Ульяновск, Ульяновская область, Россия
ВАК 05.02.08 Технология машиностроения
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Предложен новый подход к обоснованию параметров токарных станков с числовым программным управлением на основе их взаимосвязи с характеристиками деталей машин. Создан информационный региональный банк данных о деталях. Для обработки восьми групп деталей тел вращения обоснованы параметры токарных станков с числовым программным управлением: число и состав формообразующих координат, размеры рабочего пространства, материал заготовки, точность и шероховатость поверхностей, структура технологических операций, класс точности по ГОСТ 8-82.
станок, ЧПУ, деталь, формообразующая координата, пространство станка
Введение
Основным технологическим оборудованием на машиностроительных предприятиях являются металлорежущие станки с числовым программным управлением (МС с ЧПУ). Современные МС с ЧПУ отличаются максимальной концентрацией технологических операций и различных методов обработки заготовок (точение, фрезерование, сверление и др.), а следовательно, высокой стоимостью [1, 2].
Исследование эффективности эксплуатации двадцати тысяч МС с ЧПУ в Англии, США, Франции показало, что только 40 % из них были выбраны правильно и использовались рационально [3]. Производители МС с ЧПУ уделяют мало внимания анализу требований потребителей, т. е. производственно-технологическим условиям, характерных большинству заказчиков оборудования [4, 5].
Отличительной особенностью мелкосерийного и серийного производства является широкая номенклатура изготавливаемых деталей. Поэтому проектирование новых станков или выбора рационального оборудования из существующей гаммы является сложной задачей [6].
Технологическое проектирование станков с ЧПУ- это взаимосвязь следующих элементов: характеристики деталей – группирование деталей – технологические операции – функционально- структурная модель станка – параметры, блоки и агрегаты станка.
Цель работы – оптимизация технологических возможностей токарных станков с ЧПУ (ТС с ЧПУ) на основе анализа характеристик деталей машин и приборов.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи [7]:
- формирование информационного банка данных о деталях машин и приборов;
- группирование деталей по общности конструктивно-технологических характеристик;
- выбор групп деталей, которые целесообразно принять в качестве информационно-технологической основы для проектирования ТС с ЧПУ;
- обоснование схем построения технологических операций для изготовления групп деталей;
- обоснование технических параметров ТС с ЧПУ;
- разработка функционально-структурных моделей ТС с ЧПУ;
- обоснование состава унифицированных функциональных блоков для построения ТС с ЧПУ по блочно-модульному принципу.
Создание регионального банка данных о деталях
Важнейшей задачей для определения технических параметров МС с ЧПУ является создание банка данных о деталях машин, позволяющего обобщить характеристики объектов производства большинства потребителей оборудования. Создание такого банка на республиканском уровне в настоящее время нереально. Поэтому для исследований нами создан региональный банк данных (РБД) о деталях Ульяновского региона, в котором действуют 15 крупных промышленных предприятий, представляющих различные отрасли промышленности: авиастроение, судостроение, станкостроение, автомобилестроение, приборостроение и др. Статистические отчеты показали, что номенклатура выпускаемых в области изделий во многом схожа с номенклатурой других промышленно развитых областей Поволжья (в частности Республики Татарстан, Нижегородской и Самарской областей).
По разработанной методике на предприятиях заполнялась информационная карта для каждой детали, в которой конструктивные признаки кодировали по Классификатору ЕСКД (К.ЕСКД), а технологические характеристики в истинных значениях с чертежа детали [8 -11].
Региональный банк данных содержит информацию о 200 тыс. наименований деталей. Анализ РБД показал, что наибольшие номенклатуру, объем выпуска, трудоемкость имеют детали 71 класса (тела вращения) и 74 класса (плоскостные детали) (табл. 1).
Таблица 1
Распределение деталей РБД по классам К. ЕСКД
|
Класс детали по К.ЕСКД |
Конструктивная характеристика деталей |
Номенклатура деталей, % |
Годовой объём выпуска, % |
Трудоём- кость, % |
|
71 |
Тела вращения |
28,6 |
30 |
32,8 |
|
72 |
Тела вращения с элементами зубчатого зацепления. |
8,2 |
7,3 |
8,8 |
|
73 |
Не тела вращения: корпусные |
6,8 |
4,2 |
6,2 |
|
74 |
Не тела вращения: плоскостные; профильные |
37,7 |
41,9 |
38,1 |
|
75 |
Карданные, кулачковые, арматуры и др. |
18,7 |
17,6 |
14,1 |
Подобные информационные банки данных о деталях созданы в г. Аахен (ФРГ), экспериментальном научно-исследовательском институте металлорежущих станков (ЭНИМС) и на предприятиях. В частности установлено, что распределения деталей по классам РБД и банка ЭНИМС совпадают более, чем на 90 %.
Группирование деталей регионального банка данных
Очевидно, что в условиях многономенклатурного серийного производства технологической основой проектирования МС с ЧПУ могут быть обобщенные конструктивно –технологические характеристики правильно подобранных групп деталей.
