Se vuoi ottenere di più dal tuo progetto CNC, è fondamentale comprendere il tempo del ciclo di lavorazione CNC. La conoscenza dei calcoli richiesti migliorerà a sua volta l’efficienza e i risultati positivi. Il tempo di ciclo influisce direttamente sui costi, sull'allocazione delle risorse e sul controllo di qualità di ogni progetto di lavorazione.
Definizione di Tempo Ciclo
Si definisce Tempo Ciclo (Tc) l’unità di tempo che intercorre tra il presentarsi di un evento e il suo ripetersi. Con tempo ciclo si intende il tempo necessario per la produzione di un particolare. Questo concetto è particolarmente rilevante per le lavorazioni ripetitive, in serie, come per esempio una lavorazione di tornio, un’assemblaggio manuale, lo stampaggio ad iniezione, l’assemblaggio di una scheda elettronica o la saldatura di più componenti.
A Cosa Serve il Tempo Ciclo
In condizioni di produzioni di serie è molto importante conoscere quanto tempo impieghiamo a realizzare il nostro prodotto in quanto impatta ovviamente sul suo costo. Se l’assemblaggio è completamente manuale parleremo di costo orario della manodopera, se utilizziamo anche delle macchine dobbiamo valutare anche il costo orario della macchina (che comprende ammortamenti, energia, ecc…). È chiaro che meno tempo impieghiamo a completare un ciclo meno soldi ci costa in quanto liberiamo ore\macchina o ore\uomo e l’incidenza di questi diminuisce. Il tempo ciclo è direttamente proporzionale al costo di produzione. La necessità di altre risorse per ogni lavoro è definita in base al tempo da dedicare alla lavorazione. Il tempo di lavorazione può essere utilizzato per spiegare la garanzia della qualità.
Esempio Pratico di Ciclo di Lavoro
Ammettiamo per esempio che io debba avvitare un sensore su una scheda elettrica, un esempio stupido ma facile da capire. Per prima cosa scegliamo un evento, per esempio il deposito della scheda assemblata dentro il cartone. Il mio Tempo Ciclo sarà il tempo che passerà da quando posiziono una scheda assemblata a quando posizionerò la successiva. Ovviamente all’interno del Tempo Ciclo ci saranno anche tutte le altre fasi, proviamo ad elencarle:
- Prendo la scheda da assemblare
- Posiziono la scheda sul tavolo
- Prendo il sensore da assemblare
- Lo appoggio sulla scheda
- Prendo la vite
- Prendo l’avvitatore
- Avvito la vite
- Appoggio l’avvitatore
- Prendo la scheda assemblata
- Posiziono la scheda assemblata dentro il cartone
E poi? Ovvio, riparto dal punto 1. Avrei potuto prendere in considerazione uno qualsiasi degli eventi che ti ho descritto.
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Principi di Base del Calcolo e Componenti del Tempo Totale
La Formula Fondamentale
Il tempo ciclo nella lavorazione CNC viene calcolato nel modo più semplice possibile, come evidenziato di seguito. La distanza è uguale alla velocità o alla velocità moltiplicata per il tempo oppure il tempo è uguale alla distanza divisa per la velocità o la velocità. La distanza o la lunghezza della lavorazione CNC divisa per la velocità o la frequenza è la regola più elementare.
Componenti Dettagliati del Tempo Totale di Lavorazione
La stima dei tempi (e dei costi) di lavorazione CNC non è una formula unica, ma una ripartizione strutturata. Un preventivo accurato deve considerare tutti i passaggi, dal setup alla finitura, aggiungendo un buffer realistico.
