Высшее профессиональное образование

БАКАЛАВРИАТ

А. Г. СХИРТЛАДЗЕ, А. В. СКВОРЦОВ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

ПРОЦЕССЫ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ПРОИЗВОДСТВА

УЧЕБНИК

Допущено

Учебно-методическим объединением вузов

по образованию в области автоматизированного машиностроения в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Автоматизация технологических процессов и производств»

УДК 621(075.8) ББК 34.5я73 С427 Р е ц е н з е н т ы:

профессор кафедры «Технология машиностроения» МГТУ «Станкин», д-р техн.

наук В. А. Тимирязев;

зав. секцией технологии машиностроения кафедры «Технология машиностроения и материаловедения» Московского государственного университета инженерной экологии, канд. техн. наук, доц. В. И. Колчков Схиртладзе А. Г.

Технологические процессы автоматизированного проC изводства : учебник для студ. учреждений высш. проф.

образования / А. Г. Схиртладзе, А. В. Скворцов. — М. :

Издательский центр «Академия», 2011. — 400 с. — (Сер.

Бакалавриат).

ISBN 978-5-7695-6980- Учебник создан в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом по направлению подготовки 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств» (квалификация «бакалавр»).

Даны сведения о технологических процессах в машиностроении, методах автоматизированного технологического проектирования, структурировании технологических маршрутов, операций и переходов, выполнении технологических расчетов, анализе погрешностей и методах обеспечения точности при механической обработке и сборке. Сопоставлены структуры технологических производств отрасли. Приведены комплексные сведения о методах обеспечения качества и точности поверхностей деталей машин. Представлен анализ технологических процессов и оборудования для их реализации как объектов автоматизации и управления. Рассмотрены методы и процедура компьютерного проектирования единичных, групповых, типовых и модульных технологических процессов, теория статических и динамических свойств технологических объектов. Уделено внимание компьютерному проектированию технологических процессов с использованием CALS/ИПИ-технологий. Рассмотрены техникоэкономические критерии качества и цели управления, математические модели производств с точки зрения процессов управления, последовательность интеграции производственных систем. Описаны функции современных MRP- и ERP-систем управления производственными процессами.

Для студентов учреждений высшего профессионального образования.

УДК 621(075.8) ББК 34.5я Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается © Схиртладзе А. Г., Скворцов А. В., © Образовательно-издательский центр «Академия», © Оформление. Издательский центр «Академия», ISBN 978-5-7695-6980-

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЛ — автоматическая линия АРМТ — автоматизированное рабочее место технолога АСУ — автоматизированная система управления АСУП — автоматизированная система управления производством ВП — виртуальное предприятие ГПМ — гибкий производственный модуль ГПС — гибкая производственная система ЕИП — единое информационное пространство ЕСКД — единая система конструкторской документации ЕСТД — единая система технологической документации ЖЦ — жизненный цикл ИКТ — информационные компьютерные технологии ИСО — Международная организация по стандартизации ИТБ — искусственная технологическая база КИМ — координатно-измерительная машина КТМ — конструктивно-технологический модуль КТЭ — конструктивно-технологический элемент КЭ — карта эскизов ОС — операционная система ПА — полуавтомат ПК — персональный компьютер ПП — производственный процесс ППД — поверхностное пластическое деформирование ПР — промышленный робот РМАС — рабочее место автоматизированной сборки РПС — распределенная производственная среда САПР — система автоматизированного проектирования СОЖ — смазочно-охлаждающая жидкость СОТС — смазочно-охлаждающая технологическая среда СТО — средства технологического оснащения СУ — система управления СЧПУ — система числового программного управления ТВЧ — токи высокой частоты ТЗ — техническое задание ТМ — технологический модуль ТМО — термомеханическая обработка ТМС — технология машиностроения ТО — термическая обработка ТП — технологический процесс ТС — технологическая система УТМ — унифицированный технологический модуль ХТО — химико-термическая обработка ЧПУ — числовое программное управление ЭВМ — электронно-вычислительная машина ЭСИ — электронная структура изделия

ВВЕДЕНИЕ

Машиностроение во многом определяет общий технический прогресс в экономике страны. Оно составляет основу ее промышленного потенциала. Различные отрасли машиностроения обеспечивают производство транспортных средств (корабли, суда, локомотивы для железных дорог, автомобили, тракторы), технологических машин разного назначения и оборудования для энергетики.

Машиностроительная продукция, определяющая материальные основы жизни человека и общества в качественном и количественном отношении, создается на промышленных предприятиях в процессе производства. Предприятия выпускают машины и сопутствующие элементы, выполняют работы по их поставке, монтажу, испытаниям и вводу в эксплуатацию, осуществляют гарантийное и техническое обслуживание, ремонт и модернизацию изделий. Машиностроительное производство представляет собой совокупность материальных средств (станки, оборудование и инфраструктура) предприятия любой принятой формы собственности и организационно-правовой формы, а также условий труда для изготовления продукции.

Непосредственно выпуск продукции машиностроения осуществляется производственной системой предприятия, являющейся совокупностью установленного оборудования, а также методов обеспечения его функционирования и управления. Изделия изготавливаются в ходе ПП, представляющего собой совокупность действий людей и функционирования оборудования с использованием необходимых технологий.

Технология (от греч. techne — искусство, умение, мастерство и logos — учение) согласно классическому определению есть совокупность методов обработки, изготовления, контроля и изменения состояния, свойств и формы заготовок, сырья, материалов или полуфабрикатов, осуществляемых в процессе производства продукции. В настоящее время термин «технология» означает более широкое понятие, а именно совокупность методов и средств для совершения каких-либо целенаправленных действий, полезных для человека. Например, широко распространено такое понятие, как ИКТ, охватывающее методы и средства получения, обработки, хранения и передачи информации. В современном производстве ИКТ являются частью общемашиностроительных технологий.

