В., Шлыкова А. В. Технологические процессы машиностроительного
 Скачать 1.89 Mb.
|
|
тема При разработке технологической цепочки обработки одной или не- скольких поверхностей заготовки возникает потребность рассмотрения мно- жества вариантов обработки, как отдельной поверхности, так и всей заготов- ки в целом. Множественность и многовариантность технологических цепо- чек изготовления деталей машин требует или последовательного рассмотре- ния каждой технологической цепочки, или использовать метод «крутого вос- хождения» к оптимальному варианту. Метод крутого восхождения возможен только при представлении технологического процесса и каждого метода из- готовления детали виде технической системы с последующим системным анализом обобщенной структурной схемы технологического процесса изго- товления изделия. Системой называется организованный комплекс средств необходимых для достижения общей цели. При этом данный комплекс имеет иерархиче- скую структуру, каждый из элементов которой по степеням иерархии явля- ются средством достижения цели элемента или подсистемы более высокого уровня. Технологический процесс изготовления детали (и машины в целом) можно представить в виде многоуровневой, сложной технической системы, состоящей из формального набора блоков (рис. 2.1). Исходными данными для этой системы являются: чертеж детали, мате- риал детали, величина обрабатываемой партии, условия работы детали в узле и машины в целом, условия производства (блок «Исходные данные»). Внешний блок «Заготовка» в процессе реализации технологического процесса подвергается энергетическому воздействию и видоизменяется (по геометрическим и физическим параметрам), превращаясь в готовую деталь 27 (блок «Деталь»). Заготовка может быть получена различными методами пла- стического деформирования, литьем, или сочетанием методов: «пластическое деформирование - сварка» (штампосварные заготовки); «литье - сварка» (ли- тейно-сварные заготовки). Рис. 2.1. Структура технической системы «Технологический процесс»: З – внешний блок «Заготовка»; Б – блок «Обработка базовых поверхно- стей»; Чр – блок «Черновая обработка)»; Пч – блок «Получистовая обработ- ка»; О – блок «Обработка мелких поверхностей»; Х – блок «Термическая и химико-термическая обработка»; Чт – блок «Чистовая обработка»; ВБ – блок «Восстановление базовых поверхностей»; Ф – блок «Финишная обработка»; Д – внешний блок «Деталь»; Э - энергетическая связь; И – информационная связь. Блок «Заготовка» связан с технологическим процессом изготовления детали (ТП) положительной связью ( 1 1 Ý ): метод получения заготовки, ее со- ответствие по геометрическим и физическим параметрам готовой детали оп- ределяют структуру, содержание и трудоемкость ТП. Сам ТП связан с внеш- ним блоком «Исходные данные» обратной связью «И», т.к. при реализации ТП на конкретном производстве деталь может оказаться нетехнологичной, и возникнет необходимость корректировки чертежа детали. Технологичность – степень соответствия детали условия конкретного производства. Эту степень соответствия можно оценить по минимизации 28 затрат на изготовление детали (себестоимость) при заданной программе вы- пуска детали и заданной ее точности. Технологический процесс обработки детали (первый уровень) можно разделить на 8 внутренних блоков: 1. «Обработка базовых поверхностей» - ТП начинается с обработки баз (поверхность, линия, точка или их сочетание, определяющие положение за- готовки в рабочих приспособления станка). 2. «Черновая обработка» - далее необходимо снять наибольший припуск, оставив слой материала для последующее обработки. При механической об- работке заготовок применяется метод постепенного приближения к требуе- мому размеру, что позволяет получить высокую точность обрабатываемой поверхности. 3. «Получистовая обработка»; 4. «Обработка мелких поверхностей» - при черновой и получистовой об- работке заготовка нагрелась, ей необходимо дать остыть. Поэтому проводят обработку мелких неответственных поверхностей. 5. «Термическая и химико-термическая обработка» - позволяет получить требуемые физико-химические свойства. 6. «Чистовая обработка» - получение требуемых точностных параметров детали. 7. «Восстановление базовых поверхностей» - часто перед чистовой обра- боткой необходимо восстановит качество базовых поверхностей (при обра- ботке валов и дисков с центральным отверстием). 