Введение к работе
Актуальность темы. Одной из приоритетных задач структурной перестройки отечественной промышленности является ускоренное формирование национальной технологической базы и обеспечение конкурентоспособности выпускаемой продукции на внутреннем и мировом рынках. Повышение требований потребителей к качеству, снижению стоимости и сокращению сроков освоения продукции все в большей степени ориентируют поставщиков на выпуск конкурентоспособной продукции, что возможно лишь при условии создания на предприятии современной технологической, информационной и организационной среды. В этой связи приоритетное значение имеет соблюдение требований международных и национальных стандартов в области менеджмента качества, безопасности продукции, управления проектами и обеспечения корпоративного информационного взаимодействия потребителей и поставщиков на основе перспективных информационно-коммуникационных технологий.
Качество и эффективность при изготовлении машиностроительных изделий в значительной степени определяются уровнем развития технологической и информационной среды предприятия. При этом особое значение приобретает уровень заготовительного производства, относящегося к начальной стадии технологического процесса и обусловливающего основные материальные затраты и свойства изготавливаемых деталей.
Тенденции повышения стоимости металла и энергии обусловили
применение малоотходных и ресурсосберегающих процессов
металлообработки, в т.ч. различных способов холодной, полугорячей* и горячей объемной штамповки. Например, в автомобильной, подшипниковой, электротехнической и других отраслях стала широко применяться полугорячая объемная штамповка, обладающая рядом преимуществ по сравнению с традиционными процессами горячей и холодной объемной штамповки. Конкурентоспособность этого процесса особенно высока при изготовлении осесимметричных поковок и деталей сложной формы на автоматизированных многопозиционных штамповочных комплексах.
Благодаря рациональному выбору термомеханического режима деформирования и стабилизации параметров процесса штамповки возможно изготовить высокоточные поковки с заданным комплексом механических характеристик. Рациональное комбинирование полугорячей и холодной объемной штамповки позволяет обеспечивать точность размеров поковок на уровне 9—11 квалитетов и изготавливать сложные элементы их поверхности (зубья, шлицы, полости и углубления) в закончешгом виде без последующей обработки резанием. Ввиду высокой технической сложности проектирование и изготовление высококачественных автоматизированных комплексов в настоящее время освоило лишь несколько ведущих прессостроительных фирм,
* В литературе встречаются аналоги данного термина: неполная горячая штамповка, теплая деформация, штамповка с подогревом и др.
обеспечивающих потребности мирового рынка в этом перспективном технологическом оборудовании.
Наряду с преимуществами следует указать на сложности, связанные с разработкой технологических процессов и обеспечением изготовления поковок высокого качества. В настоящее время отсутствуют эффективные-средства информационной поддержки процесса конструкторско-технологического проектирования и, в первую очередь, инженерные приложения, позволяющие учесть влияние нестационарного теплового режима на основные показатели качества поковки (точность размеров, механические свойства, дефектный слой и др.), стойкость деталей штампов, режимы эксплуатации автоматизироваїшьіх комплексов и др. Недостаточно изучены вопросы обеспечения стабильности операций технологического процесса и надежности штамповочных комплексов. Ввиду отсутствия интегрированной информационной поддержки существенно увеличиваются сроки создания автоматизированных комплексов и технологической подготовки полугорячей штамповки, что снижает конкурентоспособность этого перспективного процесса.
На основе изложенного можно заключить, что в автоматизированном машиностроении актуальное значение имеет обеспечение изготовления поковок конкурентоспособного качества на основе интегрированной информационной поддержки, соответствующей, во-первых, современным тенденциям в области управления качеством и жизненным циклом машиностроительных изделий как совокупностью взаимосвязанных и взаимодействующих процессов (процессный подход), а во-вторых, требованиям базовых стандартов в области информационного взаимодействия и создания открытых систем.
В рамках рассматриваемой темы исследования определим:
объект исследования — процесс интегрированной информационной поддержки жизненного цикла машиностроительных изделий (на примере применения точной объемной штамповки в заготовительном производстве);
предмет исследования — поковки конкурентоспособного качества для машиностроительных деталей ответственного назначения, изготавливаемые преимущественно многопереходной полугорячей объемной штамповкой на автоматизированных комплексах.
Цель работы. Создание интегрированной информационной поддержки процессов конструкторско-технологического проектирования и производства для обеспечения изготовления поковок и деталей конкурентоспособного качества.
Методы исследовании. Теоретические исследования выполнены с применением основных положений системного анализа, теории обработки металлов давлением, теории теплопроводности, методов искусственного интеллекта и конечных элементов, нечетких множеств, математической статистики, квалиметрии и принципов всеобщего менеджмента качества. Функциональные и информационные модели процессов разработаны на основе универсальных CASE-средств, моделирование пластического деформирования
поковки и тепловых полей в инструменте выполнено с использованием программных комплексов для конечно-элементного анализа объектов. Экспериментальные исследования выполнены с использованием тензометрирования, радиационной пирометрии, калориметрирования, макро- и микроструктурного анализа, электронной растровой и просвечивающей микроскопии.
