de kriterier som tidigare togs fram för fixturkonstruktion.
Resultatet av arbetet blev en fixtur som har en kapacitet att montera in sex detaljer istället för de tidigare fyra, vilket ger den en fördel ur tillverkningssynpunkt. Den framtagna fixturen har även möjliggjort en snabbare produktion för detaljen då maskinförflyttningar vid tillverkning reducerats. Dessa förflyttningar yttrar sig tydligast i verktygsbyten och rotationer av fixturen i bearbetningsprocessen. En kortare bearbetningstid leder till minskade tillverkningskostnader.
Inspänningen av detaljen i fixturen har förbättrats, vilket ger en enklare och mer arbetarvänlig arbetsmiljö för montören.
Nyckelord: Fixturkonstruktion, Optimering, PUGH-metoden.
II
III
Förord
Examensarbetet har ägt rum på International Aluminium Casting AB i Eskilstuna. Arbetet har haft som syfte att ta fram ett koncept för fixturkonstruktion som skall kunna tillverkas och användas i produktion. Efter studier, praktiska moment och konceptgenerering har en
fixturlösning tagits fram. Examensarbetet har utförts av Jesper Danielsson och Johan Stenberg, studerande på högskoleingenjörsprogrammet i maskinteknik vid Uppsala universitet.
Vi vill tacka vår handledare på International Aluminium Casting, Folke Sandvik för hjälp och vägledning under arbetets gång. Möjligheten att få utföra vårt examensarbete hos er har varit otroligt uppskattad och givande för oss.
Vi vill även tacka Carl-Johan Berggren för den praktiska handledningen och kunnande som hjälpt oss mycket under examensarbetet. Den rådgivning och de konstruktionsråd vi fått har hjälpt oss oerhört vid framtagning av fixturen.
Tack till vår examinator Lars Degerman för det stöd och medgörligheten under examensarbetet.
Mycket tack till vår ämnesgranskare Claes Aldman för all hjälp under arbetets gång och råd när problem uppstått.
Slutligen vill vi tacka övriga på International Aluminium Casting för hjälp vid vårt arbete ute i produktionen och vid frågor om problem.
Uppsala, juni 2013
Jesper Danielsson och Johan Stenberg
V
Innehållsförteckning
1. Inledning ... 1
1.1 Företagspresentation ... 1
1.2 Bakgrund ... 1
1.3 Problembeskrivning ... 2
1.4 Syfte och mål... 2
1.5. Avgränsningar ... 2
1.6 Metoder ... 3
1.6.1 Förstudie ... 3
1.6.2 Konceptgenerering av fixtur ... 3
1.6.3 Val av koncept... 4
1.6.4 Framtagning av CAD-modell samt fixturritningar ... 4
1.6.5 Planering ... 4
1.7 Förkortningar och begrepp ... 5
2. Nulägesanalys ... 7
2.1 Maskinoperationer på detalj ... 7
2.2 Processen för befintlig fixtur ... 8
2.3 Maskinbegränsningar ... 11
3. Teori ... 13
3.1 LEAN ... 13
3.1.1 Principer inom LEAN ... 13
3.1.2 Verktyg inom LEAN ... 14
3.2 Skärande bearbetning ... 14
3.2.1 Fräsning ... 15
3.2.2 Borrning ... 16
3.2.3 3-axliga bearbetningsmaskiner ... 16
3.2.4 5-axliga bearbetningsmaskiner ... 16
3.3 Fixturer ... 17
3.3.1 Allmänt om fixturer... 17
3.4 PUGH ... 18
4. Genomförande ... 23
VI
4.1 Konceptgenerering ...23
4.1.1 Koncept 1 ...23
4.1.2 Koncept 2 ...27
4.1.3 Koncept 3 ...29
4.2 Konceptval ...31
4.2.1 Verktygsbyten ...34
4.2.2 Rotationer ...35
4.2.3 Tidsåtgång ...36
4.3 Konceptförbättring ...36
4.4 Slutliga förändringar ...40
5. Resultat...41
5.1 Positionering ...41
5.2 Fastspänning...41
5.3 Stabilitet och styrning ...43
5.4 Bottenplatta ...45
5.5 Beräkningar verktygsbyten och rotationer ...46
6. Analys och diskussion ...47
6.2 Analys ...47
6.3 Diskussion ...48
7. Slutsatser och rekommendationer ...49
7.1 Slutsater ...49
7.3 Rekommendationer ...50
8. Referenslista ...51
Figurförteckning
Figur 2:1 Maskinoperationer sida ett. ...8Figur 2:2 Maskinoperationer sida två. ...8
Figur 2:3 Avverkning av gjutskägg ...9
Figur 2:4 Befintlig fixtur tempo ett ...10
Figur 2:5 Befintlig fixtur tempo två ...11
Figur 2:6 Maxmått på fixturkonstruktion...11
Figur 2:7 Maxmått för maskinbearbetning ...12
VII
Figur 3:1 Frihetsgrader. ... 17
Figur 3:2. 3-2-1-principen. ... 18
Figur 4:1 Version A ... 24
Figur 4:2 Version B ... 25
Figur 4:3 Version B ... 25
Figur 4:4 Inspänning av detalj... 26
Figur 4:5 Klämspänne ... 27
Figur 4:6 Tempo ett koncept 2. ... 28
Figur 4:7 Inspänningen tempo 1. ... 28
Figur 4:8 Inspänningen tempo 2. ... 29
Figur 4:9. Vybild över koncept 3 ... 29
Figur 4:10 Infästning triangelfixtur ... 30
Figur 4:11 Stöd i “koncept 3” ... 31
Figur 4:12 Förändringar efter PUGH ... 37
Figur 4:13 Spännelement ... 38
Figur 4:14 Fixturkonstruktion ... 38
Figur 4:15 Fixturmodifieringar ... 39
Figur 4:16 Vibrationsspänne ... 39
Figur 5:1 Fixturhållare ... 41
Figur 5:2 Spännelement 1. ... 42
Figur 5:3 Spännelement två. ... 43
Figur 5.4 Stabilitet och styrning ... 43
Figur 5:5 Fastspänning av tornen i bottenplattan ... 44
Figur 5:6 Stag ... 45
Figur 5:7 Bottenplattan ... 45
Tabellförteckning
Tabell 3:1 ... 19Tabell 3:2 ... 19
Tabell 4:1 Kriterieutvärdering... 33
Tabell 4:2 Fixturjämförelse ... 33
VIII
1
1. Inledning
1.1 Företagspresentation
International Aluminium Casting AB (IAC) är ett företag som arbetar med press- och
kokillgjutning i aluminium. De producerar och tillverkar produkter från gjutämne till färdiga detaljer som bearbetas, ytbehandlas samt monteras. De arbetar med vertikala och horisontella maskiner för skärande bearbetning. År 1922 startade företaget och arbetade då enbart med kokillgjutning och började med pressgjutning 1948.
IAC har idag en omsättning på omkring 220 miljoner kronor och har 220 anställda. Företaget har produktionsenheter i Eskilstuna, Sverige samt Tartu, Estland. För närvarande smälter och gjuter deras fabriker runt 2800 ton av aluminium med olika legeringsämnen per år. IAC har en total fabriksyta på över 18 000 kvadratmeter. De har som mål att bli det ledande företaget i Sverige gällande kokill- och pressgjutning i aluminium.
Företaget har en strategi att jobba med långsiktiga kundrelationer för att få ökad stabilitet i tillverkningsprocesserna. Detta skapar produkter med bra kvalité med konkurrensfördelaktiga priser.1
1.2 Bakgrund
International Aluminium Casting AB arbetar med press- och kokillgjutning i aluminium. När är en detalj är gjuten behöver det i regel maskinbearbetas för att färdigställas efter de satta specifikationerna. För att detaljen ska kunna bearbetas måste det fästas i en fixtur i
bearbetningsmaskinen. Fixturens utformning beror på vad som skall bearbetas på detaljen men även beroende på detaljens geometrier.
