НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Особенности проектирования гибких производственных систем

Макарчук А.Е., ТюмГНГУ, г. Тюмень.

В качестве одного из главных условий развития экономики можно отметить повышение конкурентоспособности продукции. Для этого необходимо повышать производительность, то есть сокращать время всего производственного цикла «проектирование - производство» путем рациональной автоматизации.

Автоматизация в области механической обработки в условиях крупносерийного и массового производства уже давно стала реальностью. Например, в автомобильной промышленности широко используются высокопроизводительные автоматические линии. Однако их недостаток состоит в том, что они предназначены для обработки только одного типа изделий. Вместе с тем мелкосерийное и среднесерийное производство остаѐтся слабо автоматизированным, поскольку сложно создать и внедрить при наименьших затратах средства автоматизации, которые позволили бы повысить производительность при изготовлении изделий различных типов.

Однако, автоматизация мелкосерийного и среднесерийного производства - это проблема, которая затрагивает интересы большинства машиностроительных и металлообрабатывающих предприятий, поскольку около 75% механически обрабатываемых деталей выпускаются сериями менее 50 штук.

Анализ опыта работы отдельных предприятий по внедрению гибких производственных модулей, гибких автоматизированных участков и гибких автоматизированных линий показывает, что при создании принципиально новых технологических процессов на основе современного оборудования, управляемого от ЭВМ, используются устаревшие методы организации производства и управления. Часто гибкие производственные системы работают в опытном режиме, иногда в целях демонстрации предприятия в области робототехники и внедрения гибкого производства. Такое отношение наносит серьѐзный ущерб и для перестройки мелкосерийного производства на основе широкой и комплексной автоматизации производственных процессов. На ряде предприятий ещѐ не полностью осознают то, что гибкая производственная система - это не только новое оборудование и технологические процессы, но и новые методы организации труда и управления производством. Необходимо учитывать при организации работы гибкого цеха или участка то, что трудовые функции человека существенно меняются, так как резко сокращается участие человека в выполнении элементов технологических операций, что связано с возникновением производства с малым объемом обслуживания. В этом производстве функции оператора сводятся к наблюдению, наладке и поднастройке отдельных составляющих гибкой производственной системы.

131

В современной теории организации пока ещѐ довольно слабо разработаны конкретные рекомендации по налаживанию работы подразделений с гибким характером производства. Одним из важнейших факторов, которые определяют успешное решение задач в гибком производстве, является уровень подготовки менеджеров, инженерно-технических работников и рабочих. Темпы решения народнохозяйственной задачи по интенсификации широко номенклатурного производства на базе комплексной автоматизации сдерживаются из-за низкого уровня знаний в областях микропроцессорной техники, электроники, ЭВМ, технологии гибкого автоматизированного производства. Назрела серьѐзная необходимость в создании широкой сети курсов переподготовки работников промышленности и научных учреждений, задачей которых является систематизация знаний по проблемам гибкого автоматизированного производства. Следует особое внимание уделить организационному проектированию. Организационные принципы проектирования должны предусматривать как разработку собственно оргпроекта гибкой производственной системы, так и общую организацию проектных работ, начиная от получения заявки заказчика и заканчивая проектной документацией.

Технологической основой проекта гибкого производства является организация группового технологического процесса обработки деталей. Технологическая подготовка производства на предпроектной стадии позволяет обосновывать технико-экономические показатели системы и составить техническое задание на еѐ проектирование.

Необходимо предусмотреть также имитационное моделирование технологических процессов гибкой производственной системы с целью определения еѐ оптимальной структуры, рационального состава технологического оборудования, принятия оптимальных схемотехнических решений по проекту гибкой системы. Разработанные технические предложения в дальнейшем будут являться основой для детальной разработки комплексного оргпроекта и технического проекта гибкой производственной системы.

Комплексный оргпроект должен учитывать общие функции управления, связанные с прогнозированием, планированием, координацией, регулированием, контролем, учетом, анализом и отчетностью, а также внутренние функции, которые характеризуют этапы работы с информацией: сбор, передача, обработка, выдача, хранение и анализ. Разработка оргпроекта гибкой производственной системы невозможна без привлечения большого числа специалистов для выполнения большого объема разнообразных проектных работ.

