Національний технічний Університет

«Харківський політехнічний інститут»

Фадєєв Валерій Андрійович

УДК 621.9

Наукові основи вибору структури та параметрів

технологічних систем механічної обробки

високоточних деталей

Спеціальність 05.02.08 – технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології машинобудування та металорізальних верстатів Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти та науки України і в Науково-виробничій корпорації «Харківський машинобудівний завод «ФЕД» Міністерства промислової політики України, м. Харків.

Науковий консультант: |

доктор технічних наук, професор

Тимофієв Юрій Вікторович,

Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», завідувач кафедри технології машинобудування та металорізальних верстатів.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Долматов Анатолій Іванович,

Національний аерокосмічний університет ім.Жуковського «Харківський авіаційний інститут», завідувач кафедри технології виробництва двигунів літальних апаратів;

доктор технічних наук, професор

Качан Олексій Якович,

Запорізький національний технічний університет, завідувач кафедри технології авіаційних двигунів;

доктор технічних наук, професор

Мовшович Олександр Якович, Науково-виробниче підприємство “Оснастка” (м. Краматорськ), зам.директора з наукової роботи.

Захист відбудеться 3 липня 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.050.12 в Національному технічному університеті «Харківський політехнічний інститут» за адресою:

61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут».

Автореферат розісланий «____»_____________2008 г.

Вченый секретар

спеціалізованої вченої ради Пермяков О.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Традиційний розвиток технологічної науки, заснований на узагальненні і широкому використанні результатів виробничої практики і спрямований на рішення конкретних завдань виготовлення деталей і збірання машин, не дозволяє оперативно

- готовити інформацію для прийняття об'єктивних рішень по керуванню складними виробничими системами;

- формулювати загальні напрямки розвитку при взаємному вв'язуванні технологічних розробок на різних рівнях виробництва;

- забезпечувати в процесі проектування і експлуатації технологічних систем різної складності максимальне використання ресурсів при найбільш ефективному досягненні, в остаточному підсумку, необхідних цілей;

- прогнозувати на об'єктивній основі розвиток процесів механічної обробки із вказівкою пріоритетних напрямків;

- зв'язувати воєдино технічну і економічну оцінки прийнятих технологічних і конструкторських рішень.

У той же час успішне функціонування сучасного сложноструктурного машинобудівного виробництва по виготовленню високоточних деталей на основі гарантованої технології і збирання із цих деталей відповідальних агрегатів, наприклад, авіаційно-ракетної техніки неможливо без вирішення названих проблем. «Вручну» у цей час уже не можна прогнозувати вдосконалювання і відновлення дорогого верстатного парку, оцінювати можливості виробництва відповідно до вимог ринку, управляти кваліфікаційним забезпеченням експлуатації складних технологічних систем. І навіть рішення локальних конструкторсько-технологічних завдань за допомогою комп'ютерної техніки не дозволяє гарантовано забезпечувати глобальний техніко-економічний ефект.

Тому рішення проблеми підвищення ефективності механічної обробки високоточних деталей за рахунок спрямованого вибору найкращих структури і параметрів технологічного впливу при обробці (формоутворенні) і реалізуючий цей вплив металорізального устаткування, прогнозування характеристик технологічних систем механічної обробки при зміні об'єкта обробки є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання досліджень і розробок по темі даної дисертації здійснюється відповідно до

- Програми розвитку авіаційної промисловості до 2000 року;

- Державній комплексній програми розвитку авіаційної промисловості до 2010 року (затверджена постановою Кабінету Міністрів 12.12.2001 р.);

- Закону України «Про державну підтримку літакобудівної промисловості в Україні» (№2660-III, 12.07.2002 р.);

- Плану заходів Управління авіаційної промисловості Мінпромполітики України на 2002-2003 роки по реалізації «Державної комплексної програми розвитку авіаційної промисловості до 2010 року»;

- Програми розвитку ДП ХМЗ «ФЕД» на період 2004-2005 р.р., затвердженої наказом Мінпромполітики України №534 від 13.10.2004 р.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - підвищення ефективності механічної обробки високоточних деталей (комплексу технологічних систем механічної обробки в точному машинобудуванні) за рахунок спрямованого вибору структури і параметрів технологічного впливу при формоутворенні на базі оцінок прийнятих технологічних рішень об'єктивними критеріями, що характеризують об'єкт обробки, технологічний процес і устаткування.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

· розробити систему об'єктивних критеріїв оцінки технологічних рішень, що характеризують об'єкт обробки, технологічний процес формоутворення і формотворне устаткування і що дозволяють здійснювати синтез і аналіз технологічних систем механічної обробки в точному машинобудуванні і технологічне прогнозування в металообробці;

· розробити методологію технологічного приведення, що базується на теорії подібності і розмірностей, як основу об'єктивних синтезу і аналізу технологічних систем механічної обробки;

· розробити принципи синтезу структури і параметрів технологічних систем механічної обробки в точному машинобудуванні і, у граничному випадку, оптимізації структурно-параметричних характеристик металообробки на основі методології технологічного приведення;

· розробити принципи аналізу структурно-параметричних характеристик технологічних систем механообробки на основі технологічного приведення для встановлення резервів виробництва;

· розробити методику експрес-аналізу структурно-параметричних і енергетичних характеристик технологічних систем механічної обробки для здійснення прискореної оцінки стану виробництва;

· розробити автоматизовану систему синтезу і аналізу структурно-параметричних характеристик підрозділів механічної обробки будь-якого ієрархічного рівня (від технологічного переходу до циклу операцій обробки різанням промислового підприємства);

· розробити методологію прогнозування розвитку машинобудівного виробництва і, зокрема, переділу механічної обробки в ньому на основі аналізу зміни структурно-параметричних характеристик у металообробці комплексу високоточних деталей;

· розробити методику технологічного прогнозування розвитку конкретного виробництва точного машинобудування;

· розробити методику вибору структури технологічних операцій при обробці поверхонь високоточних деталей;

· забезпечити промислове впровадження рекомендацій дослідження.

