CC BY
124
Kozlovskiy Vladimir Nikolayevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair Kozlovskiy- 76@mail. ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Panyukov Dmitry Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, dip-home@yandex. ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Gafarov Roman Rinatovich, junior researcher, gafarov01@gmail. com, Russia, Samara, Samara State Technical University
УДК 67.05; 621.91.02 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-3-219-226
ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО: ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ РЕШЕНИЯ
В.В. Истоцкий, С.В. Юдин
Рассматривается ведущая роль инструмента в эффективности машиностроительного производства. Показаны недостатки в современной системе инструментального обеспечения предприятий машиностроительной отрасли. Предложена система инструментального обеспечения в вертикально-интегрированной структуре с использованием АСУ ТП и систем менеджмента качества. Рассмотрены задачи инструментального производства в рамках общей структуры, отмечены особенности инструментального производства, его проблемы и намечены пути их решения.
Ключевые слова: вертикально-интегрированная структура, инструментальное обеспечение, АСУ ТП, система менеджмента качества, машиностроение.
Роль инструмента в современном машиностроении огромна. Ведущий советский ученый И.И. Семенченко [1] отмечал, что инструмент предопределяет технологический процесс, выбор оборудования, а нередко даже и саму форму важнейших элементов конструкции деталей.
В работе В.Ф. Боброва [2], по которой изучалась теория резания металлов в СССР, доказано, что инструментальные материалы, допускающие увеличение скорости резания, например, быстрорежущие стали, твердые сплавы, эльборы и искусственные и натуральные алмазы потребовали от станкостроителей новых станков, которые могли бы реализовать эти возможности.
Нетрудно проследить еще одну закономерность - простой по конструкции инструмент для эффективной эксплуатации требует сложной системы кинематических подач. Сложный инструмент, например, протяжка, обрабатывает поверхности при использовании одного движения - перемещения относительно обрабатываемой поверхности в одном направлении.
В порядке шутки, в которой есть существенная доля истины, отметим, что студенты Тульского механического института еще в шестидесятые годы прошлого века, прославляя инструмент, пели: «Дикий примат как-то стал человеком, в руку схватив инструмент».
Современное машиностроение отличается многообразием обрабатываемых материалов, среди которых жаропрочные и нержавеющие стали, пластмассы, армированные углепластики и кевлары.
Для обработки таких материалов требуются особые, эксклюзивные инструменты и научно обоснованные режимы резания, удовлетворяющие условиям производительности и нормам стойкости и вариабельности.
Состояние отечественного инструментального производства не заслуживает положительной оценки [3, 4]. Для исправления этой ситуации необходимы решения на государственном уровне. Отдельные теоретические исследования [5] не меняют положение дел, но создают предпосылки для исправления ситуации.
Особую роль занимает вопрос инструментального обеспечения производства в вертикально-интегрированных структурах ОПК, в состав которых входит, как правило, несколько десятков предприятий машиностроительного профиля, выпускающих разнородную (по сложности, используемым материалам, требованиям по точности) продукцию и оснащенных различным оборудованием. В этих условиях вопрос реализации централизованного инструментального обеспечения приобретает не только техническую, но и экономическую актуальность.
Инструментальное обеспечение производств должно отличаться квалифицированным персоналом, который способен принимать правильные решения, как при приобретении, так и при изготовлении инструментов в условиях конкретных производств.
Необходимо учитывать, что инструменты относятся к объектам двойного назначения и их приобретение за рубежом несет определенные риски, которые нежелательны.
Оборонные предприятия, входящие в вертикально-интегрированные производственные структуры [6] при организации инструментального обеспечения должны учитывать перечисленные выше особенности, иначе трудно ожидать их стабильного труда, и тем более прорывов в экономической деятельности, к которым призывает производственников и ученых Президент РФ.
Для определения рациональной структуры инструментального обеспечения производства воспользуемся диаграммой, приведенной в [7] и показанной на рис. 1.
Диаграмма позволяет выявить недостатки процесса изготовления и приобретения инструмента путем установления логических связей и нарушений при их взаимодействии.
Диаграмма составлена для производства фасонных твердосплавных инструментов, которые по уровню сложности изготовления могут играть роль обобщающего объекта.
Определим задачи, методическое обеспечение и структуры инструментального производства, необходимые для его успешного функционирования, взяв за основу группы диаграммы сродства (рис. 1), и для этого подробно рассмотрим содержание каждой из них.
Группа 1. Технологическое оборудование с ЧПУ
1.1. Наличие оборудования для формирования рабочей части и инструмента в целом в соответствии с требованиями чертежа.
1.2. Наличие и обеспечение работоспособности оборудования для профилирования и восстановления работоспособности инструментов второго порядка (шлифовальных кругов) - тех, которые используются для изготовления инструментов первого порядка в соответствии с выполняемыми заказами.
