Оптимизация выбора технологических операций

Одним из наиболее важных этапов структурной оптимизации ТП является выбор технологических операций механической обработки. Вид операции и применяемое оборудование существенно влияют на трудоемкость обработки и связанную с ней технологическую себесто­имость. Последний показатель обычно используется в качестве критерия для выборов вариантов ТП изготовления изделия.

Технологическая себестоимость в рассматриваемой задаче опре­деляется способом, который базируется на расчете каждого элемента технологической себестоимости операции. Причем расчет элементов по каждому из сопоставляемых вариантов выполняется приближен­ным способом на основании укрупненных затрат, приходящихся на час работы оборудования и рабочих мест.

На стадии эскизного проектирования при выборе операции механической обработки технологическая себестоимость определяет­ся приближенным методом по следующей формуле:

Рис. 9.1. Схема алгоритма выбора оптимального метода получения заготовки

С_опi=С_чi t_шт.-кi, (9.1)

где С_чi – производственные затраты, приходящиеся на 1 ч работы оборудования, занятого при выполнении i -й операции; t_шт.-кi – норма штучно-калькуляционного времени на выполнение i- й операции.

Как показывает анализ зависимости, ее минимизацию за счет одновременного уменьшения удельных производственных затрат на оборудование С_чi и штучно-калькуляционного времени обработки t_шт.-кi (осуществить, как правило, невозможно, так как использование более высокопроизводительного оборудования приводит к уменьше­нию t_{шт. кi} при одновременном росте удельных расходов на его содер­жание и эксплуатацию. Очевидно, из ряда сравниваемых вариантов обработки оптимальным является тот, при осуществлении которого рост производительности превысит рост удельных затрат.

Таким образом, задача определения технологической себестои­мости обработки сводится к решению двух взаимосвязанных под­задач:

а) определение возможных для заданных условий операций обработки детали, соответствующих моделей станков и удельных затрат С_чi, на 1 ч их работы;

б) определение трудоемкости обработки t_{шт. кi}; применительно к выбранным видам технологических операций.

Выбор возможных для заданных условий операций обработки поверхностей детали производится на основе анализа ее конструктив­но-технологических признаков, к которым относятся:

1) тип поверхностей детали, подлежащей обработке;

2) стадии обработки (черновая, чистовая, тонкая, отделочная);

3) габаритные размеры детали;

4) точность и шероховатость поверхностей для рассматриваемой стадии обработки;

5) твердость поверхностей, обрабатываемых на рассматриваемой стадии;

6) конструктивная сложность поверхностей, обрабатываемых на соответствующей стадии;

7) годовая программа выпуска деталей.

По общности методов, используемых при обработке, все поверх­ности, образующие конфигурацию деталей машин, разбивают на группы. Как правило, на начальных этапах проектирования техноло­гических процессов решаются вопросы выбора рациональных спо­собов обработки групп однородных поверхностей–наружных поверхностей вращения, внутренних, плоских, зубчатых, резьбовых, шлицевых и т. д. Это позволяет использовать единую методику укрупненной оценки эффективности различных методов обработки уже на ранних этапах проектирования, когда у технолога еще отсутствует вся необходимая информация для точной оценки трудо­емкости обработки.

Рассмотрим выбор конструктивно-технологических признаков для определения возможных вариантов обработки на примере наружных и торцовых поверхностей вращения деталей класса «валы» с L> 2D. Конфигурация этого класса деталей определяется сочетанием различного числа элементарных наружных поверхностей вращения. В зависимости от требований чертежа каждая поверхность должна пройти ряд стадий обработки, под которыми понимаются укрупнен­ные группы операций, включающие однородную по характеру, точ­ности и качеству обработку элементарных поверхностей. Выбор ста­дий обработки может производиться на основе алгоритма, представ­ленного в виде табл. 9.2.

