автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Снижение металлоемкости и себестоимости изготовления деталей машин на основе моделирования структур технологических решений

•:•• -Л

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРВДНЕП) СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЙ

РСФСР

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАаЮШ ЗНАМЕНИ СТАНКОИНСТР ШЕПТАЛЫШй ИНСТИТУТ

Ив правах рукописи

ПОПОВ Михаил Егорович

Ш 621.004.18

СНИЖЕНИЕ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ И СЕБЕСТОШОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУР ТЕХШОД1ЧЕ(К1Ж РЕШЕНИЯ

Специальность: 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой стеиаин доктора технических наук

А/

г '

Москва - 1990

Р**Зоте втюхтыл » Ростоваком-на-Дону Ордена Трудового Красного Знамени институте сельскохозяйственного машиностроения

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Безъязычный В.Ф.

доктор технических наук, профессор Кузьмин В.В.

доктор технических наук, профессор СЬлелянскиЯ В.М.

Ведущее предприятие - 1Ъсударственное производственное

объединение ТОСТСЕЛШАШ" шени Ю.В. Андропова

Защита состоится " И09\5р9у 1990 г. в час. на заседании специализированного Совета Д.063.42.02 в Московском сганкоинструцвктрльном институте пв адресу:

101472, ТТЛ, Иост.Еа, К--55, ВадковскиЙ пер., д. За

С длссэртадвеЯ исжыо ознакомиться в библиотеке Московского станкоилструментельаего института за месяц до защиты.

Ваш отзев на автореферат в двух экземплярах, заверенная печатав организации, просим направить по вышеуказанному едр«су на ш ученого секретаря специализированного Совета.

Автореферат разослан " 1% " сент^С^ 1990 г.

¿'чейгтЯ секретарь :пениализярозгнного Совета, .

к"кчед1т технических наук, доцент рд,^уВолкова Г.Д.

Диссертация посвящена проблема повышения эффективности использования металла 'при производстве машин. Исследованы тех -лологичоские методы снижения материалоемкости, разработаны рекомендации практического характера по оптимизации технологических процессов и выявлению конструктивно-технологических резервов экономии металла и снижения материалоемкости на всех отадиях создания машины - проектировании, технологической подготовке и производстве.

ОВЦАЯ ХАРАКТЕР 1С ТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы» На современном эгале интенсивного развития общественного производства первостепенное значение приобретает экономное расходование материальных ресурсов. Необоснованные затраты - одна из основных причин тормозящих развитие экономики; причем расточительность в одной отрасли неминуемо приводит к изменениям в смежных отраслях, где из-за недостатка ресурсов возникают перебои и. замедляется рост.

Действительно, расход материалов на многие изделия отечественного машиностроения все еще остается высоким по сравнению с расходом на технику того же назначения лучших зарубежных фирм. На протяжения последит лет коэффициент использования проката черйш металлов практически не изменился и в целой по машиностроению и металлообработке составляет низкую величину. Низкий коэффициент использования металла свидетельствует об образовании большого объема' отходов, идущих на дальнейшую переработку. В то же время отечественное машиностроение располагает большими резервами экономии материалов. Одна из главных задач оостоит в том, чтобы выявить и полнее попользовать эти резервы. Комплексный, системный подход к проблеме материалоемкости требует применения экономических критериев и методов оптимизации.

Оптимизация материалоемкости машин и повышение эффективности использования металла является сложной научной проблемой. Следует указать, что при высокой сложности машин и технологических процессов решение проблемы материалоемкости традиционными методами уме не представляется возмоннш. Они могут быть получены лишь на основе глубокого теоретического анализа, ма-

тематической формализации и оптимизации конструктивно-технологических решений по критериям материалоемкости.

Значение этих исследований возросло в связи с тем, что в нашей промышленности начинается новый, более высокий, этап автоматизации производства - использование гибких производственных оиотем, систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем управления технологическими про -цессами, которые требуют разработки математических моделей, алгоритмов и программ оптимизации объектов производства и технологичеоких процессов не только по критериям производительности, трудоемкости, себестоимости, но и материалоемкости. Это особенно ванно, если учесть тот факт, что доля затрат на материалы в общей себестоимости продукции составляет до 70% и непрерывно увеличивается.

Как известно, предметом технологии машиностроения является учение об изготовлении машин заданного качества и в установленной производственной программой количестве при наименьших затратах живого и овеществленного труда. Однако, если технологическим основам достижения качества и экономии живого труда в технологии машиностроения уделялось значительное внимание (разработаны те.ория точности, теория производительности и т.д.), то технологические основы экономии овеществленного труда разработаны значительно в меньшей степени.

Все изложенное позволило определить научную проблему данной работы как - комплексная оптимизация технологических процессов и изделий машиностроительного производства по показателям материалоемкости и себестоимости.

Исследования выполнялись в рамках общесоюзной комплексной программы снижения металлоемкости национального дохода "Металлоемкость", по планам целевой комплексной программы "Зерноуборочный комбайн" (ОЦ.О.48, задание 01.07), по заданию ГННТ СССР (Постановление ПИ СССР от 21 мая 1980 г. * 194) и республиканской научно-технической программы "Повышение качества деталёй машин при механической обработке", раздел 1.П.З координационного плана НИР АН УССР на 1982-1985 гг.

Цель работы - развитие на базе системного подхода научных основ материалоемкости машиностроительного производства; изложение научно-методических принципов проектирования и организации производственного процесса, оптимального по критериям материалоемкости; теоретическое обобщение, способствующее решению важной народнохозяйственной и научной проблемы экономного и рационального использования металла в машиностроении.

Методика выполнения исследований. При решении задач оптимизации конструктивно-технологических решений по показателям материалоемкооти использованы основные положения технологии машиностроения, системно-структурного анализа, теории алгоритмов и множеств, исследования операций, тэории вероят-т нооти, аналитической а прикладной геометрии, методов отан -дартизацш и унификации. Основные научные результаты в работе получены теоретически и экспериментально. Решение задач огрукщрной и параметрической оптимизации конструктивнс-тех-нологичеоких решений выполнялооь с помощью ЭВМ о использованием созданной библиотеки прикладных программ. Экспериментальные результаты получены в лабораториях Ростовского-на -Дону инотитуга сельхозмашиностроения и на предприятиях в процессе внедрения.

Автор защищает результаты научно-исследовательской работы, выразившиеся в разработка: •

- общей методологии исследования и моделирования материалоемкооти и эффективности использования металла в машиностроении;

- методов оптимизации коногруктивно-иехнологичеоких решений по показателям материалоемкооти;

- методов проектирования оптимальных по раоходу металла технологических процессов изготовления деталей;

- теории и методов управления процессами производства маши го показателям материалоемкооти.

Научная новизна. Работа направлена на решение крупной научной проблемы экономного и рационального использования материальных ресурсов, в которой впервые в общем ввде оформулирована и научно обоснована проблема оптимизации материалов емкости на всех стадиях создания машин - при проектировании,

технологической подготовке и производстве машин. Разработана ее общая кибернетическая модель и инвариантные модели решения ряда типовых проектных задач оптимизации конструктивно-технологических решений по показателям материалоемкости. Разработаны алгоритмы и структурные схемы автоматизации проектирования оптимальных по расходу металла технологических процессов изготовления деталей машин. Научно обоснованы закономерности появления конструктивно-технологических резервов онижания материалоемкости машин и предложены формализованные методы их выявления.

Полученные результаты могут рассматриваться как определенная научная и методическая база для решения вопросов, связанных о.разработкой математического, информационного и методического обеспечения соответствующих подсистем интегрированных САПР изделий и технологических процеосов.

Практическая ценность работы. Выявлена относительная значимость основных направлений снижения материалоемкости машин, дана оценка области эффективного, по расходу металла, применения различных методов изготовления деталей, разработаны алгоритмы формирования комплексных заготовок и определены области их аффективного применения в условиях ШС.

Разработан« математические модели и алгоритмы оптимизации припусков и размеров заготовок в комбинированных технологических процессах изготовления деталей. На этой основе разработаны и внедрены малоотходные технологические'процессы изготовления деталей ППД взамен обработки резаняем. Подучены зависимости для оценки снижения материалоемкости машин при использовании упрочняющей поверхностной обработки деталей.

Разработаны методы и алгоритмы структурно-факторного и функционально-стоимостного анализа резервов экономии металла. Разработанная методика комплексного анализа конструктивно-технологичеоких резервов экономии металла позволяет составлять научно-обоснованные планы оргтеямероприятий по шономии металла на текущий период и на перспективу и таким образом управлять экономией металла и материалоемкостью производства машин.

