Файл: В.А. Полетаев Перспектива развития методов формообразования в машиностроении.pdf

24

Всочетании с показателем энергетической производительности ("абсолютной производительности" по В.И.Дикушину) показатель информационной производительности даст исчерпывающую характеристику темпа достижения результата работы формообразующей системы.

Для внедрения такого способа исчисления производительности необходимо разработать методы наиболее точной оценки содержащейся в детали геометрической информации.

Вобщем случае информацию можно охарактеризовать содержанием, способом задания и количеством [13]. В нашем случае содержание информации всегда однородно - это заданная информация о геометрических параметрах изделия. То же можно сказать и о способах задания информации - в изделии она содержится в аналоговой форме. Остается выбрать меру количества информации.

К первой попытке дать количественную меру переносимой на изделие при формообразовании информации можно отнести работу В.Зусмана и И.Вульфсона [14]. Выполняемые на станке с программным управлением операции формообразования они разделили по "степени сложности" на три группы, отличающиеся "порядком чисел сигналов, необходимых для ввода в станок (объемом необходимой информации)". Эта мера близка к определению количества информации, данному академиком А.Н.Колмогоровым, по которому количество информации определяется как минимальная длина (сложность) программы достижения поставленной цели [15]. Недостатком подобного подхода является зависимость его от процесса достижения результата, т.е. эта мера не является абсолютной.

Для того, чтобы получить абсолютную меру, необходимо рассматривать только результат процесса формообразования, т.е. готовую деталь.

Мерой заключенной в детали информации может служить число поверхностей детали, использованное академиком Н.Г.Бруевичем и Б.Е.Челищевым в работе [16].

Однако эта простейшая мера не учитывает ни размеров поверхности, ни ее вида, ни требований к точности. Развитие в Ленинградском политехническом институте (работы А.А.Денисова и М.Г.Коровина [17, 18] уже упомянутых идей французского физика Бриллюэна дало возможность количественно учесть точность изготовления детали.

25

Объединение упомянутых подходов, дополненных количественными оценками таких, например, характеристик, как связность, выпуклость и вогнутость, позволит подойти к оценке количества геометрической информации, содержащейся в детали.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАИБОЛЕЕ АКТУАЛЬНОГО НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

Наиболее общие характеристики, определяющие место и перспективы развития любой технологии, - это, с одной стороны, потребность общества в результатах ее применения, а с другой стороны, затраты основных ресурсов - труда, материалов и энергии - для достижения этих результатов. Для технологии формообразования принципиально необратимыми являются затраты живого труда и энергии. Поскольку материалы, затраченные на формообразование, могут регенерироваться, то проблема материалоемкости выпадает из этого общего ряда и будет рассмотрена особо.

В масштабах народного хозяйства в целом относительную значимость трудоили энергосберегающего направлений развития технологии формообразования можно оценить по соотношению потребляемых ею трудовых и энергетических ресурсов, выраженных в виде долей от полного трудо- и энергопотребления в стране.

Оценим долю энергии, потребляемую металлообработкой (формообразованием изделий из металла) во всем энергопотреблении страны. Предполагая, что структуры энергопотребления в промышленно развитых странах не слишком различаются, воспользуемся данными по США.

Согласно [19], в 1987 г. металлообрабатывающая промышленность США израсходовала 1,84 % всей потребляемой в стране энергии (доля потребления всей промышленности составила 37 %). Представление о структуре энергопотребления внутри металлообрабатывающей промышленности могут дать взятые из того же источника сведения по крупнейшему концерну "Дженерал Моторс".

Суммируя затраты энергии на литье, обработку давлением и механообработку, получим, что на формообразование затрачивается от 20 до 30 % всей потребляемой компанией энергии (большая цифра включает в себя затраты энергии на термообработку, которые не отделены от затрат энергии на нагрев деталей перед горячей штамповкой). Отметим,

26

что от всей энергии, затрачиваемой в концерне на операции формообразования, механообработка потребляет всего 10-15 %.

Структура потребления энергии в концерне "Дженерал Моторс"

"Дженерал Моторс" - одна из крупнейших промышленных корпораций США. Полагаем в связи с этим, что структура энергопотребления внутри этой корпорации может считаться достаточно представительной для оценки структуры энергопотребления во всем машиностроении США. Найдем оценку доли энергии, затрачиваемой во всей стране на формообразование изделий из металла. Учитывая, что металлообрабатывающая промышленность потребляет 1,84 % всей энергии в стране, получим, что на формообразование затрачивается 0,37-0,55 % от полного энергопотребления.