Технология машиностроения — это широкий раздел науки, содержащий обобщенное множество производственных технологий, относящихся к процессам изготовления продукции машиностроения в различных отраслях промышленности: станкостроительной, инструментальной, автомобильной, авиационной, приборостроительной и др. Задача ТМС как науки — выявление физических, химических, механических и других закономерностей, действующих в процессе производства, с целью их использования для нахождения и реализации на практике наиболее эффективных и экономичных методов изготовления машиностроительной продукции.

Развитие научных принципов массового и серийного производства наряду с общим прогрессом науки и техники позволило на практике значительно снизить себестоимость продукции и повысить производительность труда. Задача выпуска разнообразных изделий в чрезвычайно большом количестве требует оптимизации ТП, основывающихся на передовых научно-технических достижениях. Технология машиностроения является комплексной инженерно-научной дисциплиной и сочетает в себе особенности прикладной науки и передовых направлений физико-технических исследований. Задача другого рода состоит в том, чтобы внедрить в практику новейшие научные открытия, которые обеспечат создание новых производств и высоких технологий, качественное изменение жизни и повышение благосостояния людей.

В современных условиях получили развитие методы изготовления продукции машиностроения, связанные с необходимостью использования тонких физико-механических и квантовых эффектов на субатомном и субмолекулярном уровнях. Размеры многих элементов изделий составляют несколько нанометров (1 нм = = 109 м). Производство таких элементов и обеспечение нового качественного уровня изделий входят в круг задач нанотехнологии и требуют создания ультрапрецизионного технологического оборудования. Применение высоких технологий, включая ИКТ, позволяет избежать рутинных непроизводительных затрат времени и труда, во много раз ускорить темпы внедрения новой техники, передавать конструкторские чертежи и технологическую документацию практически мгновенно в электронной форме.

Значительную роль в становлении отечественной технологической науки сыграли труды ряда известных ученых: Н. А. Бородачева, Ф. С. Демьянюка, А. П. Соколовского, В. М. Кована, Э. А. Сателя, Б. С. Балакшина, В. С. Корсакова, М. Е. Егорова, А. М. Дальского, И. М. Колесова, А. А. Маталина, А. В. Подзея, Ю. М. Соломенцева, А. Б. Яхина, П. И. Ящерицына и др. Впервые получили развитие методы проектирования типовых (А. П. Соколовский), групповых (С. П. Митрофанов), модульных (Б. М. Базров) и обобщенных маршрутных (Н. М. Капустин и др.) ТП. В области создания систем автоматизации машиностроительных производств, адаптивного управления станками и автоматизированного проектирования широко известны труды Л. Н. Кошкина, Б. С. Балакшина, Г. К. Горанского, Л. В. Худобина, В. Д. Цветкова и др.

В настоящее время наиболее интенсивно развиваются ИКТ на основе ПК, локальных и глобальных компьютерных сетей, самой крупной из которых является Интернет. Проектирование конструкций и ТП осуществляется на основе компьютерной графики и твердотельного 3D-моделирования, что обеспечивает значительное повышение качества технической документации и производительности труда специалистов.

Интернет-технологии позволяют рассматривать производственную среду значительно шире с включением в нее большой группы родственных и смежных предприятий. Поскольку информационный обмен в Интернете происходит практически в реальном масштабе времени, при организации производства новых изделий можно использовать РПС. Тогда множество связей, установленных с конкретными предприятиями при помощи ИКТ в целях изготовления конкретного вида продукции машиностроения, принято считать ВП. Такое предприятие основано на принципах и стимулах ведения совместного электронного бизнеса в мировом или региональном рыночном пространстве. Подавляющее число операций в ВП осуществляется с применением компьютерных баз знаний и баз данных. При автоматизации производства и проектирования рассматриваются математические, алгоритмические и конструкторские принципы построения технических средств автоматизации, создания ПР и САПР на основе компьютерной техники.

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ

И ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

1.1. Основные понятия и определения Продукцией машиностроительного производства является изделие, которое согласно ЕСКД (ГОСТ 2.101 — 68*) представляет собой предмет или набор предметов, подлежащих изготовлению на предприятии. Изделия могут быть следующих видов (рис. 1.1):

детали, сборочные единицы, комплексы и комплекты.

Деталь — это изделие, изготовленное из одного куска однородного материала без применения сборочных операций. На деталь может быть нанесено покрытие. Возможно также изготовление детали с использованием местной сварки, пайки и т. п. (например, коробку вырезают из одного листа металла и сваривают по углам).

Для таких изделий выпускают деталировочные чертежи.

Рис. 1.1. Виды и структуры изделий согласно ГОСТ 2.101—68* Рис. 1.2. Комплект образцов шероховатости К сборочной единице относится изделие или его составная часть, которая изготовлена с применением сборочных операций сочленения, свинчивания, сварки, пайки, склеивания, клепки, сшивки, развальцовки, запрессовки, закладки, укладки и т. п.

Основными документами для сборочных единиц являются сборочные чертежи и спецификации, которые полностью определяют состав подобных изделий.

Комплекс представляет собой изделие, предназначенное для выполнения строго определенных взаимосвязанных функций.

Такое изделие не соединяется на предприятии-изготовителе методами сборки, а монтируется на месте его эксплуатации. Это сложное многофункциональное изделие, окончательная сборка или монтаж которого при изготовлении невозможны или нецелесообразны. К комплексам относятся большинство металлорежущих станков, буровые и ракетные установки, ПК, каждый системный блок которых снабжен периферийным оборудованием:

монитором, клавиатурой, кабелями и т. п. Для комплексов выпускают чертежи общего вида, монтажные чертежи, схемы и спецификации.

