Введение

Человечество воздействует на природные объекты, изменяет их в целесообразном для него направлении с давних времен не с помощью органов человека, а с использованием специальных устройств, среди которых важнейшее место занимают машины.

Машина – это устройство для преобразования природных объектов, энергии, информации с помощью механического движения. В свою очередь, достаточно условно, машины можно подразделять на технологические, изменяющие свойства материальных объектов, транспортные, изменяющие положение материальных объектов в пространстве, и энергетические, преобразующие энергию из одного вида в другой.

Но человек воздействует на природу не только с помощью машин. Некоторые процессы воздействия реализуются за счет химических или физических реакций, а устройства для их реализации называются реакторами, аппаратами и т.д. Но создание любых искусственных объектов, в том числе и самих машин, в настоящее время, немыслимо без применения машин. Исходя из этого, даже тип нашей цивилизации (или данный период ее развития) определяют иногда как технологический или машинный.

Поэтому, как ни странно, технология машиностроения является основополагающей, базовой наукой, развитие которой определяет возможности общества, уровень жизни его членов и все достижения в других отраслях.

И производство продуктов питания, предметов одежды зависит от уровня развития сельскохозяйственных машин и машин переработки.

Уровень развития вычислительной техники зависит от уровня развития специальных машин для производства интегральных схем. (Надо отметить, что интегральные схемы производят многие страны мира, а машины для их производства не более 5 стран).

Свойства машин, создаваемых человеком, достаточно многообразны и могут быть объединены в несколько групп:

1. Функциональные свойства, проявляющиеся при взаимодействии объекта с человеком или другими объектами при его функционировании (использовании). Это скорость автомобиля, его вместимость, мощность электрогенератора, высота подъема самолета и т. д.

2. Экономические – производительность, стоимость эксплуатации, потребление энергии и т.д., свойства, отражающие затраты энергии, материалов, информации на создание объекта и поддержание его свойств в процессе использования.

3. Экологические – выделение вредных или ядовитых веществ, излучений, шумовое воздействие и т.д., сопутствующие объекту свойства, которые не могли быть сведены к «нулю» при его создании, вредные для создателя свойства. Часто такие свойства даже не могут быть спрогнозированы при создании этих искусственных объектов.

Эти свойства закладываются конструктором при проектировании машины и возникают только после ее сборки из отдельных деталей. Как отмечалось в курсе ТКМ, любая деталь, как объект производства, обладает 5-тью категориями свойств, которые должны быть обеспечены при ее изготовлении. Свойства же машины возникают только после ее сборки из деталей, а значит, зависят от взаимодействия этих деталей друг с другом, окружающей средой. Взаимодействуя друг с другом, детали могут быть неподвижны относительно друг друга или подвижны, воздействовать друг на друга механически, химически, электрическими и магнитными полями, передавать тепловые потоки и т.д.

Как связать будущие свойства проектируемой машины со свойствами отдельных деталей - основная задача конструктора проектировщика, причем настолько сложная, что на пути ее решения еще огромное количество проблем, и часто, решение достигается только на пути творческого озарения отдельных гениально мыслящих людей. Недаром, всемирно известны конструктора новой техники, такие как Калашников, Королев, Сикорский, Вернер фон Браун и многие другие.

Почему же машина состоит из отдельных деталей?

Во – первых, для реализации механического движения ее отдельные части должны быть подвижны относительно друг друга, т.е. отделены. Конечно, можно представить, что когда-то будут созданы материалы, обладающие управляемой податливостью, и механическое движение отдельных частей машины будет возможно без разрыва связей между этими частями (типа щупальца осьминога).

Во-вторых, разные части машины должны обладать разными свойствами и их приходится изготавливать из разных материалов в виде отдельных деталей, а потом соединять между собой.

В–третьих, форма современных искусственных объектов, машин, может быть настолько сложной, что современные технологические методы не позволяют получать ее без разделения объекта на более простые части (детали) с последующим их соединением.

Несмотря на эти 3 ограничения, можно представить, что когда-то, в будущем, эти ограничения станут несущественными, и машины будут создаваться в ходе единого технологического процесса.

Надо отметить, что процесс создания машин принципиально отличается от природных процессов появления естественных объектов. Мысленно представив образование дерева из семечка, сравните его с процессом создания токарного станка. Причем, дерево, явно, более сложный объект, так как может производить себе подобных. Не говоря уж о человеке. Поэтому, рассматривая технологические процессы, освоенные человеком, восхищаясь его творческими достижениями, надо помнить, что впереди еще много достижений в развитии технологии и не исключены ее революционные преобразования.

