Махаринский Е. И., Беляков Н. В.

 

 

Одним из направлений развития процесса технологической подготовки машиностроительного производства в условиях рыночных отношений и растущей конкуренции является автоматизация проектирования изделий и технологических процессов их изготовления. Однако, несмотря на многочисленные исследования в области формализации проектирования технологических процессов механической обработки заготовок и созданию теоретических основ функционирования систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП) (Горанский Г.К., Горелик А.Г., Ярмош Н.А., Капустин Н.М., Корчак С.Н., Старостин В.Г., Лелюхин В.Е., Челищев Б.Е., Митрофанов В.Г., Норенков И.П., БазровБ.М., Соломенцев Ю.М., Цветков В.Д. и др.) в настоящее время:

 

1.       В серийном производстве такие детали, как корпусы, кронштейны и т.п., чаще всего относят к числу оригинальных, и на них проектируется индивидуальная технология, преимущественно операционная.

2.       В единичном и мелкосерийном производстве при неавтоматизированном проектировании разработки индивидуальных технологических процессов выполняются на крупные оригинальные детали. Для средних и мелких деталей такие разработки не выполняются из-за большого разнообразия деталей и ограниченного числа технологов-проектировщиков. В этом случае на оригинальные детали разрабатывается только маршрутный технологический процесс, что нередко приводит к ошибкам.

3.       Методика и формальные процедуры проектирования индивидуальных технологических процессов корпусных деталей методом синтеза (включает такие трудноформализуемые разделы, как назначение схем базирования, схем установки, выбор маршрута и основных технологических операций, выбор условий обеспечения заданной точности обработки и др.) разработаны не до конца. Принятие проектных решений часто основывается на опыте и интуиции проектировщика. Поэтому для деталей данного класса нет работоспособных САПР ТП, позволяющих выполнять указанные процедуры в автоматическом режиме. В промышленности, как правило, работают системы адресации по техпроцессу-аналогу для однотипных деталей.

 

Вследствие этого разработка теоретических основ, методик и программных продуктов синтеза проектных решений является актуальной задачей, решение которой даст возможность повысить производительность труда в сфере подготовки производства корпусных деталей машин, а также повысить качество проектирования технологических процессов их изготовления.

 

В настоящей работе предлагаются структурные модели и методики выполнения процедур синтеза теоретических схем базирования и схем установки, выбора порядка выполнения переходов и смены баз внутри каждого этапа технологического процесса изготовления корпусных деталей.

 

Информационно-технологическую модель детали и заготовки на этапах обработки предлагается формировать (на основе принципов организации производства по концепции модульной технологии) с помощью комплексных функциональных модулей (ФМ) и технологических регламентов их обработки. Под комплексным понимается ФМ оптимальной сложности и наивысших показателей качества (Таблица 1). ФМ менее сложной формы формируются методом адресации.

 

Для иллюстрации методики проектирования индивидуального маршрута обработки заготовок корпусных деталей машин на рис. 1 представлен эскиз корпусной детали, с нумерацией поверхностей и буквенным обозначением размеров.

  

 

 

 

 

 

Рис. 1. Эскиз детали с нумерацией поверхностей и обозначением кодов размеров.

 

Деталь состоит из четырех функциональных модулей, образующих основную и вспомогательные сборочные базы (два модуля – ОВБ1, один ОВБ3, один ОВБ6), одного крепежного модуля и ряда объединительных модулей. Методом адресации из комплексных модулей ОВБ1 и ОВБ3 можно получить модули, представленные на рис. 2. Используя схемы снятия припуска и технологические регламенты обработки ФМ (таблица 2), можно получить модели ФМ на разных этапах обработки, а также список переходов обработки ФМ (в зависимости от заданных параметров точности и шероховатости), которые необходимо выполнить внутри этапов. Назначение маршрута обработки ФМ может также осуществляться с помощью синтеза возможных вариантов на основе моделирования состояния показателей качества поверхностей на этапах [1].

 

Табл. 1. Элементы классификатора комплексных функциональных модулей корпусных деталей машин по служебному назначению.

