Современные проблемы металлургии, машиностроения и материалообработки. Учебное пособие

--определение на основе оптимизационных расчетов (это метод с применением математического моделирования, который позволяет одновременно решать многие проблемы территориальной организации производства).

Среди факторов, влияющих на размещение предприятий машиностроения, значительная роль принадлежит специализации и кооперированию производства. Специализация дает большие возможности для использования высокоэффективного производственного оборудования, а также средств автоматизации производственных процессов.

Специализация может быть следующих типов:

--детальная или подетальная, которая подразумевает выпуск отдельных частей или деталей готового продукта;

--предметная, т.е. отвечающая за выпуск определенных конечных видов продукции;

--технологическая – производство полуфабрикатов (литье, различные виды заготовок) или осуществление отдельной операции и технологического процесса.

Специализация тесно связана с кооперированием, которое предполагает участие в процессе производства готового продукта нескольких предприятий.

Машиностроение отличается от других отраслей промышленности рядом особенностей, которые влияют на его географию.

Наукоемкость. Производство наиболее прогрессивной и сложной техники, которое концентрируется в районах и центрах, обладающих высокоразвитой научной базой: крупные НИИ, конструкторские бюро, опытные заводы в Москве, Санкт-Петербурге и Новосибирске. Ориентация на научный потенциал – ведущий фактор размещения машиностроительных предприятий.

Трудоемкость. Это большие затраты и высокая квалификация используемого труда. Производство машин требует очень больших затрат рабочего времени, поэтому многие отрасли машиностроения тяготеют к районам с высокой концентрацией населения. Для разработки новых образцов техники необходимы не просто людские ресурсы, а высококвалифицированные рабочие и инженерно-технические кадры. Высокая трудоемкость присуща станкостроению (Москва), авиационной промышленности (Казань, Самара), производству приборов и электронной техники (Ульяновск, Новосибирск).

Металлоемкость. Машиностроительный комплекс потребляет значительную часть черных и цветных металлов. в этой связи маши-

21

ностроительные заводы, выпускающие металлоемкую продукцию (металлургическое, энергетическое, горно-шахтное оборудование), ориентируются на металлургические базы. Крупные заводы тяжелого машиностроения расположены на Урале (Екатеринбург).

Многие отрасли машиностроения развиваются в районах с благоприятным для организации кооперирования экономико-географиче- ским положением. Например, автомобилестроение – в Центре и Поволжье. Поскольку перевозка машин обычно осуществляется на большие расстояния и в разных направлениях, машиностроительные заводы размешаются на крупных транспортных магистралях. Некоторые машиностроительные предприятия ориентируются на потребителей их продукции, поскольку их продукцию сложно транспортировать из-за большой массы и крупных размеров. Выгоднее их производить прямо в районах потребления. Например, тракторы для перевозки леса производятся в Карелии (Петрозаводск), комбайны для уборки зерновых – на Северном Кавказе (Ростов-на-Дону, Таганрог).

3.2.2 Основные современные проблемы материалообработки

Машиностроение является базовой отраслью российской экономики, поэтому оказывает значительное влияние на формирование показателей макроэкономики. Успехи машиностроительного производства зависят от эффективности использования материалообрабатывающего оборудования. Металлообработка является основным технологическим ядром современного машиностроительного производства. Именно в этой отрасли промышленности внедряются инновационные разработки, способствующие развитию технического прогресса.

На сегодняшний день основными тенденциями развития этого сегмента экономики являются следующие направления:

--внедрение высокотехнологичных систем автоматизированного проектирования;

--модернизация технологического оборудования, направленная на снижение энергоемкости производства;

--разработка и внедрение на предприятиях более компактной технологической среды;

--разработка устройств, механизмов и оборудования, уменьшающих вмешательство исполнителей и в целом исключающих воздействие человеческого фактора на полный технологический цикл производственного процесса;

--использование инновационных материалов.

22

Важное направление в современной российской экономике – импортозамещение, являющееся мощным инструментом развития машиностроения. Многие модели выпускаемого отечественными предприятиями оборудования превосходят зарубежные аналоги по надежности, эксплуатационным возможностям и точности обработки. Существует целый ряд направлений, инновации в которых появлялись и будут появляться регулярно, особенно с учетом высокой скорости прогресса в области компьютерных технологий. Часть из этих направлений – пока в стадии разработки, другие проходят апробацию, третьи же начинают постепенно внедряться в производство. к последним можно отнести исследования в области достижения более высокого КПД оборудования; создание новых систем автоматизированного проектирования; разработка механизмов и аппаратов, уменьшающих вмешательство человека или вообще исключающих человеческий фактор из процессов металлообработки.

