Содержание к диссертации
Введение
1. Автоматизация технологической подготовки производства поковок, современные тенденции и проблемы 9
1.1. Основные направления совершенствования технологических процессов объемной штамповки 9
1.2. Методические подходы к технологической подготовке производства поковок 12
1.3. Структурная и параметрическая оптимизация процессов формообразования поковок, проблемы автоматизации проектирования 18
1.4. Экспертные системы в проектировании технологий 22
1.5. Постановка задач исследования 26
2. Разработка структурно-функциональных моделей и моделирование расхода ресурсов в технологической системе производства машиностроительных заготовок 28
2.1. Системная модель производства и потребления металла 28
2.2. Структурно-функциональные модели технологической системы производства заготовок для машиностроения 35
2.3. Моделирование расхода металла в типовых технологических структурах его производства и обработки 39
3. Целеполагание и критерии оценки эффективности технологических процессов производства машиностроительных заготовок штамповкой 57
3.1. Иерархия целей системного проектирования технологических процессов объемной штамповки 57
3.2. Критерии совершенства технологических процессов объемной обработки металлов давлением 63
3.3. Комплексный критерий оценки эффективности объемной штамповки77
4. Разработка автоматизированной системы проектирования ресурсосберегающих технологических процессов объемной штамповки 83
4.1. Основные положения системного подхода к проектированию технологических процессов 83
4.1.1. Иерархическая модель структуры системы объемной штамповки 85
4.2. Системная модель проектирования технологии объемной штамповки 87
4.3. Создание базы знаний для выбора рациональной У ТС и вида технологии объемной штамповки 92
4.4. Выбор рациональной структуры операций 103
4.5. Структуры переходов формообразующих операций объемной штамповки 115
4.5.1. Имитационное моделирование деформирования заготовок при объемной штамповке, выбор рациональных форм заготовок на переходах 121
4.5.2. Автоматизация выбора рациональных заготовок 125
4.5.3. определение параметров предварительного перехода для малоотходной штамповки круглых поковок 132
Основные результаты и выводы 140
Литература 142
- Основные направления совершенствования технологических процессов объемной штамповки
- Моделирование расхода металла в типовых технологических структурах его производства и обработки
- Иерархия целей системного проектирования технологических процессов объемной штамповки
- Системная модель проектирования технологии объемной штамповки
Основные направления совершенствования технологических процессов объемной штамповки
Современный этап развития техники, технологии, в том числе и в кузнечно-штамповочном производстве, характеризуется глубокими качественными изменениями, обусловленными рядом факторов. Один из них - завершившийся переход экономики страны и, соответственно, ее промышленности, от методов командно-административного управления к регулируемой рыночной системе. В связи с этим значительно изменились и усложнились требования, предъявляемые к машиностроительному производству и технологическим процессам производства поковок как его части. В современных условиях эффективным становится серийное и мелкосерийное быстропереналаживаемое гибкое производство. Его конкурентоспособность достигается за счет возможности быстрого выполнения различных заказов.
Другая особенность развития кузнечно-штамповочного производства на современном этапе обусловлена необходимостью снижения ресурсоемкости разрабатываемой технологии как с точки зрения снижения себестоимости продукции, так и с точки зрения экологии.
В настоящее время существенно возросла роль временного фактора. Показатель темпа научно-технического прогресса - экономический цикл жизни машин и технологий (ЭЦЖМиТ) - имеет ярко выраженную тенденцию к сокращению и составляет в промышленно развитых странах 6-10 лет, в то время как в нашем кузнечно-штамповочном производстве, по оценке [1], он превышает 20 лет. Соответствие ЭЦЖМиТ объективно действующим в мировой практике экономическим циклам является необходимым условием производства конкурентной продукции.
Складывающаяся под воздействием указанных факторов ситуация в промышленном производстве вызывает необходимость создания новых и совер шенствования используемых технологических процессов (ТІЇ) производства деталей машин, в том числе и поковок. Действующие технологии, спроектированные, как правило, только по экономическим критериям, имеют неприемлемые для нашего времени параметры вследствие того, что: расчет делается для партий в основном массового и крупносерийного производства, более мелкие партии не находят столь же рентабельной технологии; недостаточное внимание уделено снижению расхода как сырья, так и других ресурсов; отходы и потери, образующиеся в результате реализации традиционных технологий содержат, в той или иной степени, вредные ингредиенты, которые, по мере их накопления, могут привести к необратимым деструктивным процессам в экологической системе.
