Повышение эффективности проектируемых технологических процессов механической обработки на основе оптимизации размерных структур

Основной задачей современного машиностроения является создание конкурентоспособных изделий, обладающих высоким качеством и минимальной себестоимостью изготовления. Решение этой задачи осуществляется в определенной степени на стадии технологической подготовки производства, где предусматривается проектирование оптимальных технологических процессов, обеспечивающих получение заданного качества, в том числе, точности деталей изделия, при высокой производительности их изготовления.

В то же время, на большинстве предприятий авиационной промышленности эффективность проектируемых технологических процессов (ТП) механической обработки (МО) недостаточна. Проектируемые ТП не обеспечивают снижение материалоёмкости высокоточных деталей, трудоёмкости обработки и процента брака.

Оптимизация применительно к обеспечению точности заданных размеров при минимальной трудоемкости МО невозможна без проектирования оптимальных размерных структур технологических процессов механической обработки (PC ТП МО). Однако в настоящее время принятие оптимальных решений сдерживается из-за отсутствия: научных знаний о комплексном влиянии конструктивных, технологических, структурных и экономических факторов на PC ТП МОматематической модели и ее оптимизации на основе комплексного многоуровневого подходапрограммно-методического комплекса (ПМК) для синтеза оптимальных размерных структур технологических процессов механической обработки.

Анализ возможных путей решения этой проблемы (проектирование нескольких вариантов размерной структуры ТП по существующим методикам, создание размерных схем на этапе проработки на технологичность, использование компьютерной техники и существующего программного обеспечения при проектировании ТП) показал их малую эффективность и необходимость комплексной многоуровневой оптимизации ТП МО для учёта всех факторов производства.

Таким образом, существует научная проблема, заключающаяся в отсутствие научных знаний, необходимых для комплексной многоуровневой оптимизации размерных структур технологических процессов механической обработки и разработки программно-методического комплекса (ITMK).

Научная новизна темы состоит в создании научных основ комплексной многоуровневой оптимизации размерных структур технологических процессов механической обработки деталей, где разработка математической модели и ее оптимизация осуществляются с использованием комплексного многоуровневого подхода к разработке целевой функции и критерия оптимальности PC ТП МО. В известных подходах к разработке PC ТП МО на основе размерного анализа (РА) и размерного синтеза учитывалось влияние лишь одного — структурного фактора на PC ТП МО, а задача оптимизации размерной структуры технологического процесса вообще не ставилась.

В то же время, развитие научных знаний в области моделирования систем, системного анализа, сочетаясь с накопленными знаниями по технологии машиностроения, размерному анализу и синтезу, позволяет применить современные методы оптимизации к процессу проектирования PC ТП МО деталей.

Практическая значимость темы состоит в научном обосновании ПМК, предназначенного для совершенствования следующих выходных параметров: повышения качества проектирования PC ТП МО за счёт принятия оптимальных решенийснижения трудоёмкости проектирования технологии за счёт автоматизации ряда задач (расчёт размерных цепей, подбор прогрессивной оснастки и другое) и применения типовых решенийповышения производительности механической обработки заготовок за счёт уменьшения припусков и длины обработкиснижения материалоёмкости деталей и расхода инструмента за счёт рационального распределения припусков. Наряду с этим, научные результаты послужат для дальнейшей разработки данной темы (создание типовых размерных структур ТП для различных групп деталей) и других исследований (отработка деталей на технологичность по типовым PC, разработка методик расчёта специфических видов размерных цепей и других).

