CC BY
16Научные основы разработки новых наукоемких технологий
А.Г. СУСЛОВ, профессор, доктор техн. наук, БГТУ, г. Брянск
В целом эволюционную систему технологических преобразований и создания новых прогрессивных технологий можно представить в виде модели изображённой на рис. 1 [1]. Основными объектами модели являются: кадровое и техническое обеспечение, а та<же технологические среды. Они осуществляют технологическое воздействие А/(/к) материального 50(/к), энергетического £0(*к) и информационного /0(*к) типов на предметы обработки (заготовки, изделия) и реализуют процесс технологических преобразований заготовок в изделия, которые имеют вход V и выход И/ Сам процесс технологических преобразований имеет обратную связь с обеспечивающими объектами системы. Обратная связь позволяет получать сведения о количественных и качественных параметрах процессов технологических преобразований, а также дает возможность многократно использовать средства технологического воздействия, организовать их поточность и непрерывность функционирования.
Рис. 1. Модель системы технологических преобразований
Все объекты системы технологических преобразований функционируют в пространстве и во времени, поэтому между ними действуют пространственно-временные отношения. Объекты модели ограничены гространственной границей, определяющей эту систему как функциональную единицу или объемно-пространственную производственную ячейку.
Воздействия, оказываемые на систему технологических преобразований со стороны других систем, могут быть представлены следующим множеством:
}- ЫМ ^ " Ш (1)
где Р - вектор обобщенного входа; Б^) - входные обобщенные воздействия материального типа; Е„(/к) - входные обобщенные воздействия энергетического типа; /0(4) - входные обобщенные воздействия информационного типа: - момент времени.
Входные воздействия оказывают различное действие на систему технологических преобразований.
Основные задачи входных воздействий Р следующие: обеспечение необходимой структуры объектов; реализация требуемого поведения объектов; восстановление потоков технологического воздействия орудий и средств обработки на изделия и другие.
Воздействия, реализуемые системой технологических преобразований на другие системы, могут быть описаны следующим образом:
Р,= (2)
где Я, - вектор обобщенного выходя; - входные обобщенные воздействия материального типа; Е0)(/к) - выходные обобщенные воздействия энергетического типа; 'оА) - выходные обобщенные воздействия информационного типа.
Входные и выходные обобщенные воздействия включают как основные потоки различных типов, направленные на прогрессивное развитие системы, так л побочные (вредные, сопутствующие), оказывающие отрицательное влияние на качественные показатели развития.
Проецирование шхноло! ии подразумеваем учет противоречивых требований, причем продуктами его являются модели, позволяющие понять структуру будущей технологии. Однако разработка технологии остается до сих пор трудоемким процессом, целью которого является: обеспечение требуемого алгоритма функционирования (технологического воздействия); реализация приемлемой цены; удовлетворение явным и неявным требованиям по эксплуатационным качествам, ресурсопотреблению и дизайну; удовлетворение требованиям к стоимости и продолжительности разработки технологии. При этом процессы проектирования технологий могут выполняться по различным схемам. Этапы тоадиционного жизненного цикла технологии характеризуются лавинообразным нарастанием сложности (рис. 2). Вс многих компаниях и фирмах такую схему создания технологий рассматривают как незыблемую. Однако, несмотря на силу традиций, анализ жизненного цикла технологии показывает следующие недостатки этой схемы:
- непригодность для разработки сложных технологий, состоящих из большого количества подсистем и автономных модулей, образующих сетевые структуры;
- обязательно последовательное выполнение всех этапов создания технологии;
- несовместимость с эволюционным подходом;
- несовместимость с перспективными методами автоматизированного проектирования и управления технологиями.
Поэтому для создания прогрессивных технологий традиционные методы не подходят.
Начинает развиваться объектно-ориентированное проектирование, что особенно перспективно для создания новых технологий. В основе объектно-сриентированного проектирования лежит объектный подход, главными принципами которого является: абстрагирование, ограничение доступа, модульность, иерархичность, типизация, параллелизм и устойчивость.
На рис. 2 показаны этапы жизненного цикла технологии при объектно-ориентированном проектировании. Здесь
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
Рис. 2. Этапы жизненного цикла технологий
процесс создания технологии не является отдельным монолитным этапом. Он представляет собой один из шагов на пути последовательной итеративной разработки технологии; при этом последовательность шагов может иметь произвольный характер. Частный вариант последовательной итеративной разработки технологии с направленными шагами через анализ также представлен на рис. 2.
Применение описанных моделей позволило определить основные характеристики прогрессивных технологий нового поколения, которые, дополнив известными данными, можно представить структурной схемой, изображенной на рис. 3. Она имеет иерархическую структуру и содержит основные признаки, особенности и обеспечение прогрессивных технологий. Основные признаки, характеризующие прогрессивность новых технологий, даны на структурной схеме (рис. 3) относительно конечного результата их действия - изделий. Эти признаки можно представить следующими категориями:
- качественно новая совокупность свойств изделий (причина);
- качественно новая мера полезности изделий (следствие).