Несоответствие фактического состояния технологии требованиям научно-технического прогресса обуславливает потребность в новых концепциях повышения эффективности кузнечно-штамповочного производства. Становится невозможным отдельно чисто экономический, технический, экологический, организационный метод решения производственных проблем. Необходим переход от произвольно складывающихся технологий с бесперспективным исходом к системно проектируемым и управляемым технологиям, ориентированным на минимизацию ресурсопотребления, антропогенного воздействия на природу и на повышение общей эффективности.
Общая эффективность, в отличие от экономической эффективности, предполагает оптимизацию параметров технологии с учетом взаимодействия всех факторов технического, экономического, организационного, экологического.
Основы методов повышения эффективности технологических процессов производства поковок заложены трудами Л.Б. Аксенова, А.Э. Артеса, А.А. Богатова, К.Н. Богоявленского, A.M. Дмитриева, В.А. Евстратова, А.З. Журавлева, Е.И. Иса-ченкова, В.Л. Колмогорова, Е.Н. Ланского, Г.А. Навроцкого, А.Г. Овчинникова, ЯМ. Охрименко, Е.А. Попова, Г.П. Тетерина, В.А. Тюрина, Е.И. Семенова, И.Е. Сосенушкина, М.В. Сторожева, В.Г. Шибакова, М.С. Эдуардова и других ученых.
Из обобщения результатов исследований указанных ученых следует, что при проектировании новых и совершенствовании действующих ТП производства поковок должны достигаться результаты, обеспечивающие: получение продуктов (поковок, деталей), качество (точность, служебные и технологические свойства) которых отвечает мировым стандартам либо превосходит их; экологическую чистоту и безопасность производства; интенсификацию производства, высокий и устойчивый уровень выхода годной продукции; возможность эффективной реализации на автоматическом, в том числе программно-управляемом оборудовании; резкое снижение ресурсоемкости производства, удельных совокупных затрат (живого труда, металла, энергии, основных фондов, капиталовложений). Кроме того, должно быть обеспечено сокращение сроков разработки и внедрения технологических процессов в производство. Достижение указанных целей вызывает необходимость повышения качества подготовки производства поковок. В свою очередь, качество проектирования определяется методологией, т.е. последовательностью и содержанием процедур, составляющих процесс проектирования. П. Хилл в книге «Наука и искусство проектирования» характеризует методологию проектирования как особую науку, систематизирующую знания об основных этапах проектирования и их взаимосвязи. Превалирующее влияние этого фактора на уровень эффективности разрабатываемых технологических процессов подтверждается анализом причин дефектности технологических решений, проведенным в соответствующих службах ряда НИИ и предприятий (см. табл. 1.1) [3].
Моделирование расхода металла в типовых технологических структурах его производства и обработки
Одним из наиболее эффективных научных приемов системного подхода при исследовании альтернативных структур является системный анализ.
Системный анализ — это формальное рассмотрение альтернативных вариантов структуры системы и их количественное сравнение. Такие количественные сравнения альтернатив имеют несколько характерных особенностей: - строгость и надежность решения; - использование матричной алгебры; - возможность определения соотношений между комплексами переменных [57]. Используя разновидность системного анализа - системно-функциональный анализ, можно постоянно переходить от представления проблемы металлосбе-режения символьными методами к толкованию экономической сущности получаемых результатов. Методология системного анализа может быть представлена следующим образом: - формулировка проблемы; - определение целей; - сбор информации; - установление альтернатив, т.е. способов достижения поставленной цели; - исключение маловероятных альтернатив; - построение модели; - оценка эффективности каждой альтернативы с точки зрения поставленной цели (критерия); - исследование изменения эффективности при вариации отдельных параметров системы.
Таким образом, методология системного анализа отвечает целям настоящей работы, связанным с разработкой системы проектирования металлосбере-гающих ТП в реально существующих альтернативных технологических структурах производства и преобразования металла.
