автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности использования станков с ЧПУ в условиях диверсификации производства

ґІлйяМ^

На правах рукописи

А

/ і і

0

АВЕРЬЯНОВА Инна Олеговна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАНКОВ С ЧПУ В УСЛОВИЯХ ДИВЕРСИФИКАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

0055337» 3 ап

Москва 2013

005533782

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном индустриальном университете (ФГБОУ ВПО «МГИУ») на кафедре металлообрабатывающих систем с ЧПУ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

лауреат Ленинской премии Тимирязев Владимир Анатольевич, профессор кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин»

доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ, Максимов Юрий Викторович, директор международного института ФГБОУ ВПО МГТУ «МАМИ»

доктор технических наук, профессор, Султан-Заде Назим Музаффар оглы, профессор кафедры «Конструкторско-технологическое обеспечение промышленных предприятий»

ИДО ФГБОУ ВПО «МГИУ». Ведущая организация: ОАО «ЭНИМС».

Защита состоится «24» октября 2013 г. в 14— ч. на заседании диссертационного совета Д 212.129.01 при МГИУ по адресу: 115280, Москва, ул. Автозаводская, д. 16, ауд. 1801.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГИУ.

Отзыв на автореферат просьба направить в двух экземплярах по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета Д212.129.01.

Автореферат разослан «24» сентября 2013 г. и размещен на сайте www. msiu. ru.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., проф.

йав<-1

Н.С. Вольская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Задача модернизации промышленности РФ и совершенствование социального уровня жизни населения страны являются в настоящее время очевидным продолжением стратегического развития национальной безопасности страны. Процесс модернизации предприятия, в связи с перевооружением предприятий на новую технологическую базу, носит название диверсификации производства. Для современных рыночных отношений, диверсификация производства характеризуется, с одной стороны, периодической сменой номенклатуры изготавливаемого изделия с постоянно растущими требованиями по обеспечению высокого качества его изготовления, с другой - многономенклатурным характером спроса рынка на продукцию машиностроительных предприятий. При переходе на многономенклатурную обработку деталей, практически безальтернативным решением при выборе технологического оборудования считаются металлообрабатывающие станки (МОС) с ЧПУ, из которых для механической обработки используются многоцелевые станки (МЦС) с ЧПУ, а для физико-технической обработки — станки с ЧПУ элсктроэрозионной обработки (ЭЭО).

МЦС с ЧПУ рассматриваются как многоцелевые с высокой степенью концентрации различных технологических операций, включая: токарно-сверлильно-фрезерно-расточные; сверлилыю-фрезерно-расточные-лазерные-зуборезные; измерительные; комплексы физико-технической обработки в сочетании с механической обработкой, оборудование для обработки листа (рихтовка, резка, изгиб и т.п.) и другие.

Станки ЭЭО с ЧПУ рассматриваются как технологическое оборудование, получившие широкое использование при обработке деталей со сложнопрофильными формообразующими поверхностями.

Диверсификация производства это новая форма организации, где многие вопросы деятельности, в том числе и металлообработка, остаются непонятными, требующими специальных исследований. В условиях непостоянного спроса на предметы потребления, а также его неопределенности, процесс профессионально обоснованного использования состава МОС с ЧПУ при диверсификации, представляет собой сложную научную и практическую проблему, решение которой зависит от множества междисциплинарных задач. Соответствующих методик и рекомендаций, решающих комплексно подобные технологические задачи, в настоящее время нет. В этом смысле предложенное научное направление исследования относится к актуальной проблеме, занимающей важное место в совокупности многих других проблем модернизации экономики РФ.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является повышение эффективности использования МОС с ЧПУ в условиях диверсификации производства за счет полного использования времени обработки многономенклатурных и сложнопрофильных деталей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- установить причины ограниченного использования эксплуатационно-технологических возможностей МОС с ЧПУ в реальных условиях предприятий ОПК;

- разработать концептуальную модель диверсификации производства, связывающую основные направления эффективного использования станков с ЧПУ с учетом характерных признаков и обстоятельств, присущих конкретным металлообрабатывающим предприятиям;

- разработать методологию, обосновать выбор критерия и дать практические рекомендации по оценке эффективности использования станков с ЧПУ для различных производственных форм диверсификации;

разработать математическую модель оценки эффективности использования станков с ЧПУ, алгоритм расчета времени, затраченного на изготовление многономенклатурной партии деталей на МЦС с ЧПУ и создать программу расчета;

- для решения задач эффективного использования МЦС с ЧПУ при многономенклатурной обработке деталей, разработать методику представления массива обрабатываемых деталей через его дискретное распределение по главному параметру условных координатных форм пространств (для призматических деталей это ширина детали, для тел вращения - наибольший диаметр детали);

- разработать математическую модель управления процессом образования формы стружки на стадии проектирования технологии многономенклатурной обработки деталей, с целью повышения эффективности использования МОС с ЧПУ при изготовлении изделий из материалов, используемых в машиностроении;

- раскрыть возможности обработки заготовок со сложнопрофильными поверхностями на станках с ЧПУ за счет применения авторских разработок в стандартных системах управления и внедрения альтернативных технологий;

- определить ожидаемую экономическую эффективность внедрения разработанной теории на основе ограниченных исходных данных с предприятий ОПК.

Объект н методы исследования. Объектом исследования являются изделия машиностроения. Предметом исследований - эффективное использование станков с ЧПУ применяемых в условиях диверсификации производства.

Теоретические исследования базируются на основных положениях теории компоновок МОС, технологии машиностроения, теории резания, теории линейного программирования, теории подобия физических величин, а также основ информатики, статистики и промышленной экономики. Для описания графических образов обрабатываемых деталей использованы методы 3D-моделирования в современных САПР-системах. При анализе процесса управления формой стружки при резании материалов, использовались научные положения теории пластичности и разрушения материалов, а также метод конечных элементов в сочетании с программным комплексом DEFORM.

Экспериментальные исследования выполнены на стендах, станках с ЧПУ и координатно-измерительной машине с ЧПУ ресурсного центра ФГБОУ ВПО «МГИУ» «Технологии XXI века» с проверкой результатов исследования путем внедрения разработок на предприятиях ОПК.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- диверсификация производства является результатом совместного человеческого творчества и технического развития промышленности, образуя основу методики развития производств с эффективным использованием МОС с ЧПУ;

- при расчете эффективности использования МОС с ЧПУ при многономенклатурной обработке деталей с последующей оценкой коэффициента использования рекомендуемого состава оборудования, применяется только один критерий, характеризующий трудоемкость обработки заданной программы изготовления деталей;

- суммарная трудоемкость обработки деталей одного класса, выраженного в условных координатных формах пространств, представлена в виде массива деталей, распределенного дискретно группами по главному параметрическому размеру с учетом закона геометрической прогрессии;

процесс образования стружки при обработке заготовки на стадии проектирования рассматривается с позиции феноменологической теории разрушения при пластической деформации.

Также на защиту выносятся:

- внедрения разработанных технологических процессов в производство, методов и алгоритмов расчетов в практику проектирования технологии на предприятиях и в учебных процессах ВУЗов.

Связь с научно-техническими программами:

- № 3.2.3/4350 «Разработка ускоренного метода профессиональной подготовки операторов станков с ЧПУ для обслуживания технологии механической и физико-технической обработки деталей с использованием оперативного и удаленного управления станками», выполняемого по заданию Рособразования по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы);

- государственный контракт № П314 от 28 июля 2009 года по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, направление «Станкостроение», мероприятие 1.2.2. «Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук», конкурс НК-169П, проект «Разработка новых технологий обработки деталей машиностроения с использованием электроэрозионного оборудования с ЧПУ».

Научной новизной работы является решение крупной научно-технической проблемы, имеющей важное научное и народнохозяйственное значение - расширение области использования МОС с ЧПУ при многономенклатурной и сложнопрофильной обработке деталей, являющейся технологической сущностью содержания проблемы диверсификации отечественного производства.

Составляющими частями научной новизны являются:

впервые предложена математическая модель определения эффективности использования станков с ЧПУ для изготовления многономенклатурных сложнопрофильных деталей на стадии технологической подготовки производства;

внесен вклад в станковедческую науку по совершенствованию конструктивной и аппаратной частей станков с ЧПУ для изготовления на них сложнопрофильных деталей с целью повышения эффективности использования оборудования при диверсификации производства;

учитывая, что своевременный отвод стружки из зоны резания оказывает влияние на качество обрабатываемой поверхности и на производительность МОС с ЧПУ, впервые предложена математическая модель прогнозирования начала процесса разрушения материала, позволяющая определить по механическим свойствам материала условия образования и формы стружки.