Табл. 9.2. Выбор стадий обработки наружных поверхностей вращения

в зависимости от требований точности и шероховатости

Габаритные размеры детали, точность и шероховатость поверх­ностей, а также твердость определяются на основе анализа чертежа и вводятся в качестве исходных данных. Значительно большую трудность представляет определение конструктивной сложности обрабатываемых поверхностей.

Конструктивная сложность детали – это сложность ее как геометрического тела. Количественная оценка конструктивной слож­ности определяется по исходным данным чертежа и может быть представлена некоторой функциональной зависимостью в виде суммы всех обрабатываемых на I -й стадии поверхностей. При оценке кон­структивной сложности на каждой стадии следует различать основ­ные поверхности Р, образующие основной контур детали (для валов Р – это число ступеней), торцовые МТ и дополнительные M (фаски, галтели, пазы) поверхности, образующие как бы рельеф на основном контуре.

Ниже приводится зависимость для определения конструктивной сложности, которая получена на основе статистического анализа деталей класса «валы» с учетом трудоемкости обработки основных и дополнительных поверхностей на I -й стадии:

Q_I=P_I+0, 5MT_I+0, 1M_I (9.2)

Одним из важнейших признаков, от которого зависит правиль­ный выбор вида технологической операции, ее структуры и соответст­вующего ей оборудования, является серийность, или тип производ­ства. Тип производства определяется по коэффициенту закрепления операций k_з.о, который описывается отношением числа всех различ­ных технологических операций, выполненных или подлежащих выполнению в течение месяцев, к числу рабочих мест. В свою очередь k з.о главным образом зависит от заданной программы выпуска дета­лей N и трудоемкости их изготовления t_шт.-к.

Вычисление на ранних стадиях технологического проектирования значения t_шт.-к представляет определенную трудность. Учитывая, чтона этой стадии не может быть получен операционный ТП, содержа­щий необходимые сведения для расчета норм времени, необходимо использовать методы укрупненного нормирования. Поэтому выяв­ляются функциональные зависимости между штучно-калькуляцион­ным временем и наиболее общими параметрами детали, учитываю­щие ее конструктивную сложность Q и размерные характеристики. Для определенных типов деталей размерные характеристики имеют корреляционную связь с массой детали М_Д. На основе статистическо­го анализа процессов обработки различных классов деталей установ­лены функциональные зависимости следующего вида:

. (9.3)

Используя известные зависимости для определения числа опера­ций, закрепляемых за одним рабочим местом с учетом коэффициента загрузки и коэффициента выполнения норм времени (Кв), для двухсменной работы получают применительно к обработке наружных поверхностей вращения деталей класса «валы»

).

Далее на основе рассчитанных значений k_з.о Для конкретной детали тип производства определяется по табл. 9.3.

Табл. 9.3. Определение типа производства

Если тип производства заранее известен, то его код, согласно табл. 9.3, может быть введен при автоматизированном проектирова­нии в ЭВМ в диалоговом режиме.

При выборе оптимальной технологической операции возникает задача генерации или составления возможных видов операций применительно к обработке конкретных поверхностей, заданной ста­дии и серийности производства. Для решения этой задачи составляется таблица выбора видов технологических операций (табл. 9.4).

Табл. 9.4. Таблица выбора кодов технологических операций по обработке наружных поверхностей вращения валов

В ней для черновой, чистовой, тонкой и отделочной стадий и для различной серийности производства представлены коды возможных технологических операций согласно табл. 9.5.

