Главная  //  Теория  //  Теория сложности  //  Определение конструктивно-технологической сложности машиностроительного изделия

В настоящее время существует необходимость определения показателя, позволяющего описать производственную номенклатуру машиностроительного предприятия и каждого конкретного ее представителя на основе параметров, непосредственно характеризующих машиностроительное изделие, его структуру и свойства. Такой показатель получил название конструктивно-технологической сложности машиностроительного изделия.

 

В общем случае конструктивно-технологическая сложность (КТС) машиностроительного изделия представляет собой неотъемлемое его свойство, учитывающее геометрические, структурные и субстантные свойства изделия и его структурных составляющих, а также предъявляемые к ним конструкторские и технологические требования в соответствии с существующим уровнем развития производительных сил.

Конструктивно-технологическая сложность может рассматриваться как мера затрат ресурсов на реализацию различных этапов жизненного цикла машиностроительного изделия.

Технологическим переделом будем называть совокупность технологических операций в машиностроительном производстве, характеризующуюся определенным сходством применяемых технологических способов обработки.
В таком случае конструктивно-технологическая сложность детали–сборочной единицы (ДСЕ) определяется как функция, аддитивная относительно конструктивно-технологической сложности непосредственно входящих в неё деталей–сборочных единиц и применяемых к ней технологических переделов:

где: m - количество ДСЕ, непосредственно входящих в данную ДСЕ;   - конструктивно-технологическая сложность j-ой ДСЕ нижнего уровня; n - количество технологических переделов, применяемых к ДСЕ;   - конструктивно-технологическая сложность, соответствующая i-му технологическому переделу, применяемому к конкретной ДСЕ.

Функция является рекурсивной и должна применяться в соответствии с иерархической структурой машиностроительного изделия, причем изделие является ДСЕ самого верхнего уровня, т.е. корнем дерева структуры изделия.

Конструктивно-технологическая сложность изготовления ДСЕ, являющейся терминальной вершиной дерева структуры, соответственно детали, определяется как функция:

Очевидно, что расчет конструктивно-технологической сложности, соответствующей конкретному технологическому переделу, должен производиться с использованием математической модели, разрабатываемой индивидуально для каждого передела. Для определения сложности технологического передела используется декомпозиция сущности (в данном случае передела) на отдельные сущности более низкого порядка (элементы).

В общем случае будем рассматривать m технологических переделов  , применяемых в машиностроительном производстве. Таким образом, существует множество технологических переделов  T={Tj|j=1,2,...,n}, охватывающее все технологические переделы, применяемые в машиностроении.
Для каждого передела определяет множество допустимых элементов Ei , относящихся к данному переделу, ETj={Ei|i=1,2,...,n} . Каждый элемент также относится к определенному классу элементов Gj , составляющих некоторое множество  G={Gj|j=1,2,...,l}. Каждый элемент Ei может быть отнесен только к одному из рассматриваемых классов  Gj.
Для каждого класса элементов определяется некоторое множество элементов BGj={bh|h=1,2,...,r} , обеспечивающих порождение всех допустимых элементов данного класса  EGj={El|l=1,2,...,s}, где EGj с ETj. Таким образом, элементы, относящиеся к множеству BGj , называются порождающими элементами класса  Gj. Элементы Ei , относящиеся к множеству ETj , называются, соответственно, порожденными элементами.
Каждый элемент Ei характеризуется некоторой совокупностью параметров PEi={PEij|j=1,2,...p} , где  PEi с P. Каждый из параметров характеризуется некоторым множеством значений  Pz={pz}, мощность которого специфична для каждого конкретного параметра.
При анализе технологического передела, применяемого к конкретной ДСЕ, выделяются элементы, соответствующие порожденным элементам  Ei, относящимся к данному технологическому переделу.
Конструктивно-технологическая сложность технологического передела определяется в виде аддитивной функции, учитывающей сложности выделенных для конкретной ДСЕ элементов (Рисунок 1), относящихся к данному переделу:

где Cп – конструктивно-технологическая сложность технологического передела, применяемого к ДСЕ; l – число классов элементов технологического передела;  qi – нормирующий коэффициент; s – количество порожденных элементов в j-м классе; ni – количество однотипных элементов, соответствующих i-му порожденному элементу; CEk – сложность k-го элемента, соответствующего i-му порожденному элементу.


