Какие разработаны рекомендации по применению систем качества на основе ме­ждународных стандартов серии 9000?

Глава 8

тизации технологических объектов, рассмотрим их в совокупности, со­стоящей из:

средств технологического оснащения (приспособление, инстру­мент, технологическое оборудование разного функционального назна­чения);

технологических процессов, реализуемых с обязательным соблюде­нием соответствующих инструкций и регламентов;

процессов, с которыми связано обеспечение обусловленных требо­ваниями эксплуатации нормальных режимов функционирования техно­логического оборудования и движения материальных потоков;

технологической подготовки производства (ТПП);

контроля и испытания качества продукции.

Приоритетное значение среди перечисленных объектов придают технологическим процессам.

Кибернетическое воздействие на технологические объекты через процессы управления сложное и многогранное, рассматривается не Менее чем в пяти аспектах: организационный, экономический, техно­логический, математический, технический, поддерживается фондом JHTD. Экономический аспект играет главную роль и с ним связано Использование экономико-математических моделей в компьютерной ^остановке.

Технологические объекты в разном сочетании и кибернетическом воздействии реализуют два обособленных процесса производства: ^ виде традиционного жесткого со сложившимися технологическими ^йстемами (ТС) или гибкого автоматизированного производства jff АП), управление которыми носит в основном технологический и ор­ганизационный аспекты. Материально-энергетические процессы в тех­нологических объектах протекают в реальном времени.

Технологические процессы. Технологический процесс (ТП) — часть производственного процесса, содержащая действия по измене­нию и последующему определению состояния предмета производст­ва. ТП как объект управления в целом является сложной динамиче­ской системой, включающей ряд подсистем — технологических опе­раций. каждая из которых в отдельности тоже может быть объектом управления.

Он состоит из лвух стадий — заготовительной и сборочной; заго­товительная включает процессы получения заготовок; механическую ооработку деталей, термообработку, отделку, покрытие, контроль, а также вспомогательные процессы, операции.

Принято различать четыре вида ТП: единичный, типовой, группо­вой и стандартный. Каждый из видов разрабатывается на базе ЕСТПП. В современном машиностроительном производстве широкое распрост­

Управление технологическим процессом должно удовлетворять ча­сто противоречивым требованиям. Основными требованиями являются качество готовой продукции и производительность технологического оборудования. Качество продукции определяется качеством заготовок, инструмента, техническим состоянием оборудования и технологиче­ской оснасткой. На среднюю производительность оборудования влия­ют простой станка, потери времени на наладку, время, затраченное на аварийные ремонты и плановое техническое обслуживание. Поскольку

качество обработки и производительность оборудования взаимосвяза­ны, то это дает возможность рассматривать систему управления ТП с точки зрения комплексного решения задач обеспечения функциони­рования системы. Такой подход позволяет найти достаточно простое и в то же время универсальное решение комплексного управления ТП, избежав при этом чрезмерной сложности.

2. Процессы управления естпп

1. Обеспечение технологичности конструкции изделия

Наибольшая эффективность отработки конструкции изделия на тех­нологичность достигается оптимизацией при разработке проектной конструкторской документации для получения наилучших решений. Отработка технологичности оригинальных конструкций не охватывает­ся нормативными правилами и остается индивидуальной. Обязатель­ным условием отработки является выделение потребительских свойств, обусловливающих пригодность изделия и использование по прямому назначению. За критерии оптимальности выбирают, в первую очередь, технологическую себестоимость или отдельные ее дефицит­ные составляющие — затраты на материал, изготовление, трудоем­кость. Оптимизация технологичности конструкций может быть струк­турной и параметрической. Структурная оптимизация проводится на базе функционально-технологического синтеза с применением принци­пов модульного проектирования и технологической компоновки конст­рукции, параметрическая — на базе СОПОС (глава 4).

Принцип модульного проектирования конструкции. Тенденция к повышению серийности производства техники как сред­ству повышения качества и экономичности предъявляет дополнитель­ные требования к конструированию. Одно из таких требований — обя­зательное применение в конструировании методов стандартизации: унификации и агрегатирования, выраженных в модульных принципах. Возможность компоновки изделий из унифицированных составных ча­стей, комбинации их со сборочными единицами специального назначе­ния, последовательного наращивания функций позволяет строить кон­струкции различного назначения и структуры.

Использование модульных принципов сокращает сроки подготовки производства (конструкторской и технологической), новых изделий, повышает мобильность и адаптивность технологии в условиях опытно­го и мелкосерийного производства.

Проведение производственной подготовки и формирование доми- нирующей конструкции базируется на использовании модульных принципов для различных классов технологии, соподчиненных им ме- тодов и процессов групповой технологии, с построением доминирую- щей конструкции.

В основе функционально-модульного построения доминирующей конструкции заложены следующие принципы:

инвариантность конструкций, обеспечивающая возможность их применения для различных видов технологии;

переналаживаемость конструкций и взаимозаменяемость функцио- нальных составных частей;

конструктивная преемственность, возможность многогранного приме- нения функциональных составных частей; высокая технологичность, обеспечивающая интенсификацию производства — автоматизацию и ро- ботизацию наиболее трудоемких и массовых технологических операций.

Важнейшее условие данного подхода — возможность декомпози- ции конструкции на составные части, каждая из которых ориентирова- на на выполнение вполне определенной функции.

Анализ практики конструирования позволил выделить ряд типовых составных частей комплекса изделий, которые, в свою очередь, состо- ят из унифицированных агрегатов, узлов и деталей соответствующего функционального назначения. В результате получена многоуровневая иерархическая модель структуры комплекса изделия, в которой выде- лены четыре основных уровня — конструкция, модули, блоки, элемен- ты, оформленные в виде морфологической матрицы (рис.8.1).

Горизонтальные строки матрицы представляют собой совокуп- ность составных частей комплекса различного уровня сложности, выполняемых функций и конструктивного исполнения, образующих

соответственно уров- ни элементов, блоков и модулей.

Вертикальные стол- бцы объединяют функ- ционально-однородные группы, включающие параметрические ряды составных частей комп- лекса в соответствии с их классификацией по функциональному на-

Рис. 8.1. Морфологическая матрица структуры функ- значению ДЛЯ различ- ционально-модульных конструкций НЫХ ВИДОВ теХНОЛОГИИ.

Третья переменная — типоразмерные параметрические ряды со­ставных частей комплекса; теперь матрица становится трехмерной и имеет вид параллелепипеда, составленного из кубов малого размера, число которых соответствует количеству возможных вариантов по­строения структур различного уровня и зависит от числа классифика­ционных групп одинакового функционального назначения и количест­ва типоразмеров в каждом параметрическом ряду. В результате полу­чают некоторое множество функциональных модулей, блоков и эле­ментов для агрегатирования комплекса, ориентированного на создание доминирующей конструкции.

Принцип технологической компоновки конструк­ции. Этот вид компоновки с выходом на соответствующий иерархиче­ский уровень (модули, блоки, элементы) зависит от фактора концент­рации технологических переходов в технологии сборки конструкции или отдельных ее узлов.

Структурная оптимизация маршрутной технологии групповой сбор­ки осуществляется с помощью сетевой модели, включающей в себя матрицу контуров, граф смежности операторов и элементов групповой сборки. Оптимизация по сетевой модели сводится к выбору кратчай­шего пути в графе смежности сборочных операций с учетом логиче­ских ограничений. К числу таких ограничений отнесены вопросы окончательного выбора оптимальной структуры маршрутной техноло­гии в неразрывном единстве с выбором оптимальных структурно-ком­поновочных схем агрегатного сборочного оборудования и структур технологических операций автоматизированной сборки по критерию технико-экономической эффективности, одним из показателей которой может быть трудоемкость.

В рассмотренной модели технологической компоновки сделаны ряд допущений и упрощений. Все вершины дерева сборки аппарата поделены на две группы. К первой группе относятся вершины, время прохождения через которые определено изначально а,. К таким вер­шинам могут относиться технологические операции, связанные, напри­мер, с обкаткой или тестированием собранного узла. На графе данные вершины обозначаются белым цветом. Ко второй группе вершин отне­сены те, время прохождения через которые обусловливается трудоем­костью их сборки у„ а следовательно, определяется величиной

т, = у М,

где п, — количество исполнителей, задействованных на /-й вершине. Данный тип вершин на графе обозначен серым цветом.

Заметим, что линейные уча- стки дерева графа могут быть объединены по суммарной тру- доемкости данного участка и суммарным предопределенным временным затратам (рис. 8.2).

Таким образом, характерный участок дерева сборки изделия

может быть представлен на рис. 8.3. Отметим, что временные затраты в вершинах соединения отдельных линейных участков (А, Д, С) могут быть как постоянными, так и определяться своей трудоемкостью сбор- ки.

Время выхода на сборку узла С для данного дерева определяется соотношением

Т = тах{7’_| +Г₅,Г₂ +Г₅,Г, +Т₆,Т₄ +7;}.

Для оптимального состава исполнителей должно выполняться со­отношение

Т° = min Т.

В целом данная задача входит в класс задач сетевого планирова­ния. Здесь для ее решения мы сделаем дополнительное предположе­ние о фиксированном времени прохождения вершин А и В и о воз­можности принимать любые действительные значения из отрезка [О, п] неизвестным п,. Здесь п —общее число исполнителей. Это озна­чает, что исполнитель в любой момент времени без временных по-

терь может быть переведен с одной ветви на другую. Тогда min Г, очевидно, достигается при условии «отсутствия простоев», т. е. при условиях

Т] = Г₂; Г₃ = Г₄; h + Г₅ = + Г₆.

Обозначив производительность на сборке / узла за м, = l//7_/f из по­следних условий получим нелинейную систему уравнений

'а₁+у_хи₁=а₂+у₂и₂, a₃ +Уз"з =a₄ + у ₄м₄,

« a, +7,14 + a₅ =a₃ + у₃и₃ + a₆,

Стоимость листового металла сварного сосуда состоит из стоимо­сти цилиндрического корпуса и двух эллиптических днищ, зависит от соотношения между диаметром d и высотой Я (рис. 8.5). Преобразовав последнее выражение приведением его к высоте Я, запишем новое вы­ражение для суммарной стоимости листового металла:

и мости листа с некоторой базовой массой. Принимая с₀ за удельную стоимость материала обечайки базовой массы, удельную стоимость материала обечайки с повышенной базовой массой находим по фор­мулам:

с₀ -с^^уъ — при толщине листа до 25 мм;

с₀ = c'₀d^yA — при толщине листа 25—200 мм.

Подставляя в выражение (8.1) частные значения с₀ последующим дифференцированием по с/, получим оптимальную высоту сосуда:

Н« 6d — для листа толщиной до 25 мм;

Я« 8d — для листа толщиной от 25 до 200 мм.

