CC BY
152
Уф а : У ГАТУ , 2009
^ёвонмо/к,
Т.12 , № 2 (3 1 ) . С . 117- 1 2 3
МАШИНОСТРОЕНИЕ • ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХ. И ФИЗ-ТЕХН. ОБРАБОТКИ
УДК 658.5.011.46:621
О. Ю. ПАНЬШИНА
МЕТОД ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ИННОВАЦИОННЫХ ПРОЕКТАХ ТЕХНИЧЕСКОГО ПЕРЕВООРУЖЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ЦЕХОВ
Для инновационных проектов технического перевооружения механических цехов разработан метод выбора технологического оборудования. Применение метода рассмотрено на примере фрезерных станков. Представлены закономерности смены поколений горизонтальных и вертикальных консольных фрезерных станков. Выбор технологического оборудования ; огибающая кривая ; Б-образные закономерности ; фрезерные станки.
Одним из основных средств развития производства является техническое перевооружение. В первую очередь необходимо отметить, что техническое перевооружение - это комплекс мероприятий, направленных на повышение технико-экономического уровня деятельности предприятий, отдельных производств, цехов и участков за счет внедрения современной техники и прогрессивной технологии, механизации и автоматизации производственных процессов, модернизации и замены морально устаревшего и физически изношенного оборудования, улучшения организации и структуры производства, а также других мероприятий без расширения производственных площадей и увеличения количества рабочих мест. Целью технического перевооружения является подготовка дополнительных производственных мощностей предприятия для выпуска новой продукции или увеличения выпуска продукции, которая пользуется повышенным спросом на рынке, при улучшении технико-экономических показателей работы предприятия [1]. Основным способом достижения данной цели является переоборудование и техническое переоснащения действующего производства.
В данном исследовании для разработки инновационных проектов технического перевооружения в рамках системы научно-технологической подготовки разработан метод выбора необходимого технологического оборудования на примере анализа и использования в проектах закономерностей инновационного развития ме-
хатронных станков фрезерной группы. Известно, что выбор оборудования осуществляется различными методами как по показателям экономической эффективности, так и по критериям технического уровня. К критериям технического уровня обычно относят показатели назначения, надежности, сменности и загрузки оборудования, уровня его автоматизации, коэффициенты, характеризующие технологичность конструкции изделия, эргономические показатели и другие. Для выбора технологического оборудования по технико-экономическим показателям применяют различные методики, основанные на расчетах производственных мощностей, оценках уровня специализации и типа производства, использовании методов линейного и динамического программирования, искусственных нейронных сетей и теории графов [2]. Вместе с тем, все названные методики были недостаточно ориентированы на применение инновационных закономерностей смены поколений металлорежущих станков. До последнего времени, в отличие от других видов техники, металлорежущие станки даже не рассматривались с точки зрения их принадлежности к тому или иному поколению технологического оборудования.
В целях изменения создавшегося положения рассмотрим основные инновационные закономерности смены поколений металлорежущего оборудования фрезерной группы по показателю, характеризующему производительность станка, иллюстрирующему возможности замены устаревающей силовой схемы резания на более прогрессивные схемы скоростной или высокоскоростной обработки.
Контактная информация: (347)273-07-63
Исходные данные по вертикально-фрезерным консольным станкам фрезерной группы
Модель станка Год начала выпуска Максимальная частота вращения шпинделя, об/мин
612 1935 425
6Б12 1937 425
6А12П 1963 2 000
6А12Р 1968 2 000
6Г12Ф3, 6Т13МФ4-1 1989 2 000
6Г13МФ4, 6М13СН2 1987 2 000
6Г13Ф20 1989 2 200
6Н10 1953 2 240
6Н11 1956 1 800
6Н12, 6Н13 1950 1 500
6Н11В 1972 1 800