IAC vill förbättra sin produktion och arbetar mot att vara det ledande aluminiumgjuteriet i Sverige. För att uppnå sitt mål måste de därför studera alla olika moment i produktionskedjan.
Något som är aktuellt att undersöka är fixturer för deras bearbetningsprocesser och hur dessa kan förbättras. Företaget jobbar med vertikala och horisontella maskiner för den skärande bearbetningen och en bra fixturer är ytterst viktigt. Fixturerna håller fast den detalj som skall bearbetas vilket gör att fixturens konstruktion är viktig för att uppnå en snabb och pålitlig process. En fixtur behöver ett rationellt utnyttjande av maskinen men även med operatören, vilket idag inte är fallet.
1 International Aluminium Casting AB, Om IAC, http://www.iac-ab.se 2013
2
1.3 Problembeskrivning
IAC har idag en fixtur som visar på bra funktionalitet i bearbetningsprocessen men som inte utnyttjar bearbetningsmaskinen på ett rationellt vis. Fixturen som skall utvecklas har i
dagsläget en kapacitet på färre antal detaljer än vad maskinen potentiellt klarar. Ett problem är att fixturen inte möjliggör full bearbetning i ett tempo. Detaljen måste i dagsläget fästas i fixturen i två uppspänningar för att möjliggöra all maskinbearbetning. Detaljen måste således laddas och plundras två gånger innan det når de satta specifikationerna. Den nuvarande konstruktionen medför även att bearbetningen ej är rationellt då den kräver fler rotationer och verktygsbyten än vad som anses nödvändigt.
Detta leder till en mer tidskrävande tillverkningsprocess än vad som är lämpligt. För att klara av att konkurrera som det ledande aluminiumgjuteriet måste denna typ av slöseri elimineras då detta ej är värdeskapande. En ny fixturkonstruktion utgör ett mer rationellt utnyttjande av maskinen är därför av intresse. En sådan fixturlösning medför även lägre
tillverkningskostnader
1.4 Syfte och mål
Examensarbetet har som mål att ta fram 2-3 konstruktionsförslag på en förbättrad fixtur som leder till ett rationellt utnyttjande av den befintliga bearbetningsmaskinen. Däribland ge kortare monteringstider av detaljen. Det kan innebära ett helt nytt fixturförslag eller förbättringar av den befintliga. Efter diskussion med IAC ska det bästa förslaget på konstruktion arbetas vidare med. Det skall sedan kunna visas upp i en presentation på ett överskådligt sätt med hjälp av 3D modellering med tillhörande ritningar. I mån av tid skall en analys av den ekonomiska faktorn genomföras. Kostnaderna skall framgå samt ge en bra överblick av vilka besparingar förslaget kan komma att leda till.
Projektet har även som mål att finna generella konstruktionsråd kring arbetet med att utveckla fixturer i framtiden.
1.5. Avgränsningar
För att kunna disponera den tid som är given för examensarbetet på ett rimligt sätt är avgränsningar nödvändiga. Delvis för att fokus skall läggas på rätt saker och även för att arbetet ska kunna avslutas med ett konkret resultat.
De avgränsningar som gjort finns att beskåda nedan:
Vi kommer bara att jobba med en fixtur. Denna kommer dock kunna vara möjlig att implementera i andra “maskiner” med viss omformning.
Vi kommer avgränsa oss till 2-3 konceptförslag på fixturen, därefter kommer vi i samråd med IAC att välja det förslag som har bäst förutsättningar.
Kap.1 Inledning
3
Endast det valda förslaget utvecklas med ett program för datorstödd konstruktion.
Vidareutveckling därefter så som provning, prototypframställning etc. utelämnas i detta arbete.
Den ekonomiska aspekten kommer benämnas och tas i åtanke vid framställning av fixtur. I mån av tid kommer beräkningskalkyler, tillverkningskostnad,
verktygskostnader samt andra kringkostnader undersökas.
1.6 Metoder
1.6.1 Förstudie
I förstudien togs underlag för examensarbetet fram. Dialoger med anställda som har kunskap av bearbetning och fixturkonstruktion har genomförts. Litteraturstudier för ökad kunskap inom fixturkonstruktion samt maskinbearbetning har också genomförts. En kravspecifikation togs fram utifrån den inhämtade informationen från litteraturstudien och de sakkunniga på
företaget. Förstudien genomfördes för att projektmedlemmarna skulle ha väsentliga kunskaper vid konstruktionsarbetet. Den kravspecifikation som framarbetades innehåller nedanstående kriterier, en god fixtur ska:
1. Medge ett rationellt utnyttjande av bearbetningsmaskinen.
2. Ge god repeterbarhet. Det innebär att arbetsstycket skall positioneras med stor noggrannhet i rymden.
3. Vara stabil och inte ge upphov till vibrationer.
4. Vara dämpande för egensvängningar i arbetsstycket.
5. Vara snabb och rationell att ladda och plundra.
6. Ej skapa inspänningsdeformationer på arbetsstycket som skall bearbetas.
7. Arbetsstycket får inte ligga löst i fixturen utan måste sitta fast nog bra så vibrationer vid bearbetningen ej uppkommer.
I förstudien genomfördes en nulägesanalys. I nulägesanalysen har projektmedlemmarna satt sig in i de problemen den befintliga fixturen medförde. Men även tagit del av de fördelar den besitter. Information inhämtades genom samtal med sakkunniga på IAC och genom studier av den nuvarande fixturen. I nulägesanalysen har projektmedlemmarna genomfört
rundvandringar på fabriken och inspekterat andra fixturer. Det för att finna inspiration till kreativa lösningar som möjligtvis kan implementeras i fixturkonstruktionen. Internet användes även som en källa för inspiration till lösningar.
1.6.2 Konceptgenerering av fixtur
Utefter kravspecifikationen och nulägesanalysen genererades sedan tre olika grundkoncept för fixturen. De tre koncepten inriktades på olika spår för att ge möjlighet att komma fram till den bästa lösningen. De olika koncepten togs fram främst genom brainstorming men även till stor
4 del av skisser. Processen för att generera nya idéer var brainstorming för att finna lösningar på de problem som uppkommit. Samtidigt som pågående brainstorming ritades skisser för att visualisera lösningarna. Efter brainstormingen var över delades idéer upp i två kategorier, genomförbara och ej genomförbara. De uppkomna lösningarna arbetades sedan vidare med för att förbättra dem. Bland annat hitta alternativa lösningar för att uppnå samma funktion.
Densamma metod användes i senare skede för att lösa problem på detaljnivå såsom positionering och inspänning.
1.6.3 Val av koncept
Från de tre koncepten skulle sedan ett utav de koncepten väljas för att arbeta vidare med. Valet genomfördes tillsammans med IAC. För att avgöra vilket koncept som bäst uppfyller de uppsatta kriterierna användes PUGH-metoden.
1.6.4 Framtagning av CAD-modell samt fixturritningar
För att möjliggöra visualisering samt modellering av koncepten och det slutgiltiga resultatet användes Solidworks. Med hjälp av detta verktyg kan en 3D modell och ritningar skapas.
1.6.5 Planering
För disponeringen av tid för arbetet skrevs en projektplan där momenten för arbetet togs med.
När arbetet påbörjades kunde de uppsatta målen och avgränsningarna användas för att arbetets genomförande skulle följas. Dessutom togs en tidsplanering fram i form av ett Gantt-schema för att kunna överblicka vad som skulle arbetas med och ha kontroll över arbetets olika moment.
Till varje delmoment sattes en deadline för att ha kontroll över vad som var färdigställt och vad som skulle göras. Att rapportskrivningen skulle ske fortlöpande under projektet och sedan få mer tid i slutskedet var ett medvetet val taget från erfarenhet och råd från examinator samt ämnesgranskare.
Gantt-schemat utformades i grova drag och avgjorde vad som skulle göras vecka för vecka.
Det fanns dock möjlighet att förändra det om något moment skulle kräva extra tid. Sedan har en mer ingående plan gjorts vecka för vecka där projektmedlemmarna har diskuterat vad som bör göras och därefter satt upp olika deadlines.
