На правах рукописи

Кресик Дмитрий Анатольевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА

КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ НА

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОМ ОБОРУДОВАНИИ С ЧПУ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «Станкин».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Рыбаков Анатолий Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Вермель Владимир Дмитриевич кандидат технических наук Егоров Сергей Борисович

Ведущая организация: ОАО «Завод им. С. Орджоникидзе»

Защита состоится « 2008г. в _ часов на »

заседании диссертационного совета Д 212.142.03 в ГОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «Станкин» по адресу:

127994, Москва, Вадковский переулок, д. 3а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного технологического университета «Станкин».

Автореферат разослан « 29 » августа 2008г.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенных печатью организации) просим направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета Д 212.142.03.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.142. кандидат технических наук, доцент Семячкова Е.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При организации работы промышленных предприятий в условиях рыночной экономики главным показателем деятельности становится достижение прибыльности, экономичности, производительности и высокой гибкости производства без ущерба качеству и себестоимости готовых изделий машиностроения.

Развитие современных машиностроительных производств все в большей и большей степени базируется на росте возможностей информационных технологий (ИТ). Эти возможности ИТ для развития машиностроения бурными темпами внедряются через постоянное обновление современными системами ЧПУ станочного парка и совершенствование программных систем PLM/CAD/CAE/CAM - класса.

В наибольшей степени все эти новые возможности ИТ в машиностроении проявляются в ходе процесса технологической подготовки производства (ТПП). В последнее время этот процесс претерпевает серьезные изменения, связанные как c насыщением нового станочного оборудования с ЧПУ библиотеками внутренних циклов обработки, так и существенными изменениями инструментального обеспечения, предназначенного для механической обработки.

Новые направления в инструментальном обеспечении, предлагаемые мировыми производителями, не только расширяют область использования технологии механической обработки, но и методически поддерживают новые технологические решения нормативно – справочной информацией, позволяющей осуществить комплекс необходимых расчетов по выбору рациональных и высокопроизводительных схем механической обработки.

Особенно актуальна задача совершенствования информационных средств поддержки процессов технологической подготовки производства таких широко распространенных видов механической обработки как обработка корпусных деталей, пресс-форм, обработка криволинейных поверхностей, фрезерование сложных поверхностей вращения и т.д.

Повышенное внимание машиностроителей к обработке корпусных деталей (КД) во многом определяется тем, что от результатов этой механической обработки зависят качество, надежность, экономичность и долговечность выпускаемых технических изделий. Литературные источники указывают, что КД могут составлять до 27 % от общего количества деталей в изделии машиностроения, в тоже время трудоемкость их механической обработки может доходить до 60% от общей трудоемкости всего изделия (данные по результатам анализа обрабатываемых деталей в 11 отраслях машиностроения).

Основные технические условия для изготовления корпусных деталей методами механической обработки характеризуются следующими показателями:

• сложная форма поверхностей для обработки;

• непрямолинейность и непарраллельность основных поверхностей 0.05...0.1мм на всю их длину, шероховатость поверхностей Ra=0.6…5мкм;

• большое количество разнообразных параметрически настраиваемых конструкторско – технологических элементов формы (КТЭФ) (плоскости, различные типы отверстий, пазы, уступы и т.д.);

• точность обработки отдельных элементов КТЭФ может находиться на уровне микронов (например, основные отверстия обрабатываются по 6- квалитетам точности. Погрешность формы – 0.5…0.7 от допуска, шероховатость Ra=0.05…2.0 мкм);

• большое количество согласованных между собой размеров (например, допуски на межосевые расстояния отверстий под валы могут доходить до 0.02…0.1мм);

• неперпендикулярность опорных торцов к осям основных отверстий 0.01…0.05 мм на 100 мм длины радиуса.

При массовом и крупносерийном производстве в машиностроении механическая обработка КД традиционно выполнялась на автоматических линиях (АЛ). С уменьшением серийности производства и повышением его гибкости сегодня и все больше и больше изготовление КД переводится на специализированными системами с ЧПУ.

Использование многофункционального оборудования, оснащенного современными системами с ЧПУ и многоцелевым инструментом, позволяет обеспечить сложные по конфигурации траектории движения инструмента (3 координатная обработка). Все это вместе взятое делает весьма актуальной разработку современных организационно – методических решений по технологической подготовке производства корпусных деталей на МФО с ЧПУ в компьютерной среде.