 

ОВБ1	ОВБ3
…	…
ОВБn-1	ОВБn
…	…

 

 

Табл. 2. Структура технологических регламентов обработки ФМ

 

N перехода	Код ФМ
1 2 … n-1 n	N1(1)	АВ1	Н1	М1	К1
	N2(1)	АВ2	Н2	М2	К2
	…	…	…	…	…
	Ni(j-1)	АВn-1	Нn-1	Мn-1	Кn-1
	Ni(j)	АВn	Нn	Мn	Кn

 

где 

N – код снятия j-того припуска с i-той поверхности; АВ – набор кодов, характеризующих наименование перехода (А – код наименования перехода, В – код вида перехода и его точности);  Н – код вида режущего инструмента и его размерной характеристики); М – код фрагмента управляющей программы для станков с числовым программным управлением; К – код этапа типовой схемы изготовления корпусной детали, куда распределен переход.

 

Распределение переходов по этапам типовой схемы обработки (код K технологического регламента), является первым шагом их упорядочения во времени.

 

1ОВБ1

 

2ОВБ1

 

1ОВБ3

 

 

Рис. 2. Некоторые ФМ рассматриваемой детали.

Для формирования комплектов баз и порядка обработки поверхностей внутри этапов типовой схемы обработки при ручном проектировании технологии с помощью формальной методики необходимо:

 

1. Для каждого этапа механической обработки (как правило, предварительного, чистового и отделочного) построить модель заготовки, на которой будут выделены все обрабатываемые поверхности этапа, обозначены припуски на механическую обработку и перенесены размерные связи и допуски относительных поворотов с чертежа детали. Такой подход необходим для того, чтобы уменьшить число звеньев технологических размерных цепей.

 

2. Сформировать графы размерных связей и графы угловых расположений обрабатываемых поверхностей по отношению к обрабатываемым поверхностям и угловых расположений обрабатываемых поверхностей по отношению к необрабатываемым для каждого этапа. Графы строятся по разработанным формальным правилам в зависимости от типа поверхностей, их характера (скрытая, явная), взаимной ориентации (симметричность, соосность, расположение под углом), а также с учетом ряда ограничений по возможности совместной обработки.

 

На рис. 3 приведена модель заготовки на предварительном этапе, графы размерных связей и угловых расположений поверхностей внутри предварительного этапа типовой схемы обработки. Индексы в буквенных обозначениях соответствуют: з - заготовка, п - предварительный этап.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

2	10	8	11 о28	19	о38 2	о34 8 10
11 о22пс о22п 11 о38пс о38п 11 19 10	8 23 о22п о38пс 23 о22п 8 11 о38п 8 о34 о34п о38пс о38п 11	10 23 о22п 10 11 о38п 10 о34 о34п	23 о22пс о22п 23 о38пс о38п 2 о22пс о22п 2 о38пс о38п о34 о22пс о22п о34 19 о38пс	о38п о22пс 23 о38пс о38п 11 о34 о22пс 23 о34 о38пс 11	о22пс о22п 23 о22пс о22п 11 10 о22п 23 о22пс 19 23 10 19 23 10 19 11 о28 о28п 11	11 19 о22пс 11 19 о38пс 11 19 10

 

Рис. 3. Модель заготовки, соответствующие графы и таблица комплектов баз на предварительном этапе

 

На графах двойной окружностью обозначаются необрабатываемые (исходные) поверхности этапа. Для отверстий и наружных цилиндрических поверхностей на графе отмечены только их оси, так как именно они участвуют в образовании комплектов технологических баз.

 

3. Определить всевозможные комплекты проектных операционных технологических баз (ТБ) этапа. Эти комплекты определяются с помощью совместного анализа указанных выше графов размерных связей и угловых расположений поверхностей.

 

Таблицы комплектов формируются следующим образом. Номер обрабатываемой поверхности (главной плоскости или оси обрабатываемой поверхности ФМ) отыскивается на графе размерных связей (по одной оси для плоской поверхности, по двум осям для оси). Для облегчения восприятия информации на рис. 3 индексы з и п в графах и таблицах комплектов не указаны, однако при автоматизации процедуры их необходимо учитывать.

 

Определяются связи обрабатываемой поверхности с другими ближайшими поверхностями на графах размерных связей, которые назначаются технологической базой. Для плоских поверхностей при помощи графов угловых расположений комплект ТБ дополняется двумя поверхностями, а для оси одной.