Новые системы автоматизированного проектирования (САПР)

Развитие САПР сегодня происходит путем реализации комплексного подхода к максимальной автоматизации процессов проектирования на всех уровнях, упрочняется и расширяется связь процессов проектирования с процессами изготовления конструкций. Следует также работать над возможностью усовершенствования систем, поскольку прогресс в области вычислительной техники, оборудования для производства вычисляемых конструкций, а также сами конструкции со временем эволюционируют. Поэтому должна обеспечиваться согласованная работа всех элементов автоматизированных систем, причем желательно добиваться того, чтобы это происходило без вмешательства человека в процессы обработки массивов информации при переключении с одного этапа проектирования на другой.

До недавнего времени программа AutoCAD считалась лидером в этой области. Однако сейчас идет активная работа по созданию новых, более совершенных программ, в частности способных не только служить «электронным кульманом», но и рассчитывать динамические и статические нагрузки, которые будет испытывать проектируемые конструкции. Одной из таких систем стала APM WinMachine. Эта САПР позволяет создать узлы и конструкции, оптимальные по заданным параметрам, благодаря различным модулям, к примеру APM

23

Structure3D. Кстати, APM WinMachine разработана отечественной компанией – НТЦ АПМ.

Модуль APM Structure 3D позволяет выполнять расчеты таких параметров, как величины деформации и напряжений в любой точке программируемой системы или узла; стабильность отдельных элементов и всей конструкции в целом; динамические характеристики механических колебаний (вынужденных и собственных). Расчеты могут вестись как для стабильно нагруженных конструкций, так и для систем с переменным нагружением.

Внедрение таких систем позволяет упростить работу конструкторов

ипроектировщиков, исключить ошибки, ускорить процессы создания новых узлов, деталей и массивных конструкций, разработать изделия

идокументацию в соответствии со стандартами РФ. Благодаря тому что САПР теперь разрабатываются и в нашей стране, их использование дает существенную экономию на приобретении программного обеспечения. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что отечественные системы автоматизированного программирования в ближайшее время начнут активно вытеснять импортные аналоги.

Автоматизация производств

Современная промышленность неуклонно наращивает производительность. Высокие скорости различных процедур металлообработки, повышенные требования к точности обработки и качеству изделий – все это приводит к тому, что производство становится более автоматизированным. Для того чтобы минимизировать участие человека в процессах изготовления и обработки деталей и узлов, передав ему только управляющие функции, инженерная мысль движется в направлении роботизации. Уже сейчас действуют полностью автоматизированные системы обработки деталей, так называемые обрабатывающие центры, выполняющие различные процедуры, например, токарно-фрезерные центры с ЧПУ, роботы для сварки. Однако на этом изобретатели не останавливаются. Процессы роботизации и автоматизации, осуществляемые такими компаниями, как FANUC или «ФАМРоботикс» решают любые производственные задачи путем создания оборудования, управляемого дистанционно с компьютеров, с помощью программного обеспечения. Оснащение производств таким оборудованием означает уменьшение затрат на обслуживание и наладку. Соответственно, в связи с все возрастающей сложностью

24

оборудования, изменяются требования к квалификации персонала. Это влечет за собой необходимость в обучении кадров, повышении их уровня знаний.

Интеграция промышленных роботов в производство, при кажущейся затратности, окупает себя в крупносерийном изготовлении деталей, а также в процессах металлообработки. Например, сварка

спомощью промышленных роботов FANUC может осуществляться

сгораздо большей скоростью, нежели вручную. Кроме того, сварка происходит по всем осям, перемещение по которым происходит в порядке, заданным оператором. Энергоемкость таких процессов существенно ниже, а производительность выше, чем при ручном способе. Быстрое переключение с одной операции на другую позволяет экономить рабочее время. Около 70 % эффекта от автоматизации и роботизации производства происходит благодаря увеличению производительности и гибкости, остальные 30 % поровну делят между собой повышение качества и снижение процента брака (15 %), а также экономия фонда оплаты труда (15 %). Плюсом автоматизации также является то, что задачи людей, работающих на производстве, как и объема работ, уменьшаются, вследствие чего улучшаются условия труда и найма персонала. Благодаря роботизации можно нарастить производственные мощности, поскольку автоматизированные линии занимают намного меньше площади. Выгоды, получаемые в результате автоматизации крупных предприятий, настолько очевидны, что в ближайшие годы стоит ожидать увеличения количества производств, полностью или частично роботизированных. Поскольку конкуренция в сфере металлообработки достаточно высока и постепенно сегмент низкопроизводительных предприятий уменьшается, а крупные игроки в этой области активно развиваются, то с большой долей вероятности будет происходить и рост числа компаний, предлагающих услуги по автоматизации и роботизации металлообрабатывающих заводов.

