автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Обеспечение изготовления поковок конкурентоспособного качества на основе интегрированной информационной поддержки процессов проектирования и производства

На правах рукописи

ПОЗДНЕЕВ Борис Михайлович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКОВОК КОНКУРЕНТОСПОСОБНОГО КАЧЕСТВА НА ОСНОВЕ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРОЦЕССОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА

Специальность: 05.13.06—Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН»

Научный консультант

член-корреспондент РАН,

доктор технических наук, профессор

Ю.М.Соломенцев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Е.П.Курочкин

доктор технических наук, профессор Е.А.Саксонов

доктор технических наук, профессор М.Г.Косов

Ведущее предприятие:

ОАО «Национальный институт авиационных технологий (НИАТ)»

Защита состоится часов на заседании

диссертационного совета Д 212 .142.03 Московского государственного технологического университета «СТАНКИН» по адресу: г.Москва, Вадковский пер., д.За МГТУ «СТАНКИН»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технологического университета «СТАНКИН»

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим высылать ученому секретарю Совета по адресу:

127994, г.Москва, Вадковский пер., д.За, МГТУ «СТАНКИН» Диссертационный Совет Д 212.142.03

Автореферат разослан « 2006г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 212.142.03 / , ..

К.Т.Н. Т

Е.Г.Семячкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из приоритетных задач структурной перестройки отечественной промышленности является ускоренное формирование национальной технологической базы и обеспечение конкурентоспособности выпускаемой продукции на внутреннем и мировом рынках. Повышение требований потребителей к качеству, снижению стоимости и сокращению сроков освоения продукции все в большей степени ориентируют поставщиков на выпуск конкурентоспособной продукции, что возможно лишь при условии создания на предприятии современной технологической, информационной и организационной среды. В этой связи приоритетное значение имеет соблюдение требований международных и национальных стандартов в области менеджмента качества, безопасности продукции, управления проектами и обеспечения корпоративного информационного взаимодействия потребителей и поставщиков на основе перспективных информационно-коммуникационных технологий.

Качество и эффективность при изготовлении машиностроительных изделий в значительной степени определяются уровнем развития технологической и информационной среды предприятия. При этом особое значение приобретает уровень заготовительного производства, относящегося к начальной стадии технологического процесса и обусловливающего основные материальные затраты и свойства изготавливаемых деталей.

Тенденции повышения стоимости металла и энергии обусловили применение малоотходных и ресурсосберегающих процессов металлообработки, в т.ч. различных способов холодной, полугорячей* и горячей объемной штамповки. Например, в автомобильной, подшипниковой, электротехнической и других отраслях стала широко применяться полугорячая объемная штамповка, обладающая рядом преимуществ по сравнению с традиционными процессами горячей и холодной объемной штамповки. Конкурентоспособность этого процесса особенно высока при изготовлении осесимметричных поковок и деталей сложной формы на автоматизированных многопозиционных штамповочных комплексах.

Благодаря рациональному выбору термомеханического режима деформирования и стабилизации параметров процесса штамповки возможно изготовить высокоточные поковки с заданным комплексом механических характеристик. Рациональное комбинирование полугорячей и холодной объемной штамповки позволяет обеспечивать точность размеров поковок на уровне 9—11 квалитетов и изготавливать сложные элементы их поверхности (зубья, шлицы, полости и углубления) в законченном виде без последующей обработки резанием. Ввиду высокой технической сложности проектирование и изготовление высококачественных автоматизированных комплексов в настоящее время освоило лишь несколько ведущих прессостроительных фирм,

* В литературе встречаются аналоги данного термина: неполная горячая штамповка, теплая деформадия, штамповка с подогревом и др.

обеспечивающих потребности мирового рынка в этом перспективном технологическом оборудовании.

Наряду с преимуществами следует указать на сложности, связанные с разработкой технологических процессов и обеспечением изготовления поковок высокого качества. В настоящее время отсутствуют эффективные-средства информационной поддержки процесса конструкторско-технологического проектирования и, в первую очередь, инженерные приложения, позволяющие учесть влияние нестационарного теплового режима на основные показатели качества поковки (точность размеров, механические свойства, дефектный слой и др.), стойкость деталей штампов, режимы эксплуатации автоматизированных комплексов и др. Недостаточно изучены вопросы обеспечения стабильности операций технологического процесса и надежности штамповочных комплексов. Ввиду отсутствия интегрированной информационной поддержки существенно увеличиваются сроки создания автоматизированных комплексов и технологической подготовки полугорячей штамповки, что снижает конкурентоспособность этого перспективного процесса.

На основе изложенного можно заключить, что в автоматизированном машиностроении актуальное значение имеет обеспечение изготовления поковок конкурентоспособного качества на основе интегрированной информационной поддержки, соответствующей, во-первых, современным тенденциям в области управления качеством и жизненным циклом машиностроительных изделий как совокупностью взаимосвязанных и взаимодействующих процессов (процессный подход), а во-вторых, требованиям базовых стандартов в области информационного взаимодействия и создания открытых систем.

В рамках рассматриваемой темы исследования определим:

• объект исследования — процесс интегрированной информационной поддержки жизненного цикла машиностроительных изделий (на примере применения точной объемной штамповки в заготовительном производстве);

• предмет исследования — поковки конкурентоспособного качества для машиностроительных деталей ответственного назначения, изготавливаемые преимущественно многопереходной полугорячей объемной штамповкой на автоматизированных комплексах.

Цель работы. Создание интегрированной информационной поддержки процессов конструкторско-технологического проектирования и производства для обеспечения изготовления поковок и деталей конкурентоспособного качества.

Методы исследовании. Теоретические исследования выполнены с применением основных положений системного анализа, теории обработки металлов давлением, теории теплопроводности, методов искусственного интеллекта и конечных элементов, нечетких множеств, математической статистики, квалиметрии и принципов всеобщего менеджмента качества. Функциональные и информационные модели процессов разработаны на основе универсальных СЛБЕ-средств, моделирование пластического деформирования

поковки и тепловых полей в инструменте выполнено с использованием программных комплексов для конечно-элементного анализа объектов. Экспериментальные исследования выполнены с использованием тензометрирования, радиационной пирометрии, калориметрирования, макро- и микроструктурного анализа, электронной растровой и просвечивающей микроскопии.

Научная новизна диссертационной работы включает:

• взаимосвязи и характер наследования характеристик процессов проектирования и производства, влияющие на качество изготавливаемых поковок и деталей, учитывающие специфику процессов жизненного цикла машиностроительных изделий ответственного назначения;

• моделирование и оценку ресурсоемкое™ (металлоемкости, энергоемкости, трудоемкости) процессов штамповки и металлообработки, выполняемых на этапах концептуального конструкторско-технологического проектирования;

• выявление и обоснование на основе анализа функциональных и конструктивных характеристик машиностроительных деталей структуры технологического маршрута, термомеханических режимов пластического деформирования поковок и технических характеристик автоматизированных комплексов.

• разработку и реализацию принципов информационного обеспечения процессов проектирования и производства поковок с позиций управления жизненным циклом машиностроительных изделий как совокупностью взаимосвязанных и взаимодействующих процессов (процессный подход). Создание функциональных и информационных моделей для этапов проектирования и производства поковок конкурентоспособного качества;

• разработку методов и средств интеллектуальной поддержки принятия решений для концептуальной стадии конструкторско-технологического проектирования поковок и синтеза структур ресурсосберегающих процессов, основанных на классификации технологической среды металлообработки, формализации экспертных знаний и применении продукционных правил и таблиц решений.

Практическая полезность. Полученные в диссертации результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы для обеспечения интегрированной информациошгой поддержки процессов проектирования и производства машиностроительных поковок и деталей конкурентоспособного качества и включают:

• функционально-информационное обеспечение для управления процессами проектирования и производства поковок применительно К условиям интегрированной информационной поддержки машиностроительных изделий;

• требования к характеристикам качества процессов проектирования и изготовления поковок;

• научно обоснованные рекомендации по обеспечению стабильности технологических процессов, стойкости деформирующего инструмента и надежности автоматизированных комплексов для изготовления высококачественных поковок;

• методики структуризации информации и идентификации типовых поковок и компонентов технологической среды для изготовления широкой номенклатуры машиностроительных деталей конкурентоспособного качества;

• ипформацио1шую базу по эффективным конструкторско-технологическим и организационным решениям, реализованным в виде инженерных приложений.

Достоверность научных результатов и выводов подтверждается корректным использованием научных методов исследования, современного математического аппарата, экспериментальной проверкой и верификацией результатов моделирования, а также практикой применения разработанных средств информационной поддержки и конструкторско-технологических решений для изготовления высококачественных поковок.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при выполнении комплексной межведомственной программы повышения качества продукции оборонно-промышленного комплекса, ряда отраслевых и межвузовских научно-технических программ, более десяти договоров с отечественными предприятиями и зарубежными фирмами. Полученные результаты послужили основой для создания интегрированной информационной поддержки процессов проектирования и производства машиностроительных деталей ответственного назначения, интеллектуальной поддержки принятия решений на концептуальной стадии конструкторско-технологического проектирования, прототипа компьютерной системы менеджмента качества, методик оценки ресурсоемкости процессов металлообработки и штамповки.

Научно обоснованные конструкторские и технические решения внедрены при создании автоматизированного комплекса полугорячей штамповки автомобильных поковок, комплексно-механизированного участка холодной и полугорячей штамповки поковок гидроаппаратуры, модернизированного комплекса для полугорячей штамповки поковок авиационного назначения. Изготовленные на их базе высококачественные поковки отмечены медалями ВВЦ.

Разработанные методы информационной поддержки и моделирования процессов представлены в виде информационно-программных средств, компонентов экспертной системы, изданы в виде методических указаний, использованы в МГТУ «Станкин» в курсах лекций «Стандартизация и сертификация информационно-программных средств» и «Процессы формообразования в машиностроении».

Апробация и публикация работы. Основные научные и практические результаты работы доложены и обсуждены на расширенном заседании кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления» МГТУ «Станкин», тридцати шести конференциях и семинарах, в т.ч.: Международной

конференции «Информационные средства и технологии» (Москва, 1995,1998,2002, 2004 и 2005); XI Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'2004» (Санкт-Петербург, 2004); Международной конференции «Производство, технология, экология» (Москва, 1997, 2000, 2001, 2002, 2003 й 2004); Девятой национальной конференции по искусственному интеллекту с международным участием (Тверь, 2004); Научно-практической конференции «Проблемы качества, безопасности и диагностики в условиях информационного общества» (Сочи, 2004); Научно-техническом совещании «Современные наукоемкие технологии в промышленности России: высокопроизводительные вычисления и САЬБ-технологии» (Уфа, 2004); Пятой международной конференции и выставке по морским и интеллектуальным технологиям «Моринтех-2003» (Санкт-Петербург, 2003); Конгрессе (Всесоюзной конференции) «Конструкторско-технологическая информатика» (Москва, 1987,1989 и 1996); и др.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 184 наименований и трех приложений. Диссертация содержит 242 страницы машинописного текста, 79 рисунков и 26 таблиц.

_ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель и направления исследований, дала аннотация работы, изложены основные положения, представляемые к защите.

Глава 1. Современные тенденции в области развития информационно-технологической среды и обеспечения конкурентоспособности машиностроительных изделий

На основе имеющихся публикаций проанализировано состояние и тенденции развития заготовительных машиностроительных производств, технологической среды для изготовления высококачественных поковок и деталей ответственного назначения, концепции и методологии интегрированной информационной поддержки жизненного цикла изделий, методы менеджмента качества и обеспечения конкурентоспособности выпускаемой продукции.

В результате анализа опыта отечественной и зарубежной промышленности показано, что в области заготовительных производств наблюдается устойчивая тенденция к применению малоотходных и ресурсосберегающих технологий, в числе которых приоритетное значение имеют процессы объемной и листовой штамповки, литья, порошковой металлургии. Непрерывное повышение требований рынка, с одной стороны, и совершенствование технологических процессов и компонентов оборудования, с другой стороны, предопределяют прогресс в сфере металлообработки и развития технологической среды металлообработки. Так, в автомобилестроении благодаря расширению применения точной полугорячей и холодной объемной штамповки были значительно сокращены участки горячей штамповки и черновой механообработки поковок.

Высокая конкурентоспособность полугорячей объемной штамповки (ПГОШ) обусловлена ее специфическими технологическими возможностями и рациональным сочетанием известных преимуществ холодной (ХОШ) и горячей (ГОШ) штамповки. Благодаря исследованиям отечественных и зарубежных ученых и специалистов (А.Э. Артеса, В.А. Головина, А.М.Дмитриева. В.В. Евстифеева, В.А. Евстратова, E.H. Ланского, A.B. Лясникова, А.Г. Овчинникова, E.H. Сосепушкина, А.И. Хыбемяги, U. Diether, R. Geiger, Е. Körner, К. Lange, D. Löver, M. Remppis и др.) установлены технологические возможности полугорячей штамповки, обоснованы методы расчета энерго-силовых параметров процесса штамповки, разработаны конструкции штампов и технологического оборудования для изготовления широкой номенклатуры машиностроительных поковок и деталей. Обобщение опыта промышленного освоения полугорячей штамповки позволило выявить ряд нерешенных проблем, связанных с обеспечением стойкости деталей штампа, точности размеров поковок, созданием эффективных технологических смазок, совершенствованием конструкторских решений и повышением надежности автоматизированных комплексов. По мнению ряда авторов, указанные проблемы взаимосвязаны и их решения должны основываться на более глубоком исследовании влияния температурного фактора на теплообмен в системе «поковка-штамп», силовой режим деформирования поковки, износ деталей штампа, образование случайных и систематических погрешностей размеров поковок и др.

