Наукоемкие конкурентоспособные технологии в машиностроении

Рис. 10.7. Оребренный профиль поверхность

Рис. 10.7. Деформирующий резец, создающий оребренную поверхность методом пластического оттеснения материала в зоне резания

Рис. 10.6. Основные характеристики прогрессивных технологий нового поколения

Рис. 10.5 Этапы жизненного цикла технологий

Рис. 10.4. Модель системы технологических преобразований (базовая модель технологии)

Воздействия, оказываемые на систему технологических преобразований со стороны других систем, могут быть представлены следующим множеством:

где - вектор обобщенного входа; - входные обобщенные воздействия материального типа; - входные обобщенные воздействия энергетического типа; - входные обобщенные воздействия информационного типа; - момент времени.

Входные воздействия оказывают различное действие на систему технологических преобразований.

Основные задачи входных воздействий следующие: обеспечение необходимой структуры объектов; реализация требуемою поведения объектов; восстановление пото¬ков технологического воздействия орудий и средств обработки на изделия и другие.

Воздействия, реализуемые системой технологических преобразований на другие системы, могут быть описаны следующим образом:

где - вектор обобщенного выхода; - выходные обобщенные воздействия материального типа; - выходные обобщенные воздействия энергетического типа; - выходные обобщенные воздействия информационного типа.

Входные и выходные обобщенные воздействия включают как основные потоки различных типов, направленные на прогрессивное развитие системы, так и побочные (вредные, сопутствующие), оказывающие отрицательное влияние на качественные показатели развития.

Проектирование технологии подразумевает учет противоречивых требований, причем продуктами его являются модели, позволяющие понять структуру будущей технологии. Однако разработка технологии остается до сих пор трудоемким процессом, целью которого является: обеспечение требуемого алгоритма функционирования (технологического воздействия); реализация приемлемой цены; удовлетворение явным и неявным требованиям по эксплуатационным качествам, ресурсопотреблению и дизайну; удовлетворение требованиям к стоимости и продолжительности разработки технологии. При этом процессы проектирования технологий могут выполняться по различным схемам. Этапы традиционного жизненного цикла технологии характеризуются лавинообразным нарастанием сложности (рис. 10.5). Во многих компаниях и фирмах такую схему создания технологий рассматривают как незыблемую. Однако, несмотря на силу традиций, анализ жизненного цикла технологии показывает следующие недостатки этой схемы:

- непригодность для разработки сложных технологий, состоящих из большого количества подсистем и автономных модулей, образующих сетевые структуры;

- обязательно последовательное выполнение всех этапов создания технологии;

- несовместимость с эволюционным подходом;

- несовместимость с перспективными методами автоматизированного проектирования и управления технологиями.

Поэтому для создания прогрессивных технологий традиционные методы не подходят.

Начинает развиваться объектно-ориентированное проектирование, что особенно перспективно для создания новых технологий. В основе объектно-ориентированного проектирования лежит объектный подход, главными принципами которого являются: абстрагирование, ограничение доступа, модульность, иерархичность, типизация, параллелизм и устойчивость.

На рис. 10.5 показаны этапы жизненного цикла технологии при объектноориентированном проектировании. Здесь процесс создания технологии не является отдельным монолитным этапом. Он представляет собой один из шагов на пути последовательной итеративной разработки технологии; при этом последовательность шагов может иметь произвольный характер. Частный вариант последовательной итеративной разработки технологии с направленными шагами через анализ представлен также на рис. 10.5.

Применение описанных моделей позволило определить основные характеристики прогрессивных технологий нового поколения, которые, дополняя известными данными, можно представить структурной схемой, изображенной на рис. 10.6. Она имеет иерархическую структуру и содержит основные признаки, особенности и обеспечение прогрессивных технологий. Основные признаки, характеризующие прогрессивность новых технологий, даны на структурной схеме (рис. 10.6) относительно конечного результата их действия - изделий. Эти признаки можно представить следующими категориями:

- качественно новая совокупность свойств изделий (причина);

- качественно новая мера полезности изделий (следствие).

С развитием науки и техники создаются возможности для улучшения свойств изделий, например, геометрических, кинематических, механических, тепловых, оптических и других, а также реализуются качественно новые свойства изделий, например, экологические, манипуляционные, отражения жестких космических лучей, свойства обладания эффектом «магнитная потенциальная яма» и др. Для обеспечения этого проектируемые технологии непрерывно совершенствуются и создаются качественно новые. Они будут придавать качественно новые свойства изделиям.