Об'єкт дослідження – технологічні процеси, металорізальне устаткування і інструменти при обробці різанням деталей у точному машинобудуванні.

Предмет дослідження – синтез і аналіз структури і параметрів технологічного впливу при формоутворенні різанням високоточних деталей і прогнозування розвитку виробництва в точному машинобудуванні.

Методи дослідження. Методологічною основою роботи є системний підхід до вивчення і опису об'єкта і предмета дослідження і, у першу чергу, технологічних процесів формоутворення різанням як основи формування принципів керування виробничою системою, принципів моделювання і керування структурою і параметрами дискретних технологічних систем. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях технології машинобудування, теорії подоби і розмірностей, теорії імітаційного моделювання, теорії штучного інтелекту. При математичному моделюванні структури виробничої системи використані методи теорії розпізнавання образів і векторної алгебри. При створенні програмно-методичного комплексу системи імітаційного моделювання виробничої системи використана теорія алгоритмів і принципи структурного об’єктно-орієнтованого програмування, а також методи дискретної оптимізації. Для аналізу структурних властивостей технологічних операцій застосовувалася теорія груп і теорія відносин. Формалізація технологічних рішень здійснюється на основі фреймових і продукційних моделей подання знань.

Експериментальні дослідження проводилися з використанням теорії моделювання, дискретного і кореляційного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів. Полягає в тому, що на основі узагальнення досвіду виробничників і дослідників в області особливостей обробки деталей у точному машинобудуванні розроблена і доведена до прийняття чисельних рішень методологія технологічного приведення структури і параметрів системи механічної обробки будь-якого ієрархічного рівня, заснована на теорії подоби і розмірностей і що дозволяє оцінювати прийняті технологічні рішення критеріями, що характеризують об'єкт обробки, технологічний процес формоутворення і формотворне устаткування, здійснювати синтез, аналіз і технологічне прогнозування систем механічної обробки високоточних деталей. Все сказане базується на:

· розвитку методології технологічного приведення структури і параметрів систем механічної обробки будь-якого ієрархічного рівня до єдиних порівнянних умов;

· застосуванні вперше розробленої системи об'єктивних критеріїв оцінки технологічних рішень при механічній обробці;

· вперше розроблених принципах синтезу та аналізу структурно-параметричних характеристик технологічних систем механічної обробки, реалізація яких дозволяє вчасно визначати тенденції розвитку точного машинобудування, оцінювати граничні характеристики виробів і дає можливість здійснювати ефективну інвестиційну політику;

· вперше розробленому підході технологічного прогнозування машинобудівного виробництва на основі аналізу зміни об'єктивних критеріїв оцінки структури та параметрів об'єкта обробки, технологічного процесу і устаткування.

Практичне значення отриманих результатів. Результати всіх складових комплексу виконаних теоретичних і експериментальних досліджень реалізовані при розробці генерального плану перспективного розвитку Харківського машинобудівного заводу «ФЕД», розділів по вдосконалюванню структури і параметрів технологічних систем обробки різанням окремих високоточних деталей. На підставі цих розробок ДП ХМЗ «ФЕД» здійснює комплектування прогресивним металорізальним і вимірювальним устаткуванням відповідних поколінь, виготовляє самостійно і здобуває необхідний відповідно до перспективного розвитку інструмент, забезпечує необхідне кваліфікаційне супроводження технологічних процесів.

На основі розроблених у дисертації рекомендацій підготовлена і використовується в практиці технологічного проектування на ДП ХМЗ «ФЕД» методика вибору маршрутів обробки поверхонь високоточних деталей на основі кластерного аналізу, що виключає суб'єктивізм формування технологічного циклу фінішної обробки і гарантує високу ефективність виготовлення і надійність забезпечення необхідного результату.

Економічна ефективність впровадження результатів дослідження склала 1,349 млн.грн. і складається з наступних складових:

- методики прийняття рішень при організаційно-технологічній підготовці високоточного машинобудівного виробництва;

- методики вибору маршрутів обробки поверхонь високоточних машинобудівних деталей на основі кластерного аналізу;

- методики обґрунтування необхідності введення додаткової енергії в процесі фінішної обробки.

Ряд наукових розробок використовується в навчальному процесі Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут».