Результаты этих исследований необходимы, в первую очередь, для дальнейшего развития методов проектирования и управления сложными технологическими процессами и комплексами для многопозиционной полугорячей штамповки. В ряде публикаций отмечается необходимость создания экспертных систем или систем поддержки принятия решений для сложных и трудноформализуемых задач проектирования и управления автоматизированными комплексами.

На основе экспертного опроса специалистов установлено, что создание автоматизировать« многопозиционных комплексов эффективно для крупносерийного и массового производства высококачественных поковок, к которым предъявляются повышенные требования по точности размеров и формы, шероховатости поверхности, характеристикам дефектного слоя, микро-и макроструктуре, механическим свойствам и др. В этой связи необходимо отметить, что в технической литературе недостаточно отражено влияние технологических факторов на качество поковок, отсутствуют научно обоснованные требования к качеству процессов проектирования и производства.

Дальнейшее развитие полугорячей штамповки как компонента технологической среды металлообработки и машиностроения предопределяет необходимость учета общих тенденций, связанных с концепцией жизненного цикла изделия, информационной поддержкой изделий па основе CALS-технологий и стандартов, разработкой методов совмещенного проектирования, интегрированного управления ресурсами, создания систем управления знаниями и систем менеджмента качества. Основополагающим условием для

успешной реализации указанных перспективных подходов является создание па предприятии интегрированной информационной среды, основанной на унифицированном информационном описании изделий, производственной среды и протекающих в этой среде процессов.

Большой вклад в разработку основ конструкторско-техиологической информатики и создание интегрированных машиностроительных производств внесли отечественные и зарубежные ученые В.И. Аверчепков, Л.Б. Аксенов, Б.М. Базров, Бочаров Ю.А., В.Ф Горнев, A.A. Гусев, Г.Б. Евгенев, М.Г. Косов, В.В. Кузьмин, E.H. Ланской, В.Г. Митрофанов, В.В. Павлов, А.И. Половинкин, А.Ф. Прохоров, A.B. Рыбаков, О.С. Сироткин, Ю.М. Соломенцсв, В.Л. Сосонкин, В.К. Старков, Л.Г. Степанский, В.Д. Цветков, Г.П. Тетерин, Spyr G., Krause F.-L. и др. В результате этих исследований было структурировано информационное описание технологической среды машиностроения, развиты методы конструирования изделий и проектирования технологических процессов с использованием средств вычислительной техники, созданы эффективные гибкие производственные системы.

Дальнейшее развитие этих идей нашло отражение в работах В.И. Дмитрова, А.Ф. Колчина, М.В. Овсянникова, A.B. Рыбакова, Е.В. Судова, С.А. Шептунова, Л.М. Червякова и др., обосновавших и разработавших концептуальные подходы к созданию интегрированной информационной поддержки жизненного цикла машиностроительной продукции, структурному и функциональному моделированию процессов, интеллектуальной поддержке принятия решений. Следует указать, что в большинстве работ лишь косвенно рассматриваются вопросы обеспечения качества, недостаточно исследовано влияние процессов жизненного цикла машиностроительных изделий на характеристики качества изготавливаемой продукции. В этой связи следует указать на перспективность разработки компьютерных систем менеджмента качества (КСМК), взаимодействующих в рамках интегрированной информационной среды с системами класса CAD/CAE/CAM/PDM/PLM и др. Реализация такого системного подхода к созданию интегрированной информационной поддержки является основным условием для обеспечения конкурентоспособного качества изготавливаемой продукции. Такой подход обусловлен необходимостью выполнения принципов всеобщего менеджмента качества (TQM) и требований международных стандартов серии ИСО 9000 и ИСО 10303 (STEP).

Еще один аспект обеспечения качества связан с интегрированным управлением ресурсами организации (ERP-Enterprise Resource Planning). Развиваемая в рамках этого класса систем методология непрерывного улучшения бизнес-процессов (Business Process Improving) является основой для реализации процессного подхода в соответствии с требованиями взаимосвязанных стандартов ИСО 9001 и ИСО 9004.

На основе проведенного анализа и цели работы сформулированы следующие направления исследований.

1. Структурно-функциональное моделирование информационно-технологической среды и процессов жизненного цикла поковок.

2. Разработка принципов интегрированной информационной поддержки для этапов и процессов жизненного цикла поковок и машиностроительных деталей.

3. Обеспечение интеллектуальной поддержки принятия конструкторско-технологических решений на основе экспертных знаний.

4. Обоснование взаимосвязанных требований к качеству процессов жизненного цикла, технологического комплекса и изготаативаемых поковок.

5. Разработка научно обоснованных конструкторско-технологических решений для автоматизированного изготовления высококачественных поковок.

Глава 2. Структурно-функциональное моделирование информаци-онно-техиологичсской среды и процессов жизненного цикла иоковок конкурентоспособного качества

Выполнение требований потребителей в отношении стоимости, гарантий качества, безопасности и сроков поставки продукции должно основываться на структурно-функциональном моделировании процессов и этапов жизненного цикла машиностроительных деталей и поковок.

В результате структурно-функционального моделирования технологической среды, процессов и этапов жизненного цикла поковок должно быть обеспечено эффективное планирование и управление материальными, информационными, кадровыми и финансовыми ресурсами предприятия и его структурных подразделений. С использованием универсальной методологии моделирования IDEF (1СЛМ Definition) были разработаны функциональные и информационные модели, позволяющие идентифицировать и установить взаимосвязи анализируемых процессов (подпроцессов, операций) и этапов (подэтапов) жизненного цикла поковок.

Обеспечение качества поковок должно базироваться на соблюдении принципов всеобщего менеджмента качества и требований стандартов серии ИСО 9000. Исходя из этого, создаваемая модель системного менеджмента качества (СМК) должна основываться, в первую очередь, на процессном и системном подходах к менеджменту. При этом следует учитывать, что требования к СМК, установленные в стандарте ИСО 9001, являются дополняющими по отношению к требованиям к продукции, которые регламентируются другими нормативными документами или условиями контрактов. В работе обоснована необходимость создания компьютерной СМК (КСМК), которая, во-первых, позволяет обеспечить системный менеджмент качества процессов жизненного цикла продукции (ЖЦП) и самой изготавливаемой продукции, а во-вторых, может быть интегрирована в корпоративную информационную среду предприятия (группы предприятий) и обеспечить взаимодействие с другими системами (CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM/PLM/ERP и др.) Обоснованный в работе подход к обеспечению изготовления поковок конкурентоспособного качества представлен на рис. 1.

Рис.1. Обеспечение изготовления поковок конкурентоспособного качества

Современные методология и стандарты в области информационных технологий поддержки жизненного цикла продукции предусматривают создание интегрированной информационной среды (ИИС), представляющей совокупность распределенных баз данных (БД), содержащих сведения об изделиях, технологической среде, процессах и ресурсах. Указанные сведения (данные, информация, знания, модели и др.) должны быть представлены в ИИС в виде информационных объектов (ИО), доступных для обмена или совместного использования различными участниками жизненного цикла продукции.

Разработанная структура ИИС (рис.2) включает различные виды информационных объектов, основу которых составляют:

• модели объектов производства (концептуальные, конструктивные, технологические, производственные и другие модели поковок и деталей), представленные на основе спецификаций IGES, STEP, XML и др;

• модели процессов конструкторско-технологического проектирования, подготовки производства, управления комплексами и др., представленные на основе методологии IDEF и унифицированного языка моделирования UML;

f )( )( ) f J ( ) ••• ) Информационные объекты

(ч_УЧ_>5 N-V v^i W

Интегрированная информационная среда

Функциональные системы • • • ( ) CAD/C АЕ/С А РР/С А М.

PDM. PLM, ERP и др.

• • • ( ) Распределенные БД

Т

Модели технологической среды (структурные модели, таблицы решений, правила и др.)

Модели процессов: IDEFO, IDEF1, IDEF1X, IDEF3, UML

Модели объектов: IGES, STEP, XML

Рис. 2. Структура интегрированной информационной среды

• модели технологической среды (структура и функциональные возможности используемых производственных комплексов, технологических процессов, рекомендации по их выбору и др.).

На рис.3, представлена взаимосвязь процессов и этапов жизненного цикла машиностроительной продукции, являющаяся основой для создания указанной выше КСМК. Функциональная модель процессов жизненного цикла продукции (ЖЦП) разработана на основе стандарта ИСО 9001 и включает шесть основных видов (порядковые номера указаны в соответствии с п.7 стандарта). Многоуровневая декомпозиция процессов (рис.За) отражает сложную структуру машиностроительного изделия (рис.Зб) и необходима для планирования и управления цепочками и этапами жизненного цикла конкретных изделий.

В рамках данного исследования проанализированы две группы процессов ЖЦП: проектирование и разработка (3) и производство (5). Для указанных процессов ЖЦП разработаны функциональные и информационные модели, соответствующие уровням «поковки» и «детали» (частично). Процесс закупок (4) рассматривался в аспекте обоснования требований к поставляемому исходному материалу (сортовому прокату) и заказам на изготовление штампов, прессов или автоматизированных комплексов для объемной штамповки. Применительно к цепочке ЖЦП исследованы этапы разработки ТЗ (II), проектирования (III), технологической подготовки производства (IV) и производства (V) изделия. На основе структурной декомпозиции и анализа взаимосвязей функциональных моделей были сформулированы принципы интегрированной информационной поддержки для этапов ЖЦП: проектирования и производства (изготовления).

Процессы ЖЦП

Рис.3. Взаимосвязь процессов и этапов жизненного цикла машиностроительной продукции

При традиционном подходе к проектированию наибольшей неопределенностью (энтропией) характеризуется стадия концептуального проектирования детали и поковки. Структуризация и управление моделями детали и поковки на различных этапах проектирования и производства (рис.4) позволяет уменьшить риск принятия ошибочных решений и сократить затраты времени и ресурсов на изготовление изделия. Интегрированная информационная поддержка должна обеспечить управление процессом проектирования на основе дедуктивного метода («сверху»), основываясь на правилах синтеза и научно обоснованного выбора решений.

При этом особую значимость имеет создание методов и средств интеллектуальной поддержки принятия решений для наиболее ответственных и слабо формализованных проектных задач.

С позиций системно-структурного проектирования технологический процесс изготовления детали может быть представлен как последовательное преобразование исходного материала в деталь (рис.4).

См->• • • ->С„->...—>С„, Ф : С„->СД,

Ф ={ФЬ...,ФП,...,ФД}, Ф; :Си-> Сь

где См, Сп, Сд — состояние исходного материала, поковки и детали соответственно; Ф, Ф; — функции преобразования технологического процесса и его 1-го этапа.

Интегрированная информационная поддержка

Исходный материал Заготовка Поковка Полуфабрикат Деталь

Изменение формы, размеров, точности размеров, структуры и свойств заготовки в проиессе металлообработтси

Рис. 4. Моделирование и интегрированная информационная поддержка на этапах проектирования и производства поковок и деталей

Структурная многоуровневая декомпозиция технологического процесса па этапы, операции и переходы позволяет детализировать его функциональную и временную структуру. С точки зрения формирования свойств поковки (детали) и затрат ресурсов на ее изготовление имеет значение рациональный выбор технологических методов и способов (функций преобразования) при разработке технологического маршрута металлообработки. В общем виде информационное описание (состояние) детали (поковки, полуфабриката) может быть представлено в виде

Сд = <м,р,т,к,о>,

где М — марка и характеристики свойств материала; Р — характеристики размеров и формы; Т — характеристики точности размеров и формы; К — характеристики шероховатости поверхностей; О — характеристики дефектного слоя.

Обеспечение полной совместимости характеристик поковки и детали, позволяет изготовить готовую деталь точной объемной штамповкой без использования других методов обработки. Несовместимость характеристик размеров и формы (Р) обусловливает значительный объем черновой обработки поковки, а в случае несовместимости других характеристик (Т, Я, В) необходима, как правило, чистовая обработка исполнительных поверхностей детали. Изменение характеристик свойств металла поковки должна обеспечиваться преимущественно за счет термической обработки. В случае применения холодной объемной штамповки поковок из низкоуглеродистых сталей может быть применена поверхностная химико-термическая обработка.

Учет и рациональное использование технологических возможностей объемной штамповки необходимо обеспечивать на ранних стадиях проектирования

и создания информационных моделей объекта производства. Интегрированная информационная поддержка процессов проектирования и производства (рис.4) может быть условно представлена в виде последовательного преобразования и развития информационных моделей детали и поковки

СЛО_^ _/чГ_^

\/ / /

с„т—► с„ —► сЦ .

На этапе преобразования функциональной модели С,'1' в конструкторско-технологическую модель Сдет должно быть принято решение о целесообразности применения точной поковки, соответственно, последующие этапы разработки модели должны выполняться в режиме совмещенного проектирования. Реализация такого подхода требует создания интегрированной информационной среды для обеспечения итерационного процесса конструкторско-технологического проектирования. Исходя из этого была разработана Автоматизированная экспертно-проектная система технологий машиностроения (АЭСТМ), основанная па применении экспертных знаний и обеспечивающая интеллектуальную поддержку принятия совместных проектных решений конструкторами и технологами. На основе анализа технологической среды при создании АЭСТМ была разработана иерархическая классификация, отражающая на верхнем уровне шесть основных этапов металлообработки. В качестве примера на рис.5 приведена пятиуровневая декомпозиция второго этапа металлообработки — малоотходного формообразования. Как видно, декомпозиция методов обработки отражает общие принципы реализации процесса (литье, обработка давлением, сварка, порошковая металлургия), а последующая детализация способов обработки учитывает его специфику с точки зрения применяемых схем (ковка, объемная штамповка, листовая штамповка) и температурных режимов деформирования (изотермическая, холодная, полугорячая, горячая).

