Перспективные конструкции технологического оборудования. Курс лекций

Повышение степени механизации и автоматизации. Так как основ-

ные движения станков механизированы и автоматизированы, данное направление реализуется главным образом путем механизации и автоматизации вспомогательных операций, в том числе настроечных. Это особенно наглядно можно проследить на примерах почти всех автоматических линий. В мировой практике наблюдается большое разнообразие околостаночных механизмов линий: загрузчиков, перегрузчиков, промежуточных конвейеров, укладчиков. Можно отметить большое распространение вакуумприсосов и пневматических механизмов цикловых движений. Предлагаются также новые универсальные манипуляторы-роботы и системы программного управления.

Повышение точности обработки. Тенденция повышения точности обрабатывающего оборудования объясняется разными причинами, из которых одни связаны с повышением точности изделий, а другие–с экономическими показателями работы оборудования. Группа требований, относящихся непосредственно к оборудованию, связана с его работоспособностью и долговечностью, т. е. также с экономическими категориями. В конечном итоге любое оборудование должно быть выполнено по такому классу точности, которая обеспечивала бы получение наибольшей экономической эффективности. Эти требования реализуются применением рациональной схемы машины и конструктивными методами. Схемная точность часто осуществляется позиционной обработкой. Конструктивные методы проявляются главным образом в минимизации размеров деталей и узлов, в отработке конструкции на технологичность, в нормализации и агрегатировании узлов и в повышении их жесткости и виброустойчивости. Повышение виброустойчивости машин достигается не только увеличением жесткости их узлов, но и снижением возмущающих воздействий, вызывающих вибрацию. Это направление весьма перспективно. Уже сейчас стремятся уменьшить быстровращающиеся детали и улучшить их балансировку. В результате современные машины обеспечивают высокую точность обработки и долговечность.

Совершенствование кинематических схем. Это направление, харак-

терное для последних лет, занимает видное место в развитии машин. Основная идея совершенствования кинематических схем заключается в расчленении общей сравнительно сложной кинематической схемы многооперационной машины на ряд автономных самоуправляемых простых схем. Отмечается тенденция компоновки автономных схем функциональных узлов машин на базе нормализованных приводов с характеристиками, отвечающими требованиям рабочих органов этих машин. Таким образом, отпадает необходимость в промежуточных передачах, благодаря чему устройство машины существенно упрощается. Типовым приводом быстроходного вращательного движения небольшой мощности можно считать электродвигательный с коротким плоским ремнем. Для приводов тихоход-

31

ного вращательного движения наибольшим применением пользуются мо- торы-редукторы, моторы-редукторы-вариаторы и роторные гидравлические моторы. Последние получают широкое распространение при глубоком диапазоне регулирования скоростей более шести. Для возвратнопоступательных движений чаще применяются пневмоприводы, преимущественно пневмоцилиндры. Совершенствование кинематических схем машин позволяет просто решать ранее считавшиеся сложными технологические задачи.

Улучшение конструкций. При конструировании по-прежнему уделяется особое внимание компактности и снижению массы машин. В большинстве случаев этого удается достичь уменьшением размеров рабочих органов и повышением частоты их вращения. Существенное снижение массы машин дает замена отливок листовыми штампованными, сварными и штампо-сварными конструкциями. При конструировании машин стремятся также повысить их универсальность. Например, суппорты многих машин делают настолько универсальными, что их рабочие органы могут занимать любое положение: горизонтальное, вертикальное, наклонное, верхнее, нижнее. Расширяется набор и разнообразится расположение суппортов. Эта особенность конструкций позволяет использовать машины при изменении технологии или схемы обработки деталей.

Совершенствование технологии машиностроения. Рассматривая машины под этим углом зрения, можно отметить использование прогрессивной малоотходной технологии машиностроения, возрастающую замену металлических деталей пластмассовыми, расширение применения высококачественных сталей. За последнее время внедряется автоматизированная система технологической подготовки производства, способствующая снижению стоимости проектирования.

Повышение надежности машин. Этой характеристике уделяется все большее внимание. Усложнение станков и их удорожание настоятельно требуют повышения времени наработки машин на один отказ и увеличения их долговечности. Эти показатели обеспечиваются выбором рациональной схемы машины и надлежащими конструктивной разработкой и технологией изготовления.

Повышение комфортности работы на машине. Это одно из важ-

нейших требований к современной машине. Поэтому его удовлетворению подчинены все остальные направления развития машин, особенно повышение степени механизации и автоматизации, улучшение конструкции и совершенствование технологии машиностроения.

