2.2.3.2. Анализ и отработка технологической рациональности конструкции изделия
Производственную технологическую рациональность конструкции изделия характеризует возможность его изготовления с использованием имеющихся на выпускающем предприятии трудовых, материальных, технических, энергетических и других ресурсов. И поскольку ресурсные возможности вариабельны, технологическую рациональность конструкции изделия необходимо проанализировать и заново отработать к началу проектирования ТП, учитывая сложившиеся к этому моменту условия ТПП.
Уровень технологической рациональности конструкции изделия регулируется посредством целесообразного выбора типа и построения структуры изделия, определения его составных частей, конструктивных элементов, материалов и обеспечения оптимальной их преемственности. При этом регулирование рекомендуется осуществлять, начиная с признаков общего характера и переходя затем к признакам, обусловленным конкретно выбранным способом изготовления изделия.
К общим признакам технологической рациональности конструкции изделия относят обычно простоту формы, минимизацию подетального членения конструкции, выбор наиболее технологичного ПМ, сокращение номенклатуры ПМ в составе одной конструкции и некоторые другие признаки. Во всех случаях оптимизация коэффициентов уровня технологичности (Кут) и себестоимости (Кус) достигается на основе принципа упрощения (симплификации от английского слова simple – простой).
Симплификация формы изделия обусловливает снижение его группы сложности, что в качестве технико-экономического последствия имеет снижение нормы расхода ПМ (см. раздел 1.4) и, следовательно, повышение Ким, удешевление изготовления и обслуживания СТО, рост производительности труда и совершенствование качества продукции на всех этапах переработки ПМ. В каждом конкретном случае симплификация формы изделия может достигаться по-разному – заменой лекальных поверхностей на круглые, двойной кривизны на одинарную, рельефной поверхности (за счет выступов, углублений, поднутрений, перепадов толщин и т.п.) на гладкую или менее рельефную, ассиметрии на симметрию и т.д. Естественно, этот принцип не затрагивает тех случаев, когда форма изделия обусловлена специальными требованиями – стремлением к повышенной формоустойчивости конструкции, сопряжением с другими деталями в сборочном узле, соображениями художественного конструирования и др. /20/. Однако во всех случаях практическим критерием оценки простоты формы конструкции принято считать степень сложности извлечения готового изделия из формующего инструмента.
Минимизация подетального членения полимерных конструкций обусловлена стремлением снизить трудоемкость и себестоимость их изготовления за счет исключения технологических операций раздельного формования деталей и их последующей сборки, что в полной мере присуще цельнопластиковым изделиям. Вместе с тем необходимость подетального членения полимерных конструкций может быть предопределена рядом объективных причин, среди которых наиболее типичны несоответствие размеров крупных изделий возможностям современных технических средств формования, требования эксплуатационников к простоте обслуживания и ремонтопригодности изделий, а также необходимость выполнения отдельных элементов конструкции из разнородных материалов (металлов, керамики, ПМ на различной основе).
Особое место среди причин членения полимерных изделий на сборочные элементы принадлежит технологии изготовления интегральных конструкций из АП, основывающейся на совмещении процессов изготовления изделий и АП /6/. При этом сборка интегральных конструкций осуществляется на этапе формирования заготовки изделия из полуфабриката АП (препрега) и готовых деталей (сотовых и других заполнителей, вставок, профильных ребер жесткости и прочих элементов) на специальных видах оснастки – оправках. Такая сборка должна обеспечивать возможность регулирования заданной схемы армирования АП, качества соединения сопрягаемых элементов, допусков на форму готового изделия (точность обводов, волнистость поверхности и т.д.). Собранная таким образом заготовка монолитизируется матричным и клеевым способом в процессе выполнения операции формования изделия.
Общим признаком рациональности членения полимерной конструкции на составные части (по их числу и форме) является минимальная трудоемкость и себестоимость изготовления изделия, определяемые суммированием соответствующих показателей выполнения технологических операций формования и сборки этих элементов.
Выбор наиболее технологичных ПМ осуществляется с целью совершенствования технико-экономических и экологических показателей производства при условии обязательного выполнения требований к качеству изделия. Именно такой акцент на первоочередность обеспечения производственной технологической рациональности изделия принципиально отличает методику обоснования выбора ПМ при проектировании ТП от выбора ПМ при конструировании изделия.
