НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 658.512

КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана

m1@bmstu-kaluga.ru

Как показывают исследования [1], при традиционной организации машиностроительного производства предметы труда находятся в цехах только 1 % всего времени от задания на проектирование до выхода готовой продукции, при этом на технологическом оборудовании – всего 5 % времени от нахождения деталей в цехах, остальное время приходится на дополнительные операции и перерывы, в том числе пролеживание.

Сборочные операции являются составной частью подавляющего числа технологических процессов изготовления изделий в машиностроении. Примерно 35…40 % соединений деталей осуществляется по гладким цилиндрическим поверхностям, примерно треть из них – продольно-прессовые соединения, образованные запрессовкой различного вида втулок [2]. Наиболее распространенными представителями сборочных единиц с запрессованными втулками являются корпуса, кондукторы, рычаги и шатуны.

Возникающие при запрессовке деформации тем или иным образом изменяют форму и размеры исполнительных поверхностей соединенных деталей, в ряде случаев значительно по сравнению с изначальными значениями. Для обеспечения требуемой точности осуществляется механической обработка деталей в сборе с целью устранения негативного влияния сборочной взаимосвязи, а также технологических погрешностей. Технология производства таких изделий включает обработку базовых и сопрягаемых поверхностей деталей на металлорежущих станках, соединение деталей на прессах или другом сборочном оборудовании, обработку деталей в сборе на металлорежущих станках.

При исследовании механосборочных производств большое внимание уделяется оценке простоев и нахождению условий повышения эффективности использования основного оборудования [3]. Время, связанное с перемещением деталей на сборку и возвратное перемещение сборочных единиц на станок для обработки в сборе, является непроизводительно затраченным и может достигать нескольких часов. Устранить указанные недостатки традиционной технологии можно посредством концентрации процессов сборки и обработки в единой технологической системе. При этом необходимо решить следующие задачи:

- выявить и проанализировать организационно-технологические факторы, оказывающие влияние на длительность производственного цикла изготовления изделий на основе концентрации сборочных и обрабатывающих процессов:

- установить область наиболее эффективного применения метода концентрации процессов.

Рассмотрим длительность производственного цикла, реализуемого на участке  при последовательном выполнении операций обработки – сборки – доработки изделия (рис. 1), без учета междусменных перерывов.

Рис. 1. Последовательное выполнение операций обработки – сборки – доработки

Участок a-b

Затраты времени, связанные с обработкой на станке под запрессовку:

,

где  – время выполнения рабочих ходов (токарная обработка), мин: , где  и  – диаметр и длина обрабатываемой поверхности соответственно, мм,  – скорость резания, м/мин,  – величина подачи на рабочих ходах, мм/об,  – количество рабочих ходов, назначенных исходя из погрешности относительного положения обрабатываемых поверхностей и погрешности установки заготовки в рабочей зоне станка;

 – время выполнения холостых ходов (токарная обработка): , где  – длина однократного холостого хода инструмента, мм,  - величина подачи на холостых ходах, мм/мин,  – количество рабочих ходов. Можно считать, что  и .

 – время выполнения вспомогательных переходов, мм, затрачиваемое на установку заготовки, снятие готовой детали, управление механизмами станка и т.п.

Затраты времени, связанные с формированием транспортной партии и транспортированием от станка к прессу:

,

где  - перерывы партионности (пролеживание деталей у станка после обработки в ожидании завершения обработки всех обрабатываемых на станке деталей): , где  – величина транспортной партии;

 – время перемещения транспортной партии от станка к прессу и подготовка к запрессовке.

Участок b-c

Затраты времени, связанные со сборкой на прессе:

,

где  – время выполнения однократного рабочего хода (запрессовка), мин: , где  – длина сопрягаемых поверхностей, мм,  - скорость выполнения сопряжения, м/мин;

 – время отвода пуансона: , где  – скорость отвода пуансона, мм/мин;

 – время выполнения вспомогательных переходов, мин, затрачиваемое на установку соединяемых компонентов, снятие узла, управление механизмами пресса и т.п.

Затраты времени, связанные с формированием транспортной партии и транспортированием от пресса к станку:

,

где  – перерывы партионности (пролеживание деталей у пресса после сборки в ожидании завершения сборки всех узлов): ;

 – время перемещения транспортной партии от пресса к станку и подготовка к обработке.

