CC BY
9
УДК 621.322
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-430-435
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ БАЗЫ ЗНАНИЙ
В.В. Жмурин
В статье представлены результаты аналитических исследований об эффективности использования элементарной базы знаний в составе процедур конструкторско-технологической подготовки производства. Рассмотрено создания базы знаний на примере обработки деталей «Втулка резьбовая» в условиях действующего производства.
Ключевые слова: технология машиностроения, элементарная база знаний, технологический процесс, технологичность.
Развитие современного металлообрабатывающего производства невозможно без опоры на передовые научные достижения, которые объединяют в целое результаты практической деятельности с теоретической основой. В настоящее время технология машиностроения как научная дисциплина направлена на решение сложной задачи, заключающейся в разработке технологий изготовления деталей, обеспечивающих их высокое качество при кратчайших сроках изготовления с минимальными затратами [1-3].
Сложность решения представленной задачи обусловлена наличием в ней двух противоречий. Сокращение сроков технологической подготовки производства неизбежно ведет к снижению технологичности процесса производства и как следствие к ухудшению качества выпускаемой продукции. Снижение качества продукции неизбежно уменьшает её конкурентоспособность. В условиях массового и крупносерийного производства потери времени, затрачиваемого на технологическую подготовку производства, компенсируются высокой технологичностью процесса изготовления. Использование специальных приспособлений, оптимальных режимов обработки и отработанность технологического процесса позволяют существенно сократить производственный цикл [2,4,5].
Современные экономические условия требуют от предприятий высокой гибкости, выраженной в быстрой смене номенклатуры выпускаемой продукции. Таким образом, в настоящее время большинство металлообрабатывающих предприятий функционируют в условиях мелкосерийного, среднесерийного, а иногда и единичного производства. При указанных видах производства широкое внедрение в технологический процесс специальных приспособлений приведет к повышению технологичности, но при этом существенно увеличит сроки технологической подготовки производства и себестоимость [1-5].
Увеличение сроков подготовки производства вызвано затратами времени на проектирование и изготовление средств специального технологического оснащения. Рост себестоимости производства обусловлен тем, что при частой смене номенклатуры выпускаемых изделий затраты на специальные приспособления и оснастку не успевают окупиться [5].
На определенном этапе в качестве решения поставленной задачи рассматривалось широкое внедрение многоцелевых станков с ЧПУ и интенсификацией режимов резания. Такой подход позволял добиться сокращения производственного цикла без потери качества путем уменьшения машинного времени обработки. Несмотря на все преимущества существенным недостатком такого решения является то, что оно не может обеспечить сокращение сроков технологической подготовки производства [1-5].
Решение описанной выше задачи требует от технологии машиностроения, развитие и установление взаимодействия между следующими научными направлениями [1-5]:
разработка и внедрение новых технологических принципов и методов обработки;
создание новых инструментальных материалов, режущих инструментов и прогрессивных технологий их использования;
дальнейшее расширение технологических возможностей многоцелевых станков.
Автоматизация процесса технологической подготовки производства, внедрение в её состав современных информационных технологий, методов математического моделирования и анализа, которые направленны не только на сбор и хранение данных, но прежде всего на их обработку и выдачу рекомендаций по проектированию технологических процессов, учитывающих возможности конкретного предприятия.
Работы по последнему направлению в настоящее время рассматриваются как приоритетные. Автоматизация процедур технологической подготовки производства отвечающих за проектирование специальной оснастки и технологических процессов не вызывает затруднений так как разработано большое количество различного специализированного программного обеспечения [1,2].
Внедрение методов математического моделирования и анализа требует создания сложных алгоритмов. Для их программных реализаций и взаимодействия с другими процедурами технологической подготовки производства необходимо единое информационное пространство. Физически оно выражено в виде элементарной базы знаний. В работе [2] автор определяет элементарную базу знаний как совокупность методов, способов, технологических переходов и операций, позволяющих из заготовки получить готовую деталь. Результаты анализа уровня развития элементарной базы знаний, представленные в работе [2] показали, что на большинстве металлообрабатывающих предприятий она представлена в неявном виде и носит локальный характер.
