Выбор технологического процесса

Принятие обоснованного решения при выборе наиболее эффективного технологического оборудования возможно только на основе объективных оценок. Такой наиболее признанной и распространенной оценкой является эффективность.

При определении критериев эффективности необходимо правильно сформулировать задачу, которую предстоит решать. В технологии машиностроения эта задача формулируется как изготовление деталей, способных при эксплуатации выполнять функции, соответствующие их служебному назначению, с заданными показателями надежности.

Решение этой задачи складывается из решения конкретных задач на каждом этапе проектирования, изготовления и эксплуатации изделия, которые в совокупности называются жизненным циклом изделия. Эффективность решения конкретных задач на каждом этапе жизненного цикла должна определяться своими критериями. Поэтому следует говорить о системе эффективности, включающей в себя эффективность проектирования, технологии, контроля, испытания и эксплуатации.

Анализ системы эффективности показывает, что на каждом этапе жизненного цикла присутствует свой критерий качества, который относится к разным стадиям: к проектированию, к изготовлению и к эксплуатации (испытанию) детали. Поэтому единого показателя качества нет, но все этапы объединяют параметры качества детали, выявленные при эксплуатации (испытании), достижение которых является необходимым условием построения эффективной системы изготовления детали. Исследования влияния параметров детали на эффективность работы машины, в которую входит деталь, дают научное обоснование поставленной и решаемой задачи и являются необходимым этапом эффективной системы качества.

Если очевидно, что эффективность изготовления детали складывается из эффективности каждого этапа её жизненного цикла, то должен быть единый критерий эффективности для всех этапов. Таким критерием при принятых ограничениях по качеству и производительности является себестоимость выполнения каждого этапа – денежный эквивалент живого и овеществленного труда, затраченного на каждом этапе. Минимум затрат на каждом этапе, а в целом - на выполнение всех этапов до практического использования детали является критерием экономической эффективности.

Принятие этого критерия оправдано тем, что себестоимость качества зависит от количества изготавливаемых деталей. При принятых значениях параметров качества детали себестоимость их достижения при изготовлении детали в единственном экземпляре будет значительно выше, чем при массовом изготовлении. Снижать себестоимость за счет внедрения механизации и автоматизации экономически целесообразно лишь при больших объемах выпуска деталей. В связи с этим часто используют критерий «удельной» себестоимости, равной затратам, отнесенным к одной детали (приведенные затраты).

На реальном производстве экономическую эффективность рассчитывают для вариантов технологического процесса для сравнения преимуществ одного варианта процесса с другим. Такая необходимость возникает при внедрении технологических новшеств.

Основное выражение для расчета экономического эффекта от внедрения новой технологии имеет вид:

, (7.2)

где Э – экономический эффект, руб.;

З₁ и З₂ – приведенные затраты на единицу продукции (удельные приведенные затраты) соответственно по базовому и новому варианту;

А₂ – годовой объем производства продукции, шт.

Технологической себестоимостью детали называется та часть ее полной себестоимости, элементы которой существенно изменяются для различных вариантов технологического процесса. К таким изменяющимся элементам относятся: М_о – стоимость исходной заготовки; З_о и З_в.р. – заработная плата соответственно станочника и наладчика; А _о – амортизационные отчисления от оборудования; А_т.о. – амортизационные отчисления от технологического оснащения; Р _о – затраты на ремонт и обслуживание оборудования; И – затраты на инструмент; П_Э – затраты на силовую энергию; П_п – затраты на амортизацию и содержание производственных площадей; П_пр – затраты на подготовку и эксплуатацию управляющих программ (ЧПУ). Сравниваются обычно операции. Для них технологическая себестоимость:

(7.3)

Для каждой сравниваемой операции все элементы С_on могут быть определены с использованием нормативов, отнесенных к 1 мин и 1 ч работы оборудования. Сравнение вариантов на основе минимума технологической себестоимости проводится, если варианты не требуют для своего выполнения существенных капитальных вложений. В противном случае оценку вариантов следует вести на основе минимума приведенных затрат:

, (7.4)

где С_i – технологическая себестоимость изготовления детали (или выполнения операции);

Е_Н – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (Е_Н = 0,15);

K_i – удельные капитальные вложения, отнесенные к единице продукции.