Однако, только мера этих свойств - полезность этих изделий или их ценность, имеет решающее значение, так как конечной целью изготовления любого изделия является обеспечение необходимой ценности. Создаваемые прогрессивные технологии непрерывно повышают ценность изделий и соответственно реализуют качественно новую меру их полезности, обеспечивается возможность использования их в работах n-го поколения, для «гипердвигателей» межгалактических кораблей, для марсианского транспорта, построенного по принципу мехатроники, и др.

Создаваемые прогрессивные технологии нового поколения имеют некоторые базовые особенности, основные из которых могут быть связаны с высокой наукоемкостью их создания, сложностью реализации и функционирования; при этом необходимы высокая информационность и компьютеризация, определенный уровень электрификации и энергообеспечения, поэтому проектирование новых технологий должно базироваться на оптимальных технологических процессах. При необходимости могут быть использованы новые методы преобразования заготовок в изделия. Для этого должны применяться прогрессивные методы производства. На всех этапах жизненного цикла (см. рис. 10.5) новых технологий необходимо обеспечивать высокую степень автоматизации процессов. Созданные технологии должны иметь высокую устойчивость и надежность функционирования по заданному алгоритму. Все это должно быть тщательно проработано на основе принципов объектно-ориентированного подхода и обеспечена экологическая чистота технологий. Вместе с тем, создаваемые технологии должны быть открытыми к развитию и иметь возможность эволюционировать и модифицироваться в соответствии с изменяющимися внешними условиями. Кроме того, прогрессивные технологии могут иметь ряд других особенностей, относящихся к специальным технологиям или технологиям будущего.

Для создания прогрессивных технологий нового поколения необходимо нетрадиционное обеспечение, а именно: высококвалифицированные кадры, прогрессивные технологические системы и специальные технологические среды. В этом случае проектирование технологических систем должно, прежде всего: определяться конъюнктурой рынка; основываться на новых принципах, свойствах и качестве композиции элементов оборудования; иметь высокие уровни автоматизации, производительности и прецизионности оборудования, оснастки и инструментов. Созданные технологические системы должны быть эстетичны и эргономичны, иметь высокую устойчивость и надежность функционирования. Для этого широко должны быть использованы комплексные системы диагностики, контроля и управления, а также новые принципы работы оборудования и методы воздействия орудий и средств обработки на изделия. Такой комплексный подход в создании прогрессивных технологических систем дает качественно новые нетрадиционные технико-экономические показатели их создания и функционирования.

Проведенные исследования в последние десятилетия с использованием разработанных моделей позволили определить и дополнить известные тенденции прогрессивного развития технологий новыми, к которым можно отнести следующие;

- повышение концентрации и параллелизма технологических зон обработки, обеспечивающих повышение производительности;

- создание нетрадиционных прогрессивных пространственных структур технологических зон обработки (создание многомерных циклических структур, повышение размерности многообразия и объектов в каждом многообразии структуры), реализующих повышение технологических возможностей пространства и среды;

- компоновка технологических зон обработки в линейные, поверхностные и объемные структуры; компоновка этих структур в производственные ячейки; компоновка производственных ячеек в пространственные структуры и заполнение ими всего объема пространства производственного цеха с возможностью изменения их пространственного расположения;

- повышение степени ком па компактирования структуры за счет увеличения плотности (линейной, поверхностной, объемной) технологических зон обработки;

- организация поточности функционирования технологических зон обработки и повышение их интенсивности;

- повышение непрерывности и устойчивости функционирования технологических систем в соответствии с заданным алгоритмом;

- повышение информационности технологий, снижение массы технологических систем и повышение их энергообеспеченности;

- создание технологий и технологических систем с использованием принципа механотроники;

- упрощение функциональной структуры за счет совмещения различных функций технологических систем; выполнение технологических функций посредством транспортных функций, и наоборот;

- применение комплексных систем диагностики, контроля и управления процессами.

Анализ этих тенденций, позволяя сформулировать и разработать общий теоретический подход в создании и функционировании нетрадиционных технологических систем, называемых поточно-пространственными технологическими системами. Эти технологические системы имеют качественно новые свойства и возможности, а также существенно повышают уровень автоматизации и интенсификации производственных процессов. Разработанная общая методика синтеза дает возможность создавать поточнопространственные технологические системы непрерывного действия следующих видов:

- технологические системы высокой и сверхвысокой производительности для производства изделий медицинской, радиоэлектронной, пищевой промышленностей, приборостроения и других отраслей народного хозяйства;

- технологические системы непрерывного действия для длительных циклов технологического воздействия (термические, химические, физико-химические методы обработки и др.);

- технологические системы непрерывного действия для комплексной обработки изделий;

- гибкие технологические системы непрерывного действия.

