Проектирование ТП в пределах этапа обработки

Лекция 11. Проектирование ТП в пределах этапа обработки

Проектирование ТП в пределах этапа обработки – третья стадия проектирования ТП методом синтеза.

В результате разработки принципиальной схемы технологический процесс текущей детали оказывается разделенным на несколько этапов. Исходная информация – принципиальная схема ТП с указанием номера, наименования этапа, номеров обрабатываемых поверхностей с их характеристиками точности и шероховатости на каждом этапе.

Дальнейшее проектирование ТП ведется в пределах этапа, при этом решаются следующие задачи:

уточнение методов обработки и выбор оборудования;
выбор технологических баз и приспособления;
формирование последовательности и структуры операций.

В результате выполнения данной стадии проектирования ТП синтезируется выходная информация: условный маршрут обработки детали, модели станков по операциям и приспособления, структура операции – перечень переходов. Как видно из задач, третья стадия – самая трудоемкая.

Уточнение методов обработки и выбор оборудования

Выбор методов обработки и типа оборудования определяется условиями проектирования ТП. Если ТП разрабатывается при проектировании нового цеха или завода, технолог может выбирать любые оптимальные по экономическим критериям виды обработки и оборудования. При заводской разработке ТП технолог обязан исходить из условия использования имеющегося в цехе (на участке) оборудования.

Для решения вопроса окончательного выбора методов обработки и оборудования необходимо установить технологические комплексы, т.е. группы поверхностей, которые можно обрабатывать за одну операцию и в одном установе. Во многих случаях вопрос о формировании комплексов решается с учетом конфигурации детали, назначения и формы поверхностей. Поверхности деталей – тел вращения (валы, втулки, диски и т.д.) – разделяются, как правило, на два технологических комплекса с тем, чтобы поверхности каждого комплекса можно было обрабатывать при одном установе с одной и другой стороны от поверхности с максимальным диаметром. Гораздо большее число комплексов поверхностей приходится формировать при обработке корпусных деталей – оно будет значительным при использовании универсальных станков и может быть уменьшено при использовании современного оборудования. Так, станки типа обрабатывающего центра с поворотным столом позволяют вести обработку поверхностей различной формы, расположенных на всех сторонах заготовки при одном установе.

Комплексирование (объединение поверхностей в технологические комплексы для обработки) особенно важно для финишных ступеней обработки, так как обработка поверхностей при одном установе позволяет наиболее простым и экономичным способом обеспечить требуемую по чертежу точность взаимного расположения поверхностей (по параллельности, перпендикулярности, соосности).

Известно, что одинаковые точности обработки и качество обработанной поверхности могут быть достигнуты различными способами. Поэтому сначала подбирают для обработки каждой поверхности или комплекса поверхностей на каждом этапе несколько возможных методов обработки и оборудования, а затем сопоставляют варианты по производительности и технологической себестоимости.

При отборе вариантов целесообразно использовать справочные и нормативные материалы по трудоемкости и себестоимости отдельных методов обработки.

Основными факторами, влияющими на выбор оборудования, являются:

конструкция детали, ее габаритные размеры и другие характеристики (например, обрабатываемость);
требуемая точность обработки;
вид заготовки (штучная, из прутка);
объем выпуска изделий, тип производства, размер партии заготовок.

Выбор оборудования выполняется в три шага:

выбор группы станка (токарный, фрезерный и т.д. – отбирается сопоставлением вариантов обработки, как было отмечено выше);
1. выбор класса станка (универсальный или с программным управлением);
2. выбор типоразмера станка (модели).

Эффективность применения станков с ЧПУ выражается:

1) в повышении точности и однородности обрабатываемых деталей;

2) в повышении производительности обработки благодаря уменьшению доли вспомогательного времени с 70 – 80% для обычных станков до 40 – 45%; в среднем производительность возрастает: для токарных станков в два-три раза, для фрезерных – в три-четыре раза и для обрабатывающих центров – в пять-шесть раз;

3) в снижении себестоимости обработки, связанном с повышением производительности, снижением затрат на приспособления и т.п.;

4) в значительном сокращении потребности в высококвалифицированных станочниках (вследствие многостаночного обслуживания и др.).

