Технологический процесс как объект проектирования

В основу разработки ТП изготовления изделий машиностро­ения положены два принципа – технический и экономический. В соответствии с первым из них спроектированный процесс дол­жен полностью обеспечить выполнение всех требований конструк­торской документации и технических условий приемки изделия. Согласно второму принципу изготовление изделия должно быть осуществлено с учетом минимальных затрат труда и издержек про­изводства.

Проектирование ТП – многовариантная задача. Для изготовле­ния одной и той же детали или сборочной единицы могут быть спроектированы различные ТП, отличающиеся технико-экономи­ческими показателями и, прежде всего, затратами на изготовле­ние и производительностью, а также надежностью обеспечения заданного качества изделия.

Технический и экономический принципы проектирования ТП, отражая различные стороны изготовления машины, находятся в диалектическом противоречии. Разрешение данного противоречия достигается за счет компромисса и оптимизации ТП. Технический принцип должен соблюдаться всегда. Наиболее часто достигают компромисс между производительностью и затратами. При равной производительности сопоставляемых ТП выбирают процесс, обес­печивающий минимум затрат. При равных затратах обычно вы­бирают более производительный ТП. При разных затратах и производительностях выбирают ТП, обеспечивающий минимум затрат, при условии, что производительность всех сравниваемых вариан­тов не ниже заданной. При выпуске особо важной продукции или в экстремальных условиях на определенный период времени пред­почтение отдают более производительному ТП. Для изделий вы­сокой ответственности, например, газотурбинных авиадвигателей, независимо от типа производства предпочтение отдают ТП, более надежно обеспечивающим заданное качество изготовления.

Если выбор ТП по результатам сравнения отдельных показа­телей невозможен, используют комплексные критерии (К_к), на­пример:

К_к= Q/З

где Q — полезный эффект от реализации спроектированного ТП; 3 — затраты на проектирование и реализацию ТП.

В качестве функции полезного эффекта для ТП можно исполь­зовать производительность, надежность обеспечения доминирую­щих показателей качества и т.д. Предпочтительным считают про­цесс, обеспечивающий К_к → max.

Изготовление любого изделия машиностроения объединяет процессы, соответствующие основным технологическим переде­лам (заготовительному, изготовления деталей, сборочному). Глав­ное внимание уделяют проектированию ТП изготовления деталей и сборки.

Любой из указанных ТП представляет собой сложную, иерархи­чески организованную, целенаправленную систему. Элементныйсостав и структура этой системы зависят от уровня ее рассмотрения.

Маршрутный ТП изготовления детали может быть представ­лен, например, последовательностью этапов, накаждом из кото­рых решают соответствующие технологические задачи (табл. 2.1).

Каждый этап ТП состоит из отдельных технологических опе­раций, выполняемых в определенной (заданной) последователь­ности.

Т а б лица 2.1 – Характеристика и задачи этапов технологического процесса

Примечание. Заготовительный этап часто выполняется по самостоятельно­му ТП в зависимости от вида и способа Изготовления заготовки. В ТП изготовле­ния детали заготовительный этап обычно включают в сокращенной форме.

Технологической операциейназывают законченную часть ТП, выполняемую непрерывно на одном рабочем месте (участке производственной площади, оборудованном в соответствии с выпол­няемой на нем работой). Операция охватывает все действия над одним или несколькими совместно обрабатываемыми или собира­емыми предметами производства. При обработке на станках опера­ция включает все действия рабочего, управляющего станком, атак­же автоматические движения станка, осуществляемые впроцессе обработки заготовки до момента снятия ее со станка и перехода к обработке другой заготовки. Содержание операций изменяется вшироких пределах — от работы, выполняемой наотдельном стан­ке (сборочной установке) в обычном производстве, до работы,выполняемой на автоматической линии, представляющей собой комплекс технологического оборудования, связанного единойтранспортной системой, и имеющей единую систему управления и автоматизированномпроизводстве.Число операций в ТП изго­товлениядеталей может изменяться от одной – двух (изготовлениедетали на прутковом автомате, изготовление корпусной детали на многооперационномстанке) до десятков или даже сотен (изго­товлениетурбинных лопаток, сложных корпусных деталейит.д.).Кроме технологических различают и вспомогательные операции: транспортирование, контроль, маркирование идр.