Рассмотренные этапы преобразования железорудного сырья в металл (добыча, обогащение, агломерация) и формирования его потребительских качеств (сталеплавление, прокатка) составляют поток производства и потребления металла (рис.2.4). С первых этапов производства начинают формироваться потоки безвозвратных потерь (П) и отходов (О). Уже в рамках черной металлургии зарождается поток потребления металла, т. к. часть общего объема выпуска начинает потребляться черной металлургией для восстановления собственных основных фондов. Но подавляющая часть потока потребления поступает в метал лопотребляющие отрасли народного хозяйства.
Основным потребителем продукции черной металлургии (около 74%) является машиностроение. Характерной чертой машиностроения является разнородность и многодетальность (до 30 тысяч наименований изделий, 130 тыс. типоразмеров) продукции, частая смена моделей, многообразие используемых материалов, полуфабрикатов, способов изготовления заготовок [79, 67].
В сортаменте потребляемого машиностроением готового проката сортовой металл занимает 45,9%, листовой - 53,0, прочие виды проката -1,1%. При выборе рациональной технологической структуры обработки деталей полезна информация о ресурсоемкости альтернативных вариантов. Кроме определения отношений предпочтения в списке альтернатив, сопоставление уровней расхода ресурсов в конкурирующих технологических структурах позволит оценить роль повышения качества металла путем его упрочнения в процессах пластического формообразования, в решении проблемы ресурсосбережения и повышения качества продукции, сформировать перспективные направления и целевые ориентиры экономии металла.
Экономия металла имеет особое технико-экономическое значение по отношению к экономии других ресурсов. Прежде всего это связано с тем, что увеличение потребительской стоимости вследствие повышения качества металла в конкретном производственном звене вызывает его экономию в других элементах системы, где металл трансформируется в конструкции, а также при их эксплуатации из-за повышения технических характеристик.
Например, упрочнение металла приведет к экономии удельных затрат на единицу перевезенного груза, если облегченные за счет упрочнения детали будут использованы в транспортных средствах.
Экономия металла за счет получения точных и более легких заготовок высвобождает мощности по механической обработке, в результате чего сокращается количество металлорежущих станков, затраты на транспортировку, энергию и труд по их обслуживанию, уменьшаются потери металла в стружку и т.п. Соответственно, эффективность по всему циклу потребления точных заготовок существенно выше той, что достигнута только на формообразовании детали.
Таким образом, экономия металла способна преумножаться, трансформируясь в экономию других видов ресурсов, а, следовательно, создавать экономию затрат на разных этапах потребления и в течение всего срока эксплуатации машины. Для выработки основных решений по экономии металла необходим анализ его расхода в системе сопряженных фаз обработки. Информационной базой такого анализа могут служить многочисленные данные по расходу метал ла в процессах его производства и потребления.
Выявить основные источники отходов, потерь металла и оценить роль формообразующих технологий металлообработки в плане снижения технологической металлоемкости изготовления деталей можно на уровне декомпозиции системы преобразования металла в деталь, соответствующем УТС. За базу сравнения целесообразно принять УТС BTV (по классификации, данной в (2.2), как наиболее распространенную в металлообработке. В рамках фаз обработки данной УТС выделим две группы технологических процессов {ТФ}Т, {ТФ,.}П, соответствующих технологиям традиционного и прогрессивного уровней. К технологиям традиционного уровня отнесены такие, в которых нерациональный расход металла (отходы + потери) на фазах обработки соответствует усредненным данным (табл.2.1). Класс технологий прогрессивного уровня составляют технологии производства металла и его обработки, где нерациональный расход минимален. Естественно, что границы такого деления, в определенной мере, условны и отражают лишь ситуацию, сложившуюся к рассматриваемому моменту.
Произведем моделирование расхода металла в УТС Б TV. Ориентированный граф G данной УТС приведен на рис 2.5, а поток металла через пятифаз-ную систему обслуживания с отходами 0,у и потерями П,у в каждой фазе иллюстрирует рис. 2.5, б.
