В.А. Полетаев Перспектива развития методов формообразования в машиностроении

20

1)абсолютная производительность, характеризуемая средней мощностью, которая целесообразно используется на формообразование

идругие неотъемлемые операции рабочего цикла;

2)производительность резания, определяемая средним весовым или объемным количеством металла, снимаемого в единицу времени рабочего цикла;

3)производительность формообразования, характеризуемая средней величиной площади поверхности, обрабатываемой на станке в единицу времени;

4)штучная производительность, определяемая количеством изделий, производимых на станке в единицу времени.

Первый показатель производительности из этого набора отвечает требованию общности - он основан на предположении, что одинаковые физические методы достижения заданного эффекта требуют в среднем одинаковых затрат энергии на единицу этого эффекта, хотя в каждом конкретном случае возможны отклонения от этой средней величины. Мощность в качестве основного показателя производительности используют во многих (если не в большинстве) областях техники. Показатель абсолютной производительности отражает величину энергетических потоков и совершенно необходим для характеристики любой машины, но все же он не является исчерпывающей характеристикой фор-

мообразующего оборудования.

Второй показатель - производительность резания - функционально

связан с первым показателем через удельную энергию металлосъема, Дж/см3.

Третий из принятых В. И. Дикушиным показателей - "производительность формообразования" - носит название, наиболее соответствующее основной функции станка. Однако содержание этого показателя не отвечает названию - площадь поверхности изделия есть интегральная характеристика, в которой растворяется все бесконечное многообразие форм изделий. Такой показатель пригоден лишь для сравнения производительности оборудования, предназначенного для изготовления деталей одинаковой формы, из одинаковых заготовок.

Содержанию понятия "производительность" в полной мере отвечает только показатель штучной производительности, поскольку он построен непосредственно на результате работы станка, на основном эффекте. Однако этот чисто феноменологический показатель не обладает общностью, зависит от выбора детали и позволяет лишь сравнивать

21

время обработки одинаковых деталей на разных станках, т.е. является относительным.

Отсутствие такого показателя производительности формообразующего оборудования, который бы полностью отвечал содержанию понятия "производительность" и обладал бы необходимой общностью, был бы абсолютным, обусловлено объективными причинами.

Во-первых, станок с ручным управлением (а такие станки в настоящее время преобладают) сам по себе не способен выполнять свои функции. В этом случае обрабатывающая система состоит из станка и оператора, осуществляющего управление, и понятие "производительность оборудования", не учитывающее возможностей оператора, не может полностью охарактеризовать темп получения результата.

Во-вторых, понятие "производительность станка" принципиально не является детерминированным и не может быть однозначно определено с помощью одного показателя. В общем случае станок - универсальная машина, предназначенная для изготовления целого спектра изделий различной сложности, каждое из которых требует своего набора свойств станка и своей последовательности применения этого набора свойств во времени. Перечисленные переменные образуют бесконечное число сочетаний, поэтому имеет смысл говорить лишь о статистической оценке производительности.

Но в то же время формообразующее оборудование является самостоятельным объектом, со своим фиксированным набором свойств, не зависящим от того, как именно его используют в каждом конкретном случае. Для такого объекта может быть найдена условная оценка одного из основных потребительных показателей - производительности, както объединяющая в себе набор свойств оборудования.

Например, американский профессор Л.Хакамак (Университет Северного Иллинойса) [10] предлагает в качестве характеристики станка набор из примерно десяти свойств, характеризующих его конструкцию, а в качестве комплексной оценки производительности рекомендует суммировать эти свойства с весовыми коэффициентами, выбранными экспертными методами. Дальнейшее развитие этот принцип получил в методике определения технического уровня станков, разработанной Б.Л.Богуславским [11]. Предложенный им показатель технического уровня представляет собой сумму "основной части", имеющей десять степеней градации в зависимости от уровня автоматизации станка (установлены экспертным путем), и "дополнительной части", которая мо-

22

жет быть получена сложением до 58 отдельных составляющих, отражающих конструктивное совершенство станка. Численные значения этих составляющих установлены также экспертно. Субъективное (экспертное) задание параметров и весовых коэффициентов является основным недостатком обеих методик.

Способы оценки производительности, основанные на сравнении результатов работы станка (штучная производительность по В.И. Дикушину), разработал ЭНИМС [12]. Для того чтобы перенести метод сравнения штучной производительности на универсальные станки, по методике ЭНИМСа требуется определить состав и распределение обрабатываемых на станке деталей, а затем вычислить средневзвешенную по ансамблю изготавливаемых на данном станке деталей штучную производительность.

