автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Определение области эффективного применения станков с ЧПУ в единичном и мелкосерийном производстве деталей ГТД на основе анализа технологичности их конструкций

На правах рукописи

005014428

Шеховцева Татьяна Владимировна

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ СТАНКОВ С ЧПУ В ЕДИНИЧНОМ И МЕЛКОСЕРИЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ДЕТАЛЕЙ ГТД НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ ИХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

15 мар т

Рыбинск-2012

005014428

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Безъязычный Вячеслав Феоктистович.

Официальные оппоненты:

Непомилуев Валерий Васильевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева», профессор кафедры «Организация производства и управление качеством»;

Корытов Владимир Николаевич, кандидат технических наук, ОАО «Гаврилов-Ямский машиностроительный завод «Агат», генеральный директор.

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет».

Защита состоится 21 марта 2012 года в 12— часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск!, Ярославской обл., ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева»

Автореферат разослан 20 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Конюхов Борис Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях современной рыночной экономики многие предприятия отечественной авиационной промышленности вынуждены переходить от массового производства к мелкосерийному (единичному), чтобы обеспечить выполнение разнообразных требований заказчика. В связи с широким применением CAD/CAM технологий основным видом оборудования для обработки деталей газотурбинных двигателей (ГТД) являются станки с числовым программным управлением (ЧПУ), поэтому необходима смена универсального оборудования, традиционно применяемого в единичном производстве, на станки с ЧПУ. Современное производство ГТД характеризуется широкой многономенклатурностью (частой сменяемостью выпускаемых изделий). При этом конструкции деталей постоянно усложняются, повышаются требования к их точности и качеству обработки, что приводит к увеличению трудоемкости и себестоимости. Станки с ЧПУ обладают свойствами, позволяющими добиться существенного повышения эффективности производства и экономии трудовых ресурсов, а также возможно их рентабельное применения не только в среднесерийном производстве, но и в мелкосерийном и единичном.

Недостаток существующих теоретических разработок по данному вопросу создает трудности в решении практических задач по назначению оптимального вида оборудования. Все это обуславливает актуальность исследования проблемы организации единичного и мелкосерийного производства в условиях применения станков с ЧПУ. Для этого автором выполнены исследования по изучению выбора рационального вида оборудования, основанные на алгоритме отработки на технологичность, обобщенном критерии технологичности и сравнении производительности и себестоимости обработки нескольких видов оборудования.

Цель работы: определение области эффективного применения станков с ЧПУ в условиях единичного и мелкосерийного производства, а также рационального использования этого оборудования на основе учета конструктивной сложности и технологичности конструкции деталей ГТД.

Для реализации поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

1. Проанализировать номенклатуру обрабатываемых деталей и разработать обобщенные критерии технологичности деталей применительно к их номенклатуре.

2. Выполнить анализ использования станков с ЧПУ с учетом требований к качеству обработки деталей на основе анализа типовых технологических процессов обработки, их трудоемкости и производительности.

3. Разработать алгоритм определения целесообразности использования станков с ЧПУ на основе конструктивной сложности и показателей технологичности обрабатываемых деталей.

4. Разработать рекомендации по практическому использованию результатов исследования.

Научная новизна работы заключается в

- разработке обобщенного критерия оценки технологичности конструкции детали, учитывающего её конструктивную сложность, требования по точности и качеству обработки и свойства обрабатываемого материала детали;

- разработке алгоритма выбора рационального вида оборудования на основании конструктивных, технологических и экономических показателей, характеризующих процесс её изготовления.

Практическая значимость работы

Разработанная методика выбора рационального вида оборудования позволяет технологу на стадии разработки технологического процесса обработки произвести обоснованный выбор применяемого обрабатывающего оборудования с учетом производительности оборудования и конструктивных особенностей обрабатываемой заготовки.

Положения, составляющие основу работы и выносимые на защиту

1. Обобщенный критерий оценки технологичности, учитывающий конструктивную сложность детали применительно к обработке на станках с ЧПУ, требования к точности и качеству обработки её поверхностного слоя с учетом свойств обрабатываемого материала детали.

2. Алгоритм отработки детали на технологичность с учетом обработки её заготовки.

3. Методика выбора рационального вида оборудования при обработке.

Апробация работы. Основные положения настоящей работы доложены

и обсуждены на международной молодежной научной конференций «XXXV Гагаринские чтения», Москва, 2009; на международной молодежной научной конференций «XXXVI Гагаринские чтения», Москва, 2010; на 64-й региональной научно-технической конференций студентов, магистров и аспирантов высших учебных заведений с международным участием, Ярославль, 2011; на ежегодных научных докладах на кафедре «Технологии авиационных двигателей и общего машиностроения» Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П. А. Соловьева.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ в различных журналах и сборниках научных трудов, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников и приложения. Основная часть работы изложена на 225 страницах машинописного текста (без приложений), содержит 24 таблицы, 52 рисунка. Библиографический список содержит 114 наименований и приложений на 45 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования, приведены основные научные положения и результаты, вынесенные на защиту.