Высокопрочные стали

Режущие инструменты в процессах металлообработки подвергаются сильному износу. Изнашиваются также и движущиеся части обрабатывающих станков и другого оборудования, работающего на высоких скоростях или с заготовками большой массы. Повышение прочности стали, из которой изготавливаются эти части, относится к наиболее проблемным вопросам современной инженерии. Поверх-

25

ностное упрочнение лишь отчасти решает эти проблемы, поэтому уже не первое десятилетие ученые всего мира бьются над вопросом увеличения прочности сталей.

Производство высокопрочных сталей обычно ведет к ухудшению пластичности и неспособности сопротивляться хрупкому разрушению. Поэтому разработки в области повышения надежности сталей направлены на решение комплексных проблем – корреляции механических характеристик и эксплуатационных условий. Основными параметрами, по которым оцениваются высокопрочные стали, являются два показателя – предел текучести и трещиноустойчивость (вязкость разрушения).

ТРИП-стали (Transformation Induced Plasticity) являются одной из разработок прошлого столетия. Для получения этой стали в качестве легирующего элемента вводится кремний. Пластичность этих сталей искусственно повышалась в 2 раза по сравнению с обычными высокопрочными сталями за счет деформации. Сейчас ей на смену приходят Twinning Induced Plasticity (ТВИП) стали, легированные марганцем. Их пластичность увеличивается благодаря двойникованию под действием внешних сил, направленных по касательной. Производство таких сталей обходится дешевле и свойства их оставляют далеко позади ТРИП-стали.

На отечественный рынок поступает в последнее время сталь Hardox производства компании SSAB Oxelosund AB. Она постепенно отвоевывает позиции у отечественных высокопрочных сталей за счет своих характеристик. Эта сталь может быть подвергнута металлообработке гибкой, свариванию и другим способам воздействия без потери физических свойств. Сварку и резку листов из стали этой марки можно вести любыми способами – газопламенной, плазменной, электродуговой, лазерной.

Направление создания высокопрочных стальных сплавов активно разрабатывается и в отечественной металлургии. Пока что эти стали используются для создания горной и строительной техники, упрочнения автомобильных кузовов и намного реже – для изготовления деталей станков и оборудования. Можно предположить, что современный рынок черных металлов постепенно будет расширяться и дополняться за счет открытия и внедрения новых способов упрочнения инструментальных сталей. А обработка металлов с помощью инструмента, изготовленного из таких составов, станет еще более эффективной и производительной.

26

4 Проверка готовности обучающихся к занятию

Проверка готовности к занятию может быть осуществлена в виде контрольной работы, письменного теста или в любой другой удобной для преподавателя и студентов форме.

Контрольная (проверочная) работа

Контрольная работа может быть написана по итогам занятия (обычно не больше 7...10 мин в конце занятия), по итогам темы (15...20 мин в конце занятия), раздела курса (от четверти до трети занятия), изучения дисциплины в целом (от часа до двух). Все разновидности предполагают прежде всего контроль за усвоением основного содержания курса и дают возможность охватить всех слушателей. Контрольные работы по итогам конкретного занятия или отдельной темы можно проводить как без предупреждения, так и заранее информируя об этом студентов. Итоговая контрольная работа требует самостоятельной подготовки и не должна проводиться без предупреждения. Итоговая контрольная работа в ряде случаев заменяет собой итоговую аттестацию по дисциплине: зачет или экзаменационная оценка может выставляться по результатам итоговой контрольной работы. Считается, что таким образом может быть достигнута большая объективность, но в то же время современные методики и вузовская практика чаще рекомендует такую форму для курсов, заканчивающихся зачетом, а не экзаменом. Кроме того, в ряде вузов сейчас активно вводится балльно-рейтинговая система, предполагающая складывание итоговой оценки из целого ряда факторов, характеризующих работу студента в течение всего семестра/года обучения (посещаемость, активность на занятиях, результаты контрольных работ, выступления с докладами/рефератами, результаты итоговой аттестации по дисциплине).