Декомпозиция технологических модулей (ТМ), их модификаций (МТМ) и типов (ТТМ) позволяет учесть принцип действия и копструкторско-технологические особенности применяемого оборудования и автоматизированных комплексов. На этой основе можно моделировать структуру технологического маршрута с различной степенью детализации, что необходимо для информационной поддержки различных этапов конструкторско-технологического проектирования. Маршрутная и маршрутно-операционная разработки технологического процесса должны основываться на информационном описании детали (поковки) и требований к процессу ее изготовления (рис.6).

Указанная структура информатизации была применена и для описания технологических, организационно-технических, технико-экономических и экологических характеристик основных элементов технологической среды — ТМ, МТМ и ТТМ. На основе экспертных оценок были разработаны таблицы решений (рис.7), позволяющих на основе пятиуровневой шкалы оценить значение характеристик, обеспечиваемых конкретным технологическим модулем. Оценка применяемости технологических модулей для изготовления конкретных деталей осуществляется в АЭСТМ на основе принципа технологической совместимости.

I. Этапы прошводитпа 2. "И:\нологичсскне 3. Технологические 4. Техншгогчческие 5 Модификации ТМ (МТМ) б.ТидыТМСПМ) способы методы мадули('Ш)

зд врал»«**

Рис.5. Структурная декомпозиция технологической среды металлообработки

Марка

Материал * Свойства физико-химические

Описание детали

Информация у о детали

Требования , к процессу ( изготовления А детали

^Геометрическая^ структура

Организационт - технические

Технико-экономические

' Экологически ограничения'

' Форма

• Определяющие размеры ' Масса

' Точность размеров и формы ' Шероховатость ' Дефектный слой Система базирования

Годовая программа выпуска Продолжительность технологической подготовки

Производственная база Уровень автоматизации Уровень гибкости Ограничения по ресурсоемкости Ограничения по финансовым затратам

1 „^-Воздушная среда

—Система водообеспечепия

1

-Уровни шума и вибрации Рис.6. Структура информации о детали (поковке)

Для поддержки принятия решений на концептуальном уровне синтеза технологического маршрута металлообработки была разработана система экспертных правил «Если - То», Так, для определения целесообразности применения этапа малоотходного формообразования была создана система из двадцати правил, учитывающих влияние следующих пяти характеристик изготовляемой детали (поковки):

• группа металла (указывается одна из десяти возможных групп);

• коэффициент сложности формы (0 < К й 1);

• масса детали — М, кг;

• годовая программа выпуска — Р, шт.;

• диаметр детали (максимальный) — D, мм.

Ниже приведены фрагменты комплекса продукционных правил: «Применение этапа малоотходного формообразования Ф2 ЦЕЛЕСООБРАЗНО, ЕСЛИ выполняется одно из правил»:

М 005 Если К<0, 16 v 0,01 < М < 0, v Р 4м> 600, То Ф2

« • •

ИЛИ

М 030 Если металл групп 5-10 v 0,16 < К < 0, 32 v 0,01 < М < 0, 1 v Р4м>: 600, То Ф2

• • •

ИЛИ

М 060 Если металл групп 3-6 v D > 200, То Ф2

Разработанная система продукционных правил и таблицы принятия решений составили основу базы знаний, реализованной в среде «Интер-Эксперт». Стратегия поиска альтернативных маршрутов металлообработки деталей направлена на выбор лучшего варианта, что позволяет существенно сократить число анализируемых вариантов.

На рис.7 представлена функциональная модель копструкторско-технологического проектирования, позволяющая на концептуальной стадии определить возможность применения малоотходного формообразования для изготовления детали и скорректировать ее конструктивную модель с учетом производственной технологичности.

Методика анализа эффективности альтернативных вариантов основывалась на сопоставлении затрат металла и энергии, поскольку их суммарная доля в себестоимости изготовления детали достигает 50—60% и имеет тенденцию к росту.

Для анализа структуры преобразования металла в сквозном цикле обработки, наряду с общепринятым коэффициентом использования металла (Кя), предложено применять коэффициенты технологического отхода (К„) и утилизации (Ку) металла. При этом значение Ки в сквозном маршруте металлообработки может быть определено по формуле

и

Ки= J"[ K„(j) , 1=1

где п — число технологических операций при металлообработке; К„ (¡) — значение К„ для i-й операции.

DATE 12 Februiry 2001 С ■ WORKIHQ reader date context. •

REV: 04 March 2002 p. draft

recommended i^h

publication ■0

Стандарты н нормативы 1СКД, ЕСТПП, STEP н др.

Функциональная модель

3.1.2 . Определить метод формообряэовшия

3.1.3 ■ Разработан» конструкти иную модель

Отработка на технологичность

САПР К (САР)

САПР ТИП (САРР)

Изменение требойаний

САПР К (CAE)

Информационная поддержка изделия (PDM) Проектирование детали

:> IMii • H>,sw Пр\ж.,. »Итоном«!»» f**z Чу 11 %

Декомпозиция процесса определения метода формообразования:

Рис. 7. Функциональная модель интегрированного конструкторско-технологического проектирования деталей и поковок

На основе обобщения статистических данных о структуре использования материала (Ки, Кй , К}) разработаны модели, позволяющие оце1Шть укрупненные затраты материала при различных вариантах маршрута металлообработки.

Оценку энергозатрат предложено определять исходя из суммарных приведенных затрат тепловой энергии или условного топлива, учитывающих характер используемых методов и способов обработки, показатели преобразования металла, вид технологической энергии и др. (рис.8). Эффективность использования энергии в различных энергетических установках и технологических системах предложено учитывать на основе коэффициентов преобразования г], средние значения которых определены исходя из экспериментальных исследований и анализа статистических данных.

Способы преобразования анергии Способы воздействии Методы обработки

на металл заготовки

Рис.8. Структура преобразования энергии при металлообработке

Интегральная оценка энергозатрат СЬ предусматривает учет суммарных затрат энергии на производство исходной заготовки в металлургическом цикле

Ом и в процессе металлообработки ^ О, . С учетом возврата энергии 0и в результате технологической рекуперации и вторичной переработки отходов металла интегральные энергозатраты составляют

0£=Рм + Е о, + Ов.

Известно, что расход тепловой энергии на производство стали в металлургическом производстве в 7—10 раз превосходит последующие затраты энергии при металлообработке. Исходя из этого, применение малоотходных технологий обеспечивает не только снижение расхода металла, но и существенную экономию энергоресурсов. Применительно к методам ГОШ, ПГОШ, ХОШ показано, что в среднем от 60 до 90% затрат энергии расходуется на нагрев или

отжиг, а остальное - на деформирование. Суммарные затраты энергии при ПГОШ (см. рис. 9) в среднем на 30% ниже, чем при ГОШ, а ХОШ даже при однократном отжиге заготовки по затратам энергии соизмерима с ПГОШ. При наличии двух и более отжигов ХОШ по энергозатратам неконкурентоспособна в сравнении с ПГОШ.

1 — нагрев; 2 — однократный отжиг; 3 — деформирование;

4 — нагрев + деформирование

Для окончательного выбора эффективного технологического варианта изготовления детали должны быть дополнительно учтены показатели трудоемкости, себестоимости, капитальных затрат и др. Однако даже укрупненная оценка затрат металла и энергии на концептуальной стадии проектирования позволяет повысить качество принимаемых решений.

В соответствии с основными положениями теоретической квалимстрии в течение жизненного цикла происходит последовательное отражение качества процессов в качестве продукции. Характер взаимосвязи качества процессов, этапов и продукции представлен на рис.Ю. Исходя из этого можно записать

( Кпр, К™, Ки ) —> ( К пр, К „п, Ки),

где Кпр, К™, К„ — качество процессов проектирования, подготовки производства и изготовления соответственно; К „р, К пп, К и — качество поковок (деталей) на этапах проектирования, подготовки производства и изготовления соответственно.

Выбор и оценивание характеристик качества деталей (поковок) и процессов выполнен на основе экспертной квалиметрии. Перевод абсолютных показателей качества в относительные проводился на основе операции нормирования. Комплексный показатель качества объекта вычислялся по формуле

Информационная поддержка -►

I 1р()СК111-ронаник;

Качество процессов

Качество продукции

По МОГОИК.) протно хс им

Изготовление

К«

г

в

<и «

№

Наследование качества

Рис.10. Влияние процессов жизненного цикла на качество продукции

где

К, -

К,-

комплексный показатель качества .¡-го объекта;

относительный показатель качества ьго свойства у j-гo объекта

Ви — коэффициент важности ¡-го свойства у ^го объекта (0 < В5 ¿1); п — полное число свойств, характеризующих качество оцениваемого объекта.

При неудовлетворительной оценке одного из критических свойств объекта (Кц = 0), соответственно принималось К^ = 0.

Предлагаемый подход к обеспечению качества поковок и деталей основан на следующих предпосылках:

• обеспечение качества процессов жизненного цикла является основой для изготовления высококачественных поковок и деталей;

• качество процессов проектирования и подготовки производства оказывает доминирующее влияние на качество изготавливаемых поковок и деталей;

• качество поковок наследуется в качестве деталей;

• эффективное управление качеством процессов жизненного цикла, деталей и поковок должно обеспечиваться на основе компьютерной системы менеджмента качества (КСМК).

В соответствии с этим основное внимание было уделено разработке функциональных моделей процессов для этапов проектирования и подготовки производства. Формализация входной и выходной информации основных процессов, описание их взаимосвязи и выявление характеристик свойств позволили сформулировать требования к методам и средствам обеспечения их качества. Для анализа разнородных процессов использована универсальная модель оценки их зрелости, учитывающая базовые положения проектного менеджмента и принципы аттестации процессов (рис.11). Для обеспечения изготовления высококачественных поковок уровень зрелости основных процессов на этапах проектирования и производства должен быть не ниже 3-го (Поставленный) или 4-го (Предсказуемый) уровней. Условно можно считать, что 3-й уровень зрелости соответствует сертифицированной СМК (ИСО 9001). Стремление к достижению 5-го уровня зрелости не всегда обосновало, т.к. требует значительных затрат ресурсов.

Изменения процесса \ Непрерывного усовершенствования Измерения процесса

Контролирования процесса Задания процесса Обеспечения ресурсами Управления выполнением Управления результатом

Выполнения процесса

Уровни зрелости процессов

Атрибуты процессов

Модели и информационное обеспечение для ___описания и оценки зрелости процессов__

У

Рис.11. Оценка зрелости процессов ЖЦП

Применительно к стадии концептуального конструкторско-техноло-гического проектирования отмечена необходимость и важность системного обоснования требований к функциональным, эксплутациоппым и технологическим характеристикам детали, являющихся основой для разработки конструкции и технологии изготовления поковки. Показано, что необоснованное завышение требований к качеству детали обусловливает повышенные затраты на ее изготовление. Обоснованная градация требований к характеристикам свойств деталей и поковок является значительным резервом для экономии ресурсов на всех этапах их жизненного цикла. Соответственно планирование и выбор моделей процессов ЖЦП должны динамично адаптироваться исходя из требований к качеству объекта производства.

Глава 3. Информационное обеспечение процессов технологической подготовки и производства высококачественных поковок

На основе функционального моделирования этапов технологической подготовки и производства поковок идентифицированы основные операционные процессы, выявлена их взаимосвязь, обоснованы требования к их качеству. Показана необходимость управления структурой и качеством процессов технологической подготовки и производства с учетом варьирования требований к качеству изготавливаемых поковок. Исходя из этого выполнен анализ и изучены взаимосвязи между информационными потоками и объектами, необходимыми для интегрированной информационной поддержки рассматриваемых этапов жизненного цикла поковок.

На этапе технологической подготовки производства наибольшую сложность представляет решение следующих задач: разработка чертежа поковки, выбор структуры технологического процесса, проектирование формоизменяющих переходов, обоснование температурного режима деформирования, расчет энергосиловых параметров штамповки, конструирование штампов, выбор технологического оборудования и режимов его эксплуатации. Взаимосвязанность указанных задач обусловливает необходимость управления последовательностью их решения и информацией, используемой на каждом шаге проектирования. Достоверность результатов расчета основных технологических параметров зависит от корректности учета влияния теплового фактора и реологических свойств обрабатываемого материала.

Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что в условиях ПГОШ тепловой фактор оказывает преобладающее влияние на силовой режим деформирования, микроструктуру и комплекс механических свойств металла поковки, а также на условия эксплуатации штампов и оборудования. На рис. 12 показано влияние температуры нагрева заготовки из стали 45 на напряжение текучести СТ3, удельную теплоемкость, температурный эффект ДТ„ и удельный тепловой поток от контактного трения qгr при различной степени

деформации (е = 0,8 и 1,2).

Как видно, варьирование температуры нагрева в диапазоне ПГОШ (600— 900°С) влечет за собой значительное изменение показателей сопротивления деформации и тепловыделения от работы деформации и трения.

Для специфических условий ПГОШ разработан расчетно-экспери-ментальный метод определения составляющих теплового баланса поковки, учитывающий потери тепловой энергии в окружающую среду (расходная часть баланса) и тепловыделение от контактного трения и работы деформации в процессе штамповки (приходная часть баланса). Разработаны экспериментальные методики и проведены лабораторные и производственные исследования, позволившие установить значения нестационарных тепловых потоков для различных условий взаимодействия поковки с окружающей средой: охлаждение при транспортировке; контактный теплообмен с деталями штампа до начала деформации, в процессе деформации и после её завершения.