технологам необходимые организационно – методические рекомендации, высокоскоростных режимов резания, широко используемых при применении современного инструмента и многофункционального оборудования с ЧПУ в производственных условиях.

Цель работы. Сокращение времени и повышение качества и производительности процесса технологической подготовки производства на основе информационной поддержки деятельности технолога при обработке корпусных деталей на многофункциональном оборудовании с ЧПУ на высокопроизводительных режимах резания.

Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие задачи:

• выявить особенности решения технологических задач при механической программирования многофункционального оборудования с ЧПУ на основе применения библиотек внутренних циклов для обработки параметризованных конструкторско - технологических элементов формы;

• провести анализ процесса формирования управляющих программ для обработки корпусных деталей на многофункциональном оборудовании с информационных технологий;

• разработать организационно – методические рекомендации по подготовке управляющих программ при производстве корпусных деталей на многофункциональном оборудовании с ЧПУ;

• продемонстрировать возможности использования предлагаемых многофункционального оборудования с ЧПУ на примере обработки ряда корпусных деталей.

машиностроительных производств трех типов:

• предприятий, приобретших новое МФО или собирающихся переводить производство корпусных деталей с АЛ на МФО;

• предприятий, выпускающих МФО;

• предприятий, выпускающих технологическую оснастку (в первую очередь инструмент) для механической обработки КД.

Методы исследования. Исследование процессов проектирования и реализация механической обработки проводится путем использования современных компьютерных технологий моделирования всех компонентов реальных операционных действий. В основе используемых методик лежат технологических процессов и современная нормативно – справочная многофункционального оборудования и инструмента.

Представление описания изделия, инструмента и оснастки в цифровом формате, математическое моделирование и расчет режимов резания преобразуются в презентационное представление всей совокупности происходящих процессов, позволяющих получить технико – экономическое обоснование для принятия решения об эффективности, производительности, безопасности и экономической целесообразности предлагаемых вариантов механической обработки.

Научная новизна работы заключается:

• в установлении и формализации взаимосвязей между конструкторско – технологическими характеристиками КД и структурой и составом УП для МФО с ЧПУ; использование этих взаимосвязей позволяет определить формальные правила упорядочения и преобразования набора систем координат КД и конструкторско – технологических элементов формы (КТЭФ) во внутренние циклы обработки на многофункциональном оборудовании с ЧПУ;

преобразований системы «МФО – приспособление – инструмент – деталь» в виде набора 3D состояний обработки КТЭФ;

• в раскрытии закономерностей рационального формирования УП для МФО с ЧПУ, учитывающих технологические, конструкторские и экономические ограничения.

Практическая ценность. Разработаны организационно - методические рекомендации комплексного расчета технологической схемы механической обработки, выбора инструмента и оборудования, позволяющие реализовывать высокопроизводительные режимы обработки КД, в том числе:

плунжерное фрезерование, фрезерование тел вращения и криволинейных поверхностей на многофункциональном оборудовании при механической обработке КД.

Определена последовательность презентационных представлений результатов проектирования технологических схем с выходом на оценку эффективности, безопасности и прибыльности.

Реализация работы. Технико – экономическое обоснование на обработку изделий разрабатывались более чем для 25 видов корпусных деталей, на которых проводились частичные или полномасштабные компьютерные презентации. На восьми предприятиях были приняты отдельные предложения и рекомендации по выбору инструмента для обработки деталей с использованием МФО.

Согласно данным рекомендациям были реализованы проекты по проектированию механической обработки корпусных деталей на трех предприятиях:

1. Заволжском моторном заводе (ОАО «ЗМЗ»). Проект по оснащению 3-х горизонтально-фрезерных обрабатывающих центров под деталь «головка цилиндров» для дизельного двигателя.

2. ПензТяжПромАрматура (ОАО «ПТПА»). Проект по оснащению пяти координатного многоцелевого обрабатывающего центра под детали гидроарматуры.

3. Казанском Моторостроительном Производственном Объединении (ОАО «КМПО»). Проект по оснащению 5-ти координатного фрезерного центра под деталь «корпус гидроцилиндра».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на технических советах ОАО «ЗМЗ», ОАО «КМПО», на семинарах ГОУ ВПО МГТУ «Станкин».

Результаты разработки презентационных моделей использовались при «Программирование на станках с ЧПУ» в ГОУ ВПО МГТУ «Станкин».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 105 наименований и 2-х приложений; основная часть изложена на 128 страницах машинописного текста, общий объем 140 страниц, содержит 78 рисунков и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко освещены основные направления данной работы.