Высота сосуда корректируется по налагаемым ограничениям в отноше­нии транспортной габаритности, габаритности машиностроительных цехов, нормативного диаметра, размещения внутренних устройств конструкции.

Оптимальную ширину листовой заготовки по заданной высоте сварного сосуда рассчитывают на основе минимизации стоимости, со­стоящей из дополнительных затрат на материал вследствие возраста­ния размеров от базовых и затрат на выполнение сварочных работ. Функция цели с двумя видами перечисленных затрат имеет вид

тг

Рис. 8.7. Система классификации и кодирования в групповой технологии:

1 — класс деталей; 2 — невращающиеся; 3 — вращающиеся; 4 — специальные; 5 — специальные; 6 — с ограничением; 7 — с ограничением; 8 — основная форма; 9 — основная форма; 10 — основная форма; II — основная форма; 12 — внешняя форма детали; 13 — основная форма; 14 — основное отверстие в механический обработке вращательного движения; 15 — вращательное движение; 16— внутренняя форма эле­мента; 17 — механическая обработка вращательного движения; 18 — механическая обработка плоскостей; 19 — механическая обработка плоскостей; 20 — механическая обработка плоскостей; 21 — другие отверстия, зубчатый венец и формообразование; 22 — другие отверстия, зубчатый венец и формообразование; 23 — другие отверстия и зубчатый венец; 24 — особые отверстия, зубчатый венец и формообразование; 25 — дополнительный код; 26 — цифра; 27 — размеры; 28 — материал; 29 — исходная форма заготовки; 30 — точность

Этап конструирования. Ключевую позицию в построении групповой технологии занимает этап конструирования. Рабочий прин­цип изделия, его материал и точность в соединении с выбором техно­логических методов полностью определяют стоимость продукта. Фонд рабочей документации и сопутствующие ей нормативные материалы основываются на методах стандартизации (рис. 8.8).

При формировании комплексной детали из множества обрабатыва­емых заготовок фонд рабочих чертежей значительно упрощается и приводится к структурной схеме с иллюстрациями на рис. 8.9. По структурной схеме разрабатывают программно-алгоритмическое обес­печение.

Этап обработки. В принципах групповой технологии механи- ческую обработку объектов связывают с понятием семейства деталей. Семейство деталей — совокупность деталей, сходственных по конст- руктивному (форма, размеры, точность) и технологическому (однород- ность технологического процесса) признакам. Детали внутри семейст- ва отличаются друг от друга, но конструктивное и технологическое подобие идентифицирует их внутри семейства. Такая идентификация привела к логическому понятию гипотетической комплексной детали, которая в групповой технологии стала условным объектом обработки. В формировании комплексной детали число входящих действительных деталей и технологических операций должно быть не менее 7 (рис. 8.10).

Этап сборки. Процессы сборки возможны только в случае по- ставки заготовительным производством в строго определенные мо- менты времени и в требуемых количествах всей номенклатуры взаи- мозаменяемых деталей. Невыполнение этого условия может привес- ти к нарушению ритма производства за счет возникновения дефици- та деталей на сборке. Данное обстоятельство порождает синхрони- зацию в поставке деталей на сборку и дальнейшее прохождение их в процессе сборки непрерывно без подгонки. Оборудование загото- вительных участков должно работать в согласованном темпе со сбо- рочными операциями. Этим обусловлены переналадки производствен- ных звеньев с выпуска одних типов деталей на другие, изготовление

у©

Рис. 8.11. Фрагмент технологического маршрута сборки узла вала: а — порядковый номер; б — кодовый номер; в — семейство сборки № 12; г — маршрут группо­вой сборки; д — идентификация сборочной группы; е — сборочная операция; ж — наименова­ние; з — описание; и — установить шпонку: к — запрессовать шпонку; л — закрепить шпонку двумя винтами; м — установить зубчатое колесо У; и — установить опорное кольцо; о — устано­вить зубчатое колесо 2; п — установить опорное кольцо; р — установить антифрикционный под­шипник: с — трудоемкость; т — приспособление, специальный инструмент; у — наименование: ф — измерительное приспособление; х — приспособление запрессовки; ц — сборочное приспо­собление; ч — пневмоотвертка

деталей партиями, обеспечивающими комплексность на сборке, созда­ние необходимых производственных заделов. Частота переналадок, размеры партий хранения, транспортирования и обработки, объемы за­делов деталей на переходах, обусловленные синхронизацией заготови­тельных и сборочных операций в условиях применяющейся производ­ственной обстановки, определяются в результате решения задач опти­мизации технологического процесса сборки, с оперативным управле­нием.

В выборе сборочных единиц из группового семейства используют систему кодирования, построенную по конструктивному признаку (рис.8.11), а затем проектируют технологический маршрут групповой сборки, фрагмент которого для узла вала показан на рис. 8.11 в верх­нем правом углу (в).

2. Автоматизированное конструирование средств технологического оснащения в ТПП

Общие положения. Конструирование и выбор средств технологического оснащения предполагает проведение комплекса работ.

Разработка и выбор технологической оснастки основывается на анализе затрат на реализацию технологического процесса в установ­ленный промежуток времени при заданном количестве изделий. Анализ предусматривает сравнение вариантов оснастки, отвечаю­щих одинаковым требованиям и обеспечивающих решение одинако­вых задач в конкретных производственных условиях; выбор вариан­тов, основывающийся на использовании информации; затрат на из­готовление технологической оснастки и ее эксплуатацию; учет тре­бований техники безопасности и промышленной санитарии. При­надлежность конструкции технологической оснастки к системе тех­нологической оснастки определяется правилами ее проектирования и эксплуатации применительно к заданным условиям производст­венного процесса изготовления изделия. Система формируется ком­плексами технологической оснастки, предназначенной для выполне­ния различных видов работ.

Эффективность введения новой технологической оснастки оценива­ется по результатам ее внедрения на основе сопоставления фактиче­ских затрат с плановыми и учета эксплуатационно-технических пока­зателей производственного процесса изготовления изделий.

Автоматизация конструирования средств техноло­гического оснащения. Комплексная автоматизация ТПП включа­ет принципы алгоритмического конструирования средств технологиче­ского оснащения. Рассмотрим общий подход алгоритмизации констру­ирования и в дальнейшем разберем пример алгоритмического констру­ирования закрытого штампа.

При автоматизации конструирования с помощью ЭВМ сформиро­вались две группы алгоритмизации решений геометрических задач. Первая группа задач связана с проекциями чертежа и с пространствен­ным образом, вторая — с плоскими контурами.

1. К первой группе относятся задачи начертательной и инженерной графики. Алгоритмизация этих задач совершенно необходима, так как без этого нельзя эффективно решать задачи кодирования, целесообраз­ного преобразования цифровых моделей геометрического образа в ма­шине и вывода результатов в виде чертежей.

К задачам, которые были решены алгоритмически, запрограммиро­ваны и решаются на ЭВМ, относятся:

построение линии пересечения многогранных поверхностей; построение линии пересечения поверхностей второго порядка; решение метрической задачи общего вида.

2. Ко второй группе отнесены задачи, связанные с плоскими кон­турами. Элементы контуров ограничены отрезками прямых и дугами окружностей. Задачи, относящиеся к этой группе, встречаются очень часто в процессе конструирования и при анализе формы детали. К вы­числительным задачам группы относят: вычисление периметра контура; вычисление площади, ограниченной контуром; вычисление моментов инерции плоского сечения; вычисление координат центра давления контура; вычисление габаритных размеров прямоугольника, описанного око­ло контура, со сторонами, параллельными осям координат.

Таковы некоторые решенные геометрические задачи, возникаю­щие в процессе конструирования. При создании технологической ос­настки большое влияние на поиск и выбор в процессе конструирова­ния оказывают технологические, технико-экономические и другие оперативно-производственные проблемы, роль которых лучше всего демонстрируется конкретными алгоритмами конструирования (см. ниже).

Автоматизация технологической подготовки про­изводства поковок. ТПП поковок для данной детали сводится к проектированию следующей технической документации: чертежа штампованной поковки; карты технологического маршрута; черте­жей штампа. Подготовка технологической документации требует больших затрат времени и квалифицированного инженерного труда. При этом изготовление поковки и детали не всегда осуществляется самым экономичным способом, так как качество технологической документации зависит от квалификации и опыта технолога, т. е. от субъективных факторов. Опыт показывает, что использование вы­числительной техники для проектирования технологической доку­ментации штамповки поковок целесообразно и экономически выгод­но. Кроме того, это открывает возможности автоматизации процесса изготовления штампов путем использования станков с программ­ным управлением, что требует получения вместо чертежей штампов программ их изготовления.

Работа по созданию программы для автоматизации проектирования технологической документации весьма трудоемка, особенно если

учесть громадное многообразие форм штампуемых поковок и несовер­шенство методов расчета технологических параметров.

В связи со сказанным работу по созданию универсальной програм­мы для решения вопросов подготовки производства штампованных за­готовок необходимо проводить поэтапно, разделив всю номенклатуру деталей на группы.

Наиболее простой и в то же время весьма распространенной груп­пой деталей являются детали типа тел вращения, объем которых в об­щей номенклатуре многих предприятий доходит до 60%.

Разработка чертежа поковки. Процесс проектирования чер­тежа поковки на заданную деталь расчленяется на следующие этапы:

]) расчет массы детали;

2. выбор плоскостей разъема штампов;

3. назначение припусков и допусков на механическую обработку;

4. назначение штамповочных уклонов;

5. назначение напусков на кольцевые углубления;

6. назначение радиусов закруглений.

Решение этих технологических задач на ЭВМ связано с преобразо­ванием геометрической информации (чертежа детали). Поэтому разра­батывают систему кодирования, удобную для задания информации.

В состав информации о детали входят: размеры детали, шерохова­тость поверхности, технологические базы, марка стали, тип оборудова­ния (пресс или молот), серийность производства, условия нагрева заго­товки.

Конструкция поковки совместно с геометрией ручья (заготовитель­ного или штамповочного), облоя вокруг линии разъема образуют фор­мующую полость закрытого штампа (рис. 8.12).

Окончательную геометрию полости связывают не только с суммарной мас- сой трех указанных частей, но и с за- полнением всех полостей штампа с по- мощью усилия штамповки и деформа- ции металла (рис. 8.13). |

Проектирование карты тех- | нологического маршрута про- цесса штамповки. Технологиче- ская карта штамповки определяет мар- шрут движения заготовки и способы ее обработки. В ней указывается масса штампованной и исходной заготовки, норма расхода металла, способ раздел- _Р] ки заготовки, режимы нагрева и охла- ждения, штамповочные переходы,

мощность штамповочного и обрезного оборудования, способ приемки заготовок и сдачи поковок, очистка от окалины и т. д.