Значения многих показателей качества деталей (отклонения размеров, формы,взаимного расположения поверхностей,пара­метров шероховатости и волнистости поверхностей и др.) входе ТП «ступенчато» уменьшаются до значений, соответствующихза­данным допускам. Изменение указанных величин входе ТП мож­но условно считать монотонным, если последний не включаетопераций термической (химико-термической) обработки. Еслиже ТПвключает такие операции, то после их выполнения обычно происходит скачкообразное увеличение значений указанных по­казателей качества, иногда до уровня, соответствующего исходной заготовке. При этом значения характеристиксвойств материала могут также скачкообразно измениться (увеличиться или умень­шиться) взависимости от назначения и содержания выполнен­ной операции термической (химико-термической) обработки.

Операция термической (химико-термической) обработки раз­деляет процесс изготовления детали на этапы «до ее выполнения» и «после ее выполнения». Каждый из этих этапов может рассмат­риватьсякак самостоятельный ТП, в котором изменения значе­ний показателей качества происходят монотонно. ТП может вклю­чать несколько операций различной термической (химико-терми­ческой) обработки, но все сказанное выше справедливо и в этом случае.

Определение содержания и места термической (химико-терми­ческой) обработки в сквозном процессе изготовления детали с оценкой возможного влияния этих операций на выполнение ука­занного процесса является одной из наиболее сложных задач, ре­шаемых при разработке ТП и, прежде всего — маршрутных ТП.

Маршрутным ТП называют последовательность технологических операций, результатом выполнения которых является достижение фиксированного (заданного) состояния предмета производства (детали, сборочной единицы). Список операций, входящих в мар­шрутный ТП, определяет его состав. Порядок выполнения опера­ций определяет структуру ТП.

Технологическая операция — основной элемент ТП, имеющий собственную структуру.

Технологический переход — законченная часть технологической операции, выполняемой одними и теми же средствами технологи­ческого оснащения при неизменных технологических режимах. Технологическим режимом называют совокупность изменений параметров ТП в определенном интервале времени. К изменяемым параметрам процесса, определяющим режим, относят, например, глубину резания, подачу, скорость резания, температуру нагрева или охлаждения и т.д. Технологический переход характеризуют постоянством:

· применяемого инструмента;

· поверхностей, образуемых обработкой или соединяемых при
сборке;

· технологического режима.
Различают технологические переходы:

· простые или элементарные — в работе одновременно нахо­дится не более одного инструмента;

· сложные или инструментальные — при одном движении исполнительного рабочего органа оборудования в работе одновре­менно участвуют несколько инструментов, или при непрерывном
движении одного инструмента обрабатывают несколько поверх­ностей (контурная обработка на станке с ЧПУ).

Технологические переходы выполняют последовательно или параллельно-последовательно (с совмещением во времени). Опе­рация может состоять как из одного, так и нескольких технологи­ческих переходов (простых или сложных).

Список технологических переходов определяет состав (содер­жание) технологической операции. Порядок выполнения перехо­дов определяет структуру операции.

В основу построения технологической операции могут быть по­ложены принципы концентрации или дифференциации техноло­гических переходов.

При концентрации переходов операция включает максимально возможное при заданных условиях число технологических перехо­дов. Это сокращает число технологических операций в ТП. В пре­дельном случае ТП состоит лишь из одной технологической операции, включающей все переходы, необходимые для изготовле­ния детали. Принцип концентрации характерен для построения операций в единичном и среднесерийном автоматизированном производстве.

При дифференциации переходов, входящих в технологическую операцию, стремятся к сокращению их числа. Пределом диффе­ренциацииявляется такое построение ТП, когда в состав каждой операции входит лишь один технологический переход. Принцип дифференциации характерен для крупносерийного — массовогопроизводства, когда необходимо обеспечение высокой произво­дительности труда и синхронизации выполняемых операций по такту выпуска.

