15.3. 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:

С_{оп i}=C_чi t_шт-кi

где C_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 C_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 C_чi на 1ч их работы;

б) определение трудоемкости обработки t_шт.к 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.

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 М (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-и стадии:

Q_I=P_I+0,5MT_I+0,1M_I

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-кi

Вычисление на ранних стадиях технологического проектирования значения t_шт-кi представляет определенную трудность. Учитывая, что на 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 Мд. На основе статистического анализа процессов обработки различных классов деталей установлены функциональные зависимости следующего вида:

t_шт-к=K_I M_Д^б Q^в

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

k_з.о=46,2*10³/(NM_Д^0,36Q^0,51)

Далее на основе рассчитанных значений k_з.о для конкретной детали определяется тип производства

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_o.p+t_o.m)+t_в+t_c.у+t_обс+T_п-з/N

где (t_o.p+t_o.m) - основное время обработки соответственно основных и вспомогательных поверхностей; t_в - вспомогательное время на выполнение операции; t_c.у - время снятия и установки заготовки; t_обс - время обслуживания станка и время отдыха; T_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_o=k_pk_mDL

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; k_m - коэффициент материала, учитывающий обрабатываемость данного материала в сравнении с обрабатываемостью стали

На основе статистического анализа норм времени различных технологических операций изготовления валов может быть получена следующая зависимость для определения времени обработки основных поверхностей детали:

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 Мзаг и детали Мд по формуле k_з=0,78М_заг/М_Д^0,67); k_тр1 - коэффициент трудоемкости обработки основных поверхностей, учитывающий вид структуры выполняемой операции; D_пр - приведенный диаметр основных поверхностей, определяемый по формуле):

Для определения штучно-калькуляционного времени t_шт-к 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.

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.

Лекция 16 (2 часа).