Основні напрямки в технології машинобудування

Основні вимоги до технологічного процесу механічної обробки

Розроблення варіанту технологічного процесу механічної обробки деталей машин — складне завдання, обумовлене цілим рядом вимог. Деталі, виготовлені по розробленому технологічному процесу, повинні повністю відповідати технічним умовам, тобто бути заданої якості в потрібній кількості, причому все це має досягатися при найменшій праце-місткості та собівартості виготовлення. Відповідно до цього такий технологічний процес називається оптимальним. Під оптимальним технологічним процесом розуміється такий процес, який забезпечує виготовлення деталі у відповідності з кресленням і технічними вимогами, заданої якості і необхідної кількості при мінімальних затратах виробництва.

Варіантів технологічного процесу може бути багато, але чим вища кваліфікація технолога, тим цих варіантів буде менше. Оптимальний технологічний процес механічної обробки визначається певним його характером, структурою та ефективністю. Для правильного вибору оптимального варіанту технологічного процесу слід розробити не менше 3—4 варіантів. Не допускається механічне збільшення варіантів технологічного процесу, так як при цьому один варіант вже заздалегідь буде відомий як кращий, а вибір оптимального варіанту зведеться до нікому не потрібної формальності. Всі розроблені варіанти повинні бути рівноцінними в першому наближенні, тобто конкуруючими. Це і є основною вимогою при розробленні декількох варіантів. Варіанти технологічного процесу повинні відрізнятися не поверхнево, а суттєво, за рахунок іншої структури технологічних операцій, різних методів обробки, різного обладнання, технологічного оснащення, технологічних наладок, тощо.

Даний розділ може бути корисним як при розробленні ряду варіантів технологічного процесу, так і дальшому детальному розробленні оптимального варіанту.

Порядок розроблення технологічного процесу

При розробленні окремого варіанту технологічного процесу слід притримуватися певного порядку.

1. Аналіз робочого креслення деталі з точки зору перевірки раціональності конструкційної форми, обґрунтованості незначних розмірів, допусків, відхилень поверхонь, шороховатості поверхонь та інших технічних умов на її виготовлення.

2. Встановлення типу і організаційної форми виробництва на основі, аналізу виробничої програми випуску, складності та габаритних розмірів деталі.

3. Вибір способу одержання заготовки з відповідним техніко-економічним обґрунтуванням.

4. Вибір технологічних баз в оброблюваній деталі.

5. Встановлення оптимальної структури технологічних операцій і маршруту в цілому.

6. Встановлення типу застосовуваного металорізального обладнання.

7. Вибір типу пристосувань, ріжучого і вимірного інструменту, організаційно-технічних форм контролю.

8. Визначення припусків і допусків на оброблювані поверхні деталі.

9. Визначення режимів різання з встановленням типу металорізального обладнання.

10. Встановлення технічно обґрунтованих норм часу

11. Оформлення технологічної документації у відповідності з ЕСТД.

 

Вихідні дані для проектування технологічних процесів

Проектування технологічного процесу характерне багатоваріантністю можливих рішень. Навіть для порівняно простих деталей може бути розроблено декілька різних технологічних процесів, які повністю забезпечують вимоги робочого креслення і технічних умов. Методом подальшого зіставлення цих варіантів за критеріями рентабельності та продуктивності в кінці відбирають оптимальний.

Процес проектування технологічного процесу складається з комплексу етапів, які є взаємопов’язаними і виконуються у суворій послідовності. До цих етапів належать:

1) аналіз вихідних даних;

2) технологічний контроль робочого креслення і технічних умов відпрацювання конструкції деталі на технологічність);

3) встановлення типу та організаційної форми виробництва за базовим технологічним процесом (за даними базового підприємства) чи за типовим технологічним процесом (за відсутності базового технологічного процесу чи базового підприємства як такого).

4) вибір методу отримання заготовки;

5) вибір технологічних баз;

6) розроблення можливих варіантів маршрутів оброблення окремих поверхонь деталі;

7) формування конкуруючих структур окремих технологічних операцій для оброблення усіх поверхонь деталі (виробу);

8) укрупнене нормування технологічного процесу та визначення продуктивності оброблення;

9) розрахунок необхідної кількості устаткування та його завантаження;

10) укрупнене встановлення припусків;

11) попередній вибір металорізальних інструментів, визначення режимів різання та основного технологічного устаткування;

12) встановлення технологічної собівартості виконання операцій;

13) побудова орієнтованого графу варіантів технологічних операцій;

14) встановлення оптимального варіанта технологічного процесу.