Вспомогательный переход — законченная часть технологичес­кой операции, состоящая из действий человека и (или) оборудо­вания, которые не сопровождаются изменением состояния пред­метов производства, но необходимы для выполнения техноло­гической операции: закрепления заготовки, смены инструментаи т.д. Технологическую операцию следует рассматриватькак сово­купность технологических и вспомогательных переходов,причем технологические переходы обеспечивают изменения состояния предмета производства, а вспомогательные — выполнение технологическихпереходов.

Рабочий ход — законченная частьтехнологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструментаотноситель­нозаготовки, сопровождаемого изменениями формы,размеров,качества поверхности или свойств заготовки. Рабочий ход являетсяотдельной (единичной) реализацией соответствующего техноло­гическогоперехода, при которой снимают (или добавляют) один слой материала. Число рабочих ходов, выполняемых водном тех­нологическомпереходе, выбирают исходя из обеспечения опти­мальных условий обработки, например, уменьшения глубины ре­занияпри съеме значительных слоев материала.

Установ — часть технологической операции, выполняемая при неизменном закреплении обрабатываемой заготовки или сбороч­ной единицы. При концентрации переходов операция может быть выполнена за несколько установов. Принцип дифференциации, как правило, предполагает выполнение операции за один установ. Из­менение установа в этом случае по сути тождественно созданию новой операции.

Позиция— фиксированное положение, занимаемое неизменно укрепленной обрабатываемой заготовкой или собираемой сбороч­ной единицей совместно с приспособлением относительно инст­румента или неподвижных частей оборудования.

Прием— законченная совокупность действий при выполнении перехода или его части, объединенных одним целевым назначени­ем. Так, при выполнении вспомогательного перехода установки заготовки в приспособление последовательно выполняют приемы: взять заготовку из тары, установить в приспособление и закрепить в нем.

У спроектированного ТП или его части должны быть полно­стью определены элементы, структура и необходимые характери­стики.

При разработке ТП является объектом соответствующего про­ектного технологического решения, предназначенного для после­дующей реализации в производстве. Формирование такого реше­ния применительно к ТП имеет следующие особенности [2]:

· процесс проектирования может быть разделен на стадии и
уровни. Получение общего решения, связанного с разработкой
единичного ТП, является результатом выполнения отдельных про­ектных задач и процедур (принцип декомпозиции). Любой ТП мо­жет быть разделен на этапы (см. табл. 2.1). Каждый этап состоит из
отдельных операций. Каждая операция включает технологические
и вспомогательные переходы. Принимая решения на каждом уров­не проектирования, последовательно детализируют его объект;

· связь между уровнями проектирования носит иерархический
характер.Высшим уровнем является, например, уровень установ­ления стадий изготовления детали, низшим – уровень разработки
содержания и последовательности выполнения рабочих и вспомо­гательных ходов. Принятиепроектного решения ведут последова­тельно ПО соподчиненным уровням;

· существует приоритет решений, принятых на высших уровнях
проектирования,по отношению к низшим. Решения, принятые
на высших уровнях, обязательны для низших. Так, например, если
наэтапе разработки маршрутного ТП изготовления детали была
выбрана схема установки заготовки при обработке, то на уровне
определениясодержания операции эта схема является основой для
выбора вариантастаночного приспособления;

· при невозможности на более низшем уровне проектирования
исполнить решение, принятое на более высоком уровне, послед­ний информируют о необходимости корректировки решения
(принцип обратной связи). Например, разработка содержания и
последовательности выполнения переходов операции обработки
на станке с ЧПУ может привести к превышению необходимого
количества режущего инструмента над возможностями револьвер­
ной головки. Возникает необходимость переноса части переходов в
другие операции. Поэтому необходимо вернуться на более высо­кий (ранний) уровень проектирования и провести перекомпонов­ку операций;

· процесс проектирования носит итерационный характер. Этот
принцип предполагает обязательно полное (пусть вариантное)
решение задач каждого уровня, после чего возможен переход к
следующему;

· действует принцип неокончательности решений. Он позволя­ет проектировщику получать не одно, а несколько решений, близ­ких к оптимальному. Это особенно важно для верхних уровней про­ектирования, где трудно использовать формальные критерии вы­
бора рационального варианта;

· при проектировании ТП изготовления изделий некоторые решения могут быть использованы повторно для аналогичных про­ектных ситуаций (принцип преемственности решений).