Эти технологические системы позволяют значительно повысить производительность производственных процессов, сократить занимаемые оборудованием производственные площади, уменьшить длительность производственного цикла, число рабочих, занятых в производстве, и улучшить другие показатели.

Данная методология, ориентированная на конечную цель, - создание прогрессивных технологий, дает возможность видеть взаимосвязи, понимать и применять целостность как принцип проектирования. Создаваемые технологии являются отражением современного развития техники; теория их создания позволяет объяснить и предсказывать закономерности эволюционного процесса развития прогрессивных технологий.

Методология разработки новых методов обработки базируется на предложенной концепции нового научного подхода к решению этой проблемы, основанной на единстве технологии изготовления и эксплуатации деталей машин и их соединений.

Так, для повышения долговечности пар трения необходимо, как только возможно, уменьшить их приработку в процессе эксплуатации. Этого добиваются финишной обработкой поверхностей трения, моделирующей ускоренный процесс их приработки. В соответствии с разработанной теорией трения и износа, процесс приработки представляет микрорезание и пластические деформации микронеровностей поверхностей трения.

Обеспечить этот процесс приработки можно на стадии финишной обработки поверхности трения специальным инструментом с моделированными микронеровностями. Рабочая поверхность инструментов должна проскальзывать по поверхности трения обрабатываемой детали, вызывая микрорезание и микродеформирование ее шероховатости. В качестве такого инструмента могут быть использованы притирочный абразивный брусок (с определенной зернистостью) или иглофреза (с определенным диаметром рабочих иголок). Усилия прижатия и скорость проскальзывания инструмента определяются условиями эксплуатации обрабатываемой поверхности трения.

В зубчатых передачах в процессе приработки изменяется форма эвольвентной поверхности, увеличивается боковой зазор, что ведет к росту шума, изменению линии контакта и разрушению зубьев. Избежать этого явления можно, если в процессе изготовления и приработки зубчатых передач смоделировать все эти процессы: при зубонарезании и шлифовке зубьев - обеспечить их эксплуатационный профиль, а при обкатке - равновесное состояние качества поверхности. Для этого должен быть скорректирован рабочий профиль фрезы и шлифовального крут. Это, в свою очередь, говорит о необходимости учета при проектировании инструмента функционального назначения обрабатываемой поверхности.

Для окончательной обработки боковых поверхностей зубчатых колес может быть использована обкатка или специальная технология финишной обработки, обеспечивающая процесс микрорезания и пластических деформаций микронеровностей. Финишная обработка обеспечивается алмазным или обычным шевингованием.

Использование теории пластичности и контактного взаимодействия позволило создать новый метод обработки деталей, позволяющий значительно увеличить (в десятки раз) их поверхность соприкосновения с окружающей средой. В частности, это и имеет огромные значения при создании теплообменников.

Используя уравнения пластического оттеснения обрабатываемого материала в зоне резания (3.36)-(3.40), спроектирован и изготовлен совершенно новый инструмент (рис. 10.7), который при определенном сочетании свойств обрабатываемого материала и режимов (глубина и подача) позволяет эффективно осуществлять вытеснение материала и создавать оребренную поверхность, имеющую высокую теплообменную способность (рис. 10.8). 

Известно, что тот или иной метод обработки реализуется через выполнение технологических операций, объединение которых в одной детали представляет из себя технологический процесс.

В условиях жесткой рыночной экономики создание новых технологических процессов диктуется необходимостью повышения качества и снижения себестоимости выпускаемых изделий. Если классическая типовая технология не позволяет уже производить изделие с качеством и себестоимостью, обеспечивающими ее конкурентоспособность, то объективно возникает проблема создания нового технологического процесса. Например, появление новой технологии зубчатых колес с цельнокатаными зубьями.

Экономический эффект от новых технологических процессов значительно возрастает при принятии предложенной теории единства процесса проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта,

Экономическая целесообразность ремонта крупногабаритных изделий поставила перед технологами задачу - создание новых технологических процессов восстановления деталей по месту. Так, необходимость восстановления цилиндрической формы ячеек реакторов атомных электростанций по месту привело к разработке совершенно нового, нетрадиционного технологического процесса. Реализация, которого осуществляется с использованием нетрадиционной инструментальной системы (d = 120 мм и / = 20 м) с автономным приводом главного движения зенкера, перемещаемым под собственным весом и удерживаемым подъемным краном.