Комплект — это изделие, содержащее набор элементов, не соединенных друг с другом методами сборки. Комплекты предназначены для выполнения функций вспомогательного характера (комплекты запасных частей, инструментов, приспособлений, измерительных приборов, оснастки и т. п.). Для комплектов целесообразен выпуск чертежей общего вида и спецификаций.

Так, на рис. 1.2 приведен комплект образцов шероховатости для контроля обработанных поверхностей.

Ускорение производства изделий и необходимость повышения конкурентоспособности предприятия предполагают осуществление текущего контроля за всеми процессами на протяжении ЖЦ продукции. Понятие ЖЦ охватывает все стадии информационного представления продукции от выявления потребности в ней и анализа научно-технических возможностей выпуска продукции наивысшего на данный момент качества до прекращения ее производства, вывода из эксплуатации и утилизации по окончании срока службы.

Таким образом, рыночная деятельность в сфере создания, производства и эксплуатации высокоинтеллектуальной материальной и иной продукции предполагает значительную степень автоматизации процессов получения и переработки чрезвычайно большого объема сопутствующей информации. Внедрение ИКТ на промышленных предприятиях позволяет им получать полную информацию о продукции, оптимизировать ее параметры и работать на рынке в условиях конкуренции.

Жизненный цикл продукции по определению (ГОСТ Р ИСО 9004 — 2001) есть совокупность процессов, выполняемых в течение реального времени от момента выявления потребностей общества в определенной продукции до момента удовлетворения этих потребностей и утилизации продукции. В зависимости от степени сложности ЖЦ могут включать в себя такие процессы, как предпроектные исследования, разработка технического задания, проектирование и конструирование, технологическая подготовка производства, изготовление и испытания опытных образцов, производство изделий, поставка их потребителям, ввод в действие и прекращение эксплуатации.

Технология машиностроения в практическом понимании — это наука о производстве в заданные сроки машиностроительной продукции необходимого качества в установленном программой выпуска количестве при обеспечении минимальной себестоимости, максимальной в данных условиях производительности и безопасности труда, наименьшем расходе сырья, материалов, полуфабрикатов и энергии, а также приемлемом воздействии на окружающую среду (рис. 1.3). В соответствии с данным определением задачи ТМС взаимосвязаны с техническими, экономическими, управленческими, экологическими, организационными, социальными, психологическими и другими аспектами производственной деятельности, основой которой является труд людей.

При осуществлении ПП необходимы предметы труда, рабочие места и СТО.

Предмет труда, или объект производства, представляет собой материальный объект, подвергаемый обработке, сборке и другим воздействиям в течение всего ПП до получения конечной продукции (изделия).

Рабочее место — это элементарная функциональная часть пространства цеха или участка, на которой размещены исполнители работ, единица технологического оборудования, оснастка и предметы труда.

Средства технологического оснащения представляют собой совокупность технологического и вспомогательного оборудования, оснастки и материалов, применяемых в производстве для Рис. 1.3. Задачи технологии машиностроения изменения формы и параметров предмета труда. Каждое рабочее место должно быть снабжено СТО.

Технологическое оборудование служит для осуществления целенаправленных действий по изменению состояния и параметров предмета труда. К технологическому оборудованию относятся станки, прессы, литейные машины, сборочные стенды, испытательные установки и т. п.

Технологическая оснастка является средством, дополняющим технологическое оборудование для более качественного и производительного выполнения определенной части ТП. К оснастке относятся инструменты, приспособления, прессовые и литейные формы, средства контроля и др.

Заготовка представляет собой предмет труда, из которого посредством изменения формы, состояния и параметров материала изготавливают деталь или неразъемную сборочную единицу.

Обычно заготовки получают резкой проката, штамповкой, ковкой, литьем, сваркой и другими способами.

Структура и содержание ТП полностью определяются конструкторской документацией и главным образом конструкторскими чертежами. Эта документация имеет исключительно важное значение для деятельности специалистов, работающих в производственной сфере.

Эффективное функционирование производства обеспечивается его весьма сложной технической подготовкой, которая включает в себя конструкторскую, технологическую и организационноэкономическую подготовку (рис. 1.4).

Конструкторская подготовка производства состоит в проектировании и конструировании новых изделий. Она завершается составлением рабочей технической документации (чертежи, схемы, технические описания и условия, паспорта, инструкции по эксплуатации и т. п.).

Технологическая подготовка производства представляет собой комплекс взаимосвязанных процессов, обеспечивающих готовность производства к выпуску новых или повторяющихся вновь партий изделий. Такая подготовка заключается в отработке изделий на технологичность, проектировании ТП и создании СТО.

К технологической подготовке производства в настоящее время относят разработку программ для систем ЧПУ, соответствующих компьютерных программ, методов обеспечения функционирования производственных и технологических процессов и управления ими, ведение баз данных, разработку и внедрение на предприятии принципиально новых технологий.

Организационно-экономическая подготовка производства состоит в обеспечении производства материально-техническими средствами (сырье, заготовки, полуфабрикаты, вспомогательные материалы, энергия), трудовыми, информационными и финансовыми ресурсами, договорными и распорядительными документами. При этом осуществляется календарное планирование, а также организация правильного и ритмичного функционирования производства.

Рис. 1.4. Структура технической подготовки производства В процессе технической подготовки производства широко используются ИКТ и Интернет. Обучение специалистов в области ТМС проводится с применением современных ПК. Первоначальные навыки владения ИКТ развиваются и дополняются при изучении основных дисциплин технологического профиля.

1.2. Сведения о качестве продукции машиностроения Обеспечение требуемого качества продукции входит в число основных задач ТМС. Качество продукции является комплексной характеристикой ее потребительских свойств, определяющей способность продукции выполнять установленные функции. Под качеством согласно ГОСТ Р ИСО 9000 — 2008 понимают совокупность свойств продукции, способных своевременно удовлетворять определенные потребности заказчика в соответствии с ее назначением. Совокупность свойств продукции характеризуется несколькими группами показателей качества. Это показатели назначения, надежности, технологичности, стандартизации и унификации, а также эксплуатационные, экономические, эргономические, экологические и другие показатели.