 

Так, например, для плоскости 2 предварительного этапа с помощью графов размерных связей по осям базой назначается поверхность 11 и дополняем ее до комплекта с помощью графа обрабатываемых поверхностей к необрабатываемым поверхностям поверхностями о22_пс о22_п, а с помощью графа обрабатываемых поверхностей к обрабатываемым поверхностям поверхностями о38_пс о38_п и 19 10.

Все возможные варианты комплектов для обработки всех поверхностей заносятся в таблицу комплектов ТБ (см. рис.3).

 

 Следует отметить, что варианты комплектов баз можно определять с помощью совместного анализа только графов размерных связей. При этом для обрабатываемой плоской поверхности комплект ТБ дополняется двумя поверхностями с графов размерных связей по двум другим осям, а для обрабатываемой оси – одной. Однако такой метод не учитывает ряд ограничений по совместной обработке, требует специальных правил для построения графов поверхностей расположенных под углом, специальных алгоритмов анализа поверхностей, а также имеет меньшую наглядность при ручном проектировании.

 

4. Для первой операции этапа определить исходные ТБ. Для решения задачи равномерности снятия припуска в качестве комплекта баз на первой операции этапа принимаются именно те поверхности, на которых необходимо обеспечить равномерное распределение припуска.

 

Для решения задачи обеспечения относительного расположения обрабатываемых и исходных поверхностей этапа комплект ТБ на первой операции этапа должен состоять из поверхностей, обработанных на предыдущем этапе (или необрабатываемых вовсе для первой операции обработки) и необрабатываемых на данном этапе (исходные поверхности этапа). Таким образом, в столбцах таблиц комплектов необходимо отыскать одинаковые комплекты, состоящие из исходных поверхностей этапов, для обработки наибольшего числа поверхностей и проверить возможность обработки этих поверхностей за один установ на технологическом оборудовании. Пусть, для примера, проектируется операция для условий серийного производства с условием максимальной концентрации переходов. (Имеются широкоуниверсальные фрезерно-сверлильно-расточные станки с ЧПУ оснащенные поворотными столами). Тогда (например, на предварительном этапе) имеется возможность за один установ от комплекта баз 23 о22пс о22п обработать одновременно поверхности о38 2 11 о28.

 

Если исходных поверхностей нет, то в комплект баз на первой операции этапа выбираются поверхности, от которых можно получить базы для обработки большего числа других поверхностей. От исходного комплекта также необходимо стремиться обрабатывать главную поверхность ФМ образующего основную сборочную базу. При синтезе порядка обработки необходимо выделять поверхности, которые можно обработать от настроечных баз. Под настроечной базой понимается номинальная поверхность, по отношению к которой ориентируются обрабатываемые поверхности, связанная с этими поверхностями непосредственными размерами и относительными поворотами и образуемая при одном установе (от одной теоретической схемы базирования) с рассматриваемыми обрабатываемыми поверхностями. Разработан алгоритм их формального определения по таблицам комплектов.

       

5. Определить базы для обработки других поверхностей. Для этого в столбцах таблиц отыскиваются одинаковые комплекты, состоящие из поверхностей обработанных от исходных ТБ. От этих комплектов также обрабатываются соответствующие поверхности. Например, для предварительного этапа от комплекта 11 о38пс о38п можно обработать поверхности 19 и 10. И так далее пока не будут отобраны комплекты для обработки всех остальных поверхностей. Так для предварительного этапа от комплекта о22_пс о22_п 23 можно обработать поверхности 11, о28, о27, о38, 2. От комплекта 11 о38_пс о38_п поверхности 10, 19. От комплекта 10 19 11 поверхности о34, 8. Возможны и другие варианты, однако, окончательный выбор маршрута осуществляется на стадии выбора оборудования [2].

 

Разработка модели установки заготовки разбивается на следующие стадии:

 

1.       разработка теоретической схемы базирования (определение числа связей, накладываемых компонентом комплекта баз);

2.       разработка теоретической схемы установки;

3.       разработка (или выбор) конструктивной модели приспособления.

