Промышленные технологии и инновации

В современной технической (и не только) литературе широко используются различные варианты понятия "технология". Целесообразно как-то систематизировать эти определения и рассмотреть влияние технического прогресса на создание принципиально новых промышленных технологий.

Технология (Тechnology ) – в дословном переводе наука о мастерстве.

Существует ряд отечественных определений, из которых приведем только энциклопедические:

1. Наука или совокупность сведений о методах переработки сырья, материалов, полуфабрикатов, комплектующих, теперь и программных средств в изделия, отвечающие заданным требованиям с точки зрения их технического назначения и качества.

2. Совокупность средств, процессов, операций, методов, с помощью которых входящие в производство элементы преобразуются в выходящие; она охватывает машины, механизмы, навыки и знания.

Зарубежное (западное) определение: применение (употребление) чего либо в индустрии, коммерции, медицине и других областях.

Прогрессивная технология. Технология более высокой ступени развития (по сравнению с существующей), которая является результатом внедрения процессных инноваций. Эта категория включает технологии, базирующиеся на заимствованном передовом опыте, когда внедряются новые или усовершенствованные методы производства изделий, в т.ч. реализованные ранее в производственной практике в смежных областях одного предприятия, других предприятий и других стран и распространяемые путем технологического обмена (беспатентные лицензии, ноу-хау, инжиниринг и т.п.).

Наукоемкая технология. Технология, основанная на новых или значительно усовершенствованных методах производства. Новой технологии соответствует понятие радикальной продуктовой инновации, а усовершенствованной – инкрементальной продуктовой инновации.

Наукоемкие технологии – это технологии, ориентированные на выпуск продукции, выполнение работ и услуг с использованием последних достижений науки и техники, когда получаемая продукция соответствует по своим экономическим и эксплуатационным свойствам лучшим мировым образцам и вполне удовлетворяет новые потребности общества по сравнению с ранее выпускавшейся аналогичного назначения. Создание таких технологий включает проведение обеспечивающих научных исследований и разработок, что приводит к дополнительным затратам средств и необходимости привлечения к работам научного потенциала и персонала. Наукоемкость – показатель, отражающий пропорцию между научно-технической деятельностью и производством в виде величины затрат на науку, приходящихся на единицу продукции. Она может быть представлена соотношением числа занятых научной деятельностью и всеми занятыми в производстве (на предприятии, в отрасли и т.д.).

Высокая технология ( High Technology ). Технология, базирующаяся на создании новых свойств изделий путем воздействия на материалы на межмолекулярном, межатомном, внутриатомном и т.п. уровнях. Примерами таких воздействий может быть использование энергии ядерного излучения (полимеризация высокомолекулярных соединений), космического излучения (получение сверхчистых материалов), лазерная, плазменная, ультразвуковая и т.п. виды обработки.

Критическая технология. Технология, разработка которой обусловлена критической ситуацией, вызванной необходимостью срочного выпуска продукции в условиях ограниченного времени и ограниченных материальных ресурсов. Технология, далекая от оптимальной, когда главенствующим является не себестоимость изделий, а необходимость их изготовления к определенному календарному сроку.

Повышение качества выпускаемой продукции, создание и внедрение в производство принципиально новых объектов техники и конструкционных материалов нередко связано с необходимостью разработки новых технологий. Новые технологии возникают и оказываются востребованными в периоды революционных технических преобразований, когда появление новых идей в тех или иных областях человеческой деятельности и знаний требует их материального или иного воплощения. Создание промышленных технологий неразрывно связано с использованием разнообразных физических эффектов (ФЭ), положенных в их основу.

При взаимодействии объектов материального мира протекают физические процессы, сопровождающиеся различными эффектами. Для однозначности толкования понятия ФЭ принято следующее его определение: ФЭ – это закономерность проявления результатов взаимодействия объектов материального мира, осуществляемого посредством физических полей. При этом закономерность проявления характеризуется последовательностью и повторяемостью при идентичности взаимодействия.

Разнообразие процессов и явлений, которые происходят в природе, обусловлено четырьмя типами взаимодействий: всемирным тяготением, электромагнитными, ядерными и слабыми взаимодействиями. Каждому взаимодействию соответствуют определенные физические поля. Каждое из этих полей имеет ряд модификаций, обусловливающих особенности взаимодействия материальных объектов. Например, электрическое поле может быть электростатическим, переменным, вихревым и т. д.