Практическая значимость и реализация результатов работы заключается в следующем:

1. Разработаны и внедрены рабочие программы повышения квалификации производственных кадров по курсу «Подготовка и контроль управляющих программ для станков с ЧПУ фрезерной группы», «Подготовка и контроль управляющих программ для станков с ЧПУ токарной группы», «Подготовка и контроль управляющих программ для станков с ЧПУ электроэрозионной группы», охватывающие технологию деталей от проектирования до производства.

2. Разработан специальный курс обучения, охватывающий технологию изготовления детали от проектирования до производства, который введен в учебный процесс по направлению стандарта «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

3. Выполнено поисковое задание ЗАО «Имплант МТ» по изготовлению профиля рабочей поверхности (межмыщелковой впадины) на полуфабрикате эндопротеза коленного сустава из сплава ВТ6. Полученная информация использована в процессе технологии изготовления указанного изделия.

4. Разработан комплект управляющих программ для оборудования с ЧПУ по изготовлению опытных образцов деталей по договору №281 от 19 окт. 2010 г. УП внедрены в производственном процессе медицинской диагностической гаммы - камеры «МИНИСКАН».

5. Внедрена методика формирования парка МОС на предприятии «СтанкоАгрегат».

6. Разработан файл постпроцессора в программном приложении Gpost на базе системы CAD/CAM/CAE Pro/Engineer i(7-5.0 и программной станции Heidenhaih по заданию Открытого Акционерного Общества «Московский вертолетный завод им. М.Л. Миля»

7. Внедрены программные, математические и методические материалы для обеспечения ранних стадий проектирования деталей со сложными формами поверхностей на фирме «ГАЛИКА АГ». Апробирована

разработанная база данных стандартных кодов импульсов технологии прошивки на электроэрозионном станке FORM 20 при проведении экспериментальных работ по обработке сложнопрофильных деталей типа зубчатых колес на ОАО «Точмаш» г. Владимир.

8.Теоретические положения, методики расчета и результаты исследований диссертации использованы в следующих НИР: в проекте задания № 3.2.3/10609 Министерства образования и науки Российской Федерации по аналитической ведомоственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2011 г.г.); в федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, направление «Станкостроение»; в научно-исследовательских и хоздоговорных работах с ЗАО «Венский Дом», ООО «Комацу Мэнуфэкчуринг Рус», ОАО «Второй Московский приборостроительный завод» и ряда других организаций.

9. Проведено обучение по подготовке операторов станков с ЧПУ в количестве 173 человек (из них - 51 человек с предприятий ОПК России и 122 студента МГИУ).

10. Проведено повышение квалификации 35 специалистов с программами российских и зарубежных командировок в рамках президентской программы «Повышение квалификации инженерных кадров на 2012-2014 г.г.».

Апробация работы

Материалы, отражающие основное содержание работы, докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня, в том числе: на IV международной научно-технической конференции «Технологические проблемы, информационные системы и научные проблемы конструирования технологических систем». - Люблин, 2001; на Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении». - Москва, 2010; на Международной научно-практической интернет-конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании». - Одесса, декабрь 2010г., январь 2011; на 7- ой Международной научно-практической конференции «Актуальные достижения европейской науки». - 2011, Том 41. Технология, София, «Бял ГРАД БГ» ООД; на Всероссийской молодежной конференции /Юргинский технологический институт, 2011; на Международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований, 2011» . Том 7. Технические науки, М.; на XV Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы развития технологий и машин обработки давлением», 23-26 апреля 2012 года, г. Краматорск; на Общероссийской общественной организации «Союз машиностроителей России». Московское региональное отделение - октябрь 2011, Москва; на Международной научно-практической конференции «Инновационные подходы и современная наука» - 2012, г. Новосибирск; на Международной молодежной конференции «Инновации в машиностроении» 27-29 августа

2012 в г. Томск; на заседании Совета специалистов по станкостроению Ассоциации производителей станкостроительной продукции «СТАНКОИНСТРУМЕНТ»; на заседании научно-технического совета ОАО «ЭНИМС»; международном форуме «Инженерные системы - 2012» 10-11 апреля 2012г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 научных работ, в том числе 19 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК, 5 патентов РФ, 1 монография, а также 14 учебно-методических трудов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 227 наименований (196 отечественных и 31 иностранных авторов) и приложений. Работа содержит 286 страниц (без приложений) машинописного текста, 87 рисунков, 39 таблиц и 6 приложений на 74 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и определены основные задачи, которые необходимо решать для ее достижения. Показана научная новизна и практическое значение полученных результатов.

В первой главе диверсификация производства, разработанная концептуальная модель которой представлена на рисунке 1, впервые рассматривается с позиции требований, предъявляемых к МОС с ЧПУ для изготовления многочисленных моделей изделий, прогнозных технологических задач на одном предприятии и в одном процессе с минимальными потерями, в минимальное время и при минимальных расходах. Рассмотрен состав потребительских свойств, предъявляемых как непосредственно к конструкции МОС с ЧПУ, так и к эксплуатационным условиям в производствах конкретного предприятия. При формировании технологического ресурса предприятия (ТРП), в качестве основного типа МОС с ЧПУ при диверсификации производства, предпочтение в механических процессах резания остается за МЦС с ЧПУ, а в физико-технических процессах — ЭЭС с ЧПУ.

Использование в технологии изготовления деталей машиностроения МОС с ЧПУ, потребовало учета ряда вопросов, связанных со спецификой создания и применения станков, технологии обработки и организации инструментального хозяйства, технико-экономического анализа областей применения станков. Эти и другие вопросы ранее нашли соответствующие отражения в трудах отечественных ученых.

Проф. Васильевым B.C. были разработаны основы развития отрасли станкостроения и предложены критерии для технико-экономических обоснований организации серийного производства станков с ЧПУ в отрасли. Проф. Аверьяновым О.И. были разработаны научные основы формирования технических условий и компоновочных решений МЦС с ЧПУ с использованием модульного принципа их конструирования и проектирования. Проф. Врагов Ю.Д. предложил анализировать компоновки МОС и их параметры через формализованные описания условных форм

координатного пространства. В работах проф. Босинзона М.А. уделено внимание проектированию компоновок МЦС с ЧПУ на основе мехатроники.

Диверсификация производства

Факторы, способствующие совершенствованию организационных форм производства

I -

Потребительский спрос на разнообразную продукцию

т

Стремление предприятий обезопасить себя от банкротства

х

X

Более полное использование технического ресурса

X

X

Желание иметь максимальную прибыль при минимуме затрат

Необходимо решать

На одном предприятии в одном техпроцессе

Изготовление многономенклатурной продукции Многовариантные прогнозные задачи Расширение номенклатуры изготавливаемых изделий при минимальных потерях и расходах

Технологические средства для решения задач

МЦС с ЧПУ ЭЭСсЧПУ

Факторы, влияющие на процесс диверсификации производства

Наследственность Среда Профессионализм

технологическая, интеллектуальная, географическая п др. рыночная, общественный строи, производственные отношения II др. менежмент, руководство, инженерный состав, операторы и др.

Детерминированная часть: продолжение деятельности предприятия в сложившихся условиях

Вариантная часть: развитие систем, помогающих производству приспособиться к изменению условий его существования

Рисунок 1 - Концептуальная модель диверсификации производства

Проф. Лещенко В.А. рассматривал вопросы проектирования и эксплуатации МЦС с ЧПУ, используемых в авиационной промышленности. В трудах профессоров Базрова Б.М., Бржозовского Б.М., Бушуева В.В., Маталина A.A., Митрофанова В.Г., Этин А.О., Эстерзона М.А. и многих других авторов рассматривались вопросы, связанные с особенностями построения технологии серийной обработки деталей на МОС с ЧПУ,

оптимизации состава инструментального обеспечения, организации процесса обработки в целом. Вопросы, связанные с изучением точности обработки деталей на МОС, рассмотрены в трудах Балакшина Б.С., Косова М.Г., Проникова A.C., Пуша В.Э., Решетова Д.Н., Суслова А.Г., Портмана В.Т., и многих других исследователей.