В первой главе проведен анализ научной литературы по вопросам:

- целесообразности использования станков с ЧПУ в зависимости от программы выпуска деталей;

- технологичности конструкции деталей при обработке на станках с

ЧПУ;

- направления повышения эффективности обработки на станках с ЧПУ;

- технико-экономического анализа эффективности станков с ЧПУ.

В работах Амирова Д.Ю., Кононенко В.Г., Прялина М.А. и других разработана система показателей количественной оценки технологичности деталей и приведены рекомендации по их использованию. Недостаток этих работ заключается в том, что рассматривается только количественная оценка технологичности, что не позволяет в полном объеме формализовать и оптимизировать процесс оценки конструкции детали на технологичность.

Балабанов Б .С. и Гокун В.Б. оценивают технологичность конструкции изделия только по показателю материалоемкости, что является неэффективным и нецелесообразным, так как на технологичность детали влияют и другте показатели.

Корытов В.Н. и Угринов В.Ю. предлагают использовать классификацию основных и дополнительных показателей технологичности конструкции, основанную на базе ГОСТов, что приводит к независимому рассмотрению влияния каждого коэффициента без учета их взаимосвязи.

В работах Леонтьева И.А., Андрейчука И.Е., Давыдовского A.C., Григорьева И.К. и другие технологичность конструкции детали рассматривается как интенсивность затрат труда на единицу площади поверхности, что не позволяет определить качественную оценку технологичности конструкции детали.

Таким образом, в существующих работах преобладают технический и технико-экономический аспекты, рассматриваются отдельные вопросы организации труда, технического обслуживания, повышения эффективности станков с ЧПУ на базе технико-экономических решений. Данные работы были выполнены применительно к условиям серийного производства.

На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе выполнен анализ конструктивного оформления деталей ГТД (корпусные детали, моноколеса, лопатки, кронштейны и др.), на основе чего разработаны алгоритм отработки детали на технологичность (рис. 1) с представленной его апробацией на ряде деталей и классификация деталей ГТД по технологичности их конструкции (табл. 1), где определены их характерные и переменные параметры. Сформулированы основные требования к конструкции

Рис. 1. Алгоритм отработки деталей на технологичность

Таблица 1

Классификация деталей по технологичности

Параметры

1. Сложная пространственная форма (х, у, г)

2. Обработка более чем по 3-м сторонам детали

3. Сложная ступенчатая форма или криволинейный контур, сферические, конические поверхности

4. Лыски, выборки, ребра жесткости, торцовки, канавки, выточки

5. Стыковые и опорные плоскости, расположенные под разными углами

6. Отверстия различного типа и размера, а также взаимного расположения

7. Расточки внутри детали

8. Точность размеров детали от 6 квалитета и выше

9. Шероховатость поверхностей На менее 0,8 мкм

10. Детали, требующие при обработке на универсальных станках специальной оснастки и фасонных режущих инструментов

11. При обработке на станке с ЧПУ уменьшится количество применяемого режущего инструмента

12. При обработке на станке с ЧПУ уменьшится число переустановок детали

- характерный параметр;

- переменный параметр

деталей ГТД, влияющие на эффективность обработки на станках с ЧПУ, изложены важные факторы технологической подготовки производства и учтена его организация. Проанализированы особенности и стадии технологических процессов деталей с определением целесообразного вида оборудования, где критерием эффективности применения станков служат себестоимость и производительность с учетом технологичности детали (уровня ее сложности). Эти разработки позволили дать рекомендации по ряду необходимых требований, которые должны предъявляться к деталям, обрабатываемым на станках с ЧПУ.

Также исследована целесообразность использования станков с ЧПУ с учетом типовых (групповых) технологических процессов, опираясь на служебные назначения деталей. Их применение позволяет существенно повысить эффективность многономенклатурного единичного и мелкосерийного производства, так как из принципиального группового технологического процесса требуется исключить ряд операций и откорректировать уже отлаженную программу обработки для станка с ЧПУ.

Третья глава посвящена исследованию многономенклатурного производства, отличающегося специфическими особенностями, связанными с разнообразием и частой сменяемостью объектов производства, применением универсального оборудования, переналаживаемой оснастки и инструментов широкой номенклатуры. Повышение эффективности достигается за счет применения программно-управляемого оборудования и современных средств вычислительной техники.

Разработан обобщенный критерий технологичности Кт (формула 1), который определяется как совокупность значений частных показателей технологичности с учетом их весовых коэффициентов.

