Анализ технологичности валов с применением САПР при конструкторском проектировании

Анализ технологичности валов с применением САПР при конструкторском проектировании Айтжанов М. Д.

Айтжанов Максат Даулет-Алыевич /Aitzhanov Maksat Daulet-Alyievich - магистрант, кафедра «Нефтегазовое машиностроение»,

Каспийский государственный университет технологий и инжиниринга имени Ш. Есенова,

г. Актау, Республика Казахстан

Аннотация: в данной статье рассматриваются актуальные проблемы технологического решения проектирования валов, большие возможности их модернизации с помощью высоких технологий, повышения экономического эффекта проектирования, определение наиболее значимых параметров технологичности. Ключевые слова: качество детали, показатели качества, технологичность валов, система

автоматизированного проектирования.

Качество детали, выражающееся в ее способности удовлетворять определенные потребности, характеризуется рядом ее свойств. Совокупность свойств изделия, определяющих приспособленность его конструкции к достижению оптимальных затрат ресурсов при производстве и эксплуатации для заданных показателей качества, представляет собой технологичность конструкции изделия [88].

Согласно ГОСТ 14.205-83 «Технологичность конструкций изделий. Термины и определения»: технологичность конструкции изделия (ТКИ) - совокупность свойств конструкции изделия, определяющих ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, техническом обслуживании и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ.

Количественная оценка ТКИ основана на инженерно-расчетных методах и проводится по конструктивно-технологическим признакам, которые существенно влияют на выполнение основных требований к ней. Количественная оценка может производиться по планируемым показателям, когда изделие разрабатывается по самостоятельному техническому заданию, которым установлены базовые показатели ТКИ, и по непланируемым показателям - при возникновении альтернативы ТКИ для выбора лучшего конструктивного решения из ряда равноценных по рассматриваемым свойствам.

Качественная оценка ТКИ основана на инженерно-визуальных методах оценки и проводится по отдельным конструктивным и технологическим признакам для достижения высокого уровня ТКИ. Она, как правило, предшествует количественной оценке, но вполне совместима с ней на всех стадиях проектирования. Качественной оценке могут быть подвергнуты одно исполнение изделия или совокупность его исполнений. Качественная оценка одного конструктивного исполнения изделия («хорошо - плохо», «допустимо - недопустимо» и т. д.) дается на основании анализа соответствия его основным требованиям к производственной, эксплуатационной и ремонтной ТКИ.

Научная область, которая объединяет количественные методы оценки качества, используемые для обоснования решений, принимаемых при управлении качеством продукции, называется квалиметрией. К основным задачам относятся определение номенклатуры необходимых показателей качества продукции, а также разработка методов и создание методики учета изменений качества во времени, моделирование градаций качества.

В квалиметрической оценке качества продукции различают понятия свойств и показателей качества. Качественную или количественную характеристику любых свойств или состояний продукции называют признаком продукции. При изменении свойств изделий изменяются показатели качества. Показатель качества, являясь внешним выражением свойства в конкретных условиях, позволяет судить о наличии самого свойства. Свойство продукции проявляется при ее создании, эксплуатации и потреблении.

Свойства и показатели качества продукции регламентируются в стандартах и технических условиях, используются при проведении сертификации, экспертизе, определяющих договорно-правовые отношения по специализации и кооперированию производства.

Методы определения значений показателей качества подразделяются на две группы:

— по способам получения информации - измерительный, регистрационный, расчетный;

— по источникам получения информации - традиционный, экспертный.

Измерительный метод основан на информации, получаемой с помощью технических измерительных средств. С помощью измерительного метода определяются значения, например, массы изделия, силы тока, геометрических параметров, скорости и др.

Регистрационный метод основан на использовании информации, получаемой путем подсчета числа определенных событий, предметов или затрат. Этим методом определяются показатели унификации, патентно-правовые показатели и др.

Расчетный метод основан на использовании информации, получаемой с помощью теоретических или эмпирических зависимостей. Этим методом пользуются при проектировании изделий.

Традиционный метод используют при определении значений показателей качества изделий должностными лицами специализированных экспериментальных и расчетных подразделений предприятий.

Экспертный метод используют для нахождения значений таких показателей качества, которые в настоящее время не могут быть определены другими, более объективными методами. Определение значений показателей качества продукции экспертным методом осуществляется группой специалистов-экспертов.

В общем виде оценка качества продукции может быть разбита на три этапа: подготовительный, оценочный и заключительный. На подготовительном этапе выполняются следующие операции:

— устанавливаются цели, организуются и планируются все работы по оценке качества. Определяются вид, объекты и сроки проведения оценки;

— выбирается номенклатура показателей качества оцениваемой продукции;

— выбираются способы сбора и получения информации о фактических численных значениях показателей качества и методы их определения;

— рассчитываются фактические численные значения для уровней качества.

Этап оценки качества включает:

— выбор метода оценки уровня качества изделия;

— проведение технических операций для оценки показателей качества с помощью выбранного метода;

— определение и анализ результатов оценки уровня качества.