Как правило, она представляет из себя совокупность типовых технологических процессов, операций, перечня применяющегося режущего инструмента, технологической оснастки, а также различной справочной и методической литературы. Хранящаяся в ней информация слабо связана между собой и зачастую является морально устаревшей. Заполнение элементарной базы знаний ведется стихийно без четкой и взаимосвязанной последовательности [2]. Такое состояние элементарной базы знаний приводит к снижению производительности и качеству разрабатываемых технологических процессов, а также к избыточности средств технологического оснащения [1,3,4].
В настоящее время разработка и организация единой элементарной базы знаний предприятия является актуальной задачей, без решения которой в современных рыночных условиях невозможно организовать эффективное производство. Согласно рекомендациям, изложенных в работах [1,2] элементарная база знаний должна отвечать следующим требованиям:
1. Проектируемая элементарная база знаний должна иметь открытую структуру, позволяющую вносить, обрабатывать и хранить новую информацию.
2. Элементарная база знаний должна обеспечивать только прямые взаимосвязи между элементами, входящими в её состав.
3. Информация, содержащаяся в составе элементарной базы знаний должна быть полной и в тоже время не загруженная лишними сведениями.
4. Элементарная база знаний должна учитывать технологические, производственные, экономические и другие особенности предприятия для которого она разрабатывается.
Внедрение элементарной базы знаний в состав процедуры технологической подготовки производства предприятия является сложным и трудоёмким процессом. Он включает в себя сбор и обработку большого объёма различной информации. Поэтому возникают определенные трудности при её заполнении. Одной из них является определение последовательности выбора деталей технологическая информация о методах, обработки которых должна заносится в первую очередь.
Для определения очередности заполнения элементарной базы знаний технологической информацией был проведен анализ производственного плана предприятия, его технологического оснащения и полноты проработки имеющихся технологических процессов. По результатам анализа был установлен ряд деталей, подлежащих внесению в первую очередь. Из него была выбрана деталь «Втулка резьбовая» представленная на рис. 1. Её выбор обусловлен следующими причинами:
1. По результатам анализа производственного плана планируется увеличение объёмов её производства на 70%. Таким образом её годовой объём производства составит около 16 тыс. штук.
2. Длительный производственный цикл изготовления детали.
3. Начало подготовки к производству серии конструктивно схожих деталей.
Деталь «Втулка резьбовая» изготавливается из нержавеющей стали марки 25Х17Н2БШ по ТУ 14-1-1062-74. Её твердость должна составлять от 30 HRC до 36 HRC. На наружной поверхности нарезается резьба М6-6g, а на внутренней М4-6Н.
Кратко технологию изготовления выбранной детали можно описать следующим образом: на заготовительной операции выполняется отрезка заготовки длинной 320±1 мм, которая рассчитана на получение 30 деталей. Далее выполняется её термообработка. После заготовки направляются на токарную операцию. Она заключается в точении наружной поверхности,
сверлении отверстия под нарезание резьбы, нарезание наружной, внутренней резьбы и отрезки готовой детали от прутка с образованием фаски 0,5х45°. На слесарной операции выполняется притупление острых кромок и зенкования фаски 0,5х45°. Завершает процесс механической обработки фрезерная операция, на которой фрезеруется паз 1,4х0,8 мм.
Для определения направления и способов повышения технологичности изготовления детали «Втулка резьбовая» был выполнен анализ имеющегося станочного парка, технологической оснастки, режущего инструмента, а также других производственных возможностей предприятия. В ходе проведения анализа были получены следующие результаты.
и*
\/ШЖ
7 -ю
шшш
СМ5'
0.5х№
а б
Рис. 1. Деталь «Втулкарезьбовая»: а-эскиз детали, б-фотография детали
Для обработки деталей используются токарные станки с ЧПУ Talent 6/45. В них процесс установки заготовки и снятия готовой детали выполняется вручную. Конструкция станка Talent 6/45 не позволяет устанавливать приводной режущий инструмент радиально относительно оси шпинделя. Поэтому обработка паза выполняется на фрезерной операции. Учитывая планируемые объёмы производства для обработки деталей «Втулка резьбовая» технологичнее использовать вместо токарных станков с ЧПУ токарные автоматы.
