Канд. техн. наук, доцент Біланенко В.Г.

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПІДГОТОВЛЕННЯ МАШИНОБУДІВНОГО ВИРОБНИЦТВА

Ефективна робота сучасного машинобудівного виробництва, в першу чергу, забезпечується високою продуктивністю технічного підготовлення виробництва, яке забезпечує швидке виведення на ринок конкурентоздатної продукції. Ключовою складовою технічного підготовлення виробництва є етап технологічного підготовлення виробництва, при виконанні якого здійснюється проектування технологічних процесів виготовлення наявної номенклатури деталей машин, його апробацію та практичне впровадження в заданих виробничих умовах. Необхідно приймати до уваги, що переважна частина технологічних процесів машинобудівного виробництва базується на застосування процесів механічного оброблення різанням. Процеси оброблення різанням за обсягом складають близько 85% всіх процесів розмірного оброблення, які використовуються в машинобудуванні і за технічними прогнозами спеціалістів протягом найближчих десятиліть лишатимуться основними технологічними методами виготовлення деталей машин в машинобудуванні [1].

Тому, на теперішній час, вдосконалення загальних закономірностей проектування технологічних процесів оброблення різанням є актуальною проблемою технологічного підготовлення машинобудівного виробництва.

Методологія технологічного підготовлення виробництва та основні завдання, які вирішуються при цьому, викладені в стандарті ДСТУ 2974-95 Технологічне підготовлення виробництва. Основні терміни та визначення.

При виконанні технологічного підготовлення виробництва необхідно приймати до уваги, що впровадження сучасних технологічних процесів в машинобудівному виробництві базується на переважному використанні верстатів з ЧПК та багатоцільових верстатів на їх основі. Застосування верстатів з ЧПК обумовлює необхідність проектування операційних технологічних процесів незалежно від типу виробництва. Проектування операційного технологічного процесу оброблення є комплексним завданням і передбачає послідовне вирішення наступних типових технологічних завдань:

· проектування змісту технологічних операцій (послідовності виконання технологічних переходів);

· визначення загальних припусків для кожної обробної поверхні та припусків для виконання кожного технологічного переходу оброблення всіх обробних поверхонь деталі;

· визначення режимів різання для виконання кожного технологічного переходу.

Узагальнену послідовність проектування технологічних процесів визначає міждержавний стандарт ГОСТ14. 301-83 Общие правила разработки технологических процессов. Для проектування послідовності виконання переходів в кожній технологічній операції необхідно сформувати типові технологічні послідовності оброблення всіх обробних поверхонь. Цей початковий етап технологічного проектування передбачає формування технологічних послідовностей оброблення (ТПО) поверхонь, які забезпечують перетворення заготовки в деталь з заданими характеристиками якості. В технічній літературі окремі автори цей етап називають створенням плану оброблення поверхні або маршруту оброблення поверхні, що за змістом технологічного завдання не має відмінностей [2].

Вихідними даними для виконання цього етапу є 3-D моделі та робочі кресленики заготовки і деталі, власний технологічний досвід виробництва по обробленню типових поверхонь деталей машин, характеристики технологічних можливостей наявного верстатного обладнання та його інструментального забезпечення, засобів контролю та економічні ресурси, які можуть бути використані для даного технологічного підготовлення виробництва. Якщо власний технологічний досвід є недостатнім, доцільно використовувати технологічні рекомендації по типовим послідовностям оброблення поверхонь, які наводяться в технічній довідниковій літературі.