Eftersom möjligheten att vara på plats hos företaget varit goda när mer komplicerade frågor uppstått har möten kunna bestämmas med kort varsel. Det var till stor fördel för arbetets fortskridande samt att den i början satta tidsplaneringen efterlevdes.
Kap.1 Inledning
5 För att de uppsatta målen skulle uppfyllas sattes delmål upp med deadlines. Delmål som sattes upp var att bli klar med koncepten som skulle resultera i en fixturlösning. Deadline för dessa sattes så erforderlig tid skulle finnas för arbetet med den slutgiltiga konstruktionen.
För att kunna välja konceptförslag var planering viktigt. Tid disponerades för att välja en lämplig bedömningsmetod för att kunna utvärdera förslagen och nå ett bra resultat.
1.7 Förkortningar och begrepp
I rapporten kommer förkortningar och begrepp att användas. IAC är förkortningen för International Aluminium Casting AB och kommer användas för att underlätta för läsaren.
CAD står för Computer-Aided Design och är en digital teknik som används för 3D-
modellering och framställning av ritningar. Programmet som använts i detta examensarbete är Solidworks.
SMED är förkortningen för Single Minute Exchange of Dyes och är en metod för att minska omställningstider. Vad gäller denna rapport riktar det sig mot den angivna
bearbetningsmaskinen.
I rapporten kommer olika begrepp att användas som är vanliga vid fixturtillverkning.
Ladda och plundra är begrepp som används för att beskriva i- och urplockning av detaljer i en fixtur. Ofta talas det om laddnings-/plundringstiden vilket är den tid det tar för en montör att göra iordning en fixtur inför bearbetning.
Tempo är något som ofta benämns och är en cykel av bearbetning. Om en fixtur använder sig av ett tempo betyder det att detaljerna laddas in i fixturen, bearbetningsmaskinen tar in fixturen och bearbetar detaljerna och sedan skickar ut dem igen för plundring. Det bearbetningsmaskinen nu gjort kallas “ett tempo”. Beroende på detaljens utformning och komplexitet kan det behövas fler tempon för att uppnå den önskade bearbetningen.
Palett är en del i en bearbetningsmaskin. Det är på paletten fixturkonstruktionen fästs och hålls fast under bearbetningen. Fixturerna monteras på en grundplatta som fixeras på palettens ovansida. När sedan fixturen är inne i maskinen förekommer vanligen palettvridningar, det för att maskinen ska komma åt att bearbeta de förbestämda ytorna på detaljerna.
6
7
2. Nulägesanalys
Nulägesanalysen utfördes under arbetets tre första veckor för att ge en klar bild över problemet. Det som undersöktes var problematiken med den befintliga fixturen och de kringproblem det medförde. Det undersöktes också vilka fördelar konstruktionen medförde.
Informationen inskaffades genom samtal och intervjuer med sakkunniga på IAC. Fördelarna med den befintliga fixturen var att inspänning, stabilitet och positionering medför en stabil process som möjliggjorde en repetitiv tillverkning.
I nulägesanalysen uppdagades ett antal negativa aspekter som skulle elimineras. Den potentiella kapaciteten av antalet detaljer maskinen besitter per körning utnyttjades inte till max. Fixturen var konstruerad på ett sätt så detaljen behövde maskinbearbetas i två tempon för alla maskinoperationer. Utöver det krävde den befintliga fixturen att detaljen var tvungen att förbearbetas för att avlägsna gjutskägg som var i vägen för en utav inspänningarna. Efter de två maskinbearbetningarna behövde även fixturen efterbehandlas manuellt för att planslipa två cirkulära ytor som användes som inspänningspunkter under det andra tempot.
I denna fas av projektet undersöktes även vilka maskinbearbetningar detaljen genomgår innan tillverkningen var fullbordad.
2.1 Maskinoperationer på detalj
För att veta vilka begränsningar vi hade kring inspänning och stödpunkter behövdes en medvetenhet av de maskinoperationer som detaljen skulle genomlöpa. Om krockar uppstår mellan stödpunkt, inspänning och verktyg innebar det en omöjlig produktion.
På den första sidan av detaljen förekom ett flertal operationer. Det var två olika
borroperationer. Det större hålet, Fig 2.1, borras med en stegborr med diametern 19,5 mm.
Samtidigt som hålet borrades fasades kanten. Den andra borroperationen som genomfördes är borrningen av de fyra mindre hålen, Fig 2.1, med en stegborr med diametern 9,1 mm, även dessa hål fasades. Det skedde tre olika fräsoperationer. De konturer de blå pilarna markerar, Fig. 2.1 planfrästes av en planfräs med diametern 25 mm. Spåret fräses med en skivfräs med diametern 25 mm, Fig. 2.1. Sedan frästes röret på detaljen med en konturfräs, Fig. 2.1.
8 Figur 2:1 Maskinoperationer sida ett.
På sida nummer två av detaljen var det tre olika typer av operationer. Dels frästes rörets mynning, Fig 2.2. De fyra mindre hålens ytor frästes. De två större resterande ytorna planfrästes med en fräs med 125 mm i diameter. Det finns även ett hål som borrades och fasades, Fig. 2.2. Det som sedan återstod var att borra och gänga två stycken hål, Fig 2.2.
Figur 2:2 Maskinoperationer sida två.
2.2 Processen för befintlig fixtur
Det första steget var att manuellt avverka det gjutskägg som hindrade inspänningen i tempo ett, Fig. 2.3.
Kap. 2 Nulägesanalys
9 Figur 2:3 Avverkning av gjutskägg
För det första tempot fanns totalt fyra element för att positionera och låsa detaljen i vertikal och horisontell riktning. Det fanns två stycken spännelement för att låsa detaljen i djupgående riktning, Figur 2.4.
10 Figur 2:4 Befintlig fixtur tempo ett
I det andra tempot användes den planfrästa ytan och de borrade hålen som referenser. I det andra tempot används två av de borrade hålen för att positionera detaljen i vertikal och horisontell riktning, Fig 2.5. De två andra bearbetade hålen från tempo ett användes för inspänning av detaljen och låsa den i djupgående riktning, Fig 2.5. I andra tempot bearbetades även röret på detaljen. Vid bearbetningen uppstod vibrationer som behövde dämpas.
Dämpningen uppnåddes med ett snabbspänne, Fig 2.5.
Kap. 2 Nulägesanalys
11 Figur 2:5 Befintlig fixtur tempo två
Efter det andra tempot var det som återstod planfräsning av ytorna för de hål som användes för inspänningen i tempo två. De två ytorna täcktes av muttrar, Fig 2.3.
2.3 Maskinbegränsningar
Maskinen hade begränsningar kring storleken på fixturen, maxmått för att kunna ta in fixturen och maxmått för att nå med verktyget vid tillverkningen, Fig 2.6, Fig 2.7.
Figur 2:6 Maxmått på fixturkonstruktion
12 Figur 2:7 Maxmått för maskinbearbetning
13
3. Teori
3.1 LEAN
LEAN är en filosofi om hur ett företags resurser hanteras. Arbetet med LEAN har som mål att i omgångar finna och minska onödiga förflyttningar och arbeten som inte tillför något värde för slutkunden. En central del inom LEAN är begreppet “Just-in-time” som handlar om att rätt material ska vara på rätt plats vid rätt tidpunkt. Arbete som inte tillför något värde för
slutkunden benämns som slöseri. Exempel på slöseri är att överarbeta och tillverka med snävare toleranser än nödvändigt. Eller att en montör måste gå långa sträckor för att genomföra arbetet. inom LEAN definieras 8 olika slöserier som bör arbetas med och elimineras:2
Överproduktion - Att tillverka större volymer än den momentana efterfrågan. Det anses vara det värsta av slöserier då ger upphov till flertalet andra slöserier.
Väntan - En produkt som väntar på nästa steg i produktionen.
Lager - Alla produkter som lagerhålls, både produkter i produktion men även färdigvarulager.
Rörelse - Onödiga förflyttningar och moment i tillverkningsprocessen.
Omarbete - Reparationer och omarbete på defekta produkter.
