автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Разработка метода модульной организации производства сложных деталей газотурбинных двигателей

005015405

На правах рукописи

ТУРКИН Михаил Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА МОДУЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА СЛОЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

(на примере компрессорных лопаток ГТД)

05.02.22 - Организация производства (промышленность) (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ндр 2012

Москва-2012

005015405

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАН-КИН»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кутин Андрей Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Корниенко Александр Александрович

кандидат технических наук Шенаев Михаил Олегович

Ведущая организация:

ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт» (ЦНИТИ)

Защита диссертации состоится «27» Марта 2012 г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного Совета Д212.110.03 при ФГБОУ ВПО "МАТИ -Российский государственный технологический университет имени К.Э.Циолковского" по адресу: Москва, ул. Оршанская, д. 3.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах (заверенные печатью) просим направлять но адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, д. 3, ФГБОУ ВПО "МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "МАТИ Российский государственный технологический университет имени К.Э.Циолковского".

Автореферат разослан «16» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук, доцент

і

Одинокое С.А.

У"

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Важнейшей проблемой отечественного машиностроения на современном этапе является повышение конкурентоспособности как выпускаемой продукции, так и производства в целом. Особую остроту данная проблема приобретает в связи с вхождением России в ВТО с целью коренного перелома сложившейся кризисной ситуации в отечественной экономике за счет широкого привлечения инвестиций и выхода со своей несырьевой продукцией на мировой рынок.

На современном этапе особую актуальность для отечественного машиностроения приобретает проблема правильности выбора приоритетов производственного развития, которые во многом диктуются необходимостью повышения эффективности управления дефицитными ресурсами, руководствуясь принципом максимального ресурсосбережения. В этих условиях крайне необходимо при формировании технологического профиля производства предусмотреть определенную степень гибкости, позволяющую без значительных материальных затрат на технологическую подготовку и увеличения капиталовложений расширить альтернативный выбор технологических решений. Одним из наиболее действенных путей решения данной проблемы является проведение комплексной оптимизации производственных процессов, как совокупности способов организации необходимых методов изготовления изделий и последовательности технологических операций.

Анализ современного состояния проблемы комплексной оптимизации производственных процессов высокотехнологичного и наукоемкого производства сложных деталей авиационных двигателей свидетельствует о насущной необходимости дальнейшего совершенствования ее форм и методов, главным образом, в направлении повышения эффективности с тем, чтобы на выходе предмета управления (процесса) гарантированно получать требуемые (планируемые) технико-экономические показатели (ТЭП) конечного результата работы с минимальными затратами трудовых, материальных и финансовых ресурсов.

На основе вышесказанного правомерно заключить, что решаемая в работе проблема является актуальной и практически востребованной.

Цель работы заключается в повышении эффективности функционирования технологических систем путем увеличении производительности производственных процессов изготовления сложных деталей изделий машиностроения.

Основные результаты, выносимые на защиту:

- метод модульной организации производства сложных деталей изделий машиностроения;

- критерий оптимальности, позволяющий оценивать эффективность всей производственной системы;

- комплекс основных параметров производственных процессов изготовления сложных деталей;

- аналитические зависимости для расчета критерия оптимальности, полученные на основе установленных связей между основными параметрами производственных процессов;

- модель производственного процесса изготовления компрессорных лопаток ГТД;

- модель расстановки производственного оборудования для построения производственных ячеек замкнутого технологического цикла;

- алгоритм группирования производимых сложных деталей и необходимого для их изготовления оборудования;

- система быстрой переналадки станочного оборудования, входящего в производственную ячейку замкнутого технологического цикла;

- производственная ячейка замкнутого технологического цикла изготовления компрессорных лопаток ГТД.

Объектом исследования является организация производства сложных деталей газотурбинных двигателей.

Предметом исследования являются производственные процессы изготовления компрессорных лопаток, имеющих большой удельный вес в структуре производства всего газотурбинного двигателя.

Научная новизна работы:

1. Установлены связи между основными параметрами производственного процесса и интегральной производительностью производственных участков, что позволило сформировать критерий оптимальности, отличающийся учетом показателей производственного процесса, связанных непосредственно с изготовлением сложных деталей газотурбинных двигателей, а также с их пролежи-ванием и транспортировкой.

2. Впервые разработан метод построения производственных ячеек замкнутого технологического цикла, позволяющий обеспечить повышение эффективности производственных процессов по критерию интегральной производительности.

3. Разработана модель производственного процесса и сформирован алгоритм группирования деталей и расстановки производственного оборудования, требуемого для их изготовления, отличающиеся их нацеленностью на оптимизацию межоперационного перемещения деталей в процессе их обработки путем создания производственных ячеек замкнутого цикла.

Все основные результаты получены автором лично.

Методы исследования, достоверность и обоснованность. Разработка теоретических положений и создание на их основе инструментария структурной оптимизации производственных процессов стало возможным благодаря комплексному использованию известных теоретических и экспериментальных методов исследования организации производства, теории управления техническими и организационными системами, методов системного и статистического анализа. Представленные в работе результаты строго обоснованы методологией системно-структурного анализа, математическим аппаратом теории оптимизации, методами технологической подготовки производства. Достоверность применяемых методов подтверждается их широким использованием в самых различных прикладных исследованиях.

Практическая значимость. Переход на модульный принцип организации производства (вместо цехового) приводит к резкому сокращению грузопо-

токов за счет существенного сокращения пути прохождения деталями и сборочными единицами этапов производственного цикла и, как следствие, влечет снижение объема незавершенного производства и увеличение коэффициента загрузки оборудования.