Участок c-d

Затраты времени, связанные с доработкой на станке:

,

где  – время выполнения рабочих ходов (токарная обработка), мин: , где  – количество рабочих (холостых) ходов, назначенных исходя из погрешности сборки и погрешности установки обрабатываемого узла в рабочей зоне станка: , где  – погрешность, подлежащая удалению обработкой деталей в сборе, мм, состоящая из  – погрешности, возникающей в результате выполнения сборочной операции и  – погрешности установки сборочной единицы для обработки деталей в сборе,  – эффективная глубина резания при обработке деталей в сборе, мм;

 – время выполнения холостых ходов (токарная обработка): , мин;

 – время выполнения вспомогательных переходов, затрачиваемое на установку и снятие узла, управление механизмами станка и т.п., мин.

Затраты времени, связанные с формированием транспортной партии и транспортированием от станка на контроль:

,

где  – перерывы партионности (пролеживание узла у станка после обработки в ожидании завершения обработки всех обрабатываемых на станке): , где  – величина транспортной партии;

 – время перемещения транспортной партии от станка на контроль, мин.

Длительность производственного цикла, реализуемого последовательно на участке  без учета междусменных перерывов:

.

Рассмотрим длительность производственного цикла, реализуемого на участке  при концентрации обрабатывающих и сборочных процессов (рис. 2), без учета междусменных перерывов.

Рис. 2. Процесс на основе концентрации обрабатывающего и сборочного процессов

Затраты времени, связанные с обработкой на станке под запрессовку соизмеримы с затратами .

Затраты времени, связанные со сборкой на станке соизмеримы с затратами .

Затраты времени, связанные с доработкой на станке:

,

где  – время выполнения рабочих ходов (токарная обработка), мин: , где  – количество рабочих (холостых) ходов, назначенных исходя из погрешности сборки: , где  – погрешность, подлежащая удалению обработкой деталей в сборе, мм,  – эффективная глубина резания при обработке деталей в сборе, мм;

 – время выполнения холостых ходов (токарная обработка): , мин;

 – время выполнения вспомогательных переходов, затрачиваемое на установку и снятие узла, подготовку станка и т.п., мин.

Затраты времени, связанные с формированием транспортной партии и транспортированием от станка на контроль:

,

где  – перерывы партионности (пролеживание узла у станка после обработки в ожидании завершения обработки всех обрабатываемых на станке) , мин;

 – время перемещения транспортной партии от станка на контроль , мин.

Длительность производственного цикла, реализуемого на участке  на основе концентрации процессов без учета междусменных перерывов:

.

Разность в длительности производственных циклов (затрат времени):

.

Принимая  и подставляя начальные обозначения, получаем:

.

Аналогичным образом может быть определена разница потерь по инструменту:

,

где  – период стойкости инструмента, мин,  – длительность одной переточки или замены изношенного (поломанного) инструмента,  – количество дополнительных проходов при обработке по базовой технологии по сравнению с предлагаемой,  – количество дополнительных переточек или замен инструмента.

Тогда, с учетом потерь по инструменту:

.              (1)

(1) является математической моделью, отражающей экономию затрат времени при изготовлении изделий на основе концентрации сборочных и обрабатывающих процессов.

Полученная модель (1):

1) показывает, на какую величину времени возможно сократить длительность производственного цикла в случае концентрации обрабатывающего и сборочного процессов на технологическом оборудовании, т.е. модель обеспечивает предсказуемость результативности процесса концентрации обрабатывающего и сборочного процессов,

2) позволяет выявить организационно-технологические факторы (рис. 3), оказывающие наиболее существенное влияние на величину сокращения длительности производственного цикла, т.е. выявляет инструменты направленного воздействия (управления) на организацию производственного процесса.

Рис. 3. Организационно-технологические параметры, оказывающие влияние на длительность производственного цикла изготовления изделий на основе концентрации сборочных и обрабатывающих процессов

Одним из наиболее эффективных инструментов исследования, который основан на системном подходе, является метод планирования и реализации факторных экспериментов [4].

При проведении численного полнофакторного эксперимента (ПФЭ) для исследования организационно-технологических факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на величину сокращения длительности производственного цикла в качестве таких факторов приняты: , ,  и . Остальные факторы, которые входят в структуру модели (1), являются технологическими и их значения обусловлены свойствами материалов и характером технологического процесса. Факторы устанавливались на двух уровнях, то есть имеет место полный факторный эксперимент 2⁴.