Некоторые интересные тенденции обнаруживаются в развитии технологий уже в настоящее время. Так, развитие ионных технологий показало, что можно создавать единые объекты, определяя в разных его местах любые, наперед заданные, свойства. Интегральная схема, состоит из многих миллионов компонентов, создающихся параллельно в едином технологическом процессе. Процессы «атомной» сборки интенсивно развиваются не только с целью создания объектов радиоэлектроники, но и определяются пути создания с помощью этих технологий «микромашин» и других объектов.

Технология машиностроения в настоящее время развивается исключительно высокими темпами и, являясь базовой наукой нашей цивилизации, немедленно использует все достижения физики, химии, математики, вычислительной техники.

Вопросы для самопроверки:

1. Какие типы машин используются человечеством?

2. Какие виды воздействия, кроме механического, используются для преобразования природных объектов?

3. Какие превращения видов энергии осуществляют применяемые человечеством машины?

4. Какие категории свойств машин, являются существенными при оценке их качества?

5. Какие категории свойств обеспечиваются при изготовлении деталей машин?

6. Почему машины состоят из отдельных деталей?

Образец карты тестового контроля:

1. Какие машины относятся к технологическим:

а). Металлорежущие станки

б). Грузовые автомобили

в). Подъемные краны

2. Какие устройства относятся к категории машин:

а). Паровая турбина

б). Паровой котел

в). Паровой молот

3. Для каких видов превращения энергии не используются машины:

а). Тепловой в механическую

б). Механической в электрическую

в). Электрической в химическую

4. Какие свойства машины относятся к категории экономических:

а). Производительность

б). Удельное потребление топлива

в). Максимальная скорость движения

5. Кто определяет требуемые свойства деталей машины и из каких соображений:

а). Конструктор, исходя из требуемых свойств машины

б). Технолог, исходя из максимальной производительности изготовления машин

в). Экономист, исходя из минимальной себестоимости изготовления деталей

1. Структура и общие принципы проектирования процесса производства машин

Современные изделия отличаются настолько высокой сложностью, что не могут быть получены при применении, какого либо одного, даже самого совершенного, метода.

Например, пластмассовые детали шариковой авторучки получены литьем под давлением, наконечник пишущего стержня обработан токарным методом, шарик прошел несколько стадий обработки, и его свойства окончательно сформированы абразивной обработкой. Свойства же самой авторучки возникли только после завершения процесса сборки всех ее частей (деталей) в единое целое.

Поэтому готовые изделия получают, применяя множество методов обработки, которыми воздействуют на полуфабрикаты и природные материалы в ходе производственного процесса.

Под производственным процессом понимают всю совокупность действий людей для превращения сырья, материалов в полезную для человека продукцию.

Как видно из примера изготовления авторучки, воздействие осуществляется на материалы, которые прошли уже довольно значительную стадию обработки. Так, пластмасса в гранулах, загружаемая в литьевую машину, получена на химическом предприятии, наконечник изготавливается из латунного прутка, полученного в длительном металлургическом процессе, состоящем из выплавки сплава, отливке, прокатке, прессования, волочения.

В производственном процессе изделие может находиться неопределенно долгое время, так как он включает в себя не только стадии изменения продукта в процессе труда, но и стадии транспортировки, и стадии ожидания (пролеживания). Сами эти стадии не связаны с изменением объекта труда и в сферу деятельности технолога не входят. Однако сокращение этих стадий является одной из важнейших задач экономиста, организатора производства. И надо отметить, что в зависимости от уровня организации современного производства, непроизводительно затрачиваемое время может составлять от 30 до 90% всего времени производственного цикла. Поэтому, с точки зрения организации производства, идеальным вариантом было бы производство готового изделия непрерывно, каким-либо одним технологическим методом.

Однако изменения для получения требуемых свойств современного продукта удается получить только в ходе технологического процесса – содержащего целенаправленные действия по изменению или определению свойств предмета труда. Определение свойств предмета труда происходит как при изменении, так и после изменения свойств, в ходе контроля качества полученного продукта.

В соответствии с применением многих методов обработки технологический процесс состоит из операций, его частей выполняемых непрерывно на одном рабочем месте. Часто операция выполняется с применением какого-либо одного технологического метода, например, токарная операция, фрезерная, термическая и т.д. Однако развитие современного технологического оборудования, появление обрабатывающих центров позволяет включать в операцию многие технологические методы. Так, на некоторых станках можно точить заготовки, фрезеровать, обрабатывать отверстия и даже производить термическую обработку. В то же время заготовка может обрабатываться одним технологическим методом на нескольких операциях. Иногда, экономически целесообразно обработать все заготовки точением сначала с одной стороны, а потом, также точением, на другой операции, с другой стороны.