В области размерного анализа работали многие выдающиеся специалисты, которые создали ряд методик, позволяющих решить многие размерные задачи, возникающие в процессе проектирования технологии. В традиционной методике размерного анализа на основе РД 50−675−87 даются только формулы расчёта замыкающих звеньев размерных цепей (РЦ) методом максимума-минимума. В литературе по проектированию технологических процессов [9, 35, 40, 63] этап размерного анализа техпроцесса стоит обычно одним из последних. В результате такого подхода: точность и стабильность геометрических параметров деталей зачастую не обеспечиваетсятребуется высокая квалификация технологапростановка технологических размеров на операциях неоптимальнаприпуски зачастую назначаются больше необходимыхнет критериев сравнения вариантов PC ТП МОневозможно определить полную взаимосвязь между технологическими решениями и точностью детали.

Большую роль при устранении этих недостатков сыграли работы профессоров В. В. Матвеева, А. В. Тверского [36] и других исследователей (профессоров И. С. Солонин, С. И. Солонин [62], И. Г. Фридлендер [52]). Использование планов обработки поверхности по методике В. В. Матвеева (табличная методика) обеспечивает рациональное назначение минимальных припусков. Впервые вводится понятие размерной схемы техпроцесса. Вариант ТП может быть оценён по расходу материала или показателю приведенных затрат. Но, поскольку задача оптимизации не ставилась и не решаласьвыбранные критерии не обеспечивают оптимальности PC ТП МОне выделены управляемые факторы для изменения PC ТП МОнет возможности проверить все возможные варианты из-за высокой трудоёмкости расчётов, поскольку каждый из вариантов PC ТП технолог должен создавать вручную.

Развитие РА получил в работах доц. Б. С. Мордвинова [41], проф. Э. А. Мухачёвой, доц. Э. Г. Рахимова [42] и в направлении размерного синтеза профессоров М. X. Гольдфельда, Ю. Н. Свиридова, В. Ю. Шамина, JI. J1. Зайончика, И. Я. Мирнова и других, [17, 18]. В этих работах впервые вводится понятие размерной структуры техпроцесса как взаимосвязи всех размеров детали, исходной заготовки, операционных размеров и припусков. PC ТП МО была представлена в виде графа, что позволило применить теорию графов к её оценке и выявить структурный критерий сравнения: суммарное количество составляющих звеньев во всех уравнениях размерных цепей (ЕЛООднако размерный синтез не решает задачи построения оптимальной PC, поскольку задача оптимизации PC ТП МО разработчиками не ставилась и не решаласьалгоритмы создания вариантов PC ТП МО и критерии их сравнения не гарантируют оптимальность варианта, поскольку проверяются не все варианты и учитываются не все факторы.

Дальнейшие научные разработки в области размерного анализа касались в основном проблем практической реализации вышеописанных методик или их углубления и развития с позиции конструкторской (проф. В. В. Непомилуев, доц. М. Е. Ильина [43], доц. М. В. Тарасова [66]) и технологической проработки изделий и деталей. Например, проф. Ю. А. Мокрушин и доц. А. А. Костицына [40], основываясь на табличной методике, предлагают выбирать вариант PC ТП МО при проработке деталей на технологичность, что позволяет при необходимости внести изменение в чертёж детали. Однако, при использовании аналогичных экономических критериев для сравнения созданных вручную 2 — 3-х вариантов размерной схемы получить оптимальный вариант PC ТП МО невозможно, особенно для сложных деталей авиационного двигателестроения, имеющих до 1000 и более размеров.

Таким образом, к настоящему времени научная проблема комплексной оптимизации размерных структур технологических процессов механической обработки заготовок не была решена, и существует актуальная необходимость её решения.

Объект исследования — процесс проектирования технологии механической обработки заготовок. Предметом исследования является процесс формирования PC ТП МО.

Цель работы — повышения эффективности технологических процессов механической обработки на основе комплексной оптимизации размерных структур.

Задачи.

1. Определить комплекс факторов, влияющие на проектирование PC ТП МО и создать схему их взаимодействия.

2. Поставить задачу оптимизации PC ТП МО (описать объект оптимизации, разработать целевую функцию оптимизации, определить методы решения задачи).

3. Создать математическую модель PC ТП МО в матричной форме.

