CC BY
58
УДК 658.783
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО ПОДХОДА К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОПЕРАЦИИ
С.В. Городничев
Предложен технико-экономический подход к проектированию технологической операции в целях повышения эффективности производства.
Ключевые слова: производительность и себестоимость обработки, партия деталей, конкурентоспособность выпускаемой продукции, себестоимость изделия, целевая функция, виброустойчивость процесса точения, технологическая подготовка производства.
В настоящее время большинство предприятий в России и зарубежом работают по заказам. Для повышения оперативности выполнения заказов необходимо снижать временные затраты на технологическую подготовку производства [3,4,5]. Одним из основных ее элементов является разработка виброустойчивых процессов резания. В частности, до настоящего времени одной из нерешенных задач, сопровождающих точение, являются вибрации, приводящие к снижению качества изготовления изделий, производительности обработки ввиду перехода на заниженные режимы резания для обеспечения виброустойчивости, к росту времени переналадки оборудования при переходе с выпуска одной детали на другую и соответственно к повышению себестоимости.
Решение задачи обеспечения безвибрациооного процесса точения в конкретных условиях осложняется действием фактора неопределенности, связанного с наличием разного рода отклонений в динамических характеристиках оборудования и инструмента, химическом составе и механических характеристиках обрабатываемого материала, т.е. с отсутствием достоверных данных , полученных для конкретных станков, инструментов и обрабатываемых материалов.Это ведет к тому, что технолог, наладчик и оператор при отладке токарной операции для достижения виброустойчивости процесса точения и требуемого качества обработки используют метод проб и ошибок при установлении режимов резания. Поэтому процесс корректировки режимов резания связан с большими временными и материальными затратами: зарплата технолога, наладчика, оператора, амортизация оборудования, затраты на электроэнергию, а обеспечение виброустойчивости не увязывается с производительностью и себестоимостью обработки и не решается комплексно.
В то же время не следует забывать то, что большинство современных предприятий работают по заказам в условиях мелкосерийного и серийного типов производства. В этой ситуации количество переналадок оборудования резко возрастает, что подтверждает значимость решаемой задачи.
Вместе с тем, в рыночных условиях для поддержания конкурентоспособности выпускаемой продукции необходимо в процессе разработки технологической операции обеспечивать как требуемое качество изделия, минимальную себестоимость, так и производительность, обеспечивающую выполнение заказов в установленные договором сроки.
Виброустойчивость процесса точения достигается рядом методов, один из которых -полиоптимизация режимов резания. Известно, что при оптимальных (безвибрационных) режимах резания достигается предельно возможное качество поверхностей. Однако наряду с этим, необходимо выполнять обработку при высокой производительности, обеспечивающей исполнение заказов точно в срок. Учитывая, что себестоимость и производительность являются конкурирующими показателями, то необходимо, на основе знания диапазона оптимальных скоростей резания, находить компромиссное решение, при котором, на основе соблюдения паритета между вышеуказанными показателями, выдерживаются не только сроки выполнения заказов, но и обеспечивается приемлемая себестоимость изделия.
Повышение виброустойчивости и производительности механической обработки, а также снижение ее себестоимости может быть обеспечено на основе проектирования рациональной технологии и инструмента, выбора прогрессивного материала его режущей части и оптимальных режимов резания, в частности, скорости резания.
Согласно [1,2,6] «разработанным ранее методам определения оптимальных режимов резания (подача, скорость резания и.т.д.) присущ, как правило, очень существенный практический недостаток: для этих методов необходимы достоверные данные об обрабатываемости резанием при выполнении конкретных операций. Понятие «достоверные данные» подразумевает данные в широком диапазоне подач и скоростей резания, полученные для конкретных станков и применяемых инструментов, а также обрабатываемых материалов. Однако на практике, обычно, таких данных нет». При использовании размеров блестящих колец Уайтекера для определения диапазона оптимальных скоростей резания указанный недостаток полностью исключается. Это связано с тем, что при таком подходе устраняется неопределенность, связанная с обрабатываемым материалом. Образец изготавливается из того же выплавленного материала , что и деталь, с динамическими параметрами оборудования, инструментом и независимыми параметрами режимов резания, глубиной и подачей резания.
Обычно конкурентоспособность определяется высоким качеством изделий, их минимальной ценой и возможностью изготовления в сроки, установленные заказчиком. В предлагаемой методике используется интегральный критерий, сочетающий повышенную виброустойчивость, максимально достижимую производительность и минимально возможную себестоимость, для определения оптимальных режимов резания.