Разработанная методика построения производственных ячеек замкнутого цикла позволяет реализовать структурную оптимизацию ироизюдственно-технологичсских процессов по критерию производительности и обеспечить в результате максимальное снижение времени изготовления лопатки, обеспечение ее качества и существенное сокращение доработки профиля пера вручную.

Практическая реализация разработанной методики структурной оптимизации производственного процесса изготовления компрессорных лопаток позволяет увеличить интегральную производительность практически в 2,5-3 раза.

Реализация работы. Метод модульной организации производства сложных деталей газотурбииных двигателей внедрен в производственную систему ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» (г. Москва). Указанный метод был положен в основу Программы развития производственной системы ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» (сроком на два года). Создана планировка производственного участка замкнутого технологического цикла по выпуску компрессорных лопаток ГТД. Внедрение результатов работы привело к снижению длительности цикла изготовления компрессорных лопаток и уменьшению среднего уровня незавершённого производства.

Апробация результатов работы и публикации. Результаты работы докладывались на Международной конференции "Авиация и космонавтика" (Москва, 2011), на Всероссийской молодежной конференции "Автоматизация и информационные технологии" (Москва, 2011), на Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы ракетно-космической техники" (Самара, 2011), на Всероссийской молодежной конференции "Инновационные технологии в машиностроении" (Москва, 2011), опубликованы в 11 печатных трудах (из них 7 - в рекомендованных ВАК РФ изданиях), имеется 1 Патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 104 источника и пяти Приложений. Работа изложена на 124 страницах, содержит 29 рисунков и 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении на основе анализа современного состояния и проблем организации производства сложных изделий машиностроения обоснована актуальность диссертационной работы, заключающаяся в необходимости дальнейшего совершенствования организации их производства, обеспечивающего повышение эффективности за счет структурной оптимизации организационных структур и производственных процессов изготовления прецизионных деталей сложных изделий машиностроения; сформулирована цель и определены задачи, необходимые для ее достижения; определены научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы.

Первая глава работы посвящена анализу современного состояния и проблем организации производства сложных изделий машиностроения и, в частности, анализу современного состояния указанной проблемы применительно к производству компрессорных лопаток ГТД. Дана характеристика современного состояния высокотехнологичного производства в РФ и сформированы требования, обеспечивающие его конкурентоспособность. При этом показана особая роль и место организационно-технологической системы высокотехнологичного производства в обеспечении конкурентоспособности предприятия. Сформированы основные характеристики производственных процессов сложных изделий машиностроения и на этой основе сформулированы современные требования к их организационному проектированию. Установлено, что оптимизация структуры производственного процесса является в настоящее время центральной, системообразующей частью всего комплекса работ по выпуску высококачественных изделий, ускорению постановки новых наукоемких изделий на производство и инновационному развитию машиностроительной отрасли России в целом. В итоге показана необходимость структурной оптимизации производственных процессов, и создания на ее основе производственных ячеек замкнутого технологического цикла. Сформулированы технологические трудности производства прецизионных деталей авиационных двигателей (на примере компрессорных лопаток ГТД). Выполнен анализ "узких" мест в производственных процессах их изготовления и, в конечном итоге, сформулированы подлежащие исследованию в рамках данной работы задачи.

Вторая глава посвящена разработке научных принципов модульного построения производственных процессов изготовления сложных деталей ГТД.

В главе приведены результаты исследований традиционных методов и принципов оптимизации производства сложных изделий машиностроения, а также существующих методик группировки производимых изделий и производственного оборудования.

В результате выполненных исследований показано, что повышение эффективности производственных систем машиностроительных предприятий возможно за счет перехода на модульный принцип организации производства вместо цехового. Основой модульного построения производства является административное разделение типов производств на самостоятельные модули, каждый из которых поставляет законченные узлы и детально-сборочные единицы

(ДСЕ) па общую сборку, что позволяет выстроить эффективную систему управления, в которой каждый из модулей имеет руководителя, полностью отвечающего за поставку ДСЕ точно в срок с обеспечением требуемого качества. Специализация каждого из производственных модулей (ПМ) определяется номенклатурой производимых в нем ДСЕ которые, в свою очередь, подбираются по принципу технологического подобия и схожести служебного назначения.

Каждый из ПМ представляет собой совокупность производственных ячеек (ПЯ), каждая из которых изготавливает и поставляет законченные детали и сборочные единицы на узловую сборку. При этом ПЯ представляет собой участок замкнутого технологического цикла, в котором производственное оборудование расположено по ходу технологического процесса. Расположение оборудования по видам обработки согласно маршрутно-операционным технологическим процессам резко сокращает грузопотоки и обеспечивает кратчайшие пути прохождения ДСЕ через все этапы производственного цикла, что, в свою очередь, уменьшает объемы незавершенного производства (НЗП) и увеличивает коэффициент загрузки оборудования.

При этом повышенная гибкость в номенклатуре ДСЕ, выпускаемых каждой отдельно взятой ПЯ, достигается за счет производственно-технологической цепочки, выстроенной с использованием принципов групповой технологии, а также за счет применения систем быстрой переналадки оборудования между производимыми партиями. Характерно, что при построении замкнутого производственного цикла оборудование расставляется по ходу технологического процесса изготовления типичного представителя номенклатуры производимых изделий.

