5.3. Структура задач оптимизации технологических режимов работы оборудования

В условиях современного производства основной частью нор­мы времени чаще всего является машинное (аппаратурное) время, величина которого определяется режимами работы обо­рудования. Так, при механической обработке машинное время рассчитывается на основе соотношения между длиной пути и скоростью перемещения инструментов. Эти величины в свою очередь устанавливаются исходя из параметров режима обра­ботки: глубины, подачи и скорости резания.

Как было показано в разд. 2.8, при оптимизации технологи­ческого и трудового процессов должны указываться ограниче­ния по необходимому производственному результату, условиям труда, использованию средств производства и объемам произ­водственных ресурсов. Выбор оптимального варианта должен осуществляться по критерию минимума суммарных затрат на заданную программу выпуска продукции.

Рассмотрим структуру задач оптимизации режимов техноло­гического процесса на примере обоснования режимов механи­ческой обработки деталей на металлорежущих станках. Эти зада­чи анализируются в технической и экономической литературе уже в течение десятилетий. Одна из первых попыток оптимиза^А ции режима резания была предпринята Ф. У. Тейлором, который известен своими работами не только по организации и норми­рованию труда, но и по технологии обработки металлов [Илек и др. С. 85]. При оптимизации режимов резания определяются наиболее эффективные значения скорости резания подачи и глубины т. е.

Область допустимых значении v, s, t определяет система ог­раничений. Прежде всего должны соблюдаться технические ог­раничения, обусловленные характеристиками предметов труда, инструментов, приспособлений и оборудования. К числу этих характеристик относятся свойства обрабатываемого материала, требуемая точность и чистота обработки детали, статические и динамические характеристики станка, конструкция, материал, геометрические параметры, допустимый износ инструмента, жесткость системы «станок—приспособление—инструмент—де­таль» (СД) и т. д.

В частности, при установлении режима резания должны со­блюдаться ограничения вида:

где — усилие на элемент системы соответствую-

щее определенному варианту режима резания; — допустимое усилие на элемент системы СД.

Так, допустимость той или иной подачи проверяется по прочности державки резца и пластинки твердого сплава, по величине прогиба детали, возникающего вследствие радиально­го усилия резания, и по прочности механизма подачи стайка.

Наряду с ограничениями типа (5.3.2) должны соблюдаться ограничения, обусловленные параметрами применяемого обо­рудования. В частности, выбранное число оборотов шпинделя п (X) должно соответствовать допустимому числу оборотов и^д, указанному в паспорте станка.

В общем виде подобные ограничения записываются следую­щим образом:

(5.3.3)

Такая запись означает, что величины должны соответствовать множеству Допустимых значений

Из группы ограничений по условиям труда следует учиты­вать требования, обусловленные необходимостью удобного и безопасного отвода стружки из зоны резания. Для этого выбира­ют соответствующую геометрию инструмента, параметры режи­ма резания, защитные приспособления. Психофизиологические и социальные ограничения, обусловленные конструкцией обо­рудования, должны учитываться при его проектировании.

При выборе режима резания большое значение имеют огра­ничения по программе выпуска продукции и использованию фонда времени оборудования. В существующих методиках эти ограничения учитываются недостаточно, хотя для выбора эко­номически наиболее эффективного режима обработки они яв­ляются одними из важнейших.

Зависимость объема выпуска продукции от режима резания характеризуется двумя обстоятельствами. С одной стороны, уве­личение скорости резания приводит к уменьшению машинного времени на единицу продукции, с другой — при увеличении скорости существенно уменьшается стойкость инструмента, Увеличивается число его переточек и, как следствие, увеличи­вается время простоев оборудования, вызванных заменой инст­рументов.

Чтобы учесть эти обстоятельства при выборе оптимального Режима резания, будем исходить из того, что на каждом станке можно выделить три состояния: машинную работу (резание), простой во время и в ожидании смены инструмента и простой по всем остальным причинам. Соответственно можно записать:

где — коэффициент использования оборудования по машин­ному времени (удельный вес машинного времени в фонде вре­мени работы станка); — доля времени простоев оборудова­ния при замене инструментов; — доля времени простоев оборудования по остальным причинам.

Значениям Х(т. е. скорости резания, подаче, глубине) соот­ветствуют определенные величины машинного времени на еди­ницу продукции. На основе этих величин для каждого X можно установить величину коэффициента использования оборудова­ния по машинному времени — необходимому для вы­полнения производственной программы:

где — программа выпуска деталей в планируемом

периоде; — машинное время на единицу продукции

вида; — располагаемый фонд времени одного станка в плани­руемом периоде; - количество используемых единиц обору­дования.

Наряду с коэффициентом машинного времени каждому ва­рианту режима обработки соответствует коэффициент просто­ев, связанных с заменой инструментов, — Эта величина рассчитывается исходя из стойкости режущего инструмента, определяющей частоту его переточек, и времени на смену инст­румента, которое зависит от организации обслуживания рабо­чих мест. В частности, если рабочий-станочник сам затачивает и меняет инструмент, время на смену инструмента будет вклю­чать продолжительность действия рабочего по снятию инстру­мента, его заточке, установке и переходов. При централизован­ной заточке и доставке инструмента на рабочее место время на смену инструмента будет определяться продолжительностью действий по снятию затупившегося и установке нового инстру­мента.