 

Основні напрямки в технології машинобудування

Розвиток технології машинобудування, підвищення ефективності технологічних процесів - найважливіше завдання, що стоїть перед працівниками. Важливе значення для розвитку технології машинобудування мають комплексні показники металообробки. Успішне вирішення поставлених завдань можливе на основі спеціалізації, підвищення ефективності, технічного, технологічного та ремонтного виробництва. Ефективність металообробки враховує роль перспективного виготовлення та відновлення стальних штампів, прес-форм, виправлення браку та вплив якісної оснастки на продуктивність праці, економічність і зменшення металомісткості. Технологія машинобудування неможлива без спеціалізації та впровадження групових і типових технологічних процесів з використанням уніфікованого оснащення та обладнання. 

Типові технологічні процеси

Одним із основних напрямів розвитку технології є типізація процесів і операцій. В умовах виробництва деталей широкої номенклатури і малої серійності типізація процесів створює сприятливі умови для впровадження механізації та автоматизації у виробництво. У масовому виробництві випускається 12 % продукції, у багатосерійному — 18, у серійному та одиночному — 70. Тому зрозуміла важливість типізації та автоматизації процесів для машинобудування. Актуальність автоматизації пояснюється і великою часткою ручної праці у промисловості та в ремонтному виробництві.

Сьогодні машинобудування стає все більш автоматизованим. Створюються заводи-автомати, автоматизовані цехи, дільниці, лінії. Типізація процесів і засобів автоматизації полягає в класифікації процесів за типами деталей, в обмеженні їх кількості відбиранням найбільш високопродуктивних процесів стосовно виду виробництва. Основною ознакою для класифікації деталей є схожість їх призначення, якщо до них ставляться однакові вимоги. Це зумовлює схожість кінематичних схем, конструктивних форм, розмірів, матеріалів тощо.

Деталі машин за службовим призначенням і конструктивно-технологічними особливостями поділяють на такі класи: циліндричні (рівні та шліцьові, ступінчасті вали, осі, шпинделі, штоки, цапфи, штирі тощо); циліндричні порожнисті (рівні, ступінчасті та шліцьові втулки, вкладиші, букси, гільзи, гідроциліндри, цанги тощо); плоскі (корпусні деталі, станини, плити, столи, полозки, планки); диски; ексцентричні деталі; хрестовини, важелі; дрібні кріпильні деталі.

У межах кожного класу розрізняють групи, підгрупи і типи, які характеризуються формою, розмірами, якістю, матеріалом, термічною обробкою та призначенням. Деталі поділяють на деталі загального та спеціального призначення. До перших належать деталі, які широко використовують у різних машинах, до других — деталі, які мають властивості, необхідні лише для певної машини. Типовими називають деталі, що схожі за технічними ознаками. Для таких деталей з метою здешевлення їх виготовлення розробляють типові процеси, а для спеціальних деталей - процеси з урахуванням вимог промисловості. Трудність здійснення загально машинобудівельної типізації полягає у складності класифікації різноманітності конструкції деталей у кожній галузі. Тому загально машинобудівельна типізація технологічних процесів не виключає галузевої типізації, яка повинна враховувати специфіку кожної галузі.

Заводська (цехова) типізація відрізняється від галузевої тим, що в конкретному проектуванні процесів, наприклад механічної обробки заготовки, необхідно враховувати технологічні, конструктивні, виробничі, організаційні та інші фактори конкретного заводу.

Типові процеси застосовують у масовому та багатосерійному виробництві. З метою наближення одиничного та малосерійного виробництва до багатосерійного та масового запропоновано високопродуктивний груповий метод обробки. Він створюється, коли за основу береться не одна деталь, а група подібних деталей, виготовлення яких характеризується їх загальною послідовністю операцій. Обробку їх можна виконувати на дільницях цеху, де використовують однакові типи обладнання, пристосування, інструменти, а також таку організацію праці, за якої усі операції виконуються всередині цього цеху.