Результаты воздействия – это эффекты, проявляющиеся на объектах или в окружающем их пространстве. Ими могут быть физические поля и изменения параметров объектов (размеров, формы, физико-механических свойств и т.д.). При постоянстве условий взаимодействия и свойств объектов проявляются одни и те же результаты воздействия .

1. При одном воздействии на объект может проявляться несколько результатов воздействия. Их число зависит от сложности структуры физического объекта. Поскольку от одного воздействия могут проявляться ФЭ на разных иерархических уровнях структуры объекта, то возникают внутренние воздействия. Последние широко используются в технике и технологии. Так, для нагревания заготовки может быть использована печь (внешнее воздействие) или пропускание через заготовку электрического тока (внутреннее воздействие).

2. На один объект может быть оказано несколько воздействий. Их можно разделить на основные и дополнительные. Основным является такое, результат от которого представляет другое, отличное от воздействия, физическое поле. Дополнительное – такое, которое приводит лишь к количественному изменению результата, получаемого от основного воздействия. Дополнительные воздействия не могут вызвать данного результата без основного воздействия (электро-химическая обработка).

3. На одном объекте могут проявляться несколько ФЭ. Любые два ФЭ или более, проявляющиеся на одном объекте, оказывают влияние друг на друга (комбинированная обработка, наростообразование при резании).

4. Значение результата воздействия может регулироваться: количественным изменением воздействия, введением новых основных и дополнительных воздействий, изменением структуры объекта, изменением параметров объекта. Это свойство лежит в основе технической реализации таких функций объектов техники, как усиление, ослабление, преобразование, модуляция, выравнивание, проводимость и др.

Модель ФЭ характеризует зависимость результата воздействия (эффекта) от воздействия и должна удовлетворять следующим требованиям:

• отражать условия взаимосвязи ФЭ друг с другом;

• давать количественную характеристику проявления ФЭ;

• обеспечивать описание процесса проявления ФЭ во времени;

• быть пригодной для использования в инженерной практике;

• обеспечивать определение результатов воздействий при заданных воздействиях, значениях варьируемых параметров физического объекта, временных характеристик.

Для многих ФЭ пока не известны строгие математические зависимости между воздействием и результатом. В этом случае используются эмпирические зависимости, либо экспериментальные данные.

Из модели ФЭ следует, что результат воздействия зависит от используемых марок веществ и материалов. В связи с этим поиск новых марок веществ и материалов следует считать важнейшей задачей инновационного процесса. Материал или вещество должны характеризоваться параметрами воздействия (основным и дополнительным), результатами воздействий и конструкторско-технологическими требованиями. Поэтому, желательна интеграция необходимой информации на основе баз данных по свойствам веществ и материалов.

Рассмотрим примеры ФЭ, широко применяемых в технике и технологии. Одним из таких ФЭ является "эффект клина". Сущность эффекта заключается в преобразовании силы (по величине и направлению) при взаимодействии двух твердых тел путем использования поверхности контакта, наклоненной под острым углом к действующей силе. Когда человечество освоило процессы получения металлов из руды, возникла необходимость их переработки в изделия. Базируясь на "эффекте клина" и подобрав необходимые сопутствующие материалы (инструментальные, смазывающе-охлаждающие жидкости) удалось реализовать технологический процесс обработки металлов резанием, который в дальнейшем развился в великое множество его модификаций: точение, строгание, сверление, зенкерование, развертывание, фрезерование, шлифование, полирование и т.д. и т.п.

На рис. 2.1. представлена в общем виде схема появления новых технологий и ее модификаций.

Разновидности новых технологий

Приведем более современный пример. При переводе в 60-х годах прошлого века авиации с поршневых на газотурбинные двигатели, перед заводами по производству авиационных двигателей встала проблема обработки лопаток турбин и компрессоров. Это большие партии деталей из высоколегированных (и, следовательно, трудно обрабатываемых резанием) сталей и сплавов, имеющих сложную пространственную геометрию и высокие требования по точности и качеству. Традиционная технология обработки таких поверхностей на фрезерно-копировальном оборудовании не обеспечивала необходимого качества и производительности. "Узкое" место в производстве удалось расшить благодаря разработке принципиально новой технологии (рис.2,2), основанной на принципе химического растворения материала (основное воздействие), значительно усиливаемого наложением электрического тока (дополнительное воздействие). Проведенные научные исследования по выбору оптимальных сопутствующих материалов (электроды, электролиты) и электрических режимов позволили создать надежную технологию и промышленное оборудование для ее реализации.