В станочном парке предприятия имеются токарные автоматы модели G32-HA/DE предназначенные для обработки малогабаритных деталей. В их конструкции предусмотрена возможность установки до 4-х приводных инструментов, расположенных радиально оси шпинделя. Зажим заготовки осуществляется с помощью гидравлического цангового патрона. Для обеспечения работы в автоматическом режиме станки оснащены устройствами автоматической подачи заготовок.
Конструкция устройства автоматической подачи заготовок обеспечивает загрузку прутков длинна которых не превышает 1500 мм. Подача прутка от накопительного устройства в шпиндель станка осуществляется через специальные переходные втулки. Для исключения заклинивания прутка в переходной втулке его отклонение от прямолинейности не должно превышать 1 мм.
Согласно действующего технологического процесса закалка заготовок выполняется в шахтных печах. Имеющиеся на предприятии шахтные печи позволяют производить термическую обработку заготовок длинна которых не превышает 1000 мм. В процессе закалки заготовок длинной от 250 мм до 550 мм тепловые деформации приводят к отклонению от прямолинейности на величину 0,7—2 мм, а при длине от 550 мм до 1000 мм отклонение от прямолинейности составляет 2,5—3 мм. Такие деформации делают непригодным дальнейшее использование прутков в устройствах автоматической подачи заготовок которыми оснащены станки G32-HA/DE.
Таким образом, на основании результатов выполненного анализа были установлены следующие направления оптимизации технологического процесса:
1. Поиск и внедрение прогрессивной технологии термической обработки, которая уменьшит отклонение заготовки от прямолинейности до 0,8—1 мм при длине не менее 1000 мм.
2. Замена используемых токарных станков с ЧПУ на токарные автоматы с оснащенные устройствами автоматической подачи заготовок.
3. Корректировка размеров заготовки с учетом требований предъявляемых устройствами автоматической подачи.
4. Произвести интенсификацию режимов резания.
Осуществление указанных выше направлений оптимизации технологии изготовления детали «Втулка резьбовая» возможно только после решения проблем, связанных с её термообработкой.
В настоящее время для закалки деталей из различных марок нержавеющей стали в машиностроении широко используется технология термической обработки в вакуумных печах. Она позволяет свести к минимуму деформации детали, вызванные термическим воздействием, что делает возможным её применение даже на окончательно обработанных деталях с точными размерами. Анализ производственных мощностей предприятия установил наличие необходимого оборудования для реализации указанной технологии. Её использование для закалки деталей «Втулка резьбовая» изготовленных окончательно имеет следующие преимущества:
1. Отпадает необходимость проводить термическую обработку заготовок, что позволяет увеличить их длину с 320 мм до 1500 мм.
2. Возможно использовать устройства автоматической подачи заготовок.
3. Для сокращения времени обработки можно выполнить интенсификацию режимов
резания.
При проведении интенсификации режимов резания важным вопросом является оценка их эффективности. Поэтому в процессе отработки новых режимов резания для обеспечения полного использования ресурса режущего инструмента выполнялся мониторинг его состояния с помощью диагностических возможностей системы ЧПУ станка непосредственно в процессе резания по методике, предложенной в работе [6]. Он позволил установить взаимосвязь увеличения силы резания, обусловленной износом инструмента, с потребляемой приводом нагрузкой. Таким образом, была установлена граница критического износа для каждого инструмента, применяемого для обработки выбранной детали.
H с
Рис. 2. Детали типа «Втулки резьбовые»: а- общий эскиз деталей; б-фотография деталей
Основные конструктивные размеры деталей
Наименование Размеры, мм.
