7.2. Некоторые сведения по технологии машиностроения

Расчет режимов резания является базой для разработки технически обоснованных норм времени на обработку.

Назначая режим резания на каждый переход обработки детали, следует уяснить, что штучное время обработки рассчитывается на операцию, т.е. объектом технического нормирования является не переход, а операция.

Операция – законченная часть технологического процесса, выполняемая над одной или несколькими одновременно обрабатываемыми деталями одним или группой рабочих непрерывно на одном рабочем месте до снятия с обработки и перехода к обработке другой заготовки. Так, например, одновременная шлифовка нескольких поршневых пальцев, установленных на оправке, является одной операцией, как и шлифовка их каждого в отдельности.

Одну и ту же операцию иногда вынуждены выполнять не один, а два и более рабочих, когда, например, установку и переустановку на станке тяжелых обрабатываемых деталей производят без подъемных приспособлений.

Если непрерывность точения изделия прерывается, допустим, сверлением отверстия обточенной втулки перед ее растачиванием, то имеют место не одна, а две токарные операции.

Переходом называется законченная часть технологической операции, выполняемая при неизменной установке или позиции изделия, режущего инструмента, режима резания и обрабатываемой поверхности. Переход может состоять из одного или нескольких проходов.

Операции обработки на металлорежущих станках бывают одноинструментными и многоинструментными. В первом случае обработка осуществляется на каждом переходе лишь одним инструментом, во втором - за каждую установку заготовка подвергается обработке несколькими одновременно работающими инструментами.

Расчетный или номинальный фонд времени учитывает число и длительность полноценных и сокращенных смен, планируемое время простоя оборудования при техническом обслуживании и ремонтах, регламентируемые перерывы для отдыха рабочих при выполнении тяжелой или вредной работы.

Для единицы оборудования номинальный фонд времени:

где – число рабочих дней в планируемом периоде; t_сут– число рабочих часов в сутки; – число рабочих дней сокращенной продолжительности; t_c – число часов, на которое сокращаются рабочие сутки; t_пр – планируемое время простоя оборудования (3–6 % – для универсального, 10–12 % – для уникального оборудования и в тех же пределах в случаях предоставления рабочим перерывов для отдыха).

В силу ряда случайных событий, неизбежных в производственном процессе, действительный фонд времени Ф_дотличается от номинального на величину потерь П_ф фонда времени:

Ф_д = Ф_н + П_ф

Причинами таких потерь могут быть отказы оборудования, задержки с подачей на рабочие места технической документации, заготовок и инструментов, непредвиденные невыходы рабочих на работу, нарушения трудовой дисциплины и пр. Таким образом, потери фонда времени:

П_ф= П_ф.тех+ П_ф.орг+ П_ф.р

где П_ф.тех, П_ф.орг, П_ф.р – потери фонда времени соответственно по техническим, организационным причинам и по вине работающих.

Затраты времени tна выполнение операций технологического процесса, называемого штучно-калькуляционным временем, слагаются из доли подготовительно-заключительного времени и штучного времени t_шт:

t=t_п.з/ n+ t_шт

где n– число изделий, составляющих партию.

Подготовительно-заключительное время затрачивается на подготовку к изготовлению партии пизделий. Подготовительные работы включают получение задания и ознакомление с ним, изучение чертежей и технологической документации, подготовку рабочего места, настройку оборудования, сдачу изготовленных изделий и прочие работы, относящиеся ко всей партии.

Штучное время представляет собой сумму четырех слагаемых: основного технологического времени t_о.т, вспомогательного времени t_в, времени обслуживания рабочего места и дополнительного времени t_д:

t_шт = t_о.т + t_в + t_д

Основное технологическое время t_о.т– это время непосредственного воздействия на объект производства: изменение формы, размеров, состояния поверхностного слоя, структуры материала при обработке заготовки или соединение деталей в сборочную единицу, их закрепление и прочие действия в процессе сборки изделия.

Если перечисленные воздействия производятся с помощью оборудования (станка, пресса, печи, сборочной машины) и без участия человека, основное технологическое время называют машинным. При выполнении подобных действий вручную основное технологическое время называют ручным. Если воздействия производятся с помощью машины, но с участием человека, основное технологическое время называют машинно-ручным.

Вспомогательное время t_в затрачивается на переходы, сопутствующие процессу непосредственного воздействия на объект производства. К такого рода переходам относят установку и закрепление заготовок для обработки, снятие их после обработки, пуск и остановку оборудования, подвод к заготовке инструмента и отвод его и т.д.

