CC BY
144
УДК 658.512-52+681.3.06.+621.002.2+378.016
Ю. А. Мокрушин, В. Ю. Шамин
НЕОБХОДИМОСТЬ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ
Аннотация. Рассмотрены вопросы совершенствования проектирования технологических процессов в машиностроении за счет проверки обеспечения технологией точности изготовления деталей методами автоматизированного размерного анализа.
Ключевые слова: технологичность, документация, чертеж, анализ, синтез, размерные связи, технологический контроль, изделие, контроль, размерноточностной.
Y. A. Mokrushin, V. Y. Shamin
NECESSITY OF IMPROVING TECHNOLOGICAL PROCESS PLANNING IN MACHINE BUILDING
Abstract. The article considers the issues of machine building technological processes improvement via the technology of precision manufacturing of details by means of automotive dimension analysis.
Key words: manufacturability, documentation, drawing, analysis, synthesis, dimensional links, technological control, product, operation, notice, monitoring, dimen-sion-and-accuracy.
Введение
Разработка проектного варианта технологического процесса (ТП) - это решение многих взаимосвязанных задач, при исследовании которых приходится учитывать:
- служебное назначение детали в узле изделия и условия ее эксплуатации;
- технические условия на изготовление детали и изделия;
- способ (метод) получения и характеристики исходной заготовки (габаритные размеры, толщина стенок, материал и его твердость, наличие прибылей и уклонов, напусков и т.п.);
- организационно-производственные факторы (программа выпуска, сроки освоения, время выпуска и др.);
- факторы, связанные с работой цехов-смежников (термических, гальванических, сборочных и т.д.).
Кроме того, разработчик должен обеспечить минимальные затраты средств и материалов, транспортных перемещений, предусмотреть возможность автоматизации и концентрации обработки, обеспечить синхронизацию операций.
Выполнение технологией требований чертежа детали
Для нормального функционирования изделия маршрут ТП должен обеспечить выполнение технических требований чертежа детали и сборки
(точность размеров, шероховатость и пространственное расположение поверхностей). Эти условия не всегда удается выполнить без предварительного построения конструкторских и технологических размерных схем и расчета окончательных и промежуточных операционных размеров от чертежа детали до исходной заготовки, расчета глубин резания и их колебаний, длин рабочих ходов суппорта с заготовкой или режущего инструмента и т.д.
Поиск варианта технологии, обеспечивающего качество и экономичность изготовления деталей на основе оптимизации размерно-точностных связей, требует нахождения оптимальных технологических параметров. На данном этапе решается главный вопрос - технологическое обеспечение технических условий на изготовление детали. При этом удовлетворяются следующие условия:
1) сумма операций и переходов по всему ТП должна быть минимальной:
— тт;
2) сумма числа звеньев в размерной цепи, где замыкающее звено - припуск, должна быть по возможности равна 3 (размер на предыдущей операции, размер на данной операции, между ними припуск). Оптимальный ТП будет состоять из таких элементарных технологических блоков, при этом конструкторские, технологические и измерительные базы будут совпадать:
Цщ —— 3;
3) сумма операционных припусков должна быть минимальной:
— тт,
4) сумма допусков операционных размеров, составляющих звеньев в цепи на замыкающий конструкторский размер не должна превышать допуск этого размера:
[Та] > ХТ,
На данном этапе решаются вопросы технологической обеспеченности (этот термин мы вводим в практику проектирования технологических процессов и в отработку на технологичность наравне с другими, как, например, технологичность, точность, экономичность и т.п.), т.е. ведется проверка обеспечения технических условий на изготовление детали предложенными технологическими маршрутами и оптимизацией размерных связей на чертежах деталей, заготовок и технологических эскизах. Эти расчеты ведутся столько раз при корректировании исходных данных, пока не будут удовлетворены технические условия чертежа на изготовление. Если изменения исходных данных не дают положительного результата, то пересматривается маршрут обработки, структура операций, готовятся предложения и рекомендации конструктору для корректирования рабочих чертежей по более технологичной простановке размеров. Следует отметить, что данную работу желательно выполнять до окончательного утверждения рабочих чертежей на изделие (рис. 1), а для чертежа заготовки на данном этапе формируется сетка размеров, благоприятная для выполнения соответствующего маршрута обработки.
Распечатки размерных расчетов, подтверждающие технологическую обеспеченность технических условий на изготовление деталей вместе с чер-
тежом детали, в дальнейшем должны быть основой для разработки операционной технологии.