Результаты исследований могут быть использованы в учебных процессах по подготовке инженеров по специальности "Технология машиностроения", а также на факультетах повышения квалификации специалистов машиностроения и приборостроения.

Реализация результатов работы. Полученные в работе теоретические и практические результаты во.площены в промышлен-но функционирующих технологических процессах и онстемах автоматизированного проектирования, которые используются во многих предприятиях и организациях страны. В частности внедрены новые технологические процессы изготовления втулок холодным пластическим деформированием в жестких обоймах взамен обработки резанием, процессы изготовления полых валов сельхозмашин обкатыванием и обжагием из трубных заготовок взамен сварных конструкций, процессы изготовления деталей машин из технологических отходов.

Обобщенные зависимости, математические модэли и алгоритмы были использованы при: создании автоматизированных систем технологической подготовки производства, сиотем автоматизированного проектирования технологических процессов, разработке нормативов расхода металла и допусков на массу изделий, решзнии задач управления процессами производства машин по показателям .материалрр11кости. Фактический- экономический эффект внедрения превысил один мля.руб.

Материалы диссертации включены в учебные поообия "Оптимизация припусков и размеров заготовок на машиностроительных предприятиях" (РИЖ1, 1982) и^Основи САПР технологических процессов упрочняющей обработки"(РИЗХМ, 1987) и "Проектирование и производство заготовок" (РИЗХМ, 1989), а также были использованы при подготовке к изданию текстов лекций "Методы получения заготовок деталей машин" (РИСХМ, 1978), "Обработка деталей методами поверхностного пластического деформирования" (РИСХМ, 1986) и "Упрочняще-калнбруодив а отделочные методы обработки в сельхозмашиностроении" (РГОЖ 1984) для студентов специальности "технология машиностроения". На ее основе подготовлены рекомендации для руководящих работников и специалистов Шнтракторосельхозмаш СССР "Экономическое обоснование выбора заготовок п тракторном а

сельскохозяйственном машиностроении" (Ростов н/Д, ШК ИТР, 1976) и "Рекомендации по определению оптимальных припусков и размеров заготовок на машиностроительных предприятиях" (Ростов н/Д, ИНК ИГР, 1977).

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Всесоюзных научно-технических конференциях: "Новая технология и специализация в кузнечно-штамповочном производстве", Харьков, 1965} "Прогрессивная технология, механизация и автоматизация кузнечно-штамповочного производства", Ростов нД, 1967; "Конструирование и производство сельскохозяйственных машин", Ростов н/Д, 1982; "Проблемы снижения материалоемкости силовых конструкций", Горький, 1984 ; "Механизация и автоматизация процессов пластического формообразования и упрочнения тонкостенных деталей", Казань, 1984; "Конструирование и производство, сельскохозяйственных машин" , . Ростов н/Д, 1985; "Интенсификация и автоматизация отделочно-зачистной обработки деталей машил и приборов", Ростов н/Д, 1988} "Конструктивно-технологические методы повышения.надежности и их стандартизация", Тула, 1988.

На республиканских и зональных научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях: "Упрочняще-калибрующие и формообразующие методы обработки деталей", Ростовн/Д, 1970; "Повышение производительности и эффективности использования технологического оборудования", Андропов, 1982; "Безотходные и малоотходные технологически процессы в машиностроении", Таганрог, 1983; "Малоотходные процессы обработки деталей - резерв экономии металла и снижения трудоемкости", Киев, 2935; "Создание гибких производственных систем механической обработки на базе станков о ЧПУ и промышленных роботов" , Киев, 1986; "Современные методы металлообработки с применением оборудования с ЧПУ", Таганрог, 1985; "Методы повышения производительности и качества обработки деталей на оборудовании автоматизированных производств", Андропов, 1985; "Обеспечение точности обработки я качества поверхностного слоя на стадии конструкторско-технологичаокой подготовки производства", Андропов, 1937; "Математическое обеспечение и автоматическое управление высокопроизводительными

процессами механической и физико-химической обработки изделий машиностроения", Андропов, 1988} "САПР сборки, оптимнза ция технологических процессов, их механизация и автоматизация", Ижевск, 198Э.

На научно-технических советах ПО "Ростсельмага", Бердян-икого производственного объединения по каткам, ШЮ "Атом-котломаш", ВПШ "Градиент", ШВй'ОП, НИШ.) (Ростов н/Д), а также на ежегодних научно-технических конференциях РШХМ с 1965 по 1980гг.

Полное содержание диссертации обсуждалось на кафедре "Технология машиностроения" РШХМ, на научно-технической совете Тульского политехнического института, на кафедре "Технология машиностроения" и научно-техничеоюм совете Московского станкоинструментального института.

Изложенные в диссертации результаты работ были отмечены грамотами и премиями СКНЦ ВШ и Ростовского областного НТО Машпрома.

Публикации. По результата!.! исследований опубликовано 95 работ, среди них 5 монографий, Ю брошюр, 80 статей.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из основной части и приложения. Основная часть включает введение, 6 глав и заключение. Главы диссертация рассматривают постановку проблемы материалоемкости, вопросы оптимизации конструктивно-технологических решений по показателям материалоемкости, выбор оптимальных по расходу металла методов изготовления деталей, методы оптимизации расхода металла при проектировании технологических процессов механической обработки заготовок, вопросы снижения материалоемкости дащин уцрочнящей поверхностной обработкой деталей, принщпн управления процессами производства машин по критериям мата -риалоемкости. В основной части 317 страниц текста, 73 рисунка, 13 таблиц и описок литературы (225 наименований). В приложении, представленном озцельной книгой, даны опйсаг ния алгоритмов и программ, сведения об иопальзовашш работы, а также копии докумеыов, подтвервдающих внедрение результатов научко-ксследовательских работ.

в

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. Постановка проблемы и задачи исследования материалоемкости машин

Для эпохи научно-технического прогресса, современниками которой мы являемся, .характерны не только крупные достижения, но и большие проблемы. Среди этих проблем наиболее сложной по содержанию и вместе с тем наиболее трудной для теоретического й практического решения является проблема оптимального распределения и использования ресурсов. Среди различных видов ресурсов важнейшее меото занимает металл.

Создание, изготовление, эксплуатация и ликвидация технических средств вызыпают движение информации, энергии и массы. Идеалом такого движения был бы замкнутый кругооборот без потерь. Однако возможность существования идеального кругооборота противоречит законам природы. Использование массы в форме различного сырья сопровождается ее рассеянием. Особенность черных металлов заключается в том, что их основные свойства сохраняются после прекращения срока службы машин и других объектов, в которых они воплощены. Благодаря этой особенности металл шкет неоднократно возобновлять свое обращение в народном хозяйстве. Поэтому вопросы экономии металла и снижения материалоемкости следует рассматривать в их взаимосвязи по всему циклу кругооборота металла, рассматривая все звенья "лизни" машины (проектирование, производство, эксплуатацию) как единую систему /рис. 1/.

Теоретическим исследованиям целого рада воцросов оптимизации материалоемкости машин, разработка технологических методов повышения эффективности использования металла, посвящено значительное количество опубликованных работ. Среди этих работ можно ввделить работы Б.С.Балакшпна, В.Ф.Безъязыч-ного, В.Б.Гокуна, В.Н.Журавлева, Н.Н.Капустина, И.А.Коганов а, В.Н.Кована, С.Н.Корчака, Н.М.Колесова, С.П.Митрофанова, И.А.Иващенко # др. Ваяшоз значение для решения вопросов эксплуатационной материалоемкости имеют работы А Л.Бабичева, И.В.Кудрявцева, Э.В.Рыжова, О.А.Розенбергг, А.Г.Суслова, В.ь!.Смошшского и др. Между тем исследования по проблеме млтертлоемкости разобщены и большинство их посвяшено отдоль-

Рис. к 05орот иеталпа ь машиностроении:

-— информация о расходе -,

> расход летаяла.

ним частным задачам, без рассмотрения проблемы в целом, без учета взаимосвязи и вэаамообусловлеинооти задач между собой, что приводит к неполному и одностороннему решению. Вместе о тем, если учесть все возрастающее значение проблемы экономии металла, очевидна необходимость дальнейших теоретических исследований и практических разработок для решения всего комплекоа задач, имеющих место в этой проблеме.