Группа 2. Инструменты второго порядка
Система обеспечения, хранения, приобретения инструментов второго порядка.
Группа 3. Моделирование процесса формирования режущей части
Для решения данной задачи необходимо наличие математического обеспечения проектирования инструментов с использованием систем 3Б проектирования, 3Б аналогов технологического оборудования и аналитических методов расчета выходных эксплуатационных параметров.
3.1. Построение обобщённой математической модели.
3.2. Выбор математического аппарата для решения кинематической задачи.
3.3. Разработка математического аппарата для анализа состояния режущего инструмента.
1. Технологическое оборудование с ЧПУ
. Инструменты второго порядка
3. Моделирование процесса формирования режущей части
1.1
1.2
Технологическое оборудование для формирования режущей части инструментов с фасонной производящей поверхностью и винтовой режущей кромкой
/—
"Л
Технологическое оборудование
для формирования производящей поверхности инструмента второго порядка и восстановления его свойств
Ч_У
4. Автоматизированная подготовка УП
4.1' Траектория перемещения рабочих органов технологического оборудования для формирования стружечных канавок фасонных инструментов и их заточка
4.2
Система автоматизированной
подготовки управляющих программ (расчета траекторий перемещения рабочих органов оборудования)
Инструменты второго порядка (шлифовальные круги) максимально простой формы для формирования стружечных канавок и заточки режущей „__кромки__,
3.1
3.2
5.1
ТЕХНИЧЕСКОЕ СОВЕРШЕНСТВО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
5. Оценка технического совершенства
Система проверки САМ методами правильности и состоятельности математического аппарата и режущего инструмента
ь
5.2
Математический аппарат для визуального анализа правильности и состоятельности режущего инструмента
Обобщенная математическая модель с признаками фасонного инструмента с режущей кромкой в виде винтовой линии аксиально-радиально переменного шага
Математический аппарат для решения кинематической зэдач1 для обобщенной модели
3.3
Математический аппарат для 4 аналитического анализа состоятельности режущего инструмента
с обобщенной производящей поверхностью и режущей кромкой в виде винтовой линии у
6. Эксплуатация инструмента
6.1
6.2
Переточка режущих поверхностей
Получение заготовок
6.3
Нанесение износостойких покрытий
Рис. 1. Диаграмма сродства составляющих инструментального производства
Группа 4. Автоматизированная подготовка управляющих программ (УП)
4.1. Определение траектории перемещения рабочих органов технологического оборудования.
4.2. Подготовка управляющих программ для технологического оборудования
Группа 5. Оценка технического совершенства
5.1. Проверка САМ-методами, как математического аппарата, так и рассчитанного инструмента
5.1. Визуальная проверка с использованием 3Б моделей.
Группа 6. Эксплуатация инструмента
6.1. Переточка режущих поверхностей.
6.2. Получение заготовок.
6.3. Нанесение износостойких покрытий.
В этой группе происходит уточнение режимов эксплуатации инструментов в производственных процессах, определяются технологии и периодичность переточки режущих инструментов и нанесения износостойких покрытий.
Такая структура приведена на рис. 2.
Позиция 1 пояснений не требует. Централизованное производство (позиция 2) представляет собой, в зависимости от объемов выпуска инструмента и его номенклатуры, инструментальный завод, цех или участок, в котором сосредоточено самое современное оборудование. Производство обслуживается проектно-аналитическим бюро (позиция 5), которое содержит штат высококвалифицированных специалистов, способных проектировать инструменты самыми современными методами с использованием передовых технологий. Это же бюро оказывает консультации как цехам и участкам централизованного производства (позиция 4), так и инструментальным производства предприятий ВИС (позиция 3).
АСУ ТП и СМК объединены в одно подразделение, поскольку решают общую задачу, и СМК, без сотрудничества с АСУ ТП, неэффективна.
Важным является то, что на АСУ ТП возлагается задача учета наличия и текущего расхода инструментов, что позволяет проектно-аналитическому бюро (позиция 5) по фактическим данным оценивать техническое совершенство инструментов и при необходимости подтверждать результаты оценки испытаниями (позиция 6).
Специализированные цеха, участки и т.п. (позиции 8, 9, 10) используют результаты труда вышестоящих подразделений, и ставят перед ними задачи по снижению уровня дефектности и повышению технического совершенства инструментов.
Представленная на рисунке 2 структура инструментального производства минимизирована по числу подразделений, имеет централизованное управление, использует возможности современных АСУ ТП и достижения систем менеджмента качества.
Для конкретизации задач логистики воспользуемся условными обозначениями.
Запись 1—>2—>3—>7 означает, что позиции 2, 3 и 7 получают от 1 информацию в обязательном порядке, а затем в позиции 7 полученная информация регистрируется, обрабатывается и анализируется, и с течением времени оценивается по результативности.