Кс-сйс + Кщ-сощ+Кточ-юточ + Кр-юр | т А-(а)с+а)ш+в>точ+<яр + ®уэ+(йОБР + &к)

> м

_Куэ • соуэ + Кобр ' юобр + К к' сок

А • (юс+о)ш + (Оюч+фр + о)уэ + сюбр+аж) где Кс, Кш, Кточ, К?, Куэ, Кобр, Кк - коэффициенты конструктивной сложности детали, шероховатости поверхностей, точности, взаимного расположения поверхностей детали, унификации конструктивных элементов, обработки детали, концентрации обработки, соответственно;

сое, сйць соточ. Мр, Шуэ, сообр, мк - весовые значения частных показателей коэффициентов конструктивной сложности детали, шероховатости поверхностей, точности, взаимного расположения поверхностей детали, унификации конструктивных элементов, обработки детали и концентрации обработки, соответственно;

Д - коэффициент сложности создания управляющей программы, А = 1 - 2.

Частные показатели технологичности определялись следующим образом:

1. Конструктивная сложность характеризует деталь как геометрический объект вне зависимости от выбранного способа обработки.

Для деталей, имеющих 50 и более элементов, коэффициент конструктивной сложности детали Кс принимается за единицу. Отсюда коэффициент конструктивной сложности детали состоящей из одного элемента Кс ~ 0,02. Коэффициент конструктивной сложности детали, состоящей из п элементов, имеет вид:

Кс. = 0,02 • п, (2)

где п - число обрабатываемых элементов.

2. Коэффициент шероховатости поверхностей детали Кш.

Кш^^Вг^Х (3)

т)

где 5, - численное значение коэффициента шероховатости детали; т - число поверхностей 1-ой шероховатости; т - число обрабатываемых поверхностей;

г - число различных значений шероховатости, требуемых по чертежу детали.

3. Коэффициент точности детали Кточ учитывает квалитет обработки детали и определяется как средневзвешенное значение:

г

Ит

Кточ= 1 2 '

1{1Тт,) 1=1

где 1Т - квалитет;

п, ~ количество поверхностей с 1-ым квалитетом; ъ - число квалитетов требуемых по чертежу детали.

4. Коэффициент взаимного расположения поверхностей детали Кр учитывает число повышенных требований по точностям форм и взаимного расположения.

5. Коэффициент унификации конструктивных элементов Куз.

= 0,1-я, (5)

^ N3

где 7/уэ - количество унифицированных элементов детали; А^ - общее количество элементов детали; п - количество нетехнологичных элементов детали.

6. Коэффициент обрабатываемости детали Кобр учитывает свойства обрабатываемого материала и вид используемой заготовки, которые влияют на трудоемкость обработки и определяется по формуле:

Кобр = ^МЭМ ' Кцм, (6)

где Кои - коэффициент обрабатываемости материала детали; Ким - коэффициент использования материала детали.

7. Коэффициент концентрации обработки Кк.

На станках с ЧПУ за одну операцию можно производить несколько операций, которые ранее производились на универсальном оборудовании, то есть имеет место концентрация обработки и поэтому введем такое понятие, как коэффициент концентрации обработки Кк-

я

Кк= I 1=1

Кв~ I • (7)

ч п)]

где ЛГв - коэффициент вида обработки;

п — число основных элементов контура, обрабатываемых на конкретной

операции;

п - число основных элементов контура детали.

Значения весовых коэффициентов частных показателей технологичности определенны по методу иерархии с их последующей адаптацией для удобного практического использования при расчете коэффициента технологичности детали.

Получив численные значения коэффициента технологичности при обработке детали на универсальном оборудовании КтУ и ПРИ обработке на оборудовании с ЧПУ К™, их необходимо сравнить между собой.

- Если КхУ > КТУ>™ рассматриваемую деталь целесообразно обрабатывать на станке с ЧПУ ввиду ее конструктивной сложности.

- Если КтУ <К.'т1У, то деталь является конструктивно простой и её следует обрабатывать на универсальном оборудовании.

Для окончательного принятия решения по типу используемого оборудования необходимо выполнить технико-экономическое обоснование с определением производительности (формула 8) и себестоимости обработки (формула 9) по двум видам оборудования с последующим их сравнением.

Производительность определяется по формуле

рЛ= 1

т к 8 А ' (8)

2*Р.Х.+ 'Х.х.1 + 'х.х.2 + ¿Х.Х.З + 5Ли.Т. + 1 11

где Т- время обработки детали, мин;

/р Х. - длительность одного рабочего перехода, мин;

К— число переходов при обработке детали.

гх х ь гХХ2, гххз - время, затрачиваемое на установку и снятие детали, очистку приспособления, вызов и запуск управляющей программы, соответственно, мин;

£ит. - время выхода инструмента в исходную позицию, мин; 5 - количество возвратов инструмента в исходную позицию;

?зи - время замены одного инструмента, мин;

А - количество инструментов, используемых в технологической операции. Себестоимость обработки определяется по формуле

С = С30 + Сос + Сн + Сэ, (9)

где С30 - затраты на заработную плату и отчисления, руб.; Сос - содержание оборудования и оснастки, руб.; Сн - затраты на переналадку и программирование, руб.; Сэ - затрат на технологическую энергию, руб.