На заключительном этапе обосновываются рекомендации и принимаются решения по результатам оценки уровня качества продукции. Описанный алгоритм является общим и подходит для оценки качества на всех этапах жизненного цикла продукции, в том числе и на этапе проектирования.

Риск — это вероятность возникновения убытков или недополучения доходов по сравнению с прогнозируемым вариантом [64].

Количественной оценкой риска служит мера риска с, включающая в себя вероятность наступления нежелательного события р и ущерб от наступления такого события W:

С = f

Величина ущерба W — это прежде всего потеря временных и финансовых ресурсов. Для оценки риска разработки некачественной КД пригодна вполне простейшая функция вида

С = W  p

Технологичность — совокупность свойств конструкции изделия, определяющих ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для качества, объема выпуска и условий выполнения работ [90].

Для определения наиболее значимых параметров технологичности было решено воспользоваться методом попарных сравнений Саати [82, 83]. Было опрошено пятнадцать экспертов, которыми стали технологи с разных предприятий, давшие свои оценки приведенным ниже параметрам по их значимости. Проранжировав параметры по их средней оценке, получим следующее (таблица 1):

Таблица 1. Проранжированные по средней оценке параметры технологичности

№ Параметры Оценки экспертов

1 Технологичность детали 0,116

2 Согласованность конструкторских и технологических баз 0,098

3 Возможность уменьшения количества и объема пригоночных операций 0,085

4 Технологичность сборки как изделия в целом, так и составных частей 0,084

5 Удобство сборки и разборки 0,079

6 Технологичность механически обрабатываемых, литых, горячештампуемых, холодноштампуемых и термических конструкций 0,076

7 Возможность обеспечения необходимой взаимозаменяемости сборочных единиц и деталей 0,074

8 Выбор элементов конструкции сборочных единиц (основных составных частей) с точки зрения их технологичности 0,073

9 Возможность разделения сборочные единицы на составные части, сборку которых целесообразно производить 0,071

10 Возможность применения стандартизованных методов выполнения и контроля 0,055

11 Удобство и доступность мест сборки 0,049

12 Оптимальность номенклатуры контролируемых параметров, а также методов и средств их контроля 0,048

13 Возможность проведения сборки и контроля изделия и его основных составных частей независимо и параллельно 0,044

14 Возможность исключения или доведения до минимума механической обработке при сборке 0,048

Проведенный опрос показал, что из всех показателей технологичности наиболее важным является вопрос обеспечения технологичности детали.

Рис. 1. Результаты опроса экспертов по выявлению параметров технологичности

где:

1. Возможность проведения сборки и контроля изделия и его основных составных частей независимо и параллельно.

2. Удобство и доступность мест сборки.

3. Возможность исключения или доведения до минимума механической обработки при сборке.

4. Возможность обеспечения необходимой взаимозаменяемости сборочных единиц и деталей.

5. Выбор элементов конструкции сборочных единиц (основных составных частей) с точки зрения их технологичности.

6. Оптимальность номенклатуры контролируемых параметров, а также методов и средств их контроля.

7. Возможность применения стандартизованных методов выполнения и контроля.

8. Согласованность конструкторских и технологических баз.

9. Технологичность сборки как изделия в целом, так и его составных частей (в том числе сварных конструкций).

10. Технологичность механически обрабатываемых, горячештампуемых, литых, холодноштампуемых и термических конструкций.

11. Возможность разделения сборочной единицы на составные части, сборку которых целесообразно производить.

12. Технологичность деталей.

13. Удобство сборки и разборки.

14. Возможность уменьшения количества и объема пригоночных операций.

Как сказано выше, коэффициент унификации учитывает два компонента - конструкторский и технологический.

Для разработки интеллектуальной подсистемы, предназначенной для автоматизированной оценки технологичности, были использованы следующие базовые элементы технологии машиностроения:

1) типовые технологии;

2) модульное построение техпроцессов (модуль поверхности детали);

3) методы выбора технологических баз;

4) методы расчета размерных цепей.

Рассмотрим подробнее каждый элемент применительно к разработке КД деталей типа «вал».

Для определения коэффициента конструкторской унификации представим деталь как совокупность конструктивных элементов [7]. За основу применим следующую классификацию, касающуюся деталей типа «вал».

Анализ деталей различных изделий показывает, что, независимо от того, в какие изделия входит деталь, она предназначена или непосредственно участвовать в рабочем процессе, осуществляемом изделием, и (или) выполнять функцию базовой детали для монтажа на ней других деталей. Таким образом, признак служебного назначения позволяет классифицировать все детали (независимо от их конструктивного и геометрического оформления, материала, массы) на: базовые; участвующие в рабочем процессе; выполняющие роль базовых и одновременно участвующих в рабочем процессе.

Для того чтобы деталь могла выполнять функции базовой детали для других деталей, она должна содержать базирующие поверхности, по которым они монтируются на ней.