Использование многофункционального оборудования является передовой тенденцией развития механической обработки в мире и требует развития инструментального и информационного обеспечения проектирования и расчета технологических процессов.

Повышение эффективности механической обработки корпусных деталей может быть обеспечено путем использования новых технологий, в том числе с применением фрезерования для обработки поверхностей на основе тел вращения.

Последовательность причинно – следственных связей, оказывающих существенное влияние на ход материализации заготовки в корпусную деталь на оборудовании с ЧПУ, приведена на рис. 1.

Традиционная схема организации ТПП КД (рис. 1а) требует наличия МФО (станок + стойка с ЧПУ), а данное оборудование сегодня практически не может эксплуатироваться без компьютерной поддержки CAD/САМ – систем. Последние в свою очередь требуют разработки операционной технологии преобразования заготовки в корпусную деталь. В ходе этой работы активно используется 3D – моделирование как собственно исходной заготовки, так и множества технологических моделей, описывающих промежуточные состояния механической обработки корпусной детали. В ходе этих этапов решаются задачи инструментального обеспечения (выбор состава инструментов, расчеты параметров обработки, сроки службы инструмента и т.д.).

Предлагаемая в данной работе схема организации ТПП КД (рис. 1б) основана на трех составляющих:

• создании методики представления КД в виде набора обрабатываемых конструкторско – технологических элементов формы на ЭВМ;

• подборе с помощью ЭВМ необходимой нормативно – справочной информации;

• использовании организационно – методических рекомендаций по подготовке УП на основе внутренних циклов для обработки КД на МФО с ЧПУ.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ

НА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОМ ОБОРУДОВАНИИ С ЧПУ

обработки корпусных деталей с позиции современных представлений об этих процессах и использования многофункционального оборудования. С точки зрения показателей эффективности и возможных условий увеличения скорости обработки КД на МФО с ЧПУ более подробно рассмотрены Систематизированы основные показатели режимов резания и влияющие на них факторы. Особое внимание уделено стружкообразованию и удалению стружки из зоны резания с точки зрения возникающих тепловых эффектов.

Подбор режимов стружкообразования и стружкоудаления оптимального по уносимому теплу является одним из основных вопросов при расчете режимов резания для высокоскоростной обработки.

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К ФОРМИРОВАНИЮ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КД НА

МФО С ЧПУ

Во второй главе основное внимание уделено рассмотрению подходов к формированию технологического обеспечения для обработки КД на МФО с ЧПУ.

Многофункциональные станки с ЧПУ требуют более тщательного планирования и расчета параметров обработки, вылетов инструмента, расчетов на сопряжение, прогнозируемой стойкости и получение стабильности качества обрабатываемых поверхностей в условиях промышленной обработки.

Основными тенденциями создания современного технологического автоматизированной поддержки информационных решений, увязывающих данные по всему циклу производства предприятия.

Результаты анализа возможностей информационных технологий при решении технологических задач, связанных с обработкой корпусных деталей на МФО с ЧПУ, приведены на рис. 2. По результатам анализа хотелось бы отметить следующее:

производства КД известна, частично формализована и решена в рамках специализированных программных средств («Вертикаль» («АСКОН»), «TFLЕX – технология» («Топ системы») и т.д.) с выходом на комплект текстовых документов, но без обеспечения выхода на формирование управляющих программ для МФО;

• компьютерное моделирование при решении технологических задач используется не в полной мере (в основном решены геометрические задачи столкновений в условиях 5D обработки, расчет и визуализация пути инструмента и т.д.);

• универсальные CAD/CAM системы больше нацелены на решение геометрических задач и очень мало могут помочь пользователю собственно при решении технологических задач.

Современные подходы к решению технологических задач обработки параметризованных конструкторско – технологических элементов формы.

Идеи создания подобных библиотек обычно связывают с теорией синтеза технологических процессов, над которой с конца 70-х годов только в нашей стране работали такие ученые как Б.М. Базров, Г.К. Горанский, Г.П.

Вяткин, В.В. Павлов, А.Ф. Прохоров, В.Г. Старостин, В.Д. Цветков, Б.Е.

Челищев и др. Данное направление является основой для создания экспертных систем в области автоматизированного проектирования технологических процессов («FoatureCAM», последние версии «ГеММы», стандарты ИСО 14649 и т.д.).