Остальные составляющие себестоимости обработки являются равноценными для сопоставляемых вариантов обработки, поэтому они не учитываются.

На базе алгоритма отработки детали на технологичность (рис. 1) и технико-экономического обоснования разработана методика по рациональному выбору типа оборудования, которая представлена в виде блок-схемы (рис. 2).

Рис. 2. Алгоритм выбора вида оборудования

Рис. 2. Алгоритм выбора вида оборудования (окончание)

На основе алгоритма отработки детали на технологичность (рис. 1) технолог получает качественную оценку эффективности применения определенного вида оборудования. Затем при необходимости имеется возможность получения количественной оценки в результате применения формулы (1) с определением коэффициентов шероховатости, точности, обрабатываемости материала, конструктивной сложности детали и других с учетом весовых коэффициентов назначенных технологом. Далее предусмотрена возможность определения тру-

доемкости, производительности и себестоимости обработки для каждого типа оборудования (станка с ЧПУ и универсального станка) с последующим их сравнением и выбором рационального вида оборудования. Вариант, при котором трудоемкость и себестоимость меньше, а производительность больше, является рациональным. Также предусмотрена возможность корректировки исходных данных на этапе количественной оценки технологичности конструкции детали.

Достоинством предлагаемой методики по сравнению с имеющимися работами и методическими рекомендациями МР 186-85 «Определение технологичности конструкции изделий машиностроения и приборостроения» является то, что технологичность детали можно оценить сразу с трех сторон: конструктивно (по элементам конструкции детали), технологически (точность обработки, наличие унифицированных элементов и т.д.) и экономически (расчет трудоемкости, производительности и себестоимости).

В четвертой главе рассмотрена практическая реализация результатов исследований с применением типовых технологических процессов для изготовления деталей ГТД. Для ряда типовых деталей ГТД представлены: результаты исследования технологичности конструкции деталей, определены количественные оценки технологичности, производительность и себестоимость обработки для выбора рационального вида оборудования.

На основании выполненного технико-экономического расчета типовых технологических процессов для различных типов оборудования построены диаграммы затрат при обработке (рис. 3) и графики зависимости общих затрат от годовой программы выпуска (рис. 4) для ряда конкретных деталей. Диаграммы и графики показывают эффективность применения оборудования в зависимости от годовой программы выпуска деталей.

Выводы по работе:

1. В настоящее время двигателестроение развивается в условиях единичного и мелкосерийного производства, которое характеризуется большой номенклатурой изделий. Многономенклатурное производство характеризуется специфическими особенностями, связанными с разнообразием и частой сменой объектов изготовления, применением универсального оборудования, переналаживаемой оснастки и инструмента широкой номенклатуры. Эффективность изготовления деталей в опытном производстве достигается за счет применения оборудования с программным управлением и современных средств вычислительной техники.

2. Составленные (на основании системного анализа конструкций деталей ГТД) классификация деталей по технологичности и алгоритм отработки деталей на технологичность позволяют качественно оценить технологичность конструкции детали и разработать рекомендации, предъявляемые к деталям изготавливаемым на станках с ЧПУ.

&

4 6000-

§ 5000-& 4000

\о я

"§■ 3000-

а)

Содержание Затраты на перенападк-у и программирование Универсальное оборудование

Затраты на заработную плату

кия и оснастки

Затраты на Себестои-технологи- мость

ческую г' обработки энергию !Ш Оборудование с ЧПУ

б)

Содержание Затраты на Затраты на Себестои-

оборудова- переналадку технологи- мость

ния и и програм- ческую обработки

оснастки мирование энергию

і Универсальное оборудование

I Оборудование с ЧПУ

Рис. 3. Диаграмма затрат при обработке деталей: а) деталь «крышка» годовая программа выпуска - 52 детали; б) деталь «корпус центрального привода» годовая программа выпуска - 3 детали

Универсальное оборудование

100 200 М, ШТ.

Оборудование с ЧПУ

5 7 N шт.

Оборудование с ЧЛУ

Рис. 4. Графики зависимости общих затрат от годовой программы выпуска: а) деталь «крышка»; б) деталь «корпус центрального привода»

3. Обработка деталей на станках с ЧПУ в рамках групповых технологических процессов позволяет повысить эффективность многономенклатурного единичного и мелкосерийного производства и может быть использована при модернизации технологических процессов (путем исключения ряда операций из основного технологического процесса), где только корректируются отлаженные управляющие программы обработки для станков с ЧПУ.

4. Разработанный обобщенный критерий технологичности учитывает конструктивную сложность детали, свойства обрабатываемого материала, точность и качество обработки. Приведенный обобщенный критерий технологичности позволяет сделать вывод о том, что на качественную оценку технологичности в значительной мере из рассмотренных параметров влияют концентрация операций и унификация конструктивных элементов детали. Практическое применение подтвердило эффективность обобщенного критерия технологичности при назначении вида оборудования.