Кожна галузь машинобудування має свою класифікацію. Наприклад, виготовлення інструментів передбачає чотири основні класи деталей: валики, втулки, диски та пластини, що сприяє створенню групових технологічних процесів виготовлення інструментів кожного класу.

Комплексні технологічні процеси

На машинобудівельних заводах під час виготовлення деталей застосовують прогресивні комплексні процеси, що підвищують продуктивність праці. Під час експлуатації штампів відбувається спрацювання пуансона і матриці, в результаті чого змінюються розміри, з’являються тріщини, виникає перекіс верхньої та нижньої половин штампу й деталі штампуються неправильної форми. Спрацювання прес-форм залежить від конструкції, проте відомо, що швидше втрачають працездатність робочі поверхні завалювальних камер, матриць, пуансонів, напрямних колонок і втулок, ливарної системи, знаків, якими оформляють отвори.

Для підвищення довговічності та стійкості оснащення та штампів роблять вставку з легованих сталей 4Х5МФС, 45ХЗВЗМФС, 4Х4М2ВФС, 40ХСМФ, ЗХЗМЗФ, 4ХЗВМФ, 5Х2МНФ тощо. Крім того, використовують вставки з твердих сплавів для найбільш спрацьовуваних частин штампа, що підвищує стійкість штампа та полегшує ремонт. Стійкість штампа можна підвищити термічною обробкою — цементація, азотування, борування значно підвищують стійкість і довговічність деталей. Стійкість оснащення можна збільшити наплавленням і зміцненням робочих поверхонь. Виготовляють штампи литтям. Вони рівнозначні за стійкістю кованим, але дешевші за них у 1,6...6 разів.

Прогресивним напрямом у виготовленні оснащення є використання обладнання, що дає змогу виконувати обробку одночасно кількох поверхонь із застосуванням різних інструментів. Прикладом можуть бути процеси виготовлення штамповок потоково-механізованими лініями. Автоматична лінія для штампування колінчастих валів автомобільних двигунів згідно з процесом виготовлення повинна мати обладнання, яке розміщується в такій послідовності: рухомі стелажі для заготовок, нагрівальні печі, роликові конвеєри, ножиці, стрічкові конвеєри, печі, завантажувальні та розвантажувальні пристосування, нахилений рольганг, окалиноломач, ковальські валки, кантувальний механізм, ковальський прес, штампи з чорновими та чистовими рівчаками, обрізні преси, монорейки, преси для висадження фланця та обрізування облою, пристосування для правки та термічної обробки, транспортери для видалення відходів.

Під час виготовлення та ремонту штампів виконують прецизійну обробку із застосуванням остаточних операцій, електрофізичних і електрохімічних методів обробки. Відновлюють штампи видаленням шару металу з метою поновлення форми. Ремонт виконують також наплавленням.

Нові технологічні способи та методи обробки

Широке впровадження нових технологій в машинобудування є важливим напрямом науково-технічного прогресу. Розробка та впровадження нових технологічних методів і способів обробки має вирішальну роль у прискоренні науково-технічного прогресу, оскільки вони збільшують продуктивність праці, зменшують трудомісткість і підвищують техніко-економічні показники машин, головним чином надійність і довговічність.

У машинобудуванні найпоширенішою та найстародавнішою вважається обробка різанням. Підвищення ефективності цього способу в машинобудуванні дещо ускладнено. Внаслідок цього потрібні принципово нові технологічні способи та методи, які не перешкоджають переходу до автоматичного виробництва машин, тобто технології з докорінною зміною способу виробництва.

До нових методів обробки належать виготовлення деталей екструзією, застосування вибуху, іскрової, електронно-променевої та плазмової обробки, різання металу взаємодією магнітного поля із заготовкою ротаційного стругання та різання, вібраційного шліфування, різання з нагріванням заготовки на верстаті, хімічною обробкою із зміною механічних властивостей поверхневого шару заготовки, взаємодією з агресивним середовищем.