В данном случае под потоком понимается совокупность однородных объектов (металлические полуфабрикаты), передаваемые от одной вершины графа (фаза обработки) к другой по дугам.
Рациональность использования металла на каждой фазе обработки Ф.. определяется разностью входящего f (Ф.., Фг+1) и выходящего f (Ф..+1„ Фг+2) потоков, т.е. дивергенцией потока металла:
Иерархия целей системного проектирования технологических процессов объемной штамповки
Формирование комплекса итоговых показателей проектируемого ТП начинается с обозначения тех целей, которые должны быть достигнуты.
При этом сам ТП рассматривается как элемент, входящий в сложную совокупность разнородных систем из его окружения.
Для представления взаимосвязи целей и их систематизации обычно формируют граф, который имеет иерархическую структуру. Первый уровень иерархии охватывает цели, макросистемы «Экономика», далее идут уровни подчиненных систем: «Эксплуатация», «Производство», «Преобразование металла в деталь», «Объемная штамповка». Цели каждого нижестоящего уровня подчинены целям более высоких уровней. При формировании графа количество уровней следует ограничивать пределами влияния проектируемой технологии на интересы вышестоящих систем. Так, при проектировании технологии объемной штамповки деталей рядового назначения граф целей достаточно строить в пределах уровней смежных с объемной ОМД фаз обработки. Однако чрезмерное усечение числа уровней может привести, например, при проектировании технологии объемной штамповки ответственных деталей, к снижению качества технологии из-за неучтенных требований систем эксплуатации. С помощью экспертных оценок, которые целесообразно производить с учетом результатов макромоделирования взаимосвязи систем, назначается (в долях единицы) относительный вес целей. Значения этих весов ri.j проставляются в нижних секторах вершин графа (рис. 3.1). В верхних секторах обозначаются номера вершин 1-J, 1С {I, II, ..., М}, J С {1, 2, ..., N} (1 - номер уровня, J - номер цели на уровне). Окончательное ранжирование целей должно учитывать связь с целями других уровней. Наиболее значима цель, у которой Ri.j = Гы + Сы,k-m = тах, где Ri.j- абсолютный вес цели; Q.j, k.m - коэффициент связи, определяемый как произведение весов целей, связанных на графе дугой; 1, к - индексы номера вершин, соединенных дугой; J,m - номера вершин на уровне 1 и к. Абсолютные веса целей обозначаются в левых секторах вершин, а в правых указываются места целей по важности на данном уровне.
Для расчета коэффициентов связи и абсолютных весов граф целесообразно представить в форме матрицы смежности размером пхп, где п - число вершин графа. Элементы матрицы представляются булевыми переменными.
Если граф не имеет дуг, исходящих и заходящих в одну и ту же вершину, то на главной диагонали 8 = О, и матрица смежности оказывается симметричной. Формируя матрицу смежности, будем считать равными I только те элемен ты, которые соответствуют парам вершин, ориентированным по направлению W связывающих их дуг.
Основным результатом построения целевой модели проектирования является формирование ранжированной последовательности целей: М,ДТП) = Wfli fl2 -»fl«] 1 (зл) где ао- выражение потребности проектирования; аь аг,..., ап - основные цели. Приоритет целей устанавливается по значениям абсолютных весов. Алго- ритм их вычисления строится с учетом особенностей треугольной квадратичной матрицы, в которой элементы См)П-т имеющие индексы, связанные СООТ-ф ношением (1 п), равны 0.
Процедура реализации алгоритма следующая: - матрица смежности преобразуется в матрицу весов; - значения элементов матрицы весов суммируются по столбцам; - абсолютные веса целей определяются как сумма относительных весов соответствующих вершин графа с результатами, полученными на предыдущем - этапе.
Цели проектирования многообразны, тем не менее они могут быть сведены в группы в соответствии со средой окружения проектируемого объекта. По # скольку любое техническое изделие имеет своим предназначением удовлетворение конкретных общественных потребностей, то интегративным признаком первой группы целей является их принадлежность к социальным факторам окружения. К этой группе могут быть отнесены следующие, характерные для любого уровня, цели: исключение ручного труда аь улучшение условий труда а2; повышение квалификации производственного персонала аз; достижение при-оритета в области техники а4; удовлетворение познавательной потребности а5.