Материалоемкость изделий в машиностроении определяется раоходом материальных ресурсов, необходимых на изготовление, эксплуатацию и ремонт изделия. Будем различать общую М0 , производственную Мп . , конструкционную М* , технологическую Мт и эксплуатационную Мэ материалоемкость. Материалоемкость изделия оценивают совокупностью показателей, определяемых в абсолютном, удельном или относительном выражении. Наиболее полно эффективность испэдьзования материалов характеризуют показатели удельной материалоемкости

»1 — II + I]

где 1*1 - номинальное значение основного параметра изделия пли полезный эффект от его использования;

Т - полный установленный ресурс (срок службы) изделия.

Показатели материалоемкости и эффективности использования металла взаимосвязаны и могут использоваться для оценки технического уровня, уровня технологичности конструкции и уровня технологии производства изделий. Рассмотрена взаимосвязь удельных показателей конструкционной материалоемкости ^к « коэффициента использования металла К им и коэффициента запасных частей Кач / I Кз

Лач „ (А- 4.

^о = ^^ ким ким;

Если масса каждого изделия (у , то общая масса материалов, затраченная на изготовление всех М изготовленных и поступивших в эксплуатацию изделий, составит

К Ким

где Т - время нахождения в эксплуатации изделий данного типа;

Я - ресурс (срок служба) изделия.

Проанализирована относительная значимость основных направлений снижения материалоемкости: от снижения массц изделия , снижения расхода материалов на изготовление пзде-лш Срт , повышения срока службы изделия и сокращения затрат материалов на запасные части и ремонт . Анализ показал, что наиболее высокую значимость в экономии материалов и снижении материалоемкости имеет сокращение расхода и повышение ресурса работоспособности изделия. Общая экономия материалов при использовании всех рассмотренных источников.

Таким образом, максимально обоснованное снижение материалоемкости продукции машиностроения и повышение ее технического уровня может быть достигнуто только при комплексном учете взаимного влияния факторов, действующих при разработке, производства и эксплуатации изделий. Отсюда проблема исследования в наиболее общей формулировке заключается в создании теоретических основ, методов, моделей и алгоритмов комплексной оптимизации технологических процессов и изделий машиностроительного производства по показателям материалоемкости.

На основе проведенногб изучения состояния вопроса была сформулирована цель работы, достижение которой связывалось с решением ряда задач. Било признано необходимым осуществить следующее:

- разработать общуи методологию исследования и моделирования материалоемкости и эффективности использования металла при производстве машин;

- разработать методы оптимизации конструктивно-техноло-шческнх решении но показателям материалоемкости;

- разработать методы проектирования оптимальных по рол-ходу металла технологических процессов изготовления деталей}

- разработать теорий и методы управления процессам пво-изчодитли машин 1н> ¡ю.<:»:т"'ел8п [¿чгеричлоемкости.

1

Полученные в работа резудьтты являются следствием реши-нил поугаплеиной проблачц и внтэкащлх из нон задач.

.Глава 2. Оптпмпзапля конструктивно-те^^лохических рошэнк^. гю показателям материалоемкости

Задачей теория магераалоемюагц «шлчптсм разработка математических моделей, которые дч,гт воэиожпсст/. определять оптимальные показатели материалоемкости либых сревнпяаам!« вариантов непосрадотое-шо через технологические, конотруктин-ныа, структурные и эксплуатационные параметры машины.

Общая задача оптимизации матеряалсемко^тп производя г>.ч вводится к наховдешт минимума критерия зктямааации или ап--левой функции • г

при соблюдении сформулированных ограничений вида ^ОО-О и ^СЮ^ ГД0 ^ = " множество КОНСЦ.УКТИВ-

но-технологических параметров, которое приводит к достижелш. экстремальной цели.

Однако исследования показали, что и общей постановке оптимизация материалоемкости производства ма;.г:ии относится г числу сложных ивдетерминированных задач, характеризующихся недостаточной начальной информацией. Одеши яэ методов проо-долелия начальной неопределенности при решении зад?ч оптимизации материалоемкости может служить многоуровневая декомпозиция процессов проектирования в сочетании с итерационным!: алгоритмами решения проектных задач на каждом уровне. В основе его лежит пошаговый принцип принятия решения, базирующийся на принципе оптимальности: оптимальное поведение облачает тем свойством, что каковы бы ни были первоначальное состояние или решение в начальный момент, последующие решения должны составлять оптимальное поведение относительно гостояния, полученного в результате первого решения.

В такой постановке для решения задач оптимизации материалоемкости производства машин выделены слпдуюпиз урочни: проектирование конструкций деталей и сборочных единиц; пр-> -

00

актирование те&юлогических процессов формообразования деталей; проектирование технологических процессов упрочняющей обработки деталей; проектирование и организация производственной системы/рио. 2/.

Млогоурошюиий процесс оптимизации развивается сверху вниз, т.е. от проектирования отдельных машин до цроектирова-ния процессов производства машин. При этом решения, подучен нне на предыдущем уровне, используются в качестве дополнительных исходных данных или ограничений для проектирования на данном уровне

jU*) = ji-кМ *+ Jl„t(X)- mw

На первом уровне оптимизируются консгруктчэно-техноло-гические параметра изделии. Для этой цели на практике широко применяют методы математического моделирования на основе корреляционно-регрессионного анализа. В результате системно-структуриого моделирования получен общий вид зависимостей показателей материалоемкости сложных изделий, изготовленных аз большого числа разновидностей материальных ресурсов.

Математическое моделирование позволило поставить задачу структурного синтеза машин оптимальной материалоемкости. С этой целью, с позиций системного подхода, машину рассматриваем как иерархическую систему, состоящую из структурных составляющих разного уровня..Принимаей, что обеспечение оптимальной материалоемкости машин может быть достигну то только, при оптимальной материалоемкости отдельных оборочных единиц и деталей. При этом материалоемкость любого элемента изделия рассматриваем как. затраты для обеспечения заданного значения вектора проектных, параметров этого элемента. Зависимость между конструктивно-технологическими параметрами элемента изделия и материалоемкостью устанавливалась расчетным путем и методом статистического анализа.

Разработана методика поотроения оптимальных характеристик материалоемкости изделия при заданных характеристиках материалоемкости звеньев низших уровней. Решается задача: какой набор входящих элементов обеспечивает заданное значение век-

Проектирование конструкции деталей и с ¡Горочных единиц - тл.п. Нт« ]ХГ ^«е^пс .Проектирование технологически процессов Формообраэовамйя 'т1л IV ^сопа"!. Пооактирование геммологических процессов упрочняющей оЯраиотки —гтйп. Ц* = сопь!, Проектирование н эксплуатация производстванчом системы ^ -< и*- • ро пил

■ — 1 1 ! 1 ______1

Рис. 2.. Схем* ммогоуро»и«мго процесса оптимизации обшей материалоемкости на различных стадиях соадаиия машин

1Й

тора проектных параметров при минимальной материалоемкости элемента, верхнего уровня, В качестве ограничений рассматриваются уравнения функционирования, связцвающие значения параметров верхнего уровня со значенижи параметров входящих элементов. Это типично оптимизационная задача, которая цокет бить решена одним из численных методов /рис. 3/.

Изложенная методика позволяет при проектировании оптимизировать не только конструкции, но и технологический .процеоо ее изготовления. Могут быть учтены также и эксплуатационные свойства деталей машин. Это создает условия для комплексного проектирования изделий оптимальных по показателям материалоемкости. Оптимальные характеристики материалоемкости являются своего рода абстракциями, позволяющими довольно точно прогнозировать параметры материалоемкости производства проектируемого изделия. При этом могут использоваться как теоретические оптимальные характеристики материалоемкости, так и реальные или фактические характеристики, представляющие собой дискретное множество точек.

Одной из центральных задач структурного синтеза машин оптимальной материалоемкости является установление оптимальных конструктивно-технологических параметров отдельных деталей и сборочных единиц.

Вое типовые модели оптимизации конструктивно-технологических параметров изделий .в зависимости от вида целевой функции и ограничений могут иметь две постановки:

обеспечение требуемой эффективности при минимальных затратах ресурсов и

обеспечение максимальной эффективности при заданных допустимых затратах ресурсов.

Сложность целезой функции зависит от полноты использования критерия оптимальности. Если в качества критерия оптимальности принять массу, основных элементов конструкции, то структура целевой функции будет наиболее простой. В качестве критерия оптимальности мокло использовать и стоимость материалов. Как известно, металлические конструкции должны

Рис. 3. Прогноз общеР материалоемкости производства менян на базе оптимальных характеристик ее мппппор

удовлетворять такав условиям прочности, упругости,. устойчивости, соответствия функциональному назначению, долговечности, технологичности, экономичности, что приводит к наложению ограничений на область определения целевой функции.