В общем случае под типизацию при разработке УП для механической обработки КД попадают два вида деятельности: типизация всех составляющих операционной технологии и типизация организационно – методических мероприятий по разработке УП.

Выбор типизированных проверенных технологических решений предусматривает систематизацию деятельности технолога при механической обработки КД и процедур выбора технологических решений вплоть до формирования УП (рис. 3). Исследования в этом направлении позволяют рассчитывать на возможность перевести подготовку управляющих программ если не полностью, то в частично автоматический режим.

Типизация организационно – методических мероприятий включает:

• изучение формализованных правил перевода описаний обрабатываемых поверхностей КД в структуру и состав УП для оборудования с ЧПУ;

• компьютерную презентацию (визуализацию) обработки заготовки с использованием 3D представлений, обеспечивающую специалистов необходимой информацией для принятия решений.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ КОРПУСНОЙ ДЕТАЛИ НА

ЭВМ В РАМКАХ МОДУЛЬНОГО ПОДХОДА ДЛЯ ОБРАБОТКИ НА

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОМ ОБОРУДОВАНИИ С ЧПУ

В третьей главе проведена разработка понятийной модели для создания информационной среды, поддерживающей решение технологических задач.

Исходя из рис. 3, все множество технологических задач можно представить через следующие виды отношений:

• выбор из базы данных;

• расчеты по формулам;

• графическое моделирование параметризованными образами;

• принятие решений;

• формирование текстовых последовательностей с использованием макроподстановок.

Степень детализации проектных решений при составлении УП на МФО по элементам технологического процесса с использованием библиотеки внутренних циклов системы с ЧПУ приведена на рис. 4.

Объектная модель процесса формирования УП на основе библиотеки внутренних циклов системы с ЧПУ для обработки корпусных деталей с использованием систем координат (ГСК – глобальной, ЛСК – локальной) и множества конструкторско технологических элементов формы, расположенных на обрабатываемых поверхностях, показано на рис. 5.

Организационно – методические рекомендации по формированию исполнителем УП для изготовления КД на основе конструкторско – технологических элементов формы с использованием компьютерного моделирования зафиксированы на рис. 6. Здесь следует отметить, что организационно – методические рекомендации содержат как бы две части:

статическую и динамическую. Статическая часть один раз создается и может быть многократно использована. Динамическая часть формируется для каждого проекта обработки КД индивидуально.

ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ

ДЕТАЛЕЙ НА МФО

В четвертой главе приведены результаты проектирования технологического обеспечения на трех основных типах деталей:

1. обработка корпусной детали гидроарматуры;

2. обработка корпуса одноцилиндрового компрессора высокого давления;

3. обработка головки блока цилиндров.

Выбор указанных изделий определяется, прежде всего, практическим опытом работы по внедрению новых технологий, их обработки на таких крупных машиностроительных предприятиях России как ОАО «КМПО» (г.

Казань), «ОАО ПТПА» (г. Пенза), ОАО «ЗМЗ» (г. Заволжье). Итоговые результаты построены на материалах ОАО «КМПО» (г. Казань) (рис. 7).

Проведение практических расчетов по выбору технологического обеспечения осуществляется в форме стандартной последовательности действий, общие этапы которой были приведены ранее. В тоже время анализ результатов по каждому из расчетов при обработке конкретных изделий требует работы квалифицированных специалистов.

На каждом из этих предприятий проводились оценки возможности внедрения инструмента и новых технологических приемов на большом числе отдельных операций при внедрении нового МФО с ЧПУ.

При подготовке предложений заказчику необходимо иметь в виду, что одним из основных требований является получение гарантий от поставщиков оборудования и инструмента, что станок с момента завершения пусконаладки будет работать и приносить прибыль.

При этом распределение затрат по этапам планирование - запуск – производство должно исходить из всестороннего инженерного анализа и сравнения возможных вариантов на наиболее ранних этапах принятия решений, что позволяет достичь высокопроизводительной работы МФО с ЧПУ с первого пуска.

Достижение цели (снижение стоимости производства изделий) должно обеспечиваться параметрами безопасности производства, полнотой предоставляемой заказчику информации, гарантией успешного внедрения технологического процесса механической обработки КД.

Реализация этих возможностей требует обязательного участия представителей заказчика не только в пуско-наладочных работах, но и в оценке и анализе результатов компьютерного моделирования.

