Utvikling av fresemekanisme til dreiebenk

Abstract

Verkstedindustrien i Norge er i en omstillingssituasjon. Den moderne utviklingen med innføring av ny produksjonsteknologi og høyere grad av automatisering bidrar til mer kostnadseffektiv produksjon og mange bedrifter som tidligere «outsourcet» produksjonen til lavkostland, ser nå ut til å flagge produksjonen hjem til Norge igjen.

Innføring av ny produksjonsteknologi, høyere grad av automatisering og egen produksjon medfører at den mekaniske industrien blir mer og mer en prosessbedrift, der bedriften har utvikling av produkt, prosess og produksjon på samme sted. Omveltningene krever omstilling av produksjonslokalene og høyere grad av vedlikehold og servicearbeid på linjene, en grobunn for tilvekst av vedlikeholdbedrifter. I den sammenheng vil det ofte være behov for hurtige reparasjoner, der maskinering av komponenter står sentralt.

I den sammenheng ble det ønskelig å se på muligheten for utvikling av et billig vedlikeholds-utstyr, og hovedmålsettingen med denne oppgaven ble dermed å utvikle, konstruere og designe en fresemekanisme som kan monteres på eksisterende dreiebenk som et tilleggsutstyr, for å muliggjøre både dreie- og freseoperasjoner i en og samme maskin. En kombinasjonsmaskin for enkel og hurtig maskinering av komponenter.

For å nå hovedmålsettingen ble det formulert et sett med problemstillinger som måtte løses, og det ble gjort betraktninger rundt teknologiske flaskehalser som måtte overkommes. Fokuspunktene i problemstillingene omhandlet utredning av hvilket teknisk oppsett for mekanismen som ville medføre god brukervennlighet, med samtidig ivaretakelse av fresefunksjonens funksjonalitet samt hvilke krav som måtte settes til mekanismens sikkerhet og dimensjoner og nødvendig nøyaktighet på komponenter og innstillinger.

For å sikre at alle nødvendige utviklingstrinn ble utført i prosjektgjennomføringen, ble det utviklet et prosessdiagram bestående av fire faser: utredningsfase, utviklingsfase, konstruk-sjon- og designfase og realiseringsfase.

I utredningsfasen ble prosjektutførelsen og metode planlagt med hensikt på å løse de gitte problemstillingene gjennom en prosjektplan og en metodikkutredning. Prosjektplanen ble utarbeidet som en oversikt over nødvendige arbeidsoppgaver, tid til rådighet og milepeler. Utviklings-metodikkene IPD, Pugh`s metode, og SCAMPEER ble beskrevet og satt til å være overveiende fremgangsmetoder for oppgaveløsningen. IPD og SCAMPERR som gjennom-gående huskelister for å påse at viktige momenter i utviklingen ikke uteble og for å forhindre et ensporet tankesett ved viktig valg. Pugh`s metode ble knyttet til seleksjonsprosesser for å oppnå en objektiv utvelgelse. Videre metodebruk ble knyttet opp mot beregninger og dimensjonering og bruk av analyseverktøy for å kvalitetssikre resultater. Etterfulgt ble det foretatte en teknologiutredning med gjennomgang av teknisk teori for maskinerings-teknikkene dreiing og fresing, der hensikten var å danne grunnlag for fremtidige tekniske valg. Videre ble eksisterende løsninger for fresing i dreiebenk kartlagt med eksempler og tekniske drøftinger. I siste del av utredningsfasen ble det foretatt en teoriutredning knyttet til beregningsteknikker og dimensjoneringsdelen av mekanismen for å danne grunnlag for senere beregninger og analyser.

I utviklingsfasen ble det foretatt produktspesifisering for å konkretisere målsettingen og ønskede egenskaper for selve produktet. Videre ble det utarbeidet grensespesifikasjoner for produktet gjennom en variasjonsanalyse av eksisterende løsninger, dreiebenker og fresemaskiner. Etter dette ble det foretatt et valg av hovedkonseptløsning, der teknisk hovedoppsett for fresemekanismen ble bestemt. Basert på valgt hovedkonseptløsning ble det deretter foretatt en funksjonsanalyse for å kartlegge nødvendige funksjoner, løsningsmetoder og tilhørende komponenter. For de valgte løsningsmetodene ble det deretter utarbeidet funksjonsalternativer – tekniske konseptløsninger med skisser. Til slutt ble de ulike funksjonsalternativene teknisk og funksjonelt screenet fram til foretrukkene konseptløsninger som sammensatt utgjorde et endelig og helhetlig konseptvalg.

I konstruksjon- og designfasen ble mekanismen dimensjonert mot de forventede belast-ningene med sikkerhetsfaktor mot flyt. Fresemekanismen ble deretter konstruksjons-modellert og designet i en 3D CAD-modell. Påfølgende ble det foretatt en FEM analyse av et utvalg av konstruksjonens komponenter for å avdekke svakheter og utarbeide optimalisering-forslag.

I siste fase av utviklingsprosessen, realiseringsfasen, ble det utarbeidet en produksjonsplan der det ble foreslått produksjonsmetoder og produksjonskostnader ble estimert i kostnads-kalkyler. Til sist ble det utarbeidet tekniske tegninger og tekniske anvisninger for produktet.

Resultatet oppfyller prosjekt- og produktmålene og produktutviklingsoppgaven er utført med praktisk og teknisk vinkling med fokus på valg av løsninger, komponenter og funksjonalitet som resultatmessig har endt i et fullstendig produkt med konstruksjonstegninger og tekniske angivelser.