Сумму основного технологического и вспомогательного времени называют оперативным временем:

T_оп = t_о.п + t_в

Время обслуживания рабочего места представляет собой время, затрачиваемое работающим на уход за рабочим местом и поддержание его в рабочем состоянии. Его подразделяют на две части: время технического и время организационного обслуживания рабочего места.

Время технического обслуживания затрачивается на поднастройку технологической системы, смену затупившегося инструмента, удаление стружки с рабочих органов станка, приспособления.

Время организационного обслуживания рабочего места затрачивается на смазывание и чистку оборудования, удаление стружки с рабочего места и приведение его в порядок.

Время дополнительное tвыделяется на отдых и регламентируется условиями работы (тяжестью и интенсивностью труда). При нормальных условиях работы нормируется лишь время на личные потребности.

Назначенный режим резания прямо или косвенно влияет на все составляющие штучного времени. На основное (машинное) времяТ_о элементы режима резания оказывают непосредственное влияние. На остальные структурные составляющие штучного времени элементы режима резания оказывают косвенное влияние, через изменение стойкости инструмента Т. Теория резания металлов изучает лишь закономерности, определяющие основное (машинное) время Т_о. Остальные структурные составляющие штучного времени изучаются в последующих курсах технологии машиностроения, экономики и организации производства.

Если обозначить через V объем подлежащего срезанию металла заготовки (объем припуска), а через Q_м - объем металла, срезаемый в единицу времени, который можно также назвать интенсивностью (скоростью) съема припуска, то основное (машинное) время можно определить из соотношения

, мин (1.14)

Объем припуска V можно представить в виде произведения площади обработки F на величину (глубину) припуска h:

, мм³

где: , или

, (1.15)

где: В – ширина обрабатываемой поверхности; для тел вращения

, мм (1.16)

где: L - длина рабочего хода, мм;

, мм; (1.17)

где: l – длина поверхности детали, по которой осуществляется перемещение инструмента в направлении подачи; l₁, l₂ – величина врезания и перебега инструмента (или детали) в направлении подачи.

Объем металла Q_м, срезаемый в единицу времени, можно представить в виде произведения площади поперечного сечения срезаемого слоя на скорость резания:

, мм³/мин (1.18)

Если подставить (1.16) в (1.15), а затем (1.17) в уравнение основного технологического времени (1.14) , то получим

(1.19)

Эту же зависимость можно представить и в другом виде. Если учесть, – число проходов, – число оборотов в минуту, тогда

, мм, (1.20)

или если воспользоваться понятием минутной подачи: мм/мин, то

В зависимостях (1.15), (1.18), (1.19), (1.20) L представляет собой расчетную длину обработки, величина которой определяется как , мм,

где: l – длина поверхности детали, по которой осуществляется перемещение инструмента в направлении подачи; l₁, l₂, величина врезания и перебега инструмента (или детали) в направлении подачи, мм.

Значения времени, затраченного на выполнение операции, и его слагаемых могут быть номинальными, действительными и измеренными.

Фонд времени и затраты времени на выполнение операций являются основными компонентами временных связей в производственном процессе. Производными этих величин являются показатели его эффективности: производительность, уровень загрузки оборудования, ритмичность производственного процесса, длительность цикла изготовления изделий, степень выполнения производственного задания и др.

Формулы определения основного (машинного) технологического времени могут быть представлены в следующем виде:

Токарная операция

Обтачивание и растачивание на проход:

, мин;

, мм; мм

где:  – главный угол резца в плане.

Отрезка и подрезка торца:

, мин;

, мм; , мм; , мм

где: D – диаметр заготовки по обрабатываемой поверхности.

Сверлильная операция

Сверление:

, мин

, мм; , мм; = 0,5’

где: ’– угол при вершине сверла (зенкера); D – диаметр сверла (зенкера), мм

Рассверливание, зенкерование.

Здесь D – диаметр сверла (зенкера); d – диаметр отверстия под рассверливание (зенкерование)

Фрезерная операция

Фрезерование цилиндрическими, дисковыми фрезами:

, мин;

, мм/мин; , мм; , мм

где: D – диаметр фрезы, мм; z – число зубьев фрезы; n – частота вращения (число оборотов) фрезы, об/мин; S_z = подача на зуб, мм/зуб.

8. Выбор и обоснование режимов резания.

8.1.Методы оптимизации режимов резания

Расчет оптимального режима резания является одной из самых распространенных технологических задач в машиностроении. Это вызвано тем, что себестоимость обработки, расход инструмента, производительность труда станочников и операторов оборудования существенно зависят от назначенных режимов резания.

Параметры режимов резания существенно влияют на стойкость режущих инструментов. Повышение численных значений режимов резания и, в особенности, скорости резания снижает стойкость инструмента. Это означает, что существуют такие режимы резания, которые по производительности являются оптимальными.