Вопросы совершенствования МОС и повышения требований к их эксплуатационным свойствам привели к созданию новых научных направлений, которые были изложены и использованы при создании станков с ЧПУ в трудах профессоров Пуша В.Э., Кудинова В.А., Проникова A.C., Каминской В.В., Левиной З.М., Решетов Д.Н., Хомякова B.C. к.т.н. Фигатнера A.M. и других авторов.

В 90-х годах, по известным причинам, исследовательские работы в области совершенствования МОС с ЧПУ, практически приостановились. Заметным исключением были следующие работы. Докторская диссертация Ивахненко А.Г., посвященная повышению эффективности ранних стадий проектирования металлорежущих станков на основе структурного анализа формообразующих систем. Докторская диссертация Сабирова Ф.С., в которой решалась задача повышения эффективности использования станков с ЧПУ на основе диагностирования и определения виброустойчивости в рабочем пространстве станка. Кандидатская диссертация Локтева Д.А., в которой изучено влияние различных факторов технологии обработки деталей на МЦС с ЧПУ и проведена оценка эффективности обработки на основе измерения производственно-технологического потенциала предприятия массового производства. С целью технического перевооружения машиностроительных производств, в докторской диссертации Корниенко A.A. разработаны организационные принципы развития отечественного парка станков. В работе Волчкевича И.Л. рассмотрены основы выбора проектируемых технологических комплексов, состоящих из станков с ЧПУ, с учетом условий, так называемой, производственной неопределенности.

Из зарубежных специалистов необходимо отметить работы Neugebauer R., Denkern В., Wegener К., Sato L„ Horikawa O., Shimokohbe A., Kallage, F., Neuher С. и других исследователей, в которых постоянно изучаются вопросы, непосредственно связанные с обеспечением надежной и качественной работы отдельных составляющих станков с ЧПУ и станка в целом.

Особое внимание в проблеме эффективного использования станков с ЧПУ уделяется процессу стружкообразования. Использование в современном машиностроении автоматизированных производств станков с ЧПУ и «безлюдных» технологий, сделала актуальной проблему управления процессом стружкообразования. При этом необходимо решать следующие основные задачи: уменьшать отрицательное влияние стружки на обрабатываемую поверхность и долговечность работы инструмента, своевременно удалять ее из зоны обработки и т.д. Для решения этих проблем российские и зарубежные исследователи разрабатывают системы автоматического управления процессом стружкообразования при различных условиях резания.

Тенденции мирового развития станкостроения, научных исследований и сформулированных требований к возможностям будущих конструкций МОС с ЧПУ рассмотрены на основе анализа большого объема информационного материала, собранного с международных выставок, семинаров, проведенных в период с 2005 года до настоящего времени.

Основные выводы по состоянию изучаемой проблемы, выражены в следующей редакции:

1. Диверсификация производства это непрерывно развивающийся процесс освоения и совершенствования новых технологий, связанный с необходимостью расширять номенклатуру продукции предприятия и формировать признаки, характеристики и требования по оснащению предприятий необходимым технологическим оборудованием.

2. Сохранение при диверсификации принципиальных признаков «наследственности» предприятия, и в первую очередь технологической, во многом упрощает решение общей проблемы организации ТРП за счет проведения глубоких маркетинговых исследований. Самостоятельное значение приобретает проработка возможности изготовления деталей нескольких номенклатур с переменным годовым спросом.

3. Многоцелевая обработка деталей, обладающая уникальными технологическими возможностями, впервые проанализирована комплексно с идеологической, конструкторской, технологической и эксплуатационной точек зрения.

4. Рассмотрены тенденции мирового развития многоцелевой обработки деталей машиностроения на станках с ЧПУ, и определены главные направления научно-технического совершенствования составляющих частей станка с ЧПУ.

Цель и задачи исследования сформулированы по итогам изучения состояния проблемы.

Во второй главе изложены теоретические основы оценки использования МОС с ЧПУ при обработке деталей в различных условиях производства и с изменяющимися значениями исходных данных (номенклатура и программа деталей).

В результате проведенного исследования установлено, что значительная часть приобретенного предприятиями МОС с ЧПУ недоиспользуется по следующим причинам: во-первых, приобретение МОС с ЧПУ часто связано с простой заменой действующей операционной технологии обработки деталей определенной номенклатуры на более производительную технологию (как правило, с избыточными возможностями приобретенного МОС с ЧПУ); во-вторых, рекламные сведения о МОС с ЧПУ (особенно для станков иностранного производства) часто не соответствуют продаваемым вариантам станков, для доведения которых до необходимого технического уровня требуются дополнительные немалые затраты; в-третьих, избыточные эксплуатационные и технологические возможности МОС с ЧПУ также являются причинами снижения эффективности использования станков в промышленности; в-четвертых, дефицит в

операторах, обслуживающих станки с ЧПУ, снижает эффективность использования станков в отдельных случаях до 50%.

Особенность многоцелевой обработки деталей на МЦС с ЧПУ заключается в том, что её полная обработка происходит в закрытом рабочем пространстве станка (кабинетный вариант) без вмешательства оператора в процесс обработки. За это время в рабочем пространстве осуществляется: неоднократная смена технологий, режимов обработки, режущего и вспомогательного инструмента, технологические остановы для проведения контроля, быстрые перемещения инструментов, рабочие подачи, смена зажимных устройств, удаление стружки, охлаждение и т.д. и т.п. Полная станкоемкость (трудоемкость) изготовления единицы изделия Тп, учитывающей сумму затрат живого труда (работников всех категорий), т.е.:

Т -Т + Т . +Т (1)

л оо.ст. в.оп. '

где: Т- технологическая трудоемкость изготовления единицы изделия; Тоо.ст. - трудоемкость обслуживания станка; Тв оп - трудоемкость не учтенных действий оператора (личное время оператора).

Время, выделенное непосредственно на обработку детали из Тп:

Т = ТП- (Г,; „„ + Твш). (2)

При диверсификации производства, когда количество изготавливаемых деталей определяется рыночным спросом, в качестве критерия выбора оборудования целесообразно выбрать критерий чистой трудоемкости, измеряемый в часах (днях) с помощью которого можно оценить затраченный труд на изготовление деталей. Исходя из задачи достижения эффективного использования МОС с ЧПУ, суммарное значение чистой трудоемкости изготовления программы деталей будет иметь следующий вид:

N

Г1=ЕГ(Х')'ГЬ>;< ->т'п> (3)

;=1

где: N - программа выпуска деталей; Т(х1) - трудоемкость изготовления единицы изделия; г|, - коэффициент снижения трудоемкости в зависимости от N; у, - доля станков, используемая для обработки деталей каждого наименования из N.

В работе рассмотрены наиболее часто встречаемые варианты обработки деталей на станках с ЧПУ. Например, для обработки ограниченной номенклатуры деталей (не более 3-х) и ограниченного состава оборудования, на предприятии необходимо решить задачу поиска выбора технологии обработки деталей с учетом выбранного критерия оптимальности. Решение задачи заключается в формулировке критерия оптимальности (максимальная прибыль или минимальная трудоемкость изготовления) и записи соответствующего функционала. Расчет оптимального варианта технологии в этом случае производится с использованием методов линейного программирования в МмНса<1.

На многих предприятиях ОПК действующую технологию обработки деталей на универсальных станках заменяют на приобретенный МЦС с ЧПУ, который используют в дальнейшем в качестве операционного станка. Эффективность использования дорогого станка с ЧПУ с широкими технологическими возможностями оправдывается высоким качеством изготовления продукции завода, снятием многих организационно-технологических проблем, снижающих эффективность использования станка. Однако, использование станка по времени из-за неполного использования заложенных в станок возможностей, может быть ограниченным. Таким примером может служить МЦС с ЧПУ, например модели АБС фирмы INDEX (Германия), предназначенный для обработки деталей из прутка и имеющий возможность обрабатывать отдельные детали, как и на традиционных станках с ЧПУ.

В этом случае выражение суммарной трудоемкости (3) преобразуется в следующий вид:

N

т, =Tnn+Y.т». • л»,, Л„, -> min, (4)

ш=I

где: Тш - время подготовки УП; Тш- трудоемкость изготовления одной детали; Г|„, - безразмерный коэффициент, учитывающий возможные изменения количества деталей в программе (N).