Рисунок 1 – Схема формирования показателя конструктивно-технологической сложности технологического передела

Конструктивно-технологическая сложность элемента определяется в виде функциональной зависимости, учитывающей параметры элемента и соответствующего изделия:

где,  PEi – множество параметров, характеризующих элемент Ei ; PДСЕ – множество параметров, характеризующих конкретную деталь–сборочную единицу, относительно которой рассматривается элемент; P – множество параметров, характеризующих машиностроительное изделие.
Конструктивно-технологическая сложность элемента может определяться для некоторых переделов как сложность связи между двумя элементами или ДСЕ.
Функция сложности для элемента, относящегося к некоторому технологическому переделу, должна рассматриваться как мультипликативная функция относительно ряда показателей, учитывающих конструкторско-технологические признаки элемента, детали–сборочной единицы и собственно изделия, представленные их параметрами PEi , PДСЕ , P.
Таким образом:

где,  Ki – i-й показатель; n – общее количество коэффициентов, определенных для данного технологического передела.
В настоящее время механическая обработка является одним из основных способов изготовления машиностроительных деталей с целью получения необходимой геометрической формы и обеспечения требуемых точности и качества поверхности в соответствии с предъявляемыми конструкторско-технологических требованиями.

Как было отмечено выше, расчет конструктивно-технологической сложности, соответствующей конкретному технологическому переделу, должен производиться с использованием математической модели, разрабатываемой индивидуально для каждого передела в соответствии с существующей спецификой и технологией его реализации.

Применительно к технологическому переделу «механическая обработка» используется модель, в основу которой положена декомпозиция детали на элементарные поверхности, получившие название конструктивно-технологических элементов.

Конструктивно-технологический элемент представляет собой элементарную поверхность, которая характеризуется, с одной стороны, определенной геометрической формой, т.е. способом формирования, с другой стороны, конструкторско-технологическими параметрами, однозначно определяющими данный элемент.

Анализ номенклатуры деталей, изготавливаемых на машиностроительных предприятиях, выявил значительное многообразие конструктивно-технологических элементов и способов их получения.

В соответствии с предложенной моделью конструктивно-технологической сложности определено множество классов конструктивно-технологических элементов G={Gi|i=1,2,...,l}, где l=6 , таким образом, что  G1=«Плоскости»,   G2=«Контуры»,   G3=«Уступы»,   G4=«Пазы»,   G5=«Отверстия»,   G6=«Фасонные поверхности».

Порождающими элементами класса конструктивно-технологических элементов Gj называется некоторое множество элементов BGj={bh|h=1,2,...,r} , являющихся носителями характерных конструктивных и технологических признаков данного класса и обеспечивающих порождение всех допустимых элементов данного класса EGj={El|l=1,2,...,s}.

Таким образом, для описания совокупности всех возможных конструктивно-технологических элементов в каждом классе определено множество порождающих элементов таким образом, что BG1={Плоскость открытая}, BG2={Контур линейный}, BG3={Уступ прямой открытый}, BG4={Паз прямоугольный открытый}, BG5={Открытое цилиндрическое отверстие}, BG6={Плоская фасонная поверхность, Наклонная фасонная поверхность}. Порождающий элемент «Плоскость открытая» определен как базовый элемент модели технологического передела «механическая обработка».

Каждому порождающему конструктивно-технологическому элементу приводится в соответствие нормативный технологический метод его изготовления, соответствующий существующему уровню развития производительных сил. Порождающему элементу «Плоскость открытая» (Рисунок 2), относящемуся к классу «Плоскости», в качестве нормативного метода изготовления приводится в соответствие фрезерование концевой фрезой.

