Министерство образования Российской Федерации Казанский государственный технологический университет

Г.Г.Богатеев, И.А.Абдуллин

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВ

ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие

Казань 2009

УДК 658.512 (678.6.002.52)

Основы проектирования производств по изготовлению изделий из волокнистых материалов: Учебное пособие по дисциплине "Проектирование технологических процессов производства изделий из волокнистых композитов"/Г.Г.Богатеев, И.А.Абдуллин; Казан.гос.технол.ун-т. Казань, 2001. 80 с. ISBN 5-7882-0177-2.

Приведены основные разделы этапов проектирования технологических процессов, содержание технического задания на изделие, выбор технологиче­ской схемы, оборудования и критериев оценки качества изделий, автоматиза­ции производства, а также содержание задания на проектирование (реконст­рукцию) предприятия (участка) по производству изделия из композиционного материала.

Предназначено для студентов технологических специальностей, выпол­няющих курсовые, дипломные проекты и работы-проекты, завершающиеся проектированием технологических процессов производства изделий из волок­нистых и других композитов.

Подготовлено на кафедре "Химия и технология гетерогенных систем".

Печатается по решению методической комиссии инженерного химико-технологического института. Под редакцией проф.А.М.Коробкова. Рецензенты: зав.кафедрой КГТУ (КАИ) доктор технических наук, профессор Э.Р.Галимов, кандидат технических наук, доцент кафедры ТТХВ. ISBN 5-7882-0177-2 © Казанский государственный

технологический университет, 2009 г.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Основы проектирования технологических процессов производства 6 изделий из волокнистых композитов

2. Разработка и анализ технического задания на изделие из композита 15

3. Выбор технологической схемы для производства изделий из ВКМ 22

4. Выбор и расчеты оборудования и материального баланса 37

5. Выбор критериев и методов оценки качества изделий 45

6. Контроль параметров процесса и автоматизация производства 54

7. Спроектировать (реконструировать) предприятие (цех, участок) 68 по производству заданного изделия из КМ

Список использованных источников 79

ВВЕДЕНИЕ

Композиционные материалы (КМ) давно уже стали синонимом техни­ческого прогресса и их перспективность ни у кого не вызывает сомнения. На современном уровне развития техники, особенно машиностроения, требуют­ся новые конструкционные материалы с заданными свойствами и характери­стиками.

Новые специфические свойства, присущие только волокнистым КМ, появились в связи с развитием ракетостроения, аэрокосмической техники, специального машиностроения, химической промышленности, судострое­ния, строительной индустрии и др.

КМ представляет собой неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирую­щие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Эффективность и работоспособность КМ зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик. В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств КМ, не только отражаю­щий исходные характеристики его компонентов, но и включающие свойства, которыми изолированные ингредиенты не обладают.

Выбором типа и количества армирующего наполнителя и матрицы можно в достаточно широких пределах варьировать различные свойства КМ.

В свою очередь свойства изделий из КМ существенно зависят как от свойств компонентов КМ, так и от способов (технологии) производства КМ и формования изделий из них.

В общем случае под технологией в широком значении этого слова по­нимают научное описание методов, способов и средств производства про­дукции в какой-то отрасли промышленности.

Технология — совокупность методов обработки, изготовления, изме­нения состояния, свойств, формы сырья, материалов или полуфабрикатов, осуществляемых в процессе производства конкретного изделия, продукции.

Основная задача технологии как науки — выявление физических, хи­мических, механических или других закономерностей с целью определения и использования на практике наиболее эффективных и экономичных про­изводственных процессов.

Технология производства КМ неразрывно связана с конструкцией из­делий, особенно когда они имеют сложную форму и требуют детальной про­работки мест соединений под сварку, пайку, склеивание или клепку. Как правило, технология изготовления конструкций и изделий из КМ является многопереходной и предусматривает последовательную комбинацию не­скольких процессов.

Успешное решение проблемы создания нового КМ и производства го­тового продукта в виде изделия возможно при наличии совершенного, пере­дового технологического процесса. С этой целью производят проектирова­ние новых технологических процессов создания и переработки КМ в изде­лия, базирующихся как на уже известных технологических процессах, так и на передовые достижения науки в области создания новых, перспективных ингредиентов КМ, технологии их совмещения и переработки.