Связи 2-3-4-5-6 реализуются выборочно в случае, если информация касается только централизованного производства, а связи 3-8-9-10 используются также выборочно в ситуациях, когда информация необходима инструментальным производствам предприятий, входящих в ВИС.
* - подчиненность определенному руководителю определяется структурой ВИС
Рис. 2. Структура инструментального обеспечения вертикально интегрированной структуры ОПК
В таком же порядке используются обратные связи, но во всех случаях информация передается и анализируется в АСУ ТП, а при необходимости и в СМК.
АСУ ТП (поз. 7) является ключевым элементом всей структуры и все без исключения задачи по ранее определенным четырем направлениям решаются с ее участием, особенно разделы 2.1, 2.2, 3.5, постепенно расширяя объемы своего участия.
Эта же позиция включает систему менеджмента качества - это не головная, но централизованная структура, задачи которой определены мастером качества Г. Тагути [8]:
- определять куда, когда и какими силами направлять инвестиции;
- определять критерий сигнал/шум для оценки качества продукции.
Задачи 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 4.1 в первую очередь решаются проектно-аналитическими бюро (поз. 5) в соответствии с требованиями производства всей ВИС.
В позициях 1, 2 и 3 умышленно не показаны подразделения экономического и социально-бытового направлений: они, по нашему мнению, должны иметь связь с АСУ ТП для получения информации и подчиняться руководству подразделений 1 2, 3 в соответствии с традиционными принципами.
Важным является вопрос соотношения между численностью персонала руководящего и производственного секторов в структуре объектов инструментального обеспечения производств. Опыт зарубежных и передовых отечественных предприятий показывает, что рациональное соотношение составляет 1 руководитель к 25...30 подчиненным, изменение в любую сторону нежелательно, поскольку ведет к снижению экономической эффективности предлагаемой схемы централизованного инструментального производства.
Главным элементом современного производства, в том числе инструментального, обеспечивающего до 90% успеха, является стабильный и низковариабельный технологический процесс [9].
Ниже приведены его признаки и особенности, применительно к рассматриваемому производству.
1. Изготовление инструмента малыми партиями, что всегда снижает эффективность автоматизации. Однако широкое распространение станков с ЧПУ, особенно многокоординатных шлифовально-заточных для производства инструмента, значительно уменьшило влияние этого фактора на эффективность производства.
Наличие универсально-сборных приспособлений (УСП) и автоматизация подготовки управляющих программ (УП) также внесли положительный вклад.
Негативным фактором является преобладающее использование зарубежных программно-методических комплексов (ПМК) для разработки УП, в которых, как правило, пользователям не раскрываются алгоритмы расчетов параметров инструментов, что считается «ноу-хау». Соответственно, это является ограничением и не позволяет проектировать и изготавливать современные инструменты.
Отсутствие отечественных ПМК является препятствием в задачах импортоза-мещения и инструментального производства в целом.
2. Сложность процесса проектирования инструментов. Ведущие мировые изготовители этой продукции используют технологическое 3Б-моделирование [5].
Технологическое моделирование (рис. 3, 4) предусматривают взаимодействие на виртуальных аналогах станков с ЧПУ двух 3Б-моделей, заготовки и производящей поверхности инструмента второго порядка.
Эти две модели совершают относительные перемещения, соответствующие реальной УП.
Итогом такого взаимодействия является третья модель - технологическая модель изготавливаемого объекта (рисунок 4), в нашем случае режущего инструмента.
Рис. 3. Технологическое моделирование — имитация процесса обработки
223
Такая 3Б-модель дает полное представление о форме, размерах, геометрических параметрах спроектированного и изготавливаемого объекта, которые можно оценить как виртуально, так посредством измерений средствами ЭВМ.
В работе [5] приводятся многочисленные примеры успешного использования технологических 3Б-моделей, которые особенно эффективны при производстве фасонных осевых инструментов с винтовыми зубьями.
Производство малоразмерных инструментов (ё < 2 мм) без технологического моделирования вообще невозможно, поскольку средства контактного и мультисенсор-ного измерения не дают положительных результатов, а 3Б-технологическое моделирование позволяет не только выполнять измерения, но и оценивать влияние износа инструментов второго порядка.
3. Негативная особенность заключается в том, что при использовании «чужих» зарубежных и даже отечественных ПМК потребители де-факто не являются, конструкторами инструментов и не считают себя причастными к их качеству, уровню дефектности и практически становятся тормозом в инструментальном обеспечении отечественного машиностроительного производства.
4. Высшая школа не обеспечивает должной квалификации специалистов в силу инертности образовательных стандартов, которые более ориентированы на формальное выполнение требований, чем на исследовательскую самостоятельную работу, очень эффективную в СССР.