В результате выполненного критического анализа существующих методик структурной и параметрической оптимизации производственных процессов показано, что при решении любой оптимизационной задачи одним из основных вопросов является правильный выбор и формулировка критерия оптимальности. Мерой эффективности любого производства, как известно, является себестоимость, качество и время изготовления конечной продукции. Однако данные критерии во многом могут противоречить друг другу и, тем самым, их выбор в качестве критериев оптимизации неизменно приводит к противоречивым результатам. Следовательно, необходим такой параметр оптимальности, который был бы связан как с себестоимостью, так и со временем изготовления деталей, и в то же время он также должен учитывать качество производимых деталей.

Для достижения сформулированной цели диссертационного исследования, в качестве параметра оптимальности предлагается производительность производственных процессов. Использование производительности, как ключевого параметра оптимальности, позволяет оценивать эффективность всей производственной системы, так как от значения производительности участков напрямую зависит длительность цикла изготовления деталей, что в свою очередь определяет цикл изготовления основных сборочных узлов и изделий в целом.

Длительность цикла изготовления деталей определяет не только время поставки (реализации) основных изделий, но и минимальный объем незавершенного производства, который должен находиться в системе:

^1шп(1+1) — ппар(1+1) + Тизгщ • Ядн(]+1) , где: 1 - порядковый номер цеха в маршрутной ведомости; Мт;п - минимальный объем незавершенного производства ¡+1 цеха; - партия запуска ¡+1 цеха; ТИЗГ()) - длительность цикла изготовления партии деталей в 1-ом цехе; Ндн(|+1) -дневная потребность ¡+1 цеха.

13 свою очередь объем незавершённого производства диктует размер финансовых средств, необходимых для обслуживания всех запасов предприятия, что напрямую определяет рентабельность всего производства. Таким образом, можно отметить, что интегральная производительность участков напрямую определяет потенциальные возможности всей производственной системы предприятия.

В общем случае производственные процессы в машиностроении дискретны, однако при относительно длительных отрезках времени их можно охарактеризовать усредненными переменными и параметрами, отражающими относительно устойчивые связи между ними. Таким образом, при формировании критерия оптимальности можно рассматривать функциональные зависимости между переменными и параметрами производственного процесса как постоянные.

Так как основной задачей любых оптимизационных мероприятий в производстве является максимальное сокращение длительности производственного цикла при безусловном достижении заданных технологических параметров и требуемого качества производимых изделий, определены необходимые для формирования критерия оптимальности основные параметры производственного процесса (табл. 1), определяющие эффективность производственной системы.

Таблица 1

Перечень основных параметров производственного процесса

Зависимая переменная Значение переменной Единицы измерения Размерность

Р Производительность Штук/час Количество/Время

Независимые переменные

Т 1 норм. Нормированное время изготовления деталей час время

т 1 пер. Время переналадки оборудования при смене номенклатуры час время

о. Выход годных из партии запуска штук количество

V Размер партии запуска штук количество

А Общая производственная площадь цеха м2 расстояние2

Ж Средний уровень НЗП нормочас время

d Расстояние, проходимое деталью в процессе обработки между операциями м расстояние

М Месячная программа выпускаемых деталей нормочас время

Тогда общий вид производительности в качестве критерия оптимальности будет иметь вид:

Р — f (V, Q, Тнорм, Тпер) A, d, W, М).

Получено аналитическое выражение для количественной оценки производительности с использованием метода теории размерностей. Для этого, базируясь на приведенных в табл. 1 данных об основных параметрах производственного процесса, сформируем безразмерные группы:

РХТ г Тнорм Q А М )

—Q- 3аВИСИТ0Т t г-- Г Ж' W ]'

т

где: - представляет долю простоя оборудования, вызванного перена-

Тпер

ладкой в общем цикле нормированного производственного процесса;

^ - характеризует стабильность технологического процесса;

А

- - характеризует соотношение длительности маршрута передвижения детали в процессе обработки к производственной площади цеха;

- - оценивает продолжительность оборота незавершённого производства в рамках цеха.

Окончательно, производительность, как критерий оптимальности, получена в следующем виде:

где: а - постоянный коэффициент, зависящий от типов производимых деталей; Р, у, 5, 0 - постоянные показатели степени, зависящие от типов производимых деталей (значения указанных констант подлежат определению экспериментальным путем).

Полученная зависимость критерия оптимальности показывает, что для повышения производительности участка необходимо обеспечить следующие условия:

- повысить выход годных деталей;

- сократить время переналадки оборудования;

- уменьшить расстояние, проходимое деталями в процессе обработки;

- сократить отношение незавершённого производства к программе выпуска деталей.

Следует особо отметить, что комплексное выполнение вышеуказанных условий возможно только при построении производственных ячеек замкнутого цикла. Кроме того, полученная зависимость позволяет определить производительность, как для одной детали, так и интегральную для всего участка при известных параметрах производственного процесса:

п

^участка ~~ ^ ' ^ • ¡=1

- «- Щ-^'Д'-е),• -—

пов деталей, выпускаемых данным участком.

Знание фактической длительности цикла изготовления детали:

^цикла.факт. ^"/р

является базой для более точного планирования ее запуска в производство, что, в свою очередь, позволяет снизить объем существующего страхового (неучтенного) производственного задела и, как следствие, в конечном счете, уменьшить объем финансовых средств, задействованных в незавершённом производстве, и увеличить размер оборотных средств предприятия.

