Оптимизация параметров системы инструментального обеспечения автоматизированных станочных систем в единичном и мелкосерийном производстве

В настоящее время обработка резанием остается одним из основных и наиболее предпочтительным методом формообразования деталей, несмотря на значительный прогресс в развитии таких альтернативных методов, как точное литье, штамповка и электрофизическая обработка. Основными целями обработки резанием, как и прежде, является изготовление с заданной производительностью деталей требуемого качества из выбранных конструктором материалов при минимально возможных производственных затратах. В зависимости от этих требований разрабатывается технологический процесс обработки, выбирается оборудование и режущий инструмент.

Важнейшей задачей в металлообрабатывающей промышленности является обеспечение опережающего выпуска металлорежущих станков с числовым программным управлением (ЧПУ), многоцелевых станков, роторно-конвейерных и других автоматических линий и увеличение производства автоматизированных роботизированных комплексов, автоматизированных станочных систем (АСС).

АСС представляют собой качественно новый уровень технического оснащения и организации производственных процессов, определяемый наличием не только высокоавтоматизированного основного технологического оборудования, но и таких элементов, как автоматизированное транспортно-накопительное оборудование, контрольно-измерительная и диагностическая аппаратура и оборудование, средства вычислительной техники, непосредственно участвующие в производственном процессе и обеспечивающие автоматизацию функций технологического, организационно-технического и организационно-экономического управления процессами изготовления продукции.

Для сокращения сроков и повышения эффективности подготовки производства и проектирования технологических процессов применяются автоматизированные системы управления различного типа на базе ЭВМ, а также программирование обработки деталей на металлорежущих станках с ЧПУ.

Наряду с предельным упрощением и ускорением подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ на основе современных информационных технологий появилась возможность значительно упростить обслуживание станков, конструктивная сложность которых неуклонно возрастает. Для них в наибольшей степени подходят УЧПУ с открытой архитектурой, представляющие собой интегрированные с ПЭВМ устройства, допускающие режим свободного обмена информацией в реальном масштабе времени, в том числе и через Интернет. При таком режиме вследствие оперативного устранения неисправностей путем диалога с центром управления оптимизируется загрузка оборудования, и резко сокращаются, а в отдельных случаях ликвидируются его простои. Этот диалог может происходить как визуально (с помощью видеокамеры), так и через локальную сеть.

В современном механообрабатывающем производстве все более широкое применение находит дорогостоящее автоматизированное станочное оборудование с микропроцессорным управлением. Эксплуатация такого оборудования характеризуется резким ростом стоимости станко-минуты, ужесточением условий работы режущего инструмента, увеличением расхода инструмента на единицу выпускаемой продукции, составляющего по затратам 5-И0% общих затрат на обработку резанием.

Важным фактором повышения эффективности производства является режущий инструмент, доля которого в себестоимости металлообработки, с одной стороны, редко превышает 5%, но от выбора которого, с другой, существенно, зависят показатели технологического процесса.

В этой связи, совершенствование режущего инструмента по-прежнему является актуальной задачей, над которой работают инструментальные фирмы во всем мире.

Основными путями в этом направлении являются:

— создание новых и совершенствование известных инструментальных материалов;

— наиболее полное использование возможностей износостойких инструментальных материалов;

— расширение областей применения высокопроизводительных материалов за счет менее производительных;

— расширение размерного ряда инструментов как в область больших, так и в область малых размеров;

— разработка конструкций многолезвийного инструмента с увеличенным числом одновременно работающих кромок;

— увеличение доли комбинированных инструментов;

— внедрение централизованных систем идентификации и управления инструментальным хозяйством на базе ЭВМ.

Одним из наиболее важных показателей эксплуатации режущего инструмента является работоспособность. Работоспособность режущего инструмента — это такое его состояние, при котором он способен выполнять свои функции, имея износ рабочих поверхностей, меньший критического значения. Критерий отказа (затупления) определяет факт возникновения отказа инструмента — события, заключающегося в нарушении его работоспособности. Критерии отказа инструмента определяются заданными ограничениями (качественно — точностные показатели деталей, полное затупление инструмента и т. д.). Надежность инструментаэто его свойство, заключающееся в том, что он непрерывно в течение заданного времени сохраняет работоспособность. Объективным фактором, определяющим надежность инструмента, является вероятность его безотказной работы, что предопределяет необходимость установления законов и параметров распределения времени наработки инструмента на отказ (стойкость). Отказ инструмента может быть внезапным (микрохрупкое или вязкое разрушение режущей части инструмента), постепенным (нормальное изнашивание контактных площадок инструмента) и полным (полное затупление инструмента). Достаточно полно характеризовать работоспособность инструмента могут такие параметры, как среднее значение стойкости и коэффициент ее вариации.

Работоспособность инструмента определяется сложными, случайными процессами контактного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов. Взаимодействие сопровождается активными физико-химическими процессами (граничная адгезия, когезия, коррозия и окисление), характеризуется большими контактными напряжениями и температурами, разупрочнением и упрочнением локальных объемов материала, приводящими к микро — и макроразрушению контактных площадок инструмента. Факторы, влияющие на процессы контактного взаимодействия, оказывают влияние на работоспособность инструмента. К ним относятся условия контактирования (непрерывное, прерывистое), режимы обработки, геометрические параметры инструмента, свойства инструментального и обрабатываемого материалов.