компьютерных презентаций является основной формой принятия быстрых и эффективных решений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В работе решена задача по сокращению времени и повышению качества и производительности процесса технологической подготовки производства при высокоскоростной обработке корпусных деталей на многофункциональном оборудовании с ЧПУ на основе комплексной системы автоматизированной поддержки информационных решений.

2. В результате проведенных исследований установлена возможность фиксации в компьютерном виде устойчивых закономерностей и связей между набором систем координат обрабатываемых поверхностей заготовки корпусной детали вместе с находящимися на них конструкторско – технологических элементов форм и составом команд управляющей программы для обработки на многофункциональном оборудовании с ЧПУ.

При этом установлено, что определяющее влияние на состав команд управляющей программы оказывает набор внутренних циклов системы с ЧПУ.

3. В результате исследований удалось разбить все конструкторско – технологические элементы формы, используемые при компьютерном описании корпусной детали, на две группы: имеющие и не имеющие типовые маршруты обработки в виде внутренних циклов систем ЧПУ. Использование типовых технологических маршрутов обработки позволяет оперировать параметризованными решениями по технологической оснастке, режимам обработки и формированию управляющей программы, учитывающими функциональное назначение и особенности обработки этих конструкторско – технологических элементов форм.

4. На основе установленных закономерностей и связей разработаны организационно – методические рекомендации. Особенностью последних является комплексная информационная поддержка разнообразной нормативно – справочной информацией в компьютерном виде деятельности технолога по созданию операционной технологии для обработки корпусных деталей на многофункциональном оборудовании с ЧПУ. Комплексная информационная поддержка характеризуется:

• фиксированием понятийных связей между всеми составляющими процесса технологической подготовки производства корпусных деталей на многофункциональном оборудовании с ЧПУ в компьютерной форме;

• возможностью интерпретации всего множества состояний обработки от заготовки до готовой корпусной детали в виде набора трехмерных технологических моделей в рамках универсальной графической системы;

• организацией проведения расчетов режимов резания и выбора нужных инструментов из баз данных производителей инструмента и оборудования;

• возможностью расширения и модернизации компьютерной базы знаний с нормативно – справочной информацией, используемой в ходе работ на многофункциональном оборудовании с ЧПУ, самостоятельно технологом без привлечения программистов.

5. Приведены результаты проектирования процессов обработки корпусных деталей на многофункциональном оборудовании с ЧПУ на конкретных примерах, показывающие эффективность предлагаемых решений. Так например на Казанском Моторостроительном Производственном Объединении удалось сократить время обработки с 2.5 часов до 30 минут, количество используемого оборудования с шести единиц до одного станка при сохранении требований ТУ.

6. На основе компьютерных презентаций, экспертных оценок и оперативных уточнений формируется технико – экономическое обоснование для процедуры принятия решений о готовности и эффективности предлагаемых решений.

7. Помимо этого результаты данного исследования используются в учебном процессе ГОУ ВПО МГТУ «Станкин» по курсу «Программирование на станках с ЧПУ» для студентов старших курсов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Капитанов Н., Егоров М., Кресик Д. Интеграция T-Flex CAD c P-CAD – задача 3D-моделирования // САПР и графика, 2008, №1, С. 33-35.

2. Кресик Д. Особенности использования инструментального обеспечения при работе многоцелевых центров, обрабатывающих криволинейные поверхности //Технология машиностроения, 2007, №10, С. 23 – 26.

3. Рыбаков А.В. Тимонов С.Н., Кресик Д.А. Производительные методы черновой обработки формообразующих частей штампов и пресс-форм // Кузнечноштамповочное производство, 2007, №9, С. 39-40.

4. Кресик Д.А. Применение систем управления баз данных для автоматизации проектирования технологических процессов // Труды международной научнотехнической конференции «Информационные средства и технологии». 16 – октября 2007 г., в 3-х т.т. Т3. С. 141 - 145 – М.: Янус-К, 2007.

5. Кресик Д.А. Применение фрезерования при обработке криволинейных поверхностей тел вращения // Техника машиностроения, 2007, №3, С. 15-21.

6. Кресик Д.А. Производительные методы черновой обработки сложных поверхностей штампов и пресс-форм // Машиностроитель, 2007, №9, С. 18-20.

7. Кресик Д.А. Производительные методы черновой обработки на примере плунжерного фрезерования // Машиностроитель, 2007, №10, С.25-27.