1 – электрод-заготовка; 2 – электрод-инструмент; 3 – электролит.

Использование наукоемких технологий в самых разнообразных областях человеческой деятельности является знамением нашего времени. Так, применение лазерных технологий не ограничивается машиностроением, связью, медициной и т.п., они нашли свое место даже в так называемой "высокой моде", например, для получения кружев из меха по индивидуальному для каждого клиента рисунку, компьютеризированного раскроя заготовок для одежды и т.п.

Конкурентоспособность продукции определяется на рынке ее потребительскими свойствами и ценой. Потребительские свойства создаются в процессе изготовления изделия в зависимости от выбранной технологии и состояния технологической среды, цена в значительной степени определяется себестоимостью изготовления и также зависит от принятой технологии и связанной с нею производительностью труда. Качество изделия в целом определяется технологической культурой его сборки (часто и испытаний), но во многом зависит от качества элементов изделия, поступающих на сборку.

Качество изготовления элементов изделия определяется совокупностью свойств процессов их изготовления, соответствием этих процессов и их результатов установленным требованиям. Основными параметрами, определяющими качество элементов изделия являются точность их изготовления, качество поверхности и физико-механические свойства материалов, из которых они изготовлены.

Под точностью в промышленности понимается степень соответствия производимой продукции заранее установленным прототипам или образцам. В качестве прототипов могут быть чертежи изделий или их элементов в электронном виде или в твердой копии, эталонные изделия, опытные образцы. Чем выше это соответствие, тем выше точность.

Различают точность размеров, точность формы и точность взаимного расположения поверхностей. Показатели качества изделий весьма тесно связаны с точностью изготовления его элементов. Полученные при обработке размер, форма и расположение элементарных поверхностей определяют фактические зазоры и натяги в соединениях, а следовательно, технические параметры продукции, влияющие на ее качество, надежность и экономические показатели производства и эксплуатации.

3.1.1. Точность размеров

При изготовлении элементов изделия невозможно абсолютно точно получить их заданные размеры. Это связано с тем, что на всех этапах технологического процесса имеют место т.н. технологические погрешности. В то же время важным показателем качества технологического процесса изготовления изделий массового спроса является обеспечение принципа взаимозаменяемости. Под взаимозаменяемостью понимается свойство одинаковых элементов изделия, позволяющее производить сборку или замену их без дополнительной обработки или предварительной подгонки. Примерами взаимозаменяемых элементов могут служить электрические лампочки, запасные части к автомобилям, блоки персональных компьютеров и т.д. Взаимозаменяемость способствует повышению эффективности производства, т.к. облегчается процесс конструкторской подготовки (используются стандартные, хорошо зарекомендовавшие себя решения) и обеспечивается широкая специализация и кооперирование. В связи с этим изготовление изделий удешевляется, легче организовать поточное производство, упрощаются сборка и ремонт.

Несоблюдение принципа взаимозаменяемости может привести к самым неприятным последствиям. Примером тому может послужить трагический эпизод, который произошел в прошлом веке в США. Бушевавший 30 часов пожар уничтожил 70 кварталов американского города Балтимор, несмотря на наличие воды в очаге пожара и помощь пожарных команд соседних городов. Дело в том, что в каждом из этих городов были свои стандарты на размеры присоединительных муфт пожарных гидрантов. Оказалось, что в городах США в то время было 600 различных типов и размеров водоподающих устройств. После этого был принят закон об их стандартизации.

При проектировании изделия конструктор, определяет размеры элементов изделия. Эти размеры называются номинальными. Поскольку, как говорилось выше, при изготовлении абсолютная точность недостижима, он должен определить два предельно допустимых размера – наибольший и наименьший; изготовление элемента в этих пределах не должно повлиять на эксплуатационные качества изделия и обеспечить взаимозаменяемость при сборке. Разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами называется допуском. Чем меньше допуск, тем выше точность. Разность между предельными размерами и номинальным называется соответственно верхним и нижним отклонением (рис 3.1).