Детальний аналіз робочого кресленика деталі передбачає визначення конструктивних особливостей деталі та визначення типових геометричних поверхонь, на які можна розділити деталь, а саме: зовнішні та внутрішні поверхні, площини, поверхні циліндричні та конічні, шліцьові, зубчасті, поверхні з наріззю, поверхні складних профілів та інше. Після поділу конструкції деталі на окремі поверхні необхідно проаналізувати основні вимоги до характеристик якості обробних поверхонь та фізико-механічні характеристики матеріалу з якого виготовляється заготовка. Наявність 3-D моделі значно спрощує аналіз конструктивних особливостей деталі, проектування технологічних операцій оброблення і дає змогу багаторазового використання отриманих даних при застосуванні сучасних САРР- та САМ- систем для проектування технологічних операцій та отримання управляючих програм для верстатів з ЧПУ з можливістю їх наступної корекції при зміні 3-D моделі.

За конструктивними ознаками деталі доцільно виконати узагальнену класифікацію і визначити до якого класу вона може бути віднесена, що дасть змогу використати попередньо освоєні технологічні процеси, які застосовуються для виготовлення конструктивно подібних деталей. Є очевидним, що якість технологічного підготовлення нового виробництва в значній мірі залежить від кваліфікаційного рівня виконавців та інформаційного забезпечення, яке зберігає уже освоєні технологічні напрацювання для оброблення конструктивно схожих виробів, нові технологічні можливості верстатів з ЧПК, багатоцільових верстатів та сучасного інструментального забезпечення.

Особливу увагу необхідно звернути на точність просторового розташування найбільш відповідальних робочих поверхонь деталі, оскільки наявність таких вимог буде визначати певну послідовність оброблення таких поверхонь на різних етапах технологічного процесу. За результатами аналізу конструкцій заготовки та деталі для кожної обробної поверхні необхідно розрахувати загальний коефіцієнт уточнення. Коефіцієнт уточнення можна розрахувати за формулою:

(1)

де К_у - коефіцієнт уточнення, Δ_заг - допуск для розміру поверхні при виготовленні заготовки, Δ_дет - допуск для розміру тієї ж поверхні готової деталі.

Розрахунок коефіцієнтів уточнення для кожної обробної поверхні заготовки дає змогу визначити поверхні, які потребують найбільшої кількості етапів оброблення та види оброблення, які можуть бути використані в технологічному процесі, наприклад, оброблення тільки лезовими різальними інструментами або необхідність застосування оброблення абразивними інструментами. Слід приймати до уваги, що досягнення заданих характеристик якості обробної поверхні може досягатись відмінними типовими технологічними послідовностями оброблення, що потребує подальшого додаткового їх аналізу. Для цього приймаються до уваги технологічні можливості наявного верстатного обладнання, можливості та необхідність придбання нового обладнання (з новими технологічними можливостями), інструментальне забезпечення та кваліфікаційний рівень наявних виконавців.

Необхідно приймати до уваги, що досягнення заданих характеристик якості обробної поверхні в загальному випадку досягається послідовною реалізацією наступних етапів оброблення:

· чорнового оброблення;

· напівчистового оброблення;

· чистового оброблення;

· завершального (викінчувального або опоряджувального) оброблення.

Кожна технологічна операція або етап оброблення, які виконуються в технологічній обробляючій системі, забезпечують певне поліпшення характеристик якості, ступінь зміни яких характеризують коефіцієнтом уточнення. За результатами виробничого досвіду машинобудівного виробництва встановлені такі середні значення коефіцієнтів уточнення: для попереднього чорнового оброблення К_у=(5-7), що буде забезпечувати точність оброблення поверхонь (ІТ14-ІТ12); для попереднього напівчистового оброблення К_у=(3-5), відповідно точність оброблення поверхонь (ІТ12-ІТ10); для чистового оброблення К_у=(2-4), - точність оброблення поверхонь (ІТ9-ІТ8); для завершального (викінчувального) оброблення К_у=(1,5-2,0), - точність оброблення поверхонь (ІТ6-ІТ7). Використання верстатів з ЧПК, які характеризуються підвищеними характеристиками жорсткості та точності позиціонування заготовки та інструменту за умов чорнового етапу оброблення можуть забезпечувати і більш високі коефіцієнти уточнення К_у=(7-10). За наведеними результатами коефіцієнтів уточнення та з урахуванням загального коефіцієнту уточнення для кожної обробної поверхні деталі може бути попередньо встановлена необхідна послідовність етапів оброблення.