Нова технологія дає змогу зменшити питому вагу різання металу прогресивно новими методами, наприклад тиском, литтям у кокіль, за моделями, що виплавляються, в керамічні форми, методом порошкової металургії. Важливе значення має лазерна, плазмова, мало- та безвідходна технології та будь-яке виробництво, назва якого містить префікс «над» — надшвидкісне, надтискове, над-температурне.

Таким чином, зміст принципово нових технологій полягає в заміні механічних процесів фізичними, хімічними, біологічними, тобто це методи обробки на основі електронних, електроерозійних, електроімпульсних, ультразвукових, плазмових та інших ефектів.

Широко використовується біотехнологія — від одержання ліків до корму для худоби та від спиртового пального до покращання сільськогосподарських культур. Тут використовують тезу, що кожен мікроорганізм — це мініатюрний енергетичний комплекс, коли один «виробляє» водень, інший аміак, які можуть бути використані для створення оптимальних умов біологічного життя людини.

На відміну від обробки різанням чи тиском, коли для процесу потрібні інструменти та спеціальне обладнання, електрофізичні та електрохімічні методи цього не потребують і їх роль виконують фізичні, хімічні та інші явища, вказані вище. Причому на технологічний процес, його характеристику відносно швидкості, якості та продуктивності обробки не впливають фізико-механічні властивості заготовок, що обробляються, не вимагаються спеціальні високотверді, високоміцні і стійкі до спрацювання інструментальні матеріали, простота та висока технологічна гнучкість процесів, можливість автоматизації й механізації обробки без застосування спеціальних верстатів, а обладнання, що використовується, не складне, значно поліпшує умови праці та інші виробничі елементи.

Усі прогресивні методи та способи умовно поділяють на дві групи. Методи обробки електричною енергією, яка вводиться безпосередньо в зону обробки, наприклад електроіскрова, електроімпульсна, електроконтактна, анодно-механічна тощо, належать до першої групи. Методи обробки за умови перетворення електричної енергії поза зоною обробки належать до другої групи, наприклад світлопроменеві, електронно-променеві, ультразвукові тощо. У виробничій практиці можуть застосовуватися методи в комбінації.

Прогресивні методи обробки використовують для різання та обдирання заготовок, відрізання ливників, знімання припуску. Оброблюючі процеси — це виготовлення деталей складної форми за заданими розмірами, фінішна та точна обробка (шліфування, полірування та поверхневе зміцнення). Крім того, вказані методи можуть застосовуватися під час ремонту штампів, видалення твердих зламаних інструментів.

Метод екструзії застосовують в процесі виготовлення виробів з пластмас. Екструзія — одержання виробів з гранул або порошків на спеціальних машинах (екструдерах), робота яких нагадує роботу м’ясорубки.

Під час вибору нових технологічних методів обробки для впровадження у виробництво керуються економічною ефективністю, показниками капітальних витрат і собівартості продукції. Для визначення найкращого прогресивного методу слід вести порівняння за такими напрямами: 1) визначення економічної ефективності та переваг нового методу в порівнянні з існуючим механічним; 2) порівняння нового технологічного процесу з можливістю виконання дій існуючими, враховуючи новизну та ефект замінювання матеріалів і нових конструкційних можливостей; 3) встановлення новизни, прогресивності та доцільності відносно собівартості продукції, витрата інструментів, матеріалів, обладнання, що використовується, точності та якості обробки за даними, наведеними вище. Аналізуються не лише продуктивність і трудомісткість процесу, а й можливість приросту продуктивності та ефективності з урахуванням капітальних витрат і собівартості продукції.

Таким чином, не лише розробляють та вибирають нові технологічні процеси, а й удосконалюють традиційні методи і способи, направлені на їх оптимізацію, підвищення точності, якості і продуктивності застосуванням більш ефективних сучасних інструментів, пристроїв і обладнання. Технолог у процесі розробки технологічних процесів враховує можливі умови підвищення продуктивності, що дають потрібну точність застосуванням ефективних сучасних методів, інструментів та обладнання.

На точність обробки впливає технологічна система — ВПІД і процеси коливань і вібрацій, тому розрахунки режимів різання під час налагодження верстатів необхідно порівнювати відносно точності обробки стану обладнання, інструмента, мастильно-охолоджувальної рідини тощо. Ресурси підвищення ступеня точності обробки, використання інструментів та обладнання взаємозв’язані: властивості інструментального матеріалу, конструкції інструментів, режиму різання та стану металорізального верстата. Вдосконалення технологічних процесів, що розробляються, його основних факторів слід починати з розрахунку режимів різання з орієнтацією вибирання елементів, які відповідають вимогам ефективної обробки.