Для дальнейших исследований нами принят класс 71 К.ЕСКД – детали тела вращения, характеристики которых являются технологической основой токарных станков с ЧПУ (ТС с ЧПУ).
Нами разработана методика группирования деталей в два этапа [12 - 14]:
- укрупненное группирование деталей путем объединения классификационных признаков по иерархичной структуре К.ЕСКД на основе теории стягивания графа. На первом этапе группирование ведется по общности конструктивных признаков К.КСКД.
- группирование деталей с применением кластерного анализа. На втором этапе группирования классификационные конструктивные признаки деталей заменены соответствующими формообразующими координатами Фк, которые необходимо реализовать ТС с ЧПУ для обработки определенного классификационного признака. В качестве второго признака группирования на данном этапе принимаем отношение Ld длины L к диаметру D детали, которое во многом определяет технологию ее обработки.
Отбор рациональных групп, которые экономически целесообразно изготавливать на ТС с ЧПУ, осуществляется по следующим критериям [15]:
- полная загрузка в течение года одного или нескольких ТС с ЧПУ деталями определенной группы;
- выбор рациональных групп деталей средней и высокой сложности, оцениваемой по числу требуемых формообразующих координат станка Фк = 3 -6, для изготовления на ТС с ЧПУ;
- достаточно широкая распространенность групп деталей на предприятиях (не менее, чем на 50 % участвующих в данном исследовании предприятий).
Конструктивно – технологические характеристики групп деталей, отвечающих вышеуказанным условиям, применяются в качестве информационной основы для разработки технологических структур ТС с ЧПУ. Технологическая структура ТС с ЧПУ – это комплекс функций, которые он реализует и функциональных блоков (агрегатов) для построения станков по блочно-модульному принципу.
В результате исследований выявлено, что трем критериям отвечают 8 групп деталей (табл. 2).
Для всех групп деталей разработаны комплексные детали (КД), обобщающие все конструктивно-технологические характеристики деталей группы и групповые технологические операции (ГТО) для их изготовления. Обоснованы схемы построения ГТО по минимальным приведенным затратам Зпр на обработку комплексной детали.
Таблица 2
Примеры наиболее распространенных групп деталей типа тел вращения
|
Характеристики деталей в группах
|
Распространен- ность групп деталей на предприятиях, %
|
Сложность деталей по числу формообразующих координат ТС с ЧПУ, Фк |
Эскиз комплексной детали
|
|
Группа 713321 Фланцы, крышки, стаканы с цилиндрическими ступенчатыми наружными и внутренними поверхностями |
100
80
90 |
4 (X; Z; U; W) |
|
|
Группа 713324 Фланцы, крышки, стаканы с цилиндрическими ступенчатыми одно- и двухсторонними наружными и внутренними поверхностями; с внецентровыми отверстиями; пазами, лысками, скосами |
6 (X; Z; U; W;Y;E) |
||
|
Группа 715314 Валы с наружной поверхностью ступенчатой, цилиндрической; с внецентровыми отверстиями; пазами, лысками, скосами |
4 (X; Z;Y;E) |
Обоснование параметров токарных станков с ЧПУ
Расчеты показали, что обработку поверхностей КД экономически целесообразно изготавливать на ТС с ЧПУ при параллельно-последовательной схеме построения ГТО [16].
Исходными данными для определения основных технологических параметров нового типажа ТС с ЧПУ или выбора наиболее подходящего существующего ТС с ЧПУ являются конструктивно-технологические характеристики КД и схемы построения ГТО (табл. 3). Приведем основные параметры ТС с ЧПУ для обработки деталей группы 713321, которые определяют его служебное назначение и составляют основу технического задания на проектирование станка (табл. 3). Подобным образом определены основные параметры ТС с ЧПУ для обработки всех групп деталей.
Таблица 3
Пример взаимосвязи характеристик деталей машин и параметров ТС с ЧПУ
|
Характеристикии КД 713321 |
Параметры нового ТС с ЧПУ для обработки заготовок деталей группы 713321 |
|
Код КД по Классификатору ЕСКД: 713321 |
Токарный прутковый патронный с ЧПУ |
|
Структура основных поверхностей КД: цилиндрические наружные и внутренние, ступенчатые, одно- и двухсторонние |
Операции: Токарно-расточные; Последовательно-параллельная сема обработки |
|
Дополнительные поверхности КД: пазы, отверстия и др. |
Операции: Фрезерные; сверлильные |
|
Конструктивная сложность обрабатываемых КД по Фк: 4 |
Число и состав формообразующих координат: X, Z, U, W |
|
Габаритные размеры КД: диаметром до 40 мм и 125 мм |
1 типоразмер: D ≤ 40 мм 2 типоразмер: D ≤ 125 мм |
|
Точность (максимальная): 10 квалитет |
Повышенный (П) |
|
Минимальная шероховатость поверхностей деталей Ra, мкм: 1,6 |
Обеспечиваемая шероховатость: 1,6 – 2.5 |
|
Вид заготовки КД: пруток, труба |
Заготовки: Пруток, труба |
|
Материал КД: Конструкционные стали, цветные металлы, коррозионно-стойкие и жаропрочные стали и сплавы |
Инструменты для обработки конструкционных сталей, цветных металлов, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов |
Заключение
В результате обоснованы основные параметры ТС с ЧПУ для обработки восьми групп деталей. Проектирование и производство всех восьми ТС с ЧПУ целесообразно организовать по блочно-модульному принципу [17 – 20], т.е. на единой унифицированной элементной базе. Для реализации данного принципа обоснован унифицированный состав функциональных блоков (агрегатов станка) для создания всех ТС с ЧПУ с разными технологическими возможностями [21].