8. «Финишная обработка» - получение требуемого качества поверхности готовой детали. При обработке корпусных деталей, обычно отсутствуют блоки «Х» и «БВ». При обработке деталей из незакаленных сталей (чугунов, сплавов цветных металлов) возможно отсутствие блока «Х». При обработке круглых и некруглых стержней возможно отсутствие блока «ВБ». При обработке дис- ков возможно совмещение блоков «ВБ» и «Ч» (обработка зубчатых колес). 29 При обработке деталей с низкими требованиями к качеству обработанной поверхности возможно отсутствие блока «Ф». Все блоки связаны положительной энергетической и отрицательной информационной связями. Энергетическая связь (Э) – изменение размерных, геометрических, фи- зико-химических показателей заготовки; показатели заготовки, влияющие на качество обработки детали (наследственность) и т.д. Информационная связь (И) - технологические требования предшест- вующего блока к предыдущему (технологичность); допуски на погрешности изготовления заготовки, позволяющие изготовить деталь требуемого качест- ва и т.д. Каждый внутренний блок состоит из нескольких блоков второго уров- ня - ТО (технологических операций). Блоки ТО (рис. 2.2)связаны: прямыми энергетическими и обратными информационными связями (аналогичными связям первого уровня). Рис. 2.2. Структура внутреннего блока (второй уровень). Каждый блок ТО можно представить в виде двух связанных прямой энергетической связью звеньев: обеспечивающего (ОЗ) и действующего (ДЗ) звена (рис. 2.3). Рис. 2.3. Структура технологической операции. Обеспечивающее звено (ОЗ): обеспечивает требуемые показатели ТО. В состав этого звена входят: размерные, геометрические, физико-химические показатели заготовки; технологические, жесткостные показатели оборудова- ния, оснастки и инструмента, обеспечивающие необходимую точность обра- 30 ботки; режимы резания, обеспечивающие заданную производительность; экономические показатели, обеспечивающие минимальную себестоимость обработки. Действующее звено (ДЗ) – представляет собой технологические дейст- вия по изменению показателей заготовки в показатели детали. Одним из главных элементов действующего звена является метод обработки. В свою очередь, метод изготовления детали определяется способами формирования заданных параметров их качества с производительностью, со- ответствующей наименьшим затратам в данных условиях производства. Из этого следует, что общей целью, которая достигается при применении того или иного метода изготовления детали получение изделия с заданными па- раметрами качества. Методу изготовления детали как любой системе прису- щи четыре основных свойства: целостность и членимость; свойство связи; организация; интегративные качества. Целостность и членимость Это свойство проявляется в структуре системы, которая представляет собой устойчивую упорядоченность в пространстве и во времени ее элемен- тов и связей. Технологическая структура метода изготовления деталей пред- ставлена на рис. 2.4. Рис. 2.4. Технологическая структура метода изготовления деталей Система «Метод изготовления детали» состоит из пяти основных под- систем (рис. 2.5): «Способ воздействия на обрабатываемый материал»; «Ки- нематические характеристики»; «Обрабатывающий инструмент»; «Динами- ческие характеристики»; «Статические характеристики». 31 Каждая из этих подсистем состоит из подсистем более низкого уровня, которые, в свою очередь, могут быть разделены на отдельные элементы. Ка- ждый из элементов системы имеет свою собственную цель, без достижения которой общая цель системы не может быть достигнута. Рис. 2.5. Состав системы «Метод изготовления детали» Так, если посредством способа воздействия физико-механические свойства обрабатываемого материала не будут определенным образом изме- нены, то при резании не произойдет стружкообразования, а при поверхност- ном пластическом деформировании - снижения шероховатости обрабатывае- мой поверхности и ее упрочнения. Не обеспечив кинематических движений инструмента и детали, невозможно осуществить формообразование обраба- тываемой поверхности, сформировать ее макро - и микрогеометрию. Без ин- струмента не может быть произведено воздействие на обрабатываемую по- верхность или объем материала. Не учитывая статические и динамические характеристики, в частности, жесткость технологической системы невозмож- но обеспечить точность размера, формы и расположения поверхностей дета- ли. Невыполнение хотя бы одной из вышеуказанных частных целей влечет за собой невыполнение общей цели всей системы «Метод изготовления дета- 32 ли». Следовательно, хотя система и состоит из определенного числа элемен- тов, т.