Показатели назначения определяют наиболее важные функциональные свойства изделий. Например, у станка с ЧПУ к таковым следует отнести применяемые методы обработки, производительность, точность исполнения обрабатываемых поверхностей, максимальные габаритные размеры заготовок и др.

Эксплуатационные показатели характеризуют условия окружающей среды, в которой функционируют изделия (диапазоны температур, давлений и влажности, наличие пыли, тумана, ударно-вибрационных воздействий и т. п.).

Экономические показатели, такие, как цена, себестоимость, затраты на эксплуатацию и ремонт, во многом определяют конкурентоспособность изделий.

Эргономические показатели характеризуют степень соответствия изделия требованиям к системе человек—машина, т. е.

удобство конструкции по отношению к антропометрическим и физиологическим данным человека (например, удобство расположения органов управления, применение допустимых для человека усилий и др.).

Надежность представляет собой комплексное свойство технического объекта, состоящее в его способности выполнять заданные функции, сохраняя свои характеристики в установленных пределах в течение заданного срока эксплуатации.

Показатели надежности обеспечиваются научно-техническим уровнем конструкторской документации, совершенством технологии изготовления, конструкторской, технологической и производственной дисциплиной. Проводится широкий спектр исследований в области обеспечения надежности с использованием ИКТ.

Группа показателей надежности согласно ГОСТ 13377— характеризует свойство изделий сохранять во времени работоспособность. К данной группе относятся показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Безотказность представляет собой вероятностное свойство изделия сохранять работоспособность в течение некоторого времени эксплуатации или наработки до отказа, т. е. времени непрерывной работы. Основным показателем безотказности является вероятность безотказной работы, задаваемая на определенный период эксплуатации (наработки).

Долговечность — свойство изделия сохранять работоспособность с учетом периодов хранения, ремонта и восстановления до наступления предельного состояния, после которого изделие выводится из эксплуатации и утилизируется.

Ремонтопригодность — это способность изделия подвергаться ремонту и восстановлению характеристик, по завершении которых оно вновь становится работоспособным. После ремонта изделие направляется в эксплуатацию.

Сохраняемость представляет собой свойство изделия сохранять в заданных пределах значения своих параметров, характеризующие его способность выполнять установленные функции до и после хранения и (или) транспортирования к месту эксплуатации.

Технологичность изделия, относящаяся к наиболее важным показателям качества, характеризует соответствие конструкции изделия методам и средствам ее изготовления на конкретном предприятии.

Технологичность изделия связана со всеми стадиями производства: получением заготовок, обработкой, сборкой, контролем, испытаниями, ремонтом и восстановлением.

К показателям технологичности относят:

• общую трудоемкость — То, которая представляет собой продолжительность изготовления всего изделия, в часах или минутах, производственными рабочими при нормальной интенсивности труда;

• станкоемкость — суммарное время, в течение которого станки и другое технологическое оборудование функционируют в целях изготовления всех элементов изделия и его последующей сборки;

• коэффициент использования материала Ки. м, определяемый по формуле Ки. м = m/М, где m — масса детали; М — масса заготовки;

• производственный цикл, продолжительность которого представляет собой календарный срок от начала до окончания изготовления изделия;

• конструктивную преемственность изделия Кп. и, равную отношению числа комплектующих элементов Nр, которые использовались ранее в других изделиях, к общему числу комплектующих элементов в данном изделии Nэ. и, а именно Кп. и = Nр /Nэ. и;

• технологическую преемственность изделия, характеризующую возможность использования ранее применявшихся методов обработки и сборки при изготовлении данного изделия;

соответствующий показатель Кт. п определяется по формуле Кт. п = = То. р / То, где То. р — суммарная трудоемкость более ранних методов обработки и сборки при изготовлении данного изделия.

В практике машиностроения встречаются и другие показатели технологичности изделия, например коэффициент применения новых СТО (станки, инструменты, приспособления, контрольная оснастка и др.), определяемый как отношение числа ранее использовавшихся СТО к их общему числу, требующемуся для изготовления изделия.

Технологичность изделия является важным критерием, определяющим соответствие технических, технологических и организационно-экономических условий для производства изделия возможностям конкретного предприятия. В условиях рынка одним из наиболее значимых показателей технологичности следует считать время, затрачиваемое на технологическую подготовку производства.

При создании изделий для их представления применяются также конструктивные, эстетические, патентно-правовые, маркетинговые и другие показатели качества. Они могут быть единичными, групповыми или интегральными (комплексными). Единичные показатели качества характеризуют изделие по одному параметру, групповые — одновременно по нескольким однородным показателям (группам показателей), например по показателям технологичности, а интегральные — по целому ряду (комплексу) показателей, в том числе разнородных. Например, удобство использования машины по назначению может характеризоваться интегральным показателем и оцениваться с помощью внеразмерной системы оценок, в частности в баллах.

Интегральные показатели качества часто вычисляют на основании математической теории экспертных систем. При этом применяют коэффициенты влияния (весомости) Кв конкретных показателей на значение искомого интегрального показателя.

Так, на интегральный показатель технологичности в наибольшей степени влияет себестоимость изделия. Поэтому при оценке этого показателя коэффициент Кв показателя себестоимости будет наибольшим по сравнению с коэффициентами влияния прочих показателей.

1.3. Анализ назначения технологических Любое изделие, техническая, управляющая или информационная система создаются для удовлетворения определенных потребностей человека или общества. В частности, технологическая машина, ТМ и ТС предназначены для выполнения процессов машиностроительного производства.