Для рада изделий важным ко1С труктивно-технологическим параметром является точность массы, что ставит задачу технологического обеспечения оптимальных допусков массы. С технологической точки зрения рациональными будут только такие допуски массы отдельных деталей Т^, , при которых будет минимальная суммарная стоимость обработки всех деталей, входящих в рассматриваемое изделие. Для такого определения допусков должны быть известны законы изменения стоимости или трудоемкости обработки каждой детали как функции от величины допуска на массу |(Т1) • Возможны два спучая, ког-

да изменение массы детали не влияет на массу других деталей машины и когда такое изменение приводит, к изменению масоы других деталей машин.

В первом едучао экономическая оптимизация допусков массы проводится исходя из того, что при расширении допусков массы трудоемкость и себестоимость изготовления деталей уменьшается. Во втором случае допуск масоы изделия будет оптимальным в том случае, еоли сумма ущербов от увеличения массы и от браковки ii.ni доработки конструкции будет минимальная.

Предложена методика оптимизации технологических допусков на массу деталей изделий, к которым предъявляет высокие требования к точности массы. На основе исследований разработаны предложения по стандартизации допусков массы заготовок и деталей машин. Рассмотрены области экономической целесообразности доработки изделий по массе о учетом эксплуатационных затрат и затрат на доработку изделий по массе раэ-. личными технологическими методами: точением, фрезерованием, сверлением и др. Результаты исследований внедрены на Ростовском вертолетном производственном объединении.

Взаимосвязь конструкции машин и технологии их изготовления преаде всего осуществляется через выбор материалов, ме-

тодов обработки, учет объема выпуска и условий производства. Таким образом, при выборе конструктивно-технологического варианта необходимо учитывать многочисленные требования. Например, еоли деталь может быть изготовлена из ГП материалов с разлнч Н0Г1 }двлы^й масоой, а изделие состоит из N деталей, то суще отвует П\. вариантов изготовления изделий. Все многообразие конструктивно-технологических вариантов изготовления изделия может быть выражено точками в системе координат масса изделия • себестоимость изделия. При анализе мюжества вариантов наилучшее решение выбирается в два этапа.

На первом етапе производим наделение из всего множества перспективных вариантов и построения для них функциональной зависимооти мевду выбранными параметрами. Для решения этой задачи использован метод динамической программирования на основ? принципа оптимальности Беллмааа. На втором этапе выполняется нахождение иэ множества перспективных вариачтов оптимального варианта по щштерию экономического эффекта. Для решения второй задачи оценивается влияние снижения массы изделия на снижение массы объекта, на которой устанавливается анализируемое изделие. Как показали наследования, в зависимости от принятого критерия - масса ила стоимость материала - вариант наилучшего конструктивно-технологического решения будет различным.

Глава 8. Выбсс оптимальных по расходу металла методов ЗЗгрГСвлеядд датадеД На следующем, второй уровне, при технологическом проектиро вании производим оптимизацию расхода металла на изготовление деталей. На втои уровне первоначально выбираем наиболее рациональные по расходу иеталла методы изготовления деталей, а затем осуществляем оптимизации технологических процессов по показателям материалоемкости.

Методы изготовления опредзляются физической сухостью пре-убрязования свойств детали. Рациональным для конкретных условий производства, очевидно, следует считать процесс формообразования, который при прочих равных условиях обеспечивает наименьшие 8атраты энергии, сырья и материалов. Процесс необратимого заданного формоизменения при минимальной затраченной

анергии следует считать энергетически оптимальным процессом. Процесс формообразования при минимальной отходе исходных материалов называется процессом оптимальной материалоемкости. С учетом сказанного рассмотрены воздаяние направления классификации методов изготовления. Для задач данного исследования наибольший интерес представляет систематизация ыатериалосбе-регающих процессов формообразования. Классификация процессов формообразования по материалоемкости, а точнее по расходу металла, проведена но признакам наличия или отсутствия технологических отходов, а также вида исходной заготовки. Установлено шесть групп процессов формообразования. На основе предложенной классификации рассмотрены а исследованы многообразные технологические структуры формообразования, установлены взаимосвязи между различными методами обработка со съемом и без съема материала /рис. 4/.

На расход металла и себестоимость изготовления деталей наибольшее влияние оказывает вид исходных заготовок. Определение вида заготовка представляет слояную шоговариантнув задачу. Сопоставление может проводиться по одному из пята основных вариантов:

выбор одного из основных методов получения заготовок деталей машин (литьем, пластической деформацией, порошковой металлургией, сваркой и т.д.)}

комбинирование различных методов получения заготовок (лнгьо- обработка давлением, литье - сварка, литье - обработка давлением - сварка} обработка давлением - резание и т.д.);

выбор одного из способов получения заготовки внутри одного и того же метода (например, свободная-ковка, молотовая штамповка, штамповка на пресса, штамповка на горизонтально-ковочной машине а т.д.);

комбинирование различных способов внутри одного и того же метода получения заготовки (свободная ковка - штамповка} молотовая штамповка - вцсадка на горизонтально-ковочной машине} периодический прокат - штамповка а т.д.)}

комбинирование способов различных методов (штамповка на горизонтально-коночной машине - стыковая сварка; листовая штамповка -'точечипл сварка я т.д.).

Группа Структурная схема процесса Основная характеристика процессов Формоо&раэоеанм

I ИМ ----- А Образование детали из всего исходного материала (спекание, литье) А—-Ф1

11 ИМ и А то Образование детали из части вещеста» исходного матеуиала (кристаллизация части расплава) А— Ф1

Ш ИЗ ИМ А Наращивание иа пердею часть исходной заготовки всего вещества исходного материала, (иаплаька) А — Ф1; Ф1 + ф2= ФЗ

IV ИЗ ИМ А то Наращивание иа твердую часть исходной заготовки части вещества исходного материала (катодное осаждение) А~Гфи ф| +Ф2=ФЗ

V VI иг А то Удаление части твердой исходной заготовки образованием "стружки" (резание) Ф1 - ф2= ФЗ

из ------ А М&меиеиие формы твердого тепа (ковка, гибка} Ф1 — Ф2

4, Кдягск^икаиия процессор ((•оркообразованил деталер по гпнтерппи кг-.тер г«лоекаости .

Для выбора обоснованного решения бшш рассмотрены условия минимизации отхода металла при:

определении оптимальной заготовки для кавдой отдельно изготовляемой детали;

опрвдолении оптимальных видов структур заготовок (для определенного ассортимента детален);

установлении эконошчески обоснованных границ применения оптимальных по стоимости и расходу металла заготовок.

Предложен вариант машинного решения задачи по расчету норм расхода материалов и выбору оптимального но расходу металла метода изготовления детали. В качестве критерия оптимальности может быть использована и себестоимость изготовления детали. Для технико-экономического сопоставления разных методов получения заготовок вцпедены зависимости технологической себестоимости изготовления детали от коэффициента использования металла. При этом наиболее рациональный вариант выбирается на основе минимизации суммарной технологической себестоимости получения заготовки взаг и предварительной ее механической обработки , т.е.

$заг + бме)( - тиг

На стадии проектирования технологическая себестоимость детали монет быть определена по формуле

[ С3йг + Сме„0-КИМ)] §

ИМ

где - стоимость одного кг заготовки;

смех - стоимость срезания одного кг стружки при механической обработке.

Для оценки эффективности того или иного варианта получения заготовки могут использоваться регрессивные модели. Такие модели разработаны для определения и . В них в

качестве параметров аргументов взяты программа выпуска,масса детали, коэффициент использовшшя металла, точность обработки и сложность заготовки.

Предлагаемый подход анализа вариантов изготовления заготовок позволяет стапитБ и решать задачи определения оптимальной производственной структуры заготовительного производства, экономического (1Сгк:110йпшш типового ассортимента заготовок г.о

способам 1к изготовления.

Для этого решается задача ^

э - ? ? су( «т , £ I Ху ^ ^ тк ; рц-вХ^. Х1х13М5 ^ б-а ,

где Су - производственная себестоимость одной заготовки 1-го типа в ] -ом способе изготовления;

Ху - количество заготовок 1.-го типа, планируемых к по-к лучению по способу j ;

- время изготовления заготовки 1-го типоразмера

3 -м способом на К-ом оборудовании;

•к - эффективный фонд времени оборудований К-ой группы;

- планируемое количество заготовок;

- удельный расход материала П.-го вида;

- общий планируемый расход материала.