С развитием науки и техники создаются зозможности для улучшения свойств изделий, например, геометрических, кинематических, механических, тепловых, оптических и других, а также реализуются качественно новые свойства изделий, например, экологические, манипуляционные, отражения жестких космических лучей, свойства облада-
ния эффектом «магнитная потенциальная яма» и др. Для обеспечения этого проектируемые технологии непрерывно совершенствуются и создаются качественно новые, а это значит, что они будут качественно новыми свойствами изделий.
Однако только мера этих свойств - полезность изделий или их ценность, имеет решающее значение, так как конечной целью изготовления любого изделия является обеспечение необходимой ценности. Создаваемые прогрессивные технологии непрерывно повышают ценность изделий и соответственно реализуют качественно новую меру их полезности, обеспечивается возможность использования их в работах л-го поколения, для «гипердвигателей» межгалактических кораблей, для марсианского транспорта, построенного по принципу мехатроники, и др.
Создаваемые прогрессивные технологии нового поколения имеют некоторые базовые особенности, основные из которых могут быть связаны с высокой наукоемкостью их создания, сложностью реализации и функционирования. При этсм необходимы высокая информационность и компьютеризация, определенный уровень электрификации и энергообеспечения, поэтому проектирование новых технологий должно базироваться на оптимальных технологических процессах. При необходимости могут быть использованы новые методы преобразования заготовок в изделия. Для этого должны применяться прогрессивные методы производства. На всех этапах жизненного цикла (см. рис. 2.) новых технологий необходимо обеспечивать высокую степень автоматизации процессов. Созданные технологии должны иметь высокую устойчивость и надежность функционирования по заданному алгоритму. Все это должно быть тщательно проработано на основе принципов объектно-ориентированного подхода и обеспечена экологическая чистота технологий. Вместе с тем создаваемые технологии должны быть открытыми к развитию и иметь возможность эволюционировать и модифицироваться в соответствии с изменяющимися внешними условиями. Кроме 'ого, прогрессивные технологии могут иметь ряд других особенностей, относящихся к специальным технологиям или технологиям будущего.
Для создания прогрессивных технологий нового поколения необходимо нетрадиционное обеспечение, а именно: высококвалифицированные кадры, прогрессивные технологические системы и специальные технологические среды. В этом случае проектирование технологических систем должно прежде всего определяться конъюнктурой рынка; основываться на новых принципах, свойствах и качестве композиции элементов оборудования; иметь высокие уровни автоматизации, производительности и прецизионности оборудования, оснастки и инструментов. Созданные технологические системы должны быть эстетичны и эргономичны, иметь высокую устойчивость и надежность функционирования. Для этого необходимо использовать комплексные системы диагностики, контроля и управления, а также новые принципы работы оборудования и методы воздействия орудий и средств оЬраЬотки на изделия. Такой комплексный подход в создании прогрессивных технологических систем дает качественно новые нетрадиционные технико-экономические показатели их создания и функционирования.
Проведенные исследования с использованием разработанных моделей позволили определить и дополнить известные тенденции прогрессивного развития технологий новыми, к которым можно отнести следующие:
- повышение концентрации и параллелизма технолеги-
Аиолиз
Анализ
(Проектц-\робание>
(Реализация
'фхнкци-ониро-\&ание>
'Модификация
\нация
<Аик&и-дациа
^Ликвидация,
® Основные признаки
Прогрессивные технологии Нобого поколения
Особенности
Наукоемкость
Высокая информацион ность и компьютеризация
Высокий уровень электрификации и энергообеспечения
Оптичал ьный тех пол оеический _процесс
Новые методы преобразоба ния изделий
Uспо л 03 сван и е прогресс ио&ых
способов „ производства
Высокая степень автоматизации всех уровней
Устойчивость и надежность
Экол оеическая чистого
Открытые к разбитию
Новые принципы, свойства и качества ко м-позиции оборудования
Высокие уровни автоматизации, производительности и прециз ион ноет и
Эстетичность и эргономичност ь
Наличие комплекс ныл систем диагностики, контроля, управления
Высокая устойчивость
и надежность функционирования
Новы? принцип kr работы оборудования
Новые методы воздействия на изделия
Нетрадиционные техника-экономические показ агел и
Рис. 3. Основные характеристики прогрессивных технологий нового поколения
ческихзон обработки, обеспечивающих повышение производительности;
- создание нетрадиционных прогрессивных пространственных структур технологических зон обработки (создание многомерных циклических структур, повышение размерности многообразия и объектов в каждом многообразии структуры), реализующих повышение технологических возможностей пространства и среды;
- компоновка технологических зон обработки в линейные, поверхностные и объемные структуры; компоновка этих структур в производственные ячейки; компоновка производственных ячеек в пространственные структуры и заполнение ими всего объема пэостранства производственного цеха с возможностью изменения их пространственного расголожения;
- повышение степени компактирования структуры за счет увеличения плотности (линейной, поверхностной.
