Проблема рационального использования станков с ЧПУ в отечественной промышленности

УДК 621.9-114

И.Л. Волчкевич, канд. техн. наук, доц.,

ПРОБЛЕМА РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАНКОВ С ЧПУ В ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Рассмотрены основные движущие факторы и проблемы, связанные с внедрением современного оборудования с ЧПУ на отечественных машиностроительных предприятиях. Приведены результаты исследований фактической работоспособности станков с ЧПУ в условиях многономенклатурного, часто переналаживаемого производства.

Ключевые слова: проектирование предприятий, станки с ЧПУ, использование оборудования, переналаживаемое производство.

Распространение на отечественных машиностроительных предприятий современных высокопроизводительных станков с ЧПУ, что практически общепризнано, остро ставит проблему их рационального использования. В настоящее время целесообразность внедрения подобного оборудования определяется тремя группами причин.

Первая группа - причины социальные, резкое сокращение и практически полное отсутствие «воспроизводства» высококвалифицированных станочников-универсалов, мастеров «золотые руки» при безусловном повышении требований к качеству деталей практически во всех отраслях машиностроения.

Вторая группа - необходимость обработки сложных, подчас уникальных деталей с минимальными сроками изготовления. Даже при наличии высококвалифицированных станочников сокращение числа операций и установов, обеспечиваемое использованием многокоординатных станков с ЧПУ, позволяет получать более высокие и стабильные параметры качества, особенно в части отклонений формы и взаимного расположения поверхностей. Концентрация технологических возможностей дает существенный эффект с точки зрения производительности благодаря сокращению несовмещенных вспомогательных времен и «межоперационных пролежи-ваний». Проведенные автором исследования показывают, что сокращение штучных времен обработки деталей на станках с ЧПУ по сравнению с суммой штучных времен «замещаемых» операций составляет 3-4 раза как для токарных станков, так и для фрезерных. Производственный цикл порой сокращается от недель до нескольких часов.

Третья группа — факторы технико-экономические. Возможные технико-экономические факторы целесообразности внедрения технологических комплексов (ТК) на основе станков с ЧПУ взамен участков из универсальных станков в условиях серийного производства:

48

- сокращение общей длительности партионной обработки деталей и поставки их на сборку или заказчику;

- повышение производительности (количества выдаваемой продукции в единицу времени);

- удешевление процесса производства по всем составляющим, окупаемость затрат на более дорогое оборудование.

Именно в области технико-экономических факторов наиболее часто отмечается несоответствие реальных результатов внедрения дорогостоящего высокопроизводительного оборудования ожидаемым и прогнозируемым. В то же время отметим, что повышение мобильности отдельных компонентов производства (ускорение полной комплектации сборки) способно принести общий экономический эффект производства в целом, несмотря на удорожание процессов изготовления некоторых деталей и узлов.

В настоящее время наибольшее число станков с ЧПУ и технологических комплексов на их основе в нашей стране эксплуатируются на предприятиях «уникального машиностроения» (ракетно-космическое производство, атомная промышленность, тяжелая энергетика). Здесь растущая конструктивная сложность, весовые характеристики, сложность формы и требования к геометрической точности уникальных деталей делают практически невозможным обеспечение требований к их качеству без наличия рабочих-станочников уникальной квалификации. Это поколение стареет и уходит, достойная замена не подготовлена, поэтому изготовление сложной и уникальной продукции возможно только на станках с ЧПУ, какой бы высокой ценой они не обладали. Как видно, здесь определяющие факторы внедрения станов с ЧПУ и ТК на их основе есть факторы социально-экономические.

С точки зрения технико-экономических факторов опыт внедрения станков с ЧПУ, полученный на отечественных предприятиях, показывает наличие на различных предприятиях схожей проблемы. С одной стороны, программы выпуска, закрепленные за цехами и участками станков с ЧПУ, не выполняются, с другой - отмечается низкая загрузка станков (в понимании руководителей предприятий под загрузкой понимается доля общего фонда времени работы, в течение которого станок занят непосредственно обработкой деталей).

По мнению авторов названная проблема является неизбежным следствием ошибок, совершенных при проектировании технологических комплексов из станков с ЧПУ и планировании для них производственных программ. Причин этих ошибок несколько:

- отсутствие в научной и технической литературе обоснованных рекомендаций о рациональных областях применения станков с ЧПУ;

- отсутствие методик расчета необходимого количества станков с ЧПУ, учитывающих специфику их функционирования в составе технологических комплексов и структуру затрат времени функционирования;

- отсутствие достоверных данных о фактической работоспособности станков с ЧПУ.

В ряде литературных источников, например в [1, 2], утверждается, что станки с ЧПУ работают едва ли в течение 100 % действительного фонда времени, а наладка и переналадка выполняются за минимальное время. Между тем, исследования, проведенные автором на ряде ведущих предприятий, показали, что в условиях многономенклатурного, часто переналаживаемого производства коэффициент экстенсивного использования оборудования с ЧПУ составляет от 0,3 до 0,5. Типичная диаграмма распределения фонда времени работы участка из фрезерных станков с ЧПУ приведена на рис. 1.