Матричное представление модели облегчит автоматизацию процесса оптимизации PC ТП МОпозволит представить типовые размерные структуры в простой и удобной форме, учесть комплексные факторы при построении PC ТП МО и вывести расчётные зависимости дляопределения комплексного критерия оптимальности.

4. Разработать комплексный критерий оптимальности модели PC ТП МО и вывести расчётные зависимости для его определения.

5. Построить алгоритм комплексной многоуровневой оптимизации математической модели PC ТП МО.

6. Создать программно-методический комплекс (ПМК) для проектирования оптимальных PC ТП МО.

7. Провести внедрение ПМК в производственных условиях.

Научная новизна исследования.

На основании факторного анализа процесса проектирования размерных структур технологических процессов мехобработки и структурного анализа размерных связей детали, исходной заготовки и технологического процесса разработана математическая модель PC ТП МО в матричной форме, позволившая:

— разработать комплексный критерий оптимальности PC ТП МО, учитывающий влияние комплекса структурных и экономических факторов, технологических и конструкторских ограничений и выявить математические зависимости для его определения;

— разработать метод проверки адекватности PC ТП МО, не требующий трудоёмкого расчёта размерных цепей;

— разработать алгоритм оптимизации размерных структур проектируемых технологических процессов механической обработки.

Практическая значимость исследования.

Программно-методический комплекс проектирования оптимальных PC ТП МО, созданный на научной основе комплексного подхода к разработке математической модели PC ТП МО и ее оптимизации, использован в следующих областях практической деятельности:

— на предприятиях ОАО «Пермский моторный завод» и ОАО «Редуктор-ПМ», где на основе ПМКразрабатываются технологические процессы с оптимальными размерными структурами, в том числе в качестве апробации ПМК — десять различных по конструкции деталей, что дало значительный экономический эффект.

— в учебном процессе на кафедре «Технология машиностроения» Пермского государственного технического университета (ПГТУ) при изучении дисциплин «Размерный анализ ТП на ЭВМ», «Информационные технологии в машиностроении» и других, а также при проектировании курсовых и дипломных проектов;

Апробация результатов исследования проводилась:

— в практической деятельности — в учебном процессе в ПГТУ при изучении дисциплин, проектировании курсовых и дипломных проектов и при создании методических разработокна предприятиях при проектировании технологических процессов механической обработки деталейв Федеральной службе России по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам при регистрации ПМК (Свидетельство № 2 004 612 032 от 5 июля 2004 г-);

— в научной деятельности — в выступлениях на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях с опубликованием тезисов докладов в сборниках НТКна научных семинарах кафедр «Технология машиностроения», «Математическое моделирование», «Металлорежущие станки и инструмент» ПГТУ, кафедр «Станки и инструмент» и «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» РГАТАв публикациях результатов исследований в научных журналах и сборниках научных трудов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 5 статей в сборниках научных трудов и научных журналах, 3 тезиса в сборниках НТК, учебное пособие и свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

С избранными статьями и другими научными разработками автора можно ознакомиться в Internet на сайте http://alexcriv.narod.ru.

На защиту выносятся:

— математическая модель PC ТП МО в матричной форме,.

— комплексный критерий оптимальности модели PC ТП МО и расчётные зависимости для его определения,.

— метод проверки адекватности PC ТП МО не требующий расчёта размерных цепей;

— алгоритм комплексной оптимизации PC ТП МО.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы на 54 наименования и 5 приложений. Содержит 142 страницы печатного текста, 29 рисунков, 32 таблицы, список литературы на 75 наименований, 5 приложений.

4.2 Выводы и рекомендации по использованию ПМК.

Программно-методический комплекс работает наиболее эффективно, если его включить в состав системы автоматизированного проектирования технологических процессов. Состав ПМК и его внешние связи представлены на рисунке 22.

Рисунок 22 — Модульное построение Г1МК проектирования оптимальных PC ТП МО заготовок.

