умк_кириенко_1

Станки с ЧПУ – разновидность технологического оборудования, снабженного микропроцессорным блоком, обеспечивающим автоматическое проведение режимов и последовательности обработки по определенной программе, а по мере необходимости – изменение режимов и последовательности обработки при изменении программы обработки в рамках технологических возможностей оборудования.

Исходная программа вводится в считывающее устройство станка, в котором исходные данные преобразуются в соответствующие командные импульсы, управляющие исполнительными механизмами оборудования. Как правило, станки с ЧПУ снабжаются соответствующими контрольноизмерительными приборами, позволяющими следить за процессом обработки и (в случае необходимости) его корректировать. Кроме того, современные станки с ЧПУ имеют соответствующие датчики, следящие за состоянием рабочих инструментов и исполнительных механизмов станка с целью обеспечения требуемого качества обработки (так называемая способность к самоконтролю).

Несмотря на достаточно высокую стоимость, станки с ЧПУ целесообразно применять для мелкосерийного и индивидуального производства. По сравнению с автоматическими линиями, работающими по одной программе, станки с ЧПУ универсальны, их переналадка, смена программы обработки занимают считанные минуты.

Автоматизированная система управления (АСУ) – совокупность экономико-математических методов, технических средств (средств связи, устройств отображения информации и т.д.) и организационных комплексов, обеспечивающих рациональное управление сложным объектом (процессом) в соответствии с поставленной целью.

Классическая АСУ состоит из основы и функциональной части. В основу входят: информационная база, техническая база, математическое обеспечение, экономико-математическая база. К функциональной части относят набор взаимосвязанных программ, автоматизирующих конкретные функции управления (оперативное планирование, финансово-бухгал- терская, маркетинговая деятельность и т.д.).

Основные типы автоматизированных систем управления:

−системы общезаводского управления, ориентированные на автоматизацию функций управления предприятием (АСУП);

−системы управления технологическими процессами (АСУТП), образующие совместно с современным комплексом основных и вспомогательных агрегатов и машин автоматизированные технологические комплексы (АТК).

Основная тенденция развития автоматизированных систем – объединение локальных АСУ с целью создания интегрированных систем, в которых сочетаются автоматизация решения экономических задач и задач ад-

241

министративного управления с автоматизацией управления технологическими процессами, проектирования изделий и технологии.

Повышение научно-технического уровня и эффективности АСУ создало предпосылки для разработки систем более высокого класса – мно-

гоуровневых интегрированных автоматизированных систем управле-

ния – ИАСУ.

ИАСУ включает в себя:

−АСУП (организационно-управленческая сторона производственной деятельности);

−АСУТП (технико-технологическая сторона производственной деятельности);

−САПР (конструкторско-технологическая сторона производственной деятельности).

Эти компоненты ИАСУ взаимосвязаны, образуют единый контур ор- ганизационно-экономического управления, управления технологическими процессами и процесса технической подготовки производства.

«Мозг» АСУ – это система быстродействующих ЭВМ. На ЭВМ возлагаются функции информирования, справочные, советующие, а также функции контроля за протеканием производственного процесса.

Система автоматизированного проектирования (САПР) пред-

ставляет собой комплекс технических средств, программного обеспечения

иработников, осуществляющих диалоговую связь с ЭВМ с целью создания (проектирования) новых объектов.

Внастоящее время в мире наиболее широкое применение получают следующие виды САПР:

−однопроцессорные системы, в которых центральный процессор обеспечивает обслуживание всех задач пользователей при едином банке данных;

−мультипроцессорные системы, в которых взаимодействие пользователей осуществляется через общую память и банк данных;

−распределенные системы, в которых наряду с центральным процессором (базовой ЭВМ) и общим банком данных используются периферийные процессоры.

Кроме базовых ЭВМ, САПР комплектуются большим количеством периферийных устройств: ввода, отображения и редактирования символьной и графической информации; устройствами, предназначенными для автоматической подготовки и вывода технической документации; автоматизированными контрольно-диагностическими системами (тестерами), управляемыми программами САПР.