Имеются сферы производства, в которых применение станков с ЧПУ является явно целесообразным. Сюда относится обработка заготовок, которые имеют сложную конфигурацию и различные фасонные поверхности и изготовление которых на традиционных станках невозможно или требует больших затрат времени и труда.

Выбирая типоразмер станка, руководствуются принципами соответствия:

1) рабочей зоны станка конфигурации и габаритным размерам детали (например, токарную обработку деталей типа дисков, колец малой длины и большого диаметра выгоднее и удобнее выполнять не на токарно-винторезном, а на токарно-лобовом или на токарно-карусельном станке);

2) точностных возможностей станка заданной по технологии точности обработки заготовки;

3) мощности, жесткости и кинематических возможностей станка оптимальным режимам резания;

4) производительности станка заданной программе выпуска деталей. В случае малой производительности для операции может потребоваться несколько станков. С другой стороны, применив станок чрезмерно большой производительности, не сможем его достаточно загрузить.

Выбор типоразмера станка относится к задачам, число решений которых невелико, а логические зависимости их выбора достаточно сложны.

В качестве примера рассмотрим фрагмент базы знаний выбора оборудования – выбор зубошевинговальных станков, характеристики которых представлены в табл. 11.1. Для формального представления алгоритма выбора решений этой задачи можно использовать таблицу решений с ограниченными входами (ТО115).

Характеристики зубошевинговальных станков Таблица 11.1

Модель станка	Размеры деталей, мм	Параметры зубчатого венца
	Диаметр	Длина	Модуль, мм	Угол наклона зуба, град.
	Dmin	Dmax	Lmin	Lmax	mmin	mmax	min	mах
5А702Г	60	320	0	110	1,50	6	0	35
5703В	125	500	0	80	1,75	8	0	17
5717С	300	800	0	200	2,00	8	0	35

TО115 Выбор зубошевинговального станка

Диаметр детали меньше 60 мм?	D < 60	Нет	-	-	-
	D < = 320	Да	-	-	-
	D < = 500	-	Да	-	-
	D < = 800	-	-	Да	-
Длина детали меньше или равно 110мм?	L < = 110	Да	-	-	-
	L < = 80	-	Да	-	-
	L < = 200	-	-	Да	-
Модуль меньше или равно 1,5?	m < = 1,5	Нет	-	-	-
	m < = 6	Да	-	-	-
	m < = 8	-	Да	Да	-
Угол наклона зуба меньше или равен 17°?	= < 17	-	Да	-	-
	= < 35	Да	-	Да	-
Выбран станок модели 5А702Г	СТАНОК = '5А702Г'	1
	СТАНОК = '5703В'		1
	СТАНОК = '5717С'			1
СТАНОК не выбран	СТАНОК = '-'				1

Выбор технологических баз и типа приспособления

Базирование – придание заготовке или изделию требуемого положения относительно выбранной системы координат. База – поверхность (или выполняющее ту же функцию сочетание поверхностей), ось, точка, принадлежащая заготовке (изделию) и используемая для базирования.

По назначению базы подразделяются на конструкторские, технологические и измерительные.

При механической обработке поверхности выдерживаются точность самой поверхности (по размеру и форме) и точность положения обрабатываемой поверхности относительно других поверхностей детали (по координирующему размеру, по угловому положению, параллельности, перпендикулярности). В соответствии с этим рассматриваются два вида размеров: размер самой поверхности и размеры, определяющие взаимное положение поверхностей (координирующие размеры).

Наиболее сложные задачи при автоматизации проектирования возникают в связи с требованиями к взаимному расположению поверхностей. Это объясняется тем, что наборы методов обработки отдельных поверхностей известны и отработаны, число сочетаний поверхностей неограниченно.

Рекомендации и правила по определению баз можно разделить на 3 класса:

1) утверждения, описывающие закономерности координации отдельных элементов (поверхностей, осей) детали;

2) утверждения, описывающие закономерности сохранения положения детали в процессе обработки;

3) описания точностных зависимостей.