Рис. 1. Этапы проектирования ТП на основе оптимизации размерно-точностных связей
2. Значение технологических размерных расчетов
Без расчета технологических размерных схем по отдельным проекциям чертежа детали невозможно учесть все требования, предъявляемые к ТП для обеспечения им качества изготовления детали. И это выявляется уже только при изготовлении установочных партий детали, что во многих случаях требует корректирования промежуточных и окончательных операционных размеров. А изменение операционных размеров приводит к повторному проектированию и изготовлению, уже в аварийном режиме, дополнительной технологической оснастки.
3. Внедрение размерных технологических расчетов на промышленном предприятии
На одном из передовых предприятий отрасли был проведен следующий эксперимент. Для оценки качества проектных технологических решений при
освоении нового изделия в одном из технологических бюро были подобраны группы деталей, в которые вошли: валы, крышки, корпуса, ступицы, штуцера, кулачки, поршень и другие детали. Разработку маршрутов ТП одновременно выполняли два коллектива технологов. Первый коллектив не владел методикой технологических размерных расчетов. Второй коллектив специалистов разрабатывал процессы с построением и расчетом технологических размерных схем. Каждый из технологов группы разрабатывал по три маршрута ТП. Весь комплекс проводимых работ был разбит на отдельные этапы. Фиксировалось время выполнения этапов по существующей на данном предприятии методике. Анализ результатов показал, что разработка процессов с размерными расчетами потребовала большего времени на выполнение следующих этапов работы:
а) изучение и анализ различных маршрутов ТП - на 50 %;
б) построение размерных схем, кодирование и технологический контроль исходной информации размерной схемы - на 25 %;
в) проведение ручных и автоматизированных размерных расчетов -на 25%.
Затраты времени на размерные расчеты составили от 8 до 95 мин на одну деталь, что связано со сложностью чертежа детали и маршрута ТП. Но при этом ни один из разработанных маршрутов процесса не потребовал доработки при его освоении.
Маршруты ТП, разработанные без размерных расчетов, при их освоении потребовали дополнительных затрат на проектирование и ускоренное изготовление технологической оснастки, непредусмотренной первоначальным проектом. Все это привело к удорожанию подготовки производства новых изделий и увеличению сроков их освоения.
Использование методики проектирования ТП на основе построения и расчета размерных схем с последующей оптимизацией размерных связей [1-6] позволяет перенести решение многих производственных вопросов со стадии освоения на стадию проектирования, где устранение недоработок ТП требует гораздо меньших затрат. При этом успешно решаются следующие задачи:
- рассчитываются размеры исходной заготовки от минимально необходимых припусков, что обеспечивает сокращение расхода материала;
- спроектированные ТП состоят из минимально необходимого количества операций, технологических переходов и рабочих ходов, что снижает трудоемкость изготовления изделий;
- при освоении ТП требуется минимальная корректировка полученной размерной информации или она не потребуется совсем;
- маршрут ТП стабильно гарантирует качество и экономичность изготовления и отсутствие брака по вине технолога.
4. Автоматизация технологических размерных расчетов
Разработка ТП без использования программ автоматизированного построения и расчета размерных цепей - очень трудоемкая задача. Несмотря на некоторое увеличение трудоемкости при анализе и расчете размерных цепей применение ЭВМ позволяет значительно сократить сроки проектирования ТП, повысить качество проектируемых процессов и добиться экономии материальных и трудовых ресурсов.
Известно много графических пакетов, позволяющих вести выполнение чертежной документации на вычислительных машинах, которые совместимы с IBM-XT-AT. Среди них «AutoCAD», «Design View», «MEDUSA», «Personal Designer», «TopCAD», «CheryCAD» и др. Пакеты предназначены для конструкторского проектирования (выполнение чертежной документации) и дизайнерских работ (контрольные прочерчивания, трехмерная графика, параметризация). Для условий действующего производства все пакеты сложны в использовании, и не все из них позволяют снимать с чертежа (или подготовить) полную информацию о промежуточных и окончательных размерах. Если ввод номинальных значений еще имеет место, то ввод допуска и предельных отклонений и, тем более, отклонений формы и расположения поверхностей требует дополнительных средств математического обеспечения, что приводит к англоязычности исходных текстов программ и увеличению сложности прикладных пакетов.