Программа, разработанная для проектирования технологической карты, предусматривает назначение технологических параметров в том же порядке, которого придерживается технолог при обычном способе проектирования.

Данные, которые заносятся в технологическую карту, делятся на три группы:

1. данные, которые не зависят от исходной информации и посто­янны для всего класса деталей типа тел вращения;

2. цифровые данные, зависящие от исходной информации (масса поковки и заготовки, норма расхода металла, размеры заготовки и

др);

3. алфавитные данные, зависящие от исходной информации (спо­соб охлаждения, приемка металла и штамповок).

Один из наиболее трудоемких вопросов — расчет массы штампо­ванной заготовки (поковки) — решается с помощью программы, кото­рая используется для расчета массы детали.

Конструирование закрытых штампов. Гравюра ковоч­ного штампа (формующая полость) представляет собой зеркальное отражение конфигурации штампованной заготовки и всех ее проме­жуточных форм (при наличии предварительных переходов). Для де­талей типа тел вращения, получаемых штамповкой на молотах, ко­вочный штамп имеет два ручья: площадку для подсадки и оконча­тельный (чистовой) ручей. Конфигурация чистового ручья верхнего

штампа с точностью до температурной усадки со- ответствует верхнему кон- туру штампованной поков- ки. Аналогично нижний штамп соответствует ниж- нему контуру штампован- ной поковки. Конструиро- вание чистового ручья не вызывает особых затрудне- ний.

Автоматизированное кон- струирование штампа про- водится по алгоритмиче- ской модели, условно пока- занной структурной схемой на рис. 8.14.

На каждый блок авто- матизированного конструи- рования составлены расчет- ные программы со следую- щей информацией.

Входной массив данных в алгоритм конструирова- ния содержит программное описание геометрии форму-

ния; 3 — программа расчета массы; 4 — программа рас- ^{г т г J}

чета припуска; 5 — программа расчета массы заготовки; ЮЩвИ ПОЛОСТИ В ВИДе СИС- 6 — программа расчета допусков; 7 — программа сило- ТвМЫ КОДИрОВаНИЯ ПО ТОЧ- вого расчета штампа; 8 — стандартные детали внутрен- кдм

него устройства; 9 — координатный контур; 10 — до- ’ _

полнительные особенности поковки; 11 — масса поков- & ОЛОК 1 введены ДОС-

кн; 12 — припуски и допуски заготовки; 13 — требова- туПНЫе КОНСТруКЦИОННЫе

ния к материалу; 14 — точностные требовании; 15 — _мят(,_пняпы „ „иле игхппных

внутреннее устройство штампа; 16 - таблицы коорди- ^маТврИаЛЫ В ВИДе ИСХОДНЫХ

нат; 17 — проект конструкции штампа; 18 — программа ДЗННЫХ. СвеДеНИЯ О МатерИ-

поиска допуска; 19 — оценка; 20 — рабочий сборочный алаХ Содержат требования

чертеж; 2/ - рабочие чертежи деталей _{к Т0ЧН0}СТИ, _СПОСОбнОСТЬ _Де-

формироваться в пиковом усилии штамповки с учетом рабочей температуры и скорости деформа­ции.

По остальным блокам основные расчетные зависимости сведены в табл. 8.2.

Сведения о блоках, не попавших в табл. 8.2, для данной детали на­ходятся из НТД.

8.2.4. Эффективность управления ТПП ТС в системе рыночной экономики

Эффективность управления технологической подготовкой произ­водства технологических систем характеризуется четырьмя основными свойствами: 1) устойчивость; 2) эффективность конечного результата;

3. композиционное проектирование; 4) результативность жизненного цикла продукции.

1. Устойчивость ТС. Предъявляют требования к статическим и динамическим характеристикам составляющих и системы в целом, наибольшие требования относят к динамическим — всю динамиче­скую систему описывают линейными дифференциальными уравнения­ми четвертого порядка вида

А = а_АР* + а₃Р³+с12Р^г + а_хР + а₀ = 0.

Для того чтобы система 4-го порядка была устойчива, необходимо и достаточно, чтобы

ао > 0, а\ > 0, с*2 >0, а_ъ > 0, щ > О, а_х{а₂аг - а_хщ) - а₀а\ > 0.

Существует много способов оценки устойчивости линеаризирован­ных систем. Выбор способа определяется имеющейся информацией и наличием разработанных программ для ЭВМ. Устойчивость ТС оце­нивается четырьмя показателями.

2. Эффективность конечного результата. В условиях жесткой конкуренции стратегической целью предприятия является по-

вышение ее конкурентоспособности на внутреннем и внешнем рынках. Для этого необходима реализация отношения

Л.|.

где Z/ф, Z/кф — целевые функции рассматриваемого и конкурирующего предприятия соответственно; /С_ф, К_кф — качество продукции рассмат­риваемого и конкурирующего предприятия; Зф, Зф_К — затраты рассмат­риваемого и конкурирующего предприятия.

Эффективность предприятия оценивается двумя показателями: ре­зультативности и полезности.

3. Композиционное проектирование ТС.При создании новых ТС, а также при совершенствовании уже имеющихся ТС, важ­ным является уровень их композиционного проектирования. На рис. 8.15 представлена графовая модель композиционного проектиро-

вания ТС со следующими существенными точками графа: ПР — про­дукция, А — агрегаты, КИ — комплектующие изделия, МТ — матери­алы, С — сырье, ТЭ — топливо и энергия. Каждая составляющая гра­фа имеет свою ТС, включающая в себя продукцию, технологические процессы, кадры, производственную систему; свое содержание науч­но-технического прогресса НТП, фонд нормативно-технической доку­ментации НТД и базу знаний — БЗ.

При композиционном проектировании ТС должны совершенство­ваться все ее составляющие. При этом на основе функционирования ЕСТПП, АСТПП исполнителями должны приниматься решения по оп­тимизации характеристик продукции и самой ТС.

Уровень композиционного совершенствования ТС оценивается двумя показателями:

показатель уровня композиционного проектирования ТС; показатель уровня композиционного проектирования продукции.

4. Результативность жизненного цикла продукции. Важным критерием эффективности функционирования ТС на жизнен­ном цикле продукции является поддержание устойчивого процесса .производства, осуществляемого на основе системного подхода с уче­том всех особенностей и свойств системы. Результативность оценива­ется двумя показателями: устойчивости системы и результативности жизненного цикла продукции.

Эффективность управления ТС в целом осуществляется на основе системного подхода с учетом всех особенностей и свойств системы.

3. Процессы управления производством

Современной прогрессивной формой управления производством является статистический контроль, который подразделяется на три вида:

статистический приемочный контроль партий продукции; непрерывный статистический приемочный контроль; статистическое регулирование технологического процесса. Статистический приемочный контроль не следует понимать только как контроль готовой продукции (приемку). Он может применяться также на операциях входного контроля, при операционном контроле после завершения технологической операции и в других случаях, ког­да принимается решение о пригодности к использованию партии или потока продукции.

Различают два основных статистических метода контроля: по ко­личественному и альтернативному признаку.

Необходимым условием применения стохастических методов кон­троля является отлаженность и стабильность технологического про­цесса. Процесс считается отлаженным, если полностью выявлены и устранены нарушения технологической дисциплины, и стабильным, если распределение вероятностей его параметров остается постоян­ным в течение некоторого интервала времени без вмешательства из­вне. Для применения статистического регулирования необходимы еще два условия:

должны быть выявлены систематические погрешности как причи­ны возможных разладок (например, смещение настройки) и способы корректирования значений параметров технологического процесса для их оперативного устранения;

коэффициент точности по контролируемому параметру удовлетво­ряет условию

большой совокупности объектов по результату проверки сравнительно малой выборки из этой совокупности.

При проверке гипотезы в статистическом контроле основное вни­мание уделяется нулевой гипотезе. Общую процедуру по проверке ги­потезы можно представить следующим образом.

1. Формулирование нулевой и альтернативной гипотез.

2. Получение математической модели, описывающей вероятность значений выборки для рассматриваемого параметра. В этом случае функция нормального распределения описывает вероятность различ­ных средних значений выборки х.

3. Установление правила решения, основанного на данной модели. В основном это относится к учету параметров а, Р, п.

4. Выборочное проведение измерений продукции, получаемой в результате данного процесса. Принятие решения относительно при­нятия или отклонения нулевой гипотезы #₀.

1. Статистический приемочный контроль партий продукции

Партия, предъявляемая для контроля, представляет собой совокуп­ность единиц продукции одного наименования, типоразмера и испол­нения, произведенную в течение определенного интервала времени в одних и тех же условиях. На контроль могут поступать как отдель­ные партии, так и последовательность партий. Объем контролируемой партии N устанавливают, исходя из условий производства (например, равным сменному заданию). Допускается колебание объемов контро­лируемых партий в пределах, указанных в соответствующих НТД. При соблюдении указанных пределов колебания объемов партии не влияют на план контроля. Контролируемую партию следует отличать от по­ставляемой потребителю.

Статистический приемочный контроль применяется в случаях конт­роля, связанного с повреждением изделий, или при трудоемкости кон­троля одного порядка с трудоемкостью изготовления изделий. В про­стейшем случае он состоит в отборе выборки объемом п из контроли­руемой партии продукции и в приемке последней, когда число дефект­ных изделий d в выборке не превышает приемочное число Со. Забрако­ванные контролируемые партии продукций подвергают сплошному контролю, если он неразрушающий, или производят повторные про­верки. Проверяемая гипотеза при одноступенчатом контроле состоит в том, что для DIN дефектных изделий не превышает браковочного уровня дефектности q_m.

Расчетом обосновывают N, п, С₀ выбранным значениям:

Ят — браковочного уровня дефектности; а — риска поставщика (веро­ятность ошибки I рода, т. е. браковки годной продукции) и Р — риска по­требителя (вероятности погрешности II рода, т. е. приемки бракованной продукции). Вероятности а и Р показаны на графике оперативной характе­ристики статистического приемочного контроля, приведенной на рис. 8.16.

Расчет выполняется с помощью формулы условной вероятности P_H(q\ Со; п) принять партию объемом N, содержащую долю q = d/N де­фектных изделий (входной уровень дефектности) на основании того, что в пробе объемом п оказалось дефектных изделий d < Со Дискрет­ная случайная величина подчиняется гипергеометрическому закону распределения, задаваемому вероятностью того, что в выборке объе­мом п окажется к дефектных изделий (выборка берется из совокупно­сти N деталей, из которых d дефектных)

Р (п к\-С^кС^п'^к /С^п

где С/ — число сочетаний из / = N\ N- d д элементов по у = п\ К\ п - к элементов.

Из формулы и определения одноступенчатого контроля следует, что вероятность принятия партии продукции по выборке п деталей при уровне дефектности q и приемочном числе Со равна

P_H(q;C₀;n) = P(d<CJq) = ^kf_jP(d = k/q)=f_jC^t_JC"_N:^k_D/С"„.