объемной) технологических зон обработки;
- организация поточности функционирования технологических зон обработки и повышение их интенсивности;
- повышение непрерывности и устойчивости функционирования технологических систем в соответствии с заданным алгоритмом;
- повышение информационности технологий, снижение массы технологических систем и повышение их энергооЬес-печенности;
- создание технологий и технологических систем с использованием принципа механотроники;
- упрощение функциональной структуры за счет совмещения различных функций технологических систем; выполнение технологических функций посредством транспортных функций и наоборот;
- применение комплексных систем диагностики, контроля и управления процессами.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
Анализ этих тенденций позволил сформулировать и разработать общий теоретический подход в создании и функционировании нетрадиционных технолотческих систем, называемых поточно-пространственными технологическими системами. Эти технологические системы имеют качественно новые свойства и возможности, а также существенно повышают уровень автоматизации и интенсификации производственных процессов. Разработанная общая методика синтеза дает возможность создавать поточно-пространственные технологические системы непрерывного действия следующих видов:
- технологические системы высокой и сверхвысокой производительности для производства изделий медицинской, радиоэлектронной, пищевой промышленностей, приборостроения и других отраслей народного хозяйства;
- технологические системы непрерывного действия для длительных циклов технологического воздействия (термические, химические, физико-химические методы обработки и др.);
- технологические системы непрерывного действия для комплексной обработки изделий;
- гибкие технологические системы непрерывного действия.
Эти технологические системы позволят значительно повысить производительность производственных процессов, сократить занимаемые оборудованием производственные площади, уменьшить длительность производственного цикла, число рабочих, занятых в производстве, улучшить другие показатели.
Данная методология, ориентированная на конечную цель - создание прогрессивных технологий, дает возможность видеть взаимосвязи, понимать и применять целостность как принцип проектирования. Создаваемые технологии являются отражением современного развития техники; теория их создания позволяет объяснить и предсказывать закономерности эволюционного процесса развития пэогрессивных технологий.
Список литературы
Суслов, А.Г. Научные основы технологии машиностроения / А.Г. Суслов, A.M. Дальский. - М.: Машиностроение, 2002. - 684 с.
Об образовании локальных погрешностей формы отверстии в толстостенных заготовках при дорновании
Как известно [1, 2], при дорновании отверстий в толстостенных заготовках возникают локальные погрешности формы — диаметр отверстий у торцов заготовки оказывается больше, чем в ее средней части. Причины образования этих погрешностей формы отверстий остаются не совсем ясными. Уместно предположить, что одной из основных причин их образования являются силовые деформации инструмента.
Для проверки этого предположения были выполнены экспериментальные исследования, которые проводили на заготовках из стали 20 (НВ 1300 МПа) с диаметром отверстий с/ ~ 15 мм, наружным диаметром О = 45 мм и высотой
В.Ф. СКВОРЦОВ, доцент, канд. техн. наук, А.Ю. АРЛЯПОВ, канд. техн. наук, И.С. ОХОТИН, аспирант, ТПУ, г. Томск
/_ = 45 мм. Перед дорнованием отверстия растачивали, обеспечивая параметр шероховатости /?2 = 6...8 мкм. На кромках отверстий под углом 45° к их оси выполняли фаски размером около 0,2 мм. Дорнование отверстий (см. рис.1) выполняли цельными однозубыми прошивками диаметром 15,22 мм, изготовленными из материалов с различным модулем упругости Е - закаленной стали ШХ15 (Ес = 2,08 Ю5 МПа) и твердого сплава ВК15 (Ет = 5,7-105 МПа). Углы рабочего и обратного конусов про-шивок составляли 10°, ширина цилиндрической ленточки - 1 мм. Натяги дорнования варьировали в пределах 0,107...0,133 мм. Дорнование отверстий осуществляли с применением в качестве смазочного материала жидкости МР-7 на испытательной машине УМЭ-ЮТМ со скоростью 50 мм/мин, при которой нагревом инструмента и его температурными деформациями можно пренебречь [1]. Измерения диаметров обработанных дорнованием отверстий выполняли в двух взаимно перпендикулярных продольных сечениях на различном расстоянии от торцов заготовки. В качестве диаметра отверстия в данном поперечном сечении с/| принимали среднее арифметическое из двух измеренных указанным образом диаметров. Измерения осуществляли с помощью специального прибора конструкции Томского приборного завода модели ПК 22, оснащенного измерительной головкой с ценой деления 0,001 мм.
На рис.2 показаны характерные зависимости диаметра отверстий с/, от расстояния Ц от входного торца заготовок, подвергнутых дорнованию стальным и твердосплавным инструментами. В таблице приведены значения отклонений образующей отверстий от образующей прилегающих к ним цилиндров на различном расстоянии от входного торца заготовок - Дг,. найденные путем обработки зависимое-
