CC BY
74
УДК 658.512.26:621.38
ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ ДЕТАЛИ НА ЭТАПЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА НА ПРИМЕРЕ ТЕПЛООТВОДА ДЛЯ КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ
Г. Х. Ирзаев, Н. К. Юрков, Е. А. Кузина
Введение
При проектировании изделий инженер-конструктор стремится в большей степени достичь функциональности составных частей и всего изделия в целом, забывая о его технологичности, т.е. приспособленности к изготовлению с минимальными затратами. Правильнее было бы еще на ранних стадиях проектирования, в том числе на этапе выбора материала детали, закладывать в конструкцию решения, минимизирующие технологическую себестоимость, сокращающие как будущие издержки производства, так и время выхода продукта на рынок, в то же время не жертвуя функциональностью и производительностью детали.
В соответствии с действующими нормативными документами [1] технологичностью конструкции изделия принято считать совокупность свойств, определяющих его приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте. Для того, чтобы трудоемкость и технологическая себестоимость деталей были минимально возможными, следует еще на ранних стадиях проектирования обеспечить применение наиболее экономичных методов их изготовления. Однако оценка технологичности конструкции детали на этих этапах может быть приближенной, зачастую качественной, основанной на опыте специалистов предприятия. Выявление факторов, влияющих на технологичность деталей по материалу, их классификация, анализ и использование для оценки приспособленности к производству заготовок и деталей позволили бы формализовать метод раннего прогнозирования технологичности конструкции, сократить непроизводительные затраты на последующих этапах проектирования, технологической подготовки и производства изделий [2, 3].
Методика качественной оценки технологичности конструкции детали
на этапе выбора материала
Рациональный выбор материала в значительной степени влияет на технологичность конструкции любой детали и должен учитываться еще на стадии проработки идеи изделия. Он зависит от эксплуатационных требований к детали, сложности его конструкции, способов получения и обработки заготовок, степени податливости материала различным видам обработки и сборки, требований минимальной стоимости.
Согласно разработанной методике экспертам из числа специалистов (конструкторов, технологов, материаловедов) предприятия предлагается перечень факторов, влияющих на технологичность детали с точки зрения рационального выбора материала его конструкции. Экспертиза организуется по двухэтапной схеме для упрощения работы экспертов и повышения достоверности результатов их оценки (рис. 1).
На первом этапе эксперты выделяют наиболее значимые факторы 1-го уровня, оказывающие значительное влияние на рациональный выбор материала конструкции. Затем предлагаемые для конструкции материалы оцениваются экспертами по выделенным факторам методом непосредственного ранжирования. При этом экспертам предоставляется весь необходимый информационно-справочный материал по свойствам и характеристикам как материала, так и проектируемой детали.
Каждому у'-му эксперту предлагается упорядочить материалы так, чтобы наиболее повышающему технологичность конструкции из них по данному фактору присвоить ранг Гу = 1, следующему по степени повышения технологичности конструкции материалу - ранг гу = 2 и т.д. до
ранга Гц = п , где п - число оцениваемых наименований материалов. Такую оценку эксперты проводят по всем факторам к. Эксперт может использовать и связанные ранги, если считает материалы равноценными по данному фактору. Показания экспертов выводятся в виде обобщенного среднего ранга /-го материала по к-му фактору:
Еп ^ т
.. /=1^ / = 1'
К1к =
т
(1)
Рис. 1. Алгоритм качественной оценки технологичности конструкции детали на этапе выбора материала
Значимость /-го материала тем выше, чем ниже значение обобщенного среднего ранга, вычисленного по формуле (1). Первый этап завершается формированием перечня материалов, значение Якк которых меньше заданного наперед некоторого порогового уровня Я1кпор .
На втором этапе выделенные ранее материалы подлежат оценке этой же группой экспертов по оставшимся факторам аналогично первому этапу методом непосредственного ранжирования. Для выражения полученных ранжирований в виде коэффициента технологичности конструкции по материалу КТ1 проводится нормировка балльной шкалы на диапазон [0;1], в которой обычно измеряется технологичность конструкции детали. Так как градация для всех факторов, влияющих на выбор материала, одинакова, для нормировки применяется формула
Кт/ = 1
^к -^гкшт
ах -^гктт
(2)
где - текущее значение среднего ранга /-го материала по к-му фактору, которое нормируется в шкалу [0;1]; Л/кшах - максимально возможное значение среднего ранга /-го материала по к-му фактору; Я/кш[п - минимально возможное значение среднего ранга /-го материала по к-му фактору.