Överarbete - Att utföra mer arbete än vad kunder kräver, t.ex. att tillverka med snävare toleranser än vad kravspecifikationen kräver.
Transporter - Onödiga transporter som inte är en del av tillverkningsprocessen.
Medarbetares outnyttjade kreativitet.
3.1.1 Principer inom LEAN
Det finns en rad olika principer som styr LEAN. De första principerna som uppkom har rötter från Frederick Winslow Taylors bok “Scientific Management”. Boken inspirerade många inom industrin bland annat Henry Ford som slutligen skapade ett produktionssystem med löpandebandprincipen.3 Det viktiga som belystes var att tillgodose den växande marknaden vilket innebar att massproduktion blev ett måste. Senare började Toyota med TPS, Toyota Production System. Syftet med produktionssystemet var att tillverka produkter med minsta möjliga mängden resurser.
2Bergman och Klefsjö. Fjärde upplagan. s. 622
3 Nationalencyklopedin, 2013, http://www.ne.se/lang/henry-ford/172885
14 3.1.2 Verktyg inom LEAN
Inom LEAN finns olika verktyg som kan implementeras för att förbättra produktionen. Några av dem benämns nedan.
3.1.2.1 SMED
SMED, Single-Minute Exchange of Dye, är ett av många verktyg inom LEAN. SMED syftar till att effektivisera omställningstiden för tillverkningen. Vilket är den tid det tar att ställa om tillverkningen av en detalj till en annan. Med SMED ska omställningstiden vara under tio minuter.4
3.1.2.2 Poka yoke
Poka yoke är en japansk term som betyder felsäkring. Poka yoke handlar om att förebygga felet den mänskliga faktorn i produktionen. I sin enklaste form kan poka yoke vara att en hankontakt bara kan kopplas ihop med en honkontakt på ett speciellt vis. Det kan även handla om att en produkt bara kan fästas på det rätta sättet i en fixtur. Genom att implementera poka yoke i fixturutveckling tas ett steg för att säkerställa en felfri produktion. Verktyget ger således möjligheten att spara både tid och pengar.
Poka yoke brukar delas in i två olika kategorier vilka är förebygga och upptäcka. Förebygga handlar om att designa processer så det inte går att göra fel. Det tar bort behovet att rätta till fel eftersom felet inte kan uppstå. Upptäcka handlar om de tillfällen då det är omöjligt att
förebygga felen fullt ut. Processen vara uppbyggd på så sätt att ett eventuellt fel ska upptäckas för att kunna åtgärdas.5
3.2 Skärande bearbetning
Skärande bearbetning, eller spånbrytande bearbetning, är ett samlingsnamn för
tillverkningsprocesser där ett skärverktyg med egg skär bort material från ett arbetsstycke. Vid bearbetningen skjuvas arbetsstycket kraftigt av skärverktyget vilket ger upphov till
skjuvkrafter. Det är fenomenet som leder till att spånor skiljs. Under skärande bearbetning skiljer sig materialet från arbetsstycket i form av ett spån. Det finns olika sorter av skärande bearbetning men de vanligaste är borrning, svarvning och fräsning. Det finns ett antal faktorer som spelar in på resultatet vid skärande bearbetning. Dessa faktorer måste tas i beaktning för att resultatet skall bli överensstämmande med satta toleranser och specifikationer. Skärdata är en utav de faktorer som har stor inverkan på resultatet. Skärdata innefattar maskintekniska data såsom skärhastighet, matning och skärdjup. Skärhastighet är hastigheten skärverktyget har vid bearbetningen. Matning är i den hastighet skärverktyget och arbetsstycket förs i mot varandra. Skärdjupet är det djup på arbetsstycket som avverkas. Beroende på hur dessa
4 Shingo 1989. s. 47
5 Shingo 1985. s. 99
Kap. 3 Teori
15 skärdata anpassas kommer andra faktorer påverkas. Faktorer som påverkas är ytjämnhet, skärets livslängd och spånets utformning osv.6 Det finns även en ekonomisk aspekt när
skärdata ska väljas. En högre matning ger en kortare processtid men ett större slitage på eggen.
Vid bearbetningen rör sig spån över verktyget långsammare än skärhastigheten. När detta sker uppstår ett högt tryck och hög temperatur vilket leder till att de flesta material blir plastiska. På grund av den höga temperaturen i kombination med de stora krafterna som uppstår slits eggen kraftigt. För att minska temperaturen används vanligen någon form av skärvätska. Skärvätskan används även för att slå sönder spånen.
3.2.1 Fräsning
Fräsning är en tillverkningsteknik inom skärande bearbetning. Ett fräsverktyg har många eggar och monteras i en fräsmaskin. Vid fräsning roterar verktyget och materialet matas mot eggen.
Fräsverktyget är antigen tillverkat i ett stycke eller med mekaniskt monterade eggar. Vid fräsning används med- eller motfräsning där motfräsning är den vanligaste. Motfräsning ställer lägre krav på stabilitet men leder till en högre förslitning av eggen. Fördelen att använda medfräsning är en finare ytjämnhet och lägre förslitning av eggen. Fräsverktygets utformning gör att eggarna inte skär under hela varvet utan bara en liten del under en rotation. Det leder till att eggen utsätts för stora kraftvariationer med temperaturväxlingar som följd. Metoden används främst för att skapa plana ytor men kan även användas för att tillverka komplexa former. Det finns olika metoder inom fräsning, de vanligaste är spårfräsning, planfräsning och pinnfräsning.7
3.2.1.1 Planfräsning
Vid planfräsning sker bearbetningen av verktygets skäreggar, som sitter längs med verktyget omkrets och till viss del på verktygets ändyta. Roationsriktningen på fräsverktyget formar en vinkelrät mot den radiella matningen.8
3.2.1.2 Pinnfräsning
Vid pinnfräsning kan upp till tre ytor bearbetas samtidigt. Arbetsområdet vid pinnfräsning definieras av verktygets diameter samt det möjliga skärdjupet. Lämpliga operationer där pinnfräsning är att föredra är fräsning av spår eller ansatser. 9
3.2.1.3 Skivfräsning
Skivfräsning används när det önskas ta fram ett spår längs med arbetsstyckets kontur.
Verktyget vid skivfräsning består av en skiva där skären sitter på skivans diameter och tjockleken på skivan avgör bredden på spåret.10
6 Jarfors, Carlsson, m.fl. Fjärde upplagan. s. 298
7Jarfors, Carlsson, m.fl. Fjärde upplagan. s. 370
8 Jarfors, Carlsson, m.fl. Fjärde upplagan. s. 371
9 Jarfors, Carlsson, m.fl. Fjärde upplagan. s. 371
16 3.2.2 Borrning
Den skärande processen för borrning liknar fräsning till stor del. Den stora skillnaden är kravet på spånen. Vid borrning är det viktigt att spåren vid spånbrytningen snabbt kan transporteras bort. Annars finns det stor risk att borren bryts av. Beroende på hålets karaktär finns de i huvudsak två metoder för evakuering av spånor. Den första tekniken är att spånorna förs bort med spiralkanaler i borren. Denna metod lämpar sig främst vid korthålsborrning vilket är borrdjup på max 6 gånger borrens diameter. Vid borrning av djupare hål som kräver ett noggrant resultat används en ofta ejektorborr. Spånorna sugs då ut när olja trycks in borren.
Vid borrning av hål med ökade toleranser bör upprymning och brotschning användas.11 3.2.3 3-axliga bearbetningsmaskiner
En 3-axlig bearbetningsmaskin är en maskin vars frihetsgrader i antal är tre. De vanligaste applikationerna för 3-axliga maskiner är automatiserade fräs- och borroperationer. Maskiner med tre axlar lämpar ypperligt för bearbetningar av enkla geometrier. Generellt kan en 3-axlig maskin arbeta med större detaljer än 5-axliga detaljer kan beroende på att komplexiteten i maskinen är lägre för den förstnämnda. I 3-axliga maskiner så kan antingen bordet eller spindeln röra sig i x-, y- och z-led. Det förekommer som regel ingen rotationsaxel i den typen av maskin. En begränsning som maskinen har är att om operationer skall ske på fler än en sida krävs det flera uppspänningar av detaljen. Programmering av bearbetningsmaskinen sker vanligen på utomstående programvara för att sedan laddas in i maskinen. Detta möjliggör en minskad operatörstid vid maskinen.