Следующая группа целей проектирования связана с научно-техническим окружением. В общем виде для систем эксплуатации и производства машин они могут быть сформулированы следующим образом: замена морально уста-ревших технических систем (машин, технологии и т.п.) аб; повышение надеж ности технических систем а7 и их производительности а&; снижение ресурсоем-кости-материалоемкости а9; энергоемкости аю; фондоемкости ац; капиталоемкости ai2 , хроноемкости а13; трудоемкости а . На уровне системы подготовки производства в эту группу могут быть введены следующие цели: сокращение сроков проектирования а , уменьшение объема разработок а\в и работ по подготовке производства ап Экономическое окружение обуславливает следующий комплекс целей: обеспечение эффекта и срока окупаемости дополнительных затрат aig; снижение затрат на эксплуатацию ai9, обслуживание аго и ремонт технических систем а2ь на проектирование а2г, подготовку производства а2з и изготовление а24. Экология диктует группу целей, связанных с охраной окружающей среды а24... С учетом рассмотренной методологии целеопределения в иерархической структуре целей системного проектирования следует выделить пять уровней. Первый соответствует цели макросистемы «Экономика» - удовлетворение общественных потребностей. Эта цель на графе обозначена номером 1-І. (рис. 3.1).
Цели на уровне системы эксплуатации: П-1 выполнение работ, необходимых для удовлетворения общественных потребностей; ІІ-2 снижение затрат на эксплуатацию машин при выполнении работ; П-3 повышение производительности труда; П-4 улучшение условий труда; П-5 внедрение новой техники: П-6 обеспечение экологичности.
Цели на уровне системы производства: III-1 изготовление необходимых типов машин; Ш-2 снижение затрат на производство машин; Ш-3 улучшение технических характеристик машин (повышение мощности, весовой эффективности, надежности и т.д.); Ш-4 разработка новой техники; Ш-5 сокращение сроков подготовки производства; Ш-6 обеспечение технологичности конструкций; Ш-7 улучшение условий труда.
Цели на уровне системы преобразования металла в деталь: VI-1 изготовление необходимой номенклатуры деталей; VI-2 обеспечение требуемого качества деталей; VI-3 повышение производительности труда; VI-4 снижение затрат на производство деталей; VI-5 разработка и внедрение прогрессивных технологий; VI-6 улучшение условий труда; VI-7 обеспечение экологичности производства; VI-8 сокращение сроков подготовки производства.
Системная модель проектирования технологии объемной штамповки
Одна из наиболее распространенных проектировочных ситуаций состоит в приспособлении технологии изготовления детали к действующей на предприятии технологической структуре обработки. При этом проектирование технологических процессов, составляющих эту структуру, ведут в контексте сложившихся отношений между этапами обработки деталей, принимая за основу типовые процессы из имеющегося на предприятии банка данных.
Если за основу берется некоторый типовой технологический процесс ОШ ТПік, то возможно возникновение четырех характерных последовательностей смены состояний задачи проектирования:
Индексы і, k являются идентификатором, отражающим принадлежность технологии к і-ой технологической структуре (ТС), k-му технологическому процессу. Индексы 1 и s также являются идентификаторами операционной структуры (ОС) и структуры переходов (СП). Верхняя метка - оператор выбора находящегося под ним индекса из множества его возможных значений. Например, s выбрано по тем или иным критериям из множества {si, s2,..., smax}. В рассматриваемом случае индексы і и к не выбираются, так как ТП и ТС уже предписаны условиями производства.
Первая процедура рассматриваемой группы соответствует ситуации, когда по конструктивно-технологическим признакам детали подобран типовой тех- нологический процесс Тл, Тл. Уровень эффективности таких процессов определяется содержанием той информации, на основе которой формировался банк данных по типовым технологиям.
Во второй процедуре ОС принимается типовой, а структура переходов СП выбирается из генеративного конечного множества {1,..., smax} допустимых совокупностей переходов. Приоритет между СП, входящими в множество, устанавливают посредством некоторого критерия эффективности Кл. В основном Кл обусловлен локальными интересами данной фазы обработки, например, ми- нимуму себестоимости поковок, которые не всегда соответствуют, а иногда противоречат общесистемным интересам.