Письменный тест

Отношение к тесту как к форме контроля усвоения материала в современной педагогической среде неоднозначно. в то же время, методические руководства настаивают на формировании именно в тестовой форме баз АПИМ (аккредитационных педагогических измерительных материалов). Тестовая форма письменных работ не

27

должна преобладать, но использование тестов продуктивно в тех случаях, когда надо проверить, насколько усвоен материал большой группой учащихся. в то же время следует помнить, что тест плохо проверяет системные и глубинные вещи (чаще всего в этом случае на вопрос не существует однозначного ответа) и не способствует формированию письменной культуры обучающегося – а это довольно важная составляющая целей и задач письменных работ в системе образования любого уровня.

28

5 Подготовка и примерная тематика курсовых работ, рефератов (докладов, сообщений)

5.1 Подготовка рефератов (докладов, сообщений)

Впоследнее время семинар в форме устных докладов студентов

споследующим их обсуждением приобретает все больше сторонников среди вузовских преподавателей в связи с тем, что, с одной стороны, в существенной степени прививает навыки творческой и/или научной работы, способствует развитию способностей к самостоятельному мышлению, поиску новых идей, фактов и т.д. с другой стороны, при недостаточной проработке этого семинара может получиться так, что докладчик не осветит тему полностью, а основная аудитория не изучит вопрос, понадеявшись на докладчика. Для расширения вовлеченности студентов в процесс обсуждения методисты рекомендуют назначать не только докладчиков, но и содокладчиков,

иоппонентов, сообщения которых также должны быть подготовлены заранее. Кроме того, желательно стремиться к тому, чтобы каждый студент был готов дополнить и проанализировать доклад своего товарища, прослушав его на занятии. Обсуждение письменных рефератов, заранее подготовленных отдельными студентами и затем (до семинара) прочитанных всей группой.

Подготовка реферата – письменной работы, посвященной анализу какой-то проблемы на основе ряда книг, статей требует относительно длительного срока (около 2–3 недель). Желательно, чтобы реферат перед семинаром был прочитан преподавателем, а в идеале и всеми студентами группы, так что на организацию семинара в этой форме уходит гораздо больше времени. в связи с этим аспектом, а также

стем, что предметом реферативного изложения чаще всего становится либо фундаментальная теоретическая проблема, либо результат экспериментов/исследований студента под руководством преподавателя, заслушивать рефераты студентов методисты рекомендуют на последнем семинаре по теме, группе тем или дисциплине в целом.

Темы рефератов, предлагаемых студентам, обычно входят в УМК дисциплины и предлагаются студентам в начале года/семестра. Преподаватель, предлагающий студентам темы рефератов, должен помочь

сподбором литературы по теме, при необходимости – с составлением

29

плана работы. Доклады (сообщения) обязательно должны сопровождаться презентацией, выполненной в программе Power Point.

5.2 Подготовка курсовых работ

Курсовая работа – первая собственно научная самостоятельная работа студента. Она пишется под руководством научного руководителя. Практика выбора тем для курсовых работ может быть различной. в некоторых вузах темы предлагаются выпускающей кафедрой, в некоторых – разрабатываются каждым преподавателем в рамках своего спецсеминара, наконец, возможны случаи, когда направление научного исследования предлагается самим студентом и корректируется преподавателем. Тематика курсовых работ должна соответствовать научной проблематике кафедры современному научному уровню, учитывать последние научные достижения. Наконец, в некоторых вузах возможно включение студентов в программу научной работы кафедры с распределением между ними заданий и тем для научных исследований в соответствии с этой программой (так довольно часто работали дореволюционные профессорские университетские семинары).

При написании курсовой работы студент должен научиться работать с материалами библиотек, архивов, электронными ресурсами. При этом научный руководитель должен сразу познакомить студента с нормами академического письма (прежде всего с недопустимостью некорректных заимствований из научной литературы, с правилами оформления цитат, обзоров по истории вопроса, со стандартом библиографических описаний книг, статей, интернет-источников и т.д.).

В любой научной работе, особенно на начальном этапе, чрезвычайно важно сотрудничество студента с научным руководителем. Оптимально, когда работа ведётся в рамках традиционного спецсеминара, на котором студенты периодически докладывают коллегам результаты своих исследований, а преподаватель осуществляет контроль за продвижением работы не реже чем раз в неделю или в две. Опыт показывает, что для достижения результата научный руководитель обычно читает четыре-пять вариантов работы, корректируя текст и направляя мысль молодого исследователя в нужном направлении. Если работа над курсовой работой ведется в течение года, во втором семестре целесообразно заслушать доклады студентов по фактически завершённым работам с их последующим обсуждением.

30