Сформулированная задача является задачей линейного программирования о частично целочисленными переменными (для малых Ху ), Если рассматриваемые (конкурирующие) способы изготовления характеризуются различной степенью приближения формы заготовки к готовой детали, в задаче следует учесть различие затрат на обработочные стадии* В большинстве случаев близость заготопки к детали обеспечивается использованием специальной оснастки, что возмогло не во воех способах лх изготовления. Поэтому задачу распределения заготовок по технологическим способам рассматривают как выбор мевду техпроцессами с универсальной оснасткой (свободная ковка, обдирка проката) и со специальной оснасткой (штамповка, литье, раскачка кольцевых заготовок и другие).

Долевая функция имеет вид 3 = Ц Сч Ху Хц) +1Ф.[(^Х1Г1У5.] ^

где X ц - количество заготовок I -ой детали, изготовляемых: с применением ¿-й специальной оснастки; ОС ^ - -количество заготовок ь-й детали, изготовляемой о прлнежи-пем универсальной оснастки;

С-. - себестоимость механической обработки L -ой детали, J

получо/шой с применением J -it оснастки; Cj - себестоимость изготовления одной заготовки с применением j -Й оснастки;

Я* - стоимость одного комплекта j-й апециалмюй оснастки

за вычетом реализуемого материала оснастки ; Sj - стойкость j-й оснастки;

- себестоимость получения заготовки L-й детали по технологии с универсальной оснасткой, включая обдирку заготовки.

Ограничения задачи IXq+XtVXi ; lt.^xijSS Тс ;

£tLXL* Ту ; IlXyt^ It'.X.^To, I л j u «•

где lj/Ц- соответственно, время изготовления одной заготовки

с применением j -й специальной и универсальной оснастки;

ТСТЧ,Т0- соответственно, фонд времени работы оборудования со специальной, универсальной оснасткой и на обдирке t заготовок;

- соответственно, время обдирки заготовок, изготовленных со специальной и универсальной оснасткой; X - запланированное к выпуску количество деталей.

Рассмотрены области эффективного применения оптимальных по стоимости и расходу металла заготовок: горячекатаного и холоднотянутого проката, труб; различных способов горячей и объемной штамповки, в частности,, облойной и безоблойной, малоотходной безуклонной штамповки; литых и сварнолптнх заготовок; методов поропковой металлургии.

Глава 4. Оптимизация расхода металла при проектировании

технологически процессов меха.чичеакоГ; обработки заготовок

Качество заготовок деталей машин оценпвшзт несколькими показателями геометхшческой точности. Разлкчяпт гочнооть гайморов заготовок, характеризуемую полем допусков, л точность

приближения формы а размеров заготовок к форме и раэлерам готовой детали, которая определяется величиной фактических припусков и в первом приближении характеризуется коэффициентом использования металла при механической обработке заготовок. Извеотно также понятие точность процесса изготовления заготовок, как свойство процесса обеспочивать изготовление заготовок с погрешностями, не превышающими определенной величины. Эта точность тем выше, чем ближе форма заготовок к форме готовых деталей и чем меньше колебания размеров заготовок.

Для оптимизации расхода металла установлены взаимосвязи между припусками, допусками и расходом металла при механической обработке заготовок

_ 1" К*и ,

2° "" 0,01 Н ^ ' ким

где & - масса детали;

^ - плотность материала детали} - размерный коэффициент.

Установлено, что всякое расширение допусков для предшествующих операций "Т\_-, неизбежно вызывает увеличение припуска 2-1 на обработку для последующих. И наоборот, при уменьшении припуска на обработку для данной операции приходится соответственно повышать точность, а следовательно, и стоимость предшествующей обработки. Соответственно будет изменяться и масса технологических отходов при механической обработке:

к - А/Ты * * — ,

~ 2* Аы + V™-

т.е. при уменьшении допуска на заготовку в ПЛ. раз уменьшается количество металла, уходящего в припуск в К раз.

Выявлена аналитическая зависимость влияния величины припуска на машинное время его удаления. Закономерность изменения машинного времени 1ц от величины припуска имеет вид

2. .В работе уточнены понятия минимального и оптимального припуска. Оптимальный припуск может быть найден, если выразить технологическую себестоимость изготовления детали в функции припуска /рис. Ъ/

эт= + В(гр2 + 1-2 + К*),

где А, В - коэффициента пропорциональности,-Ц, и , " коэффициенты, характеризующие конкретный тохно-I логический процесс механической обработки.

Оптимальный припуск, назначаемый на чистовые размеры детали, должен обеспечить получение качественной детали при минимальном расходе металла. Критерий оптимальности, который отображает указанные противоречивые соображения, должен быть связан с величиной

с(2) = Чл(2))(см * Р1р(г)с„ ,

где С (г) - стоимость потерь при припуске 2 ; \/м(21) - объем металла, расходуемый о припуском Л ; - вероятность брака при припуске 2, ;

См - стоимость одного кг металла;

Сп - стоимость заготовки (штампованной поковки или отливки).

Однако оптимизация технологических процессов по расходу металла на единичных деталях может быть эффективно осуществлена в крупносерийном и массовом производствах. В условиях мелкосерийного и единичного цроизводства оптимизация расхода металла должна осуществляться для группы деталей. Создание комплексных заготовок при большой номенклатуре деталей является многовариантной задачей, при поиске оптимального решения которой необходимо использовать ЭВМ. Основой для формализации процесса группирования является построение классификационного ряда деталей, в котором соседние объекты наиболее близки друг к другу в соответствии с выбранным критерием, В качестве критерия классификации принят коэффициент использования металла комплексной заготовки, а в качестве критерия группирования - себэсто^ость изготовления деталей. По стоимости комплексная заготовка может быть дороже простой индивидуальной заготовки, а по стоимости механической обработки дешевле ее. В сравнении же с заготовкой, полученной !!г?п:псояпшл метопом, объем механической обработки комплгг

Рис.. 5. Влияние величины припуска на структурные составляющие себестоимости изготовления детали.

Вознуихения

Ь'ис. 6. Охшь оперативного управления расходом метеллв в ГПС

ни!! заготовки увеличивается, а стоимость уменьшается. Эйектип-нооть применения комплексной заготовки для какой-либо номенклатуры деталей слагается из суммы показателей для каждой от-долыюР детали. При объединении деталей ставится задача оттекать заготовку для произвольной группы деталей, различавшихся моду собой в определенных: пределах по конфигурации п размерам, но близких по технологическим признакам, о условием, чтобы суммарные затраты на комплексную заготовку и на черновую механическую обработку всей группы деталей были ниже, чем при их изготовлении из индивидуальны! заготовок. Разработан алгоритм группирования деталей и формирования комплексной заготовки, который реализован в САПР ТП механической обработки деталей опытного завода НПО "Атомкотломаш".

В ряде случаев Имеется унифицированный ряд комплексных заготовок II ставится задача компоновки (подбора) группы деталей для каждого типоразмера комплексной заготовки. Данную задачу можно рассматривать как задачу назначения (выбора). Синтез технологической структуры заготовок в «том случае мокет быть интерпретирован в виде поиска в ограниченном векторном пространстве множества оптимальных точек начала обработки рассматриваемых деталей, удовлетворяющих экстремальным значениям критериев материадоеглкости и собостоитстп. При этом выбор множества рациональных заготовок следует нэ следующих утверждений:

заготовка, не имеющая общих поверхностей с о;л оптом проип водства, не может быть использована н качеств обьпктп, опрел-? ляшего множество точек начала обработки рассматриваемой дитя ли»

из множества заготовок, имеющих общие поверхности с рассматриваемой деталью, преимуществом пользуются те, которые имеют максимальное пересечение качественных характеристик поверхностей, что обеспечивает минимальное количество отходов п процессе изготовления детали. Разработан алгоритм решения дан ной задачи, который реализсэан в интегрированной САПР ТИС "Фланец" НПО "АтомкотломадГ.

Предложены методы оптимизации расхода металла в сложных, комбинированных технологических процессах изготовления доталей, сочетающих процессы пластического деформирования с процессами

резания, термической, хшшко-термичвской и других видов обработки. Так, разработаны математические модели размерных связей л алгоритм расчета припусков и операционных размеров при холодном выдавливании и калибровании деталей. Здесь учитываются объемные (пространственные) размерные связи. Исследован характер искшеноя формы поверхностей при холодной выдавливании и ее влияние на величину минимального пропуска. Например, для о пределе 1шя относительного искажения формы £ свободного топца для деталей типа стакана подучено следующее соотношение _

В \ . п л -

^миа

* = + °-4

где С„*0,031 ^- ;

»•¡да1-да •

Ра - площадь поперечного сечения исходной заготовки;

рц - площадь поперечного сечения выдавливаемого стержня (цапфы)*

Рп - площадь поперечного сечения выдавливаемой полости стакана;

Б - толщина дна стакана.