5. Предложенная методика выбора рационального оборудования позволяет оценить технологичность детали по конструктивному (по элементам конструкции детали), технологическому (точность обработки, наличие унифицированных элементов и т.д.) и экономическому (расчет производительности и себестоимости) аспектам.

6. Проведенная апробация показала, что разработанная методика выбора вида оборудования позволяет определить рациональный вид применяемого оборудования с учетом конструктивной сложности детали и производительности ее обработки.

7. По результатам апробации можно сделать вывод, что коэффициент технологичности К-[ при выборе вида оборудования в значительной мере зависит от коэффициента концентрации обработки А"к и коэффициента унификации элементов Куэ- При этом другие коэффициенты остаются неизменными, то есть, они отражают конструкцию детали, а не вид применяемого оборудования.

Основные результаты работы представлены в публикациях.

Публикации в изданиях, рекомендованные ВАК:

1. Шеховцева, Т. В. Применение переналаживаемых гибких производственных систем из станков с ЧПУ в опытном производстве [Текст] / Т. В. Шеховцева // Справочник. Инженерный журнал №1 (178).- Москва: «Издательство машиностроение», - 2012. - С. 3 - 7.

2. Шеховцева, Т. В. Специфика технологических процессов изготовления деталей на станках с ЧПУ [Текст] / Т. В. Шеховцева // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. №4/2 (288). - Орел: ОрелГТУ, С. 90-95.

3. Шеховцева, Т. В. Целесообразность применения станков с ЧПУ в единичном и мелкосерийном производстве на основе показателей технологичности деталей ГТД [Текст] / Т. В. Шеховцева // Вестник МГТУ. Труды Мурманского государственного технического университета. - т. 14, №4. - Мурманск: МГТУ, 2011. - С. 690 - 700.

4. Безъязычный, В. Ф. Анализ областей эффективного использования станков с ЧПУ [Текст] / В. Ф. Безъязычный, Т. В. Шеховцева // Вестник РГА-ТУ. - №2 (20) - Рыбинск: РГАТУ, 2011. - С. 92 - 100.

Прочие публикации:

1. Шеховцева, Т. В. Основные требования к конструкции изделий при их обработке на станках с ЧПУ [Текст] / Т. В. Шеховцева // XXXV Гагаринские чтения. Москва: МАТИ, 2009. - т. 2., С. 89.

2. Шеховцева, Т. В. Подбор номенклатуры деталей при обработке на станках с ЧПУ [Текст] / Т. В. Шеховцева // Оптимизация процессов резания, разработка и эксплуатация мехатронных станочных систем. Межвузовский научный сборник. Уфа: УГАТУ, 2009. - С. 63 - 66.

3. Шеховцева, Т. В. Основные направления повышения эффективности при обработке на станках с ЧПУ [Текст] / Т. В. Шеховцева // Машиностроение. Межвузовский сборник научных статей. Краснодар: КГТУ, 2009. - С. 17 -20.

4. Шеховцева, Т. В. Особенности технологического процесса обработки на станках с ЧПУ [Текст] / Т. В. Шеховцева // XXXVI Гагаринские чтения. Москва: МАТИ, 2010. - С. 75 - 77.

5. Шеховцева, Т. В. Применение станков с ЧПУ с учетом трудоемкости обработки [Текст] / Т. В. Шеховцева // Научно-практическая конференция «Наукоемкие технологии в машиностроении». Йшимбай: УГАТУ, 2010. - С. 68 -69.

6. Шеховцева, Т. В. Анализ целесообразности использования станков с ЧПУ с учетом их производительности [Текст] / Т. В. Шеховцева // Материалы международной молодежной научной конференции, XVIII Туполевские чтения. 2010. - Казань: Казан, гос. техн. ун-та, 2007. - т.1, - С. 9 - 10.

7. Шеховцева, Т. В. Гибкие производственные системы в единичном и мелкосерийном производствах [Текст] / Т. В. Шеховцева // XXXVII Гагаринские чтения. Москва: МАТИ, 2011. - С. 60 - 62.

8. Шеховцева, Т. В. Определение номенклатуры деталей, обрабатываемых на станках с ЧПУ [Текст] / Т. В. Шеховцева // Шестьдесят четвертая региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием. Ярославль: ЯГТУ, 2011.-С. 181.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 9.02.2012 Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100. Заказ 67.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева

(РГАТУ имени П. А. Соловьева)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П.А. Соловьева

152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

61 12-5/2032

ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева»

На правах рукописи

Шеховцева Татьяна Владимировна

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ СТАНКОВ С ЧПУ В ЕДИНИЧНОМ И МЕЛКОСЕРИЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ДЕТАЛЕЙ ГТД НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ ИХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

заслуженный деятель науки и техники РФ

д-р техн. наук, проф. Безъязычный В.Ф.

