Технологические основы метасистемы обеспечения эксплуатационных и технико-экономических показателей жизненного цикла тяжелонагруженных деталей ГТД

При управлении современным производством требуется решение большого числа взаимосвязанных задач, проведение организационных мероприятий и координация различных функций: технико-экономического планирования выпуска изделий, технической подготовки производства, материально-технического снабжения, текущего и оперативного контроля и др. Решение этих задач связано с получением, обработкой и хранением значительного числа данных, их концентрацией и анализом на верхних уровнях иерархии управления. Опыт показал, что только с появлением автоматизированных систем управления стало возможным комплексное решение этой проблемы, позволяющее обеспечить полную, своевременную, достоверную и непротиворечивую процедуру решения в условиях научно-технического прогресса.

До последнего десятилетия широкое и полное внедрение АСУ в повседневную практику сдерживалось отсутствием соответствующей технической базы и наукоемкой теории при обилии экспериментальных исследований, носящих частный характер, несоответствием использования техники ее мощно-стному потенциалу.

С момента появления промышленных ЭВМ прошло около трех десятилетий. К настоящему времени специалистами-системотехниками были решены многие проблемы автоматизированных систем управления (АСУ). Так по данным Кезлинга Г. Б. / 61 / были разработаны элементы теоретических основ автоматизированных систем проектированияположено начало практического использования принципов системного анализастали появляться электронные вычислительные машины третьего поколения, началось освоение малых и мини-ЭВМначато создание банков данныхразработка пакетов прикладных программначали решаться задачи по организации вычислительных центров коллективного пользования и их организация. Вследствие этого сложилось два направления автоматизации производства, связанные с применением автоматических и автоматизированных систем. Первое направление осуществляется за счет разработки автоматических систем различных типов, которые без участия человека выполняют измерения, контроль, регулирование и управление работой машин, устройств, технологических линий. Второе направление связано с дальнейшим развитием и совершенствованием автоматизированных систем не только проектирования технологических процессов, но и управления производством. Наиболее наглядно характер развития автоматизированных и автоматических систем представлен на рис. 1 / 63 /, из которого следует, что автоматизированные системы в машиностроении разработаны достаточно глубоко и дальнейшее их совершенствование идет по пути уточнения различных параметров.

Характер развития автоматизированных и автоматических систем.

1 n м р ч / ч.

Проектирование Технологические процессы Экономик 0-органгоацион-ные процессы.

ПРЕДПРИЯТИЕ.

1 — автоматизированные системы;

2 — автоматические системы.

Рис. 1.

К достижениям современной науки в области разработки АСУ технологическими процессами следует отнести работы Якобса Г. Ю., Якоба Э., КоханаД. / 14/, Соломенцева Ю. М. /3,44/, Трусова В. В. / 139 /, Зориктуева В. Ц. / 55 /, Рыкунова Н. С. / 138 /, Аверченкова В. И. / 34 / и др. Из зарубежных фирм, занимающихся разработкой автоматизированных систем управления известны: «General Electric», «Boeing», «Westingaus», «Macotech», «Siemens», «AEK», «Bendix», «Cincinati» и др.

Одной из последних работ в этом направлении является разработанная профессором Зориктуевым В. Ц. автоматизированная система контроля и управления процессом обработки по электропроводимости контакта «инструментдеталь» / 64 /. При этом необходимо отметить, что автоматизированные системы разрабатываются в основном для технологических процессов и процесс их развития, как следует из верхней части графика (рис.1), не только крайне неравномерный, но и внутри систем существует такая же неравномерность для различных работ. Одна из важных задач — выявление причин этого положения и создание условий для их устранения на базе интеграции систем. С другой стороны развитие автоматических систем идет более равномерно (нижняя часть графика — рис.1) вследствие его комплексного решения, но в настоящее время полностью отсутствуют системы, включающие в себя проектирование и экономико-организационную сферу. Развитие автоматических систем долгое время сдерживалось отсутствием достаточно мощных вычислительных машин, приспособленных для работы в реальном масштабе времени. С появлением ЭВМ третьего поколения (АСВТ, ЕС ЭВМ), позволяющих осуществлять разнообразные связи с объектом и получать информацию непосредственно от различных автоматических преобразователей, использовать новые средства представления информации, диалога человека с машиной, а также достаточно развитое математическое обеспечение, в настоящее время сложились реальные возможности для проектирования интегрированных систем управления / 65 /.

Создаваемые в настоящее время автоматизированные системы управления (как в нашей стране, так и за рубежом) крупными промышленными предприятиями и производственными объектами характеризуются сочетанием постоянного расширения их границ и диапазонов задач.