Экономическая целесообразность восстановления цементных печей обжига, валков прокатных станов, лифтовых шкивов и других изделий по месту привело к созданию нового переносного технологического оборудования. При этом главное движение восстанавливаемого изделия обеспечивается эксплуатационным приводом, а остальные не-обходимые движения для обработки - навесным технологическим оборудованием.

В процессе эксплуатации железнодорожных рельсов их поперечный профиль в зависимости от участка дороги (повороты, подъемы, подложка, средние температуры и др.) в начальный период работы (процессе приработки) претерпевает значительные изменения, то есть происходит его естественная адаптация к условиям эксплуатации. Однако эксплуатационники железных дорог при ремонте рельсов стремятся вернуть им исходный поперечный профиль, что значительно удорожает ремонт и опять приводит к быстрому и большому их износу в период новой приработки. Все это в значительной мере сокращает долговечность железнодорожных рельсов.

Учитывая эти обстоятельства, целесообразно при ремонте рельсов сохранять сформировавшийся поперечный профиль, убирая при этом вредный дефектный поверхностный слой. Обеспечить это могут так называемые упругие технологии (иглофрезерование, лепестковое шлифование). Вследствие упругих деформаций рабочих элементов инструмента (проволочек и лепестков), при определенном сохранении жесткости, они позволяют снимать поверхностный дефектный слой и сохранять сформировавшийся поперечный профиль. Это приводит к необходимости целенаправленной разработки инструмента с определенной упругостью его рабочих элементов.

Для устранения продольной волнистости с высокой производительностью целесообразно применить шлифование брусками с поперечной осцилляцией. Объединить все эти операции: иглофрезерование, шлифование брусками и лепестковыми кругами в единый технологический процесс текущего ремонта железнодорожных рельсов позволяет специальный рельсообрабытывающий комплекс.

На поворотных участках в результате большого силового и температурного воздействия на боковые поверхности головки рельса от реборды колеса происходит их быстрый износ (практически срезание), что приводит к необходимости быстрой их замены. Для избегания этого вредного явления эти воздействия сил и температур на боковые поверхности рельс на этих участках дорог целесообразно из эксплуатации перенести в технологический процесс с увеличением температурного и уменьшением силового воздействия. Это позволяет обеспечить термомеханическая и электромеханическая обработки.

Все это позволяет предложить совершенно новый технологический процесс ремонта железнодорожного полотна и создать рельсообрабатывающий комплекс нового поколения.

Резьбовые соединения имеют различное функциональное назначение. Кроме этого, различные участки резьбовых соединений по их длине будут испытывать различные нагрузки: начиная от максимальных (на первых витках) до нулевых (на последних витках). Поэтому технология изготовления резьбовых соединений требует своего совершенствования, которое может быть реализовано на ее взаимосвязи с их функциональным назначением (рис. 10.9).

Рассмотрим пример. При эксплуатации различных двигателей обнаружен процесс самоотвинчивания шпилек. Это происходит из-за уменьшения первоначального натяга в резьбовом соединении «шпилька - алюминиевый корпус» в результате пластических деформаций резьбы корпуса при действии динамических нагрузок. Избежать этого вредного явления можно, если обеспечить раскатывание резьбовых отверстий в корпусе или создание так называемых гладкорезьбовых соединений. Для раскатывания резьб необходима целенаправленная разработка инструмента. Сущность гладкорезьбового соединения заключается в вворачивании шпилек в гладкие отверстия. Как в первом, так и во втором случаях, в процессе формирования резьбы отверстия происходит пластическое насыщение материала, что предотвращает возможность ее пластических деформаций при эксплуатации.

При этом новый технологический процесс создания гладкорезьбовых соединений позволяет его осуществлять на станках с ЧПУ в автоматизированном режиме, так как отпадает надобность осуществлять ручное наживлеиие шпилек.

Концепция объединения технологий производства и эксплуатации позволяет некоторые процессы из производства переносить в эксплуатацию. Например, для повышения износостойкости пар трения - скольжения в условиях граничного трения зачастую на одну из поверхностей трения при изготовлении наносят мягкую пленку. Взамен этой операции можно при эксплуатации ввести глицерин и медный порошок. Это позволит на поверхности трения аналогичным образом, но уже при эксплуатации, сформировать мягкую антифрикционную пленку, обеспечивающую явление избирательного переноса.

Конструирование направляющих скольжения металлорежущих станков с бронзовыми вставками и введение в смазку глицерина позволяет повысить их износостойкость при эксплуатации в несколько раз.