Наибольшее влияние на работоспособность инструмента, а, следовательно, на эффективность обработки резанием оказывают свойства инструментального материала.

Стоимость изготовления детали, как известно, во многом зависит от стоимости и стойкости режущего инструмента и методов контроля качества обработки. Для режущих инструментов характерно внедрение круглых или квадратных неперетачиваемых пластин с числом режущих кромок до 8, причем во фрезах и сверлах вместо цельных твердосплавных режущих частей используются сменные и взаимозаменяемые. Однако цельные твердосплавные фрезы с покрытиями типа PVD-CVD приобретают все большее значение при высокоскоростной обработке, в том числе без смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ) или с ее уменьшенным количеством. Все большее применение находят цельные твердосплавные сверла, снабженные центральным отверстием для СОЖ и выполненные из двух сортов твердого сплава — сравнительно вязкого в центре сверла и высокопрочного по его периферии.

На технологические возможности и эффективность функционирования АСС существенное влияние оказывает система инструментального обеспечения (СИО). Взаимовлияние СИО и производственной среды АСС показано на рис. 1.

На заготовку в процессе ее формообразования воздействует поток инструментов под непосредственным влиянием потока информации (в реальном масштабе времени).

Производственная среда 4.

Рис. 1. Взаимосвязь СИО АСС и производственной среды.

Системы инструментального обеспечения (СИО) предполагают наличие условных структурных единиц, каждая из которых представляет набор технических, программных и информационных средств определенного функционального назначения. Структура СИО определяется типом производства, структурами базовых технологических процессов, наличием соответствующей измерительной техники, программного обеспечения и состоит в общем виде из следующих условных структурных единиц: набора физических носителей режущего инструментанабора управляющих программинформационного обеспечения выбора инструментасистемы оперативного проектирования инструмента и инструментальных наладоксистемы учета наличия и планирования поставок инструментасистемы транспортных инструментальных потоковустройств настройки инструмента на размердиагностических систем контроля состояния режущих инструментов, способных прогнозировать период его стойкости и фиксировать момент предельного износа и остаточный период стойкостиавтоматизированных систем смены инструментаучастков реставрации инструмента и т. д.

Общая структура СИО должна также содержать систему оценки эффективности использования инструмента на базе определенных технико-экономических показателей. И главное — структура СИО должна быть гибкой, легко приспосабливаемой к существующим структурам технологических систем и базовым технологическим процессам реального производства.

Для обеспечения высокой эффективности проектных и исследовательских работ по СИО требуется комплексный подход к решению указанных проблем с учетом тенденций развития АСС. Это предполагает разработку и внедрение типовых схем СИО для различных условий эксплуатации, что резко сократит номенклатуру устройств, составляющих СИО, и позволит организовать их центральное производство. Оптимизация параметров работы СИО позволит повысить при необходимости уровень автоматизации действующих АСС с минимальными затратами.

Диссертационная работа представлена в виде теоретического обобщения решения задачи, имеющей научное и практическое значение.

Научная новизна исследования заключается в разработке функциональной модели работы СИО АСС, методики оптимизации параметров структуры и работы СИО, что приведет в дальнейшем к повышению эффективности функционирования АСС на основе формирования системы инструментального обеспечения с учетом особенностей АСС.

Практическая ценность данной диссертационной работы заключается:

— в разработке методики и алгоритма выбора элементов СИО, позволяющих обеспечить единый подход к выбору технических характеристик оборудования, установить связи между конкретными объектами производства и элементами СИО и оценить техническую совместимость различных компонент (например, изготовленных различными производителями) и иерархических уровней СИО на этапе проектирования РИ;

— в разработке экспертной системы выбора РИ с его одновременной конструктивной, технологической и экономической интеграцией в рамках единой системы обеспечения.

Положения, выносимые на защиту:

— функциональная модель СИО;

— методика и алгоритм выбора оптимальных решений СИО.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Эффективность деятельности современных промышленных предприятий — а это сложные организационно-технические системы — напрямую зависит от эффективности управления всеми производственными процессами и тем, что с этими процессами связано: информационными и материальными потоками на всех стадиях выполнения заказа.

Качество и эффективность технологии управления информационными потоками — основа выживания и экономического развития предприятий, определяющая их способность быстро адаптироваться к изменяющимся внешним условиям.

Научные результаты работы позволяют сделать следующие выводы:

1. Выявлена структура взаимосвязей потоков информации на этапах технологической подготовки производства и сформулированы требования к созданию системы инструментального обеспечения.

2. Обоснованы идеология и основные этапы построения функциональной модели СИО.

3. Определена количественная зависимость критерия оптимальности функционирования системы инструментообеспечения от уровня автоматизации АСС и варианта организации СИО.

4. Обосновано решение оптимальных задач технологического и организационного характера по определению основных функций инструментообеспечения, состава и количества технических и программных средств СИО.

5. Решена задача нахождения компонентов АСИО, таких, чтобы получить минимальную себестоимость режущего инструмента при заданной производительности.