Настоящее пособие предназначено для подготовки специалиста, спо­собного самостоятельно разрабатывать рациональные технологические про­цессы производства изделий из композиционных материалов (КМ), удовле­творяющих требованиям технического задания (ТЗ), для конкретных облас­тей промышленности.

1. Основы проектирования

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА

ИЗДЕЛИЙ ИЗ ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИТОВ

Проектирование технологических процессов — это самостоятельная отрасль инженерного труда, где важнейшая роль принадлежит инженеру-технологу.

Проектирование — процесс создания прообраза предполагаемого или возможного объекта, процесса, состояния, заключающееся в переработке внешней и внутренней информации в выходную — проект.

Разработка технологических процессов производства изделий из во­локнистых КМ (ВКМ) включает конструирование композиционного мате­риала, изделия, выбор и разработку технологической схемы и разработку технологической документации.

В зависимости от поставленной задачи различают рациональное, адап­тивное, оптимальное и перспективное проектирование процессов и изделий.

В зависимости от используемого метода инженерного проектирования — различают эвристическое (или интуитивное), интеллектуальное (или ана­литическое) и машинное проектирование.

Рациональное проектирование основывается на методе эволюции и ра­ционализации известных решений.

Адаптивное проектирование базируется на широком использовании конкретных производственных условий (технологические методы, оборудо­вание, предприятие, мощности и производственные ситуации).

Оптимальное проектирование предполагает оптимизацию одного или нескольких параметров технологического процесса в рамках известного тех­нологического решения, принятого за основу модернизации и усовершенст­вования.

Перспективное проектирование ориентируется на поиск и создание со­вершенных технологических решений качественно различных вариантов из­делий применительно к сформулированным целям и условиям на конкретное проектирование.

Перспективное проектирование, основываясь на строгой теории, прин­ципах и началах, является одновременно и оптимальным.

При разработке технологических процессов используют методы:

• эвристический — основанный на использовании опыта, эрудиции, знаний, позволяющий создать новые решения по сравнению с известными; такой метод требует экспериментальной апробации нового оригинального решения;

• интеллектуальное проектирование базируется на глубоком и все­объемлющем анализе, на основе которого синтезируется объект проектирования. При таком проектировании используют системный и комплексный подход, имеющий строгую теорию, принципы и методологию;

— машинное проектирование — есть средство автоматизации перебо­ра принципов и альтернатив интеллектуального проектирования в рамках разработанного алгоритма системы. Это позволяет анализировать параметры технологической системы и производить их оптимизацию на основе форма­лизованных связей. При этом осуществляют переход от количественных оценок к новым качественным предложениям.

Из всего многообразия существующих методов и подходов при разра­ботке технологических процессов практическое применение получило на­правление проектирования, осуществляемое по схеме (рис. 1):

Рис. 1. Схема разработки технологических процессов производства изделий (из ВКМ)

Определение потребности в изделии — определение рынка сбыта, объемов производства изделия. Этот этап определяет назначение, тип, ор­ганизацию, уровень автоматизации и механизации, а также вид произ­водства.

Цель и назначение изделия из ВКМ

Основной целью создания нового ВКМ и изделия из него является снижение материалоемкости, замена энергоемких материалов на более эко­номичные при сохранении или существенном превышении уровня эксплуа­тационных характеристик по сравнению с известными материалами. Напри­мер, замена металлических конструкций и изделий на изделия из ВКМ по­зволяет снизить их массу на 20...66%. Назначение изделия определяется кон­кретной областью применения в одной или нескольких отраслях народного хозяйства — машиностроение, стройиндустрия, авиакосмическая техника, автомобиле — и судостроение и т.д.

Заказ на проведение исследований

На этом этапе, исходя из цели и назначения изделий, выбранного спо­соба и объема производства, формулируется заказ вышестоящей организации конструкторско-технологическим организациям на проведение поисковых исследований по созданию ВКМ и разработке основ технологии переработки ВКМ в изделия.