Отклонения всегда указываются со знаком. Если оба отклонения имеют знак "+" , то это значит, что наибольший и наименьший предельные размеры будут больше номинального (а), если оба отклонения имеют знак "-", то предельные размеры меньше номинального (б). В том случае, когда верхнее отклонение имеет знак "+", а нижнее – знак "-", номинальный размер находится внутри поля допуска (в), т.е. поля, ограниченного верхним и нижним отклонением.

В зависимости от назначения и условий работы взаимно соединяемые элементы изделия должны либо свободно перемещаться относительно друг друга, либо легко собираться и разбираться, взаимно не перемещаясь, либо быть взаимно неподвижными. При соединении двух элементов (рис. 3.2) различают охватывающую поверхность 1 и охватываемую поверхность 2.

Характер соединения, называемый посадкой, определяют разностью размеров в месте сопряжения. Если размер элемента 1 больше, то разность между ними называется зазором, если наоборот - натягом. Различают три вида посадок: с зазором, переходные, с натягом. Посадки с зазором используются в тех случаях, когда сопрягаемые детали могут перемещаться относительно друг друга. Такие посадки характеризуются величиной наименьшего и наибольшего зазоров. Посадки с натягом применяются тогда, когда, например, надо передать крутящий момент в результате упругих деформаций сопрягаемых деталей. При использовании переходных посадок возможно получение как зазора, так и натяга.

Для выработки единых требований к размерам при получении необходимых соединений разработана единая система допусков и посадок (ЕСДП). В системе допуски даются одинаковыми для определенного интервала размеров (например, до 3 мм, от 3 до 6мм и т.д.).Разбивка размеров на интервалы делает систему допусков более компактной. Следует отметить, что в таблицах, где указаны интервалы размеров, последняя цифра интервала относится к данному интервалу, а первая цифра – к предыдущему. В зависимости от величины допуска на размер создаются ряды допусков, называемые квалитетами. В ЕСДП предусмотрено 19 квалитетов: 01; 0; 1; 2; … 17 в порядке убывания точности. В ЕСДП для указания положения поля допуска относительно нулевой линии принята буквенная индексация. Большие буквы применяют для охватывающих размеров, малые – для охватываемых. Обозначение поля допуска состоит из основного отклонения и номера квалитета. Например: размер 30Н7 – номинальный размер 30 мм, поле допуска Н7 (основное отклонение Н, допуск по 7-му квалитету); 20g6 – номинальный размер 20 мм, основное отклонение g, допуск по 6-му квалитету.

На сборочных чертежах посадку сопрягаемых деталей обозначают в виде дроби, при этом охватывающий размер указывается в числителе, а охватываемый – в знаменателе. Например, запись 40 H8/g7 означает, что при номинальном размере 40 мм основное отклонение охватывающего размера Н и допуск по 8-му квалитету, а основное отклонение охватываемого размера g и допуск по 7-му квалитету. Конструктивные допуски и технические требования на изготовление назначаются с учетом условий работы изделия. В технологическом процессе эти требования обеспечиваются финишными операциями. Однако важно обязательное соблюдение технологического регламента изготовления и на всех предшествующих операциях обработки, т.к. результаты финишных операций существенно зависят от качества выполнения предшествующих операций.

3.1.2. Точность формы и взаимного расположения поверхностей

Точность формы (прямолинейность, круглость, плоскостность, цилиндричность и т.д.) и точность взаимного расположения поверхностей (параллельность и перпендикулярность плоскостей, соосность и параллельность осей отверстий и т.д.), если они не перекрываются величиной поля допуска на соответствующие размеры, задаются конструктором изделия в виде символических обозначений с указанием требуемой величины точности на поле чертежа, либо в технических требованиях на изготовление. В технологических справочниках (см. список литературы) приводятся таблицы, содержащие ориентировочные данные по точности для различных методов обработки, полученные систематизацией непосредственных наблюдений в производственных условиях.

3.1.3. Статистические методы исследования точности

В процессе изготовления элементов изделий качество их и, в частности, точность размеров зависят от большого числа технологических факторов, влияющих в различной степени на точность обработки. Зависимости эти носят вероятностный (стохастический) характер. В теории вероятности и математической статистике разработаны методы, с помощью которых можно объективно оценить точностные характеристики реальных технологических процессов.