Розробка технологічних процесів за допомогою електронно-обчислювальної техніки

Створюючи ЕОМ, вчені та спеціалісти прагнули до вдосконалення технології проектування за допомогою електронно-обчислювальної техніки. Не можна недооцінювати значення ЕОМ в проектуванні, забезпеченні технологічної гнучкості виробництва та його економічної оцінки. Створено й створюються різні системи автоматизованого проектування технологічних процесів для різних видів обробки на верстатах з ЧПК. Система автоматизованого проектування (САПР), розроблена ще в 60-х роках, підтвердила принципово нові можливості застосування ЕОМ для автоматизації проектування технологічних-процесів, скорочуючи необхідні терміни на процеси і підвищуючи якість проектування за рахунок алгоритмізації проектування технології.

Для вирішення поставленого завдання потрібна інформація про деталі, пристрої, обладнання, інструменти, заготовки, яка вводиться в ЕОМ з метою одержання ефективного технологічного процесу, що задовольняє конкретні умови розробки. САПР дає змогу одержати оптимальну економічну технологію, що задовольняє вимогам креслення деталі відносно форми, розмірів, точності та якості з визначенням складу та послідовності технологічних операцій, структури та характеристики кожної операції, Переходу.

Проте цей процес проектування технології для вирішення поставленого завдання в загальному випадку має ряд утруднень, тому для раціонального використання ЕОМ на практиці процес дещо спрощують — це уніфікація технологій, розчленування процесу на рівні обмеження кількості варіантів тощо. Для створення САПР технологічних процесів рекомендується: а) розробити формальну і досить просту мову описування вихідної та довідково-нормативної інформації; б) розробити універсальну мето дику, придатну для алгоритмізації проектування технологічних процесів виготовлення деталей різних класі»;») їм основі прийнятої методики та формальної мови описування даних створити алгоритм і програму технологічних процесів; г) розробити ефективні пристрої обміну даними з ЕОМ і програмне забезпечення цих пристроїв, що дасть змогу, зокрема, організувати оперативний зв’язок технолога з ЕОМ.

Технолог за допомогою ЕОМ аналізує можливі варіанти введенням необхідних даних, одержуючи оптимальний раціональний результат за розробленим алгоритмом. Впровадження САЙР у виробництво дуже ефективне. Для обробки різних поверхонь на токарному верстаті з ЧПК рекомендується така загальна схема обробки: 1) центрування (якщо свердло менше 20 мм); 2) свердління; 3) підрізання торця; 4) чорнова обробка основних форм поверхонь; 5) чорнова обробка додаткових форм поверхонь; 6) чистова обробка цих додаткових форм поверхонь (бо вона може виконуватися, як правило, тим інструментом, що і чорнова обробка); 7) чистова обробка додаткових форм поверхонь, які не потребують чорнової обробки; 8) чистова обробка основних форм поверхонь. У тих випадках, коли заготовка обробляється в центрах, перші три переходи виключаються.

Оптимізація технологічних процесів

Виготовлення деталей може бути багатоваріантним, але процес вибирають так, щоб забезпечити одержання деталей необхідної якості з найменшими затратами часу та праці на одиницю продукції. Виходячи з цього, технолог проектує процес з урахуванням можливості використання комплексної механізації та автоматизації виробничих процесів. Такий процес повинен містити раціональну послідовність операцій обробки, вказівку з раціонального використання обладнання, інструментів і пристроїв. Оптимізація процесу зводиться до вибору раціонального для конкретних умов методу обробки. Для цього необхідно побудувати модель математичного описування процесу з деяким наближенням до дійсних змінних параметрів. Як правило, модель процесу описують у вигляді різних систем рівнянь, розв’язанням яких можна одержати оптимальні значення параметрів. Застосовуючи математичне програмування, описування процесу можна задати ЕОМ. 

