На правах рукописи
005014428
Шеховцева Татьяна Владимировна
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ СТАНКОВ С ЧПУ В ЕДИНИЧНОМ И МЕЛКОСЕРИЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ДЕТАЛЕЙ ГТД НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ ИХ КОНСТРУКЦИЙ
Специальность 05.02.08 — Технология машиностроения
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
15 мар т
Рыбинск-2012
005014428
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева».
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Безъязычный Вячеслав Феоктистович.
Официальные оппоненты:
- Непомилуев Валерий Васильевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева», профессор кафедры «Организация производства и управление качеством»;
- Корытов Владимир Николаевич, кандидат технических наук, ОАО «Гаврилов-Ямский машиностроительный завод «Агат», генеральный директор.
Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет».
Защита состоится 21 марта 2012 года в 12— часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск!, Ярославской обл., ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева»
Ученый секретарь диссертационного совета
Конюхов Борис Михайлович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В условиях современной рыночной экономики многие предприятия отечественной авиационной промышленности вынуждены переходить от массового производства к мелкосерийному (единичному), чтобы обеспечить выполнение разнообразных требований заказчика. В связи с широким применением CAD/CAM технологий основным видом оборудования для обработки деталей газотурбинных двигателей (ГТД) являются станки с числовым программным управлением (ЧПУ), поэтому необходима смена универсального оборудования, традиционно применяемого в единичном производстве, на станки с ЧПУ. Современное производство ГТД характеризуется широкой многономенклатурностью (частой сменяемостью выпускаемых изделий).
Министерство образования и науки российской федерации
... содержанию глав курсовых работ. В общем виде все курсовые работы можно разделить на два вида: - теоретические. Такие работы направлены на глубокое изучение теории вопроса (сущности, функций, классификации, эволюции финансовых понятий), в меньшей степени ...
При этом конструкции деталей постоянно усложняются, повышаются требования к их точности и качеству обработки, что приводит к увеличению трудоемкости и себестоимости. Станки с ЧПУ обладают свойствами, позволяющими добиться существенного повышения эффективности производства и экономии трудовых ресурсов, а также возможно их рентабельное применения не только в среднесерийном производстве, но и в мелкосерийном и единичном.
Недостаток существующих теоретических разработок по данному вопросу создает трудности в решении практических задач по назначению оптимального вида оборудования. Все это обуславливает актуальность исследования проблемы организации единичного и мелкосерийного производства в условиях применения станков с ЧПУ. Для этого автором выполнены исследования по изучению выбора рационального вида оборудования, основанные на алгоритме отработки на технологичность, обобщенном критерии технологичности и сравнении производительности и себестоимости обработки нескольких видов оборудования.
Цель работы: определение области эффективного применения станков с ЧПУ в условиях единичного и мелкосерийного производства, а также рационального использования этого оборудования на основе учета конструктивной сложности и технологичности конструкции деталей ГТД.
Для реализации поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:
1. Проанализировать номенклатуру обрабатываемых деталей и разработать обобщенные критерии технологичности деталей применительно к их номенклатуре.
2. Выполнить анализ использования станков с ЧПУ с учетом требований к качеству обработки деталей на основе анализа типовых технологических процессов обработки, их трудоемкости и производительности.
3. Разработать алгоритм определения целесообразности использования станков с ЧПУ на основе конструктивной сложности и показателей технологичности обрабатываемых деталей.
4. Разработать рекомендации по практическому использованию результатов исследования.
Научная новизна работы заключается в
- разработке обобщенного критерия оценки технологичности конструкции детали, учитывающего её конструктивную сложность, требования по точности и качеству обработки и свойства обрабатываемого материала детали;
- разработке алгоритма выбора рационального вида оборудования на основании конструктивных, технологических и экономических показателей, характеризующих процесс её изготовления.
Практическая значимость работы
Разработанная методика выбора рационального вида оборудования позволяет технологу на стадии разработки технологического процесса обработки произвести обоснованный выбор применяемого обрабатывающего оборудования с учетом производительности оборудования и конструктивных особенностей обрабатываемой заготовки.
Положения, составляющие основу работы и выносимые на защиту
1. Обобщенный критерий оценки технологичности, учитывающий конструктивную сложность детали применительно к обработке на станках с ЧПУ, требования к точности и качеству обработки её поверхностного слоя с учетом свойств обрабатываемого материала детали.
Проектирование поточной линии механической обработки детали и ...
... 1, 2, 4 (рабочие машины и оборудование); 4) информационные системы, включая электронно-вычислительные и другие машины для автоматической обработки информации, периферийные устройства для них, системы связи, ... того, перед каждой операцией 15-20 минутный страховой задел деталей с целью создания возможности для независимого начала работ: , (2.10) где З стр і - страховой задел на ...