Таким образом, окончательные значения коэффициентов технологичности конструкции по материалу позволяют выбрать тот материал, у которого К7Ч наиболее близок или равен 1, т.е. который наиболее оптимален по всем факторам, влияющим на рациональный выбор материала конструкции детали.
Список факторов, влияющих на выбор материала конструкции, в зависимости от типа детали, условий его эксплуатации, сложности конструкции, технологических особенностей и оборудования предприятия или иных особых критериев может быть различным как по количественному, так и качественному составу. Целесообразно предварительное построение типового списка для номенклатуры выпускаемых предприятием деталей.
Группа экспертов формируется из квалифицированных специалистов предприятия заранее с учетом их компетентности [4] и требований к количественному составу [5]. Расчет значимости оценок, проверка согласованности мнения экспертов выполняются по известным методикам статистических исследований [6].
Результаты экспериментальных исследований
Методика была применена для выбора материала, обеспечивающего технологичность конструкции теплоотвода (радиатора) электронного модуля (рис. 2). На первом этапе экспертизы 10 экспертам из числа высококвалифицированных инженеров был представлен перечень из 10 факторов (табл. 1), непосредственно влияющих на выбор материала конструкции радиатора, из которых практически 90 % экспертов выбрали два показателя 1-го уровня: коэффициент теплопроводности материала X и стоимость материала. Был сформирован перечень материалов для оценки и выбора из них экспертами наиболее подходящих по теплопроводности и стоимости. Эксперты имели под рукой также справочные данные по значениям коэффициентов X и стоимости теплопроводных материалов.
Рис. 2. ЗБ-модель теплоотвода
Таблица 1
Обозначение Факторы, влияющие на технологичность конструкции радиатора по материалу Характер фактора
К1 Теплопроводность Количественный
К2 Относительная стоимость Количественный
Кз Плотность Количественный
К4 Механическая прочность Количественный
К5 Обрабатываемость резанием Качественный
Кб Приспособленность к литью Качественный
К7 Приспособленность к прессованию (экструзии) Качественный
К8 Приспособленность к листовой штамповке Качественный
К9 Возможность формирования сложных форм Качественный
К10 Способность к пайке, сварке, склеиванию Качественный
Эксперты при оценке руководствовались тем, что материал, используемый для изготовления радиатора, должен быть выбран с учетом его основного функционала - осуществлять тепло-съем и эффективно передавать тепловую энергию от места контакта с охлаждаемым компонентом к внешней поверхности радиатора, т.е. обладать хорошей теплопроводностью. Выбор золота или серебра для радиатора в качестве основного материала был бы неразумным для обеспечения технологичности конструкции вследствие их дороговизны и дефицитности, хотя серебро за его высокую теплопроводность иногда используют для изготовления оснований радиаторов. Для сравнения приведем соотношения цен на мировом рынке, сложившиеся на эти металлы в начале 2015 г.: алюминий - 1; медь - 2,3; серебро - 263,2; золото - 21052,6. Таким образом, выбор экспертов ограничился практически алюминием, медью и их сплавами, которые по предварительной оценке оптимально подходят для конструкции теплоотводящего элемента (табл. 2).
Таблица 2
Группа Марка материала Обозначение Теплопроводность, Вт/(м • К) Относительная стоимость (алюминий принят за 1)
Медь M1, M1p, M2, М2р, М3, М3р h 394 2,3
Сплав системы Cu-Ag БрСр1 I 302 6,2
Сплав системы Cu-Cd БрКд0,1 I3 297 3,9
Алюминий А995, А99, А98,
А97, А95, А85, А8, I4 221,5 1
А7, А6, А5, А35
Сплав системы Al-Mn АМц I5 180 1,1
Сплав системы Al-Mg АМг1 1б 184 0,6
Сплав системы Al-Mg-Si АД31 I7 192 0,5
Сплав системы Al-Mg-Si АВ I8 176 0,4
Сплав системы Al-Si АК12ч, АК12пч, I9 176 0,4
АК12оч, АК12ж
После ранжирования экспертами каждого материала по факторам, влияющим на технологичность по материалу, были найдены обобщенные средние ранги материалов по к-му фактору с использованием формулы (1) и нормированные коэффициенты технологичности (2), представленные на рис. 3.
0,8
0,700 ■
0,7 0,ьН8 ¡^^^Ш
1 0,6 0,588
О и 0,5 - —CPIBS
ч с ё 0,4 _ _0,388 ==
Н о = 0,3 = -е-■э- Io'2 0,1 Л _ - =
11 12 13 14 15 16 Обозначение материала 17 18 19
Рис. 3. Коэффициенты технологичности по материалам для радиатора
Таким образом, эксперты рекомендовали в качестве наиболее рациональных материалов для изготовления конструкции технологичного теплоотвода сплав силумин марки АК12 (КТ = 0,750) и сплав системы Al-Mg-Si АД31 (КТ = 0,700).