Коэффициент загрузки станка:

6 = 100-(rs-rc.a.)/<*>„, <[5„J, (5)

где: Тс п - собственные потери станка; Ф0бщ ~ расчетный годовой фонд

времени работы предприятия, m - количество деталей в программе. [5„/»>] = 0,75...0,80 - для крупносерийного или массового производства

Рассмотренный пример обработки детали относится к тому случаю использования станка, когда его приобретение связано с решением только конкретной операционной технологической задачи. При этом коэффициент 5 может быть достаточно высоким. Однако, избыточные технологически-эксплуатационные возможности станка модели АБС фирмы INDEX требуют дополнительного обоснования целесообразности использования его при операционных технологиях.

Для МЦС с ЧПУ в принципе безразлично, какие детали по форме в пределах одного класса (тела вращения, плоские и корпусные детали, фигурные и прочие) и в каком количестве подлежат обработке на станке. Как правило, технология обработки деталей формируется таким образом, чтобы полная их обработка производилась за одно закрепление в рабочем пространстве станка. Такая особенность станка не ограничивает номенклатуру обрабатываемых деталей, и поэтому практическое использование МЦС с ЧПУ органично подходит для решения задачи многономенклатурной обработки деталей.

Многономенклатурность - совокупность деталей, объединенных конструктивной принадлежностью к одной группе форм, выраженных посредством условных форм координатного пространства, или комплексом технологических операций, формирующих рабочее пространство станка.

Исходная информация об обрабатываемых деталях представляется в виде массива обрабатываемых деталей.

Массив обрабатываемых деталей - совокупность распределения многономенклатурных деталей одного технологического класса, характеризующихся главным технологическим признаком (ширина, диаметр и т.д.) по размерному ряду таким образом, что по описанию любого конкретного признака можно точно определить положение этой детали в общей совокупности распределения.

В таблице 1 приведен пример распределения массива призматических деталей.

Таблица 1 - Исходные данные по распределению массива призматических деталей

№, ряда 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

хк, мм 225 250 280 320 350 400 450 500 560 630

nk, % 3 5 10 14 20 16 14 10 5 3

Nk, шт 810 1350 2700 3780 5400 4320 3780 2700 1350 810

Главный параметр массива призматических деталей хк, в диапазоне от 225 мм до 630 мм, принят распределенным по закону геометрической прогрессии с коэффициентом ф = 1,12. По каждому ряду распределения массива приняты соответствующие значения Nk и N к ■

Фактически массив обрабатываемых деталей является информационным описанием технологической задачи обработки многономенклатурной продукции. Площади, описанные кривыми распределения массива деталей, отображают затраченную на выборочную группу деталей трудоемкость их изготовления.

Массив обрабатываемых деталей по технологической принадлежности не обезличен и предназначен для обработки набранной номенклатуры группы деталей на МОС с ЧПУ, а количество обрабатываемых деталей составляет производственную программу конкретного производства.

Информация о массиве деталей в этом случае графически представляется в дискретной форме, как это показано на рисунке 2.

Здесь Nk (хк) - количество деталей данного класса с главным технологическим признаком - размером хк в процентном выражении имеет вид = к = \,...,р, где объем обрабатываемых деталей,

содержащий р групп равен Nz = ^ Nk .

к=1

В станкостроении все параметрические показатели МОС (размерные,

технические характеристики и т.п.) в ряду взаимосвязаны между собой, и описываются зависимостями в виде геометрической прогрессии, т.е.: хк =(р-хк_г где ф -

коэффициент геометрической прогрессии, в зависимости от рассматриваемого параметра, принимает наиболее часто встречающиеся следующие значения: 1,26; 1,41; 1,56 и Т.д.

Суммарная трудоемкость обработки дискретного массива обрабатываемых деталей на МЦС с ЧПУ представляется в виде следующей математической модели:

Ё1 X] = Хт ¡п

Тк(хк)-х\ь(ик)-ук(хк)-+тт , при 1 , (6)

I лтах

где Тк (хк) - трудоемкость изготовления каждой детали из группы р массива; Цк (Л^.) - безразмерный показатель, характеризующий снижение Тк(хк) в зависимости от количества деталей в партии; хк - основной параметр к - ой детали, ук (хк) = Ик (хк)1 Пк(хк)- доля загрузки станка, приходящаяся на обработку к- й детали из массива; Пк(хк)~ производительность станка для обработки к-й детали из массива.

Используя свойства параметрического распределения массива деталей, некоторые положения теории подобия, а также заданную программу распределения количества деталей, представим некоторые составляющие выражения (6) через аналогичные значения параметров базового варианта технологии. Так для любого значения Тк(хк) в ряду имеем:

Тк{хк) = Тб(хк /хб)\ (7)

где: ТГ),хб - соответственно базовая трудоемкость и базовый параметр детали, 5 = 1... 1.5 - показатель степени.

л]

Я

О X] X2 - хк - ХГ.;ХГ Х,ММ

а)

О % - Хк - Х,.; X,- X, мм

б)

Рисунок 2 - Размерные ряды: а - массива деталей;

б - МОС

Для расчета значения Пк (хк), основываясь на ранее проведенных исследованиях, выразим его через параметры массива деталей в следующем виде:

Пк{хк)=Па-ехр- (~{хк-х,1Ш1)/х,-), (8)

где Пц - производительность базового станка, х5 - главный технологический параметр базового станка.

Коэффициент определяется по формуле:

(9)

Здесь: г|й, А'б - соответственно минимальное базовое значение коэффициента и базовое количество деталей, за пределами которых не происходит уменьшение трудоемкости, р — показатель снижения темпа трудоемкости. Для среднесерийного производства принято считать равным 0,65.

Общий коэффициент использования 8общ набора МОС, предназначенного для обработки многономенклатурных деталей, определяется по формуле:

5обц(=1Г/Ф, (10)

где: Ф - расчетный фонд времени работы; ЕГ = ^ - суммарная трудоемкость обработки всех деталей в массиве.

Рисунок 3 - Алгоритм расчета суммарной трудоемкости массива

Таким образом, суммируя слагаемые элементы функции через параметры массива деталей, можно произвести необходимые расчеты для

определения суммарного (минимального) значения трудоемкости изготовления массива деталей. Выражение (6) можно несколько упростить, если предположить, что обработка деталей осуществляется в границах среднесерийного производства, для которого среднее значение коэффициента

'У< ( \

можно принять равным т|А = 0,65. Тогда 71 = 0,65^Тк{хк)• ук(хк).

Ь к=I

Для расчета суммарной трудоемкости изготовления массива обрабатываемых деталей предложен алгоритм, который представлен на рисунке 3 и разработана программа.

На рисунке 4 показано распределение деталей, при котором суммарная трудоемкость изготовления массива обрабатываемых деталей, при достижении оптимального значения р, будет соответствовать минимальному значению трудоемкости изготовления массива деталей.

Рисунок 4 - График зависимости ИГ от р

В третьей главе рассматривается решение некоторых технологических задач с использованием методики оценки эффективного использования МЦС с ЧПУ.

Горизонтальная диверсификация массового производства. Частным случаем диверсификации производства является вариант, когда при сохранении специализации предприятия, количественный спрос на продукцию значительно снижается, образуя как бы своеобразную границу потребительского спроса. На рисунке 5, на графическом отображении зависимости (9), показана характеристика возможного изменения коэффициента т^Л^) при горизонтальной диверсификации массового производства. Буквами обозначены участки, соответствующие условиям: А-В - мелкосерийного, В-С - среднесерийного, С-О - крупносерийного и

О-Е - массового производства. Прямая, соединяющая точки /V,, Л'2, , N4 обозначает границу потребительского спроса, которая смещена в сторону его снижения (/V, « М0). Ситуация, отмеченная точкой /V,, определяется тремя вариантами выбора технологии обработки деталей: использование специального МОС (Л^); вариант, основанный на использовании только станков с ЧПУ (Л'3), использование переходной технологии на базе универсального МОС ().

Л^ шт

Рисунок 5 - Характеристика изменения коэффициента Г|при диверсификации массового производств

Рисунок 6 - Модель обрабатываемой детали

Анализ разных технологий изготовления деталей при диверсификации производства рассматривается на примере обработки корпусной детали редуктора (рисунок 6).

Исходные данные, принятые для расчета технологии обработки корпуса в условиях массового производства, имеют следующие значения: годовая программа выпуска действующего предприятия - 32000 штук; коэффициент использования оборудования - 0,8; рабочий односменный фонд времени - 2000 часов; измененная программа выпуска подобных деталей принята в количестве 6100 штук в год. В таблице 2 приведены сравнительные характеристики трех вариантов обработки корпусной детали.