Возникновение научной идеи создания единой системы управления процессом обработки явилось результатом практической потребности в области управления, связанного с необходимостью устранения несоответствия между уровнем развития и организацией промышленных предприятий и методами управления. В области науки — это сокращение сроков внедрения научно-технических разработок в производство, в области производства и изготовления готовой продукции — возросшие требования к обновляемости, техническому уровню, качеству и экономичности продукции, сокращении времени на внедрение новой техники.

Удовлетворение этих требований предполагает учет всех внутренних связей, что оказалось невозможным без объединения разрозненных автоматизированных систем управления в единую интегрированную систему управления, которая в сочетании с автоматической системой управления процессом обработки позволила создать метасистему управления, обеспечивающую получение совокупного (интегрального) эффекта функционирования, значительно превышающего сумму эффектов реализации отдельных подсистем, функционирующих автономно.

Разработка единой системы управления, как интегрированной комплексной метасистемы, охватывающей не только управление процессом обработки, но и плановые, координационные аспекты, возможно только на базе системного подхода. Понятие системного подхода сложилось и достаточно хорошо известно / 66 /. Системный подход — это одно из методологических направлений науки, связанное с представлением, изучением и конструированием сложных объектов, как систем / 67 /. При исследовании и проектировании многоуровневых систем под системным подходом подразумевается анализ способа организации элементов систем в единое целое, воздействие процессов их функционирования на отдельные звенья и выполнение совокупности следующих принципов:

1. Определение системы как целого.

2. Представление системы совокупностью элементов, имеющих устойчивые связи.

3. Наличие устойчивых связей, образующих структуру системы.

4. Выявление структуры системы, обеспечивающей упорядоченность последней.

5. Направленность упорядоченности, которая характеризует организацию системы.

6. Возможность существования горизонтальной или одноуровневой и вертикальной или многоуровневой структуры.

7. Осуществление связи между уровнями иерархической системы через управление.

Данная работа посвящена разработке и созданию метасистемы управления процессом обработки, обеспечивающей надежность и долговечность готовой продукции путем обеспечения требуемых исходя из условий работы эксплуатационных показателей деталей машин, отвечающей принципу системного подхода к решению научной проблемы и дающей возможность наиболее рационального использования трудовых и межрегиональных ресурсов, единого решения организационной, технической и технологической задач создания новой продукции и ее внедрения.

Автор выражает глубокую признательность за научные консультации и большую помощь в работе д.т.н., проф. Вячеславу Феоктистовичу Безъязычному и д.т.н., проф. Сергею Семеновичу Силину.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Доказано теоретически, что технологическое обеспечение эксплуатационных свойств изделий возможно через контроль параметров качества поверхностного слоя по энергетическому критерию подобия А, наиболее полно отражающего температурно-силовой баланс процесса обработки. Это положение подтверждено экспериментальными исследованиями, выполненными автором.

2. Впервые предложена расчетная методика технологического обеспечения эксплуатационных показателей, разработанная на основе системы многоуровневой оптимизации процесса обработки.

3. Методология управления процессом обработки, обеспечивающая требуемые эксплуатационные показатели, отличается от всех предшествующих тем, что она основана на разработке метасистемы управления эксплуатационными показателями, т. е. предложено комплексное решение научно-производственной проблемы обеспечения надежности и долговечности получаемых деталей машин.

4. В рамках разработки метасистемы управления технологическими условиями обработки, обеспечивающими эксплуатационные показатели деталей машин, создана высокоэффективная автоматическая система управления, делающая возможным создание новых перспективных технологических процессов изготовления деталей машин.

5. Впервые предложено решение, дающее возможность определять условия обработки, обеспечивающие требуемый комплекс эксплуатационных показателей и технико-экономические показатели как единый режим обработки. Причем гибкий алгоритм расчета позволяет решать задачу технологического обеспечения эксплуатационных показателей, как в диалоговом режиме, так и в пакетном режиме работы, что является особенно значимым при создании новых нормативов по назначению технологических условий обработки.

6. Системный подход к решению поставленных задач позволил решить следующие основные задачи:

Информационная — создание единого модульного банка данных для определения эксплуатационных показателей деталей газотурбинных двигателей и деталей общего машиностроения, включающего в себя блок данных исходной информации по физикомеханическим характеристикам обрабатываемых и инструментальных материалов, геометрическим параметрам инструмента, характеристикам используемого оборудования, а так же расчетного банка данных параметров процесса резания, параметров качества поверхностного слоя, точности обработки и банка технологического определения эксплуатационных показателей с разработкой соответствующих программ для ЭВМ.