2. Алгоритм отработки детали на технологичность с учетом обработки её заготовки.
3. Методика выбора рационального вида оборудования при обработке.
Апробация работы. Основные положения настоящей работы доложены
и обсуждены на международной молодежной научной конференций «XXXV Гагаринские чтения», Москва, 2009; на международной молодежной научной конференций «XXXVI Гагаринские чтения», Москва, 2010; на 64-й региональной научно-технической конференций студентов, магистров и аспирантов высших учебных заведений с международным участием, Ярославль, 2011; на ежегодных научных докладах на кафедре «Технологии авиационных двигателей и общего машиностроения» Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П. А. Соловьева.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ в различных журналах и сборниках научных трудов, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников и приложения. Основная часть работы изложена на 225 страницах машинописного текста (без приложений), содержит 24 таблицы, 52 рисунка. Библиографический список содержит 114 наименований и приложений на 45 страницах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования, приведены основные научные положения и результаты, вынесенные на защиту.
В первой главе проведен анализ научной литературы по вопросам:
- целесообразности использования станков с ЧПУ в зависимости от программы выпуска деталей;
- технологичности конструкции деталей при обработке на станках с
ЧПУ;
- направления повышения эффективности обработки на станках с ЧПУ;
- технико-экономического анализа эффективности станков с ЧПУ.
В работах Амирова Д.Ю., Кононенко В.Г., Прялина М.А. и других разработана система показателей количественной оценки технологичности деталей и приведены рекомендации по их использованию. Недостаток этих работ заключается в том, что рассматривается только количественная оценка технологичности, что не позволяет в полном объеме формализовать и оптимизировать процесс оценки конструкции детали на технологичность.
Балабанов Б .С. и Гокун В.Б. оценивают технологичность конструкции изделия только по показателю материалоемкости, что является неэффективным и нецелесообразным, так как на технологичность детали влияют и другте показатели.
Корытов В.Н. и Угринов В.Ю. предлагают использовать классификацию основных и дополнительных показателей технологичности конструкции, основанную на базе ГОСТов, что приводит к независимому рассмотрению влияния каждого коэффициента без учета их взаимосвязи.
В работах Леонтьева И.А., Андрейчука И.Е., Давыдовского A.C., Григорьева И.К. и другие технологичность конструкции детали рассматривается как интенсивность затрат труда на единицу площади поверхности, что не позволяет определить качественную оценку технологичности конструкции детали.
Таким образом, в существующих работах преобладают технический и технико-экономический аспекты, рассматриваются отдельные вопросы организации труда, технического обслуживания, повышения эффективности станков с ЧПУ на базе технико-экономических решений. Данные работы были выполнены применительно к условиям серийного производства.
Технологический процесс механической обработки детали Траверса, ...
... станочного приспособоения на операцию сверления отверстий в детали «Траверса»___________________ 38 2.4. Проектирование специального режущего и мерительного инструмента_______________________________________________________ 43 3. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ____________________________ 49 3.1. Технико-экономическое обоснование выбора конструкции приспособления ... поверхности 23 относительно поверхности ...
На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе выполнен анализ конструктивного оформления деталей ГТД (корпусные детали, моноколеса, лопатки, кронштейны и др.), на основе чего разработаны алгоритм отработки детали на технологичность (рис. 1) с представленной его апробацией на ряде деталей и классификация деталей ГТД по технологичности их конструкции (табл. 1), где определены их характерные и переменные параметры. Сформулированы основные требования к конструкции
Рис. 1. Алгоритм отработки деталей на технологичность
Таблица 1
Классификация деталей по технологичности
Параметры
1. Сложная пространственная форма (х, у, г)
2. Обработка более чем по 3-м сторонам детали
3. Сложная ступенчатая форма или криволинейный контур, сферические, конические поверхности
4. Лыски, выборки, ребра жесткости, торцовки, канавки, выточки
5. Стыковые и опорные плоскости, расположенные под разными углами
6. Отверстия различного типа и размера, а также взаимного расположения
7. Расточки внутри детали
8. Точность размеров детали от 6 квалитета и выше
9. Шероховатость поверхностей На менее 0,8 мкм
10. Детали, требующие при обработке на универсальных станках специальной оснастки и фасонных режущих инструментов
11. При обработке на станке с ЧПУ уменьшится количество применяемого режущего инструмента
12. При обработке на станке с ЧПУ уменьшится число переустановок детали
- характерный параметр;
- переменный параметр
деталей ГТД, влияющие на эффективность обработки на станках с ЧПУ, изложены важные факторы технологической подготовки производства и учтена его организация. Проанализированы особенности и стадии технологических процессов деталей с определением целесообразного вида оборудования, где критерием эффективности применения станков служат себестоимость и производительность с учетом технологичности детали (уровня ее сложности).