Для ввода больших объемов графической информации широко используются графические планшеты и кодировщики, позволяющие переводить данные с рисунков и чертежей в цифровой форме в память ЭВМ.

242

Отображение и редактирование графической информации обычно выполняется с помощью графических дисплеев. Графический дисплей позволяет представлять информацию, вводимую в ЭВМ и выводимую из нее, в виде схем, рисунков, чертежей, графиков с множеством цветовых оттенков. Это улучшает восприятие, облегчает ввод сложной графической информации.

По назначению различают системы:

−автоматизированного проектированияконструкторскогоназначения;

−автоматизированного проектированиятехнологического назначения;

−комбинированные САПР.

К разрабатываемым и внедряемым САПР для машиностроительного производства предъявляются следующие основные требования:

−охват всего набора операций проектируемых технологических процессов;

−проектирование технологии обработки деталей различных классов (тела вращения, корпусные, штампованные и т.п.);

−проектирование операционных эскизов и операционных карт механической обработки с элементами нормирования;

−возможность работы в интерактивном режиме с применением дисплейного комплекса;

−взаимодействие САПР с АСУП и ГПС.

Современные САПР отличаются высокой производительностью, большим пакетом прикладных программ, способностью к объединению с другими системами, портативностью и унификацией. Новейшие системы строятся по модульному принципу. Это повышает гибкость их использования, улучшает адаптацию к новым задачам, облегчает поиск ошибок, делает возможным широкую стандартизацию элементов и дальнейшее расширение систем.

Основные преимущества использования САПР в производстве:

−ориентация на перспективные технологические процессы (например, лазерную технологию);

−обеспечение снижения затрат на проектирование;

−рост производительности труда проектировщиков;

−сокращение сроков технологической подготовки производства;

−повышение качества проектирования;

−сокращение численности персонала низкой квалификации. Наибольшего эффекта от применения систем автоматизированного

проектирования следует ожидать при комплексной автоматизации всех процессов создания документации на изделие, т.е. проектирования, конструирования и технологической подготовки производства.

243

12.7. Перспективы и обоснование применения прогрессивных технологий автоматизации

1.Комплексная автоматизация предполагает такую организацию производственных процессов, которая соответствует технологии производства, а также требованиям равномерного, непрерывного и интенсивного использования всей технологической системы без участия человека при стабильном качестве выпускаемой продукции. Комплексность автоматизации проявляется в том, что она охватывает не только рабочие, но и вспомогательные элементы технологического процесса.

2.Гибкое автоматизированное производство позволяет за короткое время при минимальных затратах, на том же оборудовании, не прерывая производственного процесса и не останавливая оборудования, по мере необходимости переходить на выпуск новой продукции произвольной номенклатуры.

3.Гибкая производственная система является высокоинтенсивной и трудосберегающей формой производства, она сравнима по производительности с автоматической линией, а по гибкости – с универсальным оборудованием. Как высший уровень автоматизации гибкое автоматизированное производство должно включать в себя полную автоматизацию проектирования и технологической подготовки производства.

4.Промышленные роботы эффективно включаются в автоматические линии, становятся частью гибких автоматизированных производств, способны быстро и без существенных затрат перестраиваться на производство изделий различных видов, приспосабливаться к изменяющимся условиям производства. Представляя собой новый вид рабочей машины, роботы могут эксплуатироваться изолированно или целыми комплексами, управляемыми ЭВМ.

5.Главное направление комплексной автоматизации производственных процессов – не замена человека при обслуживании известных машин

иаппаратов, а создание высокоинтенсивных технологических процессов и высокопроизводительных средств производства, работающих без участия человека.

6.Роторная технология обработки или производства изделий характеризуется высокой степенью концентрации технологических операций за счет многопозиционной и малоинструментальной обработки, совмещенной во времени, непрерывным транспортированием обрабатываемых объектов, совмещенным с их технологической обработкой.

244

7.Невысокая степень гибкости роторных и роторно-конвейерных линий, необходимость остановки для переналадки при переходе на выпуск новой продукции ставит определенные ограничения использования роторной технологии в серийном производстве.