Рис. 8.17. Общий алгоритм приемочного контроля

тересованную в результатах контроля. Например, поставщиком может быть механический цех, а потребителем — сборочный цех. Потреби­тель заинтересован в поставке бездефектной продукции, поэтому для него предпочтительно значение AQL = 0, но тогда статистические ме­тоды неприменимы. В то же время стандартизованные планы стати­стического контроля содержат достаточно широкий диапазон значений AQL, поэтому во многих случаях может быть достигнут технически

и экономически обоснованный компромисс между требованиями по­требителя и реальными возможностями поставщика.

После того как величина A QL установлена, необходимо определить реальный уровень дефектности контролируемой продукции по резуль­татам сплошного или выборочного контроля нескольких партий. Сред­ний входной уровень дефектности q определяют как средний процент дефектных единиц или среднее число дефектов на 100 единиц продук­ции. Второе соотношение используют в случаях, когда в единице про­дукции может быть более одного дефекта и важно знать общее число дефектов. Если q > AQL, то возрастает число забракованных партий, а поскольку такие партии обычно подвергают сплошному контролю, общая трудоемкость контроля значительно увеличивается и статисти­ческий контроль становится нецелесообразным.

При переходе с более высокого уровня контроля на более низкий уменьшается относительный объем выборки и увеличивается риск по­ставщика и особенно риск потребителя. Уровни контроля бывают об­щими (в стандартах их три) и специальными. Основным для примене­ния является II общий уровень. Специальные уровни контроля позво­ляют существенно уменьшить объем выборки, что бывает необходимо, например, при разрушающем контроле дорогостоящих изделий. Обос­нованный выбор уровня контроля может быть сделан лишь на основе сопоставления оперативных характеристик планов контроля на разных уровнях, по которым определяют риски поставщика и потребителя.

Стандарты предусматривают также три вида контроля: нормаль­ный, усиленный и ослабленный. Обычно начинают с нормального кон­троля, переходя к усиленному и ослабленному, в зависимости от ре­зультатов приемки последовательности партий (рис. 8.18). Такой пере­ход называется корректировкой плана контроля.

После выполнения указанных действий устанавливают объем выбор­ки и контрольный норматив. Эффеетивность выбранного плана контроля оценивают с помощью его оперативной характеристики, представляющей собой зависимость вероятности P(q) приемки партии от уровня дефектно­сти q в этой партии, при данном плане контроля. Наиболее наглядна эта зависимость в графической форме, поэтому следует построить график оперативной характеристики по данным, приведенным в стандартах. По графику можно определить риск поставщика а = 1 - P{AQL) — вероят­ность забракования «хорошей» партии и риск потребителя Р = P(LQ) — вероятность приемки «плохой» партии (с браковочным уровнем дефект­ности LQ ) или же определить, какая величина браковочного уровня со­ответствует заданному риску потребителя (J.

Построенная оперативная характеристика отражает лишь статисти­ческую недостоверность результатов контроля выборки: при этом

Выполнить выборочный контроль. Выборка-одно случайное изделие из1Л подряд произведенных

партий. Число изделий одного производственного цикла выбирают из соображений, аналогичных выбору объема партии. Стандарт определя­ет три уровня контроля (общих), из которых обычно используют II уровень, в более ответственных случаях — уровень III и в менее от­ветственных — уровень I. По этим данным с помощью стандартных таблиц определяют параметры плана контроля и осуществляют проце­дуру непрерывного контроля как чередование периодов сплошной и выборочной проверок. Чем выше качество продукции, тем меньше удельный вес сплошного контроля. В то же время длительный период сплошного контроля означает, что качество продукции не соответству­ет приемочному уровню дефектности. Поэтому в стандарте приведены числовые значения верхнего предела числа проверяемых изделий при сплошном контроле, при превышении которого следует прекратить технологический процесс и возобновить его только после проведения необходимых коррекций.

3. Статистическое регулирование технологического процесса

Под статистическим регулированием понимают корректирование значений параметров технологического процесса по результатам вы­борочного контроля параметров производимой продукции. Таким об­разом, статистическое регулирование можно определить как выбо­рочный операционный контроль с оперативной обратной связью. Та­кой контроль более активен, чем приемочный, и дает больше воз­можностей для управления качеством продукции с целью бездефект­ного изготовления.

Метод регулирования и регулируемую выборочную характеристи­ку (РВХ) выбирают в зависимости от того, какой параметр процесса придается в корректировании. Методы кумулятивных (накопленных) сумм организационно сложнее и требуют больше вычислений, но об­ладают большей достоверностью в сравнении с другими, поскольку лучше используют предшествующую информацию о ходе процесса.

Период отбора обычно устанавливают, исходя из скорости измене­ния РВХ. приводящего к разладке процесса. Следует иметь в виду, что при постоянном объеме выборки с увеличением периода отбора уменьшается общий объем выборочного контроля, но увеличивается объем сплошного контроля в случае обнаружения разладки. Период отбора может корректироваться в процессе регулирования с учетом периодичности обнаружения разладок.

Объем выборки и границы регулирования в общем случае устанав­ливают, исходя из влияния РВХ на долю брака с учетом рисков неза­меченной разладки и излишней наладки.

Статистической гипотезой Но при статистическом регулировании является предположение о том, что технологический процесс протека­ет успешно, обеспечивая стабильные вероятностные характеристики данного показателя X.

В простейшем случае гипотеза сводится к двум предположениям:

1. о постоянстве наладки технологического процесса, выражающемся в постоянстве математического ожидания (а_х = MX = const); 2) о посто­янстве рассеивания контролируемого показателя, выражающемся в по­стоянстве среднего квадратического отклонения (ст_х = const), причем форма закона распределения (обычно считают закон нормальным) так­же предполагается неизменной.

Неосуществление этих двух предположений является причиной вы­хода показателя х за границы установленного для него поля допуска.

Статистический смысл причин брака по контролируемому количе­ственному показателю х показан на рис. 8.20.

Смещение центра мгновенного рассеивания а_х и величину Ах (от исходного при настройке положения в середине поля допуска ширины

6. приводят, как показано на рис. 8.20, а, к увеличению доли (вероят­ности появления) некондиционной продукции от q₀ до qu причем ве­личине <7о на рисунке соответствует зачерченная площадка под исход­ной заштрихованной кривой ро(х) плотности вероятности, a q\ — за­штрихованная площадь под смещенной (сплошной) кривой р\(х) (см. рис. 8.20, а). Увеличение рассеивания значений показателя х, выража­ющееся в возрастании среднего квадратического отклонения а_х, приво­дит, как показано на рис. 8.20, б, к увеличению доли некондиционной продукции от <7о до q\ — значениям, соответственно пропорциональ­ным сумме двух зачерченных площадок под штриховой кривой ро(*) к сумме двух заштрихованных площадок под сплошной кривой. Из ри-

сунка видно, что площадь q\ во много раз больше суммы площадок q'₀ (см. рис. 8.20, а).

Статистическое регулирование, как правило, осуществляют с помо­щью контрольных карт, наглядно отображающих состояние технологи­ческого процесса в момент отбора выборки. Контрольная карта пред­ставляет собой график, на котором по горизонтальной оси откладыва­ют номера мгновенных выборок, а по вертикальной оси — значения соответствующей регулируемой выборочной характеристики. Границы регулирования наносят на карту в виде горизонтальных линий. Конт­рольные карты обычно размещают на бланках, а при наличии соответ­ствующего информационно-вычислительного обеспечения — в памяти ЭВМ с выводом на дисплей.

Средства статистического контроля можно разделить на две группы:

собственно средства контроля, предназначенные для контроля еди­ниц продукции в выборке (пробе), т. е. для измерения значений про­дукции;

средства механизации и автоматизации статистических методов, предназначенные для сбора, обработки, представления и записи стати­стической информации.

3. Процессы управления технологическим процессом

1. Характеристика процессов управления

Кибернетическое представление технологического процесса (ТП) формирует сложно организованную, целенаправленную структуру, элементами которой являются технологические операции (ТО). Диск­ретный характер ТП, его разбиение на отдельные ТО приводят к тому, что систему управления ТП следует рассматривать как совокупность процессов управления отдельными ТО. Таким образом, управление ТП осуществляется только через управление отдельными технологически­ми операциями.

Системный подход к управлению ТП заключается в том, что уп­равляющее воздействие на ТП должна оказывать система управления в совокупности процессов управления, взаимодействующих с помощью материально-технических и информационных средств. Таким образом, комплексность управления не должна противопоставляться управле­нию по дифференциальным процессам.

В основе существующих систем управления ТП >и реализующих это управление средств лежат два основных принципа: принцип со­вмещения функций контроля и управления технологическими процес­сами и принцип адаптации.

Совмещение функций системы технического контроля (СТК) и уп­равления ТП включает сбор информации о выходных переменных про­цесса, сравнение их значений с заданными и подачу команды на уп­равляющее устройство для подналадки процесса (изменений уровня настройки, режимов работы оборудования и т. д.). Надежность управ­ления зависит от надежности математических моделей управления и реализующих рассматриваемый принцип технических устройств.

Принцип адаптации используют для решения задач управления как на уровне технологической операции, так и на уровне ТП в целом. В зависимости от уровня применения его трактовка несколько разли­чается.

На уровне ТО сущность адаптивного управления заключается в слежении и поддержании постоянства значения какого-либо парамет­ра, влияющего на ход ТП и обеспечивающего заданный уровень вы­ходного параметра, определяющего качество, производительность при минимальных затратах на выполнение рассматриваемой части ТП. Адаптивное управление осуществляется либо путем ограничения уп­равляемого параметра — сигнал управления вырабатывается только тогда, когда управляемый параметр достиг предельно допустимого уровня, либо путем поиска оптимального для конкретных текущих ус­ловий значения управляемого параметра — сигнал управления выраба­тывается непрерывно, и его составляющие соответствуют оптималь­ным значениям управляемого параметра.

Для уровня ТО принцип адаптивности применяют в основном для операций изготовления деталей. В этом случае обрабатывающее обо­рудование оснащают автоматической системой, обеспечивающей по­стоянный контакт управляемого параметра и сравнение фактических результатов с заданными. При возникновении отклонения определя­ется его числовое значение и знак и корректируется фактор, регули­рующий управляемый параметр. Например, при изменении силы ре­зания изменяется подача независимо от факторов, которые этому способствовали.

Практическое применение принципа адаптации для управления технологическими операциями связано с разработкой на его основе и внедрением автоматизированных (автоматических) систем управле­ния. Эти системы должны работать в режиме реального времени, обес­печивая мгновенную реакцию на отклонение контролируемого пара­метра, что предъявляет высокие требования к их чувствительности и быстродействию. Современные технические средства не позволяют обеспечивать мгновенную управляющую реакцию на возникшее откло­

нение контролируемого параметра. Реакция системы запаздывает — система вырабатывает сигнал управления спустя некоторое время по­сле возникновения отклонений контролируемого параметра.