6Н12П, 6Р11САУ 1972 1 600
6Н13П 1957 1 600
6Н12ПБ 1972 3 150
6Н13ПБ 1972 2 500
6Н13ГЭ2 1969 1 600
6Н13ГН1, 6Р13 1971 1 600
6Н13СН2 1986 1 600
6Н13Ф3 1970 1 600
6Н13Ф3-2 1973 1 600
6М10 1962 2 240
6М11 1960 2 000
6М12, 6М12П 1960 1 600
6М11К, 6М12К 1969 2 000
6М13К 1962 2 000
6М11П, 6Р13К 1972 2 000
6М12ПБ 1961 2 500
6М13ПБ 1964 2 500
6М13У 2001 2 000
6М13ГН1 1971 2 000
6М13СН, 6Р12К 1975 2 000
6М13СН3К, СФ40М 1997 2 500
6М13СН3КНЦ 2001 2 500
6Р10 1965 2 240
6Р12 1954 1 600
6Р12Б,6Р13Б 1974 2 500
6Р11Ц 1975 1 600
6Р11Ф3, 6Р11Ф3-1 1973 2 500
6Р13Ф3 1972 2 000
6Р13Ф3-37 1982 2 000
6Р11МФ3 1976 1 600
6Р13РФ3 1975 2 000
6С12, 6С12Ц, ГФ-857 1969 1 600
6С12П 1979 1 600
6Т10 1971 2 240
Окончание таблицы
Модель станка Г од начала выпуска Максимальная частота вращения шпинделя, об/мин
6Т12-1, 6Т13-1, 6Т12Ф20 1984 1 600
6Т13Ф3, ГФ2171С3 1984 2 500
6Т13Ф20, 6Т13Ф20-1 1987 2 000
6Т12Ф20-1 1985 2 000
6К11 1960 1 600
6К12 1961 1 600
6Л12П 1964 1 800
6Д12Ф20 1989 2 000
ВМ127 1980 2 000
ВМ127М 1993 2 000
ГФ-760 1969 3 000
ГФ1700С2В1 1979 2 000
ГФ2171 1983 2 500
ГФ2171С5 1985 2 500
ЛФ320У 2001 2 000
СФ40ПФ1М 1984 2 500
ФП-14В6 2001 2 500
FSS-315 1971 1 400
FSS315R, FSS400R 1979 1 400
FSS-355 1962 1 400
FSS-400 1967 1 400
FSS 400/E 1985 1 400
MF-46VA ф.Окита 2002 8 000
MU-400VA ф.Окита 2004 8 000
MA-550VB ф.Окита 2000 6 000
MIKROMAT 8V 2000 6 000
MIKROMAT 8V 2S 2004 15 000
MIKROMAT 12V 1996 6 000
MIKROMAT 16V 1996 6 000
MIKROMAT 20V 1997 6 000
MIKROMAT 4 V HSC 2001 12 000
MIKROMAT 8 V HSC 2000 6 000
VDL 500 Kitamura Mycenter 2006 10 000
V-20 ф. Leadwell 2006 8 000
MV-30 I ф. Leadwell 2006 10 000
MCV-1100 ф. Leadwell 2006 8 000
MCV-1400 ф. Leadwell 2006 4 000
SV-500 2006 10 000
500V 2002 8 000
800VF6 2001 8 000
500HS 2007 12 000
VB-1 ф.Haas 2000 7 500
VF-2B ф.Haas 2001 7 500
VF-2D ф.Haas 2003 7 500
VF-3 ф.Haas, VF - 4 1997 7 500
VF-3SS ф.Haas 2004 12 000
VF-5/40 2001 10 000
Mini Mill ф.Haas 2001 6 000
Super Mini Mill ф.Haas 2002 10 000
40 000 N, об/мин
35 000
30 000
♦ ♦ ♦
♦ ♦♦ *♦♦♦ ♦
♦ ♦ . *♦ ♦И* #&**♦ * ♦ ф ♦ ♦ X
1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Рис. 1. Вертикально-фрезерные консольные станки
В качестве такого показателя для определения наиболее общих закономерностей смены поколений станков может рассматриваться максимальная частота вращения шпинделя станка. Для получения эмпирических зависимостей рассмотрим исходные данные вертикальнофрезерных консольных станков фрезерной группы, которые приведены в таблице. На основе данных таблицы построена зависимость N(1), где N - частота вращения шпинделя, об/мин, ^ -год начала выпуска рассматриваемых моделей станков. В результате для данной подгруппы станков фрезерной группы получено эмпирическое поле точек (рис. 1).
Из рис. 1 видно, что наряду с модификациями моделей станков, работающих в постоянном диапазоне частот регулирования скорости вращения шпинделя, наблюдается также появление станков с улучшенными показателями максимальной частоты вращения шпинделя. При этом модификации конструкций базовых моделей станков, например, 17 точек разных фрезерных консольных станков с максимальной частотой вращения шпинделя 2000 мин-1 (рис.1), характеризуются изменением
уровня автоматизации, расширением функциональных возможностей станков, повышением точности обработки и другими изменениями.
Четкая инновационная закономерность смены моделей станков фрезерной группы при заданном способе представления исходных данных не прослеживается, а напоминает собой плохо коррелируемое эмпирическое поле точек (рис. 1). Для анализа такого поля точек можно выполнить перегруппировку эмпирических точек станков с учетом метода обработки, для определения инновационных закономерностей
смены поколений металлорежущих станков (рис. 2):
1) универсальные станки и станки с позиционной СЧПУ, работающие преимущественно по силовой схеме резания;
2) быстроходные универсальные станки;
3) станки с контурной СЧПУ, работающие по скоростной схеме резания;
4) мехатронные станки нового поколения для высокоскоростного фрезерования.