Величину можно определить по формуле:

(5.3.6)

где — среднее количество простоев оборудования во время замены или подправки инструмента за период (при прочих равных условиях величина пропорциональна стойкости

инструмента); — среднее время на одну замену (подправ­ку) инструмента.

Коэффициент машинного времени, который можно реально обеспечить при данной системе замены инструментов, устанав­ливается исходя из формул (5.3.4) и (5.3.6). Величина в фор­муле 5.3.4 при расчетах режима резания может быть либо неза­висимой от (при обслуживании рабочим одного станка), либо связанной с ним зависимостью, близкой к функциональной (при многостаночной работе)¹. В дальнейшем будем считать, что величина однозначно определена. При этом на основе фор­мул (5.3.4) и (5.3.6) имеем:

Таким образом, каждому варианту режима обработки и каж­дой системе организации обслуживания рабочих мест соответ­ствуют определенные величины коэффициентов Для выполнения программы выпуска продукции необходимо, чтобы соблюдалось ограничение:

Оптимальный вариант, удовлетворяющий ограничениям (5.3.2), (5.3.3) и (5.3.82, Д°^лжен определяться по критерию минимума суммарных затрат на заданную программу выпуска продукции.

¹ При многостаночной работе от стойкости инструмента зависит среднее время работы станка без участия рабочего. Это время непос­редственно влияет на величину нормы обслуживания, а следователь­но, и на среднее время простоя станка в ожидании обслуживания.

В условиях действующего производства при фиксированном количестве единиц используемого оборудования варианты ре­жимов обработки будут различаться в основном расходами: на оплату труда рабочих — инструмент — и на элект-

роэнергию — . В этом случае целевой функции (5.3.9) будет эквивалентна функция:

На основе соотношений (5.3.2), (5.3.3), (5.3.8), (5.3.9) струк­туру задачи оптимизации технологического режима в условиях действующего производства при фиксированном количестве единиц оборудования можно представить в следующем виде: найти

при котором

Расчеты при выборе оптимального режима резания выпол­няются в следующем порядке.

1. В соответствии с требованиями к точности и чистоте обра­батываемой поверхности и с величиной припуска устанавлива­ется глубина резания t. При черновой обработке стремятся рабо­тать с максимальной глубиной резания, допустимой системой СД. Чистовая обработка ведется при небольшой глубине резания. Так, если при обработке на токарном станке припуск составля­ет 5 мм, то черновая обработка может вестись при а чистовая — при

2. Исходя из принятой глубины резания выбирается подача, обеспечивающая выполнение требований к качеству обработки с учетом геометрии инструмента и допустимых усилий в систе­ме СД. Величина подачи при чистовой обработке регламентиру­ется в основном необходимым качеством обрабатываемой по­верхности.

3. На основе глубины резания и подачи устанавливается ско­рость резания. При этом учитываются: требуемая точность и чистота обработки, геометрия и материал инструмента, меха­нические характеристики и материал заготовки, допустимые усилия в системе СД, экономически наиболее эффективные периоды стойкости инструмента.

4. Для выбранной скорости резания определяются число обо­ротов шпинделя, необходимая мощность станка и двойной кру­тящий момент. Эти величины сопоставляются с паспортными данными станка. Исходя из уточненного числа оборотов шпин­деля рассчитывается фактическая скорость резания.

В зависимости от конкретных производственных условий и возможностей применения вычислительной техники на практи­ке используются различные методики установления режимов обработки. При оперативном нормировании чаще всего исполь­зуются общемашиностроительные нормативы режимов реза­ния, а также различного рода таблицы и номограммы, позволя­ющие сократить трудоемкость технологических расчетов. Наряду с этим все большее применение получают автоматизированные системы технологического проектирования и нормирования труда, важнейшей частью которых являются алгоритмы и про­граммы оптимизации режимов обработки.

В связи с расширяющимся применением оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ) и гибких автома­тизированных производств (ГАП) наиболее перспективными являются комплексные системы проектирования производ­ственных процессов, включающие комплексы взаимосвязан­ных расчетов по выбору оптимальных вариантов последова­тельности обработки, технологического оборудования, инстру­мента, приспособлений, режимов резания, по определению всех составляющих нормы времени с учетом масштабов выпус­ка продукции и этапов ее освоения. Результаты расчетов выда­ются в виде технологб-нормировочных карт, в которых для каждой операции указываются: оборудование, инструмент, приспособления, режимы обработки, норма времени и разряд работы. Наряду с этим при выполнении операции на станке с числовым программным управлением выдается программа ра­боты станка.

После выбора оптимального варианта режима обработки ма­шинное время на операцию однозначно определяется установ­ленными значениями технологических параметров. Так, при обточке детали на токарном станке машинное время определя­ется по формуле:

где — длина пути инструмента в направлении подачи, мм;

— длина обрабатываемой поверхности, мм; — длина вре­зания инструмента, мм; — длина перебега инструмента, мм;

— число оборотов в минуту; — подача в мм на оборот; — подача в мм/мин; — число рабочих ходов (проходов),

определяется соотношением припуска на обработку и глубины резания при каждом рабочем ходе, т. е. =