Особистий внесок здобувача. Здобувачем самостійно сформульована наукова ідея роботи, запропоновані напрямки досліджень і практичної реалізації. Самостійно виконаний весь комплекс теоретичних і експериментальних досліджень на основі особисто розроблених методологічних підходів, запропонованих математичних моделей, розроблено принципи вибору і реалізації структури і параметрів технологічних систем механічної обробки високоточних деталей при забезпеченні гарантованих технологій, технологічні завдання на проектування, придбання і компонування сучасного металорізального устаткування 5-го покоління, алгоритми, інформаційне і методичне забезпечення при синтезі структури і параметрів технологічних систем механічної обробки. Виконання робочої проектної, технологічної і конструкторської документації по наявним у роботі результатам здійснювалося під керівництвом здобувача. Здобувач очолив і брав особисту участь у виконанні комплексу робіт із промислового освоєння розробок і рекомендацій.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися на VI міжнародному науково-технічному семінарі «Високі технології в машинобудуванні» (Алушта, 1996), на ХХ науковії конференції «Абразивна обробка» (Польща, 1997), на VII міжнародному науково-технічному семінарі «Високі технології в машинобудуванні» (Алушта, 1997), на міжнародній науково-технічній конференції «Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я» (Харків, 1997), на міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми теорії і практики технології машинобудування, механічної і фізико-технічної обробки» (Харків, 2000), на 4-й, 5-й, 6-й, 7-й і 8-й міжнародних науково-технічних конференціях «Фізичні і комп'ютерні технології в народному господарстві» (Харків, 2001-2003). Дисертаційна робота в повному обсязі була представлена і одержала схвалення на об'єднаному науковому семінарі кафедр «Технологія машинобудування і металорізальні верстати» та «Інтегровані технології машинобудування» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» (Харків, 2008), на науково-технічному семінарі Інституту проблем машинобудування ім.А.М.Подгорного НАН України (Харків, 2008).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 49 робіт, у числі яких 3 монографії, 34 статті у виданнях, рекомендованих ВАК України, 12 публікацій у збірниках доповідей і тез науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із введення, семи розділів, виводів та додатків. Повний обсяг дисертації становить 459 сторінок, з них 54 ілюстрацій по тексту, 52 ілюстрацій на 49 сторінках, 17 таблиць по тексту, 9 таблиць на 9 сторінках, 8 додатків на 102 сторінках, список з 369 використаних літературних джерел на 38 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обґрунтована актуальність теми роботи і науково-технічної проблеми, що вирішується, сформульовані мета і завдання дослідження, визначена наукова новизна роботи і практичне значення отриманих результатів.

У розділі 1 виконаний аналіз особливостей проектування і експлуатації технологічних систем механічної обробки в точному машинобудуванні, дана загальна характеристика досліджень і розробок у цій предметній області, установлено, що більшість прийнятих технологічних рішень базується на кваліфікації і інтуїції виконавців, а тому вибір варіантів технологічного впливу при формоутворенні і формоутворюючого устаткування не позбавлений суб'єктивізму.

Основні положення технології машинобудування і способи реалізації результатів технологічного проектування, що рекомендуються, заставлялися в міру розвитку науки і техніки. Фундаментом застосовуваного в цей час апарата проектування технологічних процесів механічної обробки і відтворюючого металорізального устаткування послужили роботи Артоболевського І.І., Балакшина Б.С., Бородачева М.А., Владзиєвського А.П., Горанського Г.К., Грановського Г.І., Капустіна М.М., Колесова І.М., Кована В.М., Корсакова В.С., Маталина О.О., Митрофанова С.П., Семко М.Ф., Соколовського А.П., Шаумяна Г.А., Якимова А.В., Ящерицина П.І. і ін. У роботах цих вчених була встановлена, уточнена і поетапно дороблена найбільш раціональна послідовність проектування технологічних процесів і реалізуючих засобів технологічного оснащення, що базується на наявному емпіричному матеріалі, що увібрав у себе колективний досвід, накопичений в механообробці.

Загальним недоліком виробленої послідовності технологічного проектування є те, що на кожному етапі досить важко вибрати найкращий варіант рішення, хоча і прийнято вважати, що в цьому випадку розглядається багатоваріантне завдання. Непряма оцінка по величині собівартості або за іншими критеріями виконання різних операцій механічної обробки дискретна по суті і не може бути основою для вибору оптимальних рішень. Здійснюючи у відриві від інших етапи технологічного проектування, важко зробити єдину критеріальну оцінку і вибрати найбільш раціональне рішення в діючому виробництві, що стає практично нерозв'язним при прогнозуванні розвитку.

Все сказане збільшується, якщо мова йде про обробку високоточних деталей. Найчастіше високоточні деталі працюють у складі пар різного призначення, як правило, прецизійних. Основні виконавчі поверхні деталей – плоска, циліндрична, сферична, конічна. Кожна з вище перерахованих деталей ставиться до певного класу по технологічних ознаках. Одним з основних ознак, характерних для поверхонь цих деталей, є високі вимоги до показників точності, у тому числі точності їхнього розташування щодо конструкторських баз деталі. Важливими є ознаки, що визначають умови доступу до прецизійних поверхонь при обробці.

Основними методами остаточної обробки високоточних деталей є абразивна обробка і доведення. Ці методи дозволяють створити умови для одночасного забезпечення вимог до макро- і мікрогеометрії поверхонь. Однак при цьому частка фінішних (доводочних) операцій, здійснюваних вручну, дуже велика, а поле розсіювання одержуваних у такий спосіб розмірів сильно змінюється. Операції доведення малопродуктивні, не забезпечують стабільності геометричних параметрів, вимагають високої кваліфікації робітників. Отже, технологічний процес, що містить ці операції, не є стабільним. У той же час треба говорити про створення гарантованої технології, минаючи стабільну. В основі гарантованої технології лежить цілеспрямовано обраний технологічний процес, реалізований на металорізальному устаткуванні, що дозволяє гарантовано одержати необхідні параметри якості і максимальну для даної ситуації (і на плановану перспективу) продуктивність при мінімальних матеріальних і вартісних витратах. Іншими словами, необхідно створити таку методологію проектування (синтезу) технологічних систем механічної обробки високоточних деталей, що дозволить оцінювати технологічне рішення за об'єктивними критеріями, що дозволяють цілеспрямовано управляти структурою і параметрами технологічного впливу в процесі формоутворення і формоутворюючого устаткування, тобто необхідно розробити методологію системного підходу до високоточної механічної обробки.