детали Н В d D L c e
Втулка резьбовая 1 — — М8-6Н M16-6g 20 2 1,2
Втулка резьбовая 2 — — М5-6Н M12-6g 10 1,6 1
Втулка резьбовая 3 1,5 1,2 М6-6Н M12-6g 10 1,6 1
Втулка резьбовая 4 0,8 1 М4-6Н M8-6g 12 1 0,5
Втулка резьбовая 5 0,8 0,5 М4-6Н M8-6g 6 1 0,5
Втулка резьбовая 6 1,2 1 М4-6Н M10-6g 8 1,2 0,5
Втулка резьбовая 7 — — М5-6Н M8-6g 10 1 1
Втулка резьбовая 8 1 0,5 М4-6Н M6-6g 7 1 0,5
Втулка резьбовая 9 2,4 2 М12-6Н M20-6g 12 2,5 1,6
В результате решения поставленной задачи в технологии изготовления детали «Втулка резьбовая» были выполнены следующие изменения:
1. Вместо заготовки выполняется закалка готовой детали в специальной вакуумной
печи.
2. Токарные станки с ЧПУ Talent 6/45 были заменены на токарные автоматы G32-HA/DE оснащенные устройствами автоматической подачи заготовок.
3. Была увеличена длина заготовки с 320 мм до 1500 мм.
4. Были подобраны более производительные режимы резания, которые более полно используют ресурс режущего инструмента.
Для оценки эффективности внесенных в технологический процесс изменений была изготовлена опытная партия деталей в количестве 1500 штук. Результаты контроля размеров, указанных в чертеже, показали их полное соответствие. Проверка наружных и внутренних резьбовых поверхностей на наличие повреждение вызванных термической обработкой показала их отсутствие. Оценка трудоёмкости изготовления детали показало её снижение с 0,43 н/ч до 0,26 н/ч. Полученная трудоёмкость 0,26 н/ч позволяет стабильно изготавливать деталь в заданных объёмах.
В создаваемую элементарную базу знаний была занесена информация о методах и последовательности обработки, режимам резания, стойкости и допустимой величины износа используемых режущих инструментах. Она была положена в основу при разработке технологических процессов на целую серию деталей типа «Втулки резьбовые» представленных на рис. 2. В таблице приведены их основные конструктивные размеры.
Список литературы
1. Аверченко А.В., Терехов М.В., Желобов А.А., Мрочек Ж.А., Шкаберин В.А. Станки с ЧПУ: устройство, программирование, инструментальное обеспечение и оснастка: учебное пособие. М.: Изд-во «Флинта», 2014. 355 с.
2. Базров Б.М. Основы технологии машиностроения: учебник для вузов. М.: Машиностроение, 2005.736 с.
3. Капустин Н.М. Автоматизация производственных процессов в машиностроении / Н.М. Капустин, П.М. Кузнецов, А.Г. Схиртладзе и др. М.: Высшая школа, 2004. 415 с.
4. Маликов А.А., Федоров Ю.Н., Артамонов В.Д., Золотухина О.Л. Современная концепция проектирования технологий обработки резанием: учебное пособие. Тула: изд-во Тул. гос. ун-та, 2012. 318 с.
5. Маликов А.А., Ямников А.С. Технология машиностроения: учебник. Тула: Изд-во Тул. гос. ун-та, 2010. 388 с.
6. Сальников В.С., Жмурин В.В., Анцев А.В. Практическое применение диагностических возможностей современных многоцелевых станков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 10. C. 257-264.
Жмурин Владимир Викторович, канд. техн. наук, доцент, vladimir_zhmurin@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INCREASING THE EFFICIENCY OF TECHNOLOGICAL PROCESS DESIGN BY USING THE
ELEMENTARY KNOWLEDGE BASE
V.V. Zhmurin
The article presents the results of analytical studies on the effectiveness of using the elementary knowledge base as part of the procedures for design and technological preparation ofproduction. The creation of a knowledge base is considered on the example of the processing of parts "Threaded sleeve" in the conditions of the current production.
Key words: mechanical engineering technology, elementary knowledge base, technological process, manufacturability.
Zhmurin Vladimir Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, vladi-mir_zhmurin@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