Практически решение рассматриваемой задачи оптимизации сводится к определению режимов резания, обеспечивающих выбранные критерии оптимальности обработки деталей в конкретных организационно-технических условиях. Критерием оптимальности обычно служит одно из трех экономических требований: минимальная себестоимость обработки детали, минимальный расход режущего инструмента, максимальная производительность труда, т.е. минимальное основное (машинное) время обработки. Первый критерий наиболее обоснован для большинства операций обработки резанием, но его применение предварительно требует большого объема расчетных работ и исходной информации, зачастую не полностью известной. Выбор второго критерия целесообразен в тех случаях, когда оборудование на данной операции недогружено из-за недостаточной производительности на предшествующих операциях. Использование третьего критерия необходимо для тех операций, которые лимитируют по производительности последующие операции технологического процесса изготовления детали. Однако целесообразно его применять и тогда, когда не удается воспользоваться первым критерием из-за недостатка исходной информации или чрезмерного объема необходимых расчетов. Поэтому в практике технологических расчетов этот критерий является основным и в дальнейшем будет нами использован.

Математическая формулировка задачи оптимизации имеет вид: найти минимум (максимум)

при ограничениях: ;

где:z_i – показатели операции; ; x_j – независимые переменные;

При оптимизации режима резания необходимо учесть, все технологические и организационно-технические ограничения, накладываемые на параметры режима, и выразить эти ограничения аналитически (или графически). В общем случае число ограничений достаточно велико.

Важнейшими являются ограничения, накладываемые требованиями по качеству обработки (шероховатость поверхности, качество поверхностного слоя детали, точность размера и формы обрабатываемой поверхности), ограничения по производительности обработки, ограничения, накладываемые характеристиками станка (мощность приводов, виброустойчивость, допустимые силы и момент сил, дискретные ряды скоростей n_ст подач s_ст ограничения, накладываемые инструментом: допускаемые нагрузки, допускаемая глубина резания и т.д.).

Обычно ограничения описываются нелинейными функциями параметров режима. Если изобразить эти ограничения на плоскости управляемых параметров режима соответствующими кривыми, то для каждой из них по одну сторону будет допустимая (этим ограничением) область, а по другую – запрещенная. Если ограничения совместны, то они образуют некоторую область, не противоречащую всем ограничениям, которую называют допустимой областью. Ограничения, участвующие в формировании границ в этой области называют активными. При конкретных условиях обработки далеко не все ограничения являются активными.

Ограничения в виде равенств и неравенств делятся на два вида: ограничительные функции (ОФ) и численные пределы изменений независимых переменных. Первые представляют собой функции, ограниченные определенными значениями требуемых и допустимых величин показателей процесса, в виде

где: – предельное допустимое значение величины показателя.

Вторые представляют собой диапазон допустимых значений независимых переменных, например

;

Теоретические зависимости в оптимизационных задачах имеют ограниченное применение (лишь в качестве силовых и тепловых ОФ). Такие важные компоненты, как целевая функция (ЦФ) и некоторые ОФ, включают в себя ряд параметров, связанных с износом и стойкостью инструмента, качеством обработки, определяются экспериментально.

Основная цель операции резания: – обработать требуемое число деталей с наименьшими затратами труда, обеспечив необходимое качество. Затраты труда на операцию в принципе могут быть оценены различными показателями. Традиционно в России применяется методика выбора экономического решения, которая производится на основе сопоставления приведенных затрат. Приведенные затраты на обработку одной заготовки:

3 = С + Е_нК,

где: С – себестоимость обработки одной заготовки; Е_н - нормативный коэффициент (Е = 0,15); К – удельные капвложения в производственные фонды.

Часть приведенных затрат, зависящая от режущего инструмента

, коп/шт

где: _м – машинное время обработки, с; _см – время на смену инструмента, с; И – приведенные затраты на инструмент, коп; Е – приведенные затраты на зарплату, коп/с; N – число деталей, обрабатываемых за период стойкости, шт.

Целевая функция имеет вид:

Сочетание t, s, v, обеспечивающее минимум С, будет соответствовать минимальным приведенным затратам. С – есть средняя (за период стойкости) величина приведенных затрат на удаление единицы объема припуска. При переменных режимах на станках с ЧПУ средняя величина затрат определяется функционалом

Применительно к расчету режимов резания, например, к точению, переменными являются подачи, скорости (числа оборотов в минуту) и глубины резания. В качестве оптимизируемой целевой функции (критерия оптимальности) выбирают производительность, себестоимость, машинное время обработки и т.д. Ограничения, накладываемые на переменные и их функции, возникают в связи с ограниченностью технических возможностей оборудования и инструмента.