У розділі 2 сформульовані принципи єдиного підходу до вивчення і оцінки ефективності використання систем обробки металів різанням для виготовлення високоточних деталей. Особливістю механообробного виробництва є неоднорідність структур і параметрів елементів, що входять у нього. До структурної неоднорідності систем механічної обробки металів різанням можна віднести наявність послідовної, паралельної, паралельно-послідовної обробки поверхонь на технологічних переходах, операціях і маршрутах обробки.

Процес обробки різанням у більшості випадків побудований на взаємодії ріжучого клина з оброблюваною поверхнею. Як відомо, будь-який процес механічної обробки різанням можна звести до безлічі елементарних технологічних процесів (ЕТП), що описують взаємодію ріжучого клину (РК) із елементарною поверхнею заготовки (ЕЗ), у результаті якого формується нова поверхня з наперед заданими властивостями (елементарна поверхня деталі ЕД):

(1)

При цьому розходження між інструментами складається лише в ступені концентрації клинів, їхній формі, розмірах, матеріалі ріжучої частини, фізико-механічних властивостях матеріалу інструмента.

Якщо розглядати деталь і заготовку як об'єднання безлічей елементарних поверхонь, то перетворення виду (З Д) є ні що інше, як по всіх оброблюваних поверхнях. Тоді модель ТСМ (1) можна представити у вигляді об'єднання моделей ЕТС: |

(2)

де j - номер ЕТС; KTi - розмір масиву ЕТС, що реалізують перетворення (з д); i - номер формованої ЕП; КП - розмір масиву оброблюваних поверхонь.

Таким чином, структурна модель технологічної системи обробки металів різанням (2) наочно показує можливість переходу від оцінки ефективності макросистеми з різними рівнями інтеграції до оцінки ефективності використання мікросистем (у нашому випадку - ЕТС) і зв'язків між ними. Така оцінка може бути виконана в тому випадку, якщо мікросистеми будуть однорідні (ізотропні), а їхні зв'язки - трансформуєми при переході від системи більше високого рівня до систем більше низького рівня (наприклад, від операції до переходу).

Основою ефективності будь-якої технологічної системи є зменшення співвідношення між витратами (у тому числі і енергетичними) процесу обробки і продуктивністю устаткування. У цьому контексті як критерії ефективності повинні розглядатися дві складові: енергетичні показники процесу обробки і часові показники його продуктивності.

Відповідно до теорії подібності і розмірностей ключовим у системі розрахунків енергетичних критеріїв є фізична взаємодія елементарної поверхні з елементарним різальним інструментом, в основі якого лежить принцип приведення характеристик будь-якої поліклинової системи механічної обробки різанням елементарної поверхні до одноклинової системи обробки.

Будь-які зміни ТСМ стосовно системи приведення повинні вести або до зміни довжини формованої поверхні LM’, або до зміни швидкості переміщення ріжучого клина VM’, або до зміни обох параметрів. Для обліку таких змін пропонуються коефіцієнти приведення по довжині обробки (Kпр) і швидкості (інтенсивності) формоутворення (KпрW). Для визначення окремих коефіцієнтів приведення характеристик ЕТС виконується аналіз моделі розрахунку параметрів ЕТС (ПМЕТС) (наприклад, швидкості різання при розрахунках Кпрw), у якій фіксуються значення всіх параметрів, що впливають на неї, а змінюється тільки та характеристика, для якої виробляється розрахунок коефіцієнта приведення:

(3)

де ПМЕТС - параметри ЕТС; ПМОТС - параметри одиничної технологічної системи (ETC).

В (3) значення характеристик відповідають значенням аналогічних характеристик ОTC (ХОТСk).

Вираження (4)

можна представити у вигляді , (5)

де KпрL – коефіцієнт, що враховує відмінність кінематики процесу знімання припуску у вихідній системі (М) у порівнянні із системою приведення (М’).

Тоді з врахуванням (5) для KпрL можна записати

. (6)

З врахуванням факторів процесу обробки (6) можна привести до виду

(7)

де - коефіцієнт приведення довжини переміщення ріжучого клина по шорсткості обробленої поверхні (Rz); - коефіцієнт приведення довжини переміщення ріжучого клина по радіусу при вершині різця в плані (r); - коефіцієнт приведення довжини переміщення ріжучого клина по глибині різання (t); - коефіцієнт приведення довжини переміщення ріжучого клина по передньому куті в плані ();

Таблиця 1

Характеристики системи одноклинової обробки,

використаної як система приведення

Дані оброблюваної поверхні | Дані різального інструменту | Дані технологічного процесу

Матеріал заготовки:

Сталь 45;

Rz= 10 мкм. | Матеріал ріжучої частини інструмента:

Р18 | Застосовуване устаткування:

повздовжно-стругальний верстат нормальної точності

Фізико-механічні характеристики матеріалу заготовки:

в= 655 МПа;

сж= 300 МПа;

НВ= 200;

л=48 Дж/(м·с·град);

З= 473 Дж/(кг·град);

= 7826 кг/cм3;

в= 0.19;

а= 0.094 мм;

b= 1.93 мм |

Фізико-механічні характеристики матеріалу ріжучої частини інструмента:

р=40.8 Дж/(мсград);

p=560МПа.