Табл. 9.5. Кодирование технологических операций обработки наружных поверхностей вращения деталей класса «валы»

Нетрудно заметить, что для определенных стадий обработки и серийности производства имеется возможность выбрать и проана­лизировать три-четыре вида операций, отличающихся главным образом структурой. Структура технологической операции может быть одноинструментальной и многоинструментальной, однопози­ционной и многопозиционной, прерывной и непрерывной. Структура существенно влияет на трудоемкость обработки и соответственно на ее производительность и себестоимость. Образование структур техно­логических операций ведется в двух направлениях:

а) за счет совмещения элементов основного времени t_о (после­довательная, параллельно-последовательная и параллельная обра­ботки);

б) за счет совмещения элементов вспомогательного времени t_в=t_из+t_с.у+t_х, затрачиваемого на измерение и ручную подналадку оборудования методом пробных проходов (t_из), на съем и установку деталей (t_{с у}), на выполнение холостых ходов (tх).

В табл. 9.6 выделены и закодированы структуры технологических операций обработки наружных и торцовых поверхностей деталей класса «валы». Все операции разделены на две группы. Первая содержит коды операций от 001 до 099, что соответствует операциям с использованием современного лезвийного инструмента, обеспе­чивающего обработку незакаленных материалов. В операциях с кода­ми более 100 обработка осуществляется абразивным, алмазным (в том числе лезвийным из синтетических сверхтвердых материалов) инструментом, что позволяет обрабатывать как незакаленные, так и закаленные материалы. Черновая и чистовая обработки производятся на станках нормальной (или повышенной) точности, тонкая и отделочная – на станках высокой точности.

Табл. 9.6. Структуры технологических операций обработки наружных поверхностей вращения

Табл. 9.7. Таблица выбора кодов моделей станков для токарно-винторезной операции в зависимости от диаметра и длины детали

Табл. 9.8. Фрагмент массива станков MST

После определения группы возможных операций решается задача выбора соответствующих моделей станков. Эта процедура выпол­няется на основе анализа массива станков MST с учетом вида опера­ций и габаритных размеров обрабатываемой детали. В качестве примера может быть приведена одна из таких таблиц выбора ко­дов моделей станков для токарно-винторезной операции (табл. 9.7).

По коду станка из массива MST определяются его габаритные размеры, стоимость и приведенные часовые затраты С_чi, (табл. 9.8). Выбор оптимальной технологической операции, как уже отмечалось, предшествует попереходному проектированию операции с определе­нием режимов резания. Это приводит к тому, что в рассматриваемой задаче не могут быть использованы точные методы микроэлементного или элементного нормирования. Однако на этом этапе представляет­ся возможным использовать более точные методы укрупненного нор­мирования по сравнению с формулой (9.3).

Степень укрупнения нормативов определяет универсальность и от­носительную точность модели, поэтому в каждом конкретном случае необходимо строить модель оптимальной сложности. В качестве критерия эффективности, включающего по возможности минималь­ное число факторов, берется штучное время.

Трудоемкость выполнения операций по обработке детали может быть представлена в виде суммы элементов норм времени:

t_шт.-к=(t_о.р+t_о.м)+t_в+t_с.у+t_обс+Т_п.-з/N, (9.4)

где (t_о.р+t_о.м) – основное время обработки соответственно основных и вспомогательных поверхностей; t_в – вспомогательное время на вы­полнение операции; t_с.у – время снятия и установки заготовки; t_обс – время обслуживания станка и время отдыха; Т_п.-з – подготови­тельно-заключительное время; N – число заготовок в партии.

В условиях укрупненного нормирования основное время обработ­ки отдельных цилиндрических поверхностей может определяться по эмпирическим зависимостям вида

t_{о =} k_pk_м DL (9.5)

где D, L – соответственно диаметр и длина обрабатываемой поверх­ности; k_p – коэффициент, отражающий среднестатистический уро­вень режимов различных методов и стадий обработки поверхностей детали из стали 45 стандартным инструментом (табл. 9.9); k_м – коэффициент материала, учитывающий обрабатываемость данного материала в сравнении с обрабатываемостью стали 45. В зависимос­ти от вида обработки различают коэффициент k_м.л. – для лезвийного инструмента и k_м.а – для абразивного.