3.2.4 5-axliga bearbetningsmaskiner
Den stora skillnaden mellan 3-axliga och 5-axliga bearbetningsmaskiner är att den senare har fem frihetsgrader istället för tre. De två extra frihetsgraderna yttrar sig i form av rotation längs med två av axlarna. De 5-axliga maskinerna har i regel en uppdelning av frihetsgraderna mellan spindel och bordet. Med en uppdelning av frihetsgraderna möjliggörs en bearbetning av komplexare geometrier med få uppspänningar. Detta eftersom åtkomligheten ökar drastiskt jämfört med en 3-axlig maskin. I och med detta kan produkter med komplexa geometrier produceras snabbt och billigt samtidigt som snäva toleranser kan nås. Nackdelen med 5-axliga maskiner jämför med 3-axliga är att programmeringen blir svårare då fler inställningar på både bord och spindel måste verkställas. Det ställer därför högre krav på möjligheten att simulera och programmera i ett externt program och inte direkt i bearbetningsmaskinen.
10 Sandvik Coromant AB, Kunskap, Fräsning, Spårfräsning, Skivfräsning, 2013 http://www.sandvik.coromant.com
11 Jarfors, Carlsson, m.fl. Fjärde upplagan. s. 364
Kap. 3 Teori
17
3.3 Fixturer
3.3.1 Allmänt om fixturer
En fixtur är ett verktyg som används för fasthållning av arbetsstycke vid maskinbearbetning.
Fixturen är en vital del som har till uppgift att positionera, stadga och fixera arbetsstycket.
Detta inom höga toleranser. Det är av högsta vikt att en fixtur klarar av att bibehålla en god positionering, stagning och fixering även när krafter från bearbetningen appliceras. Det måste tas i beaktning vid konstruering av fixturen. Vid konstruering av fixturer finns således ett antal kriterier som bör uppfyllas, de finns summerade i Kap. 1.6.1.
3.3.1.1 Punktpositionering
Vid konstruering av en fixtur där skärande bearbetning är involverad måste flertalet saker tas i beaktning för att processen skall fungera optimalt. Eftersom bearbetningskrafter uppstår som varierar i riktning och storlek så måste varje fixtur anpassas för den speciella detalj som skall bearbetas. En kropp som är fri i rymden har 6 frihetsgrader varav 3 axlar och 3 rotationsleder, Fig. 3.1.
Figur 3:1 Frihetsgrader.
Vid positionering och fastspänning av en detalj i fixtur finns flertalet utarbetade metoder och principer för att komma till bukt med de problem som uppstår. Den princip som brukar användas som standard för fixturkonstruering kallas 3-2-1-principen. Den är utformad på så
18 sätt att tre referensplan som är vinkelräta mot varandra används som en referensram innan positionering påbörjas. På det första referensplanet placeras tre punkter, så kallade
stödpunkter, som eliminerar 2,5 frihetsgrader av de totala 6, Fig. 3.2. Anledningen till att använda tre stöd istället för fler eller färre förklaras enligt väldigt enkla modeller. Vid färre stödpunkter än tre kommer detaljen att ligga instabilt i fixturen och risken för felaktig
bearbetning ökar. Om fler stöd än tre placeras ut ökar riskerna för inspänningsdeformationer i detaljen. På den andra sidan placeras två punkter som fastställer en sidoreferens för detaljen.
Därefter placeras ytterligare en lokaliseringspunkt på det tredje planet vilket gör att det nu eliminerats 4,5 frihetsgrader. För att arbetsstycket skall bli helt fixerad i detta läge måste en spännanordning placeras ut så de sista 1,5 frihetsgraderna blir eliminerade.12 Beroende på formen av detaljen kommer placeringen och utformningen av spännelementet att påverkas.
Detta för att ta bort de vibrationer som kan uppstå vid bearbetning.13
Figur 3:2. 3-2-1-principen.
3.4 PUGH
PUGH-metoden är en konceptvalsmetod som används för ett objektivt och systematiskt konceptval. Metoden kan användas vid olika tänkbara val, då den är väldigt generell. Det första steget i PUGH är att ta fram flera olika alternativ att kunna vikta mot varandra. Sedan måste ett godtyckligt antal relevanta kriterier sättas upp för att kunna jämföra hur bra de olika koncepten uppfyller dessa kriterier. PUGH-metoden används för att välja det bästa konceptet som tagits fram under en konceptgenerering.
12 Dovskog. 1995. s. 41 13 Gustafsson. 1994. s. 9
Kap. 3 Teori
19 PUGH-metoden utförs i två steg. I det första steget viktas de uppsatta kriterierna mot varandra för att avgöra vilket kriterium som är det viktigaste att uppfylla. I detta steg viktas kriterierna parvis mot varandra för att avgöra vilket av de två kriterierna som är viktigast, det viktigaste kriteriet får ett poäng. I denna rapport indikeras given poäng med ett “+” och ej given med ett
“x”. Poängen varje kriterium får summeras sedan, det kriterium som får den högsta
totalpoängen är det kriterium som är viktigast.14 Denna process utförs lämpligen i en tabell, ett exempel visas i Tabell 3.1
Tabell 3:1
I nästa steg viktas de framtagna koncepten mot varandra utefter de framtagna kriterierna. Det för att avgöra vilket koncept som bäst uppfyller det viktigaste och flest kriterium. Ett koncept väljs som referens och övriga koncept jämförs med detta. Om ett koncept bättre uppfyller ett kriterium än referensen markeras det med ett “+”, sämre markeras med “-” och likvärdig markeras med “S”. Dessa betyg summeras sedan. Det är lämpligt att ställa det viktigaste kriteriet överst. Ett exempel på denna process visas i Tabell 3.2.
Tabell 3:2
14 Pugh. 1991. s. 74
20 Av ett exempel i Tabell 2.2 framgår att koncept 2 är det bästa alternativet. Detta beroende på att det konceptet har flest antal “+”. Om två koncept skulle hamna på samma antal “+” är det viktigt att ta till hänsyn vilka av kriterium de får “+”. Ett “+” från det viktigaste kriteriet väger således tyngre än ett “+” från det minst viktiga kriteriet.
22
23
4. Genomförande
4.1 Konceptgenerering
Arbetet som gjordes av insamlandet av teori och kunskaper inom fixturkonstruering skapade möjligheter men även problem. Vid ett möte med handledare på IAC fastställdes att tre olika fixturkoncept skulle tas fram för att hitta nya idéer och lösningar. Dessa skulle uppfylla vissa krav som var satta i samråd IAC. Även allmänna krav för en fixtur för skärande bearbetning skulle uppfyllas. För att kunna genomföra jämförelsen användes Solidworks, ett program för 3D-modellering, för att konstruera de olika fixturkoncepten. Olika förslag och lösningar diskuterades för att jämföra de idéer som fanns. Efter studier i litteratur och egna
observationer fastställdes de tre olika fixturkoncepten.
Andra teorier och kunskaper som påverkade utformningen av koncepten är LEAN.
Konstruktionerna har utvecklats för att arbetstider både inne i maskinen och utanför ska minimeras. I maskinen handlade det om att tiden för bearbetningen ska vara så låg som möjligt. Detta kan uppnås genom att eliminera onödiga rörelser i den mån det varit möjligt.
All rörelse som sker i maskinen som inte är spånbildande är arbete som ej är värdeskapande för kund och som är ett slöseri. Det arbete som behövdes göra utanför maskinen för
laddningen och plundringen är även det ej värdeskapande. Dock är det nödvändiga slöserier.
Men att minimera den tidsåtgången har varit centralt i utformningen fixturen, framförallt för positioneringen och spännelementen.
LEANverktyget Poka yoke var viktigt under konstruerandet, det var viktigt att ta fram en konstruktion som var felsäkrat för att undvika att detaljen spänns in fel.