1. Для сокращения временных затрат на установление диапазона оптимальных скоростей резания, обеспечивающих безвибрационный режим точения, производят группирование деталей по маркам обрабатываемого материала. Наряду с этим по мере функционирования производства формируется банк данных о диапазонах оптимальных скоростей резания для каждого из станков и применяемых марок материала. При этом задача упрощается в связи с доминированием на производстве многоцелевых и других станков с ЧПУ, так как в этом случае банк данных о диапазонах оптимальных скоростей резания для каждой марки материала и конкретного оборудования размещается в памяти его мини - ЭВМ. Это также ускоряет процесс установления оптимальных режимов резания для заданного набора исходных данных.
2. На основе учета конкретных условий реализации операции определяется глубина резания, оказывающая большее влияние на себестоимость обработки по сравнению с подачей. При этом увеличение глубины резания с одной стороны приводит к увеличению съема металла в единицу времени, а с другой - к повышению себестоимости токарной обработки ввиду роста скорости износа резца.
Поэтому при удалении больших припусков необходимо производить их рациональное разбиение. Существует ряд подходов к разбиению припуска при его съеме за несколько проходов. В этом случае учитывается не только ограничения, связанные с мощностью привода оборудования, но и обеспечение процесса стружкодробления при точении. Для этого можно использовать, например, диаграмму глубина резания - подача , при помощи которой устанавливается совокупность величин глубины резания и подачи, соответствующих образованию дробленной, легко удаляемой стружки. Такие диаграммы обычно поставляются предприятиями - производителями режущего инструмента. Вместе с тем, в настоящее время введена балльная оценка способности сменной многогранной пластины определенной геометрии обеспечивать стружкодробление при точении .
По диаграмме определяется глубина резания, при которой обеспечивается стабильное стружкодробление. При съеме больших припусков, превышающих глубину резания, оптимальную с точки зрения стружкодробле-ния, производят с использованием следующих методов.
При этом общее количество проходов вычисляется из выражения:
z
п = ----= пц + пд, (1)
'■опт
где ъ - припуск на обработку; 1опт - оптимальная глубина резания; пц - целая часть числа проходов; пд - дробная часть.
Следовательно, последний проход имеет глубину резания, меньшую ее оптимальной величины, т.е. необходимо провести корректировку.
Согласно первому из методов корректировки исключается последний проход, а величина припуска, подлежащая удалению на этом проходе,
перераспределяется между остальными, предшествующими проходами. Тогда скорректированная глубина резания будет равна:
г > = г + г°ст (2)
1п 1опт + (2)
пц
где 1ост - остаток припуска, меньший оптимальной глубины резания.
В соответствии с данными [102] этот метод не может использоваться, если сумма максимально допустимых глубин резания первых (п - 1) проходов меньше полной глубины резания, подлежащей удалению на этой операции.
При втором методе разбиения припуска полученное дробное число проходов округляется в большую сторону до целого числа. В результате глубина резания для первых проходов уменьшается до минимальной величины при которой сохраняется стабильность процесса стружкодробления. Уменьшенное значение глубины резания для каждого из проходов находится по формуле:
п' ^опт ~2'
1п 1опт (3)
п
При третьем методе глубина резания для последнего прохода принимается равной остаточной глубине резания, а припуски снимаемые на предшествующих проходах остаются оптимальными, при которых соблюдается стабильность процесса стружкодробления.
В соответствии с четвертым методом последний проход с глубиной резания, меньшей оптимальной, исключается, а припуск, соответствующий ему добавляется к предшествующему проходу. При этом скорректированная глубина резания на проходе, предшествующем последнему из них, равна:
^п—1 = Iопт +1ост (4)
Тогда число проходов уменьшается до величины пц.
Согласно данный метод не применяется, если глубина резания на проходе, предшествующем последнему из них, с учетом добавленного припуска, превышает максимально допустимую глубину резания, исходя из обеспечения стабильного стружкодробления или мощности станка. Однако существуют и другие подходы к рациональному распределению припуска между проходами.
При чистовом и тонком точении глубина резания назначается в соответствии с рекомендациями, приведенными в справочной литературе.
3. По таблицам нормативов устанавливается рекомендуемая подача, обеспечивающая необходимую шероховатость и точность обработанной поверхности. Далее устанавливается подача, допускаемая жесткостью обрабатываемой детали и инструмента, прочностью державки резца, режущей пластины, а также мощностью станка.
При черновой обработке осуществляется максимизация подачи с учетом мощности привода, жесткости станка и инструмента, стружкообра-зования и предельных значений подачи на конкретном станке.
В случае чистовой обработки подача вычисляется по эмпирической зависимости, установленной из условия получения требуемой шероховатости поверхности. Ближайшая меньшая величина подачи, имеющаяся на станке принимается для дальнейших расчетов. Следует отметить, что при увеличении подачи происходит рост производительности обработки, но одновременно повышается шероховатость поверхности и снижается уровень качества точения.
4. Назначается скорость резания при помощи использования ранее выбранных величин глубины резания и подачи.
5. На основе установленной скорости резания V и диаметра заготовки Э вычисляется частота вращения шпинделя.