Научная новизна диссертационной работы включает:
взаимосвязи и характер наследования характеристик процессов проектирования и производства, влияющие на качество изготавливаемых поковок и деталей, учитывающие специфику процессов жизненного цикла машиностроительных изделий ответственного назначения;
моделирование и оценку ресурсоемкое (металлоемкости, энергоемкости, трудоемкости) процессов штамповки и металлообработки, выполняемых на этапах концептуального конструкторско-технологического проектирования;
выявление и обоснование на основе анализа функциональных и конструктивных характеристик машиностроительных деталей структуры технологического маршрута, термомеханических режимов пластического деформирования поковок и технических характеристик автоматизированных комплексов.
разработку и реализацию принципов информационного обеспечения процессов проектирования и производства поковок с позиций управления жизненным циклом машиностроительных изделий как совокупностью взаимосвязанных и взаимодействующих процессов (процессный подход). Создание функциональных и информационных моделей для этапов проектирования и производства поковок конкурентоспособного качества;
разработку методов и средств интеллектуальной поддержки принятия решений для концептуальной стадии конструкторско-технологического проектирования поковок и синтеза структур ресурсосберегающих процессов, основанных на классификации технологической среды металлообработки, формализации экспертных знаний и применении продукционных правил и таблиц решений.
Практическая полезность. Полученные в диссертации результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы для обеспечеїшя интегрированной информациоішой поддержки процессов проектирования и производства машиностроительных поковок и деталей конкурентоспособного качества и включают:
фуіпщионально-информационное обеспечение для управления процессами проектирования и производства поковок применительно к условиям интегрированной информациоішой поддержки машиностроительных изделий;
требования к характеристикам качества процессов проектирования и изготовления поковок;
научно обоснованные рекомендации по обеспечению стабильности технологических процессов, стойкости деформирующего инструмента и надежности автоматизированных комплексов для изготовления высококачественных поковок;
методики структуризации информации и идентификации типовых поковок и компонентов технологической среды для изготовления широкой номенклатуры машиностроительных деталей конкурентоспособного качества;
ипформациошг/ю базу по эффективным конструкторско-технологическим и организационным решениям, реализованным в виде инженерных приложений.
Достоверность научных результатов и выводов подтверждается корректным использованием научных методов исследования, современного математического аппарата, экспериментальной проверкой и верификацией результатов моделирования, а также практикой применения разработанных средств информационной поддержки и конструкторско-технологических решений для изготовления высококачественных поковок.
Реализация результатов. Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при выполнении комплексной межведомственной программы повышения качества продукции оборонно-промышленного комплекса, ряда отраслевых и межвузовских научно-технических программ, более десяти договоров с отечественными предприятиями и зарубежными фирмами. Полученные результаты послужили основой для создания интегрированной информационной поддержки процессов проектирования и производства машиностроительных деталей ответственного назначения, интеллектуальной поддержки принятия решений на концептуальной стадии конструкторско-технологического проектирования, прототипа компьютерной системы менеджмента качества, методик оценки ресурсоемкости процессов металлообработки и штамповки.
Научно обоснованные конструкторские и технические решения внедрены при создании автоматизированного комплекса полугорячей штамповки автомобильных поковок, комплексно-механизированного участка холодной и полугорячей штамповки поковок гидроаппаратуры, модернизированного комплекса для полугорячей штамповки поковок авиационного назначения. Изготовленные на их базе высококачественные поковки отмечены медалями ВВЦ.
Разработанные методы информационной поддержки и моделирования процессов представлены в виде информационно-программных средств, компонентов экспертной системы, изданы в виде методических указаний, использованы в МГТУ «Станкин» в курсах лекций «Стандартизация и сертификация информационно-программных средств» и «Процессы формообразования в машиностроении».
Апробация и публикация работы. Основные научные и практические результаты работы доложены и обсуждены на расширенном заседании кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления» МГТУ «Станкин», тридцати шести конференциях и семинарах, в т.ч.: Международной
конференции «Информационные средства и технологии» (Москва, 1995,1998,2002, 2004 и 2005); XI Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'2004» (Санкт-Петербург, 2004); Международной конференции «Производство, технология, экология» (Москва, 1997, 2000, 2001, 2002, 2003 и 2004); Девятой национальной конференции по искусственному интеллекту с международным участием (Тверь, 2004); Научно-практической конференции «Проблемы качества, безопасности и диагностики в условиях информационного общества» (Сочи, 2004); Научно-техническом совещании «Современные наукоемкие технологии в промышленности России: высокопроизводительные вычисления и CALS-технологии» (Уфа, 2004); Пятой международной конференции и выставке по морским и интеллектуальным технологиям «Моринтех-2003» (Санкт-Петербург, 2003); Конгрессе (Всесоюзной конференции) «Конструкторско-технологическая информатика» (Москва, 1987,1989 и 1996); и др.