Обсуждение результатов
Анализ оценок экспертов по отдельным факторам позволяет сделать следующие замечания и выводы.
Казалось бы, медь имеет удельную теплопроводность (X = 394 Вт/(м • К)) почти в 1,9 раза выше, чем алюминий (X = 221,5 Вт/(м • К)), и ему следует отдать предпочтение при выборе материала теплоотвода. Однако эксперты учитывали, что технологичность и эффективность радиатора зависят не только от X материала, но и других свойств. Медь имеет большую удельную плотность -8,94 г/см3, чем алюминий (2,7 г/см3), следовательно, радиатор, изготовленный из меди, будет в 3,3 раза тяжелее своей алюминиевой копии. Это немаловажно для обеспечения миниатюризации электронной аппаратуры и уменьшения массо-габаритных характеристик блоков и модулей. Кроме того, радиатор из меди не может быть изготовлен по технологии прессования (экструзии) из-за технологических свойств этого материала. Высокая теплопроводность меди усложняет сборочно-монтажные работы с деталями из этого материала, требует концентрированного нагрева.
Медь считается одним из наиболее труднообрабатываемых материалов, и сила резания ее имеет большую величину из-за значительной площади контакта на передней поверхности инструмента. Стружка трудно поддается удалению, из-за низкой скорости резания шероховатость обработанной поверхности меди низкая [7, 8].
Чистая медь обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью, поставляется предприятиям в виде листов холодного проката, проволоки, ленты, труб, чушек. Высокую теплопроводность и в то же время улучшенные за счет примесей прочность и твердость имеют низколегированные бронзы - кадмиевая БрКд1 с теплопроводностью 297 Вт/(м • К) и серебряная БрСр 0,1, содержащая 0,08...0,12 % Ag, с теплопроводностью - 302 Вт/(м • К). Однако их высокая стоимость и низкая обрабатываемость не позволили экспертам присвоить им высокие ранги.
Большая часть экспертов отдали предпочтение для производства теплоотводов электронных компонентов алюминиевым сплавам. Выбор материала объясняется как низкой стоимостью, так и сравнительно высокой теплопроводностью и удовлетворительными механическими характеристиками. Только силумины из-за твердых зерен кристаллического кремния оказывают влияние на износ режущего инструмента. В принципе алюминиевые сплавы и чистый алюминий обладают хорошей обрабатываемостью при резке, нет необходимости прикладывать значительную силу.
Алюминиевые сплавы благодаря пластичности также легко поддаются экструзии, ковке, штамповке, что дает возможность изготавливать из них профили с практически неограниченным разнообразием форм поперечного сечения. Для многих сплавов алюминия основной технологией получения деталей является литье под давлением. Детали из алюминиевых сплавов легко соединяются сваркой, пайкой и склеиванием - основными способами сборки для радиаторов.
Таким образом, на стадии выбора материала заготовки конструктору важно заранее знать количественное значение обрабатываемости материала резанием. Обрабатываемость представляет собой комплексный показатель, зависящий от физико-механических и теплофизических свойств материала: прочности, твердости, ударной вязкости, относительного удлинения, коэффициента теплопроводности и др. Однако при любых условиях наиболее важным показателем обрабатываемости материала резанием является уровень допустимых скоростей резания, поскольку этот показатель в наибольшей степени влияет на производительность операции и себестоимость обработки. Считают, что лучшую обрабатываемость имеет тот материал, который при прочих равных условиях допускает более высокую скорость резания. Если для медного сплава БрАЖ9-4 (эталонная группа медных сплавов) коэффициент обрабатываемости для чернового фрезерования плоскостей и уступов составляет 2,0 по сравнению со сталью 45 [2], то для чистой меди - 4,4.
Заключение
Предложена методика определения технологичности конструкции на ранних стадиях проектирования при выборе материала. Экспериментальное исследование показало жизнеспособность и эффективность методики, которая позволяет предварительно выбрать наиболее
технологичные с точки зрения стоимости материала и методов обработки конструкции деталей. Конструктору-проектировщику изделий при выборе материала следует учесть следующие требования: соответствие материала условиям эксплуатации и выполняемым деталью функциям; учет физических, механических свойств материала; минимальную стоимость исходного материала; технологические требования приспособленности конструкции к получению из материала различными способами обработки.