| Componente del Tempo | Descrizione |
|---|---|
| Tempo di Preparazione (Setup) | Il tempo necessario per preparare l'attrezzatura di produzione, le attrezzature e lo spazio di lavoro prima dell'inizio delle operazioni di lavorazione. |
| Tempo di Programmazione CAM | Il tempo di progettazione non ricorrente dedicato alla creazione, al debug e all'ottimizzazione dei programmi di produzione assistita da computer (CAM) per il processo di lavorazione. |
| Tempo di Taglio Puro | Il tempo operativo centrale dedicato al taglio, alla fresatura, alla tornitura o alla sagomatura di un singolo pezzo, escluse le attività ausiliarie o non di taglio. |
| Tempo di Cambio Utensile | Il tempo dedicato alla sostituzione di utensili da taglio usurati o specializzati durante la produzione di un singolo pezzo, oltre alle attività ausiliarie legate alla macchina. |
| Tempo di Carico/Scarico | Il tempo necessario per caricare manualmente o automaticamente un pezzo grezzo nell'attrezzatura della macchina e scaricare il pezzo finito al termine della lavorazione. |
| Tempo di Riposizionamento | Il tempo speso per riorientare il pezzo o per eseguire lavorazioni secondarie per completare caratteristiche che non possono essere raggiunte in un unico setup. |
| Tempo di Sbavatura e Pulizia | Il tempo successivo alla lavorazione utilizzato per rimuovere bordi taglienti, bave e residui di lavorazione da un singolo pezzo finito, seguito dalla pulizia per soddisfare gli standard di qualità. |
| Tempo di Ispezione | Il tempo dedicato all'ispezione di un singolo pezzo per verificare la conformità alle tolleranze di progetto e generare un rapporto di qualità corrispondente. |
| Tempo di Coda | Tempo di attesa dovuto a un gran numero di ordini o macchine occupate. |
| Finitura della Superficie | Tempo aggiuntivo per servizi di trattamento superficiale specifici (es. anodizzazione, nichelatura). |
Specificità per la Tornitura CNC
La tornitura CNC utilizza un tornio per modellare le parti con l'aiuto di un utensile da taglio a punto singolo. Quando si calcola o si stima il tempo di ciclo di lavorazione CNC del processo di tornitura, la formula si basa anche su T=L/(avanzamento*N), dove L o lunghezza=(avvicinamento utensile + lunghezza di lavoro + extracorsa utensile)*n.
Avvicinamento e Oltrecorsa Utensile
La lunghezza di taglio effettiva totale (l) nella tornitura non conta solo la lunghezza dell'elemento da lavorare (lunghezza di lavoro). L'Avvicinamento utensile è la distanza percorsa dall'utensile dal punto di partenza al momento in cui inizia a tagliare il materiale. L'Oltrecorsa dell'utensile è la distanza percorsa dallo strumento oltre la fine della funzionalità.
Sgrossatura e Finitura
Nel processo di tornitura, è comune distinguere tra due fasi principali: la Sgrossatura, che coinvolge la rimozione rapida della maggior parte del materiale, utilizzando una profondità di taglio profonda e una velocità di avanzamento elevata, ma che si traduce in una finitura superficiale ruvida. La Finitura, invece, implica la lenta rimozione di una piccolissima quantità di materiale (spesso <0.5 mm di profondità), per ottenere una superficie precisa e di alta qualità.
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Fattori Che Influenzano il Tempo Ciclo
Anche i processi CNC stabili possono essere influenzati da diversi fattori, rendendo cruciale il controllo della variabilità per aumentare la velocità.
Complessità del Progetto e del Design
I progetti complessi richiedono più tempo per la lavorazione rispetto a quelli semplici, perché molti aspetti possono essere coinvolti nei loro progetti. Di conseguenza, maggiori complessità di progettazione possono causare tempi di ciclo più lunghi. La semplicità è spesso una virtù perché aiuta a ridurre i passaggi procedurali.
Abilità dell'Operatore
Uno studio ha stabilito che l'abilità dell'operatore è un fattore determinante essenziale della produzione nella lavorazione CNC. È facile per gli operatori esperti affrontare i problemi operativi, e la loro esperienza garantisce un miglioramento costante del processo durante tutto il programma. Perciò, la riduzione del tempo ciclo richiede operatori esperti.
Layout dell'Impianto e Logistica
Qualsiasi forma di tempo di inattività o di trasferimento è molto probabile che ritarderà l'intero processo. Così, la riduzione delle distanze tra le celle produttive ha l'effetto di diminuire il tempo ciclo e il tempo di transizione. Inoltre, la progettazione del layout implica la conoscenza dello spazio, materiale, e l'operazione di lavorazione da utilizzare nella progettazione.