Эти разработки позволили дать рекомендации по ряду необходимых требований, которые должны предъявляться к деталям, обрабатываемым на станках с ЧПУ.
Также исследована целесообразность использования станков с ЧПУ с учетом типовых (групповых) технологических процессов, опираясь на служебные назначения деталей. Их применение позволяет существенно повысить эффективность многономенклатурного единичного и мелкосерийного производства, так как из принципиального группового технологического процесса требуется исключить ряд операций и откорректировать уже отлаженную программу обработки для станка с ЧПУ.
Третья глава посвящена исследованию многономенклатурного производства, отличающегося специфическими особенностями, связанными с разнообразием и частой сменяемостью объектов производства, применением универсального оборудования, переналаживаемой оснастки и инструментов широкой номенклатуры. Повышение эффективности достигается за счет применения программно-управляемого оборудования и современных средств вычислительной техники.
Совершенствование технологического оборудования для термической ...
... оборудования, отмечены низкие темпы обновления основного капитала в самом машиностроении. Кандидатом экономических наук Краснопевцевой И.В. Тольяттинского государственного университета в журнале номер 6 «Сварочное производство» ... внимания уделяют вопросам технологичности. Технологичность конструкции в значительной степени зависит от масштаба выпуска и вида производства. Технологичной считается ...
Разработан обобщенный критерий технологичности Кт (формула 1), который определяется как совокупность значений частных показателей технологичности с учетом их весовых коэффициентов.
Кс-сйс + Кщ-сощ+Кточ-юточ + Кр-юр | т А-(а)с+а)ш+в>точ+<яр + ®уэ+(йОБР + &к)
> м
_Куэ
- соуэ + Кобр ‘ юобр + К к’ сок
А
- (юс+о)ш + (Оюч+фр + о)уэ + сюбр+аж) где Кс, Кш, Кточ, К?, Куэ, Кобр, Кк — коэффициенты конструктивной сложности детали, шероховатости поверхностей, точности, взаимного расположения поверхностей детали, унификации конструктивных элементов, обработки детали, концентрации обработки, соответственно;
- сое, сйць соточ. Мр, Шуэ, сообр, мк — весовые значения частных показателей коэффициентов конструктивной сложности детали, шероховатости поверхностей, точности, взаимного расположения поверхностей детали, унификации конструктивных элементов, обработки детали и концентрации обработки, соответственно;
- Д — коэффициент сложности создания управляющей программы, А = 1 — 2.
Частные показатели технологичности определялись следующим образом:
1. Конструктивная сложность характеризует деталь как геометрический объект вне зависимости от выбранного способа обработки.
Для деталей, имеющих 50 и более элементов, коэффициент конструктивной сложности детали Кс принимается за единицу. Отсюда коэффициент конструктивной сложности детали состоящей из одного элемента Кс ~ 0,02. Коэффициент конструктивной сложности детали, состоящей из п элементов, имеет вид:
Кс. = 0,02
- п, (2)
где п — число обрабатываемых элементов.
2. Коэффициент шероховатости поверхностей детали Кш.
Кш^^Вг^Х (3)
т)
где 5, — численное значение коэффициента шероховатости детали; т — число поверхностей 1-ой шероховатости; т — число обрабатываемых поверхностей;
- г — число различных значений шероховатости, требуемых по чертежу детали.
3. Коэффициент точности детали Кточ учитывает квалитет обработки детали и определяется как средневзвешенное значение:
г
Ит
Кточ= 1 2 ‘
1{1Тт,) 1=1
где 1Т — квалитет;
- п, ~ количество поверхностей с 1-ым квалитетом; ъ — число квалитетов требуемых по чертежу детали.
4. Коэффициент взаимного расположения поверхностей детали Кр учитывает число повышенных требований по точностям форм и взаимного расположения.
5. Коэффициент унификации конструктивных элементов Куз.
= 0,1-я, (5)
^ N3
где 7/уэ — количество унифицированных элементов детали; А^ — общее количество элементов детали; п — количество нетехнологичных элементов детали.
Расчёт технико-экономических параметров механического участка ...
... переноситься часть работы сданной группы оборудования на аналогичную. г) повышается производительность имеющегося оборудования. По результатам расчетов С расч. и после определения Сприн. Производим расчет коэффициента использования оборудования для данного вида оборудования по следующей ...