Показатели Размерность Универсальные станки Станки ЧПУ Специальные станки

Годовой фонд работы в одну смену час 2000 2000 2000

Годовая программа шт. 6100 6100 6100

Суммарная трудоемкость час 3000 1330 0,05

Использование оборудования % 1,0 0,7 0,15

Занимаемая площадь м'' 11,8 34 181

Суммарная мощность кВт 19 30 75

Суммарная масса кг 8815 18530 65000

Экспресс-анализ результатов расчета дает возможность обратить внимание на некоторые важные итоги. Во-первых, количество универсальных станков в процессе необходимо увеличивать на одну или несколько единиц для обеспечения выпуска годовой программы деталей с общим коэффициентом использования меньше единицы. Во-вторых, для АЛ, состоящей из специальных станков, ритм работы (а, следовательно, и время обработки детали) не зависит от изменения программы выпуска деталей, но коэффициент использования при этом заметно снижается. Причем изменяется он в прямой зависимости от программы выпуска - уменьшается при уменьшении программы. В-третьих, суммарные занимаемые площади, мощности и масса технологического оборудования возрастают в последовательности: универсальные станки, станки с ЧПУ, специальные станки.

Окончательное решение по выбору оборудования целесообразно проводить на основе комплексного учета всех показателей или с учетом приведенных затрат по всем технологическим вариантам.

Многономенклатурная обработка деталей на прутковом автомате с ЧПУ. Рассматривается принципиально новый способ использования МЦС с ЧПУ модели ABC в условиях многономенклатурного производства, когда число наименований и количество деталей может меняться, образуя некоторый массив обрабатываемых деталей. Такая ситуация характерна преимущественно для приборостроительных предприятий, у которых в течение месяца или года номенклатура и количество деталей меняется в зависимости от производственной необходимости.

Особенность токарной обработки деталей на станке с ЧПУ мод. ABC состоит в том, что каждая деталь последовательно обрабатывается в двух шпинделях и поэтому общая трудоемкость изготовления каждой детали из группы р массива записывается в следующем виде:

Т„, = Тцсп. 1 + ТЭф \ + ТПЕР + Твсп 2 + ТЭФ 2 , (11)

где: ТЭФЛ , ТЭФ 2 - соответственно время, затраченное на обработку детали последовательно в первом и втором шпинделях; Твспл, Твсп2 соответственно вспомогательное время, затраченное на обработку детали последовательно в первом и втором шпинделях; ТПЕР - время переустановки заготовки. Суммарное время обработки массива деталей на одном станке будет иметь вид:

N

= IX -П,,,-Ьстанк.' при W.-^1 и п,„ ->и»я, (12)

ш—\

где: N- партия деталей, Тт - трудоемкость изготовления одной детали; т],„ -безразмерный коэффициент, учитывающий возможные количественные изменения партий деталей, 5стлнк. ' коэффициент использования станка.

Задача рассматривается на примере обработки деталей шести наименований, представленных в таблице 3, п.2.

В качестве исходных данных для расчета приняты следующие показатели: Я = 52000 шт/год; =0,3; г\„ер =0,7; =42080, шт.

В таблице 3 приведены расчеты параметров обработки деталей.

Таблица 3 - Таблица результатов расчета трудоемкости изготовления деталей

№ п/п Эскиз детали мм шт ук(Щ) Тк{хк) час час ЕГча с

1 2 3 4 6 7 8 9 10

1 3 29 10400 0,2 0,13 0,7 0,09 187

2 Е; !3 26 3200 0,06 0.13 0,9 0,12 23

3 Eli; 80 7200 0,14 0,18 0,9 0,16 160

4 -- 40 18000 0,35 0,07 0,53 0,07 440

5 к 36 600 0,01 0,06 0,98 0.04 2,0

6 "Ч. L. ¡в 38 2680 0,05 0,1 0,85 0,09 33

ИТОГО 42080 0,8 845

Трудоемкость изготовления деталей каждого наименования (столбец 7, таблица 3) рассчитана по программе системы управления Simens 8400 powerline и проверена имитацией резания непосредственно на станке INDEX C2000-4D. Загрузка станка указана в столбце 6 таблицы 3. Коэффициент Т], характеризующий снижение трудоемкость изготовления деталей в зависимости от объема партии деталей приведена в столбце 8 таблицы 3. Суммарная трудоемкость Tk(Nk) изготовления образцов из массива обрабатываемых деталей отражена в столбце 9 таблицы 3, а общая трудоемкость изготовления программы деталей одного наименования показана в столбце 10 таблицы 3. Все операции, связанные с моделированием и составлением УП проводятся вне станка.

По результатам расчета можно проанализировать, насколько правильно было принято решение по использованию станка для обработки весьма малых партий деталей. Какую стратегию автоматической смены инструмента лучше использовать при той последовательности исполнения технологии, которая принята в таблице 3. Также правомерно поставить вопрос — возможны ли иные варианты набора технологических задач и т.д.

Важной задачей при обработке многономенклатурных деталей на токарных МЦС с ЧПУ является обеспечение безопасной работы станка вследствие часто меняющихся положений осей инструмента в процессе резания. Безопасность от возможных столкновений в рабочей зоне станка обеспечивается использованием в процессе разработки наладок специальных имитаторов, позволяющих визуализировать движения рабочих органов станка при обработке и осуществлять непрерывный контроль возможных столкновений органов станка и инструментов в зоне обработки.

18

Итоговые значения трудоемкостей в рассмотренных примерах изготовления деталей отражают ту трудоемкость, которую мы называем чистая трудоемкость. Эта трудоемкость учитывает затраты только на обработку детали в закрытом кабинете станка в соответствии с управляющей программой, без учета других, не менее важных, но вспомогательных затрат. Полученные результаты расчета чистой трудоемкости изготовления деталей, во-первых, являются основными при разработке конкретных технологических процессов, а во-вторых, дают возможность решать многие сопутствующие технологические и практические задачи производства.

Во всех рассмотренных производственных задачах, главная цель исследования заключалась в использовании расчета трудоемкости обработки массивов деталей, основанного на анализе эффективности применения МЦС с ЧПУ в промышленности. Результаты расчетов являются рекомендательными. Окончательное решение по вариантам технологии обработки деталей, представленных в таблице 3, принимается техническим руководителем предприятия, поскольку в настоящей методике не учитываются потери, которые для различных производственных условий различные. И, тем не менее, разработанная методика обладает возможностью оперативного вмешательства в процесс расчета на любом этапе решения задачи.

В четвертой главе рассматриваются некоторые примеры расширения технологических возможностей МОС механической и физико-технической обработки с ЧПУ для изготовления сложных по форме поверхностей обрабатываемых деталей, что позволяет повысить эффективность использования оборудования.

Разработка связи (постпроцессора) между САПР и ЧПУ

Для отработки техпроцессов на 3-х и 5-ти координатных станках с ЧПУ вне производства, был разработан алгоритм создания и постпроцессор, используя возможности системы управления /ТМГ 530. Для производственных участков из станков с одной системой управления создан дополнительный модуль категорированной линейки станков, позволяющий автоматически выбирать нужное оборудование на этапе генерации управляющей программы (УП) (рисунок 8).

Критерием выбора является фильтрация по количеству осей, одновременно применяемых при обработке и максимальному линейному перемещению по осям. Постпроцессор был апробирован на ОАО «Московский вертолетный завод» им. М.Л. Миля для 5-ти координатного МЦС с ЧПУ модели' йМШОР с системой ЧПУ НеикпИсип.

При создании УП для обработки поверхностей с криволинейными образующими на МЦС с ЧПУ, помимо контроля движения инструмента, возникает задача контроля перемещений рабочих органов станка в процессе обработки.

С помощью программного обеспечения системы управления НеккпИат ¡ТЫС 530 был настроен визуальный контроль перемещения органов станка во время обработки детали.

Таким образом, появилась возможность вне производства решать задачи по отработке сложных техпроцессов без непосредственного участия оборудования.

^Сформчр'чинпшс прцчежутумиые кпары^

-.....--.........._И.....................--4......-..........-........_. 1____________________

Фильтрация по количеству одновременно задействованных осей и программе

< .1-х осей

L > 3-х осей

Выделение записи hi массива с наибольшим перемещение по вен X (или Y»Z,A,B,C)

Выделение С1ИНГН Hi vaccina с наибольшим аерсмсшсинс по оси X (или YX)

Если IKLn+1

ГглнО <1.1

Грлн 0<1.?