Список литературы
1. Юрков, Н. К. Технология производства электронных средств : учеб. / Н. К. Юрков. - М. : Лань, 2014. -480 с.
2. Юрков, Н. К. Технология радиоэлектронных средств : учеб. / Н. К. Юрков. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. -640 с
3. Технология радиоэлектронных средств : учеб. пособие / А. К. Гришко, Л. А. Тюрина, М. В. Чернецов, Н. К. Юрков ; под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. - 344 с.
4. Ирзаев, Г. Х. Система отбора компетентных экспертов для решения проектно-производственных задач / Г. Х. Ирзаев // Автоматизация. Современные технологии. - 2008. - № 1. - С. 40-46.
5. Ирзаев, Г. Х. Выбор количественного состава экспертной группы при оценке свойств промышленных изделий / Г. Х. Ирзаев // Автоматизация. Современные технологии. - 2010. - № 4. - С. 44-46.
6. Павлов, А. И. Система поддержки принятия решений в задачах группового выбора / А. И. Павлов, Г. С. Малтугуева, А. Ю. Юрин // Программные продукты и системы. - 2011. - № 2. - С. 54-57.
7. Петровский, А. Б. Теория принятий решений / А. Б. Петровский. - М. : Академия, 2009. - 400 с.
8. Даниленко, Б. Д. Анализ обрабатываемости медных сплавов резанием / Б. Д. Даниленко // Вестник машиностроения. - 2008. - № 3. - С. 86-87.
Ирзаев Гамид Хайбулаевич кандидат технических наук, доцент, кафедра информационных технологий и прикладной информатики, Дагестанский государственный технический университет
(367006, Россия, Республика Дагестан, г. Махачкала, Семендер, ул. Пирамидальная, д. 49) E-mail: [email protected]
Юрков Николай Кондратьевич
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (440026, Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: [email protected]
Кузина Екатерина Андреевна
студент,
Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники
(107996, Россия, г. Москва, ул. Стромынка, 20) E-mail: [email protected]
Аннотация. Предложена методика качественной оценки технологичности детали на ранних этапах проектирования при выборе материала конструкции. Эксперты из числа специалистов предприятия непосредственным ранжированием выделенных заранее факторов, влияющих на выбор материала детали, присваивают обобщенный средний ранг каждому материалу. Этот ранг влияет на формирование показателя технологичности по каждому материалу и позволяет осуществить окончательный выбор наиболее технологичного материала для детали.
Irzaev Gamid Khaybulaevich
candidate of technical sciences, associate professor,
sub-department of information technologies
and the applied information theory,
Daghestan State Technical University
(367006, 49 Piromidalnaja street, Semender,
Mahachkala, Dagestan, Russia)
Yurkov Nikolay Kondrat'evich
doctor of technical sciences, professor,
head of sub-department of radio equipment
design and production,
Penza State University
(440026, 40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Kuzina Ekaterina Andreevna student,
Moscow State University of Information Technologies, radio and electronics
(107996, 20 Stromynka street, Moscow, Russia)
Abstract. A method for qualitative assessment manufac-turability details early in the design when choosing the material of construction. Experts from among the specialists of the enterprise directly allocated to advance the ranking of factors affecting the choice of material items, consolidated average rank assigned to each material. Rank affects the formation of the technological index of each material, and allowed to carry out a final choice of the most tech material for details. The effectiveness of techniques experimentally confirmed expert assessment of manufacturability for heat dissipation
Результативность методики экспериментально подтверждена экспертной оценкой конструкции тепло-отвода для компонентов электронных модулей. Эксперты рекомендовали в качестве наиболее рациональных материалов для изготовления теплоотвода сплав силумин марки АК12 и сплав системы Л1-М£-81 АД31.
Ключевые слова: технологичность, экспертная оценка, конструкция детали, обобщенный средний ранг, нормированный коэффициент технологичности, теплоотвод, алюминиевый сплав, медь, бронза.
components of electronic modules. The experts recommended as the most efficient materials for manufacturing the heat sink of the brand alloy silumin AK12 and an alloy of Al-Mg-Si AD31.
Key words: manufacturability, expert assessment, design details, generalized average rank, normalized ratio man-ufacturability, heat dissipation, aluminum alloy, copper, bronze.
УДК 658.512.26:621.38
Ирзаев, Г. Х.
Оценка технологичности конструкции детали на этапе выбора материала на примере теплоотвода для компонентов электронных модулей / Г. Х. Ирзаев, Н. К. Юрков, Е. А. Кузина // Надежность и качество сложных систем. - 2015. - № 4 (12). - С. 31-37.