27

"Дженерал Моторс" выпускает продукцию в массовом и крупносерийном масштабе, и доля механообработки в процессах формообразования здесь ниже, чем по всей промышленности в среднем. Поэтому можно утверждать, что механообработка потребляет не менее 15 % всей энергии, затрачиваемой на формообразование по стране в целом. Более детальное рассмотрение пропорций поднимает эту оценку до 30 %, т.е. на механообработку затрачивается примерно одна треть всей энергии, используемой в стране на формообразование, что составляет примерно 0,15 % от полного энергопотребления в стране.

Оценим теперь долю трудовых ресурсов, потребляемых технологией формообразования, также взяв за основу данные по США. В этой стране в машиностроении и металлообработке занято примерно 8 % всех работающих. Принимая, что трудоемкость операций формообразования составляет примерно половину всей трудоемкости изготовления изделий [26] получим, что на этих операциях занято порядка 4 % всех работающих в США. Таким образом, можно принять, что в промышленноразвитых странах технология формообразования изделий из металла потребляет порядка 4 % всех трудовых ресурсов.

Для оценки доли потребления технологией формообразования ресурсов материалов воспользуемся данными из работы [5].

Согласно этим данным, в 1977 г. в СССР выплавлено 146,7 млн т стали, из которой получено около 100 млн т готового проката; кроме того, выпущено 16,8 млн т чугунного литья.

За это время в машиностроении и металлообработке переведено в обратимые отходы 20,2 млн т черного металла, что составляет 17% от суммарной массы готового проката и чугунного литья. В стружку при этом перешло 9 млн т, т.е. 7,7 % всего металла.

Данные по необратимым отходам в работе приведены целиком для всего технологического звена потребления металла народным хозяйством: металлургии, литейного производства, машиностроения и металлообработки, поэтому оценка их достаточно приближенная. В среднем по всему технологическому звену необратимые отходы составляют 3,7 % от обратимых.

Приняв эту норму для машиностроения и металлообработки, получим, что отрасль переводит в необратимые отходы 0,75 млн т или 0,63 % всего годового ресурса (116,8 млн т) черного металла.

28

Вышеприведенная оценка касалась технологии формообразования как метода получения изделий заданной формы в машиностроении и металлообработке.

Для реализации этого метода требуются орудия формообразования. В той же работе приводится оценка количества металла, необходимого для ежегодного пополнения парка орудий формообразования в машиностроении и металлообработке, - около 1 млн т.

Таким образом, оказывается, что на пополнение парка орудий формообразования затрачивается ежегодно больше металла, чем необратимо теряется при обработке с помощью этих орудий основного потока материалов.

В связи с этим направление снижения металлоемкости формообразующих машин - станков, КПО и других - оказывается по крайней мере не менее актуальным, чем хорошо всеми сознаваемое, очевидное направление снижения отходов металла при формообразовании.

Ниже сопоставлены полученные автором относительные оценки потребления технологией формообразования основных ресурсов промышленно развитых стран.

Как видно из приведенных данных, в масштабах народного хозяйства первое место занимает в настоящее время трудоемкость технологии формообразования. Поэтому основным направлением ее развития следует признать трудосберегающее. Безусловно, перспективным направлением будет такое, которое позволит снизить трудоемкость технологии формообразования без увеличения ее энергоили материалоемкости.

29

6. РАЦИОНАЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ НИОКР

В предыдущем разделе было показано, что наиболее актуально развитие технологии формообразования в машиностроении и металлообработке в трудосберегающем направлении. Ранее были выявлены зависимости, связывающие трудоемкость каждого из двух основных этапов процесса формообразования со степенью его управляемости (трудоемкость подготовительного этапа снижается с ростом степени управляемости, трудоемкость собственно формообразования повышается с ростом степени управляемости).

Учитывая главенствующее значение критерия трудоемкости и наличие двух взаимно противоположных зависимостей, связывающих трудоемкость со степенью управляемости, можно предположить, что самые разнообразные процедуры оптимизации процессов формообразования любых конкретных изделий имеют одно общее содержание. Оно сводится к тому, что подбирается степень управляемости процесса, обеспечивающая минимум суммарных затрат труда на обоих этапах - подготовительном и собственно формообразования.