Нормативна розмірна стійкість інструмента:

Ти= 100 хв.

Геометричні параметри ріжучої частини інструмента:

R= 10 мм;

r= 1 мм;

= 450;

1= 150;

= 100;

= 100. | Жорсткість системи верстат - пристосування - інструмент - заготовка - середня.

Траєкторія руху інструмента - прямолінійна.

Обробка - однопрохідна.

Метод обробки - поздовжнє стругання.

Параметри процесу різання:

t= 1 мм;

S= 0.28 мм/дв.хід.

- коефіцієнт приведення довжини переміщення ріжучого клина по задньому куті в плані (1); - коефіцієнт приведення довжини переміщення ріжучого клина по кінематиці формоутворення (к); - коефіцієнт приведення довжини переміщення ріжучого клина по ймовірності зміни геометрії ріжучих клинів і нестаціонарності їхнього розподілу на поверхні інструмента.

Знаючи вихідну швидкість переміщення ріжучого клина (VM) уздовж напрямку зусилля PM і значення цього зусилля у вихідній системі обробки і системі приведення (PM, PM’), можна визначити еквівалентну швидкість переміщення ріжучих крайок інструмента в системі обробки (VM’), що приведена.

Позначивши відношення через - коефіцієнт приведення швидкості різання по енергетичних факторах процесу обробки, одержимо

(8)

Виконавши аналіз теплового балансу в зоні різання, визначаємо состав параметрів, що впливають на формування зусилля P, що дозволяє представити у вигляді добутку |

(9)

де - коефіцієнт приведення по теплоємності оброблюваного матеріалу (С); - коефіцієнт приведення по щільності оброблюваного матеріалу (о); - коефіцієнт приведення по теплопровідності оброблюваного матеріалу (); - коефіцієнт приведення по межі міцності оброблюваного матеріалу (в); - коефіцієнт приведення по відносному поперечному звуженню зразка оброблюваного матеріалу (в); - коефіцієнт приведення по шорсткості обробленої поверхні (Rz); - коефіцієнт приведення по теплопровідності матеріалу інструмента (р); - коефіцієнт приведення по розмірній стійкості інструмента (Ти); - коефіцієнт приведення по головному куті в плані (); - коефіцієнт приведення по допоміжному куті в плані (1); - коефіцієнт приведення по передньому куті ріжучого клина (); - коефіцієнт приведення по задньому куті ріжучого клина (); - коефіцієнт приведення по радіусі при вершині ріжучого клина в плані (r); - коефіцієнт приведення по радіусі закруглення ріжучого клина (R); - коефіцієнт приведення по глибині різання (t); - коефіцієнт приведення по кількості одночасно працюючих зубів інструмента (z); - коефіцієнт приведення по кінематиці різних методів обробки; - коефіцієнт приведення по твердості оброблюваної поверхні (НВ); - коефіцієнт приведення по ймовірності зміни геометрії ріжучих клинів і нестаціонарності їхнього розподілу на поверхні інструмента.

На етапі структурного приведення характеристик ТСМ, що складається з ЕТС, що утворюють паралельно-послідовні структури, визначені залежності сумарних приведених характеристик від послідовності їхнього впливу (ЕТС) на об'єкт обробки.

1. При паралельній обробці в ТСМ розрахунок наведених характеристик ЕTC виконується за схемою, представленої на рис.1.

2. При послідовній обробці в ТСМ розрахунок приведених характеристик ЕTC виконується за схемою, наведеної на рис.2.

Аналіз процесу зміни приведених характеристик ТСМ дозволив зробити наступні виводи.

1. При параметричній оптимізації ТСМ зменшення приведеної довжини різання веде до зменшення роботи формоутворення, а отже, відповідає збільшенню стійкості різального інструменту. Тоді в якості одного з локальних критеріїв оптимізації можна прийняти

(10)

2. Збільшення питомих витрат енергії (потужності різання) при збереженні продуктивності ТСМ, не нижче заданої, пропорційно приведеної інтенсивності формоутворення (Wnp). Тоді як локальний критерій оптимізації можна прийняти

(11)

3. Зменшення роботи формоутворення в системах механічної обробки в основному здійснюється за рахунок спрощення кінематики формоутворення і зменшення довжин переміщень різальних інструмент. Однак разом із цим, як правило, спостерігається ріст питомих витрат енергії на процес знімання металу. Тому є необхідною цільова функція, що враховує цю тенденцію. Як така функція використовується приведений час формоутворення (Tnp), що представляє собою відношення між роботою формоутворення (Lnp) і питомими витратами енергії на її реалізацію (Wnp). Тоді як глобальний критерій оптимізації можна прийняти

(12)

Комбінація критеріїв (10-12) дає можливість сформувати в термінах теорії технологічного приведення найпоширеніші завдання технологічного проектування: інтенсифікації виробництва і реконструкції виробництва.