Сложность разработки адекватных математических моделей, недос­таточные чувствительность и быстродействие стали причинами огра­ниченного применения адаптивных систем.

Применение принципа адаптации для управления ТП заключается в поддержании стабильности вектора выходных переменных при изме­нении в некоторых пределах векторов входимых переменных и усло­вий вследствие целенаправленного изменения структуры и параметров ТП. В данном случае управление направлено на адаптацию ТП к воз­никшим изменениям входных переменных и условий его протекания. Принцип адаптации применяют при управлении процессами изготов­ления изделий высокой эксплуатационной надежности в автоматизиро­ванном производстве.

8.4.2. Принцип совмещения функций контроля и управления технологическими процессами

Содержание принципа совмещения СТК и ТП. Совме­щение функции контроля и управления ТП в современном машино­строении неразрывно связано с решением проблемы автоматизации производства.

В контрольной технике все шире применяют средства, которые од­новременно выполняют функции технического контроля (ТК) и управ­ления технологическими процессами. Измерительные средства в ТП используются для определения действительных значений размеров от заданных, разбраковки и сортировки изделий при размерном контроле. Принцип совмещения контроля за протекающим ТП с оперативным управлением этим процессом (не допускающим отклонений действи­тельных размеров за границы поля допуска) обусловил создание высо­копроизводительного и автоматического оборудования, поскольку с интенсификацией производственного процесса, увеличением скоро­сти его протекания становится все сложнее визуально следить за от­клонениями параметров и все сложнее вручную управлять этими пара­метрами. Технической базой для возможности использования этого принципа является прогресс в области создания быстродействующих, точных и надежных средств измерения и автоматики. Принцип совме­щения контроля и управления производственным процессом находит все большее распространение в различных отраслях машиностроения,

поскольку позволяет совместить требования к высокой производитель­ности или скорости течения процесса с повышением качественных по­казателей этого процесса, например точности.

Повышение точности и надежности соблюдения предписанных ха­рактеристик и параметров текущего процесса с помощью временного и пространственного приближения средств контроля к технологическо­му оборудованию возможно всегда, поскольку точность имеющихся средств контроля как минимум на порядок выше возможной точности осуществления производственного процесса. Общеизвестно, что повы­шение точности соблюдения предписанного параметра приводит к зна­чительному увеличению надежности машины, но повышение точности процесса с помощью управляющих средств контроля — не единствен­ная возможность увеличения экономической эффективности.

При соблюдении рассматриваемого принципа, как правило, умень­шаются расходы энергии, высвобождаются операторы, создаются предпосылки для комплексной автоматизации всего производственно­го процесса. Совершенствование технологического оборудования при­водит к тому, что необходимый объем информации об объекте произ­водства и число контролируемых параметров непрерывно возрастают. При этом ценность информации тем выше, чем быстрее (с момента из­менения контролируемой величины) она получена и использована для управления. Тем самым рассматриваемый принцип позволяет получить максимум необходимой информации о контролируемом процессе и оперативно ее использовать для дальнейшего совершенствования са­мого процесса. При этом контролируются не только основные, но и дополнительные влияющие параметры качества.

Контроль за изменением дополнительных параметров позволяет в одних случаях осуществить непосредственную, более точную или быструю коррекцию процесса, а в других — применить полностью ав­томатические самонастраивающиеся системы, стабильно поддержива­ющие заданные характеристики при имеющихся внешних и внутрен­них условиях. Возможность автоматического контроля за процессом позволяет создавать системы непрерывного управления этим процес­сом, приближать реальную закономерность его протекания к предпи­санной (теоретической), выполнять управление не только по парамет­ру, но и по его начальному и текущему значению, по характеру или последовательности этого изменения и т.п. Передача контрольным си­стемам функций управления производственным процессом не исклю­чает сохранения за ними функций автоматической рассортировки изде­лий по группам качества, поскольку информация об окончательном значении контролируемого параметра уже имеется (например, в запо­минающем устройстве). Однако высоких качественных показателей

осуществления производственного процесса можно достичь только пу­тем одновременного сочетания высокого качества оборудования и уст­ройства управляющего контроля.

Широкое развитие принципа совмещения контроля и управления производственным процессом возможно на основе решения конструк­торских, технологических и метрологических задач при создании но­вого, более совершенного оборудования. Общую тенденцию развития машиностроения в этом плане можно проследить по такой схеме. Со­держание чертежей по каналам связи будет передаваться на технологи­ческие центры, в которых методами машинного проектирования будут разработаны оптимальные технологические процессы. Затем будут спроектированы системы контроля и управления производственными процессами с учетом обеспечения заданного качества. Ввиду сложно­сти этих процессов на всех этапах неизбежно широкое использование автоматической вычислительной техники, которая оперативно обраба­тывает исходные данные, позволяет осуществлять машинное проекти­рование чертежей, технологических процессов, схем контроля и управ­ления. Средства контроля все шире используют для управления произ­водственным процессом с целью исключения аварийных ситуаций, предотвращения условий, способствующих их возникновению, с це­лью защиты окружающей среды и т. д.

Технологическую систему автоматизированного производства мож­но представить как систему, объединяющую объекты управления и уп­равляющее устройство. На вход последнего подается задающее воз­действие, содержащее информацию о цели управления. Сформирован­ная система управления в виде управляющего воздействия передается к объекту управления. В состав системы управления как управляюще­го воздействия могут входить чувствительное, вычислительное и ис­полнительное устройства.

Чувствительные устройства (измерительные устройства, преобразо­ватели) служат для измерения подаваемых к управляющему устройст­ву воздействий. Вычислительное устройство реализует алгоритм его работы. В простейшем случае оно выполняет элементарные математи­ческие операции (сравнение, определение разности, интегрирование и т.п.). В более сложных случаях вычислительное устройство может представлять собой ЭВМ и даже комплекс ЭВМ.

Исполнительные устройства предназначены для непосредственного управления объектом, т. е. изменения его состояния в соответствии с сигналом управления. В частном случае в качестве исполнительного устройства могут использоваться, например, приводы исполнительных перемещений самого станка.

г)

чен, т. е. у обработанной детали. Системы с обратной связью по вы­ходным переменным называют самоподнастраивающимися.

4. Системы с контролем входных переменных (рис. 8.21, г). В та­ких системах контроль выполняется до начала процесса формообразо­вания, а его результаты учитываются при разработке системы управле­ния (выработки вектора управления).

Цикловые системы управления получили в настоящее время наи­большее распространение (обработка на станках — автоматах и полу­автоматах, гидрокопировальных станках, станках с ЧПУ, автоматиче­ских линиях и т. д.). Они просты и надежны в работе, что, собственно, и определило их широкое распространение.

Обработка при использовании таких систем идет по жесткому цик­лу. Цикл не прерывается, если в процессе обработки возникает откло­нение параметра качества. Это основной недостаток таких систем. Не­смотря на высокую надежность самой системы, надежность протека­ния процесса обработки низка. В этих системах практически полно­стью отсутствует управление точностью в сфере самого производства, поэтому они не позволяют компенсировать влияние любых факторов на точность обработки. Управление точностью в таких системах огра­ничено сферой ТПП. Именно на стадии ТПП формируется содержание задающего воздействия, например программоносителя. Управление точностью сводится к расчетам ожидаемой точности, выполняемым в процессе проектирования операции, и назначению таких условий ее выполнения, которые обеспечивают заданные параметры качества.

В самонастраивающихся системах предусмотрен контроль факто­ров, обусловливающих появление составляющих погрешностей обра­ботки, и последующая компенсация их влияния непосредственно при производстве. Контроль параметров обработки возможен как до начала цикла автоматизированной обработки, так и в самом цикле. Однако и в том и в другом случае он предшествует процессу формообразова­ния. В результате такого контроля случайные (для цикловой автомати­ки) факторы превращаются в систематические. Такие системы приме­няют для компенсации погрешностей установки заготовок, тепловых деформаций элементов оборудования, износа инструмента и т. д. Они позволяют существенно уменьшить влияние случайных, закономерно изменяющихся и постоянных факторов на точность обработки. Само­настраивающиеся системы наиболее удобны для применения на стан­ках с ЧПУ. Алгоритм управления в таких системах основан на тех же зависимостях, по которым выполняется расчет ожидаемой точности обработки для цикловых систем. Невысокая точность расчета по этим зависимостям сказывается на качестве управления, что является недос­татком самонастраивающихся систем.

Самоприспосабливающиеся (адаптивные) системы обеспечивают контроль и управление одним или несколькими факторами, обусловли­вающими формирование параметров качества. Процесс контроля и уп­равления происходит синхронно с процессом формообразования.

Системы с прямым контролем являются самыми совершенными по качеству управления. Они позволяют практически полностью исклю­чить влияние технологических факторов на точность выдерживаемого параметра. Недостаток таких систем управления — ограниченная об­ласть применения, что обусловлено главным образом техническими трудностями их конструктивного оформления для многих конкретных случаев обработки.

Системы с контролем выходных параметров обработки фиксируют результат завершенного процесса. Они не имеют возможности управ­лять случайными составляющими погрешности обработки. Обеспечи­вается управление только закономерно изменяющимися погрешностя­ми (вызываемыми износом инструмента, тепловыми деформациями и т. д.), а также систематическими, если таковые возникают в процессе обработки. В основе информационного обеспечения таких систем ле­жат известные методы статистического контроля (см. выше).

Обеспечение заданной точности при механической обработке в большинстве случаев связано с регулированием настройки технологи­ческой системы.

Модель принципа совмещения функций СТК и ТП. Технологический процесс изготовления изделий всегда сопряжен с проявлением действия значительного количества систематических и случайных влияющих факторов: неоднородности материала; откло­нений формы заготовки; погрешностей технологической системы; по­грешностей измерения; непостоянства условий в рабочем помещении И т. д.

В результате отклонения размеров поверхности реального изделия распределяются в некотором поле значений, симметричном по отно­шению к заданному номинальному значению размера и находятся в разном соотношении поля с допуском изделия. Неблагоприятное со­отношение при технологической погрешности зависит от действия указанных факторов и в большинстве случаев носит нормальный ха­рактер (закон Гаусса). Однако на практике имеют место и другие зако­ны распределения линейных размеров: равной вероятности; сущест- венно-положительных величин; законы Релея и Симпсона.

Измерительные средства в управлении технологическими процес­сами используются для определения действительных значений разме­ров поверхностей изделий, отклонений действительных размеров от заданных, разбраковки и сортировки изделий при размерном контроле.