Fi-ли 0<1 2

Модели :танка «1»

Модель станка «IN:*

Модель станка «А1»

Модель станка «А2»

Модель станка «AN»

Модель станка «2»

Рисунок 8 - Модуль категорированной линейки станков.

Разработка технологии обработки элемента коленного сустава По заданию ЗАО «ИМПЛАНТ МТ» была разработана технология обработки межмыщелковой впадины эндопротеза коленного сустава на МЦС С ЧПУ мод. MIKRON VCE 600 PRO.

Рисунок 9 - Элемент Рисунок 10 - Визуализация обработки коленного

поверхности сустава

коленного сустава

По образу модели (рисунок 9) были выполнены рабочие чертежи детали по которым затем была создана геометрическая модель данного

Ч. Г-е-Ч-СТ*: (■■О-??- ■»"•*■•-' -.

*t>■. -• л. . .гt■. ааасяррья>*.

изделия. С помощью постпроцессора было разработано и отлажено несколько рабочих программ (для черновой и чистовой обработки) с проведением последующей виртуальной обработки (рис.10).

Технология изготовления малогабаритной сложнопрофильной гайки

передачи винт-гайка качения В рамках научных работ по Госконтракту П-314 был разработан техпроцесс изготовления гайки d = 12 мм винтовой передачи качения с круглым профилем методом электроэрозионной прошивки. Проектирование ЭИ, профиля гайки, инструмента для нарезания винтовой поверхности электрода происходило в единой системе САПР Pro/Engineer.

а б

Рисунок 11 — Обработка с помощью орбитального движения: (о - эксперимент, б - схема), где L - длина рабочей части электрода; / - глубина обработки, е - эксцентриситет

Образование винтовой поверхности во внутренней поверхности гайки осуществлялось на электроэрозионном прошивочном станке FORM 20 с системой ЧПУ АЕР. Черновая и чистовая обработка осуществлялась за один установ. Для обработки внутреннего профиля был предложен не стандартный цикл последовательного ввинчивания инструмента в тело заготовки - «нарезание резьбы», имеющийся в системе ЧПУ, а цикл, основанный на использовании орбитального движения электрода-инструмента (ЭИ) внутри отверстия заготовки. Это позволило обеспечить на черновом проходе ЭИ постоянный технологический зазор между наружным диаметром ЭИ и внутренним диаметром обрабатываемого отверстия. Ось ЭИ смещалась на величину эксцентриситета е, который оставался постоянным на всем протяжении процесса (рисунок 11).

Создание базы выбора режимов электроэрозии станка FORM 20

Режимы резания в прошивочных станках выбираются автоматически (заданием в диалоговом режиме материала пары ЭИ - электрод деталь (ЭД) и требуемой шероховатости), с максимальной мощностью для большей производительности процесса. Для равномерного съёма материала с поверхности заготовки необходимо обеспечить постоянство энергии импульса в каждой точке обрабатываемой поверхности. При обработке

внутренних поверхностей сложного профиля это условие не выполняется, что видно из фотографии шлифа с поверхности полученной гайки - трещины в поверхностном слое (рисунок 12, б).

Для решения этой задачи была усовершенствована стандартная база выбора режимов электроэрозии станка РОЯМ 20 разработаны критерии фильтрации импульсов по межэлектродному зазору

(МЭЗ).

Созданная оригинальная база данных (БД), вносит дополнение в систему управления параметров

«ИМПУЛЬСЫ», путем

увеличения количества числа «эрозий» на каждый проход для каждого размера слоя снимаемого материала. Тем самым предотвращается превышение мощности черновых импульсов в МЭЗ. Для устранения дефекта обработанных участков сложной поверхности производится добавление отдельных шагов эрозии с уменьшенными припусками на обработку (рисунок 13 б).

Рисунок 12 - Исследование качества поверхности изготовленной гайки: а — изготовленная гайка: б - шлиф с использованием стандартной базы кодов импульсов: в - шлиф с применением разработанной БД

припуск на сторону

4 ось эрозий

(мм) а)

Э5 ШШ.

йііі

б)

Рисунок 13 - Схемы «эрозий»: а -стандартная: б — с увеличенным числом «эрозий»

Рисунок 14 - Окно параметров "Импульсы"

станка с применением разработанной автоматизированной базы режимных параметров импульсов

Программирование технологического процесса обработки (рисунок 14) с помощью управления параметров «ИМПУЛЬСЫ» осуществляется в автоматическом режиме из существующей базы технологических параметров.

Разработка чертежа и изготовление детали «Кулачек» на электроэрозионном вырезном станке При составлении управляющих программ (УП) для деталей, имеющих сложный контур, обычно используют метод задания траектории движения инструмента путем открытия непосредственно в стойке файлов DXF, созданных в CAD-системе и сохраняют их в качестве программы обработки с расширением файла *.h (рисунок 15). Однако, поскольку в чертежах заказчика (ОАО «2 МПЗ») многие размеры были заданы некорректно, а некоторые совсем отсутствовали, была использована возможность системы управления Heidenhain iTNC 530 программировать свободный контур. ЧПУ предлагает графическое решение для вводимых параметров, и пользователь выбирает в диалоговом режиме нужный элемент в соответствии с чертежом (рисунок 16). После получения нужного контура и записи его путем специальных циклов в системе Heidenhain, появляется возможность конвертации контура в стандартный ISO - код с указанием недостающих координат, что делает возможным использовать его далее в любой системе ЧПУ.

Рисунок 15 - Окно программы в режиме Рисунок 16 - Свободное

тестирования программирование «кулачка»

Все примеры - реальные производственные задачи - являются подтверждением обозначенных теоретических основ оценки эффективности оборудования и возможным решением недоиспользования МОС.

Пятая глава посвящена изучению процесса стружкообразования и определения вида стружки на стадии проектирования, что является актуальной задачей современной прикладной технологической науки, так как сокращает время производственных проб и снижает трудовые и материальные затраты.

При многооперационной обработке деталей с различной кинематикой резания в закрытом кабинете станка с ЧПУ, могут появиться дополнительные трудности, негативно влияющие на процесс обработки и снижающие эффективность использования МОС с ЧПУ. Из зоны обработки заготовки стружку необходимо удалять теми методами и приспособлениями, которые соответствуют компоновке конкретного станка.

Так как процесс резания является пластической деформацией, было решено использовать апробированный в теории пластичности критерий — степень использования запаса пластичности Чун. Степень использования запаса пластичности Ч7,,, или поврежденности материала, в общем виде по Делю Г.Д. имеет следующий вид:

т

(13)

где 'i',/- компоненты тензора повреждений.

Рассматривается модель прогнозирования катастрофического разрушения металла в результате его разрыхления. За момент разрушения на практике принимают образование видимой невооруженным глазом макротрещины, когда = 1.

Исходными данными для проведения виртуального эксперимента были выбраны следующие предположения: материал упруго-пластический J160, плоское деформированное состояние. Для решения задачи были приняты начальные и граничные условия: резец — абсолютно жесткий, радиус округления режущей кромки - 0,02 и 0,05 мм; коэффициент трения - 0,1; передний угол - +39°, +17°, +8° и -5° ; скорость подачи - 0,4 мм/с; начальная температура - 20°С; коэффициент теплопроводности -108,8 Вт/м°С; коэффициент теплопередачи в зоне контакта - 40 Н/(с°С-мм); температура окружающей среды - 20°С. Известна диаграмма пластичности Л60.

Для конечно-элементного моделирования процесса резания и расчета параметров деформации в трассируемых точках был применен программный комплекс Deform. На рисунке 17 представлен результат моделирования для переднего угла +8°.

Расчет использованного запаса пластичности производился путем вычисления компонентов тензора повреждений и их меры , которые

для рассматриваемого случая плоского деформированного состояния принимают вид:

4

о

so

= J

о

где ßx,ßy,ßxy

0,5

*рг

(л)

0,5

£р(л) ¿рМ)

Мл)

єо

$xdz 0; 4'v = І

0,5

tjpr

(л)

Sp(n) „2

Jpr

(л)

ßyi&O

г(Л)

(14)

ß^fife о/

4у =

ти

Vi

+ Ч7 +2Ч/

- компоненты направляющего тензора скоростей деформации. 24

Максимальные значения интенсивности скоростей деформации достигаются в трассируемых точках Р\-Р6 при пересечении ими линии среза (следа плоскости среза), показанной на рисунке 17.