Для створення сприятливих умов оброблення кожної поверхні необхідно приймати до уваги, що при виконанні певного переходу, або операції отримані вихідні характеристики якості обробної поверхні повинні відповідати вхідним характеристикам наступного етапу оброблення. Тобто це означає, що не можна створити ефективні умови операції оброблення певної поверхні від характеристик якості заготовки до завершальних вимог характеристик якості цієї поверхні за креслеником деталі. Оброблення необхідно виконувати послідовною реалізацією технологічних переходів і кожний наступний технологічний перехід повинен поліпшувати характеристики якості, які отримано на попередньому.

Застосування верстатів з ЧПК за певних схем базування може забезпечувати повне оброблення заготовки за одну установку, але для досягнення заданих характеристик якості обробних поверхонь необхідно розділяти за часом етап чорнового оброблення від наступних етапів оброблення, що обумовлено особливостями цього етапу оброблення. На етапі чорнового етапу оброблення необхідно виконати повне оброблення комплекту загальних технологічних баз, видалити максимально допустиму частину загального припуску для оброблення кожної обробної поверхні, перевірити наявність браку на обробних поверхнях, виконати уточнення розмірів, форми та просторового розташування обробних поверхонь заготовки.

Вирішення таких технологічних завдань обумовлює втрату однорідності залишкових напружень в перерізах заготовки і для уникнення подальшого її деформування в процесі експлуатації, необхідно розвантажити заготовку від дії сили закріплення в пристрої верстату та створити проміжок часу для їх подальшого вирівнювання, або для прискорення процесу їх вирівнювання передбачити операцію штучного старіння. Подальші етапи оброблення можуть бути послідовно реалізовані при незмінному закріпленні заготовки, але послідовність технологічних переходів повинна визначатись за обґрунтованими рекомендаціями, які є загальними для оброблення різанням переважної більшості деталей машин. Приймаючи до уваги, що в машинобудівних виробництвах було розроблено та використовувалась велика кількість технологічних процесів для виготовлення конструктивно подібних деталей, створюється враження, що для оброблення однієї деталі може проектуватись декілька варіантів технологічних процесів навіть при незмінних умовах виробництва. Аналіз технологічних процесів, які використовувались в машинобудівному виробництві для оброблення різних класів деталей дає змогу визначити основні закономірності проектування технологічних операцій механічного оброблення різанням.

Узагальнений алгоритм визначення послідовності оброблення поверхонь в технологічному процесі, що розроблено за результатами наукових досліджень, аналізу практичного досвіду застосування ефективних технологічних процесів, які успішно реалізовувались в виробництві, передбачає таку послідовність оброблення поверхонь будь-яких конструкцій деталей:

· Першими обробляються поверхні заготовки, які є базами для виконання наступних етапів оброблення.

· Кожний наступний технологічний перехід або операція повинні підвищувати характеристики якості обробних поверхонь.

Якщо ця вимога за певних умов не виконується, наприклад при реалізації термічних операцій, то необхідно повернутись до повторного оброблення поверхонь заготовки, які є базами для наступних етапів оброблення.

· Етап чорнового оброблення заготовки необхідно відокремлювати від наступних етапів оброблення певним проміжком часу, або, для скорочення проміжку часу між етапами оброблення, передбачати застосуванням операцій старіння (природного або штучного) особливо для технологічних процесів оброблення відповідальних, великогабаритних та високо вартісних деталей.

· Для своєчасного виявлення браку на поверхнях, на яких він не допускається, необхідно передбачати оброблення таких поверхонь на перших етапах чорнового оброблення, що забезпечить своєчасне виявлення браку та зменшить непродуктивні витрати на подальше оброблення.