Рыбинск-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................... 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАНЕЕ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ В ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАНКОВ С ЧПУ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПРОГРАММЫ ВЫПУСКА ИЗДЕЛИЙ И СЛОЖНОСТИ ИХ КОНСТРУКЦИИ.................................................................... 8

1.1. Общие сведения о целесообразности использования станков с ЧПУ в зависимости от программы выпуска деталей................... 8

1.2. Учет технологичности конструкции деталей при обработке на станках с ЧПУ.................................................................. 15

1.3. Основные направления повышения эффективности при обработке

на станках с ЧПУ............................................................... 23

1.4. Основные направления технико-экономического анализа эффективности станков с ЧПУ............................................. 28

1.5. Преимущества и недостатки использования станков с ЧПУ......... 39

1.6. Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования........................ 42

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СТАНКОВ С ЧПУ В ЕДИНИЧНОМ И МЕЛКОСЕРИЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ГТД......................................................................................... 44

2.1. Анализ возможности применения станков с ЧПУ с позиции конструктивного оформления обрабатываемых изделий............. 44

2.2. Особенности технологического процесса обработки на станках с ЧПУ.............................................................................. 78

2.3. Анализ целесообразности использования станков с ЧПУ с учетом типовых (групповых) технологических процессов..................... 85

2.4. Анализ возможности применения переналаживаемых гибких производственных систем из станков с ЧПУ............................ 88

2.5. Выводы по главе 2............................................................. 98

ГЛАВА 3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СТАНКОВ С ЧПУ В ЕДИНИЧНОМ И МЕЛКОСЕРИЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ДЕТАЛЕЙ ГТД.......................................................................................................... 100

3.1. Анализ номенклатуры обрабатываемых деталей....................... 100

3.2. Разработка обобщенного критерия технологичности обрабатываемых деталей.............................. ....................................... 107

3.3. Определение трудоемкости, производительности и себестоимости обработки в условиях единичного и мелкосерийного производства 122

3.4. Методика выбора оборудования...................................................... 136

3.5. Выводы по главе 3.............................................................. 139

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................................................... 141

4.1. Примеры применения методики выбора оборудования для конкретных деталей.......................................................... 141

4.2. Выводы по главе 4.............................................................. 211

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ................................................ 212

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................... 214

ПРИЛОЖЕНИЕ А.................................................................. 226

ПРИЛОЖЕНИЕ Б.................................................................. 245

ВВЕДЕНИЕ

Современная авиационная техника постоянно совершенствуется, усложняется конструктивно, в связи, с чем повышаются требования к точности и качеству деталей. Одним из основных видов оборудования для обработки деталей газотурбинных двигателей (ГТД) являются станки с числовым программным управлением (ЧПУ). Более того, с подъемом производства, выходом предприятий на международный рынок и широким использованием CAD/CAM технологий значимость этого вида оборудования возрастает. Станки с ЧПУ обладают свойствами, позволяющими добиться существенного повышения эффективности производства и экономии трудовых ресурсов, а также возможно их рентабельное применения не только в среднесерийном производстве, но и в мелкосерийном и даже единичном.

В работах Амирова Д.Ю., Кононенко В.Г., Прялина М.А. и других разработана система показателей количественной оценки технологичности деталей и приведены рекомендации по их использованию [1-6]. Недостаток их работ заключается в том, что они рассматривали только количественную оценку технологичности, что не позволяет в полном объеме формализовать и оптимизировать процесс оценки конструкции детали на технологичность.

Балабанов Б.С. и Гокун В.Б. в своих работах количественно оценивают технологичность конструкции изделия лишь по показателю материалоемкости, что является неэффективным и нецелесообразным, так как на технологичность детали влияют и другие показатели кроме

металлоемкости [7-9].

Корытов В.Н. и У гринов В.Ю. предлагают использовать классификацию основных и дополнительных показателей технологичности конструкции, основанную на базе ГОСТов, что приводит к независимому рассмотрению влияния каждого коэффициента без их взаимосвязи [10, 11].

В работах Леонтьева И.А., Андрейчука И.Е., Давыдовского A.C., Григорьева И.К. технологичность конструкции детали рассматривается как интенсивность затрат труда на единицу площади поверхности [3, 12 - 14]. Исходя из такой позиции определения технологичности конструкции детали нельзя формализовать качественную оценку технологичности конструкции.

В настоящее время применяется общий подход к определению границ эффективного использования автоматизированного оборудования на основе опыта, анализа производства и научной работы Васильева В.Н. в результате чего были сформированы зависимости количества обрабатываемых деталей от стоимости их изготовления [15].

В рамках данной проблемы Жданович В.Ф. составил диаграмму, где показана специализация станков в зависимости от типа производства. Границы между областями применения станков усреднены и могут смещаться под влиянием различных факторов [16].