бамЛа

СМж/кг "С

Рис.12. Зависимость температурного эффекта ЛТпудельного теплового потока от контактного трения напряжения текучести в, и удельной теплоемкости С от температуры нагрева заготовки Т

Особое внимание было уделено исследованию нестационарного контактного теплообмена в системе «поковка — пограничный слой — штамп». Установлено характерное для ПГОШ влияние температуры нагрева заготовок на интенсивность контактного теплообмена поковки и штампа с учетом теплоизоляционного эффекта слоя окалины на поверхности поковки (см. рис. 13). В диапазоне температур нагрева 500-700°С, когда окалина практически отсутствует и условия контакта близки к идеальным, значение среднего удельного теплового потока увеличивается пропорционально росту температуры. При увеличении температуры нагрева до 900°С удельный тепловой поток незначительно уменьшается, что обусловлено увеличением толщины слоя окалины до 0.05 — 0,1 мм. Наряду с теплоизолирующим влиянием слоя окалины был установлен положительный эффект, характеризующий её действие в качестве технологической смазки, что особенно важно для реализации ПГОШ. Исходя из этого, для ПГОШ среднеуглеродистых сталей обоснована целесообразность нагрева заготовок в диапазоне температур 840-880°С, обеспечивающем рациональное сочетание процессов окалинообразования и упрочнения металла поковки, с одной стороны, и температурно-силовые и трибологические условия эксплуатации штампа, с другой.

Для исследования влияния термомеханического режима деформирования на технологическую пластичность сталей и сплавов выполнены испытания стандартных образцов на сжатие и растяжение на испытательной машине Ш8ПШК и на кривошипных прессах, оснащенных тензометрической аппаратурой и датчиками перемещения.

д,д* Мвт/м2

20

15

8, мм

0.6

10

0.4

5

0.2

0

500

700

900

1100 Т,°С

Рис 13. Зависимость расчетных (д ) и экспериментальных (?) значений среднего удельного теплового потока и толщины окалины 8 от температуры нагрева заготовки Т

По указанной методике были проведены испытания и построены кривые упрочнения для сталей марок 16Х, 40, 50, 20X13 и 40X13, сплавов на основе алюминия марок АК 4 и АК 6, бронзы ЛЖМц 10-13-5 и циркониевого сплава марки Э110. Статистическая обработка экспериментальных данных с применением программы RF.GR позволила представить результаты в виде аппроксимирующих полиномов следующего вида:

ст3=Л0+ Л, е + л2т + л3 ё + А4 е2+ л5 е т + л<, е ё + л7 т2 + л7т ё а* ё2,

где <?„ — напряжение текучести, МПа: Т - температура нагрева, °С; в — логарифмическая деформация; ё — скорость деформации, с"';

А\ — постоянные коэффициенты аппроксимирующего полинома. На основе указанных выше исследований была создана база данных, содержащая репрезентативные данные о влиянии условий полугорячей деформации на напряжение текучести (<7„ = (Т, е, ё) и условия теплообмена поковки с окружающей средой (ц = Г (Т, 5, к, т).

Моделирование и расчет характеристик напряженно-деформированного состояния полуфабрикатов при формоизменении, давлений на инструмент, усилий деформирования и затрат энергии дня многопозициошюй ПГОШ основаны на применении комплекса для конечно-элементного анализа термопластической задачи. Благодаря использованию достоверных данных о сопротивлении деформации сталей и сплавов, а также граничных условиях контактного теплообмена и

трения, расчетные значения усилий деформирования отличались от экспериментальных не более чем па 15—20%. В качестве примера на рис. 14 представлен технологический процесс многопозиционной штамповки поковки для детали «Фланец привода задних колес» в пять переходов. Указанная деталь имеет сложную форму, поэтому в процессе проектирования была выполнена отработка конструкции на технологичность, позволившая уменьшить толщину стенки чашки на 20% и исключить необходимость обработки резанием элементов поверхности поковки после ПГОШ.

■ 1

? 1 N 134.6

1

Ч 1 /

1 'Л Ш IV 1

(6)

Рис. 14. Чертежи заготовки и технологических переходов многопозиционной штамповки

Установлено, что неравномерность деформации и температурного поля в поковке при ПГОШ обусловливают неоднородность структуры и неравномерность свойств металла, которые не в полной мере устраняются после термической обработки. Для операции обратного выдавливания установлен эффект локализации деформации в зоне дна поковки, что вызвано кинематикой течения металла и значительным температурным эффектом (до 120-150°С) в очаге деформации (рис.15). Предложены и апробированы схемы формообразования поковок, обеспечивающие снижение неравномерности деформации и неоднородности свойств металла ПГОШ.

В наиболее ответственных случаях разрабатывались альтернативные варианты ПГОШ, базирующиеся на применении как типовых решений, так и новых подходов к проектированию переходов формообразования. В качестве примера рассмотрено проектирование процесса многопозиционной ПГОШ для изготовления поковки детали «Корпус наружного шарнира», определившего ряд основных технических параметров автоматизированного многопозиционного пресса для ПГОШ.

Деформированная сетка Изолинии функций:

температура [°С)

э

■■■ У ■ .... 1 ! уровни, °С

•' 5 -- ■ I

6 1: 574,1

2: 611,9 ' \ 3:649,7 '' л 4: 687,5 5: 725,3

, ' / 6:763,1

» х 7:800,9

у/ / ' 8:838,7

/ * 1

а) б)

Рис. 15. Неравномерность деформации и температуры в поковке

Эффективный вариант изготовления (№ 4) выбран на основе анализа значений частных и комплексного критериев, характеризующих технический уровень альтернативных технологических процессов. В качестве частных критериев у„ отражающих технический уровень технологий, использованы: у) — эффективность использования металла; у 2 — допустимость колебаний объема заготовки; уз - стабильность размеров по высоте поковки; y^ — устойчивость процесса формоизменения; у5 - рациональность распределения усилий по рабочим позициям; у6 — технологичность штамповой оснастки; у7 — устойчивость поковок при транспортировке. Значения указанных критериев и соответствующих им весовых коэффициентов к( определялись экспертами. В табл. 1 приведены результаты расчета комплексного критерия Р, полученного по методу линейной свертки с учетом значений У) и к;. Формализация процедуры принятия окончательного проектного решения снижает влияние субъективного фактора и способствует обеспечению качества на наиболее ответственных этапах технологической подготовки производства.

Таблица 1

Номер варианта Критерий ! Критерий 2 Критерий 3 Критерий 4 Критерий 5 Критерий 6 Критерий 7 Р

У> У1к| Уз Угкз Уэ УзЬ» У4 Уi Уб УбЬ« У7 У7^7

1 0,4 1,2 0,7 2,8 0,3 0,6 0,8 4,8 0,3 1,5 0,7 0,7 0,6 4,2 15,8

2 0,3 0,9 0,4 1,6 0,7 1,4 0,8 4,8 0,4 2,0 0,8 0,8 0,5 3,5 15,0

3 0,6 1,8 0,5 2,0 0,5 1,0 0,6 3,6 0,5 2,5 0,5 0,5 0,4 2,8 14,2

4 0,9 2,7 0,6 2,4 0,8 1,6 0,5 3,0 0,8 4,0 0,6 0,6 0,5 3,5 17,8

5 0,6 1,8 0,5 2,0 0,6 1.2 0,4 2,4 0,6 3,0 0,3 0,3 0,7 4,9 15,6

Для обеспечения устойчивой работы штампов при ПГОШ необходимо выполнить два главных условия.

1. Максимальная температура контактной поверхности штампа Тшах не должна превышать температуру отпуска штамповой стали [Тот], т.е. Тщах ^ [Тото]; _

2. Среднее контактное давление на поверхность штампа Р не должно превышать допустимого значения [ Р ], т.е. Р < [ Р ].

Превышение этих ограничений в процессе эксплуатации сопровождается резким снижением стойкости деталей штампов вследствие пластической деформации или разрушения.

Применительно к циклическому тепловому режиму эксплуатации штампа разработаны расчетные модели, позволяющие определить характер изменения температуры в реперных точках наиболее нагруженных деталей.

Для анализа процессов циклической нестационарной тепловодности в деталях штампа использовались программные комплексы NISA II, ИСПА и др., ос-новашше на применении конечно-элементных методов расчета для осесиммет-ричной задачи. Для учета теплообмена деталей штампа с окружающей средой (воздух, поковка, другие детали штампа) использовалась комбинация граничных условий теплообмена первого, второго и третьего рода, определенных в результате обработки указанных ранее экспериментальных данных по теплообмену.

На рис. 16 приведены результаты расчета квазистационарпого температурного режима для полого осесиммстричного пуансона, охлаждаемого водой. Данная конструкция и условия теплового и силового нагружения характерны для пуансонов 4-го и 5-го переходов при ПГОШ стержневых поковок сложной формы. Из представленного графика видно, что повышение частоты ходов ползуна пресса с 12 мин"' до 24 мин"' приводит к повышению максимальной температуры нагрева поверхности пуансона на 80-85 °С. При этом значение максимальной температуры достигает 600 °С, что соизмеримо с температурой отпуска для применяемых при ПГОШ штамповых сталей (Тптп = 620-650 °С).

Для оценки причин и последствий отказов технологических операций ПГОШ применена типовая модель FMEA — объекта (Failure Mode and Effect Analysis). Исходя из рекомендаций международного стандарта МЭК 812 критичность операций в технологическом процессе может быть определена в следующем виде С,- = ВцВ2|В3| , где Ci - критичность i-й технологической операции;

Bu—оценка вероятности (частоты) наступления отказа (дефекта) на i-й операции;

B2j — оценка вероятности выявления отказа (дефекта) на на i-й операции до

передачи поковки на следующую операцию;

B.Ü — оценка тяжести последствий отказа (дефекта) на i-й операции.

В результате анализа определена не только критичность отдельных операций, но и их влияние на технологический процесс в целом и качество изготавливаемых поковок. Оценка степени критичности операций выполнялась на основе сравнений значений Ci с двумя установленными пороговыми значениями С0 и Скр. Если С(>С,:р, то i-я операция признавалась критичной и причины, обусловливающие появление отказа, подлежали обязательному устранению (Скр=130).

т°с

а) б)

Рис. 16. Модель пуансона (а) и изменение температуры на торце пуансона (б)

Для операций с С(<С0 отказы не являются значимыми и не требуется разработка дополнительных мер по их устранению (С0=65). В остальных случаях, когда С0<С;<Скр, необходимо принятие мер для снижения критичности отказов до уровня С)<С0- В табл. 2 представлены обобщенные данные, отражающие критичность отказов операций типового технологического процесса многопо-зициошюй ПГОШ автомобильной поковки на автоматизированном комплексе. Исходя из этих оценок разрабатывались корректирующие меры для снижения уровня критичности операций.

Таблица 2

Критичность отказов технологических операций__

Ла Технологическая операция в„ Вя 1Ъ С( Степень критичности операций

1* Резка заготовок 5 4 4 80 С0 < С, < С„,

2 Очистка заготовок 3 4 5 60 Сг<с„

3* Смазывание заготовок 3 6 5 90 С0 < Сз 5 С„р

4* Нагрев заготовок 5 4 5 100 Со < С* < С„,

5* Сортировка заготовок 3 4 7 84 Со < С5 < С„,

6" Смазывание штампа 5 4 7 140 Сб > Г,„

7»* Штамповка 5 5 7 175 с? > с„,

8* Регулируемое охлаждение и термообработка 4 5 4 80 с„ < с, < с„,

9* Очистка от окалины 4 4 5 80 с„<с»<с„,

10 Калибровка 4 4 3 48 С,0 «с.

Примечание: * — операции, требующие коррекции; ** — критичные операции, требующие принятия мер для устранения отказов.

Обеспечение качества поковок на этапе производства связано в основном с повышением стабильности технологических процессов и надежности автоматизированных комплексов. Эти задачи должны решаться во взаимосвязи на ос-

нове внедрения информационно-статистического регулирования технологических процессов, автоматического измерения технологических параметров процессов и диагностики основных элементов комплексов, использования экспертных знаний и систем поддержки принятия решений для интерактивного управления сложными технологическими процессами.

В результате теоретических расчетов и статистических исследований точности операций в производственных условиях установлены технологические факторы, обусловливающие возникновение постоянных, функциональных и случайных погрешностей размеров поковок при Iii ОШ. Выявлены характерные особенности влияния теплового фактора, объема заготовок и износа инструмента на формирование баланса погрешностей высотных и диаметральных размеров поковок. Установлено, что погрешности размеров поковок на 50-70% обусловлены нестабильностью температурных режимов поковки и штампа, которые наиболее существенно проявляются в условиях отсутствия системы автоматической транспортировки поковок в рабочей зоне. Исходя из требуемой точности размеров поковок, определены допустимые значения рассеяния температуры поковок и штампа в процессе штамповки.

Исследовано комплексное влияние погрешностей температуры и объема заготовок при выполнении ПГОШ с использованием открытой и закрытой схем деформации. Основываясь на этих результатах и используя стратегию «шесть сигм», обоснованы требования к основному показателю точности операций — индексу воспроизводимости (Ср= А/щ), под которым понимают отношение величины допуска А на анализируемый параметр к полю рассеяния со параметра (со=6 ст, су — среднее квадратичное отклонение) . Для обеспечения стабильности технологических операций и снижения потерь от брака разработан комплекс конструкторско-технологических решений, организационных мер и способов статистического контроля параметров технологического процесса, оборудования и изготавливаемых поковок. Исходя из технических возможностей и экономических соображений обосновано, что индекс воспроизводимости основных технологических операций должен составлять Ср = 1,25-1,33. В этом случае должны быть предприняты меры, направленные па минимизацию источников появления постоянных и функциональных погрешностей размеров поковки. При выполнении операции многопозиционной штамповки эти погрешности особенно сильно проявляются в момент первичного запуска комплекса и при возобновлении работы после вынужденного перерыва.