Важливим є впровадження автоматизації процесів з широким використанням промислових роботів. Виконання складальних операцій на автоматичних лініях, оснащених роботозованими комплексами, перспективне для розвитку машинобудування. Так, складання близько чотирьох мільйонів штук наручних годинників у рік роблять на заводі автоматичні маніпулятори. Новий технологічний комплекс збільшив продуктивність праці в 6 разів, умовно вивільнено близько 500 робітників, у 6 разів зріс обсяг продукції, підвищилася якість годинників, що випускаються заводом.

Розвиток машинобудівельного виробництва в умовах науково-технічної революції створює проблеми розробки та застосування гнучких автоматизованих виробництв (ГАВ) — перехід від використання окремих видів автоматичного обладнання до створення комплексів, розвиток яких можливий на основі ГВС.

ГВС — це керована засобами обчислювальної техніки сукупність технологічного обладнання, що складається з різних сполучень гнучких виробничих модулів і гнучких виробничих комірок, автоматизованої системи технологічної підготовки виробництва та системи забезпечення функціонування, що має властивості автоматизованого переналагодження зі зміною програми виробництва виробів, різновиди яких обмежені технологічними можливостями обладнання.

ГАВ — складна технологічна система, в якій застосовується сучасне технологічне обладнання, керуючі обчислювальні засоби та робототехнічні системи. ГАВ установлює значимість і необхідність існування на рівнозначних умовах основного та допоміжного виробництва. Слід враховувати все: заготовки, інструмент, пристосування, необхідні для безперервного виробництва.

Важливим є використання верстатів з ЧПК, автоматизація та механізація процесів обробки різанням, впровадження ГВС.

Поява ГВС викликана необхідністю забезпечення високої вироблюваності обладнання в умовах науково-технічного прогресу, коли відбувається швидка зміна конструкцій, технології та номенклатури виробів, що виготовляються. ГВС забезпечує поєднання основних характеристик масового виробництва з гнучкістю універсального обладнання та інших систем, щоб забезпечити

безперервну роботу та економічну ефективність виробництва.

Це виробництво з високою автоматизацією технологічних процесів багатономенклатурного малосерійного виробництва дозволяє виробляти продукцію цілодобово за необов’язкової участі людини. Це не означає, що виробництво здійснюється без робітників, бо потрібний контроль за операціями, комплектуванням заготовок, інструментів і загальний нагляд за виробництвом робочого персоналу. При цьому дуже важливо, що загальна продуктивність праці за дво- і тризмінну роботу підвищується в 5...6 разів і робітник не бере участі у важких монотонних і вантажно-транспортних роботах.

Головною характеристикою ГВС є висока гнучкість, яка дозволяє: 1) в малосерійному та серійному багатономенклатурному виробництві швидко замінювати номенклатуру продукції, тобто припинити виробництво однієї продукції, вже засвоєної, та з мінімальними витратами перейти до виготовлення нової; 2) обробляти заготовки різної форми встановленої групи різних за обсягом операційних партій (наприклад, 50, 30 шт. тощо), що обробляються в будь-якому порядку; 3) замінювати поламаний верстат гнучкого комплексу новим без затримки технологічного процесу; 4) порушувати маршрут переміщення заготовки всередині технологічного комплексу та, якщо це треба, повертати заготовки на верстати початкової обробки, що скорочує число верстатів системи та підвищує коефіцієнт їх використання.

Вихідною одиницею ГВС є ГВМ, який складається з накопичувачів, пристосувань завантаження та вивантаження, обладнання заміни технологічної оснастки, пристроїв видалення відходів, обладнання автоматичного контролювання, діагностування, пристроїв переналагодження тощо.

Завершує ГАВ автоматизована система керування виробництвом (АСКВ), але для АСК у цілому ГАВ є підсистемою, що об’єднує системи прибирання стружки, подачі мастильно-охолоджувальної рідини, бюро верстатів з ЧПК, підготовки інструмента та ремонтної служби, що веде до скорочення ручної праці та розширення організаційного й управлінського керування.

ГАВ — це автоматизована система керування ЕОМ, взаємозв’язана від САПР до АСКВ, що включає всі стадії виробництва — від заготовки до системи автоматизованого контролю (САК). Зараз на підприємствах відбувається об’єднання САПР з АСК утворюючи АСК підприємством (АСКП).