Большую помощь разработчикам оказывает компьютерный технологический редактор типа «MAKEPIC», который был разработан для достижения главной цели технологического проектирования - обеспечения качества изделия и его деталей, создания иллюстраций ТП (операционных эскизов). В этом редакторе заводской технолог свободно выполняет чертежные работы и не заботится о размерах и точности. Но это относится только к первому этапу его работы. Для размерного анализа и синтеза необходимо проставить размерные линии связей в уже подготовленные эскизы, задав нужные номинальные значения размеров и их точность, в том числе пространственные погрешности.
Поскольку заготовка на технологических эскизах часто изображается в различных проекциях, то появилась потребность фиксации положения заготовки на эскизах относительно координатных направлений и размеров чертежа детали. Для этого условия была реализована новая концепция описания геометрии эскиза - наложение на предварительный эскиз точных размеров. Такой подход формирования графики в технологическом проектировании представляется перспективным, так как обеспечивает простой ввод графического изображения заготовки и задание только необходимого минимума выполняемых размеров с исчерпывающими размерными характеристиками.
5. Подготовка данных для автоматизации технологических расчетов
Подготовка данных о размерных связях с использованием технологического редактора «MAKEPIC» производится на экране монитора в следующей последовательности:
а) ввод чертежа детали. На этом этапе пользователь вводит чертеж детали, используя редактор «MAKEPIC». Редактор прост в использовании, обладает высокой компактностью графического векторного формата, имеет встроенные готовые графические технологические элементы (блоки). Если чертеж подготовлен ранее конструктором в редакторе «AutoCAD», то имеется возможность импорта в формат «MAKEPIC». В процессе вычерчивания на экране монитора нет необходимости соблюдать размеры. Графические изображения выполняются методом «эскизирования»;
б) ввод чертежа исходной заготовки. Чертеж заготовки формируется на экране с использованием уже введенной графической информации о детали;
в) ввод операционных эскизов. Производится аналогично вводу чертежей.
После ввода чертежей и технологических эскизов возможен их оперативный просмотр в разнообразных режимах (по отдельности каждый, в комплекте: «текущий эскиз - заготовка - деталь», уменьшенное изображение в виде слайда, а также их вывод на печатающее устройство). Практически после выполнения второго этапа подготовлен комплект эскизов для оформления документации на ТП. Технолог может ограничиться этим, не выполняя последующие этапы. Таким образом, система не навязывает технологу лишней работы по вводу точных размерных связей, если этого ему не требуется на данный момент.
Введенная графическая информация последовательно (чертежи и эскизы по отдельности) захватывается специальной программой, с помощью которой идет подготовка списка размерных связей по выбранным координатным направлениям для размерного расчета. Последовательное продвижение по чертежам и эскизам ведет программа-менеджер. Она же загружает по необходимости редактор «MAKEPIC», визуализаторы графики и программу подготовки размерных связей. Программой подготовки размерных связей предусмотрена привязка введенной операционной сетки размеров по всему ТП к координатам чертежа детали, так как на операционных эскизах заготовки часто по-разному ориентированы относительно координатных осей детали. После пооперационной подготовки списка размерных связей производится автоматическое слияние данных о размерных связях детали, исходной заготовки и операционных эскизов по каждому координатному направлению в единый файл, готовый для проведения размерного анализа. Трудоемкость выполнения всех видов работ, связанных с проектированием ТП на основе оптимизации размерно-точностных связей, несколько увеличивается по сравнению с существующей методикой, однако тот труд, который затратит технолог на стадии проектирования, многократно окупится при внедрении ТП в действующее производство.
Заключение
Таким образом, разработки теоретических основ размерного анализа и синтеза ТП в машиностроении получили практическое и программное развитие.
В Южно-Уральском государственном университете (ЮУрГУ) разработан учебно-методический комплекс (УМК) и пакет прикладных программ (ППП) новой дисциплины ОПД.Р.02 «Размерно-точностное проектирование и обеспечение технологичности изделия» [4, 5]. В ЮУрГУ и в учебных центрах промышленных предприятий ведется подготовка специалистов по новой дисциплине применительно к условиям действующего производства и с использованием компьютерной версии «ППП УМК «Druza»1.
Российская промышленность остро нуждается в таких специалистах и готова принимать в конструкторско-технологические службы предприятия выпускников высших и средних учебных заведений, владеющих теорией и практикой размерных расчетов.