Оценка количественной стороны случайных событий осуществляется с помощью аппарата математической статистики. Характер зависимостей описывается соответствующим распределением плотности вероятностей случайных погрешностей. Полигон распределения строится по результатам измерений опытной партии элементов изделия (достаточно порядка 50 результатов измерений), полученных в условиях реального технологического процесса. При этом необходимо выполнить условие, что точность измерений не была ниже 0,1 допуска на исследуемый параметр. Вся партия разбивается на группы, в которую входят значения, находящиеся в определенных, выбранных интервалах. Обычно рекомендуется полигон распределения (разность между наибольшим и наименьшим размером в исследуемой партии) разбивать на десять интервалов, откладываемых по оси абсцисс. Количество измерений, попавших в каждый интервал, откладывается по оси ординат. Соединение полученных точек дает реальную кривую распределения исследуемого параметра. Подобрав соответствующий реальному распределению теоретический закон, можно воспользоваться разработанным для него математическим аппаратом, который приводится в математических справочниках.

В случае одновременного действия достаточного числа (не менее 3 - 4) приблизительно одинаковых по интенсивности, но независимых факторов без резкого преобладания какого-либо из них, распределение подчиняется нормальному закону, т.е. закону распределения Гаусса (рис.3.3). Ввиду того, что большинство реальных событий происходит под воздействием многочисленных внешних факторов, нормальное распределение встречается довольно часто. В то же время нормальное распределение легко может быть оценено по величине функции Лапласа, значения которой содержатся в математических справочниках.

С учетом приведенных на рис.3.3 данных, уравнение кривой имеет вид

где  - среднее квадратическое отклонение; е - основание натурального логарифма; а – значение абсциссы, при котором ордината " у " достигает максимума.

Величина " а " является средним арифметическим и одновременно центром распределения или центром группирования. При " х=а "координата " у " достигает максимума и у  0,4/ . Точки 1 и 2 перегиба кривой находятся на расстоянии " " от оси симметрии. Их ординаты равны у  0,24/ .

Как форму кривой распределения, так и точность при нормальном законе характеризует значение " ": чем оно больше, тем ниже точность. На рис. 3.4 представлены кривые нормального распределения, характеризующие точность различных этапов технологического процесса от заготовительного " 1 " до чистового " 3 " .Очевидно, что         .С каждым более точным этапом обработки значение " "должно уменьшаться (сокращаться поле рассеяния). Если этого не происходит, данный технологический процесс применять не следует. Также должны изменяться и значения х ₁ , х ₂ , х ₃ .

Значение " " определяют по результатам измерений:

где n– число произведенных измерений; x _i – значение текущего измерения; a – среднее арифметическое значение произведенных измерений,

Важно учесть, что вся площадь под кривой нормального распределения при приведении к функции от безразмерной переменной Z = x/ равна единице и выражает число всех (т.е. 100%) изготовленных в условиях конкретного технологического процесса элементов изделия. В то же время в диапазоне х =  3 располагается 0,9927 площади, ограниченной кривой Гаусса. Это означает, что в партии деталей, изготовленных данным методом и в одинаковых условиях, только 0,27% размеров выходит за пределы поля рассеяния. Изложенная методика оказывается очень удобной для практических целей. При сравнительно небольшом числе измерений определяются " а " и " " . Значение " " умножается на 6 и полученное число достаточно полно характеризует точность исследуемого технологического процесса. Строить кривые распределения в этом случае не обязательно. Условие обеспечения заданной точности будет выглядеть так:

(    )  ,

где  - величина суммарной погрешности рассматриваемого технологического процесса;  - допуск на рассматриваемый параметр.

Таким образом, великое множество задач может быть доведено до численного решения, если только исследуемое событие может быть подведено под нормальный закон распределения. В тех случаях, когда истинное распределение не вполне отвечает нормальному, можно ввести граничные условия, обеспечивающие решение задачи с достаточной для практики точностью.

Значительно реже в промышленной практике встречаются другие законы, тесно связанные с процессом протекания определенного физического явления. Среди них могут быть отмечены закон равной вероятности, закон Симпсона, закон Релея и некоторые другие, математический аппарат которых приводится в справочной литературе. Изменение во времени параметров технологического процесса исследуется с помощью т. н. точечных диаграмм.