Следует также отметить, что предложенный критерий оптимальности целесообразно использовать для структурной оптимизации процесса изготовления не только прецизионных деталей ГТД, но и других изделий машиностроения.

Для построения эффективного производства замкнутого цикла разработан алгоритм группирования производимых изделий и оборудования. В основу алгоритма положен перспективный подход к формированию групп соответствия между деталями и оборудованием, базирующийся на построении матрицы соответствия. При этом сортировка строк и колонок исходной матрицы (рис. 1) производится таким образом, чтобы выделить определенные группы деталей и оборудования, необходимого для их производства. Для этого каждому ряду 1 (сверху) присваивается вес Щ:

где: а|| - значение матрицы в точке = 2<п п - количество единиц оборудования.

26 25 24 23 22 21 2°

детали

1 2 3 4 5 6 7

24 1 0 1 0 1 1 1 °1

23 2 1 0 1 0 0 0 0

22 оборудование 3 1 0 1 0 0 0 1

21 4 0 1 0 1 0 1 0

2° 5 1 0 0 0 0 0 1-

Рис. 1. Исходная матрица соответствия

Следует заметить, что при расстановке оборудования по ходу технологического процесса важной является проблема синхронизации времени цикла каждой операции, поэтому следующим шагом в предлагаемом алгоритме группирования является простановка в матрице соответствия значений трудоемкости обработки каждой детали на каждой единице оборудования (рис. 2).

Щ 26 25 24 23 22 21 2°

детали

1 3 7 2 4 6 5

24 3 г16 14 16 0 0 0 0

23 2 27 32 0 0 0 0 0

22 оборудование 5 14 17 15 0 0 0 0

21 1 0 0 0 8 7 9 12

2° 4 1- 0 0 0 И 13 16 0

Рис. 2. Матрица соответствия со значениями циклов обработки

В результате выявляются те единицы оборудования, которые определяют «такт» производственного процесса. Так, на примере матрицы соответствия, приведенной на рис. 2, видно, что единица оборудования под номером 2 является узким местом, определяющим пропускную способность данной производственной ячейки. Для синхронизации производственного цикла ячейки необходимо провести параметрическую оптимизацию режимов обработки на оборудовании 2 с целью снижения времени обработки.

Для построения производственных ячеек замкнутого цикла разработана модель расстановки производственного оборудования, основывающаяся на оптимизации межоперационного перемещения деталей в процессе обработки. В предлагаемой модели единицы оборудования представляются в виде прямоугольных блоков с известными размерностями.

Основной задачей данной модели является оценка координат (х, у) и коэффициента пропорциональности для каждой единицы оборудования в постоянной плоскости путем удовлетворения определенных условий и ограничений (площади, которые не могут быть использованы для установки оборудования (проходы, стеллажи, колонны и т.д.), соблюдение минимального расстояния между единицами производственного оборудования согласно стандартам, установленным для машиностроительных предприятий и т.д.).

Ключевым условием при разработке схемы расстановки оборудования является неперекрытие одного блока другим. Также при разработке планировки производственного участка необходимо учитывать границы, в пределах которых можно располагать оборудование, т.е. модель расстановки оборудования должна учитывать области, в которых по тем или иным причинам нельзя располагать единицы оборудования. Данная задача в предлагаемой модели решается путем представления зоны, закрытой для установки оборудования в виде прямоугольника с координатами левой нижней вершины (а, |3) и размерами сторон ух и уу (рис. 3).

у

Склад Проход

Л. В,-

(сс,Р) Ух

-х

Рис. 3. Модель ограничений для расположения производственного оборудования

В разработанной модели суммарное расстояние, проходящее всеми деталями, имеет вид:

п-1 п ¡=1 ¡=¡+1

где: суммарная частота передвижений всех деталей между единицами оборудования 1 и] за период рремени I:; п - общее количество единиц оборудования; хс^хс),уй,ус( -координаты центров блоков I и].

В конечном итоге, минимизируя приведенное выше уравнение, получают схему расположения производственного оборудования с минимальной суммарной сложностью маршрутов, которые проходят детали в процессе обработки в данной ячейке.

Третья глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям принципов построения модели производственного процесса (на примере изготовления компрессорных лопаток ГТД).

Для определения значений констант а. р, 7, 8, 0 в критерии оптимальности и окончательного формирования модели, описывающей изменение производительности изготовления компрессорных лопаток, проведены экспериментальные исследования параметров процесса изготовления рабочих лопаток компрессора низкого давления изд. 99. Для этого был разработан алгоритм расчета производительности, базирующийся на сформированном комплексе ключевых параметров производственного процесса, определяющих эффективность производственной системы. В результате установлены связи между основными показателями производственных процессов изготовления прецизионных деталей газотурбинных двигателей. Разработана математическая модель, позволяющая определить оптимальные параметры и архитектуру производственного процесса.

В рамках выбранного объекта исследования (лопатки компрессора ГТД) сформированы группы соответствия с использованием разработанного алгоритма группирования. Сформирован принцип и разработан порядок построения производственных ячеек замкнутого цикла, позволяющий обеспечить структурную оптимизацию производственных процессов по критерию повышения производительности. Полученные результаты подтвердили эффективную работоспособность сформированного алгоритма группирования деталей и производственного оборудования.

С применением критерия Фишера подтверждена адекватность разработанной модели производственного процесса изготовления компрессорных лопаток ГТД (расхождения теоретических и фактических значений производительности производственного процесса изготовления рабочих лопаток КНД находятся в пределах 8%).