1000- V
п =-----РГ (5)
Л-и
Для оборудования, имеющего дискретный ряд частот вращения шпинделя, полученная величина п корректируется по паспортным данным станка.
6. Диаметр образца для проведения испытания выбирается равным 1,50. Образец изготавливается из того же материала, что и заготовка.
7. В образце, установленном в патроне токарного станка, подрезается торец. После обработки на торце образца образуется блестящее кольцо, размеры Рщщ и Бтах которого измеряются. Далее на основе полученных размеров кольца вычисляются минимальная Утщ и максимальная Утах скорости резания, образующие диапазон оптимальных скоростей, при которых обеспечивается безвибрационный режим точения:
т/ . _ Л' ишт - п - и _ Л' итах - п
тт 1000 ; тах 1000 ( )
Диапазон оптимальных скоростей резания, установленный для конкретных марки обрабатываемого материала и оборудования, заносится в банк данных.
8. При образовании на торце образца двух блестящих колец вычисляются оба диапазона оптимальных скоростей резания. Каждый из этих диапазонов оптимальных скоростей используется для вполне конкретных технологических ситуаций.
9. Далее уточняем режимы резания на основе принятых целевой функции:
Ц(х) = 1Ь (х) + ^1^[с(х) Спред .+^2^[(2пред.1 б(х)] +
(7)
^3^|бпред.2 б(х)]+^4 ^[-^(х) ^пред .1
и ограничений:
C
пред
щ
П
тх + i + тсм + WT t0 T ET
(8)
Q-пред
14
WT
T ET
см
П
max< < Tx | 1 | тсм Wt " C сзаг T \
_ t0 T ET Et0 0 t
кшт^0 ;
(9)
__________МП___________
4015- 6°(k3 max — к3ф )
Здесь ¡-1,2 - порядковый номер ограничения по предельной производительности.
B — Впред. smin — s — smax. vmin — v — vmax,
(10)
(11)
(12)
Учитывая полученный диапазон оптимальных скоростей резания устанавливаем в результате проведения расчетов режимы обработки (скорость резания, глубину резания и подачу), при которых обеспечиваются как виброустойчивость процесса точения, так и необходимое сочетание производительности и себестоимости обработки.
Вместе с тем, в процессе моделирования можно исследовать влияние твердости материала, объема выпуска изделий, величины себестоимости одной минуты работы станка, величины себестоимости инструмента за период его стойкости и основного времени обработки на целевую функцию. Это позволит формально, без привлечения интуиции и опыта технолога, принимать правильные решения технико-экономического плана при проектировании технологической операции токарной обработки.
Список литературы:
1.Городничев С.В. Минимизация себестоимости изготовления заказов на основе технико-экономического подхода//Материалы Международной научно-практической конференции «Экономика, наука, образование: проблемы и пути интеграции». М.: ВЗФЭИ, 2010.
2. Васин Л.А., Г ородничев С.В. Снижение себестоимости изделий на основеиспользованияинновационно-технологической оптимизации//Изве-стия ТулГУ. Серия: «Экономические и юридические науки». Вып.1. Ч.1.Тула: Изд-во ТулГУ, 2011.
3. Городничев С.В., Чачина Е.Б. Повышение эффективности процесса реализации заказов//Известия Тул ГУ. Серия «Экономические и юридические науки.» Вып1.Ч1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.
4. Васин Л.А., Городничев С.В. Повышение эффективности реализации портфеля заказов на основе использования технологических иннова-ций//Известия Тул ГУ. Серия «Экономические и юридические науки.» Вып1.Ч1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.
5. Васин Л.А., Городничев С.В., Луценко А.Г. Формирование портфеля заказов при отсутствии неопределенности//Известия ТулГУ. Серия «Экономические и юридические науки» Вып3.Ч1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.
6. Васин Л.А., Городничев С.В. Направления снижения себестоимости продукции//Известия ТулГУ. Серия «Экономические и юридические науки» Вып5.Ч1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.
Городничев Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доц., (4872) 26-02-45, go-rodnichev_SV@mail.ru, Россия, Тула, Финансовый университет при правительстве Российской Федерации (Тульский филиал)
IMPROVE PRODUCTION EFFICIENCY BASED ON TECHNICAL AND ECONOMIC APPROACH THE DESIGN PROCESS OPERATIONS
S.V. Gorodnichev
Proposed technical and economic approach to the design process step in order to improve production efficiency.
Keywords: performance and cost of treatment, the party details, competitiveness of the products, the cost ofproducts, The Task function, vibration process of turning, technological preparation of production.
Gorodnichev Sergey Vladimirovich, candidate of technical science, docent, (4872) 2602-45, gorodnichev_SV@mail.ru, Russia, Tula, Financial University under the Govern-ment of the Russian Federation (Tula branch)