Рисунок 17-Распределение интенсивности Рисунок 18 - Пути деформации скоростей деформации Б „ и движение (кривые 1 -6) трассируемых точек Р1-Р6

(см. рис. 16) и диаграмма пластичности

трассируемых точек.

(кривая 7) при резании резцом с передним углом +8°

Момент достижения точками Р\-Р6 линии среза для угла +8° обозначен на рисунке 18 треугольными символами, а результаты расчета величины для резания с углами +8°, +17° и +39° приведены в табл. 4.

Таблица 4 - Результаты расчета Ч* при различных углах резания

Поврежд енность угол резца Номер точки

р 1 Р2 РЗ Р4 Р5 Р6

* и +39° 0,364 0,415 0,492 0,61 0.75 0,9

1 и + 17° 0,534 0,691 0,973 1,14 1,628 2,486

Ч7 А и +8° 1,016 1,048 1,054 1,458 1,833 2,525

Результаты расчета показали, что критерий разрушения выполняется при угле резания +8°.

0,1с. 0,5 с. 1,2 с. 2 с.

Рисунок 19 - Видеокадры образования элементной стружки при резании резцом с передним углом равным +8°

Для подтверждения расчетных результатов прогнозирования вида стружки был произведен эксперимент по стружкообразованию при различных углах резания на токарном станке с ЧПУ 16Ф20Т1. В процессе резания производилась видеосъемка со скоростью 25 кадр/с для различных параметров геометрии резца (принятых для расчетов переднего и заднего углов резца и его радиуса скругления).

Раскадровка видеозаписей производилась через каждые 0,1 с. Некоторые кадры видеосъемки для резания с передним углом резца равным +8° приведены на рисунке 19.

Полноценная элементная стружка была получена при переднем угле резца, равным следующим значениям: +8°, +10°. При дальнейшем увеличении угла до 16° наблюдалось образование стружки надлома, а при угле равном 20° эксперименты были прекращены, т.к. с этого угла начала образовываться сливная стружка. Это результат соответствует расчетным данным.

В результате проведенного теоретически-экспериментального исследования на основе феноменологической теории деформируемости металлов, сформулированы этапы дальнейших исследований, необходимых для завершения цикла работ по решению, изложенной выше проблеме.

В шестой главе изучен технологический потенциал машиностроения для решения задач диверсификации производств. С этой целью проведен статистический анализ структуры рынка отечественного станкостроения, в результате которого был представлен состав (номенклатура) и удельное соотношение универсальных МОС как с ручным управлением, так и с

использованием различных систем ЧПУ (рис.20).

%

24 И-—

18___

12

JH

TBC ТРГТС ТРПС ТКС ВКФС ШИФС ВБФС ПФС ГРС мцсг мцсв мпсп

Рисунок 20 - Диаграмма возможного распределения структуры рынка МОС по технологическим группам: TBC - токарно-винторезные; ТРПС - токарно-револьверные патронные; ТРЦС - токарно-револьверные центровые; ТКС - токарно-карусельные; ВКФС - консольно-фрезерные; ШИФС - широкоуниверсальные фрезерные; ВБФС -вертикальные бесконсольные фрезерные; ПФС - продольно-фрезерные; ГРС -горизонтальные расточные; МЦСГ - многоцелевые горизонтальные; МЦСВ -многоцелевые вертикальные; МЦСП - многоцелевые портальные

Проведенные исследования рынка машиностроительной промышленности свидетельствуют о стихийном наполнении структуры парка МОС, главным образом, за счет оборудования универсального назначения, созданного станкостроением в прошлые годы. Доля станков типа МЦС с ЧПУ в общей структуре парка станков остается незначительной для заметного влияния на интенсификацию программы модернизации промышленности РФ.

В последние годы предприятия машиностроения на основе бюджетного финансирования закупают большое количество МЦС с ЧПУ производителей различных стран. Количество закупаемых за рубежом станков с ЧПУ постоянно растет. Проведенные выборочно исследования по использованию МЦС с ЧПУ в реальных условиях некоторых предприятий ОПК показали, что нередко такие станки по различным причинам работают с низким коэффициентом их использования. Основная причина неполного использования МЦС с ЧПУ иностранного производства заключается в низком качестве обслуживающего персонала или в полном отсутствии квалификации по управлению станками и составлению УП.

В МГИУ на базе «Межвузовского ресурсного центра» разработана методика ускоренной подготовки операторов по обслуживанию МЦС с ЧПУ и инженерных кадров, способных адаптироваться к условиям изменения номенклатуры производств. Материально-техническая база Центра состоит из прецизионного станочного оборудования с ЧПУ различных технологических групп, контрольно-измерительного оборудования и программного обеспечения мировых лидеров но разработке САй/САМ/САЕ систем, используемых на ведущих предприятиях страны. Разработанный алгоритм обучения, построен так, что каждый из разделов обучающей программы обладает универсальностью и может легко извлекаться из общего курса, трансформироваться в другие учебные программы, корректироваться с учетом технологических и конструкторских особенностей станка, дополняться новыми программными разработками. Методика обучения апробирована не только на учащихся технических ВУЗов, но и на специалистах предприятий, повышавших свою квалификацию.

Разработан специальный курс обучения, охватывающий технологию изготовления детали от проектирования до производства. Предусмотрено получение необходимых навыков в геометрическом моделировании, промышленном дизайне, создании управляющей программы и непосредственной работе на оборудовании.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В диссертационной работе изложены научно-обоснованные технические и технологические решения по повышению эффективности использования станков с ЧПУ при изготовлении многономенклатурных и сложнопрофильных деталей при диверсификации производства, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны, заключающейся в повышении конкурентоспособности отечественных машиностроительных предприятий.

2. В результате проведенного анализа применения станков с ЧПУ в реальных условиях производства, в работе установлены основные причины неэффективного их использования: простая замена универсального оборудования на оборудование с ЧПУ, как правило, с избыточными возможностями приобретенных станков; рекламные сведения о МОС с ЧПУ часто не соответствуют продаваемым вариантам станков, что требует дополнительных немалых затрат для доведения технологии до необходимого технического уровня; избыточные эксплуатационные и технологические возможности МОС с ЧПУ также являются причинами снижения эффективности использования станков в промышленности; дефицит в высококвалифицированных операторах, обслуживающих станки с ЧПУ, снижает эффективность использования станков в отдельных случаях до 50%.

3. Разработана концептуальная модель диверсификации производства, которая рассматривается как результат совместного человеческого творчества и технического развития промышленности с учетом взаимодействия трех генеральных факторов — наследственностью, средой и профессиональностью, образуя, таким образом, основу методики анализа развития производств с эффективным использованием металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ.

4. В работе, на основе анализа мирового развития технологии обработки заготовок в условиях диверсификации производства, сформулированы общие требования, предъявляемые к металлообрабатывающим станкам с ЧПУ в следующей редакции: во-первых, в пределах одного предприятия и в рамках эксплуатационных возможностей конкретного станка с ЧПУ, должны быть обеспечены условия для изготовления изделий нескольких наименований; во-вторых, изготавливать многочисленные модели изделий и решать прогнозные технологические задачи целесообразно на станках одного предприятия и желательно в едином технологическом процессе. Перечисленные требования соответствуют возможностям металлообрабатывающих станков с ЧПУ, которые в большей степени используются при обработке широкой номенклатуры деталей машиностроения.

5. Установлено, что резерв эффективного использования металлобрабатывающих станков с ЧПУ заключен в более полном его использовании в пределах расчетного фонда времени работы станка. Показатель резерва оценивается посредством коэффициента использования станка, выраженного в виде отношения суммарной чистой трудоемкости обработки деталей к расчетному значению фонда времени работы станка.

6. Разработана методология, обоснован выбор критерия и даны практические рекомендации по оценке эффективности использования станков с ЧПУ для различных производственных форм диверсификации.

7. Для оценки эффективности использования станков с ЧПУ в различных технологических задачах, разработана математическая модель, алгоритм и программа расчета времени, затраченного на изготовление многономенклатурной партии деталей на МОС с ЧПУ.

8. Разработана методика представления массива обрабатываемых деталей через его дискретное распределение по главному параметру деталей, принадлежащих одному классу, выраженному в виде условных координатных форм в пространстве для решения задач эффективного использования металлообрабатывающих станков с ЧПУ при многономенклатурной обработке деталей.