Для того чтобы при измерении определялся действительный размер изделия, погрешности измерения должны быть достаточно малыми. Перечисленным требованиям с прогрессом в области быстродействую­щих, точных и надежных средств измерения, автоматических процес­сов контроля должны удовлетворять системы технического контроля (СТК) в совмещении своих функций с функцией управления техноло­гическими процессами (ТП). Общая тенденция совмещения функций контроля и технологии, т. е. СТК и ТП, прослеживается по схеме рис. 8.22.

На рисунке показано, что совмещение функций контроля и техно­логии проходит по последовательному комплексу оптимизации с об­ратной связью в виде удаления брака из производственной партии об­рабатываемых деталей. В основу принципа совмещения положены сле­дующие предпосылки:

передача обрабатываемых деталей с предыдущей на последующую операцию происходит без повреждений, каждая технологическая опе­рация (ТО) имеет свою технологическую себестоимость. Технологиче­ский процесс (ТП) в целом дискретный, детерминированный, типовой, партия обрабатываемых деталей постоянна;

на каждой ТО детали классифицируются по признаку требований к точности по признаку на «годен — G» или «дефект — D»;

вводится сплошной технический контроль (ТК) после каждой ТО, обеспечивая высокий уровень качества;

удаляемые дефектные детали проходят дополнительную одну или несколько ТО, на которых выявлен брак. В случае глубокого брака они используются как заготовки ТП. Каждый последующий цикл изго­товления деталей начинается, когда исправлен брак удаленных дефект­ных деталей с количеством дополнительных рабочих проходов;

новая партия деталей запускается в производство, когда каждая по­следняя деталь предыдущей партии реализована.

Перечисленные предпосылки принципа совмещения при построе­нии математической модели оптимизации ТП и ТК в последователь­ном комплексе имеют исходное математическое описание и поясняют-

ся временными фазами производства и реализации продукции (см. рис. 8.22).

Матрица, если обозначить через Р(Г) вероятность появления брака на 1-й ТО, G — годные, D — дефектные детали:

G D

G 1 -р(1) р(1)

D О 1

где Р{1), /= 1, 2, ..., п остается постоянной долей брака операции 1.

В дальнейшем формировании математической модели оптимизации учитывается, что оптимальный технический уровень СТК и ТП дол­жен учитывать их качество, размещение и эффективность контроль­ных постов, серий постов и передел производственной партии, затраты на средства ТК, затраты на предупреждение брака. В особенность мо­дели включено обязательное требование, что последующий запуск очередной партии деталей будет осуществлен, когда последняя деталь предыдущей партии реализована.

Математическая модель совмещенной оптимизации СТК и ТП с критерием оптимальности — технологическая себестоимость G^ от­несенная к годовому выпуску деталей при бесперебойной работе про­изводства, после соответствующих преобразований получает простую запись

С„ = А/, / 0(1) + M₂Q{ 1) + МШ1) + М_А / /0(1) + М₅, где (А/| - Ms) — функции констант индивидуальных постов ТК, после

п

обработки табулируются; константы ранжируются f~[(l-/?(/)) по ве-

/=i

роятности появления брака на стадии 1.

Важной расчетной составляющей модели является число дополни­тельных рабочих проходов доделки дефектных деталей с вероятностя­ми: w_G — части детали, попадающих в разряд годных с первого предъ­явления, w_D — части деталей, не соответствующих допуску изделия, подлежащих доработке.

Отсюда

w_D= 1 - W_G.

Если закон рассеивания размеров при доделках не изменился, то объем негодных деталей после каждого прохода, очевидно, может быть вычислен по формуле

^WD_t =Od)*.

где к — число дополнительных рабочих проходов.

Для одной детали значение w_Dk можно рассматривать как вероят­ность получить данный геометрический параметр вне допуска после £-го прохода.

Величина при равновероятном законе технологического рассеи­вания может быть найдена с помощью зависимости

8.4.3. Принцип адаптации

на 50%, уменьшить конусообразность детали в 1,5—2 раза, умень­шить поверхностные неровности не менее чем на 30% и избежать прижогов;

обеспечивает постоянные деформации в системе станка;

создает предпосылки для повышения производительности, так как на этапе черновой обработки перед выхаживанием могут быть приме­нены максимальные подачи.

Адаптация технологических процессов к изменяю­щейся производственной ситуации. Ситуация, возникающая при работе любой производственной системы, являющейся совокупно­стью технологических систем, средств транспортного обслуживания и управления, непрерывно изменяется. Действует значительное коли­чество дестабилизирующих производственную ситуацию факторов, к важнейшим из которых относят: нестабильность физико-механиче­ских свойств материала и размеров исходных заготовок; несоответст­вие реальных условий изготовления изделия структуре и параметрам ТП, реализованных в конкретной производственной системе; действие факторов, формирующих суммарную погрешность обработки; измене­ние конструктивно-технологических факторов выпускаемых изделий; отказы отдельных элементов производственной системы и грубые ошибки при управлении ею.

Гарантированно обеспечить качество деталей при действии любого из указанных дестабилизирующих факторов можно лишь на основе си­стемного подхода, при адаптации ТП к условиям изменяющейся про­изводственной ситуации, состоящей в возможности замены части зара­нее спроектированного ТП иным его продолжением, оптимальным как с точки зрения исходных данных о ходе процесса, так и его конечного результата. Если после какой-либо операции базового процесса откло­нения параметров качества изделия превышают допустимые, то следу­ющей выполняется не очередная операция базового процесса, а воз­можно, иная операция, являющаяся первой операцией нового продол­жения процесса, позволяющего компенсировать отклонения и обеспе­чить заданное качество. Деталь при этом может быть передана на дру­гой станок, позицию и т. д.

Реализация принципа адаптации целесообразна при изготовлении сложных, дорогостоящих деталей, а также деталей, которые должны обладать высокой надежностью или иметь доминирующий показатель качества изделия. Достижение показателя качества означает полное выполнение в течение цикла работы деталью своего функционального назначения в заданном диапазоне рабочих условий.

4. Особенности управления технологическими процессами в автоматизированном производстве

Для автоматизированного производства характерно следующее.

1. Работа оборудования в автоматическом режиме, по автоматиче­скому циклу. Исключение иногда составляют позиции загрузки.

2. Снижение или полное отсутствие возможности вмешательства в процесс формообразования оператора. Тенденция к реализации в ав­томатизированных производственных системах «безлюдного» режима обработки.

3. Стремление к объединению конструкторской, технологических подготовок производства и собственно производства в единый комп­лекс на базе вычислительной техники, т. е. компьютеризованное интег­ральное производство (см. выше).

4. Тенденция к автоматизации производства любого типа (единич­ного, серийного, массового).

Тип производства в основном определяет степень его автоматиза­ции и специфику задач управления ТП.

Автоматизацию единичного и мелкосерийного типов производства осуществляют в основном на базе использования станков с ЧПУ. Спе­цифику задач управления при обеспечении качества продукции в еди­ничном и мелкосерийном типах производства определяют следующие особенности.

1. Повышенное рассеяние входных переменных, что обусловлено, например, более низким качеством заготовок. Это порождает увеличе­ние случайной составляющей погрешности обработки. Для обеспече­ния заданного качества, как правило, приходится снижать производи­тельность обработки (увеличивать число переходов и рабочих ходов, снижать режимы обработки).

Основными путями устранения указанного недостатка являются совершенствование методов получения заготовок, а также повышение качества управления в цикловых системах. Получение заготовок высо­кого качества в единичном или мелкосерийном производстве сопряже­но со значительными затратами. Однако, например, для литых и штам­пованных заготовок разрабатывают быстро переналаживаемую оснаст­ку (модели, штампы) по типу универсально-сборочных приспособле­ний, которая позволяет обеспечить высокое качество заготовок при малых программах выпуска.

2. Высококонцентрированное построение операций обработки, в частности на станках с ЧПУ. В этих условиях становится практически невозможно вести обработку цикловых систем управления погрешно­

стями от тепловых деформаций и размерного износа инструмента, так как сильно затрудняет расчет этих погрешностей.

3. Широкая номенклатура и малые программы выпуска изделий (деталей). В течение смены на одном станке могут быть обработаны заготовки нескольких типоразмеров. Кроме того, получают все боль­шее распространение новые организационные формы запуска загото­вок в обработку. Стремятся ввести обработку комплектами, причем в комплект включают детали, входящие в одну сборочную единицу. Это позволяет уменьшить потребные складские помещения, сократить цикл производства изделия. В этих условиях вообще идет непрерывная смена операций на станке с ЧПУ. При этом остро встает проблема вы­полнения размерной наладки, так как известные методы наладки в та­ких условиях либо вообще непригодны, либо малоэффективны.

В крупносерийном и массовом автоматизированных типах произ­водства специфику задач управления определяют следующие требо­вания.

1. Обеспечение высокой производительности обработки. Время из­мерения необходимых для управления параметров и время, затрачива­емое на реализацию результатов измерения (компенсация погрешно­стей, подкладка и т. д.), должны максимально перекрываться оператив­ным временем.

2. Повышение устойчивости производственных систем к отказам. Это особенно относится к производственным системам, работающим в тактовом режиме, например автоматическим линиям, а также к про­изводственным системам, управляемым едиными управляющими ком­плексами, например центральной управляющей ЭВМ. Для производст­венных систем, функционирующих в «безлюдном» режиме, необходи­мо обеспечение поддержания их работоспособности.

Специфика задач управления в серийном автоматизированном про­изводстве в той или иной мере отражает специфику задач рассмотрен­ных выше типов производств. Требование обеспечения качества изде­лий широкой номенклатуры может сочетаться, например, с требовани­ем обеспечения заданной производительности производственной сис­темы, функционирующей в «безлюдном режиме».

Специфика управления автоматизированными (гибкими) производ­ственными системами позволила выделить в отдельный класс задач ситуационное управление, общая постановка которых заключается в следующем. Известна структура автоматизированной производствен­ной системы (состав оборудования, взаимосвязь отдельных элементов системы и т. д.), а также номенклатура, программы выпуска, парамет­ры заготовок, обрабатывающихся в данной системе. Задается ситуа­

ция, возникающая в определенном месте (элементе) системы; это мо­жет быть отказ оборудования, риск появления брака, поломка или про­грессирующий износ инструмента, отказ элемента транспортной систе­мы и т.п. Необходимо принять решение, являющееся оптимальным с точки зрения эффективности работы системы, описываемой систе­мой соответствующих критериев.

Каждое из конкретных решений задачи ситуационного управления можно рассматривать как методическую и информационную основу для его представления в виде соответствующей программы управле­ния. Совокупность таких программ образует программное обеспечение управления и определяет его эффективность.