На рисунке 2 представлена классификация поверхностей детали, рабочий чертеж детали.

а) б)

Рис. 2. а) пример детали типа «вала»; б) конструктивные элементы вала

Для каждого элемента определяется его посадочный размер. В нашем случае для цилиндра - это диаметр [29], а для конуса - конусность [30].

Чтобы конструктор смог максимально сократить срок разработки КД, необходимо предоставить ему высокоэффективный инструмент, который автоматически проверяет конструкторские размерные цепи, рассчитывает номиналы и отклонения допуска конструкторских размеров.

Конструкторские базы делятся на основные и вспомогательные.

Основной называют конструкторскую базу, принадлежащую детали или сборочной единице и используемую для определения их положения в изделии.

Вспомогательной называют конструкторскую базу, принадлежащую детали или сборочной единице и используемую для определения положения присоединяемой к ним детали или сборочной единицы. Следует заметить, что любая деталь может иметь только один комплект основных баз, а комплектов вспомогательных баз столько, сколько деталей или сборочных единиц к ней присоединяется.

При конструировании изделия задача нахождения замыкающего звена заключается в выявлении такого линейного или углового размера, от значения которого полностью зависит решение поставленной задачи. При изготовлении изделия замыкающим звеном размерной цепи является размер, точность которого должна быть обеспечена технологическим процессом. При расчете цепи замыкающим звеном является измеренный размер. Рассмотрим пример расчета конструкторских размерных цепей для детали, изображенной на рисунке.

Задача заключается в том, чтобы найти размеры и допуски, являющиеся составляющими звеньями, образующие АЛ1, АЛ2, АЛЗ.

Уравнение номинальных размеров будет выглядеть следующим образом:

АД 1 = 23 - 10 = 13 мм, АД2 = 63 - 23 - 8 = 32 мм, АД 3 = 8 - 1,6 = 6,4 мм.

Запишем максимальные и минимальные значения замыкающего звена:

АД т ах 1 = 0,26 - 0,18 = 0,08 мм,

АД т in 1 = 0 - 0 = 0 мм;

АД т ах2 = 0,74 - 0,26 - 0,18 = 0,3 мм,

А = 0 - 0 - 0 = 0 мм;

АД т ах3 = 0,36 - 0,25 = 0,11 мм АД т in з = 0 - 0 = 0 мм.

Допуск замыкающего звена:

ТАД1 = 0,08 мм,

ТАД2 = 0,3 мм,

ТАД 3 = 0,11 мм.

Следовательно, конструкторские размерные цепи 1, 2 и 3 замкнуты, и точность замыкающих размеров обеспечивается оборудованием класса Н.

Для проверки адекватности модели квалиметрической оценки технологичности воспользуемся методом корреляции. Корреляция является признаком, указывающим на взаимосвязь ряда численных последовательностей. Парная корреляция характеризует взаимосвязь двух последовательностей.

Воспользуемся методом экспертных оценок. Было опрошено семнадцать экспертов, которые дали свою оценку пятнадцати чертежам деталей типа «вал» по пятибалльной системе.

Выводы:

1. С применением IDEF-моделирования исследован процесс разработки конструкторского проектного решения. Выявлены этапы отработки конструкции на технологичность, проведен реинжиниринг процесса,

направленный на повышение качества проектного решения по критерию технологичности и сокращение сроков подготовки производства за счет применения специализированной интеллектуальной подсистемы САПР.

2. Показано, что базовыми элементами технологичности являются конструкторская и технологическая унификации элементов детали. Предложена квалиметрическая оценка коэффициентов конструкторской и технологической унификации, основанная на стандартизации размеров КЭ детали, применении типовых технологий, методах расчета размерных цепей.

3. С применением метода экспертных оценок разработана многокритериальная модель выбора схемы базирования деталей типа «вал» с учетом их габаритных размеров и материала, основанная на экспертных оценках типовых технологических проектных решений.

4. Разработана математическая модель интегрального многокритериального квалиметрического показателя технологичности детали, учитывающего степень конструкторской и технологической стандартизации КЭ детали, ее трудоемкость и себестоимость.

5. Подтверждена адекватность предложенной модели путем сравнения получаемых при ее помощи результатов с результатами, полученными методом экспертных оценок. Выявлена высокая степень достоверности результатов расчетов.

Литература

1. Аверченков В. И. Формализация построения и выбора прогрессивных технологий, обеспечивающих требуемое качество изделий: Автореф. дис. ... док. техн. наук: 05.02.08. - Брянск, 1990.

2. Акимов И. В. Самообучающаяся система экспресс-оценки трудоемкости изготовления деталей машин: Автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.08. - Тула, 1999.

3. Акимов И. В. Обоснование адаптивной методики оперативного нормирования трудоемкости изделий станкостроения. / И. В. Акимов, А. Н. Иноземцев, Н. И. Пасько // Известия ТулГУ. Сер. Машиностроение. - Тула, 1998. - Вып. 2. - С. 216-221.