Порождаемые конструктивно-технологические элементы формируются путем модификации геометрических, технологических и конструктивных характеристик, в частности, за счет изменения формы образующего профиля, либо комбинации нескольких базовых элементов. Они оставляют исходное множество элементов ET={Ei|i=1,2,...n}, непосредственно используемых для формирования информационной модели обрабатываемой детали. В настоящее время мощность множества достигает нескольких десятков элементов (Рисунок 3), новые элементы могут вводиться по мере возникновения необходимости в соответствии с определенными правилами.

Поскольку каждый элемент Ei характеризуется некоторой совокупностью параметров PEi={PEij|j=1,2,...,p}, для технологического передела «механическая обработка» выделяется множества конструктивных PkEi={PkEil|l=1,2,...m} и технологических PtEi={PtEil|l=1,2,...n} параметров, где  PkEiuPtEi=PEi.
В рамках рассматриваемой модели важным показателем является нормативное время обработки порождающих конструктивно-технологических элементов. Для класса «Плоскости» в качестве порождающего определен конструктивно-технологический элемент «Плоскость открытая».


Рисунок 2 – Порождающий конструктивно-технологический элемент «Плоскость открытая»

В результате анализа представителей номенклатуры изготавливаемых машиностроительных деталей для конструктивно-технологического элемента «Плоскость открытая» определено множество параметров элемента   и их типовые значения (Таблица 1).

Таблица 1 – Типовые значения параметров порождающего элемента «Плоскость открытая»

I

Наименование параметра PEi

Значение параметра

1

Длина L, мм

100

2

Ширина, B

100

3

Шероховатость Ra, мкм

6,3

4

Квалитет , JT

14

Время обработки элемента рассчитывается по известной формуле: Tб=tM=(L0•i)/(Sz•z•n) . Для расчета по предложенной формуле использованы определенные значения технологических параметров (Таблица 2), в соответствии с которыми нормативное время обработки   составляет 5,48 мин.

Таблица 2 – Нормативные значения технологических параметров изготовления порождающего элемента «Плоскость открытая»

 

Наименование параметра

Значение параметра

Длина обработки L0, мм

500

Количество проходов i

1

Число оборотов фрезы, об/мин

152

Подача инструмента на один зуб Sz, мм/зуб

0,1

Число зубьев фрезы

6

Материал

Сталь 45

 


Рисунок 3 – Конструктивно-технологические элементы, относящиеся к технологическому переделу «механическая обработка»

Функция сложности (4) для элемента, который относится к технологическому переделу «механическая обработка», определяется как мультипликативная функция относительно ряда показателей, учитывающих конструкторско-технологические признаки конструктивно-технологического элемента и детали–сборочной единицы:

CE = KMKsKTKpKCTP
где: KM – показатель, учитывающий размеры элемента; Ks – показатель, учитывающий вид заготовки; KT – показатель, учитывающий материал элемента; Kp – показатель, учитывающий требования к точности; KCTP – структурно-параметрический показатель сложности.

Показатели, определяющие сложность конструктивно-технологического элемента, определяются как относительные величины, т.е. отношения значений соответствующих параметров.

Показатель KP , учитывающий размеры элемента, представляет собой функцию, зависящую от конструктивных параметров элемента:

KP = f(PkE)

Для элемента «Плоскость открытая»  KP рассчитывается по формуле

где:  L длина обработки для данного конструктивно-технологического элемента, L, В – соответственно, длина и ширина обрабатываемой поверхности.

Показатель заготовки Кз представляет собой отношение Кз=t/(t0 Kп) , где t , t0 – глубина резания для обрабатываемого конструктивно-технологического элемента и ее нормативное значение; Kп – коэффициент качества поверхности заготовки. Коэффициент зависит от наибольшего габаритного размера заготовки   (Таблица 3).

Таблица 3 – Показатель, учитывающий вид заготовки

№ п.п.

Вид заготовки

Расчетная формула

1

Предварительно обработанная

Kз=0,967· B0,04

2

Горячекованная

Kз=1,079·B0,04

3

Штампованная

Kз=1,211·B0,04

4

Литая

Kз=1,615·B0,04

Показатель KM , учитывающий материал элемента, представляет собой отношение KM=v/v0 (Таблица 4), где v , v0 – скорости резания для обрабатываемого материала и материала сталь 45 соответственно.