4.1.1 Koncept 1
Det första konceptet var en fönsterfixtur, vilket är en fixtur där detaljen spänns in i ett fönsterliknande konstruktion. Den hade en kapacitet 6 detaljer som alla kunde bearbetas i ett tempo (version A) eller 12 detaljer som bearbetades i två tempon (version B). Det fanns en valmöjlighet där IAC kunde välja vilken av uppsättningarna som skulle vara fördelaktigast i deras produktion. Fixturen medgav ett rationellt utnyttjande av bearbetningsmaskinen delvis på grund av att detaljerna ligger i samma plan.
Version A med 6 detaljer och ett tempo hade fördelarna att den gav färre palettvridningar, vilket även sparade tid vid uppsättning av detaljer, Fig. 4.1. I den befintliga
bearbetningsmaskinen tog en maskinvridning cirka 3 sekunder vilket byggde upp stora tidsförluster.
24 Figur 4:1 Version A
Version B utnyttjade mer av utrymmet inuti bearbetningsmaskinen och tog sammanlagt in 12 detaljer per maskinkörning. För att komma åt alla ytor som skulle bearbetas behövde den köras med två tempon vilket innebar mer arbete för operatören samt att ett avläggningsbord krävdes för att kunna lägga undan detaljerna under bytet.
För att alla operationer på detaljen skulle kunna göras behövdes ett byte av detaljer efter första maskinkörningen göras diagonalt, Fig. 4.2.
Kap. 4 Genomförande
25 Figur 4:2 Version B
Eftersom bearbetningsmaskinen använde sig av två paletter, kunde operatören ladda och plundra den ena när den andra var inne i maskinen. Då var det möjligt att dela upp så att en palett körde detaljer med “tempo 1” och den andra körde i “tempo 2”. För att detta skulle vara möjligt tvingades en av fönsterfixturerna vridas 180 grader, Fig. 4.3.
Figur 4:3 Version B
26 Infästningarna för denna fixtur var utformad så att detaljen monterades in från ett håll och spännes fast med två vertikalt monterade snabbspännen samt en klämma runt detaljens rördel, Fig. 4.4.
Figur 4:4 Inspänning av detalj
För att detaljerna skulle positioneras rätt vid montering togs stöd fram så detaljen låg på väl utvalda punkter. Detta säkerställde en montering där positioneringen alltid skulle vara lika från detalj till detalj. Ett klämspänne placerades runt detaljens rördel för att låsa den i vertikalled samt att den motverkade vibrationer som uppstod vid bearbetningen, Fig. 4.5.
Kap. 4 Genomförande
27 Figur 4:5 Klämspänne
4.1.2 Koncept 2
Det andra konceptet som togs fram inriktades mot att eliminera de för- och efterarbeten som befintliga fixturen medförde. Konstruktionen liknade därför den befintliga fixturen till stor del där endast fåtal positionerings- och spännelement ersattes. Konstruktionen för koncept två medförde även att fixturen fick en kapacitet på tolv detaljer istället för de tidigare fyra, Fig.
4.6. Denna konstruktionslösning hade likt den befintliga en två tempo lösning.
28 Figur 4:6 Tempo ett koncept 2.
För att positionera detaljen i fixturen i vertikal- och horisontalled i “tempo 1” användes tre stycken styrelement, dessa låste även detaljen i dessa riktningar, Fig 4.7. För inspänningen i djupled användes en “swing clamp” och ett snabbspänne.“Swing clampen” användes för att få en inspänningspunkt mot detaljen med möjligheten att anlägga stor kraft. Ett snabbspänne användes för appliceringen av en tillräckligt stor kraft, fördelen var att det gick snabbare vid inspänning än med “swing clampen”. Eftersom att snabbspännet hade en ställbar skruv blev konstruktionen flexiblare om förändringar uppstod. Spännkraften kunde då enkelt justeras beroende på hur långt in skruven drogs. Det som blev avgörande för hur stor den pålagda kraften blev berodde på hur stor kraft montören orkade lägga på.
Figur 4:7 Inspänningen tempo 1.
Det andra tempot för “koncept 2” använde sig av samma spännelement som “tempo 1”.
Styrelementen som användes var fyra stycken pinnar som styrdes i de fyra redan bearbetade hålen, Fig. 4.8. Användningen av de fyra hålen som referens säkerställde repeterbarheten och stabiliteten processen.
Kap. 4 Genomförande
29 Figur 4:8 Inspänningen tempo 2.
4.1.3 Koncept 3
I koncept 3 genomfördes alla maskinbearbetningar i ett tempo. Lösningen byggdes med ett torn som triangelformades som sedan fixturerna fästes mot. För att konstruktionen skulle möjliggöras krävdes att mynningen för rördelen riktades rakt ut från infästningen på tornet och även parallellt mot verktygen som skulle bearbeta utsidan på rördelen, Fig. 4.9.
Figur 4:9. Vybild över koncept 3
Kapaciteten för konceptet var tolv detaljer, tre på vardera sida av triangeltornet.
Konstruktionen gav många maskinvridningar under bearbetningsprocessen eftersom att alla
30 detaljer inte låg i samma plan utan i grupper om tre. Detaljerna monterades in i fixturen och likt “koncept 1“ fästes det med vertikalmonterat spänne samt ett spänne över detaljens rördel, Fig. 4:10.
Figur 4:10 Infästning triangelfixtur
Det som även skilde koncept 1 och koncept 3 var att vid koncept 3 behövdes bara ett
vertikalmonterat spänne. Detta för att detaljen monterades in i fixturen fanns det stoppklackar som höll emot från ena sidan och spännet låste den i sitt rätta läge. Detta säkerställde att detaljen enbart kunde monteras från ett håll och detta eliminerade risken att detaljen
monterades felaktigt. Dessutom förenklades arbetet för montören i och med att mindre arbete behövde läggas för positionering och fastspänningen. Detaljen placerades på fem stöd där tre låg undertill och två från sidan, Fig. 4.11. Detta gjorde att inspänningen följde “3-2-1-
metoden”, Kap. 3.2.
Kap. 4 Genomförande
31 Figur 4:11 Stöd i “koncept 3”
4.2 Konceptval
När de tre koncepten var färdigställda gjordes konceptval med en PUGH-utvärdering, Kap.
3.4. Det första som gjordes var att kriterierna för konceptvalet togs fram. De kriterier som bestämdes förklaras nedan.
32 Rationellt utnyttjande - Fixturen medger ett rationellt utnyttjande av bearbetningsmaskinen.
Med det innebär det att fixturen ska vara konstruerad så att utnyttjandet av maskinen sker logiskt. Faktorer som spelar in är hur fixturen anpassas efter maskinen för att optimera produktionen. Fixturen måste även konstrueras med avseende på människan. En fixtur behöver vara enkel att arbeta med. Fixturen måste allstå ha ett påvisat samspel mellan människa och maskin.
Repeterbarhet - Ge god repeterbarhet. Detaljen som bearbetas måste positioneras med stor noggrannhet i rymden.
Stabil och vibrationsfri - För att bevara pålitligheten i produktionen var fixturen tvungen att vara stabil och vibrationsfri vid bearbetningen.
Dämpande för egensvängningar - Fixturens är tvungen att dämpa egensvängningarna som uppstod i detaljen under bearbetningen.
Laddning/plundring - Laddningen och plundringen av fixturen måste ske enkelt. Montören skall enkelt kunna utföra laddningen och plundringen, möjligheterna för misstag vid
monteringen ska vara minimala.
Inspänningsdeformationsfri - Fixturen får ej skapa inspänningsdeformationer på detaljen som skall bearbetas. Det betyder att krafter som fixturen anbringar på detaljen skall komma rakt över anläggningspunkterna annars finns risken att detaljen kommer böjas och felaktiga mått uppstår.
Fastspänning - Detaljen får inte ligga löst i fixturen utan måste sitta fast nog bra så att vibrationer vid bearbetningen ej uppstår.