Традиционно используемые в практике ТПП изделий машиностроения обобщенные алгоритмы неавтоматизированного проек­тирования единичных ТП изготовления деталей и сборки пред­ставлены на рис. 2.1. По сути на рис. 2.1 укрупненно показаны после­довательности действий проектировщиков при разработке указан­ных ТП в рамках выполнения соответствующей функции ТПП (см. рис. 1.3) и сохранении всех информационных связей и взаимодей­ствий. Цель, задачи и технологическое содержание каждого из эта­пов подробно рассмотрены в учебно-научной литературе (напри­мер, [2 — 4] и др.). Остановимся лишь на основных аспектах неав­томатизированного проектирования единичных ТП.

Особенностью представленных на рис. 2.1 последовательностей действий является строгая обусловленность их этапов: нельзя ме­нять этапы местами. Например, нельзя разрабатывать маршруты обработки основных поверхностей (точнее — изготовления основ­ных поверхностей, см. этап 6 на рис. 2.1, а), если неизвестны техно­логические параметры исходной заготовки (см. этап 5). В принци­пе, допустимо не выполнять некоторые этапы. Например, если исходная заготовка задана директивно — в частности, будет полу­чена от изготовителя, то ее конструктивно-технологические пара­метры известны и необходимость в выполнении соответствующего этапа проектирования отпадает. Однако нарушение порядка дей­ствий, что в равной мере относится к ТП изготовления деталей и сборки, неизбежно ведет к грубым ошибкам.

При выполнении отдельных этапов проектирования единичных ТП изготовления детали необходимо придерживаться некоторых специальных принципов. Например, при выборе технологических баз (см. этап. 7) следует соблюдать принцип совмещения устано­вочных и измерительных баз, а также принцип постоянства баз.

Разработка маршрутного ТП (см. этап 8) и операционной техно­логии (см. этап 9) безусловно, являются самостоятельными и слож­ными этапами проектирования, каждый из которых обладает собст­венной внутренней иерархией задач. Итоговые результаты их реше­ния оформляют самостоятельными документами (см. подразд. 1.1).

Для ТП сборки характерна маршрутно-операционная форма и разработки и представления результатов проектирования. Это объяс­няется значительно более сложными, чем при изготовлении дета­ли, закономерностями построения ТП сборки, трудностями строгого расчленения сборочного процесса на отдельные операции, а также высочайшей многовариантностью технологических решений, лежащих в основе построения ТП сборки.

Рисунок 2.1 – Обобщенные алгоритмы неавтоматизированного проектирования единичных ТП:

а — изготовления деталей; б — сборки

Сильное и не всегда позитивное влияние на проектирование ТП изготовления деталей и сборки оказывает действие принципов адаптации и неокончательности решений. Проектировщик на лю­бом этапе проектирования должен быть готов к отказу от решений, принятых на предшествующих этапах, и к возврату на несколько этапов «назад», а иногда и к самому началу проектирования. На некоторых этапах проектирования принцип неокончательности дей­ствует особенно сильно. Например, при разработке операционной технологии в процессах изготовления деталей (см. этап 9, рис. 2.1, а) неудовлетворительные результаты выбора режимов обработки и технического нормирования операций, в особенности для среднесе­рийного и массового типов производства, могут привести к полному отказу от намеченной структуры операции, заранее определенно­го оборудования и даже изменению структуры маршрутного ТП.

Наиболее рациональной стратегией технологического проектирования следует считать такую, при которой одновременно разрабатывают несколько альтернативных и конкурирующих вариантовотдельных операций, или даже процессов в целом. Последнее не всегда делают при неавтоматизированномпроектировании единич­ных ТП, предпочитая строить структуру последних из оптимизи­рованныхвариантов технологических операций, что, впрочем, не является вполне оправданным и может даже привести к ошибоч­ным результатам.