Для автоматизированных комплексов характерно, что не менее 60% отказов связано с отказами многопозиционного штампа, содержащего до 50 быстроизнашиваемых деталей. Связанные с этим простои автоматизированного комплекса негативно влияют на точность операции мпогопозиционной штамповки, качество и стоимость изготовления поковок. Исследование влияния конструкторско-технологических факторов на характер и интенсивность износа различных групп деталей (пуансоны, матрицы, выталкиватели, бандажи и др.) позволило выбрать эффективные средства для увеличения регламентированного ресурса наиболее нагруженных деталей штампа (см. рис.11) С применением

электронной микроскопии установлены основные виды износа нагруженных деталей штампа.

На основе выполненных исследований предложена стратегия адаптивного управления процессами и автоматизированными комплексами для многопози-циопной ПГОШ, включающая обеспечение жесткого контроля за соблюдением входных параметров заготовки (масса, температура нагрева, нанесение технологической смазки) и развитую подсистему диагностики состояния элементов технологического процесса многопозиционной штамповки. Для прогнозирования состояния сложных и дорогостоящих автоматизированных комплексов предложено использовать дистанционную диагностику, включающую обработку и анализ статистической информации, накопление экспертных знаний и поддержку принятия решений оператором комплекса в наиболее сложных ситуациях.

Глава 4. Разработка и промышленное освоение технологических процессов и автоматизированного оборудования для изготовления поковок конкурентоспособного качества

В данной главе представлены результаты проектирования и промышленного освоения технологических процессов, конструкций штампов и автоматизированного кузнечно-прессового оборудования для изготовления широкой номенклатуры высококачественных поковок и машиностроительных деталей. Приведены данные об эффективном внедрении результатов работы на промышленных предприятиях, в проектной деятельности и подготовке и переподготовке инженерных кадров.

На основе результатов масштабных экспертных опросов отечественных и зарубежных специалистов был сформулирован среднесрочный прогноз развития технологических процессов и комплексов оборудования для их реализации. Экспертное исследование выполнялось в несколько стадий. На начальной стадии были проинтервьюированы ведущие ученые и специалисты из промышленности. В результате были выявлены не только тенденции развития полугорячей штамповки, но и сопутствующие им технические и организационные проблемы. Последующая стадия исследования предусматривала анкетирование большого числа специалистов, при этом в анкеты включались преимущественно формализованные варианты ответов, в т.ч. предусматривающие ранжирование различных факторов по уровню значимости. Детальное документирование и статистическая обработка результатов экспертных опросов (на основе программного комплекса «Экспсрт-Кор») и анкетирования позволили сформулировать обоснованный прогноз развития полугорячей штамповки на 5—7-лстшою перспективу.

В качестве первоочередной задачи указана необходимость создания автоматизированных комплексов для многопозиционной полугорячей штамповки (в 4, 5 и 6 переходов) высокоточных поковок автомобильных деталей, дорожных машин, подшипников, сменного инструмента и др. Применительно к серийному и мелкосерийному производству поковок в 1 и 2 перехода обоснована

целесообразность модернизации универсальных и специализированных механических и винтовых дугостаторных прессов. Исходя из серийности производства и специфики применяемых процессов штамповки обоснован рациональный уровень автоматизации для создаваемых технологических комплексов

Рис.17

На основе анализа потребностей автомобильной промышленности в точных поковках выполнено обоснование технических параметров и разработаны конструкторско-технологические решения для создания первого отечественного автоматизированного комплекса на базе вертикального механического мно-гопозициоппого пресса-автомата усилием 16 МН. Было проанализировано более 50 наименований осесимметричных поковок стержневого типа из средпеуг-леродистых и низколегированных марок сталей, отличающихся достаточно сложной геометрической формой (Кф = 0,05— 0,4) и имеющих массу до 3,5кг. Для шести наиболее характерных деталей привода легкового автомобиля разработаны и апробированы технологические процессы многопозиционной полугорячей штамповки в 4—5 переходов.

В рамках этого проекта были определены энергосиловые характеристики пресса-автомата, размеры рабочего пространства (закрытая высота, размеры стола и ползуна), величина хода ползуна и выталкивателей, а также основные размеры и элементы штампа. Спроектирован грейферный перекладчик с тремя степенями подвижности для перемещения поковок в рабочей зоне штампа. Разработаны рекомендации по адаптивному управлению комплексом с учетом изменения технологических параметров при многопозиционной штамповке и технического состояния основных элементов комплекса. Пресс-автомат усилием 16 МН изготовлен в ЗАО «ТМП» (г. Воронеж) и находится в стадии про-

мышленной эксплуатации на одном из автомобилестроительных предприятий Южной Кореи. Применение разработанных средств моделирования процессов мпогопозиционнош формоизменения поковки и расчета деталей штампов позволило сократить сроки технологической подготовки и отладки комплекса на 40-60%, а затраты на отладку и доработку конструкции комплекса уменьшить на 30-50%. На рис.18 представлен общий вид пресса-автомата (а) и элементы штампа (б), а на рис. 19(а) показан общий вид автомобильных поковок.

(а)

Рис. 18

Применительно к условиям серийного производства деталей гидроаппаратуры разработаны ресурсосберегающие процессы холодной и полугорячей объемной штамповки поковок в 1—2 перехода на винтовом дугостаторном прессе усилием 2500 кН и прессах для выдавливания серии КОО усилием 2500 кН и 4000 кН. Указанные технологические процессы и разработанные для их реализации универсальные быстропереналаживасмые штамповые блоки внедрены в АО «Агрегатный завод» (гЛюдиново) при создании комплексного механизированного участка холодной и полугорячей объемной штамповки. Применение точной объемной штамповки для изготовления десяти наименований деталей из углеродистых и коррозионностойких марок стали (35, 40X13, 18Х2Н4МА) позволило сократить расход стали в 1,7—2,8 раза и снизить суммарные трудозатраты в цикле металлообработки в 1,3 раза.

Для условий мелкосерийного производства ответственных деталей сложной формы из дефицитных и дорогостоящих сталей и сплавов разработаны типовые процессы точной горячей и полугорячей штамповки, конструкции уни-

фицированной штамповой оснастки, выполнена модернизация универсального прессового оборудования. Благодаря автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства обеспечено экономичное изготовление поковок более 60 наименований малыми сериями (минимальная партия запуска до 100-150 поковок) из легированных сталей (14Х17Н2, 20X13, 12Х18Н9Т и др.), сплавов на основе алюминия (АДЗЗТ1, Д16, АК4 и др.), меди (Л59, БрАжН10-4-4), титана (ВТЗ-1, ВТ20). Применение точной объемной штамповки взамен формообразования резанием позволило значительно повысить эксплуатационные характеристики изготавливаемых авиационных деталей и сократить ресурсопотребление: расход металла снижен в среднем в 2,75 раза, трудоемкость изготовления и затраты энергии уменьшены соответственно в 1,3 и 2,1 раза. Продолжительность цикла автоматизированного проектирования и изготовления комплекта сменных деталей штампа в рамках технологической подготовки производства сокращена до нескольких рабочих смен. На рис. 19(6) представлен общий вид типовых деталей сложной формы, изготавливаемых точной горячей и полугорячей штамповкой.

Применительно к условиям крупносерийного и серийного производства мелкоразмерных изделий из циркониевого сплава Э110 были обоснованы температурные режимы полугорячего деформирования, разработаны и апробированы процессы многопозиционной штамповки на высокопроизводительных горизонтальных прессах-автоматах. В результате удалось обеспечить изготовление полугорячей штамповкой готовых деталей, сократить на 30% расход дорогостоящего циркониевого сплава и на 25% уменьшить общую трудоемкость производства.

В целом необходимо указать, что применение точной объемной штамповки взамен формообразования резанием позволяет обеспечить значительную экономию материальных ресурсов (металл, энергия, трудозатраты) на этапе производства и повысить качество ответственных деталей за счет улучшения комплекса механических свойств. В случае замены горячей штамповки на полугорячую штамповку обеспечиваются повышение точности размеров поковок на 2-3 квалитета, снижение толщины дефектного слоя (окисление, обезуглеро-

(а)

(б)

Рис. 19

живание) в 3—5 раз, а также возможность изготовления отдельных поверхностей в законченном виде. Производство поковок на основе комбинирования полугорячей и холодной объемной штамповки целесообразно в тех случаях, когда пластическим деформированием изготавливаются функциональные поверхности сложной формы (зубья, шлицы, пазы и др.).

В приложениях представлены документы, подтверждающие внедрение разработанных методик и подходов для создания системы компьютерного менеджмента качества, проектирования технологических процессов, управления автоматизированными комплексами, а также промышленного изготовления поковок конкурентоспособного качества в различных отраслях промышленности.

Разработанные функциональные и информационные модели процессов, а также компоненты интегрированной информационной срсды использованы в качестве методического и нормативного обеспечения для подготовки и переподготовки инженерных кадров, информационной поддержки управления крупными проектами и государственными контрактами, разработки проектов национальных стандартов, создания полигона коллективного пользования «Корпоративные информационные системы в проектировании и управлении».

_ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В работе доказано, что в автоматизированном машиностроительном производстве изготовление поковок конкурентоспособного качества должно обеспечиваться на основе интегрированной информационной поддержки жизненного цикла изделий, моделирования и структурированного описания процессов и технологической среды, интеллектуальной поддержки принятия технических и организационных решений, учета взаимосвязей и характера наследования качества процессов проектирования и производства в качестве поковок, обоснования выбора технологических режимов штамповки, создания автоматизированных комплексов и повышения эффективности их применения. На основе разработанных методов и средств интегрированной информационной поддержки спроектирована и изготовлена широкая номенклатура поковок конкурентоспособного качества для ответственных машиностроительных деталей, что вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.

2. Выявлены взаимосвязи и характер наследования качества процессов проектирования и производства в качестве изготавливаемых поковок и деталей, отражающие специфику процессов жизненного цикла машиностроительных изделий ответственного назначения. Для процессов проектирования и производства квалимметричсски обоснована градация характеристик их качества, учитывающая применяемые методы и средства информационной поддержки, модели проектирования, а также вариативность технических и организационных решений. Обосновано, что для изготовления поковок конкурентоспособного качества необходимо вводить градацию требований к качеству процессов и обеспечению их ресурсами. Исходя из этого сформулированы принципы функционирования компьютерной системы

менеджмента качества, интегрированной в корпоративную информационную среду предприятия.

3. На этапе концептуального проектирования ответственных деталей сложной геометрической формы необходимо выполнять анализ вариантов малоотходного формообразования заготовок (поковок), структурное моделирование альтернативных маршрутов металлообработки и укрупненную оценку их ресурсоемкости. Использование для малоотходного формообразования одного из вариантов точной объемной штамповки (холодной, полугорячей, горячей) обусловливает необходимость последующей совместной разработки конструкций детали и поковки с учетом технологических особенностей процесса деформирования поковки. Моделирование и анализ ресурсоемкости альтернативных вариантов изготовления детали и поковки целесообразно выполнять на основе разработанной методики интегральной оценки металло- и энергозатрат в технологическом цикле металлообработки и штамповки.

4. Установлено, что наиболее высокие характеристики качества и эффективности обеспечиваются при изготовлении поковок полугорячей объемной штамповкой на автоматизированных многопозиционных комплексах при крупносерийном и массовом производстве осесимметричных деталей сложной геометрической формы. На основе теоретических и экспериментальных исследований научно обоснованы и разработаны:

• функциональные модели, базы технологических данных и знаний для моделирования и анализа процесса многопозиционного формообразования и расчета температурно-силового режима деформирования поковки;

• методика комплексного анализа видов, последствий и критичности отказов технологических операций процесса много позиционной штамповки;

• методики проектирования и конструкции многопозиционных штампов, учитывающие влияние условий эксплуатации формообразующих элементов при автоматическом цикле штамповки;

• модели состояния и статистические данные об отказах автоматизированных комплексов, обеспечивающие их эффективное проектирование и эксплуатацию;

• требования к показателям точности операций (индексу воспроизводимости и др.), обеспечивающим стабильность их выполнения и изготовление бездефектных поковок.

5. В целях обеспечения автоматизированного выбора способа штамповки, структуры и основных характеристик производственных комплексов и модулей, разработана автоматизированная экспертно-проектная система, включающая многоуровневую иерархическую классификацию технологической среды, актуальные данные о технических, организационно-экономических и экологических характеристиках ее элементов, а также систему экспертных правил для поддержки процедуры выбора. Совмещенное

применение экспертной системы конструкторами и технологами на концептуальной стадии проектирования детали и поковки обеспечивает сокращение затрат на реинжиниринг на основе поэтапного развития информационной модели объекта и снижения информационной неопределенности.

6. Установлено, что на показатели качества и эффективность процесса изготовления поковок и машиностроительных деталей преобладающее влияние оказывают решения, принимаемые на ранних стадиях конструкторско-техпологического проектирования изделий. Применительно к концептуальной стадии проектирования, представляющей сложно структурируемую предметную область, разработаны методы и средства интеллектуальной поддержки принятия технических и организационных решений, основанные на формализованном описании типовых поковок и технологической среды, моделировании процесса принятия решений, представлении экспертных знаний специалистов с использованием многоуровневой логики.

7. Доказано, что основополагающим условием изготовления поковок конкурентоспособного качества является разработка и применение принципов информационного обеспечения этапа заготовительного производства с позиций управления жизненным циклом машиностроительных изделий как совокупностью взаимосвязанных и взаимодействующих процессов (процессный подход). Исходя из этого, на единой методологической основе разработаны функциональные и информационные модели для наиболее ответственных этапов проектирования и производства точных поковок, соответствующие общей концепции информационной поддержки жизненного цикла машиностроительной продукции и нормативным требованиям в области представления и обмена моделями, метаданными и данными об изделии.