Из всего вышеизложенного, можно сделать следующий вывод, что курс на интенсификацию машиностроительного производства, повышения его конкурентоспособности требует не только применения современного оборудования с числовым программным управлением, промышленных ро-

132

ботов и микропроцессорной техники, но и перестройки психологии и умов ученых, менеджеров, инженерно-технических работников и рабочих на базе принятия новых организационно-технических решений на основе системного подхода, а также повышения культуры производственных отношений.

Научный руководитель : Барбышев Б.В., доц., к.т.н.

Исследование свойств армирующего и связующего компонентов стеклопластиков

Максимович С.Д., ТюмГНГУ, г. Тюмень

На практике композиционные материалы не обязательно являются двухкомпонентными. В композитах одновременно могут присутствовать разнородные волокна и матрицы. Если в композите с матрицей одного типа присутствуют разнородные по составу армирующие компоненты, тогда гибридный материал называют поливолокнистым или полиармированным. Гибридные композиционные материалы необходимы для устранения недостатков волокон одного типа за счет включения в состав материала волокон другого типа, снижения цены композиционного материала за счет включения в состав некоторой доли более дешевых компонентов. Следовательно, подбирая материал компонентов, можно целенаправленно управлять свойствами композитов. Путем изменения содержания волокон различного типа можно эффективно влиять на модуль упругости, прочностные свойства, вязкость, тепловые характеристики гибридных композиционных материалов.

Стекловолокна придают композиту прочность, а связующее скрепляет волокна вместе, распределяя нагрузки по всей конструкции, защищая от воздействия окружающей среды. Стекло является аморфным материалом, занимающим промежуточное положение между твердым телом и жидкостью. С одной стороны, оно не обладает кристаллической структурой твердого тела, с другой – не обладает текучестью, проявляющейся в жидкостях. Применение стекловолокон определяется их свойствами. Жаростойкость позволяет их использовать в области высоких температур. Стекловолокна не собирают влагу, не набухают, сохраняют повышенные прочностные свойства в среде с повышенной влажностью. Стекловолоконные ткани изготовляют из ровинга (грубые ткани толщиной 0,8-1,3мм) либо из нитей, получаемых предварительной круткой стренг. Номенклатура тканей весьма широка. Их свойства зависят от способа переплетения нитей, плотности исходной пряжи и других параметров. В процессе переработки стеклянных волокон заметно снижаются прочностные характеристики изделий. В частности, некрученые нити и жгуты позволяют реализовывать в гото-

133

вых изделиях до 75% прочности элементарных волокон, крученые – до 60%, а в тканях этот показатель еще ниже.

Арамидные (кевларовые) волокна обладают уникальными свойствами. У них самые высокие показатели прочности и модуля упругости. Их удельная прочность и модуль упругости превосходят аналогичные показатели стекловолокон. Кроме того, они не столь хрупки, как стеклянные и углеродные волокна. Волокна устойчивы к пламени, сохраняют высокие механические свойства при криогенных температурах. Они очень стабильные в химическом отношении материалы, весьма устойчивые к действию различных щелочных и кислотных сред, растворителей, включая соляную и плавиковую кислоты, ацетон, этиловый спирт, керосин, минеральные масла. Арамидные волокна пригодны для ткацкой обработки на обычном ткацком оборудовании.

Углеродные (графитовые) волокна отличаются высокими физикомеханическими свойствами. Вместе с тем характерными нарушениями их структуры являются дефекты – пузырьки, трещины, поры, имеющие иглоподобную форму и ориентированные вдоль оси волокна. Благодаря наличию дефектов, прочность углеродных волокон зависит от длины образца – уменьшается с увеличением длины.

Выбор связующего определяется условиями изготовления изделия и его эксплуатацией. Применение эпоксидных смол в качестве связующего при формовании крупно габаритных изделий различными способами с применением стекловолокнистых наполнителей дает положительные результаты.

Эпоксидные смолы могут иметь различные составы. Перед отверждением они представляют собой линейные полимеры с небольшой молекулярной массой. Их отверждение проводят с помощью полиамидных или полиаминных катализаторов. При этом активные группы отвердителя реагируют с эпоксидными или гидроксильными группами смолы, в результате чего образуется трехмерная полимерная сетка.