 

Основами методики разработки теоретической схемы базирования являются следующие положения:

·         ориентация главных поверхностей функционального модуля относительно комплекта технологических баз задается необходимым и достаточным набором показателей (т.е. – размеры и относительные повороты; заданные допуски относительных поворотов не должны дублировать друг друга);

·         при проектировании схемы базирования необходимо в первую очередь обеспечить точность относительных поворотов, а затем только линейных размеров;

·         точность относительных поворотов обеспечивают: установочная, направляющая, двойная направляющая базы и сочетание двойной опорной и опорной баз;

  

 

 

 

Рис. 4. Иллюстрация некорректного задания допуска параллельности оси и схема распределения полей допусков перпендикулярности и параллельности относительно баз А и Б 

 

·         вид компонента технологической базы назначается в зависимости от требуемой точности расстояний и относительных поворотов главной оси или плоскости обрабатываемого ФМ. Чем выше точность, тем больше связей должна накладывать технологическая база.

 

Поясним первый принцип более подробно. При задании допусков относительного расположения должны выполняться условия неизбыточности информации, т.е. поля допусков не должны дублировать друг друга. Так, например, допуск параллельности оси, указанный на рис. 4 пунктирной линией некорректен и избыточен. Достаточно задать лишь допуск перпендикулярности оси, либо допуски параллельности оси относительно двух плоскостей. Задав допуск перпендикулярности относительно базы А мы однозначно задаем допуск относительного поворота. Поле допуска параллельности относительно базы Б может лишь дублировать поле допуска перпендикулярности в одном координатном направлении (рис. 4)

 

Совокупность комплектов технологических баз корпусных деталей машин, относительно которых возможны различные варианты угловой и размерной ориентации обрабатываемых поверхностей следующая: три взаимно перпендикулярные плоскости; плоскость и две оси, одна из которых перпендикулярна плоскости, а вторая параллельна; плоскость и две оси перпендикулярных данной плоскости; две плоскости и ось перпендикулярная одной из плоскостей (См. табл. 3).

 

Вид компонента комплекта можно назначить, определив однозначность ориентации оси или плоскости ФМ относительно комплекта. (Таблица 4). В этом случае просто составить формальные правила определения вида компонента.   

 

 

 

Рис. 5. Иллюстрация назначения комплекта баз по алгоритму О21

 

Так, например, алгоритм О21 гласит: если существует комплект технологических баз состоящий из двух взаимно перпендикулярных плоскостей P_i^P_j и оси (O_l^P_j)Ù(O_l//P_i) перпендикулярной одной из них (параллельной другой) и задан допуск перпендикулярности оси O₂₁ относительно плоскости P_i, а допуск линейного размера относительно P_j меньше допуска линейного размера относительно O_l, то плоскость P_i назначается установочной базой, плоскость P_j направляющей, ось O_l опорной. Если допуск линейного размера относительно P_j больше допуска линейного размера относительно O_l, то плоскость P_i назначается установочной базой, ось O_l направляющей, плоскость Pj опорной базами. В частном случае, если плоскость P_i совпадает с осью O_l, то ось O_l назначается двойной направляющей, базой плоскости P_i и P_j назначаются опорными базами. (Рис. 5)

 

Табл. 3. Комплекты проектных операционных технологических баз 

 

 

1		3
2		4

 

 

Табл. 4. Элементы таблицы однозначности ориентации  

 

Обозначение	Достаточно определить	Формула ориентации
О10	перпендикулярность оси к одной из плоскостей и координаты точки на оси относительно системы координат комплекта, проходящей по плоскостям
О11	параллельность оси относительно двух плоскостей комплекта и координаты точки на оси относительно системы координат комплекта, проходящей по плоскостям
…	…	…
О21	перпендикулярность оси плоскости комплекта параллельной оси и координаты точки на оси относительно системы координат комплекта.
…	…	…

 

Или в символьном виде:  

 

 

 

 

 

 

где: T^O₂₁, TX, TY  – численное значение допусков относительных поворотов и линейных размеров; УСТ, НАПР, ОПР, ДВНАПР – вид компонентов комплекта технологических баз. Базовые поверхности и численные значения допусков в случае неявного задания допуска относительного расположения определяются с помощью ГОСТ 25069-81 на неуказанные допуски взаимного расположения.