Исследован комплекс систематических и случайных факторов, негативно влияющих на точность модели производственного процесса изготовления компрессорных лопаток ГТД. В результате установлено, что на любой процесс, происходящий в реальных производственных условиях, всегда воздействуют факторы двух типов: случайные и систематические. Систематические факторы мо1ут и должны учитываться в той или иной мере при формировании зависимостей. Случайные факторы представляют собой множество непредсказуемых событий, имеющих разновероятностные шансы на проявления, которые, взаимодействуя между собой, влияют на производственный процесс. При этом к случайным факторам, влияющим на точность модели производственного процесса, следует отнести:

- отсутствие необходимого инструмента и оснастки;

- поломка используемых приспособлений или инструмента;

- нахождение необходимого производственного оборудования в нерабочем состоянии.

В итоге установлено, что непосредственное влияние каждого из случайных факторов усиливается с увеличением размера партии запуска и объёмов незавершённого производства.

Четвертая глава посвящена внедрению результатов исследований в производство компрессорных лопаток ГТД и оценке эффективности их применения (в условиях ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют»).

Для практической реализации идеи построения производственной ячейки замкнутого цикла разработан альтернативный маршрутный технологический процесс, позволяющий максимально снизить время на изготовление лопатки, повысить ее качество и максимально сократить доработку профиля пера вручную.

Разработка такого технологического процесса базировалась на использовании научно-технических достижений, направленных на повышение технического уровня производства, качества продукции и производительности труда в условиях построения производственных ячеек замкнутого цикла. При этом минимизировалось количество технологических операций в случае возможности и рациональности их совмещения.

Высокая эффективность альтернативного маршрутного технологического процесса подтверждена сравнением общей трудоемкости изготовления рабочей лопатки I ступени КНД для двух маршрутов обработки (табл. 2).

Таблица 2

Сравнение трудоемкости технологических процессов

"—------ Вариант Показатель -—.....__ Существующий Предлагаемый

Итоговое время на одну деталь (часов) 6,83 5,26

Для создания производственной ячейки замкнутого цикла изготовления рабочих лопаток на основе сформированного маршрута обработки рабочих лопаток (с использованием разработанного алгоритма расстановки производственного оборудования), определено количество требуемых единиц основного оборудования для выполнения годовой программы. Выполнен расчет необходимого количества единиц производственного оборудования для изготовления рабочей лопатки I ступени КНД и на основе его результатов построена принципиальная схема его расположения (рис. 4).

Реализация производственной ячейки замкнутого цикла по изготовлению компрессорных лопаток потребовала разработки системы быстрой переналадки станочного оборудования, базирующейся на принципе постоянства технологических баз и обеспечивающей снижение времени переналадки оборудования в диапазоне от 45% до 60% за счет возможности настройки приспособлений вне станка во время его работы. Разработанная система была изготовлена и опробована на станке МШООБ при операции черновой фрезерной обработки экспериментальных лопаток и на станке РгоПпШ МС при операции шлифовки корпусных деталей в цехе № 23 и цехе № 20 ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» соответственно.

\!Шг еЖ!\ <1

Аен&ромШ с-м?

с^ > р 0

«4 Ьз

7Й7 -I

С) ^

6Ш! {

"1 [Ъ

1.....1©

и

~1ИЯ |<>

[«М»] .

■

у'уф. У-

„л,

Рис. 4. Принципиальная схема планировки производственной ячейки изготовления компрессорных лопаток ГТД

Структурная оптимизация производственного процесса изготовления компрессорных лопаток привела к увеличению интегральной производительности практически в 2,5-3 раза за счет построения производственной ячейки замкнутого технологического цикла, что в свою очередь, подтверждается фактом наличия существенной доли ненормируемого времени в структуре производственного цикла за счет уменьшения которого и была увеличена производительность.

Для расчета экономической эффективности применения производственных ячеек замкнутого цикла была использована методика, основанная на учете суммарной сэкономленной денежной массы. Показано, что экономическая эффективность применения производственных ячеек замкнутого цикла достигается за счет снижения накладных расходов цеха из-за увеличения выпуска продукции, снижения объёмов НЗП, снижения ФЗП за счет высвобождения численности работников, а также за счет сокращения неисправимых несоответствий.

Установлено, что экономический эффект от структурной оптимизации производственного процесса изготовления компрессорных лопаток ГГД составляет 3270000 руб. (для одной производственной ячейки).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В диссертационной работе решена новая научно-техническая задача организации производства на основе метода повышения эффективности процессов изготовления сложных деталей изделий машиностроения, нацеленного на повышение эффективности функционирования производственных систем, сокращение трудоемкости и увеличение производительности.

2. Установлено, что повышение пропускной способности производственных участков возможно за счет формирования производственных ячеек замкнутого цикла с расстановкой оборудования по ходу технологического процесса. В итоге показана необходимость перехода на модульный принцип организации производства вместо цехового.

3. С использованием теории размерностей получено аналитическое выражение для количественной оценки производительности, как критерия оптимальности, показывающее, что для повышения производительности участка необходимо обеспечить следующие условия: повысить выход годных деталей; сократить время переналадки оборудования; уменьшить расстояние, проходимое деталями в процессе их обработки; сократить отношение незавершённого производства к программе выпуска деталей.