Механические свойства эпоксидной смолы зависят от ее состава и типа отвердителя. Эпоксидные смолы жестче, прочнее и с высокой теплостойкостью, чем полиэфиры.

На основе эпоксидных смол изготовляют компаунды горячего и холодного отверждения, которые представляют собой композиции эпоксидной смолы, отвердителя, наполнителя и пластификатора. Эти компаунды влагостойки и выдерживают длительное и нагревание до 120 – 1300С. Эпоксидные смолы широко применяются для получения лакокрасочных покрытий. В этих случаях смола отверждается уже в виде нанесенной пленки. Практически по всем параметрам эти смолы обеспечивают самые высокие показатели клеевого шва и прочности. В настоящее время разработаны смолы, не содержащие вредных для здоровья веществ и не выделяющие при отверждении фенола. Смолы обладают крайне малой усадкой.

134

Часто эпоксидная смола используется в качестве химически стойкого барьерного слоя стеклопластиков, т. к. обладает очень низким водопоглощением (менее 0,5%). Современные эпоксидные смолы могут обладать низкой вязкостью и контролируемым временем отверждения.

Сочетание стекловолокна и эпоксидной смолы образует композиционный материал называемый стеклопластиком. Данный материал хорошо работает при вибрационных нагрузках и обладает хорошей демпфирующей способностью. Длительная прочность стеклопластиков зависит от их состава и внешних условий (влаги, температуры, напряжения). Лучшие свойства имеют стеклопластики на основе эпоксидных и фенолоформальдегидных смол. Недостатком стеклопластиков является сравнительно невысокий модуль упругости Е = 20 - 58 ГПа. Однако по удельной жесткости (Е / ) они не уступают сталям, алюминиевым сплавам и титану, а по удельной прочности (ζв/ ) при растяжении превосходят металлы. Из всех полимерных композиционных материалов они являются самыми дешевыми, что оправдывает их использование. Внешний вид изделий также влияет на применение этих композитов.

Таким образом, стеклопластики являются конструкционными материалами, применяемыми для силовых изделий в различных отраслях техники (несущие детали летательных аппаратов, кузова и кабины автомашин, автоцистерны, железнодорожные вагоны, корпуса лодок, судов). Из стеклопластиков изготовляют корпуса машин, кожухи, защитные ограждения, вентиляционные трубы, бачки, рукоятки, контейнеры и многое другое.

Существует много способов изготовления стеклопластиковых изделий, большинство из которых требует минимальных вложений в оборудование. Например, для ручного формования потребуются только матрица и небольшой набор ручных инструментов (прикаточные валики, кисти, мерные сосуды и т.д.). Матрица может быть изготовлена практически из любого материала, начиная с дерева и заканчивая металлом. В настоящие время широкое распространение получили стеклопластиковые матрицы, которые имеют сравнительно небольшую стоимость и длительный срок службы.

Стеклопластики обладают высокой ремонтопригодностью. При повреждении поверхности изделий (трещины, сколы, промоины и т. д.) ремонт производится в кратчайшие сроки (методом напыления рубленого волокна, либо наложением на повреждѐнные места стеклоткани, пропитанной смолой). После ремонта стойкость конструкции увеличивается из– за дополнительного слоя стеклопластика.

Литература 1. А.А.Батаев, В.А.Батаев. «Композиционные материалы» (строе-

ние, получение, применение), - М.: Логос, 2006.- 400с.

135

2. Ф.Мэттьюз, Р.Ролингс. «Композиционные материалы. Механика и технология», - М.: ТЕХНОСФЕРА, 2004.- 408с.

Научный руководитель: Золотарева Е.В., старший преподаватель

Диагностика величины износа режущего инструмента при механообработке на токарных станках с ЧПУ

Малышев Е.А., ТюмГНГУ, г. Тюмень

Конкурентоспособность современного машиностроительного производства и его продукции определяется технологическими возможностями обеспечения изготовления изделий высокого качества. При этом решающим фактором увеличения эффективности производства становится использование технологий, обеспечивающих повышение размерной точности, производительности, качества обработки и эффективности использования режущего инструмента при точении на станках с программным управлением.