 

В том случае, если относительно комплекта сориентировано несколько поверхностей, то компоненты комплекта назначают по более жестким допускам.

 

Для поверхностей 10 и 19 (Рис. 3) обрабатываемых на предварительном этапе комплектом баз является две плоскости и ось лежащая в одной из этих плоскостей (комплект №2). Допуск перпендикулярности поверхности 19 относительно 11 – 0.08 на длине 216 мм, а 19 относительно о38_пс – 0.4 на длине 282 мм., и допуск параллельности 19 относительно о38п – ±0.14 на длине 216мм. Допуск перпендикулярности поверхности 10 относительно 11 – 0.25 на длине 120, а 10 относительно о38_п – 0.3 на длине 180, и допуск параллельности 10 относительно о38_пс –±0.05 на длине 120. Если привести указанные допуски в заданном координатном направлении к одной длине, то получаем: 11 – установочная база, о38 – двойная опорная, а о38_пс – опорная.

 

В таблице 5 представлена часть варианта технологического процесса для детали с указанием теоретических схем базирования, спроектированного с помощью рассмотренной методики.

 

С помощью методики структурного синтеза состава компонентов теоретической схемы установки по известной теоретической схеме базирования [3] можно выдавать задание на проектирование или выбор оснастки. Согласно ГОСТ 3.1107-81 «Опоры, зажимы, и установочные устройства. Графические обозначения» на данном этапе выбирается вид установочных, установочно-зажимных и зажимных элементов.

 

Для структурного синтеза состава компонентов схемы установки из таблицы соответствия технологической базы установочному компоненту с помощью таблицы сокращения вариантов (см. табл. 6) отбирается сочетания установочных компонентов для реализации проектных баз комплекта технологических баз.

 

Табл. 5. Теоретические схемы базирования заготовки

 

005 Предварительный	010 Предварительный
015 Предварительный	025 Чистовой
…	…

 

При выборе вариантов технических решений с помощью таблицы сокращения вариантов учитываются следующие ограничения: тип производства, габариты и масса обрабатываемой детали, показатели качества базы, поверхность базирования (наружная, внутренняя, явная, скрытая), тип поверхности, условия эксплуатации. Критериями предпочтения при выборе промежуточных и окончательных решений являются интегральные показатели себестоимости схемы установки на основе разработанных таблиц коэффициентов себестоимости установочных, установочно-зажимных компонентов.

 

Табл. 6. Элементы таблицы сокращения вариантов

 

 

где Тр 1.1- плоская поверхность корпуса приспособления, Тр 1.2- две опорные пластины

и т.д.

 

Разработано программное обеспечение синтеза информационно-технологической модели корпусной детали из функциональных модулей и технологических регламентов в среде SolidWorks, а также пакет прикладных программ проектирования по методике.

 

Разработки в виде методик и программных продуктов прошли апробацию и внедрены на ОАО «ВИЗАС», ОАО «Витебский приборостроительный завод» (г. Витебск), РУПП «Красный борец» (г. Орша), а также в учебном процессе на кафедре «Технология и оборудование машиностроительного производства» Витебского государственного технологического университета.

 

Системно-структурные модели и формальные процедуры индивидуального проектирования технологических процессов изготовления корпусных деталей машин, за счет оптимального сочетания методов адресации и синтеза, оптимальной декомпозиции продукта производства и процесса проектирования, соблюдения принципов достаточности информации, минимума альтернатив и достаточной вероятности дают возможность обеспечить высокий уровень универсальности и гибкости систем автоматизированного проектирования, разработанных на их основе.

 

 

Литература

 

1.       Беляков Н.В. Алгоритм формирования маршрута обработки типовых компонентов деталей машин // Молодежь и наука на пороге 3 тысячелетия. Мозырь: МГПИ им. Н.К. Крупской, 2001.– с.5-9.

2.       Махаринский Е.И., Горохов В.А. Основы технологии машиностроения: Учебник.– Мн.: Выш. шк., 1997.-423с.

3.       Беляков Н.В., Махаринский Е.И., Махаринский Ю.Е. Синтез схем установки заготовок корпусных деталей машин // Машиностроение: Сб. научн. трудов. Вып. 18. Под ред. И.П. Филонова.– Мн.: УП «Технопринт», 2002.– с. 98-104.