Важной проблемой повышения комфортности работы на машине является снижение шума. На новых моделях это достигается уменьшением размеров рабочих органов, повышением качества обработки и сборки деталей и узлов, введением шумопоглощающих укрытий. Особое внимание уделяется удобству обслуживания машин в наладочном режиме, для чего

32

предлагаются оригинальные решения, в том числе автоматические системы программной настройки.

Постепенное развитие машин приводит к изменению их типажа. В настоящее время его можно представить десятью наименованиями и сгруппировать по общности основного признака в четыре поколения.

Машины первого поколения – наиболее простые, однооперационные. К ним относится множество видов универсальных и некоторые виды специализированных полумеханизированных и механизированных машин.

Получающие все большее распространение машины концентрированной обработки – многооперационные можно назвать машинами второго поколения. К отличительным особенностям этих машин относится большая сложность по сравнению с машинами первого поколения, что повышает их стоимость и снижает мобильность. Повышение стоимости многооперационных машин нежелательно из-за возрастания капитальных затрат на приобретение оборудования. Однако ввиду резкого повышения производительности труда применение их в ряде случаев эффективно.

Пока машины были однооперационными первое поколение, их мобильность была высокой, так как рабочие органы, приводы и настроечные механизмы исчислялись несколькими единицами. У многооперационных машин второго поколения они исчисляются сотнями. Поэтому машины второго поколения эффективны только на крупных специализированных производствах с массовым выпуском однородных изделий, не требующих переналадки. В связи с этим дальнейшее развитие было направлено на создание машин, в которых сочетались бы высокая концентрация обработки и хорошая мобильность. Такие машины образуют третье поколение, – они снабжаются программным управлением. Машины с программным управлением в дальнейшем оснащаются системой гибкого изменения самонастраивающейся программы – их можно считать машинами четвертого поколения.

В ближайшее время следует ожидать все более возрастающего распространения станков с программным управлением, вначале машин третьего поколения, т. е. оснащенных жесткими программами. Однако внедрение небольшого числа машин с программным управлением без изменения уровня технологии процесса не всегда может оказаться существенно эффективным ввиду их сравнительно высокой стоимости и незначительного удельного веса в общем парке оборудования.

Применение машин с программным управлением позволяет сократить или совсем аннулировать складские площади полуфабрикатов, значительно сократить число вспомогательных рабочих, уменьшить численность руководящего персонала и т. д. Для внедрения машин с программным управлением предстоит изыскание более перспективных конструкций изделий и процессов, рассчитанных на применение принципиально нового оборудования. В этой связи необходимы упрощение форм и сопряжений деталей изделий, применение новых клеев, прогрессивной отделки и т. д.

33

Технологичность конструкций изделия (ТКИ) – свойство качества изделий, характеризующее приспособленность их конструкций к достижению оптимальных затрат ресурсов в производстве и эксплуатации.

Технологическая рациональность конструкции изделия – совокупность ее свойств, выражающих уровень соответствия принятых технологических решений условиям производства, эксплуатации и ремонта. Она характеризует возможность изготовления продукции из имеющихся в распоряжении производителя и потребителя трудовых, материальных и других ресурсов.

Преемственность конструкции изделия – совокупность ее свойств, выражающих технологичность с точки зрения единства повторяемости и изменяемости принятых в конструкции инженерных решений. Преемственность касается повторяемости составных частей в данном исполнении изделия и применяемости новых составных частей, обусловленных требованиями к функциональному назначению, условиям производства и/или эксплуатации (конструктивная преемственность). Преемственность также касается единства повторяемости и изменяемости методов выполнения, поддержания и восстановления элементов конструкции изделия, учитываемых при его конструировании (технологическая преемственность).

Обеспечение ТКИ – подготовка производства, включающая комплекс мероприятий по управлению процессом обеспечения технологичности и совершенствованию условий выполнения работ при производстве, эксплуатации и ремонте изделия.

Отработка конструкции изделия на технологичность – часть работ по обеспечению ТКИ, направленная на достижение заданного уровня технологичности и выполняемая на всех стадиях разработки изделия.

Технологический контроль конструкторской документации (КД) – контроль с целью проверки ее соответствия требованиям технологичности.

4.2. Факторы, влияющие на технологичность конструкций изделия

На технологичность конструкций изделия (ТКИ) влияют следующие факторы.

1.Схемы устройства изделия в целом.

2.Состав и взаимное расположение сборочных единиц и деталей.

3.Формы, размеры и расположение поверхности деталей и соединений, их состояние.

4.Применяемые материалы.

На выбор технологических решений накладывают существенные ограничения другие свойства качества изделий: функциональность, эргономичность, эстетичность, экономичность и безопасность. Поэтому поиск оптимальных решений по обеспечению технологичности неотделим от анализа влияния перечисленных факторов.