К первому классу–координации отдельных поверхностей–относятся следующие утверждения:

взаимная координация поверхностей детали определяется размером или цепочкой размеров; при этом координирующий размер направлен по нормали к той поверхности (или оси), которую он координирует. На конструкторском чертеже любые два элемента чертежа, связанные размером, координируют друг друга, эта координация не имеет направленности;
на операционном эскизе положение каждой поверхности по одному направлению координации задано одним размером. Эта координация имеет направленность – фиксируется положение обрабатываемой поверхности относительно базы.

Утверждения, относящиеся ко второму классу – к ориентации и закреплению детали:

сохранение положения детали осуществляется путем наложения шести связей, лишающих деталь шести степеней свободы;
функцию определения положения детали относительно средств обработки и закрепления выполняет комплект баз. В комплект баз входят поверхность, относительно которой посредством размера ориентирована обрабатываемая поверхность, и поверхности, к точкам которых могут быть приложены силы, противодействующие силам резания.

Третий класс утверждений – по точности:

точность исполняемого размера определяется погрешностью обработки (погрешностью настройки), погрешностью установки детали в приспособлении и приспособления – на станке;
погрешность установки детали в приспособлении определяется погрешностью технологической базы (размеров, формы, шероховатости);
- необходимо соблюдать принципы постоянства и единства баз; принцип единства состоит в том, чтобы для обрабатываемой поверхности в качестве конструкторской, измерительной и установочной базы использовать один и тот же элемент детали; принцип постоянства баз предполагает по возможности использование одной базы для множества операций;
- необходимо соблюдать принцип наикратчайшего пути, т.е. для обработки какой-либо поверхности следует назначать в качестве базовой ту поверхность, которая связана с ней кратчайшей размерной связью;
- среди поверхностей, для которых назначается база, должна находиться поверхность, которая связана кратчайшими размерными связями с как можно большим числом поверхностей и, следовательно, будет базовой на следующем этапе обработки.

Методика выбора баз с точки зрения автоматизации должна содержать количественные характеристики выбора баз, этапы определения баз и их последовательность.

В качестве количественной оценки используется погрешность установки. Решение общей задачи выбора баз подразделяется на три этапа:

1) исследование вопроса координации обрабатываемой поверхности в одном направлении – в направлении исполняемого размера;

2) дополнение выбранной базы до полного комплекта, который должен обеспечить закрепление и координацию детали относительно средств обработки;

3) выбор баз для группы поверхностей, обрабатываемых за одну операцию.

Вопрос выбора баз для группы поверхностей, обрабатываемых за одну операцию, решается при учете свойств поверхностей. При этом часть выбранных ранее баз меняется. При замене необходимо учесть, что погрешность исполняемого размера во вновь построенной размерной цепи не должна превышать допустимую погрешность.

Выбор технологических баз и типа приспособления с учетом требований точности взаимного расположения поверхностей является одной из самых трудноформализуемых задач автоматизированного проектирования. Поэтому при разработке САПР единичных технологических процессов для повышения их надежности часто используют локализацию системы, т.е. сужение номенклатуры деталей, охватываемых системой. Достаточно надежные алгоритмы можно создать на детали типа тела вращения (валы, втулки, шестерни, муфты и т.д.). При изготовлении деталей этого типа перечень возможных способов базирования небольшой (патрон, центра, патрон с поджимом задним центром, люнеты), что и упрощает алгоритмы. Решение данной задачи для деталей сложной конфигурации целесообразно выполнять в диалоговом режиме проектирования.

Формирование последовательности операций

При решении задачи выбора технологических баз для групп поверхностей и установлении последовательности обработки поверхностей определены и основные структурные элементы ТП механической обработки. Так, при выборе баз формируют группы совместно обрабатываемых поверхностей, исходя из их свойств и взаимного расположения. Эти группы являются исходным множеством для определения состава операций.

Последовательность операций определяется порядком баз и улучшением качества для групп операций, имеющих одни и те же базы. Порядок обработки устанавливается исходя из требований организации ТП, например требования максимально возможной концентрации операций на одном участке по типам применяемого оборудования.