Табл. 9.9. Значения коэффициентов режимов резания k_р

На основе статистического анализа норм времени различных технологических операций изготовления валов и с учетом формулы (9.5) может быть получена следующая зависимость для определе­ния времени обработки основных поверхностей детали:

t_о =k_pk_мk_зk_тр1D_пр (9.6)

где k_з – коэффициент, учитывающий дополнительное время, которое необходимо затратить, чтобы придать принятой заготовке форму и размеры унифицированной заготовки (в качестве такой заготовки для ступенчатых валов принята штамповка нормальной точности; коэффициент k_з вводится в расчет только на черновой стадии обра­ботки и определяется в зависимости от соотношения массы заготовки М_заг и детали М_Д по формуле k_з =0, 787М_заг/ ); k_тр1 –коэф­фициент трудоемкости обработки основных поверхностей, учитываю­щий вид структуры выполняемой операции (см. табл. 9.6); D_np – приведенный диаметр основных поверхностей, определяемый по фор­муле

Аналогично были получены зависимости для остальных элементов нормы времени, входящие в формулу (9.4):

t_о.м = k_мk_тр2 D_np М_Д × 10³;

t_с.у=k_трз (0, 44+0, 4М_д);

t_в =0, 666 k_тр4 ;

t_обс=k_тр5(t_о.п.+ t_о.м.+ t_с.у.+ t_в);

Т_п.-з.=22k_тр6,

где k_тр2, k_тр3, k_тр4, k_тр5, k_тр6 – коэффициенты трудоемкости соответ­ственно обработки дополнительных поверхностей, снятия и установки заготовки, выполнения вспомогательных операций, обслуживания станка и подготовительно-заключительных работ в зависимости от структуры операции (табл. 9.10); L_Д. – длина детали.

Табл. 9.10. Значения коэффициентов трудоемкости по элементам операции в зависимости от ее структуры

Для определения штучно-калькуляционного времени t_шт..-к по фор­муле (9.4) для условий серийного производства необходимо допол­нительно определить величину партии запуска заготовок в производ­ство n. Известно, что число заготовок в партии зависит от габаритных размеров детали и ее конструктивной сложности, определяемой в этом случае числом обрабатываемых поверхностей.

Для упрощения построения алгоритмов определения партии за­пуска для деталей типа «валы» вводится классификация по габари­там (табл. 9.11) и конструктивной сложности деталей Q' (табл. 9.12).

Число заготовок в партии запуска определяется в долях программы годового выпуска деталей

n = g_iN,

где g_i – коэффициент пропорциональности, являющийся функцией габаритов и конструктивной сложности деталей и определяемый на основе регрессионного анализа (табл. 9.13).

Табл. 9.11. Классификация деталей по габаритам

Табл. 9.12. Классификация деталей по конструктивной сложности

Табл. 9.13. Определение коэффициента пропорциональности g_i

При разработке алгоритма решения задачи предварительно долж­на быть проанализирована и систематизирована вся исходная инфор­мация, включающая общие данные о детали (наименование, мате­риал, твердость, число основных и вспомогательных поверхностей, масса, наличие термообработки и годовой объем выпуска) и об отдельных поверхностях (размеры, квалитет и шероховатость).

Алгоритм выбора оптимальных технологических операций представляет собой последовательное выполнение следующих про­цедур: ввод исходных данных, определение требуемого числа стадий обработки, выбор групп операций для каждой стадии обработки, выбор моделей станков, определение структуры операций, расчет штучного времени, определение себестоимости выполнения всех выбранных операций и выбор оптимальной технологической операции. Вывод результатов проектирования производится в виде техноло­гических карт.

Вышеописанный, алгоритм представлен на рис. 9.2. Программа автоматизации выбора оптимальных технологических операций для различных стадий может быть выполнена в диалоговом режиме, что позволит наряду с автоматизированным решением задачи провести окончательную оценку результатов проектирования проектиров­щиком.

Рис. 9.2. Схема алгоритма выбора оптимальной операции