34

4.3. Общая классификация технологичности конструкций изделий

Технологичность конструкций изделий различается по методам воздействия на изделие, области проявления и видам затрат (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Общая классификация технологичности конструкций изделия

Для обеспечения ТКИ должны осуществляться соответствующие мероприятия по воздействию на объекты труда в сферах разработки, производства и эксплуатации (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Мероприятия по обеспечению технологичности конструкции изделия

35

Мероприятия по обеспечению ТКИ выполняются для решения комплекса взаимосвязанных задач и позволяют придать конструкции изделия свойства технологической рациональности и преемственности, а это позволяет достичь как снижения ресурсоемкости в сферах производства, эксплуатации и ремонта, так и совершенствовать условия работы в этих сферах.

4.4. Состав и содержание работ по обеспечению технологичности конструкции изделия на стадиях проектирования

Техническое предложение: 1. Выявление:

а) предпосылок для рационального членения и компоновки; б) возможности заимствования составных частей (СЧ) изделия; в) новых условий выполнения работ.

2.Расчет показателей ТКИ.

3.Выбор принципиального варианта конструкции.

4.Согласование показателей ТКИ.

5.Технологический контроль конструкторской документации (КД). Эскизный проект

1.Анализ соответствия конструкции: а) условиям производства; б) условиям эксплуатации.

2.Сопоставление вариантов конструкции по критериям техноло-

гичности.

3.Определение условий эксплуатации и ремонта.

4.Расчет показателей ТКИ.

5.Принятие принципиальных решений по конструкции для дальнейшей разработки.

6.Технологический контроль КД.

Технический проект:

1.Выявление возможности параллельной и независимой сборки и контроля СЧ изделия (по спецификации).

2.Анализ соответствия конструкции требованиям технического обслуживания и ремонта.

3.Определение преемственности СЧ изделия.

4.Анализ возможности новых прогрессивных процессов производ-

ства.

5.Принятие принципиальных решений по условиям выполнения

работ.

6.Расчет показателей ТКИ.

7.Принятие принципиальных основных решений по ТКИ.

8.Технологический контроль КД.

36

При работе на каждой из стадий проектирования используются результаты промежуточных этапов предыдущих стадий.

Согласно статистическим данным, 50 % объема работ по обеспечению ТКИ выполняется на стадии эскизного проекта, достигая 80 % их эффективности, 80 % общего объема работ по обеспечению ТКИ достигается на стадии технического проекта и лишь 20 % на стадии рабочего проекта.

Контрольные вопросы

1.Каким образом повышение степени концентрации обработки заготовок сказывается на развитии современного машиностроения?

2.Каким образом новые принципиальные схемы машин повышают эффективность обработки сырья?

3.Каким образом повышение степени механизации и автоматизации сказывается на развитии конструкций механизмов и машин?

4.Каким образом достигается повышение виброустойчивости ма-

шин?

5.В чем причина тенденции повышения точности обрабатывающего оборудования?

6.Какими конструктивными методами достигается необходимая точность обработки?

7.Какова основная идея совершенствования кинематических схем для развития машин?

8.Какие улучшения конструкций машин являются наиболее перспективными?

9.В чем выражается взаимосвязь технологичности конструкций изделий с другими факторами, определяющими качество изделия?

10.Как можно охарактеризовать показатели ресурсоемкости?

11.Какими показателями характеризуется технологическая рациональность конструкции изделия?

12.Что такое «преемственность конструкции»? Приведите конкретные примеры определения показателей преемственности.

13.В чем заключается обеспечение технологичности, как оно достигается по отдельным сферам ее проявления?

14. Какие факторы нужно учитывать при разработке требований к обеспечению ТКИ?

37

Лекция 5

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА МАШИН И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ

План

5.1.Общие сведения об обеспечении показателей качества изделий машиностроения.

5.2.Показатели технического уровня.

5.3.Эксплуатационные показатели.

5.4.Производственно-технические показатели.

5.5.Метрологическое обеспечение качества машин и их элементов.

5.1. Общие сведения об обеспечении показателей качества изделий машиностроения

Под качеством промышленной продукции понимают совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии со своим назначением.

В нашем случае речь пойдет о технологическом обеспечении показателей качества изделий машиностроения: станка, трактора, редуктора и др. Показатели качества изделий, характеризующие одно их свойство, называют частными, два свойства или более – комплексными. Они могут быть абсолютными и относительными, или удельными. Уровнем качества называют относительную характеристику качества машины, основанную на сравнении ее показателей качества с базовыми значениями соответствующих показателей.

Показатели качества изделия, установленные ГОСТ 15467–79, обычно разделяют на три группы: определяющие технический уровень, эксплуатационные и производственно-технологические.