Негативно сказывается нехватка в ВУЗах современного оборудования, увлечение отчетностью. В итоге успех достигается очень редко и «не благодаря, а вопреки».
В итоге предприятие ВИС часто вынуждены корректировать учебные планы ВУЗов или выполнять параллельное обучение студентов, отобранных для работы по взаимному согласию.
В чем заключается выход из сложившегося положения?
На государственном уровне необходимо освободить профессорско-преподавательский состав от всех отчетов с использованием количественных показателей и стандартов с заранее прописанными компетенциями. Научные школы не укладываются в прокрустово ложе заранее прописанных уставов, они концентрируются вокруг так называемых «гуру» - ученых-трудоголиков, выдвигающих необычные идеи, не всегда соответствующие более ранним достижениям и публикациям, возбуждающим интерес и активность молодого поколения. Необходима государственная программа по развитию инструментального производства, предусматривающая поиск и концентрацию отечественных производителей на инструментальных производствах вертикально интегрированных структур, типа АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей» и ему подобных, необходимо ликвидировать тендеры на приобретение инструментов, стимулирующие приобретение более дешевых, зачастую не годных инструментов, в то время как необходимо заботиться в первую очередь о качестве. В конечном итоге более качественные, хотя и более дорогие инструменты, окажутся, в конечном счете, дешевле с учетом всех прочих расходов.
Производство инструментов необходимо наладить на государственных предприятиях и таким образом сдерживать необоснованный никакими факторами рост цен. О каком развитии малого бизнеса можно серьезно утверждать, если ему недоступны современные инструменты, а именно малый бизнес, оперативный и квалифицированный, способен решать не только текущие задачи инструментального обеспечения, но выполнять своеобразные разведывательные функции.
Авторы считают, что созрела необходимость реорганизации инструментального производства, итогом которой станет независимость отечественного машиностроения от зарубежного инструмента и недобросовестных отечественных производителей. Необходимо раскрыть возможности и обеспечить, в первую очередь, в государственных структурах опережающее развитие инструментального производства с учетом всех его особенностей.
Список литературы
1. Семенченко И.И. Режущий инструмент. Конструирование и производство. Т. 1. Учебное пособие для машиностроительных вузов. М.: Машгиз, 1936. 554 с.
2. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975.
344 с.
3. Истоцкий В.В. Основные направления развития инструментального производства в современных условиях // Журнал ИТО. №5. 2007. С. 82-83.
4. Протасьев В. Б., Истоцкий В. В. Состояние производства современного металлорежущего инструмента в России // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 8. С. 223-231.
5. Протасьев В.Б., Истоцкий В.В. Проектирование фасонных инструментов, изготавливаемых с использованием шлифовально-заточных станков с ЧПУ. М.: ИНФРА-М, 2011. 128 с.
6. Остапенко С.Н., Палихов Г.В., Протасьев В.Б. Юдин С.В. Интеграция систем качества и АСУ ТП // Вестник воздушно-космической обороны. 2019. № 2 (22).С. 99110.
7. Istotskiy V.V. Algorithm for graphic analytical synthesis of shaped tools with scew teeth // Черные металлы. 2019. №1. С. 72-77.
8. Генети Тагути. Методы мастера качества // Управление качеством. 2015. № 7. С. 35-40.
9. Протасьев В.Б., Плахотникова Е.В., Литвинова Е.В. Логическая структура построения TQM и ее использование в задачах обеспечения качества. // Совершенствование типовой модели гарантии качества образования: сборник трудов. Брянск, 2016. С. 125-131.
Истоцкий Владислав Владимирович, канд. техн. наук, директор, v_ist@,mail.ru, Россия, Чехов, МО, ООО НПП «РИТ-Инжиниринг»,
Юдин Сергей Владимирович, д-р техн. наук, профессор, svjiidinaramhler.ru, Россия, Тула, Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова
TOOLMAKING: CHALLENGES AND SOLUTIONS V. V. Istotsky, S. V. Iudin
The article discusses the leading role of the tool in the efficiency of engineering production. Disadvantages in modern system of instrumental support of enterprises of machine building industry are shown. A tool support system is proposed in a vertically integrated
225
structure using APCS and quality management systems. The problems of instrumental production within the framework of the general structure were considered, the peculiarities of instrumentalproduction, its problems were noted and ways to solve them were outlined.
Key words: vertically integrated structure, instrumentation, APCS, quality management system, mechanical engineering.
Istotskiy Vladislav Vladimirovich, candidate of technical sciences, director, v_ist@,mail.ru, Russia, Chekhov, LLC NPP «RIT-Engineering»,
Yudin Sergey Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, svju-dinarambler. ru, Russia, Tula, Russian University of Economics. G. V. Plekhanov