4. Получены аналитические зависимости между основными параметрами производственного процесса, представленные в виде математической модели, и на их основе разработана методика оптимизации процесса изготовления сложных деталей газотурбинных двигателей.

5. Разработана модель и алгоритм группирования деталей и расстановки производственного оборудования, требуемого для их изготовления, обеспечивающие создание производственных ячеек замкнутого технологического цикла.

6. Сформирован принцип и разработан порядок построения производственных ячеек замкнутого технологического цикла, позволяющий обеспечить

структурную оптимизацию производственных процессов по критерию повышения производительности.

7. Разработан алгоритм расчета производительности, базирующийся на сформированном комплексе ключевых параметров производственного процесса, определяющих эффективность производственной системы.

8. Практическая реализация в промышленности методики структурной оптимизации производственного процесса изготовления рабочих лопаток привела к увеличению интегральной производительности практически в 2,5-3 раза за счет построения производственной ячейки замкнутого технологического цикла.

9. Показано, что экономическая эффективность применения производственных ячеек замкнутого цикла достигается за счет снижения накладных расходов Цеха из-за увеличения выпуска продукции, снижения объёмов НЗП, снижения ФЗП за счет высвобождения численности работников, а также за счет сокращения неисправимых несоответствий.

Установлено, что экономический эффект от оптимизации производственного процесса изготовления компрессорных лопаток П'Д составляет 3270000 руб. (для одной производственной ячейки).

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях.

1. Кутин A.A., Туркин М.В. Высокоэффективные машиностроительные технологии на основе ГПС нового поколения. - Вестник МГТУ "Станкин", №4, 2010, с. 41-47.

2. Кутин A.A., Туркин М.В. Технологическая оснастка для гибких производственных систем нового поколения. - Вестник МГТУ "Станкин", №3, 2011, с. 36-41.

3. Туркин М.В. Методика группирования деталей и оборудования для построения производственных ячеек замкнутого цикла - Вестник Саратовского государственного технического университета, 2011, №2 (56), с.154-160.

4. Кутин A.A., Туркин М.В. Критерий структурной оптимизации производственного процесса изготовления сложных деталей машиностроения. - Машиностроение. Известия высших учебных заведений, 2011, №10, с. 72-75.

5. Кутин A.A., Туркин М.В. Модель расстановки оборудования в условиях построения производственных ячеек замкнутого цикла. - Вестник МГТУ «Станкин», 2011, №4, с. 11-15.

6. Кутин A.A., Туркин М.В. Организация машиностроительного производства в условиях построения участков замкнутого технологического цикла. -Справочник Инженерный журнал, 2011, №12 с. 8-12.

7. Туркин М.В. Оптимизация процесса изготовления деталей газотурбинных двигателей // Материалы всероссийской молодежной конференции "Автоматизация и информационные технологии", Москва, 2011, с. 90-93.

8. Туркин М.В. Моделирование производственно-технологических процессов в условиях эксплуатации производственных участков замкнутого цикла

// Материалы всероссийской молодежной конференции "Инновационные технологии в машиностроении", Москва, 2011, с.26-28.

9. Туркин М.В. Оптимизация процесса изготовления деталей ЖРД // Материалы всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы ракетно-космической техники", Самара, 2011, с. 358-359.

10. Туркин М.В. Структурная оптимизация процесса изготовления деталей и узлов ГТД // Тезисы докладов 10-ой международной конференции "Авиация и космонавтика", Москва, 2011, с. 159-160.

11. Кутин А.А., Туркин М.В. Повышение эффективности функционирования ГПС в современном машиностроении. - Технология машиностроения, №1,2012, с.56-59.

12. Пат. № 112659, Российская Федерация, МПК В23() 3/06. Зажимное устройство для обеспечения быстрой переналадки станочного оборудования / Туркин М.В. № 2011127944/02 заяв. 08.07.2011, опубл. 20.01.2012, Бюл. №2.

Подписано в печать:

15.02.2012

Заказ № 6656 Тираж -110 экз. Печать трафаретная. Объем: 1 усл.п.л. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www. autoreferat. ru

61 12-5/1754

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

На правах рукописи

ТУРКИН Михаил Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА МОДУЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА СЛОЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ

ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (на примере компрессорных лопаток ГТД)

05.02.22 - Организация производства (промышленность)

(технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор А.А. Кутин

Москва - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОБЛЕМ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА СЛОЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ............................................................................................................10

1.1.Современное состояние высокотехнологичного производства в РФ............................................................................................. 10

1.2. Роль и место организационно-технологической системы высокотехнологичного производства в обеспечении конкурентоспособности предприятия...........................................................................................................13

1.3. Основные характеристики производственных процессов сложных изделий машиностроения.....................................................................................16

1.4. Современные требования к организационному проектированию производственных процессов изготовления сложных изделий машиностроения....................................................................................................22

1.5. Краткая характеристика объекта исследования.................................26

1.6. Анализ современного состояния и основные проблемы организации производства газотурбинных двигателей...........................................................41

1.7. Постановка цели и задач исследования...........................................45

Выводы по главе 1..............................................................................................47

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ПРИНЦИПОВ МОДУЛЬНОГО ПОСТРОЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД................................................................................48

2.1. Исследование применяемых в машиностроении принципов и методов оптимизации производственных процессов.......................................................48

2.2. Научное обоснование и формирование критерия оптимальности...........59

2.3. Разработка принципа и алгоритма группирования производимых изделий и оборудования......................................................................................................66