Руководствуясь техническим заданием от потребителя, конструкторская группа осуществляет систематизированный выбор ПМ, сопоставляя в первую очередь их эксплуатационные свойства с техническими требованиями (ТТ) к качеству изделия /21,22/. Даже учет отдельных технологических свойств, в частности ТКЛР и усадки, в основном преследует цель обеспечить такую эксплуатационную характеристику, как размерная точность. В результате при конструировании в один сравнительный ряд могут попасть ПМ, перерабатываемые различными технологическими способами, например, литьевыми и прессовыми /23/. Все это обусловливает для проектанта ТП необходимость критического переосмысления выбора ПМ, сделанного при конструировании изделия. Результатом анализа может стать как подтверждение правильности ранее сделанного выбора, так и обоснование необходимости замены ПМ.
Сравнительный анализ может выполняться на различных уровнях существования ПМ – сопоставлением свойств их промышленных марок /21,23,24/, близких по эксплуатационным и технологическим возможностям видов ПМ /22/, а также основных компонентов (связующих и наполнителей) взаимозаменяемых составов ПКМ /25-27, 52/. В качестве примера осуществления анализа и системного выбора ПМ предлагается рассмотреть сопоставление видов пластмасс, применяемых для изготовления изделий пневмовакуумным формованием (см. табл.2.17).
Согласно современной методике обоснования выбора ПМ при проектировании ТП необходимо учитывать характеристики по 4-м группам свойств – технологические, эксплуатационные, экологические (как в производственных, так и в эксплуатационных условиях) и производственные технико-экономические. К технологическим относят те свойства ПМ, которые предопределяют рациональный способ и оптимальные режимы их переработки в изделие, состав операций и, следовательно, технико-экономические показатели ТП (Приложение 8). Выбираемые для анализа технологические свойства зависят от физических и химических процессов, сопровождающих производство и переработку ПМ в изделие (табл. 2.18). От согласованности этих процессов с технологическими свойствами ПМ и их компонентов зависит достигаемый уровень заданных эксплуатационных свойств, в частности, коэффициенты реализации механических свойств – прочности, модуля упругости, ударной вязкости и др.(см. раздел 1.2.1). Следовательно, обоснованный выбор перечня технологических свойств для анализа ПМ – ответственная задача для проектанта ТП, при решении которой могут быть использованы существующие практические рекомендации (Приложение 9).
Выбор в числе технологических свойств показателя температуры листовой заготовки в зоне эластического состояния ПМ обусловлен стремлением снизить энергоемкость, а сопоставление характеристик теплопроводности ПМ – снизить трудоемкость и повысить производительность процесса формования, поскольку с уменьшением теплопроводности возрастает продолжительность нагрева листовой заготовки, например, с 30 мин для УПС, ПП и ПММА до 60 мин для ПВХ /30/. Выбор показателя усадки влияет на норму расхода
Таблица 2.18
Основные процессы, протекающие при переработке пластмасс,
технологические свойства и стандартные параметры /21/
ПМ ( см. п. 1.4.4.5), на квалитет размерной точности и, следовательно, на процент брака готовой продукции.
Сопоставление экологических и технико-экономических характеристик также направлено на совершенствование ТП изготовления заданного изделия. Выбор экологических характеристик обусловлен стремлением обеспечить безопасность труда и предотвратить дополнительные издержки на защиту окружающей среды от токсичных летучих продуктов (Приложения 10 и 18).
Выбор технико-экономических характеристик, непосредственно влияющих на показатели ТП, зависит от наличия фактических данных. Наиболее исчерпывающим показателем можно считать среднестатистическую себестоимость переработки ПМ выбранным технологическим способом, которая комплексно учитывает не только стоимость сырья, но и норму его расхода, удельные энерго- и трудозатраты. При отсутствии данных о себестоимости продукции можно ограничиться соотношением показателей стоимости ПМ на текущий период времени.
При комплексном анализе всех данных табл. 2.17 обращает на себя внимание тот факт, что выбранный конструктором вид ПМ не является лучшим ни по одному из показателей рассматриваемых свойств. Однако сделанный вывод подтверждает правильность первоначального выбора, поскольку другие ПМ, являясь лучшими по отдельным показателям свойств, оказываются неудовлетворительными по наиболее приоритетным из них. Определив вид ПМ, остается сделать уточняющий анализ для определения марки УПС (Приложение 11).
Сокращение номенклатуры (типизация) ПМ касается в основном сборочных единиц и направлено на упрощение ТПП и функционирования ТП изготовления изделия. Помимо экономии трудовых, энергетических и капитальных ресурсов типизация обеспечивает снижение материалоемкости изделия – одного из важнейших показателей технологичности его конструкции.