Теоретическая — разработка технологических основ определения эксплуатационных показателей деталей газотурбинных двигателей и деталей общего машиностроения через показатели качества поверхностного слоя по технологическим параметрам процесса обработки и его точности.

Методологическая — разработка и создание метасистемы управления технологическими условиями обработки, обеспечивающими эксплуатационные показатели деталей машин, как средства для нового технологического метода получения требуемых эксплуатационных свойств деталей газотурбинных двигателей, подтверждающего необходимость системного подхода для достижения поставленной цели.

Математическая — разработка модульного принципа математического обеспечения требуемых технологических основ создания эксплуатационных показателей деталей газотурбинных двигателей и деталей общего машиностроения на основе реализации многоуровневой оптимизации процесса механообработки методом нежесткого допуска.

Техническая — формирование полного набора технических средств для построения комплекса метасистемы управления эксплуатационными показателями на базе автоматической системы управления процессом механообработки, реализованной на станке с ЧПУ и ЭВМ типа IBM.

Организационная — производственная задача — практическое использование результатов исследования, разработка математической матрицы возможных вариантов расчета технологических условий обработки, обеспечивающих требуемые эксплуатационные показатели деталей газотурбинных двигателей и деталей общего машиностроения с учетом технико-экономических показателей, а также практическое использование автоматической системы управления процессом механообработки и определение ее технических возможностей использования для других видов обработки по всей линии технологии создания новой продукции.

7. Автором разработана метасистема управления технологическими условиями обработки, обеспечивающая требуемые эксплуатационные показатели тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей и деталей общего машиностроения на базе автоматической системы управления, реализованной на станке 16А20ФЗС4Э с системой ЧПУ МС 2109. Система оснащена необходимыми измерителями параметров процесса резания: силы и температуры в зоне резания, а также модулями формирования управляющих воздействий на процесс обработки по заданной программе размерной обработки детали. Отличительной особенностью разработанной автоматической системы управления процессом токарной обработки является то, что она позволяет выполнять одновременную корректировку подачи и скорости резания при управлении по заданной программе от внешней ЭВМ. Проведенные испытания системы показали, что применение автоматической системы управления процессом токарной обработки позволяет достигать постоянства заданных параметров процесса резания, вне зависимости от действия различных возмущающих факторов, что является необходимым условием обеспечения требуемых эксплуатационных показателей. Способ управления, используемый в автоматической системе защищен патентом № 1 399 074.

8. Для практического использования при создании нормативов назначения технологических условий обработки, обеспечивающих требуемые эксплуатационные показатели деталей машин автором разработана матрица прикладных программ написанных на языке FORTRAN -77 и предназначенных для использования на различных электронно-вычислительных машинах типа VAX, PDP, IBM PC и другие.

9. Системный подход к решению научнопроизводственной проблемы обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин позволил разработать теоретические предпосылки для использования метасистемы управления технологическими условиями обработки для создания новых экспрессных технологических процессов изготовления тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей и деталей общего машиностроения с целью уменьшения сроков внедрения новой продукции от нулевого цикла до выхода ее на рынок потребления и создания конкурентоспособной разработки технологии изготовления деталей в условиях гибких автоматических производств. Показатель патентной чистоты на разработку в России и за рубежом равен 1по патентному поиску, осуществленному в рамках работы.

10.Экономических эффект приведенный к ценам 1999 г. составил 321 600 руб.

Таким образом, поставленная перед данной диссертационной работой цель достигнута и может считаться выполненной автором в полном объеме.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Кожина Т. Д. «Технологическое обеспечение эксплуатационных показателей тяже л онагру женных деталей газотурбинных двигателей и деталей общего машиностроения» / под общей редакцией Безъязычного В.Ф./ - Рыбинск: РГАТА, ОАО «Формат», 1999, 42 с.

2. Кожина Т. Д. Влияние режимов резания на контактную жесткость обработанных поверхностей. Межвуз. сб. № 6 «Производительная обработка и технологическая надежность деталей машин», Ярославль, 1977. — с. 92 — 97.

3. Кожина Т. Д. К вопросу о расчетном определении коэффициента усадки стружки. Межвуз. сб. № 8 «Производительная обработка и технологическая надежность деталей машин», Ярославль, 1979. — с. 18−22.

4. Кожина Т. Д. Влияние оптимальных режимов резания на величину износа трущихся поверхностей. Материалы всесоюзного н.-т. семинара «Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства подвижных соединений», Москва, 1979, с. 37−39.