2.4. Разработка модели расстановки оборудования для производственных

ячеек замкнутого технологического цикла........................................................69

Выводы по главе 2.................................................................................................75

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛИ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА (на примере изготовления компрессорных лопаток ГТД).......................................................................................... 77

3.1. Разработка модели производственного процесса изготовления компрессорных лопаток ГТД...............................................................................77

3.2. Разработка принципа и порядка построения производственных ячеек замкнутого технологического цикла...................................................................80

3.3. Экспериментальное исследование показателей производственного процесса изготовления компрессорных лопаток ГТД......................................87

3.4. Экспериментальное исследование адекватности модели производственного процесса изготовления компрессорных лопаток ГТД.... 92

3.5. Исследование факторов, негативно влияющих на точность модели производственного процесса изготовления компрессорных лопаток ГТД.... 93

Выводы по главе 3.................................................................................................96

ГЛАВА 4. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРОИЗВОДСТВО КОМПРЕССОРНЫХ ЛОПАТОК ГТД И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ (в условиях ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют»)...............................................................................97

4.1. Разработка альтернативного маршрутного технологического процесса изготовления рабочих лопаток ГТД для построения производственной ячейки замкнутого технологического цикла...................................................................97

4.2. Создание производственной ячейки замкнутого технологического цикла изготовления компрессорных лопаток ГТД.....................................................104

4.3. Создание системы быстрой переналадки станочного оборудования, входящего в производственную ячейку замкнутого технологического цикла.....................................................................................................................112

о 3

4.4. Расчет интегральной производительности производственной ячейки замкнутого технологического цикла.................................................................114

4.5. Расчет экономической эффективности применения производственной

ячейки замкнутого технологического цикла....................................................116

Выводы по главе 4...............................................................................................121

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.............................................................................................123

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................125

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Принципиальная схема существующего на предприятии технологического процесса изготовления рабочих лопаток компрессора

ГТД..........................................................................................134

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Принципиальная схема альтернативного маршрутного технологического процесса изготовления рабочих лопаток компрессора

ГТД......................................................................................... 137

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Система быстрой переналадки станочного оборудования,

входящего в производственную ячейку замкнутого цикла.............................140

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Принципиальная схема модернизированного шлифоваль

ного станка ЛШ-1А............................................................................................148

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Акт внедрения....................................................................150

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Важнейшей проблемой отечественного машиностроения на современном этапе является повышение конкурентоспособности как выпускаемой продукции, так и производства в целом. Особую остроту данная проблема приобретает в связи с вхождением России в ВТО с целью коренного перелома сложившейся кризисной ситуации в отечественной экономике за счет широкого привлечения инвестиций и выхода со своей несырьевой продукцией на мировой рынок.

На современном этапе особую актуальность для отечественного машиностроения приобретает проблема правильности выбора приоритетов производственного развития, которые во многом диктуются необходимостью повышения эффективности управления дефицитными ресурсами, руководствуясь принципом максимального ресурсосбережения.

В этих условиях крайне необходимо при формировании технологического профиля производства предусмотреть определенную степень гибкости, позволяющую без значительных материальных затрат на технологическую подготовку и увеличения капиталовложений расширить альтернативный выбор технологических решений. Одним из наиболее действенных путей решения данной проблемы является проведение комплексной оптимизации производственных процессов, как совокупности способов организации необходимых методов изготовления изделий и последовательности технологических операций.

Анализ современного состояния проблемы комплексной оптимизации производственных процессов высокотехнологичного и наукоемкого производства прецизионных деталей авиационных двигателей свидетельствует о насущной необходимости дальнейшего совершенствования ее форм и методов, главным образом, в направлении повышения эффективности с тем, чтобы на выходе предмета управления (процесса) гарантированно получать требуемые

(планируемые) технико-экономические показатели (ТЭП) конечного резуль-

5

тата работы с минимальными затратами трудовых, материальных и финансовых ресурсов.

На основе вышесказанного правомерно заключить, что решаемая в работе проблема является актуальной и практически востребованной.

Цель работы заключается в повышении эффективности функционирования технологических систем путем увеличении производительности производственных процессов изготовления сложных деталей изделий машиностроения.

Основные результаты, выносимые на защиту:

- метод модульной организации производства сложных деталей изделий машиностроения;

- критерий оптимальности, позволяющий оценивать эффективность всей производственной системы;

- комплекс основных параметров производственных процессов изготовления сложных деталей;

- аналитические зависимости для расчета критерия оптимальности, полученные на основе установленных связей между основными параметрами производственных процессов;

- модель производственного процесса изготовления компрессорных лопаток ГТД;

- модель расстановки производственного оборудования для построения производственных ячеек замкнутого технологического цикла;

- алгоритм группирования производимых сложных деталей и необходимого для их изготовления оборудования;

- система быстрой переналадки станочного оборудования, входящего в производственную ячейку замкнутого технологического цикла;

- производственная ячейка замкнутого технологического цикла изготовления компрессорных лопаток ГТД.

Объектом исследования является организация производства прецизионных деталей газотурбинных двигателей.

6

Предметом исследования являются производственные процессы изготовления компрессорных лопаток, имеющих большой удельный вес в структуре производства всего газотурбинного двигателя.

Научная новизна работы:

1. Установлены связи между основными параметрами производственного процесса и интегральной производительностью производственных участков, что позволило сформировать критерий оптимальности, отличающийся учетом показателей производственного процесса, связанных непосредственно с изготовлением сложных деталей газотурбинных двигателей, а также с их пролеживанием и транспортировкой.