Таким образом, технологическое проектирование нового типажа ТС с ЧПУ позволило определить требования к станкам, во многом их эффективность на всех стадиях жизненного цикла (проектирование, производство, эксплуатация).
1. Пуш, А. В. Моделирование и мониторинг станков и станочных систем / А. В. Пуш // Станки и инструмент.- 2000- №9. - С. 12 - 15.
2. Вайс, С. Д. Оценка конкурентоспособности металлорежущих станков / С. Д. Вайс, А. А.Корниенко // Станки и инструмент. - 2002- №1. - С. 8 - 12.
3. Экономическое обоснование области применения металлорежущих станков с программным управлением / В. Л. Кубланов, И. А. Маковецкая, А. П. Назаренко и др. - М.: Машиностроение, 1987. - 152 с.
4. Корниенко, А. А. Моделирование рынка металлорежущих станков /А. А. Корниенко //Вестник машиностроения. - 2005. - №3. - С. 81 - 85.
5. Лехмус, М. Ю. Структурный синтез компоновок металлорежущих станков / М. Ю. Лехмус, С. И. Фецак, Р. Ф. Амиров // Станки и инструмент. - 2016. - №10. - С. 2 - 4.
6. Епифанов, В. В. Функционально-структурное проектирование металлорежущих станков с ЧПУ / В. В. Епифанов // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - 2019. - №3. - С. 96 - 101.
7. Епифанов, В. В. Обоснование технологических параметров токарных станков с программным управлением для групповой обработки деталей / В. В. Епифанов // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - 2018. - №1. - С. 213 - 217.
8. Методика кодирования деталей. - Ульяновск: УлГТУ, 1997. - 45 с.
9. Классификатор ЕСКД. Классы 71, 72, 73, 74, 75. - М.: Изд - во стандартов, 1986. - 401 с.
10. Епифанов, В. В. Кодирование и классификация деталей машин и приборов в технологической подготовке производства / В. В. Епифанов // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - 2017. - №2. - С. 75 - 79.
11. Епифанов, В. В. Автоматизированная система выбора эффективного технологического оборудования в условиях серийного производства / В. В. Епифанов // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - 2018. - №4. - С. 20 - 26.
12. Епифанов, В. В. Исследование и синтез технологических структур металлорежущих станков с ЧПУ / В. В. Епифанов, В. В. Ефимов.- Ульяновск: УлГТУ, 2006. - 141 с.
13. Епифанов, В. В.Алгоритм формирования групп деталей для проектирования технологических структур металлорежущих станков с ЧПУ/ В. В. Епифанов // Вестник Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева. - 2016- №6. - С. 73 - 78.
14. Епифанов, В. В. Тенденции изменения конструктивно - технологических характеристик деталей машин в промышленности / В. В. Епифанов // Вестник машиностроения. - 2018- №5. - С.14 - 17.
15. Епифанов, В. В.Обоснование структур технологических операций обработки групп деталей на токарных станках с ЧПУ / В. В. Епифанов // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - 2020. - №2. - С. 44 - 47.
16. Базров, Б. М. Модульная технология в машиностроении / Б. М. Базров.- М. : Машиностроение, 2001. - 368 с.
17. Митрофанов, С. П. Групповая технология машиностроительного производства. В 2 т / С. П. Митрофанов. - Л. : Машиностроение, 1983. - 404 с.
18. Епифанов, В. В. Алгоритм формирования групп деталей для проектирования технологических структур металлорежущих станков с ЧПУ / В. В. Епифанов // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - 2015. - Т. 71. - № 6. - С. 73-77.
19. Врагов, Ю. Д. Анализ компоновок металлорежущих станков: (Основы компонетики) / Ю. Д. Врагов. - М. : Машиностроение, 1978. - 208 с.
20. Аверьянов, О. И. Модульный принцип построения станков с ЧПУ / О. И. Аверьянов. - М. : Машиностроение, 1987. - 232 с.
21. Епифанов, В. В. Исследование структуры токарных станков с ЧПУ с применением функционально-стоимостного анализа / В. В.Епифанов, В. В. Ефимов // Станки и инструмент. - 2004. - №8. - С. 13 - 17.
