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 = KM•Ks•KT•Kp•KCTP
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