Automazione
Le automazioni di solito ottengono risultati migliori rispetto alle attività manuali. Ridurre l’interfaccia umana può aiutare a migliorare l’efficienza. L'automazione apporta prevedibilità al processo e consente un miglioramento costante. Le strutture dell'impianto durante il processo di produzione garantiscono un tempo di ciclo adeguato.
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Condizioni della Macchina e Materiale
Le macchine CNC non sono esenti da sfide, inclusi problemi di surriscaldamento e vibrazioni. Queste condizioni possono avere un impatto negativo sulle prestazioni produttive e aumentare i tempi ciclo. Prevenire il surriscaldamento è cruciale, poiché il surriscaldamento può costringere il controller della macchina a rallentare automaticamente la velocità di taglio per proteggere i componenti. Anche la materia prima riveste un ruolo importante, sia per quanto riguarda la qualità del materiale da lavorare (acciaio, inox, ottone, alluminio o altre leghe), sia per la geometria.
La Misurazione Accurata del Tempo Ciclo: Sessagesimale vs. Centesimale
Unità di Misura e Sistemi
L’unità di misura del Tempo Ciclo è ovviamente il Secondo. Dobbiamo però fare attenzione ad un dettaglio importante: possiamo infatti usare due sistemi di misurazione, il sessagesimale e il centesimale. Se parliamo del tempo, nella vita quotidiana siamo abituati a ragionare in sessagesimale (60 secondi fanno 1 minuto, 60 minuti fanno 1 ora). È preferibile rilevare i tempi con il sistema centesimale attraverso un cronometro che preveda questa funzione, o tramite il tuo smartphone che spesso visualizza anche i centesimi di secondo.
Come Convertire il Tempo Ciclo da Sessagesimale a Centesimale
Se utilizzi il sistema sessagesimale avrai difficoltà nel momento in cui dovrai sommare diversi tempi. Ad esempio, sommare 50 secondi + 23 secondi + 14 secondi fa 87 secondi, ovvero 1’27”. Questo rende i calcoli meno immediati. Conviene invece lavorare in centesimale.
Secondo la base centesimale abbiamo:
- 1 minuto = 60 secondi
- 0,5 minuti = 30 secondi
- 0,1 minuti = 6 secondi
- 0,0166667 minuti = 1 secondo
Se abbiamo rilevato 50 secondi dobbiamo solo dividere per 60 (50/60=0,833 min). Quindi, per i nostri tempi di 50s, 23s e 14s, avremo: 0,833 + 0,383 + 0,233 = 1,449 min. Per farti capire meglio, se ti dico “ci vediamo tra un’ora e mezza” lo scriveresti come 1,5 ore (centesimale) oppure 1h30’ (sessagesimale). Il nostro esempio di 1 minuto e 27 secondi è in centesimale 1,449 minuti.
L'Ottimizzazione del Tempo Ciclo e i Tempi e Metodi
Ruolo Cruciale nell'Efficienza
La gestione del tempo di ciclo è fondamentale per i costi perché il tempo di ciclo deve essere ottimizzato per mantenerlo il più basso possibile. Così, il tempo di ciclo influisce sui tempi di consegna e sui costi totali di lavorazione. A causa della significativa correlazione tra il tempo ciclo e il costo e il tempo di consegna di qualsiasi progetto CNC, una riduzione del tempo ciclo si traduce in una riduzione dei costi.
Il Mascheramento del Tempo Ciclo e Operazioni in Parallelo
Per minimizzare il tempo di produzione, è fondamentale che le operazioni della macchina siano eseguite con il massimo grado di contemporaneità possibile. Questo principio, detto mascheramento del tempo ciclo, fa sì che solo le operazioni che necessitano di essere eseguite in sequenza contribuiscano all’incremento del tempo ciclo. Questo implica il ricorso a operazioni in parallelo e l'adozione di strategie per evitare inutili spostamenti degli assi. A tal fine, è consigliabile installare gli utensili rispettando la sequenza con quale vengono richiamati nel programma.