8. Практическая реализация разработанных методов и средств интегрированной информационной поддержки на этапах проектирования и производства обеспечила промышленное изготовление поковок конкурентоспособного качества для ответственных деталей автомобилей, авиационной техники, гидро- и пневмоаппаратуры, электротехнических изделий и энергетических установок. Разработанные функциональные и информационные модели, средства обеспечения качества и поддержки принятия решений могут быть эффективно применены для создания корпоративной информационной среды и систем менеджмента качества предприятий, развития технологической среды заготовительных производств, повышения качества широкого класса поковок и деталей ответственного назначения, а также для подготовки и переподготовки высококвалифицированных специалистов.

Основные положения работы изложены в следующих публикациях:

1. Позднеев Б.М. Интегрированная информационная поддержка процессов проектирования и производства высококачественных поковок. — М.: Янус-К, 2005.-152с.

2. Позднеев Б.М. Обеспечение качества и конкурентоспособности при изготовлении поковок полугорячей объемной штамповкой // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. - 2004. - № 9. - С.42—48.

3. Позднеев Б.М. Управление качеством и информационным обеспечением при изготовлении точных поковок в автоматизированном машиностроении// Информационные средства и технологии: труды межд. конференции. В 3 т. Т.З (Москва, 12-14 октября 2004г.).-М.:Януо-К, 2004.-С.212-217.

4. Позднеев Б.М. Автоматизированное производство высококачественных поковок в условиях информационной поддержки жизненного цикла машиностроительных изделий //Системы пластического деформирования материалов: сб. науч. тр. - М.: Янус-К, 2004. - Вып. 10. - С.139-148.

5. Позднеев Б.М. Управление качеством и безопасностью продукции и процессов в машиностроении на основе КСМК. //Производство. Технология. Экология. «ПРОТЭК - 2004»: труды межд. конференции. В 3 т. Т. 3 (Москва, 15-17 сентября 2004г.). -М.: Янус-К, 2004. - С.764-772.

6. Позднеев Б.М. Управление знаниями и интеллектуальная поддержка принятия решений на этапах проектирования и производства машиностроительных изделий //Девятая национальная конференция по искусственному интеллекту с международным участием КИИ-2004: труды конференции. В 3 т. Т.З (Тверь, 28 сентября — 2 октября 2004г.). — М.: Физматлиг, 2004. -С.1050-1058.

7. Позднеев Б.М. Влияние процессов жизненного цикла машиностроительной продукции на качество поковок при полугорячей объемной штамповке //Производство. Технология. Экология «ПРОТЭК-2003»: труды конференции. (Москва, 2003г.).- М.: Янус-К, 2003,- С.254-265.

8. Позднеев Б.М Обеспечение качества и эффективности процессов полугорячей объемной штамповки на основе стандартов серии ISO 9000 : 2000 //Производство. Технология. Экология «ПРОТЭК-2002»: труды межд. научно-практической конференции. (Москва, 18-20 сентября 2002г.).— М.: Янус-К, 2002. - Т.2. - С.437-441.

9. Позднеев Б.М Системное конструкторско-технологическое проектирование и моделирование процессов металлообработки с учетом минимизации ресурсопотребления и экологического фактора //Международный конгресс «ПРОТЭК 2000»: сб. трудов конгресса. (Москва, 19-22 сентября 2000г.). -М.: Изд-во «Станкин», 2000. - С. 253 - 255.

10. Позднеев Б.М. Анализ отказов и повышение надежности технологических комплексов для полугорячей объемной штамповки //Кузнечно-штамповочное производство. - 1999. - №9. - С. 30—32.

11. Позднеев Б.М. Применение полугорячей объемной штамповки //Кузнечно-штамповочное производство. - 1993. - N 7. - С.2—4.

12. Позднеев Б.М. Экспертная оценка состояния и перспектив применения полугорячего деформирования //Кузнечно-штамповочное производство. -1992. - №7. - С.2-3.

13. Позднеев Б.М. О повышении стойкости штампов полугорячего деформирования в условиях автоматизированного производства //Пути повышения стойкости штампов и формообразующего инструмента: материалы семинара. -М.: ЦРДЗ, 1992. -С.26-34.

14. Позднеев Б.М. Системное проектирование прогрессивных процессов точного объемного деформирования: методические рекомендации. — Киев. 1991.-20 е.: ил.

15. Позднеев Б.М Перспективы энергосбережения на основе рационального проектирования технологий металлообработки //Опыт энергосбережения в промышленности г. Москвы: материалы семинара. — М.: МДНТП, 1990. -С. 90-100.

16. Позднеев Б.М. Устойчивость процесса и размерная точность поковок при полугорячей штамповке на автоматизированных комплексах // Проблемы технологии и точности ГПС в машиностроении: труды Всесоюзной конференции. -М.: 1990.-С. 73-75.

17. Позднеев Б.М. Перспективы применения полугорячей объемной штамповки //Перспективы производства точных заготовок и деталей методами объемного деформирования. — М.: МДНТП, 1990.— С. 17-24.

18. Позднеев Б.М. Экономия энергии при штамповке //Кузнечно-штамповочное производство. - 1988. - N1. - С. 34-35.

19. Позднеев Б.М. Анализ структуры энергозатрат при металлообработке //Конструкторско-технологическая информатика, автоматизированное создание машин и технологий — КТИ-87: материалы Всесоюзной конференции.-М.: Мосстанкин, 1987.-С. 107-110.

20. Позднеев Б.М. О применении термина "полугорячая штамповка" //Кузнечно-штамповочное производство. - 1989. -N12. — С. 29-30.

21. Соломенцев Ю.М., Максин Ю.А., Позднеев Б.М., Колчин А.Ф. Интеллектуализация конструкгорско-технологического проектирования в интегрированном кузнечно-штамповочном производстве//Кузнсчно-штамповочное производство. - 1991. - N2. — С. 2-4.

22. Позднеев Б.М., Головин А.Р., Балаганский В.И. Программное обеспечение "Конструктор" для проектирования исполнительных механизмов прессов" //Кузнечно-штамповочное производство. - 1993. - N11,- С. 19-21.

23. Позднеев Б.М., Сосенушкин E.H., Балаганский В.И., Гришин В.М., Аверин В.В. Обоснование технологических параметров и технических характеристик автоматизированного комплекса для многопозиционной полугорячей штамповки //Кузнечно-штамповочное производство. - 1993. - N4. - С.25-28.

24. Подольский A.C., Позднеев Б.М., Борисов Е.И., Чубарь А.Т. Точная объемная штамповка поковок из труднодеформируемых и легких сплавов ма-

лыми сериями //Кузнечно-штамповочное производство. - 1989. - N4. — С. 12-13.

25. Позднеев Б.М., Сосенушкин E.H., Серов Е.С., Горючее В.Г. Групповые технологические процессы полуторячей объемной штамповки деталей гидроаппаратуры //Кузнечпо-штамповочное производство. - 1987. - N12. -С. 12-14.

26. Ланской E.H., Бурое Ю.Г., Позднеев Б.М Контактный теплообмен при полугорячем и горячем деформировании //Физика и химия обработки металлов. - 1986. - N1. - С. 48-51.

27. Ланской E.H., Позднеев Б.М. Влияние температурного фактора па размерную точность поковок при полугорячей объемной штамповке //Кузнечно-штамповочное производство. - 1983. - N4. — С. 5-7.

28. Тихонов А.Н., Соломенцев Ю.М. Позднеев Б.М. Компьютерный менеджмент качества в аспекте интегрированной информационной поддержки жизненного цикла изделий // «Современные наукоемкие технологии в промышленности России: высокопроизводительные вычисления и CALS-технологии»: сб. научных трудов - Уфа: Изд-во УГАТУ, 2005. - С.30-36.

29. Позднеев Б.М., Мажоров Д.В. О применении интеллектуальных технологий для поддержки жизненного цикла машиностроительных изделий // «Конкурентоспособность машиностроительной продукции и производств»: материалы межд. научно-технического семинара.— М.: ИЦ МГТУ «Стан-кин», Янус-К, 2005. - С.62-65.

30. Тихонов А.Н., Позднеев Б.М Обеспечение информационной поддержки жизненного цикла изделий на основе компьютерного менеджмента качества // «Информационные средства и технологии»: труды межд. научно-технической конференции. В 3 т. Т.З (Москва, 18—20 октября 2005г.).— М.: Янус-К, 2005. - С.166-172.

31. Позднеев Б.М, Марков К.И. Анализ структуры информационных объектов для информационной поддержки жизненного цикла машиностроительных изделий //материалы VIII научной конференции — М.: Янус-К, 2005. — С. 112-114.

32. Тихонов А.Н., Позднеев Б.М. Интегрированное управление качеством и информационной поддержкой в жизненном цикле изделий //«Информационные средства и технологии»: труды межд. конференции. В 3 т. Т.З (Москва, 12-14 октября 2004г.).-М.:Янус-К,2004.-С.194-197.

33. Соломенцев Ю.М., Максин Ю.А., Позднеев Б.М, Колчин А.Ф. Экспертно-проектная система технологий в современном машиностроительном производстве //Технология. - М.: ВНИИТЭМР, 1991.- Вып. 5. - С. 3-14. -(серия «Гибкие производственные системы и робототехника»).

34. Соломенцев Ю.М., Диденко В.П., Максин Ю.А., Позднеев Б.М Принципы построения и функционирования автоматизированной экспертно-проектной системы технологий машиностроения //Конструкторско-технологическая информатика: материалы всесоюзной конференции КТИ-89.-М.: Мосстанкин, 1989. -С. 28-37.

35. Ракошпц Г. С., Позднеев Б.М Комбинирование процессов горячей, полугорячей, холодной объемной и листовой штамповки. - М.: Машиностроение. 1985.-38 е.: ил.

36. Ланской E.H. и др. Групповые технологические процессы изготовления точных заготовок и деталей гидроаппаратуры методом холодной и полугорячей объемной штамповки: методические указания МУ2-041-1-85 - М.: ВНИИТЭМР, 1986,-79стр.

37. Ланской E.H., Позднеев Б.М. Совершенствование процессов полугорячей объемной штамповки. — М.: НИИмаш, 1983. — 56 е.: ил.

38. Позднеев Б.М., Марков К.И. Анализ структуры международных и национальных стандартов в области информационной поддержки изделий: труды межд. конференции «Информационные средства и технологии». В 3 т. Т.З (Москва, 12-14 октября 2004г.).-М:Янус-К, 2004.-С.218-220.

39. Позднеев Б.М., Белоусов A.B. Повышение эффективности процессов кон-структорско-технологического проектирования на основе информационной поддержки изделия в машиностроительном производстве// Моринтех-2003: Пятая Международная конференция и выставка по морским интеллектуальным технологиям: сб. тезисов докладов «Моринтех-2003». — Санкт-Петербург: НИЦ «Моринтех», 2003. - С.454-458.

40. Позднеев Б.М., Белоусов A.B. Представление информации об изделии на стадии проектирования //Современные проблемы информатизации в технике и технологиях: сб. трудов. - Воронеж: Центрально-Черноземное книжное издательство, 2003. - Вып. 8. - С.86-88.

41. Kolchin A.F., Zykova S.A., Pozdneev B.M. Intelligent Tcchlogical Design Systems. // Industrial Applications of Artificial Intelligence. - North - Holland. 1991. P. 431-435.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ПОЗДНЕЕВ Борис Михайлович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКОВОК КОНКУРЕНТОСПОСОБНОГО КАЧЕСТВА НА ОСНОВЕ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРОЦЕССОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА

Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 Подписано в печать 03.02.2006. Формат 60х90'/16 Уч.изд. л. 2,5. Тираж 100 экз. Заказ Ха 20

Отпечатано в Издательском Цен гре МГТУ «СТАЖИН» 103055, Москва, Вадковский пер., д.3а

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ОБЛАСТИ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

1.1. Состояние и тенденции развития ресурсосберегающих технологий и автоматизированных комплексов для изготовления точных поковок в машиностроении

1.2. Информационная поддержка и управление жизненным циклом машиностроительных изделий

1.3. Менеджмент качества и обеспечение конкурентоспособности продукции

1.4. Цель и направления исследований

2. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ И ПРОЦЕССОВ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПОКОВОК КОНКУРЕНТОСПОСОБНОГО КАЧЕСТВА

2.1. Обеспечение конкурентоспособного качества поковок на основе процессного подхода и компьютерного менеджмента качества

2.2. Структурно-функциональное моделирование информационно-технологической среды

2.2.1. Структура информационно-технологической среды

2.2.2. Моделирование информационно-технологической среды

2.3. Обеспечение интеллектуальной поддержки принятия решений на концептуальной стадии конструкторско-технологического проектирования

2.3.1. Принципы интегрированного конструктореко-технологического проектирования поковок и деталей

2.3.2. Поддержка принятия решений на основе автоматизированной экспертной системы

2.3.3. Извлечение и представление конструкторскотехнологических знаний

2.4. Структурное моделирование и оценка ресурсоемкости технологических процессов металлообработки и штамповки

2.4.1. Моделирование структуры затрат металла

2.4.2. Моделирование и интегральная оценка затрат энергии

2.5. Влияние процессов жизненного цикла на качество поковок

2.6. Выводы.

3. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ И ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ПОКОВОК

3.1. Функциональное моделирование технологической подготовки производства

3.2. Исследование тепловых режимов полу горячей объемной штамповки

3.2.1. Анализ температурного поля поковки

3.2.2. Обоснование допустимого температурно-силового режима эксплуатации инструмента

3.2.3. Исследование влияния температурно-скоростного режима на сопротивление деформации сталей и сплавов

3.2.4. Исследование влияния полу горячей деформации на структуру и свойства поковок

3.3. Моделирование и анализ формоизменения поковки при многопереходной штамповке

3.4. Обеспечение стабильности технологических операций и качества поковок.