· На чорновому етапі оброблення після попереднього оброблення базових поверхонь, необхідно обробляти поверхні, при обробленні яких буде видалятись максимальний об’єм матеріалу, або які мають найбільший припуск, а також найбільш відповідальні поверхні.

· Завершальне оброблення найбільш відповідальних поверхонь необхідно виконувати на останніх технологічних операціях або переходах, що забезпечує можливість при завершальному їх обробленні компенсувати всі попередні похибки оброблення, виключає випадкове пошкодження остаточно оброблених поверхонь та забезпечує максимальну тривалість етапу природного старіння.

· При чорновому обробленні поверхонь ступінчастих валів (особливо при недостатній їх жорсткості) першими необхідно обробляти поверхні, які найменше зменшують загальну жорсткість заготовки, а також намагатися забезпечити мінімальну довжину робочих переміщень інструменту при обробленні заданих поверхонь валу.

· Технологічні переходи в технологічній операції необхідно виконувати таким чином, щоб довжина ходу інструменту з найменшим періодом стійкості була мінімальною.

· Поверхні заготовки, які мають вимоги до точності взаємного просторового розташування найкраще обробляти за одну установку при незмінній загальній технологічній базі (за принципу незмінності баз).

Якщо забезпечити задану точність взаємного просторового розташування поверхонь при застосуванні принципу незмінності баз неможливо, то доцільно обробляти такі поверхні з застосуванням принципу взаємозамінності баз. Принцип взаємозамінності баз передбачає включення в комплект баз однієї поверхні і оброблення іншої, яка при обробленні буде зв’язана з базовою поверхнею найкоротшим розмірним ланцюгом.

· Оброблення складних поверхонь, наприклад нарізання нарізі, оброблення поверхонь методами поверхневого пластичного деформування (обкочування, розкочування, вигладжування), методами плоско вершинного хонінгування, які вимагають спеціального налагодження верстату, необхідно виділяти в окремі технологічні операції.

Необхідно звернути увагу, що технологічні можливості верстатів з ЧПК та сучасні конструкції інструментального забезпечення для оброблення нарізі практично не потребують спеціального налагодження верстату. Тому оброблення нарізі на верстатах з ЧПК не викликає труднощів і проектується, як типовий технологічний перехід. Не викликає значних труднощів і оброблення складно профільних поверхонь на спеціальних верстатах з ЧПК, які мають необхідну кількість керованих координат, наприклад, оброблення лопатки турбіни.

· При завершальному обробленні точних відповідальних поверхонь на верстатах традиційних конструкцій доцільно не передбачати зміну інструменту, оскільки зміна інструменту може вимагати коригування налагодження верстату.

Заміна сучасних конструкцій інструменту на верстатах з ЧПК не потребує додаткового коригування налагодження верстату, а, враховуючи підвищену точність позиціонування, зміна інструменту не ускладнює процес оброблення, окрім того, при підвищених вимогах до точності оброблення, можна передбачати додатковий контроль положення інструменту перед початком виконання завершального оброблення.

· Кріпильні поверхні, які передбачені в конструкції деталі, доцільно обробляти після завершального оброблення поверхні, в якій вони виготовляються. Така послідовність виконання технологічних переходів забезпечить перпендикулярність вісі кріпильного отвору до поверхні в якій вони обробляються.

· При обробленні певної кількості отворів однією багатоінструментною наладкою на агрегатних верстатах, доцільно комплектувати наладку інструментами з близьким діапазоном розмірів, що забезпечить підвищення продуктивності оброблення.

При визначенні режимів різання для певної інструментальної наладки, продуктивність оброблення буде обмежуватись найменшими розмірами інструменту, оскільки подача наладки буде незмінною для всіх інструментів. Недоцільно комплектувати інструментальну наладку відмінними осьовими інструментами, наприклад, свердлами, зенкерами, розвертками, оскільки ефективні умови роботи кожного з таких інструментів суттєво відрізняються і, в першу чергу, оптимальними значеннями подач. Разом з тим, в теперішній час широко застосовуються конструкції комбінованих різальних інструментів для верстатів з ЧПК, де можливе управління режимами різання в процесі оброблення складних поверхонь.