Основной недостаток такого подхода заключается в том, что он не позволяет сравнивать станки, предназначенные для обработки деталей различных классов. Кроме того, сама процедура проведения статистической оценки по данной методике весьма трудоемка (более подробно об этом будет сказано ниже).

Впоисках показателя производительности формообразующего оборудования приходится сталкиваться еще с одним очень серьезным препятствием. Изделия, получаемые на станке, отличаются не только самой формой, но и точностью реализации заданной формы. Можно, конечно, сравнивать производительность при заданном уровне точности, но такой прием чрезвычайно сузит сферу применения показателя производительности, лишит его необходимой общности.

Вметодах, идущих "от конструкции" станка, оценка точности легко вводится, например, коэффициентом, связанным с классом точности станка, но выбор этого коэффициента может быть только экспертным. Да и само понятие "класса точности" не имеет однородного определения для всех типов станков.

Итак, показатели производительности, основанные на рассмотрении конструктивных особенностей станка, неполны и субъективны, а известные показатели, базирующиеся на результатах работы станка, хотя и объективны, не обладают общностью, и получение их весьма трудоемко.

Недостатки методик типа разработанной ЭНИМСом объясняются принятым в них феноменологическим подходом к проблеме. Объект производства - совокупность деталей - рассматривается в этих методи-

23

ках как "черный ящик". Далее система декомпонуется на совокупность отдельных объектов - деталей, каждый из которых опять-таки рассматривается как "черный ящик", изучение которого основано лишь на анализе входных и выходных сигналов (определяется время обработки деталей на станке - феноменологический параметр).

Затем проводится агрегирование полученных результатов в две ступени: сначала определяется ряд деталей-представителей по геометрическим признакам, потом время их обработки суммируется с весовыми коэффициентами, отражающими удельный вес данной деталипредставителя в общем объеме выпуска деталей.

Подобная методика включает две весьма трудоемкие и в то же время мало надежные процедуры декомпозиции и агрегирования исследуемой системы, но в основе ее лежит верный принцип - суждение по результатам.

На наш взгляд, устранить недостатки (не утрачивая достоинств) данной методики удастся, если вместо феноменологического подхода, вместо рассмотрения объекта как "черного ящика" попытаться осмыслить его сущность, внутреннее устройство.

Согласно принятой в работе [4] позиции, суть процесса формообразования - в переносе информации об изделии на заготовку, в результате чего получается готовая деталь.

Если бы удалось найти оценку перенесенной на заготовку геометрической информации, то это было бы количественной мерой важнейшей, на наш взгляд, составляющей потребительного эффекта, получаемого от станка.

Отношение количества перенесенной в процессе обработки информации к фактическому времени переноса явилось бы информационной оценкой производительности станка (а точнее - обрабатывающей системы) при осуществлении данной конкретной операции.

Для определения обобщенного показателя информационной производительности станка данной модели (данной обрабатывающей системы) достаточно рассмотреть выборку случайных деталей, не исследуя характер распределения, как это требуется по методике ЭНИМСа. При этом трудоемкость процедуры сокращается тем в большей степени, чем шире спектр обрабатываемых данной системой деталей. Этот эффект особенно проявится при определении производительности многофункциональных станков типа "обрабатывающий центр".

24

Всочетании с показателем энергетической производительности ("абсолютной производительности" по В.И.Дикушину) показатель информационной производительности даст исчерпывающую характеристику темпа достижения результата работы формообразующей системы.

Для внедрения такого способа исчисления производительности необходимо разработать методы наиболее точной оценки содержащейся в детали геометрической информации.

Вобщем случае информацию можно охарактеризовать содержанием, способом задания и количеством [13]. В нашем случае содержание информации всегда однородно - это заданная информация о геометрических параметрах изделия. То же можно сказать и о способах задания информации - в изделии она содержится в аналоговой форме. Остается выбрать меру количества информации.

К первой попытке дать количественную меру переносимой на изделие при формообразовании информации можно отнести работу В.Зусмана и И.Вульфсона [14]. Выполняемые на станке с программным управлением операции формообразования они разделили по "степени сложности" на три группы, отличающиеся "порядком чисел сигналов, необходимых для ввода в станок (объемом необходимой информации)". Эта мера близка к определению количества информации, данному академиком А.Н.Колмогоровым, по которому количество информации определяется как минимальная длина (сложность) программы достижения поставленной цели [15]. Недостатком подобного подхода является зависимость его от процесса достижения результата, т.е. эта мера не является абсолютной.

Для того, чтобы получить абсолютную меру, необходимо рассматривать только результат процесса формообразования, т.е. готовую деталь.

Мерой заключенной в детали информации может служить число поверхностей детали, использованное академиком Н.Г.Бруевичем и Б.Е.Челищевым в работе [16].