Современные ответственные детали машин могут быть изготовлены только при применении сложных технологических процессов, состоящих из десятков и даже сотен операций.

Сама технологическая операция может иметь достаточно сложную структуру и состоять из переходов, рабочих и вспомогательных ходов, установов, позиций и т.д.

Технологический переход – законченная часть технологической операции, выполняемая одними и теми же средствами технологического оснащения при постоянных технологических режимах и установе.

Установ – часть технологической операции, выполняемая при неизменном закреплении заготовки.

В отличии от установа, позиция - фиксированное положение, занимаемое заготовкой относительно инструмента или неподвижной части оборудования в процессе обработки.

Естественно, что выбор структуры технологического процесса определяется требованиями к объекту производства. Если эти требования можно обеспечить при применении, какого – либо, только одного из многих, технологического метода, то структура технологического процесса могла бы быть очень простой. Однако, обычно, конечные свойства продукта можно обеспечить только последовательным применение нескольких методов, причем эта возможная цепочка методов может быть многовариантной. Так, деталь типа вала, можно изготовить из круглого проката, из штампованной заготовки, из заготовки полученной поперечной прокаткой, токарным методом, шлифованием и т.д. и во всех этих случаях могут быть обеспечены требуемые категории свойств данной детали машины. Естественно предположить, что какой-то из выбранных технологических процессов окажется экономически более выгодным – оптимальным.

Причем выгодность данного процесса будет определяться не только свойствами получаемого продукта проявляющимися в процессе его эксплуатации, а и суммарными затратами на его изготовление в тех или иных условиях.

Если требуется изготовить только одну деталь для данной уникальной машины, то затраты на закупку (или проектирование и изготовление) специального оборудования, оснастки вряд ли окупятся, а затраты с нерациональным использованием материала и низкой производительностью производства на универсальном оборудовании могут быть экономически приемлемыми.

Если же требуется изготавливать многие миллионы деталей для машин массового спроса, затраты на подготовку производства, которые могут быть чрезвычайно высоки (как например в автомобилестроении), безусловно окупятся высокой производительностью и экономией при рациональном использовании материалов.

Выбор структуры технологического процесса во многом определяется и типом производства, который зависит от широты номенклатуры производимых изделий, регулярности, стабильности и объемов их выпуска.

Объем выпуска изделий – количество изделий определенных наименований, типоразмеров и исполнения, изготавливаемых предприятием в течении планируемого интервала времени.

Типы производства подразделяются на единичное, серийное и массовое в зависимости от коэффициента закрепления операций – отношения числа всех различных технологических операций выполняемых в течении месяца, к числу рабочих мест.

Единичное производство характеризуется широкой номенклатурой изготавливаемых изделий при малом объеме их выпуска. Причем повторяемость изготовления отсутствует или редка (во всяком случае заранее не планируется). Такое производство характерно для тяжелого машиностроения, судостроения. В этом производстве рационально использовать универсальное оборудование, оснастку, инструмент. Оборудование обычно располагается по методам обработки, например, токарный участок, фрезерный участок и т.д. Коэффициент закрепления операций более 40.

Рабочие в таком производстве выполняют разнообразные операции, что требует от них соответствующей высокой квалификации.

Серийное производство характеризуется определенной, более узкой номенклатурой изделий, изготавливаемой повторяющимися партиями.

В зависимости от коэффициента закрепления операций (Кз), различают мелкосерийное (Кз=20…40), среднесерийное (Кз=10…20) и крупносерийное (Кз=2…10) типы производства. В этих условиях, в зависимости от серийности, может применяться как универсальное, так и специализированное и специальное оборудование. Рабочие, в зависимости от уровня специализации рабочих мест, могут иметь различную квалификацию.

Экономически, более оправданной, при этом является предметная форма расстановки оборудования, что сокращает транспортные потоки и время пролеживания заготовок в ожидании выполнения следующей операции.

Это могут быть участки изготовления корпусов, зубчатых колес, рычагов и т.д. В таком типе производства изготавливаются станки, самолеты, серийные суда, турбины и т.д.

Массовое производство характеризуется узкой номенклатурой и большим объемом выпуска изделий (Кз=1), непрерывно изготавливаемых в течении длительного времени. Обычно это изделия потребляемые людьми. Автомобили, компьютеры, холодильники и другая бытовая техника, безусловно, объекты массового производства. Боеприпасы тоже можно отнести к изделиям, потребляемым людьми (при определенных условиях).

При этом повторяемость выполнения одной и той же операции на каждом рабочем месте требует применения рабочей силы низкой квалификации, простота операций позволяет значительно легче их автоматизировать.