2. Впервые разработан метод построения производственных ячеек замкнутого технологического цикла, позволяющий обеспечить повышение эффективности производственных процессов по критерию интегральной производительности.

3. Разработана модель производственного процесса и сформирован алгоритм группирования деталей и расстановки производственного оборудования, требуемого для их изготовления, отличающиеся их нацеленностью на оптимизацию межоперационного перемещения деталей в процессе их обработки путем создания производственных ячеек замкнутого технологического цикла.

Методы исследования, достоверность и обоснованность. Разработка теоретических положений и создание на их основе инструментария структурной оптимизации производственных процессов стало возможным благодаря комплексному использованию известных теоретических и экспериментальных методов исследования организации производства, теории управления техническими и организационными системами, методов системного и статистического анализа. Представленные в работе результаты строго обоснованы методологией системно-структурного анализа, математическим аппаратом теории оптимизации, методами технологической подготовки произ-

водства. Достоверность применяемых методов подтверждается их широким использованием в самых различных прикладных исследованиях.

Практическая значимость. Переход на модульный принцип организации производства (вместо цехового) приводит к резкому сокращению грузопотоков за счет существенного сокращения пути прохождения деталями и сборочными единицами этапов производственного цикла и, как следствие, влечет снижение объема незавершенного производства и увеличение коэффициента загрузки оборудования.

Разработанная методика построения производственных ячеек замкнутого технологического цикла позволяет реализовать структурную оптимизацию производственных процессов по критерию производительности и обеспечить в результате максимальное снижение времени изготовления компрессорной лопатки, обеспечение ее качества и существенное сокращение доработки профиля пера вручную.

Практическая реализация разработанной методики структурной оптимизации производственного процесса изготовления компрессорных лопаток позволяет увеличить интегральную производительность практически в 2,5-3 раза.

Реализация работы. Метод модульной организации производства прецизионных деталей газотурбинных двигателей внедрен в производственную систему ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» (г. Москва). Указанный метод был положен в основу Программы развития производственной системы ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» (сроком на два года). Создана планировка производственного участка замкнутого технологического цикла по выпуску компрессорных лопаток ГТД. Внедрение результатов работы привело к снижению длительности цикла изготовления компрессорных лопаток и уменьшению среднего уровня незавершённого производства.

Апробация результатов работы и публикации. Результаты работы

докладывались на Международной конференции "Авиация и космонавтика"

(Москва, 2011), на Всероссийской молодежной конференции "Автоматизация

8

и информационные технологии" (Москва, 2011), на Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы ракетно-космической техники" (Самара, 2011), на Всероссийской молодежной конференции "Инновационные технологии в машиностроении" (Москва, 2011), опубликованы в 11 печатных трудах (из них 7 - в рекомендованных ВАК РФ изданиях), имеется 1 Патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, включающего 104 источника и пяти Приложений. Работа изложена на 124 страницах, содержит 29 рисунков и 18 таблиц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОБЛЕМ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА СЛОЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

1.1. Современное состояние высокотехнологичного производства

в РФ

Машиностроительная отрасль промышленности является основной движущей силой развития современной инновационной экономики, ориентированной на инновационную деятельность производственных систем, постановку на производство новой, конкурентоспособной продукции с применением новых прогрессивных технологий, обеспечивающих долгосрочное превосходство над продукцией конкурентов. Бесспорно, современное машиностроительное производство может дать мощный импульс для сокращения сроков разработки научно-технической продукции для оборонных и гражданских отраслей промышленности «от идеи - до внедрения».

Значимость организационно-технологической структуры производственного процесса, как важнейшего направления в построении производственной системы в последние годы неизмеримо возросла. Во-первых, архитектура производственного процесса остается центральным звеном, определяющим темпы разработки и постановки новых изделий на производство. Во-вторых, организационная структура производственного процесса обеспечивает решение главных задач ускоренной постановки новой продукции на производство, быстрого завоевания предприятием-производителем определенного сегмента рынка и обеспечения прибыли. В-третьих, организационная структура производственного процесса определяет систему технологической подготовки производства (ТПП), которая, в свою очередь, играет ключевую роль в освоении новых наукоемких изделий, внедрение которых в производство, как правило, сопровождается выполнением НИОКР по освоению новых

материалов, технологий и оборудования.

10

Следует констатировать, что от того, как будет построена структура производственного процесса, зависит, в конечном счете, конкурентоспособность всей отечественной индустрии не только машиностроительного профиля, но и других отраслей народного хозяйства - потребителей машиностроительной продукции.

Все эти обстоятельства позволяют утверждать, что оптимизация структуры производственного процесса является в настоящее время центральной, системообразующей частью всего комплекса работ по выпуску высококачественных изделий, ускорению постановки новых наукоемких изделий на производство и инновационному развитию машиностроительной отрасли России в целом.

Как известно, в настоящее время на большинстве предприятий машиностроительной отрасли РФ используется многоуровневая система организации производства, сложившаяся еще в 50-е годы прошлого столетия.

Данная структура основана на административном делении производства на корпуса и входящие в них цеха. Цеха группируются по типу производств (заготовительное, механическое, механосборочное, сборочное и т.д.) [30]. В каждом отдельном цехе производственное оборудование группируется по общности служебного назначения. Таким образом, создаются отдельные участки из шлифовальных, фрезерных, токарных, �