Технологический модуль — единица технологического оборудования, предназначенная для выполнения установленных технологических операций. К ТМ можно отнести станок, сборочную установку, контрольно-измерительную машину, испытательный стенд, закалочную печь и др.

Технологическая система представляет собой совокупность технологического оборудования и элементов обеспечения ее функционирования, предназначенную для выполнения законченного множества установленных ТП. К ТС относят технологически связанные друг с другом станочные системы, снабженные соответствующими СТО. Технологические системы могут быть автоматизированными (автоматические линии) или неавтоматизированными (поточные линии, участки и отделения станков, цеха и т. п.).

Технологические модули и системы создаются на основе принципов рентабельности, конкурентоспособности, прибыльности при достижении требуемого качества, высокой производительности, безопасности, гибкости и стабильности технологических процессов. Перед началом проектирования ТМ и ТС машиностроительных производств устанавливается область характеристик, которыми они должны обладать с целью получения требуемой эффективности. При проектировании оборудования с ЧПУ необходимо методами эвристического программирования, физико-математического или функционального моделирования установить параметрический комплекс показателей, определяющий назначение (область применения, технико-экономические, технологические и другие свойства) данных изделий.

Так, основой для описания назначения элементов ТС (или ТМ) служат характеристики производимых объектов (заготовок, деталей, сборочных единиц, комплектов, комплексов), а именно номенклатура, объемы выпуска, исполнения и типоразмеры производимой продукции; размеры производственных партий;

конфигурация, состав и особенности конструкции; физикомеханические параметры применяемых материалов; показатели точности поверхностей (допуски, отклонения формы и расположения); характеристики поверхностного слоя (шероховатость, твердость, микротвердость, глубина наклепа, типы и значения остаточных напряжений и др.); ритм и такт выпуска продукции.

Перед определением назначения ТС должны быть разработаны ТП, которые предполагается реализовать в данной системе.

На этой основе задают параметры ТС: конечное множество выполняемых функциональных действий; методы установки и закрепления заготовок, деталей и сборочных единиц с указанием их особенностей; габаритные размеры рабочей зоны; число используемых позиций при обработке; способы и особенности перемещения изготавливаемых изделий от позиции к позиции, порядок загрузки и выгрузки; материалы и габаритные размеры заготовок; количество, методы установки и смены СТО (инструменты, оправки, державки и т. п.); принятую при обработке систему координат; направления, скорости и ускорения основных и вспомогательных перемещений рабочих органов; диапазоны технологических режимов обработки и сборки; технологические нагрузки и энергетические взаимодействия (силы резания, зажима и инерции, давления, мощности приводов и др.); рекомендуемые типы приводов (ручные, электромеханические, магнитные, электромагнитные, гидравлические, пневматические, вакуумные и др.); требуемую точность исполнения базовых элементов ТС;

требования к надежности и безопасности. Необходимо также определить степень технологической гибкости, уровни автоматизации и методы управления, габаритные и массовые характеристики ТС, степень технологической и конструктивной преемственности, параметры окружающей среды и методы защиты от ее воздействия, эргономические и другие специальные требования (к консервации, хранению, транспортированию, монтажу, контролю, ремонту и др.).

Таким образом, назначение ТС характеризуется описанием процессов, для реализации которых предназначена данная система. Кроме того, необходимо знать условия эксплуатации и предъявляемые к ТС другие технические требования, связанные например с обеспечением ее надежности.

Требования к новым изделиям оформляются в виде согласованного исполнителем и заказчиком и утвержденного ТЗ, которое является базовым документом при создании изделия. При составление ТЗ на новое изделие используется сочетание принципа производственной и технологической преемственности с внедрением самых передовых научно-технических решений.

Требования к ТМ реализуются в ее конструкции с учетом комплексов показателей качества и совокупности параметров.

Могут быть использованы следующие группы параметров в их техническом выражении: геометрические (линейные и векторные размерные связи, допуски, отклонения формы и расположения поверхностей деталей и сборочных единиц); показатели шероховатости и волнистости поверхностей; физикомеханические (масса, силы, напряжения, коэффициенты упругости и пластичности, твердость, ударная вязкость и др.);

временные (текущее время, периоды); частотные (частота протекающих процессов, скважность импульсов); кинематические (перемещения, значения и направления скорости и ускорения);

динамические (силы, моменты, напряжения, давления, как активные, так и инерционные); виброакустические (интенсивность звуковой волны, амплитуды и спектры колебаний и вибрации); физические (электрические, магнитные) и другие характеристики. Весьма часто учитываются температурные, тепловые, энергетические (в том числе показатели мощности), химические, эргономические, технологические, функциональные, экономические и прочие параметры.

Каждое изделие можно рассматривать как сложную техническую систему, состоящую из определенного числа функциональных секций, блоков, модулей, оригинальных сборочных единиц, деталей и комплектующих элементов.

Основным принципом проектирования следует считать создание комплексов ТМ и ТС на основе унифицированных структурных компонентов: секций, блоков, модулей и агрегатов.

Совокупность структурных единиц, имеющих наибольшее распространение, — это базовые компоненты комплекса, которые совместно с дополнительными структурными единицами и элементами служат основой для создания его модификаций. Подобный метод разработки изделий представляет собой многоэтапный и многоуровневый процесс, включающий в себя процессы научных исследований, систематизации, классификации, анализа, синтеза, моделирования, функционально-стоимостной оценки и др.

Практика показывает, что основой проектирования следует считать компьютерное информационное моделирование. Компоненты изделия в обобщенном смысле можно рассматривать в качестве функциональных модулей, разбив их на две группы:

технологические и обслуживающие. Первые обеспечивают работу машин в соответствии с их назначением (например, для станков такими модулями являются шпиндели, коробки скоростей и подач, самодействующие головки, суппорты, ходовые винты, столы, задние бабки, а вторые — их функционирование электроприводы, станины, корпуса, стойки, системы смазки и охлаждения, устройства активного контроля и др.).