5.2.Показатели технического уровня

Кпоказателям, определяющим технический уровень, относят мощность, точность работы и производительность (например, станка), КПД, удельный расход горюче-смазочных материалов (например, двигателя),

степень механизации и автоматизации, экономичность, экологичность и т. д.

Эти показатели, используемые при сравнении изделия с лучшими отечественными и зарубежными образцами-аналогами, часто называют коммерческими, характеризующими потребительские свойства изделий машиностроения. Технический уровень машин закладывается на началь-

38

ной стадии их создания, и так же, как технические возможности промышленности, в значительной степени зависит от компетентности и способностей разработчиков. Технический уровень создаваемых машин непосредственно влияет на их моральную долговечность: свойство изделия считаться «совершенным», быть конкурентоспособным и успешно эксплуатироваться в течение максимально длительного срока. Примером поразительной моральной долговечности служит разработанный в 1947 г. Конструкторским бюро О. Антонова и до сих пор успешно эксплуатируемый в России и многих странах мира универсальный транспортно-пассажир- ский самолет АН-2.

Однако в машиностроении известно множество случаев, когда изделие стареет морально прежде, чем промышленность освоит его выпуск. Это значит, что показатели качества такого изделия уступают аналогичным показателям изделий-аналогов, производимых другими предприятиями и фирмами.

Относительными показателями качества изделий, характеризующими их технический уровень, считают количество энергии, расходуемой на выпуск единицы продукции, отношение массы транспортного средства к его грузоподъемности, удельный расход горючего (отношение объема истраченного топлива к пройденному пути) и др.

Показатели качества изделия с течением времени изменяются. В длительно работающем двигателе, например, возрастает расход топлива, а мощность его при этом падает; снижается точность металлорежущих станков, появляются утечки в гидроагрегатах и т. п.

5.3. Эксплуатационные показатели

Важнейшим эксплуатационным показателем качества изделия является надежность. Надежность – свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в определенных пределах в течение требуемого промежутка времени или наработки. Например, отечественные заводы гарантируют бесперебойную работу холодильников в течение трех лет; автомобилей – в течение одного года эксплуатации или 20 тыс. км пробега и т. д. Это значит, что в процессе наработки или в указанные периоды эксплуатации все показатели качества изделия должны находиться в пределах, указанных в гарантийных обязательствах.

Надежность машин во многом определяется прочностью и жесткостью их конструкций: правильным выбором схемы нагружения, рациональной расстановкой опор, приданием конструкциям жестких форм и т. п.

Надежность – это комплексный показатель, который в зависимости от назначения изделия и условий его эксплуатации может включать в себя

39

безотказность, сохраняемость, ремонтопригодность и долговечность изделия и его частей.

Свойство изделия сохранять работоспособность в заданных условиях эксплуатации в течение некоторого времени или при выполнении определенного объема работы без вынужденных перерывов называется безотказностью. В технологии машиностроения под работоспособностью понимают состояние изделия, при котором в данный момент времени его основные (рабочие) параметры находятся в пределах, установленных требованиями технической документации.

Ремонтопригодность характеризуется затратами труда, времени и средств на поддержание и восстановление работоспособности машин и оборудования. Например: нормальная работа современных ЭВМ быстро восстанавливается, путем замены отказавших блоков; колесо автомобиля с проколотой шиной тут же заменяют другим. Для поддержания оборудования в работоспособном состоянии на машиностроительных предприятиях составляют, а затем строго выполняют график планово-предупредитель- ных ремонтов и т. д.

Эти и другие примеры свидетельствуют о том, что конструкторы, как правило, достаточно заботятся о ремонтопригодности своих изделий.

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Понятию долговечности тождественно понятие ресурса машины (изделия), т. е. общее время работы в часах до первого капитального ремонта.

К основным факторам, снижающим долговечность и надежность изделий, относятся: износ трущихся поверхностей; повреждение поверхностей в результате действия контактных напряжений; наклеп, коррозия и старение; пластическое деформирование деталей, вызываемое местным и общим переходом напряжения за предел текучести или ползучести (при повышенных температурах).

Качество и надежность изделий непосредственно зависят от точности их изготовления. Под точностью в технологии машиностроения понимают степень соответствия производимых изделий их заранее установленным эталонам или образцам. Точность – понятие комплексное, которое характеризует не только геометрические параметры изделий и их элементов, но и единообразие различных свойств: упругих, динамических, электрических и т. д. Одним из основных показателей, определяющих точность машины, является точность относительных движений рабочих органов, т. е. максимальное приближение действительного характера движения исполнительных поверхностей к теоретическому закону движения, выбранному исходя из служебного назначения изделия.

Точность характеризует единообразие и многих других качественных показателей машин, например, развиваемой мощности, давления,

40