Особенностью построения линий регрессии и определения инновационных закономерностей смены поколений металлорежущих станков в данном случае является следующее обстоятельство. Известно, что если существует некоторая кривая Ь, которая в каждой своей точке касается некоторой кривой рассматриваемого семейства, но при этом не совпадает ни с одной из них на протяжении какого-либо своего участка, то эта кривая Ь называется огибающей семейства кривых, при этом все кривые семейства находятся по одну сторону от огибающей [3]. Соединив ряд точек, соответствующих появлению первого станка с определенным показателем максимальной частоты вращения шпинделя и его модификаций (с тем же показателем), получим семейство кривых, для которых и построим огибающую кривую. Согласно вышесказанному, огибающая семейства кривых проходит через крайние точки данных кривых, т. е. через точки, соответствующие появлению первых станков с улучшенным показателем производительности, охватывая поле точек, соответствующих появлению модификаций этих станков за счет улучшения других критериев технического уровня.
Таким образом, кривая, описывающая сме-
5 000
0
і, гг
ну поколений вертикально-фрезерных консольных станков, проходит не через усредненные значения всего эмпирического поля точек, как в типовых случаях регрессионного анализа, а только через точки появления первых моделей станков каждого ряда. Исходя из этого, получен график, представленный на рис. 3.
Данный метод, исходя из способа построения закономерностей смены поколений станков, назван «методом огибающих регрессий».
График, представленный на рис. 3, отражает последовательную смену трех поколений станков: первое поколение фрезерных станков (ряд А), состоящее из универсальных станков и станков с позиционной системой ЧПУ, работающих преимущественно по силовой схеме резания, и на их базе появление быстроходных универсальных станков (ряд Б) сменилось вторым поколением станков (ряд В) с контурной системой ЧПУ, работающих по скоростной схеме резания; в настоящее время появились мехатронные станки нового поколения (ряд Г), работающие в режиме высокоскоростной обработки.
Верхняя часть огибающей кривой В представлена тремя вариантами: в1 - станки, разработанные в России, в2 - США и в3 - Германии, как наиболее ярких представителей поставщиков оборудования на мировом рынке. Как видно из рис. 3, станки, представленные модельным рядом российского производства в1 (например, «Стерлитамак М.Т.Е.») находятся ниже рядов в2 и в3 по параметру максимальной частоты вращения шпинделя. К ос-
40 000 N, об/мин
35 000
30 000 25 000 20 000 15 000 10 000 5 000 0
новным зарубежным производителям прецизионных обрабатывающих центров относятся: США - фирмы HAAS и Okuma America, Германия - фирма Mikromat, Япония - фирма Okuma, Швейцария - фирма Mikron, Тайвань - фирма Leadwell и др., причем в последнее время наблюдается кооперация ведущих производителей с целью расширения рынка сбыта и повышения конкурентоспособности совместной продукции.
В анализируемом в данной статье случае видно, что в верхней части «S'-образной кривой (ряд А) начинают существенно снижаться темпы роста показателя производительности при замене старых модификаций на новые станки, которые основаны на том же принципе действия. Возникла необходимость отказа от «стареющего» оборудования путем его замены на более прогрессивное, которое основано на ином принципе действия. Таким образом, осуществлялся переход к новому поколению станков на другую S-образную кривую развития (ряд В). Также необходимо отметить, что ряд В имел продолжительную стадию «зарождения», т. е. практически не наблюдалось появление станков с улучшенными показателями производительности. Представленные модели станков ряда Г являются импортными (США, Германия), в отличие от моделей станков рядов А, Б и в1 производства стран СНГ и России, где в 90-е годы наблюдалось снижение уровня НИОКР, направленных на создание «критических технологий» пятого технологического уклада.