Модули первого уровня могут состоять из функциональных и обслуживающих технологических модулей второго уровня и т. д.

Элементы самого низкого уровня — детали, образующие некоторую пространственную материальную и объемную конфигурацию, ограничены поверхностями, имеющими собственное назначение. При компьютерном моделировании поверхности описываются с помощью обобщенных уравнений типа F(Z, Y, X ) = C, где С — произвольная постоянная. В ряде случаев применяются системы уравнений в параметрической форме: Z = F1(U, V); Y = F2(U, V ); X = F3(U, V ), где U и V — независимые параметры.

Согласно принятой классификации поверхности деталей машин подразделяются на исполнительные, связующие (С), технологические (Т) и свободные (СВ) (рис. 1.5, а), а исполнительные — на базирующие и функциональные (Ф).

Базирующими (базами) считаются поверхности, принадлежащие элементам конструкции и определяющие их пространственное положение в собранном изделии. Базирующие поверхности, служащие для приобретения деталью необходимого положения в сборочной единице, называются основными (ОБ), а поверхности данной детали, служащие для придания определенного пространственного положения другим деталям, — вспомогательными (ВБ).

На рис. 1.5, б, в приведены примеры поверхности соответственно для зубчатого колеса со ступицей и участка вала, а на рис. 1.6 — для шестеренного насоса с водяным подогревом, предназначенного для перекачки консистентных жидкостей.

Так, в шестеренном насосе поверхность ОБ между подшипником скольжения 1 (см. рис. 1.6) и обоймой 2 является основной базой, а поверхность ВБ между обоймой и валом 3 — вспомогательной. Базирующие поверхности деталей используются также для выполнения технологических операций обработки и сборки.

Функциональные поверхности имеют различное назначение.

Например, эвольвентные поверхности Ф (см. рис. 1.6) зубчатых шестерен 5 и 7 служат для создания гидравлического давления перекачиваемой жидкости и одновременно играют роль кинематических поверхностей, передающих вращательное движение от ведущей шестерни 7 к ведомой 5. Боковая поверхность Д шпонки 6 предназначена для передачи вращающего момента от вала к ведущей шестерне, а поверхность Г штифта 4 — к обойме. Поверхность Е необходима для присоединения патрубка, по которому подводится горячая вода, а поверхности Ж служат для Рис. 1.5. Классификация поверхностей деталей машин (а) и примеры поверхностей для зубчатого колеса со ступицей (б) и участка вала (в) передачи теплоты к внутренней полости насоса и одновременно воспринимают значительные усилия от гидравлического давления перемещаемой консистентной жидкости.

Таким образом, поверхности деталей и сборочных единиц предназначены для выполнения различных функций, которые могут иметь комплексный характер.

Рис. 1.6. Базирующие и функциональные поверхности шестеренного насоса с водяным подогревом С точки зрения обработки и сборки для нормальной работы изделия необходимо, чтобы все поверхности деталей и сборочных единиц, определяющие его назначение (функциональные поверхности), занимали строго определенное взаимное положение относительно друг друга.

Технологические поверхности служат для выполнения обработки и сборки. Например, центровые отверстия валов служат для установки заготовки детали на станке при обработке. Лыски на шпильке служат для передачи вращающего момента от ключа к детали при сборке методом свинчивания.

Свободные поверхности не играют особой функциональной роли, а служат для вспомогательных целей. Так, например, внеосевые отверстия в ступице зубчатого колеса или маховика служат для снижения массы конструкции.

Классификация поверхностей по их назначению позволяет правильно разработать ТП обработки и сборки, сконструировать СТО и выбрать режимы контроля.

1.4. Основные сведения о точности обработки В процессе технологической подготовки производства особое внимание обращается на точность функциональных параметров, а также исполнительных поверхностей деталей и сборочных единиц, которые во многом определяют работоспособность ТМ и ТС (например, на точность рабочих перемещений, подшипниковых узлов, зубчатых передач, ходовых винтов, направляющих и т. д.).

Факторы точности подробно анализируют при отработке изделия на технологичность.

Точность определяется соответствием изделия или его элемента заранее установленному эталону. Точность оценивается сугубо дифференцированно применительно к конкретному параметру, характеризующему то или иное свойство изделия. Она нормируется в виде одного или чаще двух допустимых отклонений от номинального значения рассматриваемого параметра.

Точность элементов машин и механизмов имеет важное значение для обеспечения их качества. Так, неточно изготовленные кулачки или зубчатые колеса в процессе работы испытывают повышенные вибрационные и динамические нагрузки, что приводит к возрастанию уровня шума, вибрациям, ускоренному износу, усталостному разрушению и выходу изделия из строя. Отклонение требуемой точности деталей станков (шпиндели, подшипниковые узлы, направляющие, корпуса коробок скоростей и подач) снижает общую точность обработки, качество и конкурентоспособность ТМ. Недостаточная точность, отклонения формы и расположения элементов гидравлической и пневматической аппаратуры, насосов и компрессоров вызывают дополнительное перетекание рабочего тела, что снижает его напор и подачу.

Точность может оцениваться как дифференцированно применительно к конкретному параметру, характеризующему то или иное свойство изделия, так и в виде комплексного показателя назначения машины. Погрешность нормируется в виде одного или — чаще — двух допустимых отклонений от номинального значения рассматриваемого параметра. В машиностроении необходимо обеспечивать точность прежде всего геометрических параметров (угловые и линейные размеры, координаты, отклонения формы и расположения поверхностей). Многие параметры, например дисбаланс ротора или положение центра масс изделия, в значительной мере связаны с соблюдением геометрической точности деталей и сборочных единиц. Обычно чем выше точность деталей и других элементов машин, тем выше их качество. В то же время достижение требуемой точности деталей вызывает необходимость в дорогостоящей дополнительной обработке.