5. Кожина Т. Д. Влияние оптимальных режимов резания на контактную жесткость. В сб. «Оптимизация технологических процессов — важнейший фактор повышения производительности и качества машиностроительной продукции». Рыбинск, 1977, № 6, с. 21−24.

6. Кожина Т. Д. Расчетное определение параметров шероховатости обработанной поверхности. В сб. «Повышение качества деталей в машиностроении технологическими методами». Рыбинск, 1980, 15−18.

7. Кожина Т. Д. К вопросу технологического обеспечения параметров шероховатости в 3-х мерном измерении. Сб. «Технологическое обеспечение надежности и долговечности деталей машин», Ярославль, 1987, с.56−59.

8. Кожина Т. Д. Разработка методики технологического обеспечения точности прессовых соединений при установке детали в корпус. Сб. «Научные принципы управления качеством поверхностного слоя при механической обработке», Ярославль, 1988, с. 43 -44.

9. Кожина Т. Д., Киселев Э. В. Автоматизированные технологические и мехатронные системы в машиностроении. Статья. / Сборник науч. трудов «Автоматизированные технологические и мехатронные системы в машиностроении», 1997. — с. 136 — 137.

Ю.Кожина Т. Д., Киселев Э. В. Технологическое обеспечение эксплуатационных показателей газотурбинных двигателей. Статья. / Сборник науч. трудов «Автоматизированные технологические и мехатронные системы в машиностроении», 1997. — с. 80−81.

П.Кожина Т. Д., Чистяков Ю. П. Экспериментальное определение оптимальных режимов резания при обработке конструкционных легированных сталей. Межвуз. сб. № 8 «Производительная обработка и технологическая надежность деталей машин», Ярославль, 1979. — с. 56 — 60.

12.Кожина Т. Д., Постнов А. Н., Киселев Э. В. Автоматизированное измерение остаточных напряжений поверхностного слоя детали. Сб. «Качество поверхностного слоя и эксплуатационные свойства деталей авиационных двигателей», Ярославль, 1990. — с. 150 — 151.

13.Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей / В. Ф. Безъязычный, Т. Д. Кожина, A.B. Константинов и др. — М.: МАИ, 1992. — 183 с.

14.Патент № 1 399 074 «Способ автоматического управления процессом обработки». Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д., Туманов А.Д.

15.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д., Киселев Э. В. Комплексное управление процессом механообработки. НТК «Вопросы совершенствования технологических процессов механической обработки и сборки изделий машиностроения». г. Тула, 1996. — с. 8−10.

16.V. Bezyazychny, Т. Kozina «Calculated determination of the surface layer parameters». Tribological Problems in exposed friction system, the VII international Symposium, the High Tatras, Slovak Republic, 27 — 30 April, 1999, p. 174 — 176.

17.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д. «Система управления точностью обработки по термодинамическим пара метрам процесса резания» «Фундаментальные исследования в области машиностроения» МГТУ им. М. Э. Баумана, конкурс грантов 1996;97г., с. 121 — 123.

18.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д., Киселев Э. В. Автоматизированная система управления процессом механообработки. Междунар. НТК «Проблемы повышения качества промышленной продукции». -1998. — с. 72 — 75.

19.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д. Технологическое обеспечение эксплуатационных показателей деталей газотурбинных двигателей. Статья. / Сб. науч. трудов «Проектирование и изготовление газотурбинных двигателей и установок наземного назначения». -1998, г. Рыбинск. — с. 82 — 90.

20.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д., Киселев Э. В. Система назначения технологических условий обработки, обеспечивающих комплекс заданных показателей качества поверхностного слоя и точности обработки деталей авиационных двигателей. Статья. / Сб. науч. трудов «Проектирование и изготовление газотурбинных двигателей и установок наземного назначения». -1998, г. Рыбинск. — с. 91 — 104.

21.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д., Киселев Э. В. Автоматизированная система назначения технологических условий точения, г. Ростов-на-Дону. «Инструментообеспечение и современные технологии в технике и медицине». 1997. — с. 24−26.

22.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д., Киселев Э. В. Система управления процессом обработки // Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей авиационных двигателей: Межвуз. сб. науч. тр. — Ярославль: ЯПИ, 1991.-с. 21−25.

23.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д., Киселев Э. В. Система комплексного управления процессом механообработки // Современные проблемы машиноведения: Материалы Международной научно-технической конференции (научных чтений, посвященных П.О. Сухому). (1−3 июля 1996 г., г. Гомель) / Под ред. д.т.н., академика БИА A.C. Шагиняна. — Гомель: ГПИ им П. О. Сухого, 1996. — с. 15−16.