А А А
Л :Г*‘ *
1 А ♦ * А Ф
1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
I----------------------------------------------1 t, гг
I ♦ Ряд 1 ■ Ряд 2 а Ряд 3 о Ряд 4 I
Рис. 2. Группирование эмпирических точек станков с учетом различных методов обработки: ряд 1 - универсальные станки и станки с позиционной СЧПУ, работающие преимущественно по силовой схеме резания; ряд 2 - быстроходные универсальные станки; ряд 3 - станки с контурной СЧПУ, работающие по скоростной схеме резания; ряд 4 - мехатронные станки нового поколения для высокоскоростного фрезерования
40 000
N, об/ми
35 000
30 000
25 000
20 000
15 000
10 000
5 000
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
♦ Ряд 1 ■ Ряд 2 А Ряд 3 ° Ряд 4 Ряд5 Ряд6 Ряд7
Россия “ ■ ■США Ряд 10
2010 2020 <, гг
0
Рис. 3. ^-образные закономерности смены поколений вертикально-фрезерных консольных станков, построенные методом огибающих регрессий: огибающая кривая (ряд А) - универсальные станки и станки с позиционной СЧПУ, работающие преимущественно по силовой схеме резания; огибающая кривая (ряд Б) - быстроходные универсальные станки; огибающая кривая (ряд В) - станки с контурной СЧПУ, работающие по скоростной схеме резания; огибающая кривая (ряд Г) - мехатронные высокоскоростные фрезерные станки нового поколения
Исходя из сказанного, можно утверждать, что подавляющее большинство металлообрабатывающего оборудования машиностроительных предприятий - это чаще всего морально устаревшие станки с точки зрения теории технологических укладов.
На основании данных рис. 3 можно сделать выводы о том, что в настоящее время наибольшую производительность обработки в рамках скоростной схемы резания обеспечивают мехатронные станки.
На основании данных рис. 3 можно сделать выводы о том, что в настоящее время наибольшую производительность обработки в рамках скоростной схемы резания обеспечивают мехатронные станки.
Аналогичные закономерности процесса смены поколений станков можно построить и для остальных подгрупп фрезерных станков, например, для горизонтальных фрезерных станков (рис. 4). Согласно рис. 4, прослеживаются те же закономерности смены поколений станков, что и для вертикально-фрезерных консольных станков (рис. 3).
Из рис. 3, 4 видно, что смена поколений металлорежущих станков, также как и в других типах инновационных закономерностей смены поколений техники, происходит на основе S-образных закономерностей развития.
Одну из первых ^-образных закономерностей развития технологий получил американец индийского происхождения Д. Сахал [4], она в дальнейшем была дополнена ^-образными закономерностями быстроразвивающихся новых технологий, ^-образными закономерностями смены поколений техники и технологий и логистическими ^-образными закономерностями диффузии технологий по мере насыщения рынка новой продукцией. Такие ^-образные кривые позволяют выделять области существования артефактов, промежуточных технологий, высоких технологий, а по точкам пересечения различных S-образных кривых определять области зарождения критических технологий, которые обеспечивают смену поколений техники и технологий.
Рис. 4. 8-образные закономерности смены поколений горизонтальных фрезерных станков: огибающая кривая (ряд А) - универсальные станки и станки с СЧПУ; огибающая кривая (ряд Б) - быстроходные и высокоскоростные станки
ВЫВОДЫ
Главное отличие ^-образных закономерностей, полученных в данном исследований, характеризуется тем, что ^-образные кривые получены методом огибающих регрессий (рис. 3,
4).
В данной статье приведен анализ технического уровня подгрупп фрезерных станков по показателю производительности (максимальной частоте вращения шпинделя), что, однако, не дает полной информации об уровне развития. Поэтому необходима многокритериальная оценка по нескольким показателям, например, таким как производительность, точность позиционирования, количество выполняемых функций, уровень автоматизации и механизации и др. Поскольку одновременно отслеживать во времени изменения нескольких показателей технического уровня довольно сложно, то необходимо применять обобщенный показатель технического уровня, произведя мультипликативную свертку этих показателей.
Таким образом, для инновационных проектов технического перевооружения механических цехов методом выбора технологического оборудования, в частности, фрезерных станков, является многокритериальная оценка по показателям технического уровня и, на основе этого, построение зависимостей смены поколений оборудования в виде огибающей ^-образной кривой для анализа точек перехода к новым по-
колениям скоростных и высокоскоростных металлорежущих станков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Селиванов, С.Г. Теоретические основы реконструкции машиностроительного производства / С. Г. Селиванов, М. В. Иванова. Уфа : Гилем, 2001. 312 с.
2 Мухин, А.В. Машиностроение. Энциклопедия. Технологическая подготовка производства. Проектирование и обеспечение деятельности предприятия. Т. Ш-1 / А. В. Мухин [и др.]. М. : Машиностроение, 2005. 576 с.
3 Ильин, В.А. Основы математического анализа / В. А. Ильин, Э. Г. Позняк. 3-е изд., ч. 1. М., 1971. 599 с.
4 Сахал, Д. Технический прогресс: концепции, модели, оценки/ Д. Сахал. М. : Финансы и статистика, 1985. 366 с.
ОБ АВТОРЕ
Паньшина Ольга Юрьевна,
асп. каф. технологии машиностроения, инженер ОАО УМПО. Дипл. инж. по технологии машиностроения (УГАТУ, 2006), дипл. магистр техники и технологии по технол. машино-
строения (УГАТУ, 2006).