8.Информационная технология создана для производства, передачи, отбора, трансформации и использования информации в виде звука, текста, графического изображения и цифровой информации. В основе данных систем используются компьютерные и телекоммуникационные технологии (базирующиеся на микроэлектронике), которые в свою очередь могут использоваться совместно с другими видами технологий для усиления конечного эффекта. Важнейшее значение использования информационной технологии состоит именно в том, что она открывает пути прогресса без дальнейшего наращивания материально-энергетического потребления.

9.Технологическими средствами реализации информационной технологии являются быстродействующие ЭВМ на микропроцессорной основе (информационная техника), соединенные между собой устойчивыми каналами связи (например, на оптоэлектронной основе), позволяющими эффективно обмениваться необходимой информацией. Инструментальными средствами информационной технологии является программное и математическое обеспечение.

10.Главным направлением развития информационной технологии на современном этапе является решение задачи автоматизации всего пути от формулировки проблемы пользователем до ее решения. Поэтому создание новой технологии обработки информации на ЭВМ становится одной из центральных проблем создания искусственного интеллекта.

11.Концепция электронной конторы подразумевает такое учреждение, где практически все конторские, управленческие операции, включая сбор информации, ее анализ, подготовку управленческих решений и распоряжений, осуществляются с помощью электронной техники, на базе децентрализованной сети рабочих мест.

12.В основе системы, реализующей технологию виртуальной реальности, лежит компьютерная динамичная трехмерная модель какоголибо объекта реального мира. Принципиальным отличием компьютерных программ, создающих виртуальный мир, от традиционных систем компьютерной графики, передающих только зрительную информацию, является одновременное воздействие на несколько органов чувств: зрения, слуха, осязания.

245

ЛЕКЦИЯ 13. ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА НОВЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

13.1.Основы прогрессивных технологий

1.Большое значение замены металлов и других традиционных конструкционных материалов на композиты состоит в том, что вместо ограниченного числа материалов с постоянными и практически неизменными свойствами появляется возможность применять большее число новых материалов с заранее заданными свойствами, определяемыми сферой использования изделия.

2.Технология порошковой металлургии позволяет решать две задачи:

−изготовление материалов и изделий с обычными составами, структурой и свойствами, но при значительно более выгодных экономических показателях их производства;

−изготовление материалов и изделий с особыми свойствами, составом, структурой, которые недостижимы для других способов производства.

3. Электрические методы обработки осуществляются с помощью электрической энергии, вводимой либо непосредственно в зону обработки, либо при предварительном специальном преобразовании ее вне рабочей зоны в световую, акустическую, магнитную и другие виды энергии.

4. По характеру воздействия электрического тока на предмет обработки все электрические методы обработки условно подразделяют на две большие группы:

−электрофизические (ЭФ) методы, основанные на тепловом или механическом действии электрической энергии;

−электрохимические (ЭХ) методы, основанные на химическом действии электрического тока.

5. Электроэрозионная обработка основана на эффекте расплавления и испарения микропорций материала под тепловым воздействием импульсов электрической энергии, которая выделяется в канале электроискрового заряда между поверхностью обрабатываемой детали и электродом-инструмен- том, погруженным в жидкую непроводящую среду. Электроэрозионный способ позволяет обрабатывать токопроводящие материалы любой механической прочности, вязкости, хрупкости, получать детали сложной формы и осуществлять операции, невыполнимые другими методами.

6. В промышленности электролиз применяется в основном для анодного растворения металлов или их катодного осаждения из растворов и расплавов.

7. Уникальные свойства лазерного излучения – строгая одноцветность лучей огромной мощности (монохроматичность), согласованность

246

колебаний электромагнитных волн (высокая когерентность), острая направленность светового излучения – обеспечили широкое внедрение лазеров в различных отраслях деятельности: в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, научно-исследовательской практике.

8.В настоящее время разработаны следующие технологические процессы с использованием мощных лазеров: лазерная поверхностная термообработка; лазерная сварка; лазерная размерная обработка; измерительная лазерная технология; лазерная интенсификация химических реакций.

9.Технологическое использование ультразвуковых колебаний осуществляется по следующим направлениям: силовое воздействие на материал; интенсификация технологических процессов; ультразвуковые методы контроля.