Оптимизацию ТП можно выполнять на уровне операций, когда выбирают оптимальные структуры и параметры операций (напри­мер, режимы резания), и на уровне ТП, когда определяют содер­жание его основных этапов, их порядок и взаимосвязь (структуру ТП). В последнем случае оптимизация носит характер структурной оптимизации. Доказано, что структурная оптимизация эффектив­нее параметрической и позволяет получать более оптимальные решения. Например, эффективность операции обработки загото­вок на автоматизированном оборудовании во многом зависит от оптимальности состава и последовательности переходом и в мень­шей степени — от оптимизации режимов резания. Структурную оптимизацию осуществлять сложнее, чем параметрическую.

При решении задач оптимизации в качестве целевых функций можно использовать заданное качество изделия, заданную производи­тельность процесса, минимальные затраты на изготовление изделия.

Заданное качество изделия в задачах оптимизации обеспечива­ется системой ограничений на параметры процессов: Например, можно вводить требование достижения максимальной надежности технологических систем.

Критерий производительности обычно охватывает только тех­нологическую производительность Q_тех:

Q_тех = 1/t₀ → max,

где t₀ — основное время на переход, операцию.

Минимальные затраты на выполнение перехода, операции, ТП являются, как правило, основным экономическим критерием, который часто называют стоимостной целевой функцией. Мини­мизация затрат позволяет установить целесообразность отвлечения капитальных средств от других вариантов ТП и использования их для осуществления данного ТП.

Следует особо подчеркнуть важность экономических критериев выбора перехода, операции, ТП. Любой этап проектирования — выбор заготовки, определение маршрута обработки и т.д. — дол­жен сопровождаться соответствующим экономическим обоснова­нием. Экономический критерий является основой структурной и параметрической оптимизации ТП. Его умелое использование зна­чительно повышает эффективность проектных решений.

Решение большинства задач неавтоматизированного техноло­гического проектирования базируется на использовании профес­сиональных знаний и опыта проектировщика, т.е. обучаемого и постоянно совершенствуемого специализированного интеллекта человека. Это в значительной мере объясняется тем, что, как уже указывалось ранее, подавляющее большинствозадач проектиро­вания являются трудно- или неформализуемыми в их современ­ных постановках.Вместе с тем практически любое современное средствоавтоматизациипроектных работ по своей сути представ­ляетинтеллектуальный автомат, действие которого базируется на использовании вбольшейили меньшей степени формальныхпро­ектных процедур.

Подпроектной процедурой понимают составную часть процесса автоматизированного проектирования, направленную на получе­ние проектного решения, являющегося конечным описанием (ча­стью конечною описания) объекта проектирования. Под объек­том проектирования здесь понимают ТП в целом, или его отдель­ный, законченный фрагмент.Для решения проблемы автомати­зации технологического проектирования исключительно важен принцип формализациикак отдельных проектных операций, со­ставляющих части любой проектной процедуры, так и процедур в целом.

Для того чтобы вавтоматизированном режиме получить еди­ничный ТП, не уступающий по качеству процессу, разработанно­му специалистом, необходимо предварительно создать формаль­ные (формализованные) проектные процедуры. Комплексное ис­пользование этих процедур и должно обеспечить желаемый ре­зультат автоматизированного проектирования. При соблюдении общей последовательности этапов неавтоматизированного проек­тирования ТП (см. рис. 2.1), проектные процедуры могут по содер­жанию существенно, или даже принципиально, отличаться от со­вокупности действий, ведущих к получению аналогичного резуль­тата в неавтоматизированном режиме.

Создание формальных проектных процедур и их комплексов на базе корректного использования основных технологических прин­ципов и правил определяет сущность и сложность проблемы авто­матизации технологического проектирования. Без ее решения не­возможно обеспечить конкурентоспособность изделий машиностро­ения и прогресс в этой важнейшей отрасли.