При отработке технологической рациональности сборочных единиц имеют место также такие приемы, как обеспечение достаточных подходов для сборки-разборки при монтажных работах и эксплуатационном обслуживании, применение компенсаторов вместо достижения высокой точности и взаимозаменяемости сопрягаемых при сборке деталей, ориентация на определенный метод сборки, что сокращает число ТО со всеми вытекающими организационными и технико-экономическими последствиями для конкретного производства.
Отработка технологической рациональности конструкции изделия в соответствии с выбранным способом производства – заключительный этап совершенствования производственной технологичности изделия, которому посвящено большое количество справочной и учебной литературы /15,16,18,20,24/. Основная задача – скорректировать конструкцию объекта производства (внешние обводы для всех полимерных изделий и внутреннюю конструкцию ПКМ для изделий, прежде всего, выполненных из АП) с учетом процессов, сопровождающих формование изделия конкретным технологическим способом. Например, это необходимо для обеспечения равномерности нагрева и охлаждения, оптимизации течения и усадки, регулирования кристаллообразования и отверждения ПМ. Поскольку конструкции изделий и способы их изготовления из пластмасс и АП существенно отличаются, целесообразно рассмотреть принципы отработки их технологической рациональности отдельно.
Технологическая рационализация конструкций пластмассовых деталей сводится по существу к рационализации их конфигурации. При этом комплекс требований к форме изделия обусловлен стремлением оптимизировать заполнение формующего инструмента расплавом ПМ и обеспечить беспрепятственное извлечение из него готовой детали, а также предотвратить ее коробления при последующем хранении и использовании. Оптимизация заполнения обеспечивается:
- допустимыми размерными соотношениями между длиной h (высотой, глубиной в мм) и толщиной (S, мм) стенок деталей, например, для изделий из отверждающихся ПМ согласно уравнению:
Smin = 2h / (L – 20) + 1 / lg ak
и для деталей из термопластов:
Smin = 0,8 (³√ h – 2,1),
где L – текучесть по Рашигу, мм; ак – ударная вязкость ПМ, кДж/ м²;
- радиусами закруглений, величина которых зависит от толщины стенок и вязкости расплавов ПМ, меняясь в диапазоне от 0,5 до 3 мм и более;
- выполнением комплекса требований к конфигурации резьб, тиснений, накаток, рифлений и другим конструктивным элементам пластмассовых деталей.
Для упрощения извлекаемости деталей из формующих инструментов требуется:
- избегать поднутрений, выступов, боковых отверстий, знаков, чтобы иметь возможность использовать более надежные и дешевые неразъемные формы без выдвижных знаков и других усложняющих элементов;
- предусматривать технологические уклоны по высоте детали, причем на внутренних поверхностях больше (30´, 1º, 2º), чем на внешних (15´, 30´, 1º);
- избегать разнотолщинности стенок, причем при наличии конструктивных соображений она не должна превышать при прессовании соотношения 2 : 1, при литье реактопластов 5: 1, а при литье термопластов 1,5 : 1 (максимум 2 : 1);
- применять рациональные схемы сопряжения стенок и оформления стандартных элементов пластмассовых деталей (см. табл. 2. 15).
Для предотвращения коробления готовых деталей рекомендуется:
- предусматривать систему монолитных ребер жесткости с рациональной (сбалансированной по отношению к остаточным напряжениям) схемой и определенным соотношением размеров;
- заменить плоские поверхности (особенно для днищ и крышек) на вогнутые (выпуклые);
- использовать сбалансированную схему подведения литников к поверхности пластмассовой детали;
- обеспечивать стандартные размеры металлической арматуры и схемы ее фиксации технологическими знаками, а также минимальную толщину слоя пластмассы вокруг нее.
К сказанному об отработке технологической рациональности конструкции пластмассовых деталей следует добавить правила обеспечения квалитетов для их размеров (см. раздел 1.3.5).
Технологическая рационализация конструкции изделий из АП имеет некоторые обшие принципы с обеспечением производственной технологичности изделий из пластмасс, когда речь идет о внешней конфигурации. Определенные отличия в этом случае проявляются под влиянием масштабного фактора (см. п. 1.2.2.2), волокнистой структуры наполнителя и технологических особенностей переработки АП. Например /33/, требования по обеспечению технологичности изделий, изготавливаемых намоткой АП, предписывают меры, аналогичные пластмассовым конструкциям изделий:
- избегать острых кромок и углов, резких переходов от одной части изделия к другой (предотвращая в данном случае поломку армирующих волокон);
- упрощать поднутрения и выступы на внутренней поверхности изделий, а по возможности избегать их, чтобы не усложнять оснастку (оправки) для намотки;
- стремиться избегать отверстий, а при их неизбежности отдавать предпочтение ромбической форме, обусловленной направлениями укладки армирующих волокон;
- при проектировании круглых отверстий предусматривать окантовку краев слоями АП, например, препрегом на основе стеклоткани.