Воспользуемся этой общей закономерностью для определения оптимального типа оборудования в зависимости от заданной серийности изготовления изделия.

Для этого построим функцию полной трудоемкости изготовления изделия заданной формы от серийности изготовления, как для управляемого, так и для неуправляемого оборудования.

Трудоемкость подготовительного этапа не зависит от серийности, а только от типа выбранного оборудования - для управляемого она меньше. Соответствующие величины отложены по оси ординат графика на рис. 4. Трудоемкость этапа собственно формообразования каждого отдельного изделия управляемыми методами выше, чем неуправляемыми, поэтому наклон прямой (которой заменена фактически ступенчатая функция) для управляемых методов больше.

Начиная с некоторого значения серийности, неуправляемые методы обеспечивают меньшую суммарную трудоемкость изготовления заданной серии изделий.

30

Трудоемкость

Серийность выпуска

Рис. 4. Зависимость полной трудоемкости изготовления изделия от серийности для управляемого (I) и неуправляемого (II)

оборудования:

1 - мелкосерийное производство; 2 - серийное производство; 3 - крупносерийное производство; 4 - массовое производство

6.1. Мелкосерийное и серийное производство

Как известно, доля машиностроительной продукции (по числу наименований), выпускаемой в условиях мелкосерийного и серийного производства, доминирует до 80 % общего количества продукции машиностроения высокоразвитых стран [20, 21]. Именно это и является причиной преобладания управляемого оборудования (станков) в парке формообразующих машин. Свойство управляемости металлорежущих станков обеспечивает минимум трудоемкости всего процесса получения мелких серий изделий заданной формы.

Нет никаких оснований предполагать, что доля мелкосерийного и серийного производства будет уменьшаться со временем - скорее напротив, просматриваются тенденции к ее увеличению.

Нельзя также рассчитывать, что удастся за исторически короткий срок снизить на порядок затраты живого труда в технологии формообразования, после чего трудосберегающее направление по значимости станет уступать материалосберегающему.

Исходя из этих двух посылок, наибольшие перспективы имеет развитие технологий управляемого формообразования. Они и будут исследоваться ниже.

31

Рассматривая самые разнообразные существующие технологии, которые можно отнести к классу управляемых, следует отметить важную особенность: какие бы физические методы формообразования не использовались в этих технологиях (механическое воздействие, воздействие электрическим током, пучком электронов или лучом света и т.д.), все они принадлежат к одному и тому же классу по топологической классификации DIN 8580: к классу технологий, разрывающих связи. Действительно, в подавляющем большинстве управляемых технологий, используемых в машиностроении, изделие получается путем удаления припуска с твердой заготовки, при этом материал припуска идет в отход.

На наш взгляд, отмеченный факт далеко не случаен. Принципиальная особенность метода, при котором с твердой заготовки удаляется "лишний" металл, состоит в том, что при такой обработке существенно не изменяются объемные свойства материала, заключенного в теле будущего изделия. Поэтому при формообразовании таким методом достаточно управлять лишь поверхностными свойствами. Формообразование же "безотходными" методами - литьем или штамповкой - затрагивает не только поверхностные, но и объемные свойства - необходимо обеспечить заданную структуру материала во всем объеме будущего изделия. Это означает, что при формообразовании этими методами на заготовку должно быть перенесено гораздо большее количество информации, чем простое описание поверхности изделия, как это делается при использовании методов удаления "лишнего" металла.

Кроме того, изменения объемных свойств, как правило, отражаются на изменении свойств поверхностных, т.е. управлять в таком случае необходимо слишком большими, недоступными современной технике потоками информации, касающейся и поверхностных, и объемных свойств.

Согласно классификации по DIN 8580, безотходными могут быть только технологии формообразования, создающие связи или сохраняющие связи (технологии, умножающие связи, не дают общего решения этой задачи).

К сохраняющим связи технологиям относится, например, объемная штамповка. В настоящее время она проводится в жесткой форме, неуправляемо, и трудно представить себе механическую конструкцию, которая позволяла бы произвольно изменять конфигурацию штампа хотя бы в заданных габаритных пределах.