Как видно из рис. 1, суммарное время работы оборудования (49,4 %) сопоставимо с суммарным временем на отладку новых деталей (37,5 %), что характерно именно для тех ситуаций, когда на станках с ЧПУ изготавливают уникальные, сложные и высокоточные детали, программы выпуска которых невелики.

На рис. 2 и 3 показаны распределения значений объемов выпуска и штучных времен деталей, составляющих программы выпуска цеха станков с ЧПУ одного из предприятий ракетно-космической промышленности. Как видно из рис. 2, большая часть объемов выпуска деталей не превышает 30 штук в год при количестве разных деталей, составляющих производственную программу более 100.

Рис. 1. Распределение фонда времени участка фрезерных станков с ЧПУ по данным производственных исследований

При этом длительность отладки новой детали, по данным автора, составляет от 10 до 12 времен цикла обработки для фрезерных станков и от 20 до 22 времен цикла для станков токарных.

Таким образом, создание технологических комплексов из станков с ЧПУ требует радикального пересмотра многих сложившихся канонов, разработки специальных методик и математического обеспечения, прежде всего, потому, что в таких комплексах одними из ключевых являются вопросы отладки на новые детали и возвратных переналадок. Это диктуется серийным характером изготовления комплектов деталей с регламентацией поставки их на сборку, частым обновлением объектов производства. В итоге простои для наладок и переналадок неизбежно становятся сопоставимы с длительностью межналадочных периодов функционирования, а если учесть неизбежные отказы в работе, подналадки, организационные и технические простои, то согласно некоторым заводским данным оборудование технологических комплексов работает не более 20...25 % действительного фонда времени. Это самым непосредственным образом влияет на количество оборудования, необходимого для выполнения заданных масштабов выпуска продукции, что не учитывается в существующих методиках расчета.

Следовательно, необходимы математические модели взаимосвязи основных времен, частоты и длительности наладок и переналадок, масштабов комплектного выпуска продукции, надежности оборудования и его необходимого количества. Такие задачи до сих пор не ставились и не решались.

Рис. 2. Распределение объемов выпуска деталей в рамках производственной программы цеха станков с ЧПУ

Рис. 3. Распределение штучных времен деталей в рамках производственной программы цеха станков с ЧПУ

Причина одновременного невыполнения плана и низкой «загрузки» станков - именно в неправильном выборе состава оборудования, типа и количества. Одна из главных причин этого неправильного выбора - отсутствие знаний и понимания фактической работоспособности и факторов, на нее влияющих.

Рациональное проектирование любых технологических систем должно опираться на достоверную информацию о работоспособности действующих аналогов. В отношении станков с ЧПУ и тем более комплексов на их основе такие исследования неизвестны.

Постановка исследований работоспособности комплексов из станков с ЧПУ и реализация обратной связи - от эксплуатации на последующее проектирование - должны опираться, прежде всего, на формулировку задач и разработку методик данных исследований. Методики были разработаны на кафедре «Технология машиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана и опробованы на ряде ведущих машиностроительных предприятий.

В целом, проблема рационального использования станков с ЧПУ на сегодняшний момент является актуальной и требует дополнительных исследований.

Список литературы

1. Технология машиностроения: в 2 т. Т 2. Производство машин: учебник для вузов / В.М. Бурцев [и др.]; под. ред. Г.Н. Мельникова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. 640 с.

2. Борисов С.Р. , Васильев В.Н. Основы предпринимательства и организации производства: учеб.пособие/ под ред. В.Н.Васильева. М.: Изд-во «Машиностроение-1», 2000. 752 с.

I.L. Volchkevich

THE PROBLEM OF RATIONAL UTILIZATION OF NC MACHINERY IN THE DOMESTIC INDUSTRY.

The key factors and problems are considered related to introduction of modern NC equipment at domestic machinery manufacturing. The research results of NC machinery operating capability under conditions of multiproduct versatile manufacturing are given.

Key words: designing machinery manufacturing, NC machinery, equipment utilization, versatile manufacturing.

Получено 16.09.11

УДК 621.83.05

Д.А. Насонов, канд. техн. наук, доц., 8-910-547-86-11, nasonovda@yandex.ru

КОМБИНИРОВАННЫЙ ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ ДИНАМИКИ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ

На примере построения математической модели планетарного редуктора продемонстрированы использование результатов экспериментальных исследований, а также сочетание аналитических и численных методов моделирования. Построенная по предложенной методике конечноэлементная модель редуктора, несмотря на свою сложность, предъявляет умеренные требования к вычислительным ресурсам.

Ключевые слова: моделирование, зубчатые передачи, численные методы.

Наиболее универсальным и практичным методом решения задач динамики и прочности на сегодняшний день является моделирование с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Рост мощности современных ЭВМ практически снимает основной его недостаток - высокую ресур-соемкость. Однако наряду с ростом вычислительных возможностей ужесточаются и требования к проектируемым изделиям, что заставляет разрабатывать более сложные математические модели, укрупняя исследуемую структуру и более детально прорабатывая отдельные узлы, что опять-таки может привести к нехватке вычислительных ресурсов. Кроме того, чрезмерное повышение размерности определяющих матриц системы приводит к увеличению погрешностей вычислений и, возможно, к неустойчивости вычислительных процессов. Поэтому поиск путей снижения размерности системы определяющих уравнений и требований к вычислительным ресурсам остается и будет оставаться актуальной задачей.

53