Вэтой связи важной задачей является определение периода стойкости и времени замены металлорежущего инструмента при точении на токарных станках с ЧПУ.

При осуществлении процесса лезвийной обработки материалов износ режущего инструмента динамически нарастает, что сопровождается изменение его геометрии – появляется фаска износа по задней поверхности, округляется режущая кромка.

Наиболее часто износостойкость лезвийного инструмента оценивается периодом стойкости Т. На периоде стойкости существуют различные

показатели износостойкости: длина пути резания LT, площадь обработанной поверхности FT, объем удаленного припуска WT, количество обработанных деталей QT. При этом практически всегда, даже для торцевого точения, допускается, что при резании с заданными режимными параметрами на периоде стойкости сохраняются неизменными условия обработки.

Вдействительности состояние системы резания на периоде стойкости далеко не постоянно. Разнообразные процессы, действующие на технологическую систему станка в процессе механообработки, в основном носят случайный характер. Поэтому в настоящее время нет достаточно надежных расчетных моделей, описывающих механизм изнашивания, позволяющих осуществлять достоверный прогноз времени замены металлорежущего инструмента в реальных условиях обработки.

Изнашивание режущего инструмента - процесс, осуществляющийся во время непрерывной работы станка и протекающий со средней скоростью.

Из анализа зависимости:

136

(1)

следует, что в установившемся процессе резания, т.е. при заданной глубине резания t, заданной скорости подачи s, заданной твердости материала HB на величину осевой составляющей силы резания Px основное влияние оказывает комплексный коэффициент Cx, характеризующий условия обработки, т.е. геометрию режущего инструмента, скорость резания и т.д. [2].

Таким образом, для определения текущей величины износа режущей кромки инструмента в процессе механообработки необходим непрерывный контроль такого изменяющегося параметра, как составляющая силы реза-

ния Px.

Определение усилия резания существующими в настоящее время методами, в связи с различного рода техническими трудностями, достаточно сложно реализовать в условиях производства. Это приводит в первую очередь к снижению жесткости системы СПИД, необходимости преобразования аналоговой величины измеренного сигнала в цифровой код и т.д.

На кафедре «Технология машиностроения» ТюмГНГУ разработан и экспериментально подтвержден метод определения величины силы резания, основанный на определении в следящем приводе рассогласования между заданным Zзад. и действительным Zфакт. значением перемещения рабочего органа в процессе обработки на станке с ЧПУ:

Этот метод не требует установки в технологическую систему станка дополнительных средств измерения и осуществляется программным способом.

Составляющая силы резания Px определяется исходя из аналитический зависимости для рассогласования следящего привода в установившемся режиме слежения [3]:

где az, bz - обобщенные коэффициенты, учитывающие параметры электропривода и преобразование составляющей силы резания Px в момент сопротивления на валу двигателя привода продольной подачи, F – текущая величина подачи. Для определения параметров az, bz используется экспериментальное исследование характеристик следящего привода, при этом

составляющая силы резания Px имитируется нагружением ИРО станка в продольном направлении [3].

Результаты статистической обработки экспериментального определения зависимости рассогласования в следящем приводе продольной подачи токарного станка с ЧПУ 16 20Ф3 представлены семейством характеристик Z f (PX , F) на рисунке 1, при этом составляющая силы резания Px

Определение величины износа режущего инструмента токарного станка с ЧПУ в реальном масштабе времени в процессе механообработки осуществляется по следующему алгоритму:

1.Определяется текущая составляющая силы резания Px с учетом индивидуальных параметров электропривода продольной подачи согласно зависимости 4.

2.Рассчитывается теоретическое значение составляющей силы резания Px. теор. в соответствии с формулой 1.

3.Определяется текущая величина износа режущего инструмента

как U = Px - Px. теор.

4. Система ЧПУ информирует пользователя о работоспособности (величине текущего износа) режущего инструмента.

Предложенная методика позволяет решать такие актуальные для машиностроения задачи, как диагностика текущей величины износа металлорежущего инструмента в процессе механообработки на токарных станках с ЧПУ, а также повысить производственную точность и качество обработки за счет более эффективного использования режущего инструмента, своевременной его замены с целью восстановления работоспособности технологической системы.