3.5. Обеспечение работоспособности автоматизированного комплекса и многопозиционного штампа

3.6. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКОВОК КОНКУРЕНТОСПОСОБНОГО КАЧЕСТВА

4.1. Экспертная оценка состояния и прогнозирование развития точной объемной штамповки в различных отраслях машиностроения

4.2. Создание автоматизированного комплекса и технологических процессов для многопозиционной полугорячей объемной штамповки поковок автомобильных деталей

4.2.1. Анализ номенклатуры перспективных автомобильных поковок

4.2.2. Обоснование технологических параметров и технических характеристик автоматизированного комплекса

4.3. Разработка типовых технологических процессов и модернизация универсального оборудования для объемной штамповки поковок ответственного назначения

4.3.1. Серийное и мелкосерийное производство поковок для деталей гидроаппаратуры

4.3.2. Мелкосерийное производство поковок из труднодеформируемых и легких сплавов

4.4. Результаты апробации и внедрения научных и прикладных разработок

4.5. Выводы

Одной из приоритетных задач структурной перестройки отечественной промышленности является ускоренное формирование национальной технологической базы и обеспечение конкурентоспособности выпускаемой продукции на внутреннем и мировом рынках. Повышение требований потребителей к качеству, снижению стоимости и сокращению сроков освоения продукции все в большей степени ориентируют поставщиков на выпуск конкурентоспособной продукции, что возможно лишь при условии создания на предприятии современной технологической, информационной и организационной среды. В этой связи приоритетное значение имеет соблюдение требований международных и национальных стандартов в области менеджмента качества, безопасности продукции, управления проектами и обеспечения корпоративного информационного взаимодействия потребителей и поставщиков на основе перспективных информационно-коммуникационных технологий.

Качество и эффективность при изготовлении машиностроительных изделий в значительной степени определяются уровнями развития технологической и информационной сред предприятия. При этом особое значение приобретает уровень заготовительного производства, относящегося к начальной стадии технологического процесса и обусловливающего основные материальные затраты и свойства изготавливаемых деталей.

Тенденции повышения стоимости металла и энергии обусловили применение малоотходных и ресурсосберегающих процессов металлообработки, в т.ч. различных способов холодной, полугорячей* и горячей объемной штамповки. Например, в автомобильной, подшипниковой, электротехнической и других отраслях стали широко применять полугорячую объемную штамповку, обладающую рядом преимуществ по В литературе встречаются аналоги данного термина: неполная горячая штамповка, теплая деформация, штамповка с подогревом и др. сравнению с традиционными процессами горячей и холодной объемной штамповки. Конкурентоспособность этого процесса особенно высока при изготовлении осесимметричных поковок и деталей сложной формы на автоматизированных многопозиционных штамповочных комплексах.

Благодаря рациональному выбору термомеханического режима деформирования и стабилизации параметров процесса штамповки возможно изготовить высокоточные поковки с заданным комплексом механических характеристик. Рациональное комбинирование полугорячей и холодной объемной штамповки позволяет обеспечивать точность размеров поковок на уровне 9-11 квалитетов и изготавливать сложные элементы их поверхности (зубья, шлицы, полости и углубления) в законченном виде без последующей обработки резанием. Ввиду высокой технической сложности проектирование и изготовление высококачественных автоматизированных комплексов в настоящее время освоило лишь несколько ведущих прессостроительных фирм, обеспечивающих потребности мирового рынка в этом перспективном технологическом оборудовании.

Наряду с преимуществами следует указать на сложности, связанные с разработкой технологических процессов и обеспечением изготовления поковок высокого качества. В настоящее время отсутствуют эффективные средства информационной поддержки процесса конструкторско-технологического проектирования и, в первую очередь, инженерные приложения, позволяющие учесть влияние нестационарного теплового режима на основные показатели качества поковки (точность размеров, механические свойства, дефектный слой и др.), стойкость деталей штампов, режимы эксплуатации автоматизированных комплексов и др. Недостаточно изучены вопросы обеспечения стабильности операций технологического процесса и надежности штамповочных комплексов. Ввиду отсутствия интегрированной информационной поддержки существенно увеличиваются сроки создания автоматизированных комплексов и технологической подготовки полугорячей штамповки, что снижает конкурентоспособность этого перспективного процесса.

Из вышеизложенного можно заключить, что в автоматизированном машиностроении актуальное значение имеет обеспечение изготовления поковок конкурентоспособного качества на основе интегрированной информационной поддержки, соответствующей, во-первых, современным тенденциям в области управления качеством и жизненным циклом машиностроительных изделий как совокупностью взаимосвязанных и взаимодействующих процессов (процессный подход), а во-вторых, требованиям базовых стандартов в области информационного взаимодействия и создания открытых систем.

В рамках рассматриваемой темы исследования определим:

• объект исследования - процесс интегрированной информационной поддержки жизненного цикла машиностроительных изделий (на примере применения точной объемной штамповки в заготовительном производстве);

• предмет исследования - поковки конкурентоспособного качества для машиностроительных деталей ответственного назначения, изготавливаемые преимущественно многопереходной пол у горячей объемной штамповкой на автоматизированных комплексах.

Цель данной работы - создать интегрированную информационную поддержку процессов конструкторско-технологического проектирования и производства для обеспечения изготовления поковок и деталей конкурентоспособного качества.

На основе анализа современных тенденций в области развития технологической среды и обеспечения конкурентоспособности изделий доказано, что изготовление поковок конкурентоспособного качества должно основываться на интегрированной информационной поддержке жизненного цикла машиностроительных изделий, разработке методов и средств для структурно-функционального моделирования информационнотехнологической среды и процессов жизненного цикла поковок, интеллектуальной поддержке принятия решений, создании информационного обеспечения процессов конструкторско-технологического проектирования и производства, учете влияния процессов жизненного цикла на качество поковок и деталей, обосновании выбора технологических режимов штамповки и создании перспективных автоматизированных комплексов.

Для достижения поставленной цели были выполнены исследования по следующим направлениям.

1. Структурно-функциональное моделирование информационно-технологической среды и процессов жизненного цикла поковок.

2. Разработка принципов интегрированной информационной поддержки для этапов и процессов жизненного цикла поковок и машиностроительных деталей.

3. Обеспечение интеллектуальной поддержки принятия решений на основе экспертных знаний.

4. Обоснование взаимосвязанных требований к качеству процессов жизненного цикла, технологического комплекса и изготавливаемых поковок.

5. Разработка научно обоснованных конструкторско-технологических решений для автоматизированного изготовления высококачественных поковок.

Теоретические исследования выполнены с применением основных положений системного анализа, теории обработки металлов давлением, теории теплопроводности, методов искусственного интеллекта и конечных элементов, нечетких множеств, математической статистики, квалиметрии и принципов всеобщего менеджмента качества. Функциональные и информационные модели процессов разработаны на основе универсальных CASE-средств. Моделирование пластического деформирования поковки и тепловых полей в инструменте выполнено с использованием программных комплексов для конечно-элементного анализа объектов. Экспериментальные исследования выполнены с использованием тензометрирования, радиационной пирометрии, калориметрирования, макро- и микроструктурного анализов, электронной растровой и просвечивающей микроскопии.

Научная новизна диссертационной работы включает в себя:

• взаимосвязи и характер наследования характеристик процессов проектирования и производства, влияющие на качество изготавливаемых поковок и деталей, учитывающие специфику процессов жизненного цикла машиностроительных изделий ответственного назначения;

• моделирование и оценку ресурсоемкости (металлоемкости, энергоемкости, трудоемкости) процессов штамповки и металлообработки, выполняемых на этапах концептуального конструкторско-технологического проектирования;

• выявление и обоснование на основе анализа функциональных и конструктивных характеристик машиностроительных деталей структуры технологического маршрута, термомеханических режимов пластического деформирования поковок и технических характеристик автоматизированных комплексов.

• разработку и реализацию принципов информационного обеспечения процессов проектирования и производства поковок с позиций управления жизненным циклом машиностроительных изделий как совокупностью взаимосвязанных и взаимодействующих процессов (процессный подход). Создание и описание функциональных и информационных моделей для этапов проектирования и производства поковок конкурентоспособного качества;

• разработку методов и средств интеллектуальной поддержки принятия решений для концептуальной стадии конструкторско-технологического проектирования поковок и синтеза структур ресурсосберегающих процессов, основанных на классификации технологической среды металлообработки, формализации экспертных знаний и применении продукционных правил и таблиц решений.

Полученные в диссертации результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы для обеспечения интегрированной информационной поддержки процессов проектирования и производства машиностроительных поковок и деталей конкурентоспособного качества и включают:

• функционально-информационное обеспечение для управления процессами проектирования и производства поковок применительно к условиям интегрированной информационной поддержки машиностроительных изделий;

• требования к характеристикам качества процессов проектирования и изготовления поковок, необходимые для сертификации производств и систем менеджмента качества;

• научно обоснованные рекомендации по обеспечению стабильности технологических процессов, стойкости деформирующего инструмента и надежности автоматизированных комплексов для изготовления высококачественных поковок;

• методики структуризации информации и идентификацию типовых поковок и компонентов технологической среды для изготовления и сертификации широкой номенклатуры машиностроительных деталей конкурентоспособного качества;

• информационную базу по эффективным конструкторско-технологическим и организационным решениям, реализованным в виде инженерных приложений.

Достоверность научных результатов и выводов подтверждается корректным использованием научных методов исследования, современного математического аппарата, экспериментальной проверкой и верификацией результатов моделирования, а также практикой применения разработанных средств информационной поддержки и конструкторско-технологических решений для изготовления высококачественных поковок.

Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при выполнении комплексной межведомственной программы повышения качества продукции оборонно-промышленного комплекса, ряда отраслевых и межвузовских научно-технических программ, более десяти договоров с отечественными предприятиями и зарубежными фирмами. Полученные результаты послужили основой для создания интегрированной информационной поддержки процессов проектирования и производства машиностроительных деталей ответственного назначения, интеллектуальной поддержки принятия решений на концептуальной стадии конструкторско-технологического проектирования, прототипа компьютерной системы менеджмента качества, методик оценки ресурсоемкости процессов металлообработки и штамповки.

Научно обоснованные конструкторские и технические решения внедрены при создании автоматизированного комплекса полугорячей штамповки автомобильных поковок, комплексно-механизированного участка холодной и полугорячей штамповки поковок гидроаппаратуры, модернизированного комплекса для полугорячей штамповки поковок авиационного назначения. Изготовленные на их базе высококачественные поковки отмечены медалями ВВЦ.

Разработанные методы информационной поддержки и моделирования процессов представлены в виде информационно-программных средств, компонентов экспертной системы, изданы в виде методических указаний и брошюр, использованы в МГТУ «Станкин» в курсах лекций «Стандартизация и сертификация информационно-программных средств» и «Процессы формообразования в машиностроении».

Основные научные и практические результаты работы доложены и обсуждены на расширенном заседании кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления» МГТУ «Станкин», тридцати шести конференциях и семинарах, в т.ч.: Международной конференции «Информационные средства и технологии» (Москва, 1995,1998,2002 и 2004); XI Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'2004» (Санкт-Петербург, 2004); Международной конференции «Производство, технология, экология» (Москва, 1997, 2000, 2001, 2002, 2003 и 2004); Девятой национальной конференции по искусственному интеллекту (Тверь, 2004); Научно-практической конференции «Проблемы качества, безопасности и диагностики в условиях информационного общества» (Сочи, 2004); Научно-техническом совещании «Современные наукоемкие технологии в промышленности России: высокопроизводительные вычисления и CALS-технологии» (Уфа, 2004); Пятой международной конференции и выставке по морским и интеллектуальным технологиям «Моринтех-2003» (Санкт-Петербург, 2003); Конгрессе (Всесоюзной конференции) «Конструкторско-технологическая информатика» (Москва, 1987, 1989 и 1996); Конференции «Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе» (Ялта, 1997 и 1998); III Конференция по искусственному интеллекту (Тверь, 1992); Всесоюзной конференции «Интеллектуальные системы в машиностроении» (Самара, 1992); Всесоюзной конференции «Проблемы создания и эксплуатации ГПС и ПР на предприятиях машиностроения» (Одесса, 1990); и др.

В соответствии с изложенным на защиту выносятся следующие основные положения работы, включающие методы и средства интегрированной информационной поддержки, научно обоснованные конструкторские и технологические решения для обеспечения изготовления поковок конкурентоспособного качества:

• модели информационно-технологической среды и процессов жизненного цикла применительно к изготовлению высококачественных поковок и машиностроительных деталей;

• функциональные и информационные модели процессов проектирования и производства, обеспечивающие интегрированную информационную поддержку и управление взаимосвязанными процессами и ресурсами (процессный подход); структура информации о компонентах технологической среды и изготавливаемых поковках; база конструкторско-технологических знаний для поддержки принятия решений на ответственных этапах проектирования и производства поковок; научно обоснованные требования к качеству процессов жизненного цикла и изготавливаемых поковок; модели и методики оценки ресурсоемкости процессов штамповки и металлообработки на ранних стадиях проектирования; информационная база по эффективным конструкторско-технологическим решениям и режимам полугорячей штамповки, реализованным в виде инженерных приложений; рекомендации по обеспечению качества поковок, стойкости штампов, стабильности технологических процессов и работоспособности автоматизированных комплексов; результаты экспериментальных исследований, производственных испытаний и внедрения методов и средств интегрированной информационной поддержки для изготовления поковок конкурентоспособного качества. русскому народу есть только один исход и одно спасение - возвращение к качеству и его культуре».

Иван Ильин

4.5. Выводы

1. Основываясь на результатах экспертных опросов отечественных и зарубежных специалистов выполнена оценка текущего состояния и разработаны научно обоснованные прогнозы развития процессов точной объемной штамповки на долгосрочную перспективу. Применительно к процессам ПГОШ выявлены рациональные области применения с учетом перспективных отраслевых потребностей, обоснован рациональный уровень автоматизации технологических комплексов, разработаны типовые технологические процессы и конструкции штампов для их промышленной реализации. Подробно проанализированы технические и организационно-экономические факторы, сдерживающие применение прогрессивных процессов ПГОШ в отечественной промышленности.