10.Плазменная технология основана на обработке сырья и полупродуктов концентрированными потоками энергии – плазмой, ионизированным газом, находящимся при температуре 8000 – 10000 °С.

11.Мембранная технология представляет собой процесс разделения веществ через полупроницаемую перегородку, отличающийся высокой энерго- и ресурсоэкономичностью, простотой аппаратурного оформления, экологической чистотой. По механизму мембранного действия различают диффузионные, адсорбционные и ионообменные мембраны.

12.Целью радиационно-химической технологии является разработка методов и устройств для наиболее экономичного осуществления с помощью ядерного излучения физических, химических и биологических процессов, позволяющих получать новые материалы или придавать им улучшенные свойства, а также для решения экологических проблем.

13.2. Основы технологии производства композиционных материалов

Композиционные материалы (КМ), или композиты, – это искусст-

венно созданные материалы, состоящие из двух или более разнородных и нерастворимых друг в друге компонентов (фаз), соединяемых между собой физико-химическими связями.

Большое значение замены металлов и других традиционных конструкционных материалов на композиты заключается в том, что вместо ограниченного числа материалов с постоянными и практически равными во всех направлениях свойствами появляется возможность применять большее число новых материалов со свойствами, различающимися в разных направлениях (анизотропия свойств КМ). Само создание изделий из КМ является примером единства конструкции и технологии, поскольку материал, спроектированный конструктором, образуется одновременно с изделием при его изготовлении, и свойства КМ в значительной мере зависят от параметров технологического процесса.

247

Вобщем случае в композиционных материалах четко выражены различия в свойствах компонентов. Одним из этих компонентов является арматура, или наполнитель, а вторым – связывающая их матрица.

Матрица в КМ выполняет функцию среды, в которой распределен наполнитель. Последний в КМ воспринимает основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, придавая ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Работоспособность композита обеспечивается как правильным выбором и сочетанием матрицы и наполнителя, так и рациональной технологией их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между ними.

Вкачестве матрицы в КМ используют эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные и другие смолы, алюминий, магний, титан, никель, жаропрочные сплавы, керамику, углерод различной модификации.

КМ получают общее название по типу материала матрицы.

КМ с полимерной матрицей называют полимерными (ПКМ), с металлической – металлическими (МКМ), с углеродной – углеродными (УКМ) и т.д.

Формирование деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) может осуществляться методами, как присущими формированию изделий из полимеров (литье под давлением, экструзия, прессование и др.), так и специальными (намотка и др.), присущими только данному классу материалов.

Намоткой называют процесс формирования, при котором заготовки получают укладкой по заданным траекториям формирующего наполнителя (нитей, лент, тканей), обычно пропитанного полимерным связующим, на вращающиеся технологические оправки. Оправки имеют конфигурацию и размеры, соответствующие внутренним размерам изготавливаемой детали. Формирование завершается отвердением. Намоткой изготавливают конструкции, имеющие форму тел вращения или близкую к ней: трубы, баки, емкости, короба, стержни и т.п.

Вметаллических композиционных материалах (МКМ) матрицей являются металлы и их сплавы, а арматурой – металлические и неметаллические волокна.

Технологическую схему производства изделий из МКМ можно представить следующим образом:

1)очистка поверхности волокон и матрицы;

2)объединение волокон матрицы;

3)получение МКМ методами пластической деформации, порошковой металлургии, литья либо комбинацией этих методов.

Наиболее производительный способ производства листовых, ленточных МКМ – прокатка.

Жидкофазный метод предусматривает получение МКМ совмещением армирующих волокон с расплавленной матрицей.

248

Изготовление МКМ методами осаждения-нанесения состоит в нанесении на волокна различными способами (газофазными, химическими, электролитическим, плазменным) матричного материала и заполнение им межволоконного пространства.

Наиболее широкое применение получили методы газотермического (обычно – плазменного) напыления и электролитического осаждения.