Рис.2. Схема розрахунку приведених характеристик ТСМ

при паралельній обробці

Рис.2. Схема розрахунку приведених характеристик ТСМ

при послідовній обробці

У розділі 3 викладена методологія синтезу структури і вибору параметрів систем механічної обробки високоточних деталей. Формулювання математичної моделі синтезу структури технологічної системи механічної обробки групи елементарних поверхонь (ТСМ ГЕП) пов'язана з рядом обмежень, що накладають горизонтальними зв'язками між ТСМ ЕП (послідовністю обробки кожної поверхні) і вертикальними зв'язками ТСМ ЕП (взаємозв'язком між поверхнями в групі: розмірами, просторовим положенням) у процесі формування кожної з поверхонь у ГЕП. Ці обмеження сформульовані у вигляді правил взаємодії елементів системи обробки.

1. Групу елементарних поверхонь можуть формувати суміжні оброблювані поверхні або поверхні, що мають загальні елементи (осі, площини і т.д.):

(13)

де , - j-я і k-я оброблювані поверхні, що входять у ГЕП.

2. Різальний інструмент можна підвести до оброблюваної поверхні (зробити їх суміжними) якщо

-

-

(14)

де КП1 - кількість необроблюваних поверхонь до моменту початку переміщення різального інструменту.

17. При створенні системи обробки металів різанням необхідно синтезувати такі структуру і параметри, які дозволили б засобами ТСМ реалізувати на об'єкті обробки одне з обмежень формування параметрів ЭП при збереженні їхньої ієрархії, а процес обробки здійснювався б із продуктивністю, не нижче заданої:

(15)

де [x5] - мінімально припустима продуктивність обробки; - режими різання (продуктивність ТСМ) при обробці 1-й ЕП на m-м етапі; - різальний інструмент, використовуваний при обробці 1-й ЕП на m-м етапі; ТСМ1 - система обробки 1-й ЕП; ЕТСi,j ~ система обробки i-й ЕП на j-м етапі.

Процес синтезу планів обробки ГЕП можна представити у вигляді алгоритму (рис.3.).

Рис.3. Блок-схема синтезу раціональних варіантів обробки ГЭП

На етапі 1 формулюється вихідне завдання синтезу в термінах ТТП, після чого компонується блок проектних процедур, що реалізує рішення поставленого завдання. На етапі 2 виконується введення вихідних даних для проектування. Метою функціонування підсистеми уведення вихідних даних є створення масиву даних, що дозволяють забезпечити підсистеми проектування планів обробки ГЕП при мінімальних витратах на їхнє уведення, обробку і перевірку. На етапі 3 виконуються процедури, зв'язані: з генеруванням варіантів обробки ЕП у ГЕП і їхнім відсіюванням по конструктивним і технологічних обмеженням; з визначенням кількості і состава переходів обробки кожної ЕП і їхньої послідовності в процесі обробки ГЕП; з визначенням наведених характеристик ТСМ ГЕП по синтезованим параметрам технологічних переходів і відсіюванням тих варіантів, які не підходять по граничним критеріям; з ранжируванням варіантів обробки ГЕП, що залишилися, по ступені переваги їхнього застосування. На етапі 4 за вхідним даними етапу 3 виконується проектування елементів структури технологічного переходу обробки елементарної поверхні (вибір кінематики формоутворення, визначення структури переміщення інструмента в циклі обробки ГЕП і ін.); розрахунок припуску на обробку; оптимізація структури переходу залежно від параметрів процесу обробки (режимів різання) і різального інструменту. У ході виконання етапу 4 формуються вхідні дані для синтезу параметрів процесу обробки і оптимізації характеристик ріжучої частини інструмента. На етапі 5 виконується параметрична оптимізація технологічного переходу в сполученні зі структурно-параметричною оптимізацією ріжучої частини інструмента (вибором конфігурації ріжучих клинів, визначенням розмірів ріжучих крайок і фізико-механічних характеристик ріжучої частини інструмента). Результати роботи системи на цьому етапі дозволяють виконати структурно-параметричну оптимізацію ТСМ ГЕП на 3-м і 4-м етапах синтезу. На етапі 6 виконується макетування результатів розрахунків і формуються текстові і графічні технологічні документи.

У розділі 4 ставляться завдання розробки методології і розрахункового апарата технологічного аналізу, що рівноцінний установленню резервів підвищення техніко-економічної ефективності відповідних підрозділів машинобудівного виробництва з метою їхньої реалізації при модернізації або реконструкції. Такий аналіз при наявності синтезованого на основі розробленої раніше методології еталона для порівняння може стати потужним засобом установлення об'єктивних резервів удосконалювання машинобудівного виробництва (переділу механічної обробки) і шляхів їхньої реалізації до досягнення закладеного при розробці потенціалу.

У загальному випадку, резервами технологічних систем механічної обробки є: тпр - резерв техніко-економічної ефективності (технологічності) системи механообробки; wnp - резерв збільшення технологічного впливу при обробці деталі; wnpn - резерв збільшення технологічного впливу (інтенсивності обробки), схований у можливості поліпшення параметрів і структури технологічного процесу обробки; wnpo - резерв збільшення технологічного впливу за рахунок поліпшення характеристик або підвищення ступеня використання металорізального устаткування, що реалізує технологічний процес; Lпр - резерв підвищення технологічності заготовки і деталі; Lпрз - резерв підвищення технологічності заготовки; Lпрд - резерв підвищення технологічності деталі.