Себестоимость изготовления обратно пропорциональна допуску на обработку или сборку. Поэтому следует добиваться экономически обоснованной точности элементов машин. Особое значение точность имеет при автоматизации и роботизации производства, когда ТП реализуются при минимальном участии операторов.

В машиностроении эталонами точности могут служить специально изготовленные и аттестованные калибры, концевые меры длины или образцы шероховатости. Применяются эталоны изделий для оценки качества сборки или эталоны деталей для оценки качества механической обработки. Основным способом задания точности в машиностроении является установление технических требований и характеристик, указываемых в чертежнотехнической документации. Так, компьютерный чертеж детали служит виртуальным эталоном по всем установленным параметрам.

Точность характеризуется соответствующей погрешностью, которая определяет величину отклонения параметра от его номинального значения. Абсолютная погрешность Х выражается в единицах оцениваемого параметра Х и определяется по формуле Х = Хд Хн, где Хд и Хн — действительное и номинальное значения параметра Х. Погрешность ряда изделий, например приборов и контрольной оснастки, носит относительных характер и находится посредством деления абсолютной погрешности параметра X на его номинальное значение, т. е. Х = (Хд Хн)/Хн (результат может быть представлен в процентах).

В большинстве случаев погрешность содержит в своей структуре систематическую и случайную составляющие, т. е. характеризуется случайной функцией параметра. Как правило, изменение математического ожидания во времени или в процессе эксплуатации машин характеризует систематическую составляющую, а изменение дисперсии или среднеквадратического отклонения — случайную составляющую.

Точность изделий, сборочных единиц и деталей характеризуется не только абсолютной или относительной погрешностью, но и расположением поля рассеяния. Допустимые границы изменения параметра определяются заданным в чертежно-технической документации допуском. Допуски на геометрические размеры, установленные в ГОСТ 25346 — 82, соответствуют международной системе допусков и посадок. Рассмотрим схему образования допусков и посадок в системе отверстия, которая имеет наиболее широкое распространение (рис. 1.7). В этой системе основным является поле допуска Н отверстия. Его нижнее предельное отклонение EI совпадает с нулевой линией, от которой отсчитываются отклонения, соответствующей номинальному размеру А0. РасполоРис. 1.7. Схема расположения полей допусков в системе отверстия жение верхнего предельного отклонения ES зависит от квалитета IT геометрического параметра. Значение верхнего предельного отклонения основного отверстия равно ES = T, т. е. зависит от выбранного квалитета.

Разные по характеру посадки (с зазором, натягом или переходные) в системе отверстия образуются за счет изменения полей допусков вала (a, h, js, m и zc). Расположение этих полей изменяется в зависимости от их обозначения. Допуски вала от а до h образуют совместно с полем допуска H основного отверстия посадки с зазором. Для допусков вала, образующих посадки с зазором, основным является верхнее предельное отклонение es, которое применительно к конкретному виду допуска неизменно по величине для всех квалитетов. Величины es нормируются в упомянутом стандарте по отклонению от номинального размера. Нижнее предельное отклонение ei для посадок с зазором находится как ei = es T. Максимальный (Smax) и минимальный (Smin) зазоры равны Smax = ЕS ei и Smin = EI es.

Поле допуска js расположено симметрично относительно нулевой линии и образует класс переходных посадок, которые применяются для малоподвижных соединений при необходимости достижения точного центрирования (например, при сборке колец подшипников с корпусом и валом), а также в соединениях изделий точного приборостроения. Переходные посадки в зависимости от сочетания действительных размеров вала и отверстия в пределах своих допусков могут образовывать как зазоры, так и небольшие натяги.

Величины максимальных зазоров Smax и натягов Nmax для переходных посадок можно определить как Smax = ES ei и Nmax = es EI.

К классу переходных посадок в зависимости от размера допуска H основного отверстия в ряде случаев могут быть отнесены посадки, образованные полями допусков k, l и m вала.

Прочие поля допусков до z включительно образуют посадки с натягом, применяемые для создания неподвижных соединений. Величины максимальных и минимальных натягов в системе отверстия для подобных случаев вычисляются по формулам Nmax = es – EI и Nmin = = ei ES. При использовании системы вала поле допуска h является основным, а посадки образуют поля допусков отверстия, имеющие обозначения от А до Z. Принципы расчета зазоров и натягов в системе вала аналогичны.

Поверхности деталей и сборочных единиц весьма сложны.

Так, на рис. 1.8 представлена реальная поверхность валика в продольном сечении, построенная в отклонениях от номинального цилиндра, измеренных индикатором с ценой деления Рис. 1.8. Профиль валика диаметром 16 мм, измеренный в отклонениях шкалы 1 мкм. При обработке валик закреплялся в патроне с упором по левому торцу. Отчетливо заметен отжим валика при расположении резца у правого торца под действием сил резания. Кроме того, скопирована трехвершинная огранка подшипника шпинделя станка. В этой связи номинальный размер и предельные отклонения, а также действительный размер, измеренный в одной или нескольких точках, характеризуют точность обработки только приблизительно. Реальные профили одинаковых поверхностей у партии деталей можно описать некоторыми сложными гармоническими случайными функциями в трехмерной системе координат. Поэтому действительные размеры принято характеризовать при помощи прилегающих поверхностей в трехмерной системе координат или прилегающих линий в плоских сечениях.