24.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д., Киселев Э. В. Комплексное управление процессом механообработки/ Вопросы совершенствования технологических процессов механообработки и сборки изделий машиностроения: Тезисы докладов юбилейной международной научно-технической конференции, 23 -25 сентября 1996 года. — Тула: ТулГУ, 1996. — с. 8 — 10.

25.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д., Киселев Э. В. Система комплексного управления процессом механообработки. Междунар. НТК «Современные проблемы машиноведения», г. Гомель, Беларусь, 1996. — с. 18−19.

26. V. Bezyazychny, Т. Kozina «Automatic control system of the working process». The 3-d International Forum on the Study of Cutting and Forming Processes", Bratislava, 1996. — p. 278 — 280.

27.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д. Теоретико-экспериментальное определение шероховатости обработанной поверхности. Сб. «Научные принципы управления качеством поверхностного слоя при механической обработке». Межвуз. сб. № 5, Ярославль, 1976. — с. 18 — 24.

28.Силин С. С., Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д. и др. Расчет режимов резания по заданным значениям высоты неровностей обрабатываемой поверхности. Сб. «Научные принципы управления качеством поверхностного слоя при механической обработке». Межвуз. сб. № 5, Ярославль, 1976. — с.40 -45.

29.Силин С. С., Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д. Определение параметров, характеризующих зону деформации поверхностного слоя при точении.

Межвуз. сб. № 8 «Производительная обработка и технологическая надежность деталей машин», Ярославль, 1979. — с. 111−113.

30.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д., Чистяков Ю. П. Определение оптимальных режимов резания при обработке цветных сплавов, деп. НИИМАШ, рукопись № 20 — 77, 1977.

31.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д., Чистяков Ю. П. Расчетное определение режимов резания при точении с учетом жесткости технологической системы СПИД и параметров шероховатости обработанной поверхности. Материалы всесоюзного н.-т. семинара «Контактная жесткость в приборостроении и машиностроении», Рига, 1979 г. — с. 28 — 30.

32.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д., Паликов JI.M. Определение температуры в поверхностном слое детали при обработке лезвийным инструментом. Материалы всесоюзной н.-т. конференции «Теплофизика технологических процессов», Волгоград, 1980. — с. 10−11.

33.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д. Влияние глубины резания на шероховатость обработанной поверхности. Межвуз. сб. № 7 «Производительная обработка и технологическая надежность деталей машин», Ярославль, 1978. -с. 24−25.

34.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д., Чарковский Ю. К. Технологические методы обеспечения эксплуатационных свойств и повышения долговечности деталей. — Ярославль: ЯПИ 1987. — 86 с.

35.Силин С. С., Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д. Обеспечение точности технологического процесса механической обработки. Уч. пособие, Ярославль, 1979. — 56 с.

36.Безъязычный В. Ф., Силин С. С., Кожина Т. Д К вопросу о теоретическом определении высоты неровностей обработанной поверхности. В сб. «Физические процессы при резании металлов», Волгоград, Политехи, институт, 1980.-е. 23−24.

37.Безъязычный В. Ф., Силин С. С., Кожина Т. Д. Определение шероховатости обработанной поверхности с учетом термодинамических явлений процесса резания. Создание единой системы рациональной эксплуатации режущего инструмента. Из-во Саратовского университета, 1980, 163 с.

38.Безъязычный В. Ф., Леонов Б. Н., Кожина Т. Д. Методика определения оптимальных режимов резания при точении с учетом эксплуатационных свойств. В сб. «Производительная обработка и технологическая надежность деталей машин». Ярославль, 1981, с. 57 — 59.

39.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д. К вопросу технологического обеспечения прочности прессовых соединений «Оптимизация операций механической обработки» Межвузовский сб. научн. трудов, Ярославль, 1986, с. 48 — 50.

40.Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д. Управление параметрами качества поверхностного слоя с использованием вычислительных комплексов. Сб. «Использование вычислительной техники и САПР в НИР», Владимир, 1987, с. 169 — 171.

41.V.F. Bezyazychny, T.D. Kozina «Calculated determination of the parameters of the surface layer». Tesise of doclat International conference on shot peening (ICSP7) of September, 1999. — p. 121 — 123.

Материалы диссертационной работы отражены в отчетах по 17 научно-исследовательским темам, выполненным по заказу промышленных предприятий, аннотированных во Всесоюзном научно-техническом информационном центре (ВНТИ Центр), а также в отчетах по § 53 «Универсал РВО», 5 грантам и программе «Конверсия».