9. Методика многономенклатурной обработки деталей, выраженная посредством массива деталей, использована при решении следующих задач: для определении состава оборудования при диверсификации массового производства; при многономенклатурной обработке мелкоразмерных деталей на прутковом токарном полуавтомате с ЧПУ; при выборе оборудования для многономенклатурной обработки партии деталей энергомашиностроения; при табличном методе расчета трудоемкости изготовления призматических деталей; при анализе действующих технологий обработки деталей.

10. По заданию различных организаций и по собственной инициативе в работе проведен комплекс исследований по обработке сложнопрофильных и малогабаритных деталей машиностроения на станках с ЧПУ, обеспечивающих процессы механической и физико-технической обработки деталей, которые по разным причинам не обеспечивали качество изготовления по старым технологиям или имелись иные трудности различного характера.

11. В работе впервые, на основе феноменологической теории деформируемости металлов, разработана методика прогнозирования появления трещин скалывания при резании. Появление трещин скалывания приводит, в соответствии с экспериментальными данными, к образованию элементной стружки.

12. В результате проведенного исследования разработана система подготовки операторов для обслуживания металлообрабатывающих станков с ЧПУ, работающих с использованием принципов механической и физико-технической обработки деталей, как в условиях учебного Вуза, так и по договорам на предприятиях машиностроения г. Москвы.

13. Для оценки эффективности использования станков с ЧПУ в производственных задачах конкретного предприятия, разработана методика расчета, основанная на последовательном поиске варианта загрузки станков с ЧПУ, путем перераспределения массива обрабатываемых деталей за счет сокращения интервалов размерных рядов станков.

Результаты исследования, которые были использованные при решении конкретных производственных задач, в денежном выражении, в виде прибыли, составили более 5,0 млн. рублей. Полученная сумма прибыли в 2 раза превышает бюджетные вложения, выделенные на исследования.

Наиболее значимые публикации Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ 1. Аверьянова И.О. Технология изготовления штампов и пресс-форм с использованием электроэрозионного оборудования (статья). Ежемесячный

научно-технический журнал «Заготовительное производство» №3,2010. - с.27 -30.

2. Аверьянова И.О. Методические основы оценки областей использования станков с ЧПУ. (статья). Ежемесячный научно-технический журнал «СТИН» № 6 , 2011. - с.6 - 11.

3. Аверьянова И.О. Экспериментально-аналитический метод выбора технологического оборудования (статья). Ежемесячный научно-технический журнал «СТИН» №3, 2012. - с. 2 - 3.

4. Аверьянова И.О. Многономенклатурная обработка мелкоразмерных деталей на токарных станках с ЧПУ (статья). Ежемесячный научно-технический журнал «СТИН» №2. - с. 2 - 4.

5. Аверьянова И.О. Оптимизация состава металлорежущих станков при диверсификации производства (статья). Научный рецензируемый журнал. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Выпуск 4, часть 1. Тула, 2010. - с. 31 - 35.

6. Аверьянова И.О. Сравнительный анализ технологии изготовления продукции при диверсификации производства (статья). Научный рецензируемый журнал. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Выпуск 4, часть 1. Тула, 2010. — с. 131 - 137.

7. Аверьянова И.О. Определение состава парка станков с ЧПУ для обработки массива деталей (статья). Ежемесячный научно-технический журнал. «Машиностроение и инженерное образование». №4, 2011. — с. 19 - 23.

8. Аверьянова И.О. Отрезные станки итальянского производства (статья) /Аверьянов О.И/. Ежемесячный научно-технический журнал. «СТИН», №9, 1995.-c.10- 12.

9. Аверьянова И.О. Методика статистического анализа технического уровня отечественных станков (статья). /Аверьянов О.И., Скворцова С.А., Сычева H.A./ «СТИН», №2, 2002. - с.6 - 8.

10. Аверьянова И.О. Электроэрозионные вырезные станки с ЧПУ на рынке станкостроительной продукции (статья). /Аверьянов О.И./ Ежемесячный научно-технический журнал. СТИН №3, 2010. - c.l 1 - 16.

11. Аверьянова И.О. Оценка эффективности обработки массива деталей машиностроения на металлорежущих станках (статья). / Аверьянов О.И., Зинева В.В./ Ежемесячный научно-технический журнал «СТИН» №12, 2010. -с. 12 ...14.

12. Аверьянова И.О. Разработка постпроцессора для 5- координатного обрабатывающего центра с системой HEIDENHAIN (статья). / Виноградов A.B., Продан Р.К./. Научный рецензируемый журнал. Известия тульского государственного университета. Технические науки. Выпуск 6, часть 2. Тула, 2011. -с. 476 .... 481.

13. Аверьянова И.О. Особенности технологии изготовления сложнопрофильных мелкоразмерных деталей (статья)./Продан Р.К./ Научный рецензируемый журнал. Машиностроение и инженерное образование, 2011, №1,М.-с. 4-6.

14. Аверьянова И.О. Использование системы Pro/ENGINEER при геометрическом моделировании электрода-инструмента для прошивочных электроэрозионных станков (статья). /Продан Р.К./ Ежемесячный научно-технический журнал. «СТИН» №3,2010. - с. 20 - 22.

15. Аверьянова И.О. Разработка управляющих программ для системы управления класса CNC с применением ОЛТ-файлов (статья). /Продан Р.К., Виноградов А.В./Ежемесячный научно-технический журнал. «Приводная техника», № 4 (92), 2011 - с.29 - 32.

16. Аверьянова И.О. Оптимизация периода стойкости режущего инструмента для станков с ЧПУ (статья). /Болотина Е.М., О.И. Аверьянов. / Ежемесячный научно-технический журнал СТИН, №8, 2012 - с. 14—16.

17. Аверьянова И.О. Анализ стружкообразования при резании (статья). /Шестаков H.A./ Ежемесячный научно-технический журнал Вестник машиностроения, № 2. 2013 — с. 74 — 78.

18. Аверьянова И.О. Автоматизированная база данных технологических параметров для режимов электроэрозионной обработки материалов (статья). /Виноградов A.B., Продан Р.К. Варфоломеев A.A. Научный рецензируемый журнал Машиностроение и инженерное образование, 2012, №4, М. - с. 2 - 7.

19. Аверьянова И.О. Тенденции мирового развития металлообоабатывающих станков (статья)./Аверьянов О.И./Научный рецензируемый журнал Машиностроение и инженерное образование/, 2013,№2, М.- с. 28 - 38.

Патенты, свидетельства о государственной регистрации:

20. Аверьянова И.О., Виноградов A.B., Продан Р.К. Патент на полезную модель №114897. Электрод-инструмент для изготовления сложнопрофильных мелкоразмерных внутренних поверхностей тел вращения.

21. Аверьянова И.О., Виноградов A.B., Продан Р.К. Патент на полезную модель. №118240. Электрод-инструмент для изготовления сложнопрофильных мелкоразмерных внутренних поверхностей тел вращения.

22. Аверьянова И.О., Виноградов A.B., Продан Р.К., Прищепо A.A. Свидетельство о государственной регистрации базы данных №2012620465. База данных кодов импульсов эрозии для станка Form 20.

23. Аверьянова И.О., Виноградов A.B., Продан Р.К., Варфоломеев A.A., Бутов М.А. Свидетельство о государственной регистрации № 2013610299. Программа расчета жесткости опор шпинделя.

24. Аверьянова И.О., Виноградов A.B., Продан Р.К., Варфоломеев A.A., Прищепо A.A. Свидетельство о государственной регистрации № 2013611960. Программа для оптимального расчета трудоемкости изготовления дискретного массива деталей.

Монография и учебно-методические труды

25. Аверьянова И.О. Эффективное использование металлообрабатывающих станков с ЧПУ. (Монография). - М.: МГИУ, 2012. - с. 304.

АВЕРЬЯНОВА Инна Олеговна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАНКОВ С ЧПУ В УСЛОВИЯХ ДИВЕРСИФИКАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА

Автореферат

Подписано в печать 30.07.13 Формат бумаги 60x84/16 Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2.2. Тираж 100. Заказ № 227

Издательство МГИУ, 115280. Москва, Автозаводская, 16 www.izdat.msiu.ru; e-mail: izdat@msiu.ru; тел. (495) 276-33-67 Отпечатано в типографии издательства МГИУ