2. Для наиболее перспективной сферы применения ПГОШ, массовому и крупносерийному производству поковок автомобильных деталей, выполнено обоснование технических параметров и разработаны конст-рукторско-технологические решения для создания первого отечественного автоматизированного комплекса на базе вертикального механического пресса усилием 16 МН. Автоматизированный комплекс ориентирован на изготовление высокоточных поковок стержневого типа многопозиционной ПГОШ в 4-5 переходов. Указанный комплекс изготовлен в Воронежском ЗАО «Тяжмехпресс» и в настоящее время находится в промышленной эксплуатации на одном из автомобильных предприятий Южной Кореи. Благодаря изготовлению новой модели конкурентоспособного автоматизированного комплекса создан прецедент для продвижения отечественной продукции в ранее недоступный сектор международного рынка.

3. Для серийного и мелкосерийного производства деталей гидроаппаратуры разработаны ресурсосберегающие процессы ПГОШ поковок в 1 -2 перехода на винтовом дугостаторном прессе усилием 2500 кН и прессах для выдавливания серии КОО усилием 2500 кН и 4000 кН. Разработанные технологические процессы и конструкции универсальных штамповых блоков внедрены в Людиновском АО «Агрегатный завод» при создании комплексного участка холодной и полугорячей объемной штамповки. Замена чернового формообразования резанием на ПГОШ при изготовлении десяти наименований деталей из углеродистых и коррозионно-стойких марок стали (35, 40X13, 18Х2Н4МА) позволила сократить расход стали в 1,7-2,8 раза (годовая экономия 65 т стали) и снизить суммарные трудозатраты в цикле металлообработки в 1,3 раза.

4. На основе комплексного решения задач рационального группирования деталей по конструкторско-технологическим признакам, разработки типовых процессов ПГОШ и ГОШ, унификации штамповой оснастки и модернизации конструкции пресса для выдавливания модели К0034, а также автоматизации процесса технологической подготовки производства обеспечено изготовление поковок из дефицитных и дорогостоящих сталей и сплавов в условиях мелкосерийного производства. В кузнечном цехе АО «Знамя Революции» организовано экономичное производство поковок более 50 наименований малыми сериями (минимальная партия запуска до 100-150 поковок) из легированных сталей

14Х17Н2, 20X13, 12Х18Н9Т и др.), сплавов на основе алюминия (АДЗЗТ1, Д16, АК4 и др.), меди (Л59, БрАжН 10-4-4), титана (ВТЗ-1, ВТ20) и циркония. Применение точной ПГОШ взамен черновой обработки резанием позволило значительно повысить эксплуатационные характеристики изготавливаемых деталей и сократить ресурсопотребление: расход металла снижен в среднем в 2,75 раза, трудоемкость изготовления и затраты энергии уменьшены соответственно в 1,3 и 2,1 раза.

5. Разработанные методы и средства информационной поддержки и компоненты систем автоматизированного проектирования апробированы при изготовлении широкой номенклатуры поковок и деталей в различных отраслях машиностроения, что подтверждается документами о внедрении и отражено в двенадцати отчетах о выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В работе доказано, что в автоматизированном машиностроительном производстве изготовление поковок конкурентоспособного качества должно обеспечиваться на основе интегрированной информационной поддержки жизненного цикла изделий, моделирования и структурированного описания процессов и технологической среды, интеллектуальной поддержки принятия технических и организационных решений, учета взаимосвязей и характера наследования качества процессов проектирования и производства в качестве поковок, обоснования выбора технологических режимов штамповки, создания автоматизированных комплексов и повышения эффективности их применения. На основе разработанных методов и средств интегрированной информационной поддержки спроектирована и изготовлена широкая номенклатура поковок конкурентоспособного качества для ответственных машиностроительных деталей, что вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.

2. Выявлены взаимосвязи и характер наследования качества процессов проектирования и производства в качестве изготавливаемых поковок и деталей, отражающие специфику процессов жизненного цикла машиностроительных изделий ответственного назначения. Для процессов проектирования и производства квалимметрически обоснована градация характеристик их качества, учитывающая применяемые методы и средства информационной поддержки, модели проектирования, а также вариативность технических и организационных решений. Обосновано, что для изготовления поковок конкурентоспособного качества необходимо вводить градацию требований к качеству процессов и обеспечению их ресурсами. Исходя из этого сформулированы принципы функционирования компьютерной системы менеджмента качества, интегрированной в корпоративную информационную среду предприятия.

3. На этапе концептуального проектирования ответственных деталей сложной геометрической формы необходимо выполнять анализ вариантов

239 малоотходного формообразования заготовок (поковок), структурное моделирование альтернативных маршрутов металлообработки и укрупненную оценку их ресурсоемкости. Использование для малоотходного формообразования одного из вариантов точной объемной штамповки (холодной, полугорячей, горячей) обусловливает необходимость последующей совместной разработки конструкций детали и поковки с учетом технологических особенностей процесса деформирования поковки. Моделирование и анализ ресурсоемкости альтернативных вариантов изготовления детали и поковки целесообразно выполнять на основе разработанной методики интегральной оценки металло- и энергозатрат в технологическом цикле металлообработки и штамповки.

4. Установлено, что наиболее высокие характеристики качества и эффективности обеспечиваются при изготовлении поковок полугорячей объемной штамповкой на автоматизированных многопозиционных комплексах при крупносерийном и массовом производстве осесимметричных деталей сложной геометрической формы. На основе теоретических и экспериментальных исследований научно обоснованы и разработаны:

• функциональные модели, базы технологических данных и знаний для моделирования и анализа процесса многопозиционного формообразования и расчета температурно-силового режима деформирования поковки;

• методика комплексного анализа видов, последствий и критичности отказов технологических операций процесса многопозиционной штамповки;

• методики проектирования и конструкции многопозиционных штампов, учитывающие влияние условий эксплуатации формообразующих элементов при автоматическом цикле штамповки;

• модели состояния и статистические данные об отказах автоматизированных комплексов, обеспечивающие их эффективное проектирование и эксплуатацию;

• требования к показателям точности операций (индексу воспроизводимости и др.), обеспечивающим стабильность их выполнения и изготовление бездефектных поковок.

5. В целях обеспечения автоматизированного выбора способа штамповки, структуры и основных характеристик производственных комплексов и модулей, разработана автоматизированная экспертно-проектная система, включающая многоуровневую иерархическую классификацию технологической среды, актуальные данные о технических, организационно-экономических и экологических характеристиках ее элементов, а также систему экспертных правил для поддержки процедуры выбора. Совмещенное применение экспертной системы конструкторами и технологами на концептуальной стадии проектирования детали и поковки обеспечивает сокращение затрат на реинжиниринг на основе поэтапного развития информационной модели объекта и снижения информационной неопределенности.

6. Установлено, что на показатели качества и эффективность процесса изготовления поковок и машиностроительных деталей преобладающее влияние оказывают решения, принимаемые на ранних стадиях конструкторско-технологического проектирования изделий. Применительно к концептуальной стадии проектирования, представляющей сложно структурируемую предметную область, разработаны методы и средства интеллектуальной поддержки принятия технических и организационных решений, основанные на формализованном описании типовых поковок и технологической среды, моделировании процесса принятия решений, представлении экспертных знаний специалистов с использованием многоуровневой логики.

7. Доказано, что основополагающим условием изготовления поковок конкурентоспособного качества является разработка и применение принципов информационного обеспечения этапа заготовительного производства с позиций управления жизненным циклом машиностроительных изделий как совокупностью взаимосвязанных и взаимодействующих процессов (процессный подход). Исходя из этого, на единой методологической основе разработаны функциональные и информационные модели для наиболее ответственных этапов проектирования и производства точных поковок, соответствующие общей концепции информационной поддержки жизненного цикла машиностроительной продукции и нормативным требованиям в области представления и обмена моделями, метаданными и данными об изделии.

8. Практическая реализация разработанных методов и средств интегрированной информационной поддержки на этапах проектирования и производства обеспечила промышленное изготовление поковок конкурентоспособного качества для ответственных деталей автомобилей, авиационной техники, гидро- и пневмоаппаратуры, электротехнических изделий и энергетических установок. Разработанные функциональные и информационные модели, средства обеспечения качества и поддержки принятия решений могут быть эффективно применены для создания корпоративной информационной среды и систем менеджмента качества предприятий, развития технологической среды заготовительных производств, повышения качества широкого класса поковок и деталей ответственного назначения, а также для подготовки и переподготовки высококвалифицированных специалистов.

1. Абовский Н.П. Творчество: системный подход, законы развития, принятие решений. М.: СИНТЕГ, 1998 - 312 с. - (Серия «Информатизация России на пороге XXI века»),

2. Аверченков В.И. Оптимизация технологических процессов в САПР ТП: учеб. пособ. — Брянск: БИТМ, 1987. — 108 с.

3. Азгальдов Г.Г. Общие сведения о методологии квалиметрии// Стандарты и качество. 1994. — № 11. - С. 25 -37.

4. Азгальдов Г.Г. Практическая квалиметрия в системе качества: ошибки и заблуждения // Методы менеджмента качества. — 2001. — № 3. -С. 18-23.

5. Азгальдов Г.Г. Определение ситуации оценивания качества// Стандарты и качество. 1995. — № 9. - С. 15-25.

6. Акаро И.Л., Акаро А.И. Малоотходная полугорячая штамповка// Строительное, дорожное и коммунальное машиностроение. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1990. - Вып.З. - 52 е.: ил. - (Серия 8 «Технология, экономика и организация производства»: обзорная информация).

7. Аксенов Л.Б. Системное проектирование процессов штамповки. — Л.: Машиностроение, Ленингр.отд-ние, 1990. — 240 е.: ил.

8. Алиев Ч.А., Тетерин Г.П. Система автоматизированного проектирования технологии горячей объемной штамповки. — М.: Машиностроение, 1987. — 224 е.: ил.

9. Андрианов Ю.М., Субетто А.И., Квалиметрия в приборостроении и машиностроении. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1990. -216 е.: ил.

10. Аронов И.З., Панкина Г.В. Анализ безопасности услуг на основе методологии FMEA // Методы менеджмента качества.—2001.— № 5. -С. 27-29.

11. И. Артес А.Э., Ракошиц Г.С. Холодная объемная штамповка на универсальных прессах: учеб. пособ. для слушателей заочных курсов повышения квалификации ИТР по технологии и оборудованию холодной объемной штамповки. М.: Машиностроение, 1987. - 64 е.: ил.

12. Артес А.Э., Шибаков В.Г. Имитационное моделирование технологических процессов точной объемной штамповки: учеб.пособ. Набережные Челны: Издательско-полиграфический центр Камского государственного политехнического института, 2002. - 84 с.

13. Балаганский В.И., Бочаров Ю.А., Гладков О.А. Система программно-адаптивного управления горячештамповочным комплексом // Кузнечно-штамповочное производство.— 2001.— № 6. — С. 26-30.

14. Барабанов В.В., Херсонский Н.С., Карасев С.Н., Пономаренко В.Д., Рожков В.Н. Применение CALS-технологий для электронного описания систем качества предприятий // Стандарты и качество. — 2001,— №3.- С. 66-70.

15. Белильцев В.К., Беленцов Ю.И. Кузнечно-прессовые машины. Термины и определения: методические рекомендации. М.: НПО "ЭНИКМАШ" Минстанкопрома, 1989. - 95 с.

16. Биба Н.В., Лишний А.И., Стебунов С.А. Эффективность применения моделирования для разработки технологии штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. — 2001.— № 5. — С. 39-44.

17. Богатиков В.Н., Вицентий А.В., Охота С.В., Палюх Б.В. Проектирование информационного обеспечения задач управления безопасностью технологических процессов // Информационные ресурсы России. — 2004. — № 3 (79). — С.5-8.

18. Бочаров Ю.А. Числовое программное управление процессами и машинами обработки давлением (состояние и перспективы). // Кузнеч-но-штамповочное производство. — 2000. — № 7. — С. 39-46.

19. Брюханов В.Н., Косов М.Г., Протопопов С.П. и др. Теория автоматического управления: учеб.для студ.машиностр.спец. вузов/ под ред.чл.-кор.РАН Ю.М.Соломенцева.-З-е изд., стер.- М.: Высшая школа, 2000. — 268 е.: ил.

20. Буравлев А.Т. Обобщенные показатели эффективности и качества процессов создания изделий и функционирования систем качества по конечным результатам // Методы менеджмента качества.— 2001.4.-С. 15-17.

21. Буров Ю.Г., Позднеев Б.М. Определение количества тепла, переданного от заготовки к штампу // Известия вузов. Машиностроение. -1975 —№5.-С. 144-147.

22. Буров Ю.Г., Позднеев Б.М. Расчет контактного теплообмена между поковкой и инструментом при осадке // Кузнечно-штамповочное производство. 1979.— № 9. - С. 3-6.

23. Бурков В.Н., Заложнев А.Ю., Новиков Д.А. Теория графов в управлении организационными системами. М.:СИНТЕГ, - 2001. - 124с.

24. Серия «Управление организационными системами»).

25. Волков Б.Н., Яновский Г.А. Основы ресурсосбережения в машиностроении.— Л.: Политехника, 1991. — 180 с.: ил.

26. Волкова Г.Д. Концептуальное моделирование предметных задач в машиностроении: учебное пособие М.: МГТУ «Станкин», 2000. -98 с.

27. Волкова Г.Д. Методология автоматизации проектирования конструкторской деятельности в машиностроении: учебное пособие М.: МГТУ «Станкин», 2000 - 81 с.27