В ряде случаев комбинированный технологический процесс изготовления деталей предусматривает горячую штамповку дета« ли, цроцеоо ее механической обработки и процесс холодного выдавливания или вытяжки с утонением стенки. Рассмотрена оптимизационная задача отыскания такой стеиени деформации и геометрических размеров заготовки после пластического формоизменения, при которых объем припуска на механическую обработку будет наименьшим. Разработан алгоритм решения этой задачи.

Важным направлением снижения расхода металла является формирование оптимальной размерной структуры проектируемом технологического процесса механической обработки. Исследования показали, что размерные связи технологического процесса механической обработка, его размерная структура, существенно

влияет ЦП рягаод метялла о пропуском. Дтл оптимизации расяодн уоталло при проокти.ювнши •■пхнолопгчичш'' процесса механической обработки продлончнч митодтгд ппрвдпания мэяопера-ш?:>нннх размеров, погволямцая строить трхпч огячвскле размерные цепи и рассчитывать онрра:№:ч!!чл размерь для каждого предшествующего состояния дитпю г, •мАзкгкпшим строгой последовательности решения гч-м^ртге цот»« из условия мпницума расхода металла, удаляемого с пришлом

а = * I /-и ^

где

Ни - площадь 1-й поверхности детали , с которой удаляется ирипуок 2-1 .

Технологические процессы изготовления деталей отличаются тпродтностным (стохастическим) характерам. Отсвда необходимость модолирэрпиня и оптимизации тзгпх процессов на основе статистических ш-тэдов иссле^овани*. Кгигсрии оптимальности могут быть тг«-- вяриэнгон:

цоотияониз максимального пыходз гздной продукции; достпздн"? .тт.чимума неисправимого брака, т.е. потерь металла;

достижение минимума оголчм.-гллс потерь от брака.

Рэпенпе трех, указанных вариантоп езяпано о изменением ¡;г'сжэния центра группирования размера в партии деталей относительно заданного поля допуска, т.е. па чадной (настройкой работы поор,/лона1ни. Рслючическая постутггч вопроса 'опти-мийаци:г сладится к оценке потерь от неп^пргшьчюго и исправи мого брака. Суммарные потеси от брака отеле ляг,;тс я по фор-

муле:

С =

(П:

Ь„

11 » с

I2

2с№

-СО

1;

г

; »•> С,» •- 14. г зри о! Н":юг'рт>пмйго и

.<Т'Мю.ч*>1»шго Ирпка, отиео^ик« к од:ю»{ до ■•>••:'•

Глава 5. Снижение материалоемкости шиши упрочняющей поверхностной обработкой деталей

Затраты металла в процессе эксплуатации машин зависят от долговечности отдельных деталей, входящие в машину. Снижение материалоемкости машин в згом случае может быть достигнуто рациональным применением методов упрочняющей технологии. В настоящее время для этих целей в машиностроении широко попользуются разлитые технологические методы воздействия на поверхностные слои деталей машин. В общем ввде эффект упрочнения описывается коэффициентом

6-1 аир

где г у„р - предел выносливости до и после, поверхностного упрочнения.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния конструктивно-технологических факторов на коэффициент упрочнения Рапр • Проведенные исследования позволили получить уравнения для предварительного расчета на стадии проектирования коэффициента упрочнения деталей, обработанных различными способами ППД. На основе уравнения подобия усталостного разрушения получены зависимости, выражадцле связь мевду изменением массы детали и ее размеров от параметров эффекта упрочнения

т _ I I) 1

где т,Шупр, и , Вупр - масса и диаметры сечений неупроч-ненной и упрочненной деталей.

Полученные данные позволяют обоснованно выбирать относительную толщину упрочненного слоя, а следовательно, и режим упрочнения в завиоимооти от требуемого эффекта упрочнения деталей, оценить степень уменьшения размеров детали и ее маосы. В ряде случаев может возникнуть потребность уменьшить массу и одновременно несколько повысить несущую способность детали. Тогда

согласно требуемому уменьшению материалоемкости определяются необходимая относительная толщина упрочненного слоя и

получаемый эффект упрочнения , к которое прибавляег-

ся требуемый по условию простота эфрект упрочнения •

Следовательно, суммарный эффект упрочнения детали пониженной мптериалоемкостй будет равен Рч^Р • По

этому значению находится относительная толщина поверхностно упрочненного слоя детали, по которой окончательно выбирается режим упрочнения.

Рассмотрена задача формализованного описания выбора способа упрочнядей обработки и заданном пространство параметров упрочненного слоя. Выбор осррзтндчетоя, если рассматриваема способ упрочнения удовлетворяет некоторому уоловлю близости: Функционал Р (М-иМс) достггазт миншума. Процесс минимизации может осуществляться по нескольким типам мипими-пкгую'цих Функт'ояялоп, например:________

Р(мА) - {"¿(х^- ,

где ОС^ гЭСв - параметра упрочненного слоя для рассматриваемого способа упрочнения и требуемого по условиям (и) эксплуатации;

- весовые функции, распределяющиеся по степени важности параметра.

Рассмотрены вопросы оптимизаций процессов упрочняющей обработки по критериям прочности я материалоемкости. Процесс упрочнения, на примере обработки методами ПОД, описывается ■ математическими моделями, связывающими параметры прочности и материалоемкости детали с технологическими параметрами метода упрочняющей обработки. На этой основе разработаны и внедрены малоотходные технологические процессы изготовления деталей ПОД взамен обработки резанием.

Глава 6. Основы управления процессами производства машин по критериям материалоемкости

При освоении производству и серийном выпуске изделий важной задачей является управление, процессами производства машин мп ;.г?теоиям пзтериалоемкоати. (Ложно вццелить два контура

Г

»■елнологич&окйго управления; контур корректировки технологии и конструкции о целью их вреиешюй оптимизации и контур оперативной корректировки техно-иши и целью устранения опло-нений от действия возмущающих .-(аадейатааИ. Первый контур связан о тем» что периоды опч'ишльного фушсционирования ь полт,-ве единой технической системы у конструкции, технологи« и организации производства не епышдаюг. Поэтому, получении- ь процессе проектирования огпиыальны^ по параметрам материал»-еыкооти конструкции и технологические процессы их изготовления являются таковыми только к моменту освоении, начал} производства. При освоении изделия происходит процесс посачлюн ного овладения навыками изготовления изделия, отработ! а конструкции и технологии, что приводит к снижение материалоемкости машин, и процессе производства изделий в течение длительного периода могут быть существенно удучдюни также экономические и экся-цуатационные характеристики продукции. Таким образом, технический прогресс обеспечивает постоянные резервные запасы снижения материалоемкости. Поэтому создание и многократное использование резервов для выпуска продукции является основным направлением повышения эффективности использования металла в процессе производства машин.

Для выявления конструктивно-технологических резервов снижения материалоемкости производства машин предложен структурно-факторный анализ. Одна из главных 3с1дц< анализа состоит в выявлении таких изделий, сборочных единиц и деталей, по которым использование материалов является наихудшим, а следовательно, и объем резервов наибольшим. В качестве критериев поиска резервов можно применять: коэффициент иопользо-вания металла, шссу технологических отходов, условную массу технологических отходов. Разработан алгоритм поиска резервон по критерию условной массы технологических отходов. Предложенная методика дает возможность разрабатывать научно-обоснованные технические и организационные мероприятия по экономии материальных ресурсов при производстве машин и бцла внедрена на ПО "Роотсельмаш" й Бердянском производственной объединении по латкам.

Эф1-зктишшми9тодом поиска резервов снижения материалоемкости выпускаемых изделий япляется функционально-стоимостный анализ. Обычно основным предметом функционально-стоимостного анализа являются излишние затраты, связанные с несовершенством конструкций. Но объектом функционального анализа могут быть и технологические процессы. В настоящей работе в основу нункчионачьно-стоимостного анализа технологических процессов предложен графоаналитический метод поиска путей снижения затрат на изготовление изделий. Процесс формирования материалоемкости представляется в виде графа (3"(В,Г) , построение которою выполняется последовательным наращиванием подграфов: &а(А,Гд) - материалоемкость-технологические операции

( А U

G^^BJb/ - тэхнолох'ические операции - конструктивно-технологические параметры ( В );

G"W (у!л fw) - конструктивно-технологические параметры-затратообразуювдо первичные факторы (W ).

Объединением перечисленных подграфов создается полный граф формировонгч материалоемкости

Gr(D.r) = %(A,rA)U6b(BfrB)UGw(W>rl„) .