Prosjektet har resultert i at det er utviklet, konstruert og designet en 3D - CAD modell av en fresemekanisme som kan monteres i dreiebenk. Mekanismen har dimensjonene 150mm x 185mm x 360mm og veier 6,6 kg. Maskinbordet har en total høydevandring på 175 mm og fresemekanismen har 360 graders rotasjonsmulighet om søyleakse (Y- akse), 360 graders rotasjonsmulighet om maskinbordakse (Z-akse) og 90 graders tiltmulighet om hengsleakse (X-akse). Høydejusteringen har en utveksling på 1:2 (rotasjon til mm) og rotasjonsjustering har en utveksling på 32:1 (rotasjon til rotasjon)

Videre arbeid vil bestå av å utføre mer detaljerte FEM-beregninger for flere komponenter, utføre utmating og levetidsanalyse, analyse av kritiske turtall, svingninger og risiko for vibrasjoner og slark. Videre må det utføres diskusjon og enighet med verksted om toleransemålsettinger da det er mange sammenstillingsdeler. Til sist, utvikle prototypdeler som kan testes ift. funksjon og styrke.

The workshop industry in Norway is in a restructuring situation. The modern development with the introduction of new production technology and higher degree of automation contributes to more cost-effective production and many companies who previously outsourced production to low-cost countries are now looking to flag production back to Norway again.

The introduction of new production technology, higher degree of automation and own production means that the mechanical industry is becoming more and more a process company, where the company has the development of product, process and production in the same place. The overheads require a change of production facilities and a higher level of maintenance and service work on the lines, a basis for the growth of maintenance companies. In this context, fast repairs will often be needed, as component machining is central.

In this context, it was desirable to look at the possibility of developing a cheap maintenance equipment and the main objective of this task was thus to develop, construct and design a milling mechanism that can be mounted on existing lathe as an option to enable both turning and milling operations in one and the same machine, a combination machine for easy and fast machining of components.

In order to reach the main objective, a set of issues were resolved, and consideration was given to technological bottlenecks that had to be overcome. The focus points in the issues discussed the technical setup of the mechanism that would result in good usability while simultaneous maintaining the functionality of the milling function and the requirements for the safety and dimensions of the mechanism and the necessary accuracy of components and settings.

In order to ensure that all necessary development steps were carried out in the project implementation, it was developed is a process diagram consisting of four phases: investigation phase, development phase, construction- and design phase and realization phase.

During the investigation phase, the project execution and methodology was planned with the intention of solving the given problems through a project plan and a methodology investigation. The project plan was prepared as an overview of necessary tasks, available time and milestones. The development methodologies IPD, Pugh's method, and SCAMPEER were described and set to be predominant methodologies for solving the task. IPD and SCAMPERR as continuous memorandums to ensure that important aspects in development didn’t disappear and to prevent a single-minded mindset at important choices. Pugh's method was linked to selection processes to achieve objective selection. Further methodology was linked to calculations and dimensioning and use of analytics tools to quality assure results. Furthermore, a technology investigation was carried out with a review of technical theory of machining techniques turning and milling where the purpose was to form the basis for future technical choices. Furthermore, existing solutions for milling on lathe were mapped with examples and technical discussions. In the final part of the investigation phase, a theory study was carried out related to calculation techniques and the dimensioning part of the mechanism to form the basis for subsequent calculations and analyzes.

During the development phase, product specification was made to specify the purpose and desired characteristics of the product itself. Furthermore, it was prepared limit specifications for the product through a variation analysis of existing solutions, lathes and milling machines. Following, a choice was made of the main concept solution, where the technical main layout of the milling mechanism was determined. Based on the chosen main concept solution, a functional analysis was then performed to map the necessary functions and solution methods and associated components. For the chosen solution methods, there were then developed functional options - technical concept solutions with sketches. Finally, the various functional options were technically and functionally screened for the concepts of conceptual solutions that constituted a definitive and comprehensive conceptual choice.

During the design and design phase, the mechanism was dimensioned against the expected loads with a safety factor against yield. The milling mechanism was then designed in a 3D CAD model. Subsequently, a FEM analysis of a range of construction components was made to uncover weaknesses and elaborate optimization proposals.

In the final phase of the development process, the realization phase, a production plan was prepared where production methods were suggested, and production costs were estimated. Finally, technical drawings and technical instructions were prepared with assembly and operating instructions.

The result meets the project and product goals and the product development task has been done with practical and technical angles focusing on the choice of solutions, components and functionality and have resulted in a complete product with design drawings and technical specifications.

The project has resulted in the development, construction and design of a 3D-CAD model of a milling mechanism that can be mounted on a lathe. The mechanism has the dimensions of 150mm x 185mm x 360mm and weighs 6,6kg. The machine table has a total travel of 175 mm and the milling mechanism has a 360 degree rotation possibility about the column axis (Y axis), 360 degree rotation possibility about the machine table axis (Z-axis) and 90-degree tilting ability about the hinge-axis (X-axis). The height adjustment has a 1: 2 ratio (rotation to mm) and the rotation adjustment has a 32: 1 ration (rotation to rotation).

Further work will consist of performing more detailed FEM calculations for multiple components, performing fatigue and lifetime analysis, analysis of critical speed, vibration and the risk of vibration and looseness. Furthermore, discussion and agreement with the workshop about tolerance issues must be done, as there are many assembly parts. Finally, develop prototype parts that can be tested in relation to function and strength.