Формулировка задания — это разработка технического задания (ТЗ) на конкретное изделие из КМ. ТЗ содержит описание целевого назначения изделия, технические характеристики и показатели качества, технико-экономические требования, условия производства и эксплуатации, объем планируемого выпуска, материально-производственную базу, сроки освое­ния производства, состав конструкторско-технологической документации.

Формулировка идей — осуществляют на основании и во взаимосвязи с ТЗ.

Создание основной концепции — проектных предложений — один из основных этапов разработки технологического процесса. Осуществляют выбор ингредиентов ВКМ, схемы армирования и выбирают технологиче­скую схему разрабатываемого процесса. Технологическая схема включает все этапы существования — жизненного цикла изделия — начиная от сырья и заканчивая готовой продукцией. В технологической схеме приводят все необходимые технологические операции и их аппаратурное оформление, а также наносят контрольно-измерительные приборы и схемы автоматизации отдельных операций и оборудования с целью обеспечения высокого качества выпускаемой продукции. На этом этапе оформляют пакет конструкторско-технологической до­кументации в соответствии с требованиями ЕСКД и ЕСТД с подробными описаниями каждой операции.

Анализ проектных предложений

Основная задача данного этапа — выбрать наиболее рациональный и оптимальный технологический процесс на основании всестороннего анализа по комплексу показателей предложенных, возможных решений и оценить перспективы его практической реализации в условиях промышленного про­изводства. При положительной оценке проектных предложений производят опытные образцы.

Эксперимент — это опытное производство ВКМ и изделий из него по выбранному технологическому процессу и технологической схеме и опреде­ление соответствия комплекса характеристик готового продукта требовани­ям ТЗ по результатам всесторонних испытаний (методами разрушающего и неразрушающего контроля качества изделия).

Принятие решения осуществляют на основании результатов экспери­мента и уточненной технико-экономической оценке выбранного процесса производства изделий из ВКМ.

Промышленное производство

Организация промышленного производства является конечным этапом процесса проектирования технологических процессов производства готовой продукции, удовлетворяющей требованиям ТЗ.

Проектирование и оформление технологической документации на процессы находится в прямой зависимости от производства, на котором бу­дет изготавливаться изделие и его комплектующие.

В общем случае производства классифицирует по: назначению, типу, организации, уровню применения средств автоматизации и механиза­ции, виду.

По назначению производства разделяют на основное, вспомогатель­ное и опытное.

Основное производство — производство товарной продукции.

Вспомогательное производство — производство средств, необходи­мых для обеспечения функционирования основного производства.

Опытное производство — производство образцов, партий или серий изделий для проведения исследовательских работ или разработки конструкторской и технологической документации для установившегося производства. %

По типу производства подразделяются на единичное, серийное и мас­совое.

Единичное производство — характеризуется малым объемом выпуска одинаковых изделий, повторное изготовление и ремонт которых, как прави­ло, не предусматривается.

Серийное производство — характеризуется изготовлением и ремон­том изделий периодически повторяющимися партиями.

Массовое производство — характеризуется большими объемами вы­пуска изделий, непрерывно изготавливаемых продолжительное время, в те­чение которого на большинстве рабочих мест выполняется одна рабочая операция.

Промышленные производства по организации разделяют на поточное, групповое и установившееся.

Поточное — производство с расположением средств технического ос­нащения и последовательным выполнением операций технологического процесса. Выпуск продукции осуществляют с определенным интервалом.

Групповое — производство характеризуется совместным изготовле­нием групп изделий с разными конструктивными, но общими технологиче­скими признаками.

Установившееся — производство изделий по окончательно отрабо­танной конструкторской и технологической документации.

К автоматизированным относят предприятия, в которых выполнение всех процедур, связанных с технической подготовкой и управлением произ­водства, комплексно автоматизировано. На таких предприятиях используют системы САПР, АСТПП, АСУ, АСР, а ручной труд исполнителей отсутству­ет.

К механизированным производствам относят предприятие, в которых механизации подвергнуты вое процессы, связанные с ранее применяемым ручным трудом, опасными работами для здоровья человека.