Для репгнпч яадачн оптимизации принимаемых решений дугам ipn фа &(В,Г) должны быть приписаны некоторые характеристики, названные коэффициентами влияния. Далее анализируются дуги, входящие в данную вершину графа, и-устанавливается наиболее эффективное направление по максимуму коэффициента влияния. После чего переходят к разработке мероприятий, изменяющих численно затратообразувдие факторы, содержащиеся э подмножестве V/ . Изложенный принцип функционально-стоимостного анализа был использован при анализе материалоемкости сборочных единиц и деталей зерноуборочных комбайнов (вал граблин, шкив большой и шкив малый г др.). В результате анализе улучшена технологичность конструкций, разработаны и внедрены новые технологические процессы их изготовления. Значительное повышение эффективности использования металла мэтит бчть достигнуто путем рацпоптьного использования технологических

отходов. Разработана методика создания "банка" технологических отходов и алгоритм подбора номенклатуры деталей для перевода их изготовления из отходов. Изложенная методика и алгоритм были использованы при рационализации технологических отходов на производственном объединении "Ростсельмаш".

В процесса производства на формирование материалоемкости машин оказывают влияние дестабилизирующие факторы, как положительные, так и отрицательные. Поэтому во втором контуре технологического управления необходимо осуществлять оперативное управление и контроль за отклонением расхода металла а материальных потоках гибких производственных систем. Система оперативного управления эффективностью использования металла в гибких производственных системах может быть представлена в воде следящей системы управления по отклонению, т.е. замкнутой системы с обратной связью. Разработана классификация причин и виновников отклонений от норм расхода материалов, которая дает возможность при оперативном управлении попользовать ЭВМ /рис. 6/.

Исследования показали, чго наиболее эффективным является нланомерн'ое комплексное усовершенствование производства по критериям материалоемкости сразу, по всем трем элементам производственной системы: конструкция - технология - организация производства. Комплексное использование всех резервов снижения материалоемкости может явиться важным источником прироста продукции. Эффективность комплексного использования резервов опнжешш материалоемкости хорошо видаю на примере совершенствования конструкции и технологии изготовления вала граблин зерноуборочного' комбайна, полученного по результатам настоящего исследования. В результате предложен и внедрен процесс получения валов из трубных заготовок обкатыванием взамен сплошных и сварных конструкций.

Заключение

Выполненная диссертационная работа направлена на решение крупной научной и народнохозяйственной проблемы - экономного и рационального но пользования материальных ресурсор при про-иаводстве шшш.

Основным научнш результатом работы является научное обобщение и развитие теории материалоемкости маияностроительного производства, создание теоретических основ, методов и(алгоритмов комплексной оптиг,1изации технологических процеосов и изделий машиностроительного производства по показателям материалоемкости и себестоимости.

Основным практическим итогом работы явилось создание и промышленное внедрение ресурсосберегающих технологических процессов, а также внедрение в практику проектирования и управления расчетных методик и программно-математического обеспечения оптимизации конструктивно-технологических решений по показателям материалоемкости и себестоимости.

Полученные в диссертации научные выводы и результаты сводятся в основном к следующему:

1. Анализ машиностроительного производства подтвердил существование в стране проблемы материалоемкости и вытекающей из нее важной народнохозяйственной задачи - комплексной оптимизации материалоемкости при проектировании, технологической подготовке и производстве машин. В работе впервые сформулирована эта задача, выдвинута концепсия и разработана укрупненная схема ее решения.

2. Для решения проблемных вопросов оптимизации технологаческих процессов и объектов производства по критериям материалоемкости вскрыты взаимосвязи показателей материалоемкости, качества продукции и эффективности производства. На основе системно-структурного анализа получены общие зависимости производственной и эксплуатационной материалоемкости от проектных параметр® и выявлена относительная значимость основных направлений снижения материалоемкости машин.

3. Научные основы оптимизации машиностроительного производства целесообразно созда зать путем дедуктивного их построения. Поэтому наиболее общие теоретические положения в работе сформулированы как исходные посылки, на с5азе которых разработаны методы оптимизации технологических процессов и изделий по критериям материалоемкости и себестоимости.

4. В общей постановке оптимизация материалоемкости машин

относится к чнолу сложных инде терминированных задач, характеризующейся недостаточной начальной информацией. Одним из методов преодоления начальной неопределенности служит многоуровневая декомпозиция процессов проектирования. В основа си лежит, пошагоыий принцип принятия решений, базирующийся на принципе оптимальности Беллмана.

5. Предложены алгоритмы структурного синтеза машин на оазе оптимальных характеристик материалоемкости ие элемента, позволяющих учесть в общей математической модели конструкционные, технологические ц зксшс атациошша параметры. Разработаны алгоритмн оптишзации конструктивно-технологически* решений по показателям материалоемкости и себестоимости.

6. Показано, что эффективность использовании металла при производстве машин во многом определяется внборш метода фор ■ мооОрааованиц деталей. Предложена классификация металлооое-регащих процессов формообразования деталей и алгоритм выбора оптимального по расходу металла метода изготовления деталей. Разработаны методы оценки области эффективного применения различных ыетодш изготовления деталей.

7. Раскрыты взаимосвязи между припусками, допусками и расходом металла при механической обработке заготовок. Разработаны алгоритмы формирования комплексных заготовок и оп ределения области их эффективного применения в условиях 1ТСС.

8. Разработаны математические модели и алгоритмы оптимизации працускои ц риал еров заготовок в комбинированных технологических процессах изготовления деталей. При этом количество и место расположения баз, а такяв вариант простановки раздоров определяются из условия минимального расхода металла, удаляемого с припуском.

9. Предложена система конструкторско-технологического обеспечения долговечности деталей в САПР. Разработана методика ц алгоритм проектирования технологических процессов упрочняющей обработки с оптимизацией их по критериям прочности и материалоемкости. Получены зависимости для оценки снижения материалоемкости цашш при использовании упрочняющей поварх-ноотной обработки деталей.

10. Поставлены задачи управления эффективностью использования металла при производстве машин. Раскрыты закономерности образования резервов экономии металла при производстве машин, разработана методика и алгоритм структурно-факторного )и функционально-стоимостного анализа резервов экономии металла. Предложена спсгема оперативного управления п контроля за отклонением расхода металла в ШС. Доказаны экономические и организационные преимущества комплексного использования резервов экономии металла.

II. Теоретико-методические результаты диссертации реализованы в конкретных разработках, используемых на большом числе предприятий ц организаций авиационного, энергетического, автотракторного и сельскохозяйственного машиностроения с фактическим экономическим эффектом около одного млн.руб. Результаты исследований внедрены также в учебный процесс при подготовке и переподготовке инженерных кадров по технологии машиностроения.

Основное содержание диссертации опубликовано в 95 работах, в том числе:

1. Попов М.Е. 0 весовых допусках на штампованные поковки// Кузнечн о-штампов очное производство. -1960.-ЛЮ.-с .37-41

2. Попов М.Е. 0 принципах построения системы допусков нг размеры и вес штампованных поковок// Стандарты и качество.■ 1968 - ЯЗ - с.31-35

3. Попов М.Е., Шганко М.Г. Об оптимальной стойкости кузнечных штампов // Куэнечно-итамповочное производство. - 1968 -КЗ с.45^51

4. Попов М.Е. Расчет точности веса заготовок и готовых деталей машин // Вестник машиностроения. -1968 -Й5 - с.33-37

5. Попов Ы.Е., Шганко М.Г. Стандартизация допусков на вео штампованных заготовок// Стандарты и качество. - 196£, К7, с.27-32

6. Попов М.Е., Шталко М.Г. Отклонения в количестве поковок, поставляемы:: по заказу // Кузнечно-итпмповочное проп-'яоп -ото. - ЗЭ69 .Щ2, с.51-57

7. Нопоь M.E. О доиускашлых отклонениях в количестве поставляемых заготовок // Стандарты и качество.- 1970, JS5,o.37-41

8. Попов Ы.Е. Расчет припусков на механическую обработку и определение размеров заготовок. Учебное пособие, Ростов н/Д: РИСЗШ, 1970, 84 с.

й. Дорноваиие отверстий тонкоатешшх деталей в обоймах / М.Е.Попов, Ю.Г.Проскуряков, Э.С.Суханов и др. // Вестник машиностроения, IS7I, JJI2, с.48-55

хи. Попов М.Е., Филоненко B.C. Определение оптимальных црипуо-ков и размеров заготовок деталей машин: Конспект лекций. Ростов н/Д: ШК ИГР Минтракторосельхоамаш, 1973, 65с.