е. членима, в то же время она представляет собой единое целое, т.к. каждый из вышеуказанных элементов, необходим для достижения общей це- ли системы. Свойство связи Систему характеризует наличие существенных устойчивых связей ме- жду элементами или их свойствами, которые превосходят по мощности связи этих элементов с элементами, не относящимися к рассматриваемой системе. Связь представляет собой физический канал, по которому обеспечивается обмен веществом, энергией и информацией между элементами системы, а также системы и окружающей среды. Основными характеристиками связи являются физическое наполнение, направленность, мощность и роль в систе- ме. По физическому наполнению различаются связи вещественные, энер- гетические, информационные, смешанные и не наполненные (отношения). По направлению различают связи прямые, обратные, контрсвязи и ней- тральные. По роли в системе различают связи: соединительные, ограничивающие, усиливающие, ослабляющие, запаздывающие, опережающие, мгновенные, селектирующие, преобразующие, согласующие и так далее Анализ связей между основными характеристиками метода обработки показывает следующее. При реализации любого метода обработки на по- верхность детали осуществляется то или иное энергетическое воздействие. Вид подводимой к поверхности детали энергии определяется способом воз- действия на обрабатываемый материал. В свою очередь, способ воздействия однозначно определяет характеристики инструмента, с помощью которого осуществляется энергетическое воздействие на обрабатываемую поверх- ность. Чаще всего, инструмент воздействует на поверхность детали локально, т.е. энергия передается отдельными квантами. Так как обработка должна 33 быть произведена по всей поверхности, то источник энергии должен пере- мещаться, причем кинематика его движения определяется формой обрабаты- ваемой поверхности. Необходимо отметить, что при механической обработке для энергетического воздействия на поверхность детали используются кине- матические движения, сообщаемые инструменту и детали. Согласно закону механики о равенстве сил действия и противодействия при внедрении инст- румента в обрабатываемую поверхность возникает система сил, действую- щих на деталь и инструмент и характеризующих динамику процесса. Соглас- но тому же закону для уравновешивания системы внешних сил и сохранения постоянного относительного положения инструмента и детали при обработке необходима система статических сил, определяемая статическими характери- стиками метода изготовления детали. Из этого следует, что в методе изготов- ления детали между элементами существуют энергетические согласующие прямые и обратные связи, различные по своей мощности. Анализ связей, существующих между характеристиками метода изго- товления детали, а также между последними и элементами системы «техно- логическая операция», подсистемой которой является «Метод изготовления детали», позволяет выявить значительное отличие в мощности двух выше- указанных вариантов связей. Так, например, способ воздействия всегда одно- значно определяет характеристики инструмента, и, в свою очередь, инстру- мент всегда является носителем какого-либо способа воздействия. Элементы технологической операции, выполняющие контроль размера детали связаны с инструментом только через его износ, т.е. через его свойство. Если осуще- ствляется метод обработки, то при достижении определенной величины из- носа инструмента в случае выхода размера детали за поле допуска произво- дится его смена или переналадка. Данная связь не постоянная, а периодиче- ская. Таким образом, можно заключить, что мощность связи между элемен- тами системы «Метод изготовления детали» «способ воздействия» - «инст- румент» больше мощности связи характеристики метода изготовления дета- ли (инструмента) с элементами другой системы (элементы, контролирующие 34 размер детали и т.