· При проектуванні технологічних операцій оброблення на багатоцільових верстатах доцільно планувати таку послідовність та кількість технологічних переходів, яка потребує кількості інструментів, що не перевищує ємність інструментального магазину верстату, або передбачати використання конструкцій комбінованих різальних інструментів.

· В умовах великосерійного виробництва для організації ефективного обслуговування робочих місць доцільно синхронізувати технологічні операції за часом їх виконання для створення вихідних умов автоматизації виконання окремих операцій та всього технологічного процесу в цілому.

· Якщо в технологічному процесі механічного оброблення передбачені операції термічного оброблення, то технологічний процес за завданнями, що вирішуються, розділяється на два етапи, до термічного оброблення та після термічного оброблення.

· Фаски на поверхнях необхідно утворювати після завершального лезового оброблення тих поверхонь, де необхідно їх обробляти. Канавки, які розділяють окремі обробні поверхні і призначені для забезпечення виходу різальних інструментів при подальшому обробленні поверхонь, наприклад, оброблення нарізі, завершального розточування або шліфування, необхідно обробляти перед виконанням оброблення, яке вони забезпечують. А фаски та канавки, які обробляють на поверхнях, що обробляються методами поверхневого пластичного деформування (ППД) виконуються після виконання ППД.

· В технологічних процесах необхідно передбачати операції контролю, які доцільно розміщувати між окремими етапами оброблення, наприклад перед виконанням особливо відповідальних операції, а також після завершення виконання технологічного процесу.

Використання такого алгоритму однозначно визначає послідовність оброблення поверхонь на всіх етапах оброблення. Для обґрунтованого вибору металообробного верстату необхідно проаналізувати всі види оброблення, які необхідні для оброблення поверхонь заготовки на кожному етапі технологічного процесу. Якщо технологічні можливості верстату можуть забезпечити оброблення всіх поверхонь, наприклад, чорнового етапу оброблення, то кількість операцій оброблення буде мінімально можливою. За інших умов вибору верстатів кількість операцій може бути більшою, але визначену послідовність оброблення поверхонь доцільно залишати незмінною. За формальними ознаками, наприклад за кількістю операцій, техніко-організаційні умови виробництва можуть створювати відмінні технологічні процеси виготовлення деталей однієї конструкції, але послідовність оброблення обробних поверхонь повинна залишатись незмінною. Відповідно до наведеного алгоритму, послідовність оброблення обробних поверхонь деталей однакової конструкції буде залишатись незмінною, а за подібних умов виробництва технологічні процеси будуть однаковими.

За певних техніко-організаційних умов багатономенклатурного виробництва можуть виникати труднощі в реалізації визначеної послідовності оброблення поверхонь, наприклад обумовлені завантаженістю необхідного в даний час верстатного обладнання, тому вимушені зміни послідовності оброблення поверхонь необхідно оцінювати шляхом розрахунку величини похибки оброблення, яка при цьому буде виникати.

Використання такого алгоритму проектування технологічних процесів оброблення деталей машин створює умови його формалізації та подальшої автоматизації, що забезпечує підвищення продуктивності технологічного підготовлення виробництва та створює передумови підвищення якості оброблення деталей машин, що і визначає його практичну цінність.

Даний алгоритм багаторазово випробуваний для проектування технологічних процесів виготовлення деталей машин різних класів і дозволяє запобігати внесенню значних змін в спроектовані технологічні процеси при їх впровадженні в конкретні виробничі умови.

Література

1. Старков В.К. Физика и оптимизация резания материалов. М.: Машиностроение, 2009.-640с.

2. Базров Б.М. Основы технологии машиностроения: Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 2005.-736с.