Användarvänlighet - Fixturen skall vara utformad så den kan hanteras enkelt vid
inspänningen av detaljer i. Utformningen på fixturen behövde göras med ergonomin i åtanke, utformningen på spännelement m.m. var därför synnerligen viktig.
Kapacitet - Lastkapaciteten av antalet produkter i fixturen. Ökningen av antalet detaljer som rymdes i fixturen var viktigt då det sänkte bearbetningstiden per detalj.
Tillverkning - Tillverkningen av fixturen måste kunna ske enkelt och billigt. Det innebar att användandet av standardelement såsom skruvar, fjädrar och dylikt bör vara
standardkomponeneter.
Utifrån dessa kriterier gjordes utvärderingen mellan koncepten. Resultatet av värderingen kan ses i Tabell 4.1.
Kap. 4 Genomförande
33 Tabell 4:1 Kriterieutvärdering
När utvärderingen av kriterierna var färdigställd framgick det vilka dem som var mest betydelsefulla och nästa del av PUGH-metoden kunde påbörjas. Det som gjordes var att ett fixturkoncept fick agera som referens och de andra jämfördes mot denna. Resultatet finns att beskåda i Tabell 4.2.
Tabell 4:2 Fixturjämförelse
Utvärderingen med PUGH-metoden visade att de fixturförslagen som besatt bäst potential var
“Koncept 1 Version A” och “Koncept 2”. De övriga koncepten visade sig ha bra egenskaper men var jämlika eller sämre på de kriterier som värderades högst. Den befintliga
konstruktionen ville IAC inte ha kvar vilket gjorde att den uteslöts direkt med stöd från PUGH-utvärderingen. “Koncept 3” fallerade även den på grund av två tempo lösning samt
34 andra negativa aspekter som uppdagades under utvärderingen. “Koncept 1 Version B” visade sig vara möjlig att implementera, däremot uppstod problemet med att flertalet
maskinvridningar skulle bli nödvändigt vilket i sin tur skulle öka bearbetningstiden. Konceptet avfärdades vilket möjliggjorde att utvärderingen kunde riktas mot övriga konceptlösningar.
Det gjordes därefter ett val att fokusera på de två bästa koncepten och arbetet fortsatte med att ta fram den slutgiltiga fixturkonstruktionen.
En aspekt som ingick i kriteriet “rationellt utnyttjande” som var av intresse att gå in djupare på var hur koncepten påverkade cykeltiden. Därför gjordes kalkyler med beräkningar på antalet verktygsbyten och rotationer varje koncept skulle medföra.
4.2.1 Verktygsbyten
Utgångspunkten var den befintliga fixturen, sedan sattes koncepten i relation till varandra. I den befintliga fixturen krävdes 12 verktygsbyten i maskinen. Det krävdes även ett förarbete och ett efterarbete. Dess tidsåtgång bortsågs ifrån i tidsberäkningen.
Verktygsbyten för befintlig fixtur:
nvpd=nvb/nd (4.1)
nvpd= Verktygsbyten per tillverkad detalj.
nvb= Antal verktygsbyten nd= Antal detaljer.
nvpd=12/4= 3 verktygsbyten/detalj.
I de framtagna koncepten behövde inte detaljen förbearbetas vilket betydde att antalet verktygsbyten blir 12 per tempo.
Ekvationen (4.1) för “Koncept 1 version A” gav antalet verktygsbyten/detalj:
nvpd=12/6= 2 verktygsbyten/detalj.
Ekvationen (4.1) för “Koncept 1 version B” gav antalet verktygsbyten/detalj:
nvpd=24/12= 2 verktygsbyten/detalj.
Ekvationen (4.1) för “Koncept 2” gav antalet verktygsbyten/detalj:
nvpd=12/9= 1,3 verktygsbyten per detalj.
Kap. 4 Genomförande
35 Ekvationen (4.1) för “Koncept 3” gav antalet verktygsbyten/detalj:
nvpd=24/12 = 2 verktygsbyten/detalj.
Det visade att antalet verktygsbyten per detalj blev lägst för “Koncept 3”. Vilket gav den en fördel.
4.2.2 Rotationer
Att ha ett fåtal rotationer i bearbetningsprocessen var viktigt. En jämförelse mellan koncepten i antal rotationer genomfördes därför.
Den befintliga fixturen krävde totalt 16 rotationer för de båda tempona och tillverkade fyra detaljer vilket gav:
nrpd=nr/ndr (4.2)
nrpd= Antal rotationer per tillverkad detalj.
nr= Antal rotationer.
ndr= Antal detaljer.
nrpd=16/4= 4 rotationer/detalj.
Ekvationen (4.2) för “Koncept 1 version A” gav antalet rotationer/detalj:
nrpd=3/6= 0,5 rotationer/detalj.
Ekvationen (4.2) för “Koncept 1 version B” gav antalet rotationer/detalj:
nrpd=16/12= 1,3 rotationer/detalj.
Ekvationen (4.2) för “Koncept 2” gav antalet rotationer/detalj:
nrpd=27/9= 3 rotationer/detalj.
Ekvationen (4.2) för “Koncept 3” gav antalet rotationer/detalj:
nrpd=37/12= 3,1 rotationer/detalj.
36 4.2.3 Tidsåtgång
Tiden för ett verktygsbyte respektive en rotation var känt vilket betydde att tidsåtgången för detta kunde tas fram. Tiden för ett verktygsbyte var 7 sekunder och tiden för en rotation var 3 sekunder.
Befintlig fixtur:
T=nvpd*Tvb +nrpd*Tr (4.3)
T= Tidsåtgång för verktygsbyte och rotation per detalj.
Tvb= Tidåtgång för verktygsbyte.
Tr= Tidsåtgång för rotation.
T=3*7+4*3= 33 sekunder/detalj.
Ekvationen (4.3) gav att tidåtgången per detalj för “Koncept 1 version A” blev:
T=2*7+0,5*3= 15,5 sekunder/detalj.
Ekvationen (4.3) gav att tidåtgången per detalj för “Koncept 1 version B” blev:
T=2*7+1,3*3= 17,9 sekunder/detalj.
Ekvationen (4.3) gav att tidåtgången per detalj för “Koncept 2” blev:
T=1,3*7+3*3= 18,1 sekunder/detalj.
Ekvationen (4.3) gav att tidåtgången per detalj för “Koncept 3” blev:
T=2*7+3,1*3= 23,3 sekunder/detalj.
4.3 Konceptförbättring
PUGH-utvärderingen var till stor hjälp för att arbetet skulle kunna fortsätta och många nya idéer uppkom. Det bestämdes att ingen av de hittills gjorda fixturerna uppfyllde helt de mål
Kap. 4 Genomförande
37 som var önskvärda. Det gjordes ett val att börja om med en ny konstruktion och sedan utnyttja lärdomarna och fördelarna de tidigare fixturerna givit. “Fixtur 1 version A” medgav
bearbetning i ett plan vilket utgjorde en bra grund för att påbörja den nya konstruktionen. Från
“Koncept 2” valdes hållaren för själva detaljen i och med att den på ett fördelaktigare sätt kunde positionera detaljen i rätt läge.
Vid mötet där PUGH-utvärderingen gjordes framgick det även att användandet av
vertikalmonterade snabbspännen inte gav erforderlig spännkraft vid exempelvis avvikelser i detaljens utformning. Detta på grund av att detaljen var gjuten och kan då ha vissa små avvikelser i dess form. Spännelementet måste då kunna justeras på ett enkelt sätt för att väga upp dessa förändringar. Därför utformades ett nytt spännelement som istället anbringade låskraft horisontalt mot detaljen. Ytterligare förändringar gjordes genom att planförskjuta detaljer för att på så sätt nå alla ytor som skulle bearbetas, Fig. 4.12.
Figur 4:12 Förändringar efter PUGH
För att spännelementet skulle positionera sig rätt mot detaljen gjordes styrpinnar som skulle förebygga felpositionering samt att ett kullager monterades för att konstruktionen skulle medge rotation av spännskruv utan att spännklossen roterade, Fig 4:13.