п\п

Наименование

Км

1

30

0,91

2

45

1,00

3

А12

0,45

4

У7

1,25

5

У8

1,25

6

38ХА

1,49

7

40Х

1,49

8

03Х12Н10МТ

0,83

9

03Х26Н6Т

1,25

10

28Х3СНМВФА

2,27

11

30Х2ГСН2ВМ

2,27

12

СЧ10

0,69

13

СЧ15

0,69

14

АК5М2-Т5

1,25

15

АК5М2-Т8

1,25

16

МА5

0,90

17

20Х3МВФ

0,71

18

20Х3МВФ-Ш

0,71

19

ХН38ВТ

2,22

20

ВТ6

4,00

Показатель KT , учитывающий требования к точности, определяется как отношение KT=s/s0 , где s , s0 – значения подачи для обрабатываемого конструктивно-технологического элемента и ее нормативное значение. Показатель для класса «Плоскости» определяется с использованием зависимостей, учитывающих требования к качеству поверхности и точности размеров.

KT=KRa·KJT

Структурно-параметрический показатель сложности  KCTP представляет собой мультипликативную функцию:

KCTP = Кфэ·Кфд·Крэ·Кж

где: Кфэ – коэффициент формы элемента; Кфд – коэффициент формы детали; Крэ – коэффициент расположения элемента; Кж – коэффициент жесткости элемента.

Таким образом, конструктивно-технологическая сложность технологического передела «механическая обработка», применяемого к детали–сборочной единице, определяется, в соответствии с (3) и (10), с использованием формулы:

где  Сп(мо) – конструктивно-технологическая сложность технологического передела «механическая обработка»; l – число классов элементов технологического передела; qi – нормирующий коэффициент; s – количество порожденных элементов в j-м классе; ni – количество однотипных элементов, соответствующих i-му порожденному элементу.

Коэффициент qj нормирует полученные значения сложности элементов, обеспечивая их однородность:

qj=Tj/T0

где  Tj – трудоемкость обработки порождающего конструктивно-технологического элемента j-го класса элементов; T0 – трудоемкость обработки базового элемента модели, в качестве которого выбран элемент «Плоскость открытая», таким образом   = 5,48 мин.

Предложенная обобщенная модель оценки конструктивно-технологической сложности позволяет обеспечить формирование моделей, необходимых для определения сложности других технологических переделов, таких как, например, «слесарно-сборочные работы», «штамповочные работы» и т.д.

Применение показателя конструктивно-технологической сложности машиностроительного изделия позволяет решать целый ряд задач, возникающих на различных этапах жизненного цикла изделия, в частности, обеспечить оценку трудоемкости основных этапов и величины затрат на их реализацию.

Список использованных источников

  1. Ю. С. Шарин, Б. А. Якимович, В. Г. Толмачев, А. И. Коршунов. Теория сложности. – Ижевск: Издательство ИжГТУ, 1999 – 132 с.
  2. Коршунов А.И., Якимович Б.А. Разработка элементов информационной системы машиностроительного предприятия с использованием показателя конструктивно-технологической сложности. // Информационные технологии. – 2004. – № 6. – С. 33-40.
  3. Цветков В.Д. Система автоматизации проектирования технологических процессов. – М.: Машиностроение,1972. – 240 с.
  4. Якимович Б.А. Анализ эффективности и совершенствование переналаживаемых производственных систем машиностроения. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. – Ижевск, 1994. – 333 c.
  5. Шарин Ю.С., Поморцева Т.Ю. Теория сложности и ее использование в машиностроении. – Екатеринбург: Свердловский ЦНТИ, 1995. – 237 с.
  6. Коршунов А.И. Создание автоматизированной системы определения прогнозной трудоемкости изготовления деталей корпусного типа. / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ижевск, 1998. – 180 с.
  7. Якимович Б.А., Коршунов А.И. Определение прогнозной трудоемкости изготовления корпусных деталей в условиях автоматизированного производства. // Вестник машиностроения. – 1996. – № 8 – С. 41-45.