Этот случай соответствует проектированию рабочего технологического процесса Ртл путем доработки типовой технологии. В третьей процедуре рационализацию технологического процесса осуще ствляют путем генерирования множества (дифференциацией или, наоборот, ин теграцией операций) допустимых {OCikl} и последующего выбора из него OCikl по критерию Кл. Структура переходов СП для выбранных операций при нимается типовой. Ф Четвертая процедура первой группы более конструктивна в плане совер шенствования технологического процесса, так как в ней предусмотрено вначале — выделение из множества возможных операционных структур {OCikl} рациональной OCikl, а затем генерирование множества альтернативных структур переходов {CITikls} и выбор рациональной структуры Cnikls.
Две последние процедуры содержат признаки проектирования индивидуального технологического процесса (Ил), разрабатываемого на прогрессивном (в рамках данной фазы обработки) уровне.
Окрестностные условия ТПік, т.е. предшествующий и последующий технологический процессы формообразования, уже заданы в соответствии с суще- ствующей технологической структурой обработки. В следующей группе процедур проектирования первоначально предусмотрен выбор рационального технологического процесса ОШ ТПік из множества возможных на данном этапе обработки технологических процессов {Tnik}:
Вообще, выделенный из множества ТП технологический процесс может иметь индекс, отличный от к, но чтобы не вводить дополнительных обозначений, он оставлен прежним. То же самое касается и других индексов.
После выбора рационального в плане критерия эффективности Кл, для данной фазы обработки, технологического процесса, реализуют, в зависимости от условий задачи проектирования, одну из процедур первой группы (AVBVCVD).
Вероятность принятия более прогрессивных технологических решений при этом, естественно, повышается, но уровень их системной обоснованности по-прежнему невысок, так как не учитываются альтернативные технологические структуры, построенные на других физических принципах формоизменения, а критерий эффективности остается по-прежнему ориентированным на достижение локальных целей.
Из иерархической модели структуры технологии объемной штамповки и среды ее окружения вытекают предпосылки для формирования концептуальной модели системного проектирования. Рассматривая технологию объемной штамповки как элемент системы более высокого уровня, прежде чем присту пить к ее проектированию, следует обосновать, что именно ее применение для формообразования детали позволит достичь большей эффективности по срав нению с другими, конкурирующими (литье, порошковая металлургия, прокатка и др.) способами обработки и лишь потом, имея в виду, что технология объемной штамповки сама является системой, ее следует проектировать таким образом, чтобы структура ее элементов (операции и переходы) и их параметры обеспечили требуемый уровень эффективности.
Другой особенностью этой группы процедур является использование, при принятии проектных решений, комплексных критериев оценки качества решений, которые продуцируются по той или иной схеме компромисса, из глобального (общесистемного) и локальных (подсистемных) критериев.
Выявление рациональной технологической структуры (ТС), в рамках которой будет проектироваться технологический процесс, целесообразно вести по следующему алгоритму: - по укрупненным оценкам качества продукта, получаемым на различных фазах обработки, выбирается та, назовем ее доминирующей (Фд), которая в наибольшей степени потенциально способна обеспечить свойства продукта на уровне, предписываемом комплексным критерием Ks; - из множества существующих {УТС} выделяется подмножество {УТС Д}, в которое, как составной элемент, входит доминирующая фаза обработки (Фд); - по критерию Ks из подмножества {УТСр} выделяется наиболее рациональная УТСр; - из множества (ТЦ 1Д) технологических процессов, составляющих (Фд), по критерию Ks выделяется наиболее рациональный технологический процесс (ТЩД), который также обозначается, как доминирующий; - из множеств (п-1{ТЩс}) и (n+l{TIIjd}) в смежных с (Фд) фазах обработки выделяются наиболее рациональные, в плане Ks, и совместимые с (TTIjT) технологические процессы; - аналогичным образом выделяют рациональные технологические процессы и в фазах, смежных с (n+1 {TITjd}) и (n-l{TIIjc}) и т.д. вплоть до исходной и конечной фаз обработки yTCj.