Принципиально отличительной особенностью технологической рационализации таких конструкций является увязка «внутренней» конструкции композиционного АП с факторами внешнего воздействия (механическими, тепловыми, звуковыми и др.) на изделие в процессе его изготовления и эксплуатации. Наиболее употребимы 4 разновидности такой увязки – обеспечение формоустойчивости конструкции изделия, согласование анизотропии его свойств с векторами внешнего поля воздействия, регулирование свойств по сечению изделия и максимальная реализация механических и других свойств армирующих элементов (волокон, нитей, жгутов и др.) в составе АП, образующего конструкцию изделия.
Формоустойчивость конструкции изделия (устойчивость к короблению, поводкам, искажению геометрической формы) рекомендуется обеспечивать, помимо использования основных конструктивных приемов в виде ребер жесткости и 3-х-слойных конструкций, технологическими способами балансировки схемы армирования АП. Это особенно важно в производстве изделий с большими плоскими поверхностями (щитов, панелей, поддонов и т.п.), изготавливаемых из пакетов листовых заготовок (раскроя препрегов, тканых полуфабрикатов и т.п.). Формоустойчивость таких конструкций зависит от способности сопротивляться действию остаточных напряжений, возникающих в АП в ходе формования изделия под действием механических, термических, усадочных, диффузионных и других факторов. Например, при использовании 5-ти-слойного пакета листовых заготовок сбалансировать действие остаточных напряжений удается, используя симметричную схему укладки армирующих волокон под углами: 0º - 45º - 90º - 45º - 0º.
Согласование анизотропии свойств изделия из АП с векторами внешнего поля нагружения зависит не только от наличия прецизионных видов оборудования, например, намоточных установок. Для решения данной задачи нередко приходится увязывать схему армирования изделия с возможностями модификации выбранного способа его изготовления, в частности, сочетать намотку и выкладку, пултрузию (обеспечивающую продольное армирование) и намотку (обеспечивающую поперечную, спиральную и комбинированные схемы армирования). В результате возможности для реализации ТТ к качеству изделий из АП значительно расширяются.
Технологическое обеспечение равномерности состава, структуры и свойств изделий из АП нередко становится проблематичным из-за разнотолщинности элементов изделия. Попытки решить проблему, выкладывая дополнительные слои препрега, не всегда приводят к успеху. Подобный случай показан на рис. 2.5, где изображена лопатка вентилятора, замковая (крепежная) часть которой конически расходится от основания тонкой перовой (рабочей) части. Такую конструкцию, заимствованную у металлического прототипа лопатки, невозможно сформировать из пакета цельных листовых заготовок и приходится делать вставки (штриховые линии), нарушающие непрерывность армирования, то есть ослабляющие АП.
Технологическая рационализация конструкции замковой части лопатки может быть выражена в отказе от традиционной конической формы сечения в пользу цилиндрической формы, позволяющей формировать заготовку лопатки (заодно целое перовую и замковую ее части) из непрерывных листовых заготовок, обеспечивая необходимую равномерность состава и армирующей структуры АП.
Технологическое обеспечение максимальной реализации механических свойств АП при изготовлении изделий было подробно рассмотрено выше (см. п. 1.2.2.3), а в плане достижения того же эффекта технологической рационализацией конструкции изделия может быть проиллюстрировано на том же примере вентиляторной лопатки.
Известно, что наибольшую отдачу (максимальные коэффициенты реализации механических свойств) армирующие волокна обеспечивают при фиксированном натяжении в ходе формирования заготовок изделия, например, при намотке. Очевидно, что конструкция лопатки с цилиндрической замковой частью идеально обеспечивает такую возможность, если формировать заготовку срезу для двух лопаток (рис. 2.6).
Рис. 2.5. Пример технологической рационали- Рис. 2.6. Принципиальные схемы на-
зации конструкции замковой части вентилятор- мотанной заготовки (а) и отформован-
ной лопатки из АП. ного сдвоенного изделия (б) до разре-
зания на отдельные лопатки.
Окончательное формование нужной конфигурации данного изделия может быть достигнуто при прессовании полученной заготовки с последующим разрезанием на два готовых изделия по разделительной линии на рис 2.6 (б).
Таким образом, на основе рассмотренных примеров логичен вывод о том, что технологическая рационализация конструкции изделия способна не только повышать эффективность использования АП (совершенствовать качество продукции), но и обеспечивать проектирование ТП изготовления изделий на более совершенном уровне, предопределяя повышение основных технико-экономических показателей производства.