д.), которая в этом случае является внешней средой для системы «Метод изготовления детали». Организация Организация - как свойство системы характеризуется снижением эн- тропии (степени неопределенности) системы H(S) по сравнению с энтропией системоформирующих факторов H(F), определяющих возможность создания системы. К системоформирующим факторам H(F) относятся: число элемен- тов системы «n», число системозначных свойств элемента «a», число суще- ственных связей элемента «γ», число системозначных свойств связей «В», число квантов пространства «l» и времени «t», в которых может существо- вать элемент, связь и их свойства. В этой связи можно сформулировать общие принципы построения ме- тода изготовления детали как системы с учетом оптимальной величины эн- тропии. При этом необходимо учитывать, что энтропия или степень неопре- деленности поведения технической системы прямо связана с таким показате- лем как ее надежность, а также в значительной мере влияет на эффектив- ность управления системой. Так, с увеличением количества элементов систе- мы при равной надежности каждого из них, ее общая надежность снижается. Это же можно сказать и о количестве связей между элементами. На эффек- тивность управления системой также влияет количество системозначных свойств системы, ее элементов и их связей, т.к. при улучшении одного из свойств элемента достаточно часто ухудшаются одно или несколько других его свойств. Это приводит к многокритериальной задаче оптимизации, кото- рая должна решаться с помощью принципа Парето. По отношению к методу изготовления детали как к технической систе- ме принцип Парето можно трансформировать следующим образом. Если у системы, элемента или связи имеется несколько свойств, важно выявить их главные и дополнительные свойства. Причем при построении метода изго- товления детали необходимо обеспечивать экстремум главной функции 35 (свойства) при минимуме отрицательного влияния дополнительных свойств на достигаемое качество и технико-экономические показатели. Задача принятия решения с учетом множества имеющихся критериев формально сводится к определению оператору «φ», который каждому векто- ру 1 2 а а а а , ,..., , n q q q q где: q = q 1 , q 2 , … q n совокупность критериев, отражающих множество свойств системы или элемента; ставит в соответствие действительное число E = φ(q) = φ(q 1 , q 2 , … q n ), которое определяет степень предпочтительности принимаемого решения. Оператор «φ» принимают за интегральный (обобщенный) критерий, который позволяет упорядочить множество решений по степени предпочтительности. По отношению к методам механической обработки следует отметить, что при реализации черновой обработки, как правило, основным критерием является производительность обработки, и связанное с ней основное (машинное) вре- мя t о , а параметры качества (точность, шероховатость, степень и глубина уп- рочнения и так далее) выступают как критерии вспомогательные. При чисто- вой формообразующей обработке основным критерием является точность или величина поля допуска «Т», при чистовой отделочной - шероховатость поверхности детали R a , а при упрочняюще-чистовой обработке - степень или глубина упрочнения h поверхностного слоя. Из данных частных крите- риев можно различными методами сформировать обобщенный критерий. При реализации наиболее простого из таких методов задача принятия реше- ния по векторному критерию эффективности сводится к задаче со скалярным критерием q k , причем все остальные критерии переводятся в разряд ограни- чений: 0 0 ; ; 1, 2,..., ; ; 1, 2,..., ; k j j j j E q q q i L q q i L n i k , где: q i (0) = (q 1 (0) , q 2 (0 ,… q n (0) ) - вектор, определяющий допустимые значения по всем критериям. Это позволяет задачу принятия оптимального решения сформулировать в виде задачи математического программирования: a A à A a èëè , max min k k q q a при ограничениях: 36 q i (a) ≥ q i (0) ; i = 1, 2,…, l; q i (a) ≤ q i (0) ; i = 1, 2,…, n; n ≠ k. В зависимости от вариантов функций q i (a), q ki (a) и множества «А» для выбора оптимальной альтернативы различают методы линейного, нелиней- ного и динамического программирования. Данные методы решения опти- мальных задач достаточно проработаны и изложены в литературе по иссле- дованию операций. Достоинство такого подхода - простота формирования интегрального критерия. Недостаток - невозможность учета