Кроме того, производства разделяют по виду, т.е. признаку применяе­мого метода для изготовления изделия или его составных частей.

К наиболее распространенным относят: литейное, прессовое, механо-обрабатывающее, термическое, гальваническое, лакокрасочное, сборочное производства. В большей мере разделение производств по видам характерно для предприятий крупносерийного и массового типа.

При разработке технологической документации на процессы изготов­ления изделий и их составных частей осуществляют действия по взаимной увязке конструкторских и технологических документов и последующей их обработке. Стадии разработки таких документов охватывают все этапы, на­чиная от момента начала разработки до производства изделий.

Требования по стадиям разработки технологической документации ус­тановлены в ГОСТ 3.1102-82.

Комплекты документов (КД) на технологические процессы классифи­цируют по назначению, организации и степени описания (см. рис. 2).

Рисунок 2-Классификация комплектов документов(КД) на технологические процессы(ТП)

Все указанные КД можно условно разделить на две группы: документы для рабочих и не рабочих ТП.

К КД на рабочие ТП относят комплекты на рабочий, временный и стандартный ТП.

КД на рабочий ТП регламентирует порядок выполнения процесса в условиях действующего или планируемого к введению в действие производ­ства.

КД на временный ТП — это КД, который вводится временно, взамен предусмотренного или действующего рабочего ТП в связи с отсутствием со­ответствующих средств технологического оснащения. Часто такой комплект документов называют «обходная технология». Комплект документов на вре­менный ТП вводят на определенный период времени и сроки его действия оговаривают в извещении и на первом листе.

Комплект документов на стандартный ТП — оформляют в виде стандарта предприятия (СТП) в соответствии с требованиями государствен­ной системы стандартизации.

Комплект документов на директивный ТП предназначается для проведения расчетов, определения необходимых средств технологического оснащения и т.д., с целью определения возможности размещения заказа на изготовление изделия на соответствующем предприятии.

В комплекте документов на перспективный ТП описывают новый прогрессивный технологический процесс с ориентацией на применение но­вых средств технологического оснащения, технологических методов изго­товления и новых материалов.

Комплект документов на проектный ТП предназначен для решения задач, связанных с определением состава и размещением в технологической последовательности необходимого оборудования.

Комплект документов на ТП информационного назначения ис­пользуется разработчиком технологических документов при разработке ра­бочей технологической документации. К категории таких документов отно­сят типовые (групповые) технологические процессы, специализированные по методам изготовления, единичные технологические процессы на новые ТП и т.д. Как правило, указанные документы имеют отраслевой характер и издаются типографским способом в виде технических пособий методическо­го характера.

Среди КД на технологические процессы по массовости одно из первых мест занимают КД на единичные технологические процессы (ЕТП). Их применение не зависит от вида производства, применяемых методов изго­товления и средств технического оснащения. В КД на ТП виды документов располагаются в определенном порядке в зависимости от их роли и состава вносимой информации.

КД на типовые и групповые технологические процессы относятся к унифицированным комплектам документов. По сравнению с КД на ЕТП указанные документы занимают меньший объем. Внедрение таких комплектов документов непосредственно связано со специализацией не только произ­водства, но и рабочих мест и в отличии от ЕТП занимает больше времени.

Под типовым технологическим процессом (ТТП) понимают техно­логический процесс изготовления группы изделий с общими конструктив­ными и технологическими признаками.

Конструктивные признаки характеризуют геометрическое (визуаль­ное) описание изделия.

Технологические признаки включают:

• размерные (габаритные) характеристики;

• группу материалов;

• тип детали по технологическому методу изготовления;

• вид исходной заготовки;

• степень точности;

• вид дополнительной обработки и др.

Под групповым технологическим процессом (ГТП) понимают тех­нологический процесс изготовления группы изделий с различными конст­руктивными, но общими технологическими признаками.

Типовая технологическая операция (ТО) характеризуется единством содержания и последовательностью выполнения технологических переходов для изготовления группы изделий с общими конструктивными признаками.