Применяется поточная форма организации производства, при которой оборудование располагается в порядке выполнения операций, длительность которых выравнивается при построении технологического процесса, что позволяет передавать заготовку с операции на операцию без задержки, обычно, с помощью специальных транспортных устройств.

Построение технологического процесса, таким образом, представляет сложную задачу, с многовариантным решением, зависящим как от требуемых свойств предмета труда, так и от типа производства.

Надо отметить, что при проектировании новых производственных процессов приходится принимать в расчет и многие социально-политические условия. Например, наличие в данном регионе рабочей силы соответствующей квалификации, возможности ее подготовки, и, даже, престижность предлагаемого вида труда (определяемого данным технологическим процессом).

При проектировании технологического процесса используются ряд общих принципов, которые были сформулированы обобщением длительного и широкого опыта изготовления машин.

1. Принцип технологичности конструкции требует при ее проектировании учитывать не только требования к свойствам деталей, исходя из условий их функционирования в машине, но и требования технологии изготовления, позволяющие производить их с минимальными затратами и высоким качеством.

Вообще, любое изделие можно характеризовать коэффициентом технологичности Кт=Ri/Зi

где Зi - сумма затрат на производство изделия, Ri – достигаемый эффект в процессе эксплуатации.

Понятно, что как бы ни была хороша машина, при неприемлемых затратах на ее изготовление, она вряд ли будет конкурентоспособной.

Поэтому инженеры-технологи принимают участие в проектировании изделий, осуществляя контроль технологичности и предлагая соответствующие изменения в конструкции машины или отдельных ее элементов.

Для оценки технологичности конструкции машины на стадии проектирования используются и ряд частных критериев, таких как:

• отношение количества стандартных деталей к их общему количеству;

• наличие в машине унифицированных узлов;

• преемственность конструкции (наличие узлов и деталей, ранее изготавливаемых, технология изготовления которых отработана и, возможно, имеется необходимая оснастка и инструмент;

• соответствие проектируемых видов заготовки условиям данного производства (так в единичном производстве экономически не оправдано изготовление деталей из заготовок, получаемых штамповкой);

• возможность изготовления машины из отдельных узлов, что позволяет вести сборку параллельно во времени;

• возможность изготовления деталей по типовым, отработанным на практике технологическим процессам.

2. Принцип деления обработки на стадии, определяющий разделения технологического процесса на операции черновые, требующие больших затрат энергии, но не требующие обеспечения высокой точности, что позволяет применять мощное, но более дешевое оборудование и чистовые операции, требующие применения прецизионного, а, значит, более дорогого оборудования.

3. Принцип взаимозаменяемости, исключающий дополнительную обработку при сборке.

4. Принцип концентрации технологических операций, предусматривающий обработку возможно большего количества поверхностей на одном рабочем месте. Это сокращает общее количество операций, упрощает планирование, сокращает общее время изготовления деталей. Однако реализация этого принципа требует применения специального оборудования, обладающего широкими технологическими возможностями и рабочей силы высокой квалификации. В настоящее время этот принцип широко реализуется при применении обрабатывающих центров с программным управлением, используемых во всех типах производства.

5. Принцип дифференциации операций предусматривает расчленение технологического процесса на множество простейших операций, требующих рабочей силы низкой квалификации или легко автоматизируемых.

Реализация этого принципа экономически обоснована в условиях массового производства.

Вопросы для самопроверки:

1. Чем отличается технологический процесс от производственного?

2. В каких случаях при выполнении технологической операции используются различные технологические методы обработки?

3. На какие составные части может быть разделена технологическая операция?

4. Какие типы производства существуют при производстве машин?

5. Что такое коэффициент закрепления операций?

6. В чем состоит принцип технологичности конструкции?

7. В чем состоит принцип концентрации операций и в каких типах производства он используется?

8. В каком типе производства используется принцип дифференциации операций?

9. С какой целью обработку заготовки расчленяют на черновую и чистовую стадии?

Образец карты тестового контроля:

1. На какие составные части можно разделить технологический процесс:

а). На установы

б). На позиции

в). На операции

2. От чего зависит количество технологических методов, используемых при выполнении технологической операции:

а). От воли технолога

б). От возможностей технологического оборудования

в). От экономической целесообразности концентрации операций.

3. Какие изделия производятся в условиях серийного производства:

а). Токарные станки

б). Легковые автомобили

в). Холодильники (бытовые)

4. Какой коэффициент закрепления операций присущ среднесерийному производству:

а). 10…20

б). 20…40

в). более 40

5. При применении какого оборудования используется принцип концентрации операций:

а). Агрегатных автоматических станков

б). Универсальных металлорежущих станков

в). Многооперационных металлорежущих станков с числовым программным управлением.