При формулюванні завдання аналізу необхідно виходити з того, що може розглядатися повний аналіз резервів, що полягають у структурі і параметрах технологічної системи механообробки, і часткове встановлення резервів підвищення техніко-економічної ефективності. У процесі повного аналізу виявляються резерви підвищення техніко-економічної ефективності системи в цілому, її елементів і зв'язків, які визначаються в порівнянні із "еталонним" (оптимальним) варіантом структури і параметрів технологічного впливу в процесі формоутворення; встановлюються окремі складові цих резервів, що залежать від удосконалювання технологічного процесу обробки і поліпшенням використання металорізального устаткування; розглядаються можливості і шляхи поліпшення використання виробничої площі; вирішуються завдання підвищення технологічності деталі і заготовки. При частковому аналізі характеристик і встановленні локальних резервів підвищення техніко-економічної ефективності технологічних систем механообробки розглядаються усічені завдання.

Аналіз резервів удосконалення технології і конструкції (технологічності) систем механообробки методами подібності полягає в порівнянні приведених характеристик систем і їхніх елементів, що можна виразити наступними співвідношеннями:

де характеристики з індексом “*” розраховані для технологічної системи механообробки, резерви якої аналізуються, а без індексів - для оптимального варіанта системи, обумовленого відповідно до постановки завдання аналізу і порівняння, що є еталоном для співвідношення.

Завдання аналізу, що поставлені, реалізовані у вигляді загальної структури, наведеної на рис.4.

Структура зображена у вигляді графа, вершиною якого служить аналіз структури технологічної системи механообробки набору поверхонь за критерієм Тпр, а гілками - аналіз ТСМ за приведеним часом обробки елементарних поверхонь або аналіз технологічності заготовки (оброблюваних поверхонь), деталі (оброблених поверхонь), устаткування і процесу. Отже, процедура аналізу може бути розділена на наступні підрозділи:

- структурний аналіз технологічної системи механообробки набору елементарних поверхонь;

- структурний аналіз оброблюваної заготовки і набору оброблених поверхонь;

- структурний аналіз технологічного процесу і реалізуючого його устаткування в рамках технологічної системи;

- структурний аналіз технологічних систем механообробки елементарних поверхонь, що містить у собі структурний аналіз заготовки і обробленої j-й поверхні і структурний аналіз процесу і устаткування для її формоутворення;

- параметричний аналіз i-го переходу обробки j-й поверхні, що включає аналіз заготовки і металорізального устаткування.

Розрахунковий апарат технологічного аналізу, суть якого складається у виявленні резервів підвищення техніко-економічної ефективності систем механообробки або їхніх елементів шляхом порівняння із синтезованим оптимальним варіантом, містить у собі підсистему синтезу, що може працювати у двох режимах: оптимізації характеристик ТСМ відповідно до поставленого завдання аналізу; приведення характеристик аналізованої технологічної системи механообробки. Для керування функціями підсистеми служить блок аналізу виконуваних функцій.

Дві наступні підсистеми здійснюють безпосередній аналіз досліджуваних характеристик технологічних систем механообробки на всіх рівнях. Ці характеристики можна розділити на дві групи: параметричні (режими обробки, переміщення); структурні (кількість інструментів, що обробляють, і способи їхнього об'єднання в наладки, позиції і т.і.).

Ціль параметричного аналізу можна визначити, як оцінку впливу зміни режимних характеристик і структури робочих циклів при формоутворенні діючої системи до рівня оптимальної ТСМ на критерії оптимальності, і виявлення найбільш ефективних засобів реалізації резервів.

Структурний аналіз вирішує завдання, пов'язані з ієрархічною побудовою системи обробки, і містить у собі:

- аналіз структур технологічної системи механообробки набору поверхонь (циклових втрат, ступеня відповідності оптимальній структурі, можливості реалізації резервів);

- аналіз різних структурних об'єднань інструментів типу налагодження або операційної станції (рівня концентрації, переходів, впливу концентрації і диференціації на синхронність роботи системи механообробки набору елементарних поверхонь, резервів підвищення техніко-економічної ефективності за рахунок зміни структури технологічної системи механообробки набору поверхонь);

- аналіз структур технологічних систем механообробки елементарних поверхонь.

Можлива також оцінка при використанні обмеженої інформації ефективності реально діючого проектного рішення, що являє собою скоріше стратегічне, чим тактичне завдання, тому що результати рішення можуть визначати генеральний напрямок удосконалювання всього виробництва.

Виходячи із цих загальних посилок сформульовані вимоги до системи експрес-аналізу, що базується на оцінюванні приведених характеристик технологічних систем механообробки статистичними методами.

Система оцінок, прийнятих на різних ієрархічних рівнях технологічних рішень, заснована на порівнянні технічних і економічних показників. Такий підхід дозволив розробити загальну структуру завдань експрес-аналізу (рис.5), які можна розділити на дві самостійні групи:

- прогнозування вдосконалення характеристик на основі порівняння з оптимальними значеннями;

- укрупнений аналіз характеристик діючих технологічних систем механообробки різних ієрархічних рівнів.

Методика експрес-аналізу передбачає дослідження конкретного виробництва, і у зв'язку із цим містить у собі наступні етапи:

- збір і обробку статистичної інформації про технологічні системи механообробки в діючому виробництві;

- аналіз зв'язків приведених і натуральних характеристик;

- алгоритмізацію послідовності розрахунків приведених і економічних характеристик;

- експрес-аналіз приведених і економічних характеристик конкретних технологічних систем механообробки.

У розділі 5 розглядається методологія технологічного прогнозування в точному машинобудуванні.

Оцінки технології, проведені з метою виявлення її потенціалу, неможливі без розуміння еволюції технологічного встаткування або технологій у часі й прогнозування їхніх нових параметрів якості. Метою технологічного прогнозування є визначення на перспективу змін споживчих властивостей виробів, технологічних процесів й устаткування, а також адекватних змін у витратах на виробництво.