Под групповой технологической операцией (ГО) понимают опера­цию совместного изготовления группы изделий с разными конструктивны­ми, но общими технологическими признаками.

В отличии от ТТП и ГТП, ТО и ГО имеют самостоятельное примене­ние и могут быть использованы при разработке как ЕТП, так и ГТП.

Для определения экономической эффективности новой техники и тех­нологии существует методика оценки, которая включает следующие основ­ные положения:

1. На основании экономического анализа (экономический эффект, го­довая производительность) принимают решение о целесообразности созда­ния новой техники и технологических процессов.

2. Годовой экономический эффект внедрения нового технологиче­ского процесса — суммарная экономия всех производительных ресурсов (труда, материалов, капитальных вложений и др.).

3. По сопоставлению приведенных затрат по базовой и новой техно­логии определяют годовой экономический эффект.

В этих целях определяют объем предполагаемого производства и его основные показатели.

Для объектного выбора базовой технологии проводят сопоставление сравниваемых вариантов по объему производства, фактору времени, со­циальному фактору (в том числе и по влиянию на окружающую среду) и др. На этапах НИР и ОКР за базу сравнения перед принятием решения о внедрении в производство новых технологий выбирают наилучшие отечествен­ные и зарубежные аналоги.

Для проведения расчетов экономической эффективности необходимо иметь информацию о выбранной технологической схеме, стадийности про­цесса, рецикле ингредиентов ВКМ, утилизации отходов и т.п.

Как правило, разработку нового технологического процесса произво­дят для нового КМ. При этом важно учитывать себестоимость как ингреди­ентов, так и собственно КМ при промышленном производстве, условия изго­товления, переработки и эксплуатации изделий из ВКМ.

Основными задачами в области разработки современных технологиче­ских процессов являются:

1. Разработка новых ингредиентов КМ и собственно КМ (включает в себя исследования структуры, состава и свойств новых материалов, изучение технологических свойств и возможных областей применения и поведения материалов при эксплуатации).

2. Разработка новых технологических процессов производства новых КМ за счет:

• модернизации существующих технологий;

• создание новых технологий получения новых КМ;

• создание новых технологий переработки новых КМ в изделия;

• повышение производительности путем модернизации оборудования и интенсификации процесса (компьютеризация и автоматизация);

• улучшение качества изделий;

• снижение затрат на выпуск продукции, утилизацию отходов.

3. Разработка отдельных элементов технологических процессов, а именно:

— разработка методов аналитического контроля, экспрессметодов;

—разработка аппаратурного оформления процесса или стадий (опера­ции), включая новые решения;

— разработка методов автоматического контроля, регулирования и управления.

Последовательно решая указанные задачи, выбирают технологическую схему разрабатываемого технологического процесса по изготовлению кон­кретного изделия с использованием традиционных или новых ингредиентов КМ, стандартного или специально сконструированного оборудования. Тех­нологическую документацию на выбранный по назначению и виду организа­ции и технологический процесс разрабатывают в соответствии с требова­ниями ЕСТД.

Для реализации разработанного ТП на промышленном предприятии оценивают имеющиеся производственные мощности действующих предпри­ятий в соответствии с их назначением, типом и организацией производства и возможности создания нового производства. Основанием для начала работы над созданием проекта промышленно­го предприятия является согласованное и утвержденное в установленном по­рядке (согласно нормативного документа СНиП 1.11.101-95) Задание на проектирование.

Проект, или более точно, проектно-сметная документация — это ком­плект текстовых материалов и чертежей, пользуясь которыми можно по­строить то или иное здание или сооружение или комплекс зданий.

В задании (пояснительной записке) должны быть приведены основные технологические расчеты, полный материальный баланс получения готовой продукции и переработки отходов, принципиальные технологические схемы процесса с нанесенными на них обозначениями арматуры, трубо- и продуктопроводов, места установки и принципы действия контрольно-измеритель­ных приборов (КИП), датчиков и исполнительных механизмов, систем авто­матизации и механизации.

В результате последовательного решения указанного комплекса про­блем возможно создание проекта промышленного предприятия по производ­ству выбранной номенклатуры изделий по разработанному технологическо­му процессу.