Таким образом, в работах преобладают технический и технико-экономический аспекты, рассматриваются отдельные вопросы организации труда, технического обслуживания, повышения эффективности станков с ЧПУ на базе технико-экономических решений. Данные работы были выполнены применительно к условиям серийного производства.

В настоящее время авиадвигателе- и машиностроение характеризуются многономенклатурностью, что связано с выпуском продукции по индивидуальным заказам, партиями небольшого размера или опытными образцами. То есть, современному производству свойственна частая смена выпускаемых изделий. При этом продукции свойственны оригинальные конструкции и как следствие высокая конструктивная сложность, что приводит к увеличению сроков изготовления. Возрастающие требования к сокращению сроков производства в условиях многономенклатурного единичного и мелкосерийного производства позволяют достичь станки с ЧПУ.

Работа выполнена на кафедре «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьева под руководством заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора технических наук, профессора Безъязычного Вячеслава Феоктистовича.

Цель работы:

Определение области эффективного применения станков с ЧПУ в условиях единичного и мелкосерийного производства, а также рационального использования этого оборудования на основе учета конструктивной сложности и технологичности конструкции деталей ГТД.

Научная новизна работы:

- разработка обобщенного критерия оценки технологичности конструкции детали, учитывающего её конструктивную сложность, требования по точности и качеству обработки и свойства обрабатываемого материала детали;

- разработка алгоритма выбора рационального вида оборудования на основании конструктивных, технологических и экономических показателей, характеризующих процесс её изготовления.

Практическая значимость работы:

Разработанная методика выбора рационального вида оборудования позволяет технологу на стадии разработки технологического процесса обработки произвести обоснованный выбор применяемого обрабатывающего оборудования, с учетом производительности оборудования и конструктивных особенностей обрабатываемой заготовки.

На защиту выносится:

1. Обобщенный критерий оценки технологичности, учитывающий конструктивную сложность детали применительно к обработке на станках с ЧПУ, требования к точности и качеству обработки её поверхностного слоя с учетом свойств обрабатываемого материала детали.

2. Алгоритм отработки детали на технологичность с учетом обработки её заготовки.

3. Методика выбора рационального вида оборудования при обработке.

Апробация работы:

Основные положения работы и ее отдельные разделы докладывались на конференциях:

- Международная молодежная научная конференция «XXXV Гагаринские чтения», Москва, 2009;

Международная молодежная научная конференция «XXXVI Гагаринские чтения», Москва, 2010;

- 64-я региональная научно-техническая конференция студентов, магистров и аспирантов высших учебных заведений с международным участием, Ярославль, 2011;

- Ежегодные научные доклады на кафедре «Технологии авиационных двигателей и общего машиностроения» Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьева.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ в различных журналах и сборниках научных трудов, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК - 4.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников и приложения. Основная часть работы изложена на 225 страницах машинописного текста (без приложений), содержит 24 таблицы, 52 рисунка. Библиографический список содержит 114 наименований и приложений на 45 страницах.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАНЕЕ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ В ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАНКОВ С ЧПУ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПРОГРАММЫ ВЫПУСКА ИЗДЕЛИЙ И СЛОЖНОСТИ ИХ КОНСТРУКЦИИ

1.1. Общие сведения о целесообразности использования станков с ЧПУ в зависимости от программы выпуска деталей

Создание новой авиационной техники, тем более такой наукоемкой, как современные авиационные двигатели, невозможно без современных технологий. Конечно, можно некоторые детали изготавливать на универсальных токарных и фрезерных станках. Но в этом случае очень сложно достигнуть высокого уровня качества и низкой себестоимости. Условия рыночной экономики и острая конкуренция на рынке машиностроительной продукции, обуславливают переход от серийного производства к единичному, что требует комплексного и системного подхода к решению технологических и организационных вопросов, при проектировании технологических процессов.

Одним из основных видов оборудования автоматизированного производства были и остаются станки с числовым программным управлением (ЧПУ). Станки с ЧПУ - последнее поколение металлообрабатывающего оборудования. Они обеспечивают эффективные режимы обработки, высокую точность позиционирования, надежность и обладают высокотехнологичными решениями в конструкции и компоновке. Станки оснащаются высокоскоростными шпинделями, позволяющими удалять большие припуски (частота вращения достигает 20000 об/мин), жесткими направляющими из износоустойчивых материалов, обеспечивающими низкий коэффициент трения, обработка ведется с

большими подачами. Средства технологического оснащения токарных обрабатывающих центров обеспечивают возможность установки в позиции револьверной головки вращающегося инструмента со скоростью вращения до 3500 об/мин, что позволяет обеспечить не только точение, но и выполнять сверление, фрезерование, обработку резьбовых поверхностей и спиральных канавок, шпоночных пазов, отверстий во фланцах и т.д. [17]. Более того, с подъемом производства, выходом предприятий на международный рынок и широким использованием САБ/САМ/САЕ-технологий значимость этого вида оборудования возрастает. Станки с ЧПУ обладают свойствами, позволяющими добиться существенного повышения эффективности производства и экономии трудовых ресурсов. Токарные станки с ЧПУ составляют самую значительную группу по номенклатуре в общем парке станков с ЧПУ. Применение этого оборудования в различных областях промышленности постоянно растет, так как, такие системы могут выполнять широкий ряд технологических операций [18-20]. При изготовлении деталей со сложными пространственными профилями в единичном и мелкосерийном производстве использование станков с ЧПУ является почти единственным технически оправданным решением. Однако практика показывает, что не все резервы повышения эффективности производства в данных условиях применения станков с ЧПУ исчерпаны.