Прилегающая поверхность соприкасается с реальной вне материала детали и располагается по отношению к реальной поверхности так, что расстояние от наиболее удаленной точки последней до прилегающей поверхности минимально. Так, в радиальном сечении цилиндрической поверхности детали для оценки действительных размеров, а также отклонений формы и расположения может быть применена прилегающая окружность. Для сечения вала (рис. 1.9) номинальным диаметром D прилегающая окружность является окружностью минимального диаметра, описанной вокруг реального профиля, а для сечения Рис. 1.9. Геометрическое представление погрешностей номинального размера, формы и расположения в сечении цилиндрической поверхности вала Рис. 1.10. Геометрическое представление допуска номинального размера, формы и расположения в сечении плоской детали отверстия — окружностью максимального диаметра, вписанной в реальный профиль. Диаметр прилегающей поверхности служит характеристикой действительного размера детали, выполнение которого в пределах допуска обеспечит собираемость сопрягаемых деталей.

Отклонение расположения р представляет собой отклонение прилегающей поверхности от номинального расположения рассматриваемой поверхности. Чаще всего с целью определения р рассматривают отклонения осей или плоскостей симметрии. Отклонение формы ф — это максимальное отклонение реального профиля от прилегающей поверхности, измеренное по нормали к последней. Шероховатость поверхности при определении отклонений формы не учитывается.

Применительно к плоским деталям может быть использовано понятие «прилегающая плоскость», а для произвольного сечения — «прилегающая прямая». Так, прилегающая прямая на рис. 1.10, соприкасающаяся с реальным профилем вне детали, располагается по отношению к нему так, что расстояние от его наиболее удаленной точки до прилегающей прямой минимально. Реальный профиль детали при определении прилегающих поверхностей или линий служит основой для нахождения отклонений формы ф и расположения р.

Следует отметить, что теория прилегающих поверхностей применима только при обеспечении механической собираемости изделий для посадок деталей с гарантированным или нулевым зазором. Например, для герметичности гидравлических элементов необходимо обеспечить не только прилегание охватываемой и охватывающей поверхностей по вершинам профилей, но и минимизацию зазоров между поверхностями. В процессе запрессовки вала в отверстие происходит упругопластическая деформация деталей по всей площади сопряжения. В подобных случаях следует рассматривать средние уровни поверхностей.

Точность параметра устанавливается при измерении и характеризуется погрешностью, которая определяет отклонение действительного значения параметра от его номинального значения. Так, на действительную точность ТП влияют погрешности контрольных измерений, которые зависят от принятых методов измерения, технической реализации измерительного прибора (контрольноизмерительной оснастки) и субъективных факторов.

Абсолютная погрешность измерения и представляет собой разность между значением величины Аи, полученной при измерении, и ее истинным значением А0, т. е. и = Аи А0. Абсолютная погрешность измерения выражается в единицах измеряемой величины.

Относительная погрешность измерения о представляет собой отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины, т. е. о = и/А0 (результат можно представить также в процентах). Погрешность измерения прибора может составлять 0,05; 0,1; 1 % и т. д.

Погрешности измерения приборов и контрольно-измерительной оснастки нормируются в рамках Государственной системы обеспечения единства измерений. Применяемые на производстве приборы подвергаются регулярной метрологической поверке с использованием измерительных эталонов и специальных методик.

Погрешности измерения входят в общую структуру погрешностей технологического процесса (обработка, сборка и т. п.).

Под действием систематических и случайных факторов действительные значения измеряемой величины при обработке партии заготовок деталей отличаются друг от друга. Разность между наибольшим и наименьшим значениями измеряемой величины при контроле некоторой величины образует поле рассеяния, которое характеризуется вероятностными и статистическими характеристиками (математическое ожидание, дисперсия, среднеквадратическое отклонение и др.). В условиях производства поле рассеяния параметра должно находиться в пределах поля допуска.

Нарушение данного условия приводит к возникновению производственного брака. Если заготовку можно исправить посредством дополнительной обработки, например с помощью шлифования после обнаружения в результате контроля завышенного размера, то такой брак считается исправимым. Если подобная дообработка невозможна (полученный размер вала меньше нижнего предельного отклонения), то брак считается неисправимым.

При конструировании физических установок, например, требующих создания стабильных электрических (окраска в электростатическом поле) или магнитных (магнетронное распыление ионов при нанесении износостойких покрытий) полей, их функциональные характеристики описываются сложными математическими выражениями. Поэтому представление о геометрической модели поверхности следует формировать в зависимости от ее назначения. В общем случае необходимо рассматривать не только геометрические, но и в совокупности с ними физико-механические или структурно-физико-химические (поверхностные или объемные) модели с учетом свойств применяемых материалов и атомномолекулярного строения вещества. При определении статической и динамической погрешностей используются векторная алгебра, теории колебаний, рядов, вероятностей, математической статистики и др. Обеспечение точности заданных параметрических свойств машин технологическими методами требует углубленного научного подхода.

Точность взаимного положения определяется базирующими поверхностями. При обеспечении требуемой точности обработки и сборки необходимо учитывать различные производственные погрешности и выполнять пересчет координат деталей относительно системы координат изделия. Расчет точности при обработке связан с системами координат заготовки, станка и СТО. Если назначение машин определяет некоторый показатель качества Y = = F(X1, X2, …, Хi, …, Xn), где X1, X2, …, Хi, …, Xn — геометрические и иные параметры деталей машин, то при переходе к погрешностям после разложения функций Y в ряд Тейлора имеем где Y — погрешность показателя качества; Y/Xi — передаточное отношение; Xi — погрешность i-го параметра.

Замена погрешностей Xi величинами полей допусков ТХi (i = 1, …, n) позволяет найти допуск TY на вариацию показателя качества.

При рассмотрении всех показателей качества можно получить совокупность (т. е. математическую систему) размерных, а в общем случае — параметрических связей, описываемых уравнениями типа (1.1). В процессе комплексного параметрического и размерного анализа устанавливаются допуски на систему параметрических и размерных связей и ее элементы. В период технологической подготовки производства обеспечивается исполнение всех требуемых параметров точности машины, которые реализуются при изготовлении, контроле и испытаниях изделий.