1 http://www.board74.ru/machine/28.html
Список литературы
1. Мокрушин, Ю. А. Проектирование и технико-экономический анализ технологических процессов / Ю. А. Мокрушин, А. А. Костицина ; под общ. ред. Ю. А. Мокрушина. - Ижевск : Удмуртский университет, 2000. - 313 с.
2. Мокрушин, Ю. А. Экономическое значение автоматизации размерноточностных расчетов при проектировании технологических процессов в машиностроении / Ю. А. Мокрушин, В. Ю. Шамин // Изв. Челяб. науч. центра УрО РАН. -2009. - № 1 (43). - С. 26-30
3. Mokrushin, Ju. A. The economic significance of automatization in measure-precise calculations at the designing of technological processes in machine-building / Ju. A. Mokrushin, V. Ju. Shamin // Изв. Челяб. научн. центра УрО РАН. - 2009. -№ 1 (43). - С. 52-56.
4. Шамин, В. Ю. Теория и практика решения конструкторских и технологических размерных цепей : учеб. пособие. / В. Ю. Шамин. - 4-е изд., перер. Челябинск : Изд-во ЮУрГУ, 2005. - 530 с.
5. Шамин, В. Ю. Теория и практика размерно-точностного проектирования: монография / В. Ю. Шамин. - Челябинск : Изд-во ЮУрГУ, 2007. - 520 с.
6. Шамин, В. Ю. От рабочего станочника до профессионала машиностроителя : учеб.-метод. комплекс новой дисциплины / В. Ю. Шамин // Изв. Челяб. научн. центра УрО РАН. - 2009. - № 1 (43). - С. 41-46.
References
1. Mokrushin, YU. A. Proyektirovaniye i tekhniko-ekonomicheskiy analiz tekhno-logicheskikh protsessov / YU. A. Mokrushin, A. A. Kostitsina ; pod obshch. red. YU. A. Mokrushina. - Izhevsk : Udmurtskiy universitet, 2000. - 313 s.
2. Mokrushin, YU. A. Ekonomicheskoye znacheniye avtomatizatsii razmerno-tochnostnykh raschetov pri proyektirovanii tekhnologicheskikh protsessov v mashino-stroyenii / YU. A. Mokrushin, V. YU. Shamin // Izv. Chelyab. nauch. tsentra UrO RAN. - 2009. - № 1 (43). - S. 26-30
3. Mokrushin, Ju. A. The economic significance of automatization in measure-precise calculations at the designing of technological processes in machine-building / Ju. A. Mokrushin, V. Ju. Shamin // Izv. Chelyab. nauchn. tsentra UrO RAN. - 2009. -№ 1 (43). - S. 52-56.
4. Shamin, V. YU. Teoriya i praktika resheniya konstruktorskikh i tekhnologicheskikh razmernykh tsepey : ucheb. posobiye. / V. YU. Shamin. - 4-ye izd., perer. Chelyabinsk : Izd-vo YUUrGU, 2005. - 530 s.
5. Shamin, V. YU. Teoriya i praktika razmerno-tochnostnogo proyektirovaniya: mo-nografiya / V. YU. Shamin. - Chelyabinsk : Izd-vo YUUrGU, 2007. - 520 s.
6. Shamin, V. YU. Ot rabochego stanochnika do professinala mashinostroitelya : ucheb.-metod. kompleks novoy distsipliny / V. YU. Shamin // Izv. Chelyab. nauchn. tsentra UrO RAN. - 2009. - № 1 (43). - S. 41-46.
Мокрушин Юрий Андреевич
доктор технических наук, профессор, кафедра экономики, Удмуртский государственный университет (г. Ижевск, ул. Университетская, 1)
E-mail: mokrushin@inem.uni.udm.ru
Mokrushin Yury Andreevich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of economics, Udmutriya State University (Izhevsk,
1 Universitetskaya str.)
Шамин Владимир Юрьевич
кандидат технических наук, профессор кафедра технологии машиностроения, Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск, просп. Ленина, 7б)
E-mail: svu@susu.ac.ru
УДК 65S.512-52+6S1.3.06.+621.002.2+37S.016 Мокрушин, Ю. А.
Необходимость совершенствования проектирования технологических процессов в машиностроении / Ю. А. Мокрушин, В. Ю. Шамин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 1 (25). - С. 123-130.
Shamin Vladimir Yuryevich Candidate of engineering sciences, professor, sub-department of machine building technology, South Ural State University (Chelyabinsk, 76 Lenina ave.)