3. Процессы технологического обеспечения качества

1. Роль технологии производства в обеспечении качества

При обеспечении качества на стадиях жизненного цикла изделия машиностроения роль технологии производства определяющая, она включает: создание конструкционных материалов, изготовление за­готовок, финишную обработку, формирующую окончательные свой­ства деталей, сборку, испытания, конструкторско-технологическую доводку.

Изготовление любой машины начинается в заготовительных цехах и участках. Ковка, штамповка, прокатка, литье, резка и сварка — вот основные способы получения заготовок деталей машин. В заготови­тельных производствах начинают закладываться качества будущих де­талей: плотность материала, направление его волокон, концентрация напряжений при остывании и деформировании, структура материала поверхностного слоя — от них, прежде всего, будет зависеть качество деталей после придания им окончательного вида.

Плотность материала штампованной детали выше, чем литой, при рациональной форме детали и организации процесса остывания можно избежать остаточных термических напряжений, приводящих к появле­нию трещин. Заготовка зубчатого колеса, полученная методом попе­речно-винтовой прокатки с накаткой зубьев, не имеет перерезанных окружных волокон в сравнении с зубчатыми колесами, зубья которых получают на зуборезных станках. При литье, штамповке, прокатке формируется структура материала поверхностного слоя детали. От пластического деформирования и быстрого остывания в материале по­верхностного слоя создается мелкозернистая структура повышенной твердости, которая предпочтительнее крупнозернистой во многих от­ношениях.

При последующей механической обработке поверхностный слой детали снимается: чем больше предусмотрен припуск на механиче­скую обработку, тем больше глубина снимаемого слоя. Неточная гео­метрия заготовки и большие припуски на механическую обработку вы­зывают необходимость иметь лишний станочный парк, инструмента­рий, технологическую оснастку, лишние энергетические затраты, что­бы металл перегонять в стружку.

Основная задача заготовительного производства при высокой про­изводительности — дать заготовку хорошего качества с минимальны­ми припусками на механическую обработку. В этом одна из основных задач и всего машиностроительного производства.

Для получения точных заготовок большое значение имеет штампо- вая оснастка. С использованием САПР методы ее проектирования и изготовления значительно усовершенствовались.

Наряду со штамповкой взрывом, при которой происходит одновре­менное упрочнение поверхностного слоя детали, а также возможно осуществление плакирования, достаточно разработанными являются и такие нетрадиционные методы формообразования, калибровки, как электрогидроимпульсный и магнитоимпульсный.

Одним из наиболее давних и вместе с тем имеющих большое зна­чение на всех этапах развития машиностроения является метод полу­чения деталей литьем. Сложные корпусные детали тел вращения, сложные чугунные детали с внутренними полостями можно изгото­вить только способом литья. Для многих деталей даже массового про­изводства литье заготовки оказывается более дешевым.

Основой получения качественных литых деталей машин является обеспечение плотности отливок путем рационального проектирования литниково-питающих систем, обеспечения точности отливок при литье по выплавляемым моделям.

Автоматизированная сварка под слоем флюса, сварка в защитной среде, сварка электронным лучом, ультразвуком, диффузионная сварка в вакууме, диагностика сварных соединений позволяют получить каче­ственные сварные детали для различных условий и материалов.

Качество детали в значительной степени определяется свойствами ее поверхностного слоя. Наряду с традиционной химико-термической обработкой в последние годы нашли применение новые эффективные процессы, такие, как лазерная обработка поверхности металла с целью повышения стойкости против изнашивания и коррозии, лазерное леги­рование поверхности металла, плазмомеханическая обработка металла, плазменное напыление износостойких, коррозионно-стойких покры­тий, плазменное напыление нитрида титана на инструмент, повышаю­щее износостойкость режущего инструмента в 2—3 раза.

Все большее распространение получает ионная имплантация повер­хностного слоя металлов с целью повышения износостойкости, устало­стной долговечности, коррозионной стойкости.

Парофазная технология — испарение материала в глубоком вакуу­ме и конденсации паров на поверхности детали в виде пленки, позво­ляет получать слоистые структуры с заданными свойствами.

Основанная на последних достижениях физики, физической химии, металловедения порошковая технология позволяет получать сверхтвер­дые материалы, конструкционную керамику, композиционные матери­алы, детали без дальнейшей механической обработки, восстанавливать изношенные детали.

Несмотря на неоспоримые преимущества и прогрессивность от­дельных заготовительных процессов, нельзя отказаться от механиче­ской обработки резанием.

Учение о технологической наследственности предусматривает вза­имосвязь и взаимообусловленность свойств заготовок и готовых дета­лей. Служебные свойства любой детали машины формируются в ходе всего технологического процесса, однако финишные технологические операции играют особую роль. Поверхностный слой деталей после об­работки заготовок на металлорежущих станках получает заданные тех­нологом напряжения по величине и знаку, направления штрихов обра­ботки, формы микровыступов, их взаимное расположение на поверх­ности. Методы финишной обработки решающим образом влияют на такие служебные свойства, как износостойкость, сопротивление уста­лости, контактная жесткость, виброустойчивость, коррозионная стой­кость и многие другие, что связано с понятием «качество машины».

Наличие годных деталей еще не означает наличия качественной машины. Качество машины связано с технологическим процессом сборки. Трудоемкость сборочных работ в машиностроении находится в диапазоне от 30 до 70% трудоемкости изготовления изделий. Пред­стоит широкое внедрение роботизированной сборки с оснащением ро­ботов специальными устройствами, обладающими высокой чувстви­тельностью к условиям контактирования деталей, а также оснащенных элементами технического зрения. Существует тенденция слияния ме­тодов обработки резанием и сборки в одном технологическом комп­лексе. При всех видах сборки, применяемых в машиностроении, наи­большее внимание уделяется регламентированию условий проведения процесса собственно соединений отдельных деталей с целью создания качественной машины. Поузловая сборка и испытания, испытания и диагностика всей машины являются важнейшим и завершающим этапом технологического процесса создания машины.

Все сказанное существенно для обеспечения качества машин в производстве. Вся цепочка технологических основ должна анализи­роваться и соблюдаться при создании машин в общей системе стадий жизненного цикла.

2. Машиностроительные материалы и способы обеспечения заданных свойств

Обеспечение качества стали и чугуна. Среди машино­строительных материалов первостепенное значение имеют стали и чу- гуны. Отношение мирового производства стали к алюминию в 1967 г. было 32 : 1, а к 2000 г. составило 19:1.

Качество стали определяется технологией ее выплавки, допол­нительной внепечной обработкой жидкой стали и переплавом слитков.

Основная масса углеродистой стали выплавляется в мартеновских печах, кислородных конвертерах, а также в дуговых электропечах. Уг­леродистые стали обыкновенного качества и качественные не разделя­ются по технологии выплавки и требования к ним определяются ГОСТ 380—71 и ГОСТ 1050—74.

Углеродистые стали общего назначения (ГОСТ 380—71) произво­дят в виде разнообразной горячекатанной продукции — листов, балок, прутков, труб, швеллеров, а также в виде кованых и литых заготовок, в том числе полученных на машинах непрерывного литья заготовок. Как наиболее дешевые эти стали выплавляют по нормам массовой тех­нологии и в них допускается наиболее высокое содержание вредных примесей, повышенная загрязненность неметаллическими включения­ми и сравнительно высокое содержание газов — азота и водорода. Стальной лист представляет собой особенно ценный для машинострое­ния вид продукции сталеплавильных заводов. Качество листа из угле­родистой стали общего назначения и качественной конструкционной стали регламентируется ГОСТ 16523—70. На поверхности листов не допускаются металлургические дефекты (закаты, плены, вкатанная окалина и т. д.).

Качество стали определяется содержанием вредных примесей, од­нородностью химического состава и структуры. Вредными примеся­ми являются прежде всего сера, фосфор, мышьяк, кислород, азот и водород.

Качество стали зависит также от характера раскисления при вы­плавке. Раскисление — это процесс удаления кислорода из жидкой стали, что совершенно необходимо для обеспечения прочности и пре­дупреждения крупного разрушения при горячем деформировании. Раз­личают спокойные, полуспокойные и кипящие стали. Спокойные стали

раскисляют марганцем, кремнием, алюминием, и содержание кислоро­да в них снижается до 0,005—0,006%, а в высококачественных сталях — даже до 0,002—0,003%. Эти стали затвердевают спокойно, без вы­деления газов.

Кипящие стали раскисляют марганцем до содержания кислорода 0,02—0,04% и разливают на слитки. Кислород, частично взаимодейст­вуя с углеродом, удаляется в виде СО (угарного газа). Выделение пу­зырей СО создает впечатление кипения стали, чем объясняется ее на­звание.

Высококачественные и качественные стали выпускают только спо­койными, а углеродистые стали с содержанием до 0,25% выплавляют спокойными, полуспокойными и кипящими. В обозначениях марок стали добавляются соответственно буквы сп, пс и кп.

Кипящие стали дешевле спокойных, при их выплавке выход годно­го увеличивается на 3—5% по сравнению со спокойными сталями, кроме того, экономятся ферросплавы.

До половины объема выпуска низкоуглеродистых сталей — кипя­щие. Из кипящей стали изготовляют фасонный прокат (балки, швел­леры, уголки), толстый и тонкий лист, сварочную и вязальную прово­локу. Особую ценность имеет кипящая сталь как материал для глу­бокой вытяжки. В этом случае химический состав стали характеризу­ется низким содержанием углерода (0,07—0,2%), кремния (не более 0,01%), серы (0,016—0,020%) и фосфора (0,015—0,020%). Ее механи­ческие свойства: а_в = 320...330 МПа, а_т= 195...228 МПа, 5-34%. Склонность к старению уменьшают при помощи микролегирования такими элементами, которые образуют с азотом прочные нитриды и выводят его из раствора. Показано, что добавка 0,01—0,07% А1 или 0,03% V устраняет склонность стали к старению. Аналогично действуют добавки 0,1% Nb или 0,25—0,35% Сг, но сталь при этом оказывается прочнее и ее трудно штамповать. Склонность к старе­нию можно устранять отжигом, при котором азот выделяется из рас­твора в виде нитридов. Чаще используют отжиг ниже температуры AI, но это удорожает сталь.

Полуспокойная сталь имеет повышенный выход годного по срав­нению со спокойной и менее выраженные недостатки по сравнению с кипящей сталью.

В будущем производство кипящей и полуспокойной сталей как ме­нее качественных сократится благодаря развитию непрерывной разлив­ки стали. При получении непрерывного слитка выход годного увели­чивается до 95—98% и кипящая сталь теряет главное преимущество по сравнению со спокойной — более высокий выход годного. Техно­

логия выплавки кипящей стали сохранится в производстве тонкого ли­ста и жести, где повышенная пластичность кипящей стали является важным технологическим преимуществом.