Таким образом, научное развитие технологии машиностроения показывает, что она готова решать самые сложные задачи при производстве изделий машиностроения в XXI веке. Только за последние 50 лет наукой о технологии машиностроения разработано более 80 новых методов обработки, повышающих качество и снижающих себестоимость изготовления машиностроительных изделий.

Наукоемкими конкурентоспособными считаются такие технологии, которые базируются на последних достижениях науки; системном построении; моделировании; оптимизации себестоимости изготовления, эксплуатации и ремонта изделия; новых и комбинированных наукоемких методах обработки и техпроцессах; компьютерной технологической среде и комплексной автоматизации производства, что позволяет им быть конкурентоспособными.

Реализация таких технологий требует соответствующего технического оснащения (прецизионное высокоточное оборудование, технологи чес кал оснастка и инструмент для механической, физико-химической и комбинированной обработки, в том числе и по нанесению различных покрытий, автоматизированные системы диагностики и контроля, компьютерные сети) и кадрового обеспечения (высокая квалификация всех работников, научное консультирование и др.).

Как правило, наукоемкие технологии в машиностроении применяются для повышения функциональных свойств изделий и их конкурентоспособности.

Структурно это представлено на рис. 10.10.

Основным свойством наукоемких технологий являются результаты фундаментальных и прикладных исследований, на которых они базируются.

Системность предполагает диалектическую взаимосвязь, взаимодействие всех элементов технологической системы, всех основных процессов, явлений и составляющих. Системность особо важна как требование прецизионности и соответствие этим требованиям всех структурных элементов технологической системы обработки и сборки (оборудование, инструмент, обрабатываемый материал, оснастка, измерения, диагностика, работа исполнительных органов).

Рис. 10.10 Структура наукоёмких конкурентоспособных технологий

Важнейшим свойством наукоемких технологий, безусловно, является новый техпроцесс. Он доминирует во всей технологической системе и должен отвечать самым разнообразным требованиям, но, главное, быть потенциально способным обеспечить достижение нового уровня функциональных свойств изделия. Здесь богатыми возможностями обладают те устойчивые и надежные техпроцессы, в которых эффективно используются физические, химические, электрохимические и другие явления в сочетании со специальными свойствами инструмента, технологической среды, например, криогенное резание, диффузионное формообразование изделий и т.п.

Разработка новых техпроцессов имеет поэтапный характер:

1. На этапе маркетинга оценивается изделие как совокупность потребительских свойств, а затем определяется уровень тех потребительских свойств изделия, которые в состоянии обеспечить его конкурентоспособность,

2. Исходя из этого, определяются требования к качеству изделий, узлов, сборке в соответствии с уровнем функциональных, экологических и эстетических свойств и оптимальной их долговечности.

3. Выделение из требуемых геометрических, физико-химических параметров качества поверхностного слоя деталей тех, достижение которых требует нетрадиционных решений, как при изготовлении, так и эксплуатации.

4. Определение традиционных критериев для уровня характеристик нетрадиционного техпроцесса, потенциально способного обеспечить получение требуемых функциональных, эстетических и экологических свойств изделия.

5. Выявление предпосылок создания нового техпроцесса на базе использования традиционных и нетрадиционных способов обработки и технического оснащения.

6. Создание физической и математической модели техпроцесса и их виртуальное, теоретическое и экспериментальное исследование,

7. Многопараметрическая оптимизация техпроцесса (физические, технологические, экономические критерии).

8. Создание систем диагностики техпроцесса и его технического оснащения.

9. Разработка технологического процесса.

10. Оценка соответствия реального уровня функциональных, эстетических, экономических свойств изделия требуемому.

Несомненно, существенным признаком наукоемких технологий является комплексная автоматизация, базирующаяся на компьютерном управлении всеми процессами проектирования, изготовления и сборки, на физическом, геометрическом и математическом моделировании, всестороннем анализе моделей процесса или его составляющих.

Наличие рассматриваемого признака требует системного подхода к ее компьютерно-интеллектуальной среде, т.е. перехода к системам CAD/CAM System. Таким путем обеспечивается сочетание гибкости и автоматизации, прецизионности и производительности.

Системный подход предполагает использование не отдельных математических моделей, а системы взаимосвязанных моделей с непременной параметрической и структурной оптимизацией. Например, параметрическая оптимизация преследует цель минимизации ряда характеристик процесса размерной обработки, прежде всего энергетических затрат, минимизации толщины срезов, силы резания и уровня температуры, интенсивности окислительных процессов и т.д.