6. Коэффициент обрабатываемости детали Кобр учитывает свойства обрабатываемого материала и вид используемой заготовки, которые влияют на трудоемкость обработки и определяется по формуле:
Кобр = ^МЭМ ‘ Кцм, (6)
где Кои — коэффициент обрабатываемости материала детали; Ким — коэффициент использования материала детали.
7. Коэффициент концентрации обработки Кк.
На станках с ЧПУ за одну операцию можно производить несколько операций, которые ранее производились на универсальном оборудовании, то есть имеет место концентрация обработки и поэтому введем такое понятие, как коэффициент концентрации обработки Кк-
я
Кк= I 1=1
Кв~ I
- (7)
ч п)]
где ЛГв — коэффициент вида обработки;
п — число основных элементов контура, обрабатываемых на конкретной
операции;
- п — число основных элементов контура детали.
Значения весовых коэффициентов частных показателей технологичности определенны по методу иерархии с их последующей адаптацией для удобного практического использования при расчете коэффициента технологичности детали.
Получив численные значения коэффициента технологичности при обработке детали на универсальном оборудовании КтУ и ПРИ обработке на оборудовании с ЧПУ К™, их необходимо сравнить между собой.
- Если КхУ >
- КТУ>™ рассматриваемую деталь целесообразно обрабатывать на станке с ЧПУ ввиду ее конструктивной сложности.
- Если КтУ <К.’т1У, то деталь является конструктивно простой и её следует обрабатывать на универсальном оборудовании.
Для окончательного принятия решения по типу используемого оборудования необходимо выполнить технико-экономическое обоснование с определением производительности (формула 8) и себестоимости обработки (формула 9) по двум видам оборудования с последующим их сравнением.
Производительность определяется по формуле
рЛ= 1
т к 8 А ‘ (8)
2*Р.Х.+ ‘Х.х.1 + ‘х.х.2 + ¿Х.Х.З + 5Ли.Т. + 1 11
где Т- время обработки детали, мин;
- /р Х. — длительность одного рабочего перехода, мин;
- К— число переходов при обработке детали.
гх х ь гХХ2, гххз — время, затрачиваемое на установку и снятие детали, очистку приспособления, вызов и запуск управляющей программы, соответственно, мин;
- £ит. — время выхода инструмента в исходную позицию, мин;
- 5 — количество возвратов инструмента в исходную позицию;
- ?зи — время замены одного инструмента, мин;
- А — количество инструментов, используемых в технологической операции. Себестоимость обработки определяется по формуле
С = С30 + Сос + Сн + Сэ, (9)
где С30 — затраты на заработную плату и отчисления, руб.; Сос — содержание оборудования и оснастки, руб.; Сн — затраты на переналадку и программирование, руб.; Сэ — затрат на технологическую энергию, руб.
Остальные составляющие себестоимости обработки являются равноценными для сопоставляемых вариантов обработки, поэтому они не учитываются.
Особенности классификации в соответствии с ТН ВЭД России машин и оборудования
... оборудования, поставляемых в виде отдельных компонентов; Теоретической основой курсовой работы послужили действующее законодательство, учебники и монографии, статистические данные, электронные источники информации. Методической основой исследования курсовой работы, является системный подход к классификации ...
На базе алгоритма отработки детали на технологичность (рис. 1) и технико-экономического обоснования разработана методика по рациональному выбору типа оборудования, которая представлена в виде блок-схемы (рис. 2).
Рис. 2. Алгоритм выбора вида оборудования
Рис. 2. Алгоритм выбора вида оборудования (окончание)
На основе алгоритма отработки детали на технологичность (рис. 1) технолог получает качественную оценку эффективности применения определенного вида оборудования. Затем при необходимости имеется возможность получения количественной оценки в результате применения формулы (1) с определением коэффициентов шероховатости, точности, обрабатываемости материала, конструктивной сложности детали и других с учетом весовых коэффициентов назначенных технологом. Далее предусмотрена возможность определения тру-
доемкости, производительности и себестоимости обработки для каждого типа оборудования (станка с ЧПУ и универсального станка) с последующим их сравнением и выбором рационального вида оборудования. Вариант, при котором трудоемкость и себестоимость меньше, а производительность больше, является рациональным. Также предусмотрена возможность корректировки исходных данных на этапе количественной оценки технологичности конструкции детали.
Достоинством предлагаемой методики по сравнению с имеющимися работами и методическими рекомендациями МР 186-85 «Определение технологичности конструкции изделий машиностроения и приборостроения» является то, что технологичность детали можно оценить сразу с трех сторон: конструктивно (по элементам конструкции детали), технологически (точность обработки, наличие унифицированных элементов и т.д.) и экономически (расчет трудоемкости, производительности и себестоимости).