Стали повышенной обрабатываемости резанием по легкости обра­ботки превосходят обычные углеродистые стали. Это свойство обеспе­чивается металлургическими средствами, а именно — добавками не­больших количеств элементов, которые сами или благодаря образова­нию соединений уменьшают трение между стружкой и инструментом в зоне резания и, кроме того, уменьшают пластичность металла так, что стружка становится сыпучей (скалывания) и легко отделяется.

Для улучшения обрабатываемости резанием в сталях прежде все­го увеличивают содержание серы, а также дополнительно вводят се­лен, свинец, кальций, теллур. Сернистые стали повышенной обраба­тываемости резанием All, А12, А20, АЗО, А35, А40Г содержат 0,08—0,30% серы, 0,05—0,15% фосфора. Одновременно в них увели­чивается содержание марганца (0,70—1,55%), чтобы получить суль­фид марганца вместо сульфида железа и предупредить появление красноломкости при горячей обработке давлением. Повышенное со­держание фосфора увеличивает хрупкость феррита, способствуя лег­кому отделению и дроблению стружки. При прокатке стали повы­шенной обрабатываемости резанием включения сульфида марганца раскатываются в ленточки и волокна, и поэтому прокат получается неоднородным по механическим свойствам. В поперечном направле­нии по отношению к направлению прокатки понижена пластичность, вязкость, уменьшено сопротивление усталости. Кроме того, автомат­ные сернистые стали сопротивляются коррозии хуже обычных угле­родистых сталей.

Указанные недостатки ограничивают область применения серни­стых сталей повышенной обрабатываемости резанием, они использу­ются для мелких крепежных деталей и малонагруженных деталей сложной формы, где важны шероховатость поверхности и точность размеров.

Для повышения качества стали применяют внепечную обработку жидкого металла, микролегирование и внепечную обработку. Переплав увеличивает стоимость стали на 40—50%, его применяют при изготов­лении наиболее ответственных и тяжело нагруженных деталей массой до 50 т.

Новым направлением повышения качества стальных изделий является производство слитков из армированной квазимонолитной стали (АКМ). Сущность технологии сводится к внепечной обработке стали и ее раз­ливке в изложницы с использованием армирующих вкладышей — объ­

емных конструкций из листа, сортового проката, металлической сетки. В крупных слитках вкладыши уменьшают ликвацию серы и фосфора. По качеству сталь АКМ близка к стали электрошлакового переплава, но дешевле ее.

Повышения качества деталей машин при сокращении трудоемко­сти и отходов металла можно добиться при переходе на порошковую металлургию. При изготовлении деталей из металлических порошков отпадают проблемы качества, связанные с ликвацией, растворенными газами и неметаллическими включениями. Порошковые детали одно­родны по структуре и механическим свойствам. Обычная технология прессования деталей из порошков и последующего спекания не позво­ляет получить в порошковом материале такую же прочность, какую имеет обычный прокатанный металл. Однако горячая ковка деталей из порошков в штампах дает возможность получать детали с высокой плотностью и повышенными механическими свойствами.

Дальнейшим резервом повышения качества станет производство стали из металлизированных окатышей (губчатого железа), отличаю­щихся чистотой от вредных примесей (S, Р, газы), и более широкое использование термической обработки прокатанной стали для повыше­ния прочности и хладостойкости.

Чугун является основным материалом литых деталей машин, на долю чугунных отливок приходится около 75% всей массы литья в ма­шиностроении. Это объясняется экономичностью чугуна и комплексом его свойств, зависящих от количества, формы и размеров графитных частиц, а также от структуры металлической основы.

Качество отливок из чугуна обеспечивается выбором шихты, оп­тимизацией плавки и комплексом мер для получения требуемой структуры. Самым действенным способом повышения свойств чугун­ных отливок является модифицирование, имеющее форму и размеры частиц графита, а также структуру основы. Современным направле­нием производства чугунов для отливок является плавка в электропе­чах взамен вагранок. В этом случае обеспечивается более точный хи­мический состав чугуна, возможна выплавка чугунов с низким содер­жанием углерода (2,2—2,5%) и серы (0,02%), которые нельзя выпла­вить в вагранках.

Пониженная прочность и практически полное отсутствие пластич­ности, обусловленное пластинчатой формой графита, — главный недо­статок серого чугуна. Наименьшую прочность (100—180 МПа) имеют серые чугуны с ферритной основой, в чугунах с перлитной основой прочность почти в 2 раза выше. Несмотря на хорошие технологиче­ские свойства, малую чувствительность к концентраторам напряжений и демпфирующую способность, применение серого чугуна ограничено

областью мало- и средненагруженных деталей из-за недостатка проч­ности. Структура и свойства серого чугуна определяются его химиче­ским составом и скоростью охлаждения при затвердевании. Серые чу- гуны чувствительны к скорости охлаждения; в толстостенных отлив­ках увеличивается доля феррита в металлической основе и возрастают размеры графитных пластин, что уменьшает прочность.

Чугун с шаровидным графитом является высокопрочным, он пре­восходит серый чугун по прочности и пластичности, а также износо­стойкости. Благодаря шаровидной форме графита прочность меньше зависит от содержания углерода, которое в высокопрочных чугунах находится в пределах 3—3,6%.

Высокопрочный чугун отличается от серого чугуна повышенной усадкой (соответственно 1,25 и 1%) и имеет значительную усадочную пористость (около 5%).

Вермикулярный графит представляет собой короткие утолщенные пластины с закругленными краями. Чугун с вермикулярным графитом является новым типом чугуна, по литейным свойствам он близок серо­му чугуну, что упрощает изготовление отливок.

Резервом повышения прочности чугунных отливок является терми­ческая обработка. Благодаря увеличению доли перлита в основе или получению бейнитной структуры повышаются прочность и твердость чугуна, но уменьшается пластичность. Термическое упрочнение ис­пользуют преимущественно для отливок из легированных чугунов.

Модифицированные чугуны ограничили применение ковкого чугу­на. Последний используется в производстве мелких тонкостенных от­ливок, когда практически невозможно предотвратить отбел.

Во всех материалах возможно появление трещин и трещиноподоб­ных дефектов металлургического или технологического происхожде­ния. В вязких материалах у вершин трещины в результате перемеще­ния дислокаций происходит местная пластическая деформация, трещи­на становится менее острой, металл упрочняется. В хрупких материа­лах дислокации заблокированы, упрочнение в устье трещины не про­исходит, и трещина развивается, вызывая хрупкое разрушение при на­пряжениях, значительно меньших предела прочности. Именно поэтому материалы с ионным и ковалентным типами связей находят ограни­ченное применение в промышленности как высокопрочные материалы. Высокопрочные материалы должны иметь способность тормозить раз­витие трещин благодаря некоторой подвижности дислокаций. Способ­ность тормозить развитие трещин определяется величиной критерия трещиностойкости К. Ирвина К\_с. Критерий Ирвина связан простым соотношением с длиной трещины, способной вызвать хрупкое разру­шение,

к* =^астс_РА/ч7.

тенита и не растворившихся при нагреве под закалку карбидов, обла­дающая высокой твердостью и износостойкостью.

Имеется много разновидностей диффузионного насыщения сплавов металлами и неметаллами (бором, кремнием).

Как в процессе цементации, так и при закалке и последующем от­пуске происходят объемные изменения. При этом создаются значи­тельные внутренние напряжения сжатия, способствующие повышению трещиностойкости. Результатом структурных преобразований и внут­ренних напряжений является деформация и изменение размеров це­ментированных деталей, возникает необходимость восстановления нужных размеров и качества поверхности дополнительной механиче­ской обработки (шлифованием).

Обычная химико-термическая обработка с закалкой и отпуском, хотя и оказывает большое влияние на свойства изделия, однако во многих случаях является явно недостаточной. Она в наибольшей сте­пени подходит для повышения износостойкости, коррозионной стойко­сти и в меньшей степени для повышения сопротивления возникнове­нию и распространению трещин. Для улучшения трещиностойкости применяют механический метод поверхностного пластического дефор­мирования: обдувка дробью, стальными шариками, обкатывание роли­ками, выглаживание, чеканка. При пластическом деформировании по­верхности остаточный аустенит превращается в мартенсит мелкодис­персный. Это не только повышает механические свойства поверхност­ного слоя, но и сопровождается возникновением остаточных сжимаю­щих напряжений, наличие которых приводит к повышению трещино­стойкости.

Эффективными методами, которые значительно расширяют воз­можности воздействия на характеристики поверхностного слоя мате­риала, являются разработанные электронно-лучевые и ионно-плазмен­ные методы.

3. Технологическая наследственность

Изменение свойств любых изделий в процессе их изготовления и эксплуатации можно объяснить явлениями технологической наслед­ственности. Технологической наследственностью можно назвать явле­ние переноса свойств объектов от предшествующих технологических операций к последующим. Сохранение этих свойств у деталей машин называют технологическим наследованием.

Носителями наследственной информации является собственно мате­риал детали, а также ее поверхности с многообразием параметров, опи­сывающих состояние этих поверхностей. Носители информации активно

участвуют в технологическом процессе, проходя через различные опера­ции, в ходе которых они могут менять свои свойства частично и полно­стью. Типичной операцией, задерживающей или исключающей переда­чу наследственных свойств, является термическая обработка.

Технологические системы могут быть представлены как детерми­нированные, так и вероятностные. В первом случае не возникает ника­кой неопределенности в формировании показателей качества детали. Для вероятностной системы нельзя сделать точного, детального пред­сказания.

Для обеспечения качества изделий следует управлять процессом технологического наследования. Свойства с положительным эффектом нужно развивать, с отрицательным эффектом — ослаблять. Для прак­тических целей важно установить не только качественные, но и коли­чественные связи технологического наследования. Передачу свойств оценивают коэффициентом технологического наследования. Такие ко­эффициенты представляют собой простые дроби, у которых числитель указывает на количественное выражение величины, отражающей дан­ное свойство до проведения соответствующей операции, а знаменатель — после ее проведения.

В ходе технологического процесса наследуются самые различные свойства обрабатываемого объекта. Особенно ощутимо влияние на ка­чество деталей наследования свойств материала, обрабатываемых заго­товок. Обнаружение наследственных структурных пороков часто про­исходит на финишных операциях, когда уже поздно что-либо предпри­нять. Технологический процесс при отрицательных свойствах должен строиться так, что на начальных операциях работа должна проводить­ся с относительно большими значениями коэффициентов наследова­ния, а на конечных — с небольшими.

Контрольные вопросы

1. Раскройте кибернетическую особенность стандартизации технологических объектов.

Из какой совокупности состоят процессы управления технологическими объекта­ми стандартизации?

Из какой совокупности состоят процессы управления ЕСТПП?

Какие свойства характеризуют эффективность управления ТПП ТС в системе ры­ночной экономики?

Из каких видов состоит статистический контроль в управлении производством?

Из какой совокупности состоят процессы управления технологическими процес­сами?