Однако эта простейшая мера не учитывает ни размеров поверхности, ни ее вида, ни требований к точности. Развитие в Ленинградском политехническом институте (работы А.А.Денисова и М.Г.Коровина [17, 18] уже упомянутых идей французского физика Бриллюэна дало возможность количественно учесть точность изготовления детали.

25

Объединение упомянутых подходов, дополненных количественными оценками таких, например, характеристик, как связность, выпуклость и вогнутость, позволит подойти к оценке количества геометрической информации, содержащейся в детали.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАИБОЛЕЕ АКТУАЛЬНОГО НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

Наиболее общие характеристики, определяющие место и перспективы развития любой технологии, - это, с одной стороны, потребность общества в результатах ее применения, а с другой стороны, затраты основных ресурсов - труда, материалов и энергии - для достижения этих результатов. Для технологии формообразования принципиально необратимыми являются затраты живого труда и энергии. Поскольку материалы, затраченные на формообразование, могут регенерироваться, то проблема материалоемкости выпадает из этого общего ряда и будет рассмотрена особо.

В масштабах народного хозяйства в целом относительную значимость трудоили энергосберегающего направлений развития технологии формообразования можно оценить по соотношению потребляемых ею трудовых и энергетических ресурсов, выраженных в виде долей от полного трудо- и энергопотребления в стране.

Оценим долю энергии, потребляемую металлообработкой (формообразованием изделий из металла) во всем энергопотреблении страны. Предполагая, что структуры энергопотребления в промышленно развитых странах не слишком различаются, воспользуемся данными по США.

Согласно [19], в 1987 г. металлообрабатывающая промышленность США израсходовала 1,84 % всей потребляемой в стране энергии (доля потребления всей промышленности составила 37 %). Представление о структуре энергопотребления внутри металлообрабатывающей промышленности могут дать взятые из того же источника сведения по крупнейшему концерну "Дженерал Моторс".

Суммируя затраты энергии на литье, обработку давлением и механообработку, получим, что на формообразование затрачивается от 20 до 30 % всей потребляемой компанией энергии (большая цифра включает в себя затраты энергии на термообработку, которые не отделены от затрат энергии на нагрев деталей перед горячей штамповкой). Отметим,

26

что от всей энергии, затрачиваемой в концерне на операции формообразования, механообработка потребляет всего 10-15 %.

Структура потребления энергии в концерне "Дженерал Моторс"

Обогрев, вентиляция, кондиционирование воздуха, %............................	28
Литье изделий из металла, %......................................................................	17
Нагрев жидкостей (промывочные аппараты, установки для
нанесения покрытий и т. д.), %...................................................................	10
Высокотемпературные нагреватели, печи (для термообработки и
горячей штамповки), %.................................................................................	8
Низкотемпературные печи (для сушки, пайки и т. п.), %..........................	8
Окраска, %......................................................................................................	5
Парогенераторы (с учетом потерь), %.........................................................	5
Освещение, %.................................................................................................	4
Сеть сжатого воздуха, %...............................................................................	3
Механическая обработка металлов, %.........................................................	3
Сборка и транспортировка материалов (механизированный
инструмент, сборочное оборудование, транспортер, конвейер
и т.п., %........................................................................................................	1,5
Формообразование изделий из неметаллических материалов
(литье, штамповка, литье под давлением)................................................	1,5
Обработка металлов давлением (штамповка, правка, гибка
и т.п.), %..........................................................................................................	1
Разное (контроль и испытания, обработка данных, удаление
отходов, пайка, сварка и пр.), %...................................................................	5
Всего.......................................................................................................	100 %

"Дженерал Моторс" - одна из крупнейших промышленных корпораций США. Полагаем в связи с этим, что структура энергопотребления внутри этой корпорации может считаться достаточно представительной для оценки структуры энергопотребления во всем машиностроении США. Найдем оценку доли энергии, затрачиваемой во всей стране на формообразование изделий из металла. Учитывая, что металлообрабатывающая промышленность потребляет 1,84 % всей энергии в стране, получим, что на формообразование затрачивается 0,37-0,55 % от полного энергопотребления.

27

"Дженерал Моторс" выпускает продукцию в массовом и крупносерийном масштабе, и доля механообработки в процессах формообразования здесь ниже, чем по всей промышленности в среднем. Поэтому можно утверждать, что механообработка потребляет не менее 15 % всей энергии, затрачиваемой на формообразование по стране в целом. Более детальное рассмотрение пропорций поднимает эту оценку до 30 %, т.е. на механообработку затрачивается примерно одна треть всей энергии, используемой в стране на формообразование, что составляет примерно 0,15 % от полного энергопотребления в стране.