Уровни факторов в натуральном и безразмерном масштабах представлены в таблице.

Получена регрессионная модель в кодированном масштабе уровней факторов:

. (2)

Величина и знак коэффициентов в уравнении регрессии (2) говорят о силе и характере влияния исследуемых факторов на величину сокращения длительности производственного цикла при внедрении предлагаемых организационно технологических мероприятий (концентрации операций).

На рис. 4 представлены результаты анализа эксперимента 2⁴ в виде диаграммы результатов регрессионного анализа, по которой можно определить силу и характер влияния факторов на отклик.

Рис. 4. Анализ результатов регрессионного анализа

Так из анализа (2) следует, что сила влияния погрешности установки сборочной единицы на станок  в два раза больше влияния . Второе по величине влияние оказывает время транспортировки . Коэффициент при  в уравнении регрессии отрицательный, это значит, что с увеличением  экономия длительности производственного цикла уменьшается, то есть при увеличении глубины резания сокращается количество ходов и соответственно время обработки.

На рис. 5 показана зависимость величины сокращения длительности производственного цикла от технологических параметров: величины погрешности установки  и принятого значения эффективной глубины резания при обработке деталей в сборе . Из графика видно, что внедрение концентрации обработки и сборки наиболее эффективно при обработке непрочных соединений, когда величина  – наименьшая.

Рис. 5. Зависимость величины сокращения длительности производственного цикла от технологических параметров: величины погрешности установки  и принятого значения эффективной глубины резания при обработке деталей в сборе :

Ряд 1 – =0,1 мм, Ряд 2 – =0,2 мм, Ряд 3 – =0,3 мм

На рис. 6 показана зависимость величины сокращения длительности производственного цикла от организационных параметров: времени перемещения транспортной партии между операциями  и величины транспортной партии . Из графика видно, что наибольший эффект от внедрения предлагаемых мероприятий проявляется при наибольших значениях времени транспортирования и величины транспортной партии.

Рис. 6. Зависимость величины сокращения длительности производственного цикла от организационных параметров: величины времени перемещения транспортной партии между операциями  и величины транспортной партии :
Ряд 1 – =15, Ряд 2 – =25, Ряд 3 – =35

Полученная в результате проведенных исследований математическая модель и регрессионный анализ результатов ПФЭ 2⁴ позволяют сделать нижеследующие выводы:

1. Установлены факторы, оказывающие влияние на длительность производственного цикла изготовления изделий на основе концентрации сборочных и обрабатывающих процессов: организационные (величина транспортной партии, длительность одной замены изношенного инструмента, время выполнения вспомогательных переходов, время перемещения транспортной партии) и технологические (погрешность установки сборочной единицы для обработки деталей в сборе, период стойкости инструмента, эффективная глубина резания при обработке деталей в сборе, диаметр и длина обрабатываемой поверхности, скорость резания, величина подачи на рабочих и холостых ходах, длительность одной переточки изношенного инструмента).

2. Доминирующими факторами, оказывающими влияние на сокращение длительности производственного цикла изготовления изделий на основе концентрации сборочных и обрабатывающих процессов, являются погрешность установки сборочной единицы для обработки деталей в сборе  и время перемещения транспортной партии между операциями .

3. Внедрение концентрации обработки и сборки наиболее эффективно при обработке непрочных соединений, когда значение величины эффективной глубины резания при обработке деталей в сборе  – наименьшее.

Литература

1. Шишмарев В.Ю. Машиностроительное производство / В.Ю. Шишмарев, Т.И. Каспина. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 352 с.

2. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: Машиностроение. Технология сборки в машиностроении. Т. III-5 / А.А. Гусев, В.В. Павлов, А.Г. Андреев и др.; Под общ. ред. Ю.М. Соломенцева, 2001. 640 с.

3. Корытов В.Н. Повышение эффективности механообрабатывающего производства на основе комплексного анализа технологических и организационных факторов. Дисс. … канд.техн.наук. Гаврилов-Ям, 2004. 136 с.

4. Боровиков С.М. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности. Мн.: Дизайн ПРО, 1998. 336 с.