Il Metodo Tempi e Metodi per l'Ottimizzazione
Come già detto in un precedente articolo riguardante la raccolta dati e gli errori più comuni, “se non lo puoi misurare, non lo puoi controllare”. È per questo che parlando di miglioramento dobbiamo necessariamente parlare di Tempi e Metodi e Tempo Ciclo. Per Tempi e Metodi si intende l’analisi dei modi in cui una data attività viene eseguita. Si basa sull’analisi dei tempi in cui il Ciclo di lavoro viene diviso in operazioni, che a loro volta vengono divise in fase. L’insieme di tutte le fasi genera quindi il Tempo Ciclo. Studiando i tempi delle varie fasi, standardizzandole e disponendole in modo ottimale si crea quella che viene definita la distinta di lavoro standard. Al giorno d’oggi, abbinare attività di Tempi e Metodi con concetti di Lean Production, è la base di ogni ricerca di ottimizzazione dei processi produttivi. Secondo i metodi classici il Tempo Ciclo non deve mai essere trattato come un dato “puro”, ma esistono infatti diversi fattori (Fattore Fisiologico, Fattore di Riposo, Ritmo) che vanno a modificare il Tempo Ciclo rilevato. Il risultato sarà il Tempo Ciclo Standard.
Limiti delle Formule Tradizionali e il Valore dell'Esperienza e del Software CAM
Le formule comunemente utilizzate per stimare i tempi di lavorazione sono utili per capire quali processi consumano tempo, ma poiché quasi tutte le variabili sono difficili da determinare o misurare nella lavorazione reale, il calcolo del tempo effettivo del ciclo di lavorazione CNC è solitamente più complesso del calcolo della formula. Per esperienza personale, il modo migliore per stimare il tempo di lavorazione CNC è chiedere a un operatore esperto di macchine. Personalmente, quindi, riteniamo che affidarsi esclusivamente a formule rigide sia completamente irragionevole, perché le variabili in gioco sono così tante che sono difficili da calcolare e quantificare. Il software CAM migliora in modo impressionante la funzione di programmazione del ciclo. Le stime specifiche dei cicli di lavorazione sono possibili anche all’interno degli ambienti di simulazione del software. Tali strumenti aiutano i produttori a programmare bene la loro produzione. In pratica, il tempo di ciclo viene stimato meglio utilizzando la simulazione CAM.
Considerazioni sulla Produzione in Serie e su Lotti
Una torneria come la Gima S.p.A. lavora con elevati volumi di produzione, producendo ogni anno lotti che vanno da poche migliaia di pezzi fino a oltre un milione di pezzi. Per molte fabbriche con eccellenti capacità di lavorazione, quanto maggiore è la quantità di pezzi lavorati richiesta, tanto maggiore può essere il tempo impiegato, ma non aumentare proporzionalmente. Ciò implica fattori quali il numero di macchine in elaborazione sincrona, l'efficienza di alimentazione, l'efficienza del cambio utensile e il numero di processi, ecc. Per questi ordini di grandi dimensioni, si valuta la difficoltà di lavorazione, il numero di pezzi, i tempi di consegna e l'urgenza di avviare il numero corrispondente di macchine utensili, in modo da ridurre ulteriormente i tempi di lavorazione.
Controllo Qualità e Tempi di Lavorazione
L'Impatto della Qualità sul Tempo Ciclo
Il tempo di lavorazione CNC ha un ottimo rapporto con il controllo dei costi e dei tempi di consegna. Il controllo di qualità è una fase indispensabile che impatta sul tempo ciclo complessivo. Una volta completato l'ordine di lavorazione del cliente, una serie di ispezioni di qualità, come ad esempio ispezioni casuali, ispezioni complete, e controlli sull'aspetto, sono necessarie per garantire che i prodotti siano qualificati, il che avrà un impatto molto importante sulla consistenza del prodotto.
Esempio di Ispezione Rigorosa
Eseguiamo ispezioni di alto livello e molto rigorose sui pezzi lavorati dai clienti. Abbiamo una capacità di verifica di 0,001 mm: siamo dotati di ZEISS, lo standard di riferimento nel campo della metrologia, della macchina di misura a coordinate e della macchina di misura a coordinate GROMA-C. È dotato di un Mahr MMQ 400 strumento di misura della rotondità, appositamente progettato per il rilevamento di alta gamma (rotondità, coassialità) di alberi e posizioni di cuscinetti. Abbiamo anche CCD apparecchiatura per l'ispezione visiva, che risolve il problema dello screening della resa 100% di grandi quantità di piccoli pezzi (come viti, contatti) nell'industria elettronica/automotive.