При плазменном нанесении покрытий материал матрицы в виде порошка или проволоки подводится к плазменной струе, расплавляется и, подхваченный потоком плазмообразующего газа (например, аргона), направляется к поверхности изделия. Двигаясь с большой скоростью (150 м/с), частицы материала при ударе о поверхность подложки (металлическая фольга) прочно соединяются с уложенными на ней определенным образом волокнами. Полученный МКМ требует дальнейшей обработки давлением.

Керамические композиционные материалы (ККМ) – это материа-

лы, в которых матрица состоит из керамики, а арматура – из металлических или неметаллических наполнителей.

Керамические материалы характеризуются высокими температурами плавления, высокой стойкостью к окислению. Армируя их металлическими углеродными или керамическими волокнами, достигают значительного улучшения физико-механических свойств материала. Для получения ККМ используют преимущественно методы порошковой металлургии, гидростатическое и горячее прессование, шликерное, вакуумное литье и другие методы.

ККМ с металлическими волокнами. Обычно это волокна вольфра-

ма, молибдена, стали, ниобия. Основная цель такого армирования – образование пластической сетки, которая способна обеспечить целостность керамики после ее растрескивания и уменьшить вероятность преждевременного разрушения. Такие ККМ изготавливают горячим прессованием. Широкое применение металлических волокон ограничивается их низкой стойкостью к окислению при высоких температурах.

ККМ с углеродными волокнами. Взаимодействие углерода с оксидами, карбидами, силицидами происходит при более высоких температурах, чем с металлами. Поэтому использование таких ККМ в качестве высокотемпературных является перспективным. Из углекерамических КМ наиболее широко исследованы композиты со стеклянной матрицей.

Материалы типа «керамика – керамика» имеют большую перспективу, так как у них малое различие модуля упругости матрицы и наполнителя, коэффициентов термического расширения. Они имеют химическую стойкость, возможность работы при температуре до 2000 °С.

249

Углерод-углеродные КМ(УУКМ) представляют собой углеродистуюили графитовуюматрицу, армированнуюуглероднымилиграфитовымволокном.

Основные достоинства УУКМ: высокая теплоемкость, малая плотность, стойкость к тепловому удару и облучению, высокие характеристики прочности и жесткости при обычной и повышенной температуре, низкий коэффициент термического расширения.

Типовым материалом для матриц служат смолы (фенольные, эпоксидные и др.), каменноугольный пек – продукт крекинга угля.

Для получения УУКМ используются три способа:

1)пропитка смолой волокнистого каркаса и карбонизация;

2)осаждение углерода из газовой фазы между волокнами каркаса;

3)сочетание пропитки и карбонизации с осаждением углерода из газовой фазы.

Область применения ПКМ Стеклопластики – самые дешевые из всех ПКМ, поэтому их приме-

нение оправдано в серийном и массовом производстве. В судостроении это – корпуса лодок, катеров, речных и морских судов; в строительстве и химической промышленности – строительные панели, воздуховоды, реакционные аппараты, различные емкости, химически стойкие и прочные трубы, корпуса насосов, вентиляторов и т.д.; на автомобильном и железнодорожном транспорте – кабины грузовиков, баки для горючего, цистерны для перевозки жидких и сыпучих грузов, приборные панели и многое другое.

Органопластики имеют низкую плотность, высокую прочность, жесткость, влагостойкость, химическую стойкость. Диэлектрические и теплофизические свойства определили их применение в качестве материалов электро- и коррозийностойкого, фрикционного назначения, а также в производстве спортинвентаря.

Углепластики применяют в автомобильной промышленности, авиационной технике, химической промышленности, производстве спортинвентаря. Биологическая совместимость углеродного волокна с тканями позволяет использовать углепластики для протезирования, в медицинских приборах.

Боропластики применяют из-за их высокой стойкости, прочности и жесткости в основном в авиационной и ракетно-космической технике.

МКМ используют в таких областях, где они должны находиться в агрессивных средах, при статических, циклических, ударных, вибрационных нагрузках. Наиболее эффективно применение МКМ в таких конструкциях, особые условия эксплуатации которых не допускают применения традиционных материалов.

Следует отметить, что области применения композитов практически неограниченны, и в ближайшие годы надо ждать их широчайшего внедрения.

250