Четкой методики определения границ эффективного использования автоматизированного оборудования в настоящее время нет. Поэтому предлагается рассмотреть общий подход к решению этой задачи на основе опыта и анализа производства. На рис. 1.1 представлен график зависимости стоимости изготовления деталей от их количества [15].

Применение различных групп станков и обрабатывающих систем определяется технологической структурой номенклатуры деталей, изготовляемых в механических цехах завода [21]. На рис. 1.2 приведена диаграмма, на которой нанесены области применения различных групп

деталей и систем оборудования, и показана зависимость стоимости деталей от их размеров [16].

>я <и

и

<и «

к и

<и ч и о н о и со

к

(-4

н о о

к о н

и

Единичное Мелкосерийное Серийное Крупносерийное Массовое

производство

производство производство

производство

Универсальны станки

Станки общего назначения

Специальные станки

Обрабатывающие системы из станков с чпу"

производство

Автоматические линии

2 3

300 1000 Ютыс. 20тыс.

Количество изготавливаемых деталей, шт.

я

о а

0 5

1 е

о н

<и

я

и

<о и

к

X

¡и 0

о

е

о

„в е?

се

Н <и

Рис. 1.1. Область применения станков с ЧПУ

%

80

Крупные детали

Многооперационные станки

40

--7 Средине детали Мелкие детали

Линии из станков с ЧПУ Станки с ЧПУ

40 80 %

Отношение числа деталей (группы/все детали)

Рис. 1.2. Зависимость стоимости детали от ее размера

На рис. 1.3 показана связь между серийностью производства и характеристиками станков, применяемых традиционно (штриховые линии) и в перспективе (сплошные линии) [16]. Границы между областями применения станков усреднены и могут смещаться под влиянием различных факторов. Здесь не учитывается сложность деталей, их размеры и т.п. Такой подход не отвечает на поставленный вопрос о месте станков с ЧПУ в современном производстве.

и

о «

§

н о

к к

со 8

8 а <0 к

о Л К а> й о

а >.

г

Г"

I

ГЬециальньгё станкй" и автоматические линии с цикловым управлением

Агрегатные переналаживаемые станки с ПУ и цикловой автоматикой

МС с ЧПУ с автоматической сменой инструмента, многошпиндельных, угловых, шлифовальных и других головок

МС с ЧПУ с автоматической сменой инструмента |

Станки с оперативной системой ЧПУ

Универсальные станки

Агрегатные станки с цикловым управлением

.Л.

"Т"

Универсальные станки

Коэфф. закрепления операций Определяются деталью 20 10...20 2... 10 1

Переналадки После каждого изделия В течение смены В течение недели В течение года Без переналадок

Тип производства Единичное Мелкосерийное Среднесер. Крупносерийное Массовое

Сер ийное

Рис. 1.3. Специализация станков

В традиционном производстве технолог располагает универсальным оборудованием с ручным управлением и небольшим количеством станков с ЧПУ в диапазоне от единичного до крупносерийного производства. В перспективе автоматизация может охватить весь диапазон серийности за счет полного обновления парка станков с ЧПУ.

По ГОСТ 3.1121-84 тип производства характеризуется коэффициентом закрепления операций и рассчитывается по формуле [22]

Кз.о=^, (1-1)

где О - число различных операций;

Р - число рабочих мест, на которых выполняют различные операции.

Коэффициент закрепления операции в соответствии с ГОСТ 3.112184 для каждого типа производства представлен в табл. 1.1 [22].

Таблица 1.1

Тип производства в зависимости от коэффициента закрепления операций

Коэффициент закрепления операций Тип производства

1=^з.о. <Ю Массовое и крупносерийное производство

10<£з.о.<20 Среднесерийное производство

20 <^з.о. <40 Мелкосерийное производство

К3 0 не регламентируется Единичное производство

Также для оценки типа производства можно использовать годовой объем выпуска и массу деталей (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Зависимость типа производства от объема выпуска и массы деталей

Масса детали, кг Тип производства

единичное мелкосерийное среднесерийное крупносерийное массовое

<1,0 <10 10-1500 1500-75 000 75 000-200 000 > 200 000

1,0-2,5 <10 10-1000 1000-