В четвертой главе рассмотрена практическая реализация результатов исследований с применением типовых технологических процессов для изготовления деталей ГТД. Для ряда типовых деталей ГТД представлены: результаты исследования технологичности конструкции деталей, определены количественные оценки технологичности, производительность и себестоимость обработки для выбора рационального вида оборудования.
На основании выполненного технико-экономического расчета типовых технологических процессов для различных типов оборудования построены диаграммы затрат при обработке (рис. 3) и графики зависимости общих затрат от годовой программы выпуска (рис. 4) для ряда конкретных деталей. Диаграммы и графики показывают эффективность применения оборудования в зависимости от годовой программы выпуска деталей.
Выводы по работе:
1. В настоящее время двигателестроение развивается в условиях единичного и мелкосерийного производства, которое характеризуется большой номенклатурой изделий. Многономенклатурное производство характеризуется специфическими особенностями, связанными с разнообразием и частой сменой объектов изготовления, применением универсального оборудования, переналаживаемой оснастки и инструмента широкой номенклатуры. Эффективность изготовления деталей в опытном производстве достигается за счет применения оборудования с программным управлением и современных средств вычислительной техники.
2. Составленные (на основании системного анализа конструкций деталей ГТД) классификация деталей по технологичности и алгоритм отработки деталей на технологичность позволяют качественно оценить технологичность конструкции детали и разработать рекомендации, предъявляемые к деталям изготавливаемым на станках с ЧПУ.
Экономическое обоснование выбора оборудования
... перемешивание фарша; формовка. Технико-экономические показатели оборудования Показатели Операции Волочки ... того чтобы сделать обоснованный выбор оборудования, необходимо рассчитать эксплуатационные расходы ... процессов, экономия металла при обработке изделий, снижение их ... оборудования Производительность машины Пчас, шт./час Число рабочих, обслуживающих станок Р, человек Норма выработки деталей ...
&
4 6000-
§ 5000-& 4000
\о я
«В§в- 3000-
а)
Содержание Затраты на перенападк-у и программирование Универсальное оборудование
Затраты на заработную плату
кия и оснастки
Затраты на Себестои-технологи- мость
ческую г’ обработки энергию !Ш Оборудование с ЧПУ
б)
Содержание Затраты на Затраты на Себестои-
оборудова- переналадку технологи- мость
ния и и програм- ческую обработки
оснастки мирование энергию
і Универсальное оборудование
I Оборудование с ЧПУ
Рис. 3. Диаграмма затрат при обработке деталей: а) деталь «крышка» годовая программа выпуска — 52 детали; б) деталь «корпус центрального привода» годовая программа выпуска — 3 детали
Универсальное оборудование
100 200 М, ШТ.
Оборудование с ЧПУ
5 7 N шт.
Оборудование с ЧЛУ
Рис. 4. Графики зависимости общих затрат от годовой программы выпуска: а) деталь «крышка»; б) деталь «корпус центрального привода»
3. Обработка деталей на станках с ЧПУ в рамках групповых технологических процессов позволяет повысить эффективность многономенклатурного единичного и мелкосерийного производства и может быть использована при модернизации технологических процессов (путем исключения ряда операций из основного технологического процесса), где только корректируются отлаженные управляющие программы обработки для станков с ЧПУ.
4. Разработанный обобщенный критерий технологичности учитывает конструктивную сложность детали, свойства обрабатываемого материала, точность и качество обработки. Приведенный обобщенный критерий технологичности позволяет сделать вывод о том, что на качественную оценку технологичности в значительной мере из рассмотренных параметров влияют концентрация операций и унификация конструктивных элементов детали. Практическое применение подтвердило эффективность обобщенного критерия технологичности при назначении вида оборудования.
5. Предложенная методика выбора рационального оборудования позволяет оценить технологичность детали по конструктивному (по элементам конструкции детали), технологическому (точность обработки, наличие унифицированных элементов и т.д.) и экономическому (расчет производительности и себестоимости) аспектам.
6. Проведенная апробация показала, что разработанная методика выбора вида оборудования позволяет определить рациональный вид применяемого оборудования с учетом конструктивной сложности детали и производительности ее обработки.
7. По результатам апробации можно сделать вывод, что коэффициент технологичности К-[ при выборе вида оборудования в значительной мере зависит от коэффициента концентрации обработки А»к и коэффициента унификации элементов Куэ- При этом другие коэффициенты остаются неизменными, то есть, они отражают конструкцию детали, а не вид применяемого оборудования.
Основные результаты работы представлены в публикациях.