Полученную последовательность операций можно уточнить, используя следующие рекомендации (о некоторых из них было сказано выше):

1. В первую очередь следует обрабатывать поверхности, принятые за чистые (обработанные) технологические базы.

2. Последовательность обработки зависит от простановки размеров. В начале нужно обрабатывать ту поверхность, относительно которой на чертеже координировано большее число других поверхностей.

3. При невысокой точности исходной заготовки сначала следует обрабатывать те поверхности, с которых для раннего выявления литейных и других дефектов, например раковин, включений, трещин и отсеивания брака, требуется удалить небольшой слой материала.

4. Последовательность операций необходимо устанавливать в зависимости от требуемой точности поверхности: чем точнее должна быть поверхность, тем позднее ее необходимо обрабатывать, так как обработка каждой последующей поверхности может вызывать искажение ранее обработанной. Снятие каждого слоя металла приводит к перераспределению остаточных напряжений, что и вызывает деформацию заготовки. Последней нужно обрабатывать ту поверхность, которая является наиболее точной и ответственной.

5. Операции обработки поверхностей, имеющих второстепенное значение и не влияющих на точность основных параметров детали (сверление мелких отверстий, снятие фасок прорезка канавок и т.п.), следует выполнять в конце ТП, но до операций окончательной обработки ответственных поверхностей. В конец маршрута желательно также выносить обработку легкоповреждаемых поверхностей, к которым относят наружные резьбы, наружные зубчатые и шлицевые поверхности.

6. Необходимо учитывать возможное сокращение путей транспортировки деталей.

После всех уточнений последовательности операций получим условный маршрут обработки, состоящий из операций механообработки, термической и химико-термической обработки. Далее этот перечень необходимо дополнить слесарными, промывочными, контрольными и транспортировочными операциями.

Формирование структуры операций

Задача формирования структуры операции состоит в том, чтобы определить оптимальную последовательность переходов.

Для структуры технологической операции так же, как и для ТП, характерна многовариантность, которая предполагает существование оптимального решения. Синтез оптимальной структуры включает в себя определение вариантов последовательности переходов и расчет параметров переходов, необходимых для выбора оптимального варианта последовательности. Здесь задача структурной оптимизации решается в три этапа:

создание (синтез) очередного варианта последовательности переходов;
- анализ (оценка) варианта;
- принятие решения о замене ранее выбранного варианта на новый или о прекращении синтеза новых вариантов.

Для оценки уровня создаваемых вариантов вводится целевая функция и формируется критерий оптимальности, т.е. правило предпочтения одного варианта другому.

Наиболее часто задачу определения оптимальной последовательности переходов решают при обработке ступенчатых поверхностей детали (плоских, цилиндрических, наружных и внутренних). Например, при черновой токарной обработке ступенчатых валов, когда в качестве заготовки принимается прокат и каждая ступень вала имеет различный по величине напуск. Анализ возможных вариантов выполняется с помощью целевой функции, учитывающей величину перемещения инструмента.

Другим характерным примером оптимизации структуры операции является обработка (сверление, зенкерование, развертывание) нескольких отверстий в корпусной детали. Здесь необходимо отыскать маршрут наименьшей протяженности между отверстиями.

Для решения указанных задач обработки ступенчатых поверхностей и обработка отверстий используется метод динамического программирования.

Вопросы к лекции 11

Какие задачи решаются при проектировании ТП в пределах этапа обработки?
Какая информация является исходной для данной стадии проектирования ?
Что является выходной информацией данной стадии?
Дать определение технологическому комплексу.
Сколько технологических комплексов определяют для тел вращения и корпусных деталей?
Какие факторы влияют на выбор оборудования?
Дать определение базированию и базе.
Какие две разновидности точности выдерживаются при механической обработке?
Почему сложнее обеспечить требования к взаимному расположению поверхностей?
В каком порядке решается задача выбора баз?
Какой принцип используется для упрощения задачи выбора баз?
Перечислите рекомендации для определения последовательности операций.
Какие операции включает условный маршрут обработки детали?
Что является критерием оптимизации при определении последовательности переходов?

PAGE 6

Проектирование ТП в пределах этапа обработки