Преимущества ПМК:

— ПМК полностью реализует созданную комплексную методику, что позволяет уменьшить время на проектирование технологических процессов для различных типов производств в несколько раз;

— модульное построение позволяет использовать ПМК в производстве, при обучении студентов и контролировать ход работы на каждом этапе;

— развитый интерфейс и удобная система справочной информации позволяет пользователю быстро научиться эффективной работе с ней;

— ПМК автоматизирует наиболее трудоёмкие технологические расчёты при проектировании размерной структуры и расчёте технологических размеров на операциях ТП;

— ПМК отвечает всем современным требованиям к программному обеспечению.

Для полной реализации всех преимуществ ПМК при внедрении ег о в производство следует:

— провести статистические исследования точности обработки деталей на существующем оборудовании, для чего можно использовать технологии идущих в производстве деталей;

— на основе идущих деталей создать базу данных типовых размерных структур;

— ПМК желательно использовать не отдельно, а в составе автоматизированной системы проектирования технологических процессов, что в несколько раз позволит сократить время на ввод информации (исключить повторный ввод данных для ПМК) и на проектирование эскизов операций ТП в графическом редакторе (при автоматическом получении данных из ПМК).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Решена производственная проблема повышения эффективности технологических процессов механической обработки на основе комплексной многоуровневой оптимизации размерных структур.

2. Решена научная проблема и достигнута цель исследованияразработан метод комплексной многоуровневой оптимизации PC ТП МО, включающее:

— схему взаимодействия комплекса факторов, влияющих на проектирование PC ТП МО, созданную на основе факторного анализа процесса проектирования PC ТП МО;

— постановку задачи оптимизации PC ТП МО и математическую модель PC ТП МО в матричном виде (с учётом комплекса структурных, экономических, конструкторских и технологических факторов);

— методику проверки адекватности PC ТП МО, не требующую расчёта размерных цепей;

— критерий оптимальности модели PC ТП МО.

3. Решение задачи оптимизации получено в виде алгоритма комплексной оптимизации модели PC ТП МО с использованием предложенного критерия оптимальности PC ТП МО. На основе алгоритма создан программно-методический комплекс проектирования оптимальных PC ТП МО.

4. Программно-методический комплекс внедрён на двух предприятиях авиастроения и показал высокую эффективность при разработке новых и оптимизации существующих PC ТП МО. Созданы типовые размерные структуры для типовых деталей авиадвигателя ПС-90А2 и вертолётного редуктора ВР-8, позволившие оптимизировать 10 технологических процессов механической обработки. Получено снижение трудоёмкости проектирования эскизных технологических процессов более чем на 60%, трудоёмкости механической обработки до 20%- обеспечено уменьшение себестоимости деталей до 17%- повышено качество проектируемых техпроцессов (исключены ошибки в размерной структуре, что снизило количество изменений в технологических процессах при внедрении в производство на 50%).

ПМК внедрён в учебном процессе на кафедре «Технология машиностроения» ПГТУ при изучении дисциплин «Размерный анализ ТП», «Информационные технологии в машиностроении», «Автоматизированные системы проектирования ТП».

5. Программно-методический комплекс позволяет создавать оптимальные PC ТП МО не только для внедрённых, но и для других классов деталей, причём задача оптимизации решается на ранних стадиях проектирования технологии, что позволяет избежать дополнительных затрат при внедрении и отработке технологических процессов.

6. Результаты научного исследования доказали, что комплексная многоуровневая оптимизация PC ТП МО — это эффективное направление совершенствования технологических процессов, являющееся основой для дальнейших научных разработок по темам:

— поиск более эффективных методов оптимизации PC ТП МО;

— создание типовых размерных структур для разных классов деталей;

— отработку деталей на технологичность по типовым PC ТП МО;

— расчёт специфических видов технологических размерных цепей (покрытий, насыщений, пространственных, связанных размерных цепей) и другие.