Оценим теперь долю трудовых ресурсов, потребляемых технологией формообразования, также взяв за основу данные по США. В этой стране в машиностроении и металлообработке занято примерно 8 % всех работающих. Принимая, что трудоемкость операций формообразования составляет примерно половину всей трудоемкости изготовления изделий [26] получим, что на этих операциях занято порядка 4 % всех работающих в США. Таким образом, можно принять, что в промышленноразвитых странах технология формообразования изделий из металла потребляет порядка 4 % всех трудовых ресурсов.

Для оценки доли потребления технологией формообразования ресурсов материалов воспользуемся данными из работы [5].

Согласно этим данным, в 1977 г. в СССР выплавлено 146,7 млн т стали, из которой получено около 100 млн т готового проката; кроме того, выпущено 16,8 млн т чугунного литья.

За это время в машиностроении и металлообработке переведено в обратимые отходы 20,2 млн т черного металла, что составляет 17% от суммарной массы готового проката и чугунного литья. В стружку при этом перешло 9 млн т, т.е. 7,7 % всего металла.

Данные по необратимым отходам в работе приведены целиком для всего технологического звена потребления металла народным хозяйством: металлургии, литейного производства, машиностроения и металлообработки, поэтому оценка их достаточно приближенная. В среднем по всему технологическому звену необратимые отходы составляют 3,7 % от обратимых.

Приняв эту норму для машиностроения и металлообработки, получим, что отрасль переводит в необратимые отходы 0,75 млн т или 0,63 % всего годового ресурса (116,8 млн т) черного металла.

28

Вышеприведенная оценка касалась технологии формообразования как метода получения изделий заданной формы в машиностроении и металлообработке.

Для реализации этого метода требуются орудия формообразования. В той же работе приводится оценка количества металла, необходимого для ежегодного пополнения парка орудий формообразования в машиностроении и металлообработке, - около 1 млн т.

Таким образом, оказывается, что на пополнение парка орудий формообразования затрачивается ежегодно больше металла, чем необратимо теряется при обработке с помощью этих орудий основного потока материалов.

В связи с этим направление снижения металлоемкости формообразующих машин - станков, КПО и других - оказывается по крайней мере не менее актуальным, чем хорошо всеми сознаваемое, очевидное направление снижения отходов металла при формообразовании.

Ниже сопоставлены полученные автором относительные оценки потребления технологией формообразования основных ресурсов промышленно развитых стран.

Трудовые ресурсы, %....................................................................................	4
Энергия, %...................................................................................................	0,4
в том числе механообработка ..............................................................	0,15
Материалы (черные металлы), %:
необратимые отходы ............................................................................	0,63
на пополнение парка формообразующего оборудования ................	0,85

Как видно из приведенных данных, в масштабах народного хозяйства первое место занимает в настоящее время трудоемкость технологии формообразования. Поэтому основным направлением ее развития следует признать трудосберегающее. Безусловно, перспективным направлением будет такое, которое позволит снизить трудоемкость технологии формообразования без увеличения ее энергоили материалоемкости.

29

6. РАЦИОНАЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ НИОКР

В предыдущем разделе было показано, что наиболее актуально развитие технологии формообразования в машиностроении и металлообработке в трудосберегающем направлении. Ранее были выявлены зависимости, связывающие трудоемкость каждого из двух основных этапов процесса формообразования со степенью его управляемости (трудоемкость подготовительного этапа снижается с ростом степени управляемости, трудоемкость собственно формообразования повышается с ростом степени управляемости).

Учитывая главенствующее значение критерия трудоемкости и наличие двух взаимно противоположных зависимостей, связывающих трудоемкость со степенью управляемости, можно предположить, что самые разнообразные процедуры оптимизации процессов формообразования любых конкретных изделий имеют одно общее содержание. Оно сводится к тому, что подбирается степень управляемости процесса, обеспечивающая минимум суммарных затрат труда на обоих этапах - подготовительном и собственно формообразования.

Воспользуемся этой общей закономерностью для определения оптимального типа оборудования в зависимости от заданной серийности изготовления изделия.

Для этого построим функцию полной трудоемкости изготовления изделия заданной формы от серийности изготовления, как для управляемого, так и для неуправляемого оборудования.

Трудоемкость подготовительного этапа не зависит от серийности, а только от типа выбранного оборудования - для управляемого она меньше. Соответствующие величины отложены по оси ординат графика на рис. 4. Трудоемкость этапа собственно формообразования каждого отдельного изделия управляемыми методами выше, чем неуправляемыми, поэтому наклон прямой (которой заменена фактически ступенчатая функция) для управляемых методов больше.

Начиная с некоторого значения серийности, неуправляемые методы обеспечивают меньшую суммарную трудоемкость изготовления заданной серии изделий.