значений вспомогательных кри- териев, если они не удовлетворяют системе ограничений. Другим наиболее приемлемым методом построения интегрального критерия является объединение в соответствии с теорией полезности частных критериев q i . Данное объединение, как правило, осуществляется на основе аддитивного преобразования: 1 2 1 , ,... n n i i i E q q q b q Для метода изготовления детали, с учетом вышеуказанных частных критериев производительности и качества, можно записать: 1 0 2 3 4 5 a E b t b T b R b b h При этом, при решении задачи синтеза метода изготовления детали как системы, значения коэффициентов «b i » определяют ценность того или иного критерия «q i ». Определение значения данных коэффициентов может произ- водиться непосредственно технологом, решающим задачу синтеза, либо на основе результатов опроса группы из «m» экспертов (специалистов в данной области, отражающих их мнение о ценности i-го критерия через набор чисел «С ij » . Коэффициенты после масштабирования для каждого числа - опреде- ляются следующим образом: 1 1 ; 1 n ij ij ij n i ij i C b b C 37 Если компетентность экспертов в группе предполагается одинаковой, то окончательные значения коэффициентов «b i » определяются выражением: m j ij i b m b 1 1 Основными методами формирования чисел «C ij », отражающих мнение j-го эксперта о ценности i-го критерия являются метод ранжировки (метод непосредственной оценки и метод последовательных предпочтений). Для рассматриваемого случая можно применять метод ранжировки, предпола- гающий линейную зависимость между рангом и относительной ценностью критерия, и определяющий сравнительно высокую достоверность оценки. В соответствии с данным методом все критерии имеющегося ряда нумеруются. Ранг критерия определяется его номером, причем наиболее важным критери- ям присваивается более низкий ранг. Вычисление коэффициентов «C ij » при известности рангов «r ij » осуществляется по зависимости: n r С ij ij 1 1 После определения коэффициентов «b i » линейной формы интегрально- го критерия, частные критерии «q i », имеющие различную размерность, при- водят к безразмерному виду. Для этого, должны быть заданы диапазоны из- менений каждого критерия «q i »: q i h < q i ≤ q i B . Тогда масштабирующие пре- образования будут иметь следующий вид: H H отн H B B H B i 0 при q при q , q 1 при q i i i i i i i i i i i q q q q q q q q где q i H , q i В соответственно относительное, нижнее и верхнее значения критерия «q i ». Область годных альтернатив для принятия решения после проведения масштабирования представляет собой n - мерный единичный куб, 38 при этом отн 0 1; 1, 2,..., . i q i n Окончательно, интегральный критерий за- пишется в следующем виде: отн отн 1 n i i i E q a b q a Используя вышеуказанные методы, можно осуществлять синтез метода обработки с учетом оптимальности всей системы «Метод изготовления дета- ли», ее элементов (характеристик) и их свойств. Кроме этого, с точки зрения снижения энтропии необходимо стремиться к обоснованному уменьшению количества элементов системы, их связей и свойств. Из-за возникновения ор- ганизации в системе свойства ее элементов трансформируются в функции, связанные с интегративными качествами системы. При этом под функцией понимается действие, поведение, деятельность определенного объекта. Интегративные качества Интегративные качества - свойства, присущие системе в целом и не свойственные ни одному из ее элементов в отдельности. Эти качества можно проиллюстрировать следующим примером. Ос- новной функцией способа воздействия является преобразование свойств ма- териала обрабатываемой детали, кинематические характеристики определя- ют форму обрабатываемой поверхности. Инструмент осуществляет непо- средственное воздействие на деталь в процессе обработки, динамические ха- рактеристики определяют энергетическое взаимодействие инструмента и де- тали, а статические характеристики обеспечивают постоянное относительное положение инструмента и детали при обработке. «Метод изготовления дета- ли», как система, вышеуказанные свойства входящих в нее элементов транс- формирует в интегративные качества - образование поверхностей и объема детали с заданными параметрами качества при обеспечении максимальной производительности и минимума затрат на производство в данных конкрет- ных условиях. |