38 Figur 4:13 Spännelement
Arbetet fortskred och ytterligare förändringar gjordes. Konstruktionen vreds ytterligare på bottenplattan samt speglades för att komma åt med samtliga bearbetningsverktyg.
Utskärningar i bottenplattan gjordes för att eliminera krockar som annars hade uppstått vid bearbetning. Det visade det sig att konstruktionen ej erhöll nog med stabilitet när rimliga krafter anbringades på detaljen. Därför konstruerades torn bakom varje kolumn av detaljer, dessa döptes till “Torn 1” och “Torn 2” för att kunna särskilja dem, Fig. 4.14.
Figur 4:14 Fixturkonstruktion
Kap. 4 Genomförande
39 Sedan konstruerades fyra triangelstag som svetsades fast mellan de båda tornen för ökad stabilitet. Slutligen byggdes stag mellan “Fixturhållare” och “Torn 2” för att ytterligare stabilisera upp konstruktionen samt motverka vibrationer som uppkommer under bearbetning, Fig. 4.15.
Figur 4:15 Fixturmodifieringar
Vid bearbetningen av detaljens rördel krävdes något som kunde lägga tryck nära bearbetningsytan och absorbera de vibrationer som uppstod. Ett vibrationsspänne
konstruerades som med en fjäder satte tryck mot detaljen. Spännet kunde dras ut och vridas åt sidan för att plundring av fixturen skulle vara möjlig, Fig 4.16. För att spännet skulle låsa sig i rätt läge gjordes ett hona/hane spår, det säkerställde att vibrationsspännet positionerades rätt.
Figur 4:16 Vibrationsspänne
40
4.4 Slutliga förändringar
Ett sista möte med handledare gjordes för att felsöka hela konstruktionen en omgång till. Det visade sig att ytterligare förändringar behövdes för att uppnå ett fullt utvecklat fixturkoncept.
Eftersom fixturen behövde kunna demonteras smidigt om delar behövde bytas ut var en hopsättning med svetsningar inte aktuell . Dessutom fanns risken att svetsade delar i fixturen kunde ändra positionering från önskade värden om.
Bottenplattan hade möjlighet att modifieras för att erhålla större yta att montera tornen på.
Samtidigt kunde tornen vridas så att verktygslängder kunde minskas och därigenom få en mer exakt process. Det innebar även att utskärningar i bottenplattan behövde ändras för att stämma överens med de nya placeringarna av tornen. Dimensioneringen av skruvelementen skulle göras om för att klara av större belastningskrafter samt fungera bättre med befintliga verktyg i IAC:s produktion.
Via diskussioner visade det sig att den nuvarande lösningen för vibrationsspännet var för komplicerad och opålitlig eftersom att kraften som läggs på rördelen bestäms av
fjäderkonstanten. Om förhållanden eller detaljer förändras innebar det att spännkraften kunde minska och ett byte av samtliga fjädrar kunde bli framtvingat. Samtidigt var konstruktionen av vibrationsspännet problemfyllt eftersom marginalerna var för lite tilltagna i närheten av
bearbetningsområdena och spännet behövde därför förändras.
Slutligen skulle fixturen kunna lyftas av och på bearbetningsmaskinens palettbord vilket gjorde att en lyftanordning monterad på fixturen behövde konstrueras.
41
5. Resultat
Resultatet av projektet har skrivits i denna del av rapporten. Fixturen som togs fram påvisade många fördelar jämfört med den befintliga. En stor fördel var att kapaciteten hade ökade från fyra till sex detaljer. Den nya fixturkonstruktionen utförde all bearbetning av detaljen i endast ett tempo istället för de tidigare två.
5.1 Positionering
För positionering konstruerades totalt fem olika element. Tre element var till för att låsa detaljen i horisontal- och vertikalled, Fig. 5.1. Dessa tre element formgavs efter detaljen som fästs i fixturen. Styrelementen följde således de släppvinklar detaljen hade efter gjutningen.
Det gjordes även två styrelement i djupgående riktning så detaljen enkelt kunde positioneras rätt innan fastspänning skulle ske, Fig 5.1. De två djupgående stoppen formgavs även de efter detaljen.
Figur 5:1 Fixturhållare
5.2 Fastspänning
Varje detalj i fixturen spändes fast med två spännelement. Det första spännelementet var det som fixerade detaljen i fixturen med den största kraften. Det spännelementet formgavs efter
42 detaljen för att ge en stabil och repetitiv fastspänning, Fig 5.2. Spännelementet utformades med ett spår för att styra tryckklossen i rätt läge. Om spåret ej existerade kunde tryckklossen komma att vridas vilket skulle leda till att den tryckte mot fel ställe på detaljen. För att föra tryckklossen mot eller ifrån detaljen användes en M12 skruv. Om M12 skruven skulle vara gängad hela vägen in i spännklossen skulle skruven gängas ur spännklossen när den skruvades ifrån detaljen. Därför har en konstruktion med en axel som pressas in i spännklossen gjorts, Fig. 5.2. För att spännklossen automatiskt skulle matas ifrån detaljen då M12 skruven gängades ut så tillverkades en anordning med en kraftbelastad fjäder, Fig 5.2. Med tiden kan tryckklossen komma att bli deformerad beroende på den belastning den utsätts för. Därför är en ytbehandling nödvändig. Den ytbehandlas därför med titannitrid eller annan likvärdig metod.
Figur 5:2 Spännelement 1.
Det andra spännelementets uppgift var att motverka de vibrationer som uppstod vid fräsning av röret. Detta gjordes med hjälp av en excentrisk spännanordning, Fig 5.3. Den skruv som användes för denna spännanordning var även den en M12 skruv. Detta för att samma verktyg kunde användas för de båda spännelementen. Både hålet som går igenom stommen i fixturen och hålet i den excentriska delen gängades. För att M12 skruven skulle sitta fast ordentligt i den excentriska delen applicerades gänglim på dess gängor som vid behov kunde lösas upp, vid exempelvis reparationer.
Kap. 5 Resultat
43 Figur 5:3 Spännelement två.
5.3 Stabilitet och styrning
För att uppnå den nödvändiga stabiliteten skapades flera anordningar. För en god
grundstabilitet vidareutvecklades de två tornen som tidigare konstruerats. I vardera torn fästes tre stycken hållare i vilka detaljerna spännes in, Fig 5.4. För att fästa hållarna i tornen
användes två stycken M10 skruvar. Hållarna behövde även styras i rätt läge. I tornen gjordes därför ett spår där hållarna skulle föras in. För att styra hållarna i höjdled användes styrpinnar, Fig 5.4.
Figur 5.4 Stabilitet och styrning
44 För att fästa tornen i bottenplattan användes tre stycken M16 skruvar kompletterat med två stycken styrpinnar för att tornet skulle styras i rätt läge, Fig 5.5.
Figur 5:5 Fastspänning av tornen i bottenplattan
För en stabil tillverkningsprocess var en robust konstruktion viktigt. Därför monterades stag ut på strategiska ställen för att möjliggöra detta. Det placerades ut två olika sorters stag. “Stag 1”
sattes mellan hållarna på “Torn 1” och stommen på “Torn 2”. Sedan sattes “Stag 2” mellan hållarna på “Torn 2” och stommen på “Torn 2”, Fig 5.6. Vardera stag fästes med 3 stycken skruvar för att absorbera vibrationer under bearbetning samt undvika deformationer vid i- och urlyftning av fixturen på paletten. Det placerades även en lyftkrok på toppen av “Torn 2” för att fixturen skulle kunna lyftas upp från maskinens palett med en travers.
Kap. 5 Resultat
45 Figur 5:6 Stag
5.4 Bottenplatta
För att snabbare kunna byta fixtur i maskinen sammanfogades fixturen i en bottenplatta som sedan monteras på maskinens pallett. I och med de små marginaler som erhölls när
bearbetningsmaskinen skulle utföra alla maskinoperationer gjordes utskärningar i
bottenplattan. Detta för att krockar mellan bottenplatta och verktygshållare skulle undvikas, Fig 5.7.
Figur 5:7 Bottenplattan