Литература

1.Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.1/ Под ред. Косиловой А.Г. и Мещерякова Р.К. – 4-е изд. – М.: Машиностроение, 1985.- 656с.

2.Иванов В.А., Новоселов В.В., Некрасов Ю.И., Шаходанов Ю.И. Технологическое обеспечение точности и математическое моделирование процессов механообработки в машиностроении. – Тюмень 2001.- 182с.

3.Проскуряков Н.А., Некрасов Р.Ю., Путилова У.С. Взаимосвязь параметров силового нагружения при резании и рассогласования положения в следящих приводах токарных станков с ЧПУ./ Повышение качества продукции и эффективности производства. Материалы Международной научнотехнической конференции./- Вып.2.-Ч.1. – Курган: Изд-во Курганского гос.

ун-та, 2006.- 202с.

Научный руководитель: Проскуряков Н.А., к.т.н.

138

Проектирование участка по производству изделий из льда

Матов А.С., Стариков А.И., ТюмГНГУ, г. Тюмень

Лед является одним из красивейших природных явлений. А ледяные скульптуры в совокупности с «правильной» подсветкой, могут изысканным и необычным украшением. Возможности изготовления изделий из льда огромные. Украшением праздников становятся ледяные животные, цветы, тематические композиции, уменьшенные копии архитектурных памятников. Изо льда также делают вазы под цветы и фрукты, корзины для подачи шампанского, которые помещаются на праздничном столе.

Рис. 1. Ледяные скульптуры

Для изготовления скульптуры может использоваться как природный, так и искусственный лед. Глыбы природного материала выпиливаются с помощью ручной или бензопилы из ледяного покрова различных, желательно не проточных водоемов, глубина которых должна превышать 50 см, поскольку стандартная величина ледяных блоков - 90 × 50 × 30 см. Добывать естественный лед опасно, т.к. окружающий лед может не выдержать глыбу и проломиться. Необходимой толщины лед в природных водоемах достигает, к концу декабря - началу января. Поэтому, если вы хотите украсить свой сад ледяными скульптурами уже независимо от сезона, целесообразнее использовать искусственный материал.

Искусственный водный лед получают с помощью льдогенераторов трубчатого типа, где лед образуется внутри труб вертикального кожухо-

139

трубного испарителя, в межтрубном пространстве которого кипит жидкий аммиак. Однако, полученный этим способом лед, рамеры недостаточны для создания ледяных фигур.

Рис. 2. Производство искусственного блочного льда

В зависимости от формы и массы искусственный лед бывает блочный (5-250 кг), чешуйчатый, прессованный, трубчатый, снежный. Льдогенераторы производят от 60 до 5000 кг/сут такого льда.

Участок по производству льда и изделий из него состоит из: 1. машина получения чистого газообразного диоксида углерода; 2. машина сжижения газообразного диоксида углерода до образования снегообразной массы; 3. прессовое оборудование; 4. хладохранилище; 5. станок для раскроя с ЧПУ; 6. обрабатывающий центр с ЧПУ; 7. склад готовой продукции.

Научный руководитель: Стариков А.И.

Исследование диффузионной сварки стали 15Х5М

Минкевич В.А., Уразов Р.Ф., Файрушин А.М., УГНТУ, г. Уфа

Актуальной задачей для машиностроительных предприятий на сегодняшний день является применение недорогих и надежных материалов при изготовлении нефтегазового и нефтеперерабатывающего оборудования. К разряду таких материалов можно отнести жаропрочную сталь мартенситного класса 15Х5М, которая при своей невысокой стоимости обладает хорошими прочностными и антикоррозионными свойствами при высоких температурах.

Учитывая все положительные технологические и эксплуатационные свойства этой стали, очевидна необходимость ее применения. Но на данный момент использование стали 15Х5М затруднено сложностью сбороч- но-сварочного процесса при изготовлении нефтеперерабатывающего и теплооб-менного оборудования.

Особенностью выполнения сварного соединения из данной стали является наличие хрупких участков металла с мартенситной структурой, ко-

140