Рис.5. Структура завдань

експрес-аналізу технологічних систем механообробки

Економічні труднощі перехідного періоду до ринкової економіки 1991 - 2002 послабили традиційно існуючі можливості щорічного відновлення високотехнологічного устаткування в межах 10-15 одиниць через гострий недолік оборотних коштів. Аналіз стану заводського верстатного парку виявив зношування технологічного устаткування до 80%. Прийняті заходи для його капітального ремонту дають певні результати, однак, як показала практика, відновити його технологічну працездатність, а тим більше додати йому можливості сучасного не представляється можливим.

Виконане технологічне прогнозування на основі аналізу S-кривих засновано на відомих закономірностях, по яких технологія або технологічне устаткування, що виведені на ринок, мають певний цикл життя, у рамках якого їхня частка росте спочатку повільно, потім швидко, а потім перестає рости та/або починає зменшуватися. Модель S-кривої може бути застосована не тільки до появи нового обладнання, але і до швидкості поширення та використання нових технологій або до параметрів нової технології. Найбільш значимою користю цього методу є нагадування про те, що збільшення технологічних параметрів (точності, продуктивності) не може бути нескінченним.

Аналіз тенденцій основних характеристик універсальних верстатів, вироблених до 1990 р., показав, що зміна технологічних характеристик приводів універсальних токарно-гвинторізних верстатів (типу 16К20, ИЖ-250 та ін.), вертикально-свердлильних верстатів (типу 2А125, 2А135 й ін.), вертикально-фрезерних верстатів (типу 6Н12, СФ250 й ін.), свердлильно-фрезерно-розточувальних (типу 2А636Ф1, КРС24ДО40 й ін.) за період 1960-1990 р.р. (рис.6) із продовженням тенденцій на наступні 15-20 років не завжди погодиться з параметрами приводів сучасних верстатів. Так, максимальні частоти обертання шпинделів сучасних верстатів значно перевищують ті значення, які показують тренди після 1990 року. Це пов'язане із загальною тенденцією переходу на швидкісне різання як фактора, у тому числі, підвищення точності обробки.

Проведений у роботі аналіз металорізальних верстатів по приведеним характеристикам (приведена потужність на одиницю об'єму робочої зони, енергооснащеність верстата) показав збіг тенденцій до їхньої зміни (рис.7) з тенденціями зміни натуральних характеристик устаткування. Ретроспективний аналіз технологічних характеристик устаткування із прогнозуванням їхніх змін повинен виконуватися з використанням S-кривих, про що красномовно говорять пунктирні лінії на наведених діаграмах.

Експертний аналіз вимог до точності (підвищення на 1-2 квалітету) і якості об'єктів виробництва та зіставлення їх з можливостями технологічного встаткування в середині 90-х років привів, наприклад, до заміни обробних центрів другого покоління «Horison»-2 на верстати четвертого покоління «Horison»-500. Виробнича ситуація 2003-2005 р.р. зажадала поряд з підвищенням точності, вирішувати проблему підвищення продуктивності і скорочення витрат електроенергії. На основі зіставлення характеристик верстатів (рис.8) було ухвалене рішення про заміну обробних центрів третього покоління MCFH-40 на обробний центр 5-го покоління «Hermle» C800U. Очевидно, наступне покоління обробних центрів буде мати максимальні частоти обертання шпинделя в межах 20000-30000 об/хв та забезпечувати точність позиціювання в межах 2-3 мкм.

Для виконання завдань технічного переозброєння керівництвом заводу розроблена стратегія відновлення верстатного парку, за допомогою щорічного придбання до 3-х - 5ти одиниць високотехнологічного та високоефективного устаткування, поступового виводу з технологічного циклу застарілого. З 2002р. по 2007р. на заводі впроваджено 9 верстатів нового покоління, що значною мірою допомогло вирішити кілька технологічних проблем одночасно. Наприклад, обробка виробу сучасного покоління - деталі типу «кожух» за традиційною технологією на устаткуванні 2-3 покоління зажадала б використання 9 одиниць фрезерних, свердлильних, координатно-розточувальних, різьбонарізних верстатів; залучення висококваліфікованих верстатників; сумарного часу обробки близько 800 хвилин. Перехід на нову технологію і придбання обробного центру п'ятого покоління "Picomax-60" дозволили виконувати всю обробку на одному верстаті за 42 хвилини; підвищити якість обробки на 1-2 квалітету; скоротити витрата електроенергії до 40%.

В разделе 6 виконані експериментальні дослідження і моделювання вибору структури та параметрів системи високоточної механічної обробки.

Для аналізу діючого виробництва розроблена методика, що базується на імітаційному моделюванні його організаційно-технологічної структури та реалізує моделі и методики, які викладені в розділах 1-5. У якості вихідних даних використані: структура и параметри ділянки обробки виробу; параметри устаткування і технологічного процесу; параметри транспортно-накопичувальної системи; виробниче завдання. Розробка модернізованого технологічного процесу реалізована в АСТПП «ТехноПро» у кілька етапів (рис.9): на основі алгоритмів, наведених у розділі 3, формуються умови обробки з використанням внутрішньої мови системи «ТехноПро» (1) і заносяться в базу її умов (4); отримана інформація використовується як критерії формування структури и параметрів переходів (2) и операцій (5).

Виходячи із