11. Попов М.Е., Фалоненко B.C. Определение оптимального опооо-ба .получения заготовок деталей машин: 1.1етодические рекомендации. Ростов нД: ИПК UTP Минтракторооельхозмаш, 1973, 84с.

12. Попов М.Е., Суханов Э.С,, Трубчанинов A.B. Дорнование отверстий литых втулок // Технология электротехничесюго

производства.- М., 1974, вып.3(58), с.27-32

13. Попов L1.E. Требования к качеству и точности заготовок в автоматизированном производстве // Отделочно-упрочнящая обработка деталей машн: Сб.ст., Ростов н/Д, 1974, с.33-37

14. Попов М.Е. Расчет усилий и деформаций при выглаживании поверхностей// Вестник машиностроения, 1975, J<8, 0.41-46

15. Попов U.E., Филоненко B.C. Экономическое обоснование выбора заготовок в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении: Методические рекомендации. Ростов н/Д: ИПК ИГР ШштракторооельхоБмаш, 1976, 64с.

16. Попов М.Е., Филоненко B.C. Рекомендации по определению оптимальных припусков и раамеров заготовок на машиностроительных предприятиях. Роотов н/Д: ИГШ IITP Минтракторооельхозмаш, 1977, 64о.

17. Попов М.Е., Суханов S.O., Лапчинский Е.В. Размерные связи при калибровашш тонкостенных втулок. Ростов нД, 1980 -Деп.в ЦНШГГЭПтракторосельхозмаш 02.02.1981, М90, 12с.

18. Попов М,Е. Показатели материалоемкости и 'Эффективное ти использования мотапла // Прогрессивная отделочно-уирочнякхдая технология: ¡.Ьжлуз.сб,- Ростов н/Д, IS83, о.27-31

19. Попов ¡/I.E., Филоненко В.О, Оптимизация припусков и раомо-ров заготовок на маши !".• строительных предприятиях: Учебн. пособие. Ростов н/Д: РШХМ, 1982, Э2с.

20. Попов М.Е., Акопьян С.А. Комплексный анализ конструктив" технологических резервов экономии металла // Повышение производительности и эффективности использования технологического оборудования: Тез.зон.научн.-техл.конф. -Ярославль, 1982, с.48-50

21. Попов М.Е., Бабичев А.П., Воробьев В.К. Пути снижения материалоемкости сельскохозяйственных машин технологическими методами // Всесоюзн.научн.-техн.конф. "Конструирование и производство сельскохозяйственных машин": Теэ.докл. Ростов н/Д, 1982, с.61-64

22. Попов М.Е. Расчет операционных размеров заготовок при холодном выдавливании и калибровании деталей // Вестник машиностроения, 1983, if I, с.41-47

23. Попов Ы.Е. Экономическое обоснование выбора заготовок при проектировании технологических процессов механической обработки: Метод .руководство. Ростов н/Д: РШХМ, 1983, 35с,

24. Попов М.Е. Управление эффективностью использования металла в гибких производственных системах // Метода повышения производительности и качества обработки деталей на оборудовании автоматизированных производств: Теэ.зон.научн,-техн.конф. - Ярославль, 1Э85, о.51-53

25. Попов М.Е., Лебедей В.А. Оптимизация процесса вибрацнонно го ударно-импульсного упрочнения летало Л // Методы повышения производительное?!' п качества осрлйотчп дотплой «л оборудования авгэгатизлровалшос проиэгедуп: '»лч.иаучч.-техн.конф.- Ярославль, 1Ш£, с.51-52

4Q

26. Попов U.E., Тихонов A.A., Полянский В.А. Снижение материалоемкости машин получением валов пластическим деформированием из трубных заготовок// Всеоошзн.научн.-техн.конф. "Конструирование и производство сельскохозяйственных машин": Тез.докл.-Ростов н/Д, 1885, c.GI-63

27. Попов U.E.(Акэпьян С.А., Карпов М.А. Автоматизированное убавление эффективностью использования металла в гибких производственных системах // Всесоюзн.научн.-техн.конф. "Конструирование и производство сельскохозяйственных машин": Таз.докл.- Ростов нД, 1985, с.51-55

28. Рациональное использование технологических отходов цри цро-изводстве зерноуборочных комбайнов /М.Е.Попов, С.А.Акопьян, В.А.Полянский и др. // Оптимизация и интенсификация процессов отделочно-зачистной упрочняющей обработки: МеЕвуз.сб.-Ростов н/Д, 1986, с.44-51

29. Попов М.Е., Бабичев А.П., Тихонов A.A. Методика расчета параметров процесса выглаживания поверхностей твердосплавным инструментом // Известия Северо-Кавказского научного центра высшей школы. Технические науки. ,1986, J*If с.51-55

ЕЮ. Попов U.E. Основы САПР технологических процессов упрочняющей обработки:' Учебное пособив. Ростов н/Д: РИЗХМ, 1987, 91 с.

31. Попов М.Е. Системный анализ достижения качества изготовления изделий // Оптимизация и интенсификация процессов от-делочно-зачистной и упрочняющей обработки: Сб.ст.-Ростов н/Д, 1987, 0.81-87

32. Попов М.Е)., Акопьян С.А., Бабахов В.З. Структурно-функциональный анализ снижения материалоемкости клиноременного вариатора зерноуборочных комбайнов // Оптимизация и интенсификация процессов отдвлрчно-зачисгной и упрочняющей обработки: Сб.ст.- Ростов н/Д, 1987, с.37-42

83. Попов U.E., Акопьян С.А.. Оптимизация допусков на массу деталей и сборочных единиц // Всеооюзн.научн.-'гехн.конф. "Кошяруктивно-технологячеокие методы повышения надежности и их стандартизация": Тез.докл.-Тула,1988, ч.2, с.53

54. Попов М.Е., Лебедев В.А. Оптимизация процеосов упрочняющей обработки по критериям прочности и материалоемкости// Всесоюэн.научн.-техн.конф."Конструктивно-технологические методц повышения надежности и их стандартизация". Тез.докл.-Тула, 1988, 4.2, 0.93-94

35. Попов М.Е. Влияние отделочно-упрочнящей обработки на материалоемкость машин // Всесогозн.научн.-техн.конф."Интенсификация и автоматизация отделочно-зачиотной обработки деталей, машин и щшборов": Тез.докл.-Ростов нД, 1988, с.58-59

36. Попов М.Е. Моделирование размерных связей в комбинированных технологических процессах изготовления деталей // Математическое обеспечение и автоматическое управление высокопроизводительными процессами механической и физико-химической обработки изделий машиностроения: Тез.зон.научн.-техн.конф. - Андропов, 1988, с.37-38.

37. Оценка эффективности конструктивнотехнологических решений по снижению материалоемкости мвшин/ Попов М.Е., Ахопьян.С.А., Тихонов A.A. и др. // Совершенствование вибрациошюй технология и оборудования : Сб. ст.- Ростов н/Д, I988.-c.106 - ¿10

38. Попов М.Е. Кодирование и формализованное описание конструкции детали в САПР ТП : Метод, руководство. Ростов н/Д : РИСХМ, 1988. -40 с.

39. Попов М.Е. Обеспечение требуемой точности массы при сборке изделий // САПР сборки, оптимизация технологических процессов, их механизация и автоматизация : Тез. зон. науч.-техн. конф.-йкевск, 1989. - C.8-Q

40. Алгоритм группирования деталей тел вращения в опытном производстве / Попов М.Е.,Суханов 3.С..Юдина Н.Д. и др. // Интенсификация и автоматизированная разработка процессов отделоч-но-зачястной и упрочняющей обработки :Сб. ст.-Ростов н/Д, 1989.-с.

41. Попов М.Е. Технологическое обеспечение точности массы изделия // Интенсификация и автоматизированная разработка процессов отделочно-зачистной и упрочняющей обработки : Сб. ст,-Ростов н/Д, 1989.-с.

42. Нолов U.E., Самодуров В.А. Проектирование в производство заготовок : Учебное пособие. Ростов ц/Д: РИСШ, 1989.-90с.

43. Попов U.E.,Трояновский Ы.В. Плоские размерные цепи о нешрад-дельцшк звеньшн // Ввсхшвс машиностроения.-1989,-Jiß.-с. 19-22

44. Попов Ц.Е. Оптимизация допусков на массу деталей я сборочных «джшщ//Ред. куры. "Сгаадарты « качество",- M.-I99Q.- 8с.-«л.- Ембяжогр, ,5 шшр,-.Руо,- Деп. во ВНИЩН9.12.М»!'00?