Выбор наилучшего варианта реализации технологических процессов механической обработки проводится на этапе технико-экономического обоснования и осуществляется в несколько шагов.

1. Отбор вариантов из потенциально возможных, каждый из которых удовлетворяет заданным техническим требованиям и условиям изготовления определенной детали, а также ограничениям социальных стандартов и экономических требований.

2. По каждому варианту из числа отобранных определяют затраты, результаты и экономический эффект.

3. Лучшим считается вариант, у которого экономический эффект максимален, а при условии тождества результата – затраты на его реализацию минимальны.

Для случаев, когда технологические процессы механической обработки деталей обеспечивают повышение их эксплуатационных свойств, наилучший вариант определяется максимумом экономического эффекта по годам расчетного периода:

, (7.5)

где Р_т – стоимостная оценка результатов, полученных за счет повышения эксплуатационных свойств деталей за расчетный период; З_т - стоимостная оценка затрат на реализацию технологического процесса, обеспечивающего повышение эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей за расчетный период.

Для сравнения трех и более возможных вариантов технологического процесса в целях выбора наиболее экономичного можно использовать графоаналитический метод. Для этого все расходы, связанные с осуществлением каждого варианта, делят на две группы: не зависящие и зависящие от числа подлежащих изготовлению изделий.

Рис. 7.29. Графическое сопоставление себестоимости трех различных вариантов

технологического процесса

В первую группу включают расходы на оборудование, приспособления и комплект инструментов. Во вторую группу включают расходы на заработную плату рабочих и наладчиков, расходы на материалы, содержание, эксплуатацию и амортизацию оборудования, приспособлений и инструментов. Если обозначить первую группу расходов через b, вторую через m и число изделий через x, то себестоимость изготовления x изделий: .

Для сравнения нескольких вариантов технологического процесса, например трех, необходимо составить три уравнения

; , , (7.6)

каждое из которых действительно при своих предельных значениях x, что и отображает график, приведенный на рис. 7.29.

Первый вариант технологического процесса будет экономичнее второго при 0 < x < x₁ и x₃ = x < x₄, второй вариант – экономичнее первого при x₃ = x < x₃, третий вариант оказывается экономичным при x = x₃ в больших значениях x.

Изложенный метод позволяет правильно и быстро выявлять наиболее экономичный вариант технологического процесса применительно к данным производственным условиям, что бывает необходимым при освоении выпуска изделий, применении новых видов оборудования, приспособлений, инструмента и т.д.

Из-за сложности процесса анализа и выбора наиболее рационального метода для определенных условий число рассматриваемых методов при ручном проектировании бывает ограниченным. Чаще всего их ограничивают рамками механической обработки, при этом разнообразные и наиболее прогрессивные электрофизические и электрохимические методы и их комбинации оказываются вне внимания проектировщика. Создаваемые в настоящее время системы автоматизированного проектирования технологических процессов открывают возможность проводить выбор методов обработки среди всех известных методов, а также их комбинаций.

Каждый технологический процесс разрабатывают применительно к определенному типу производства, который представляет собой классификационную категорию производства, выделяемую по принципу объема годового выпуска продукции и широте номенклатуры производства изделий. Технологический процесс, прогрессивный для одного типа производства, может быть совершенно неприемлемым для другого типа производства.

7.7. Количество изделий одного наименования и типоразмера, изготовляемых за год

Производство	Крупные изделия (тяжелые машины)	Изделия средних размеров	Мелкие изделия (легкие машины)
Единичное	До 5	До 10	До 100
Мелкосерийное	5-100	10-200	100-500
Среднесерийное	100-300	200-500	500-5000
Крупносерийное	300-1000	500-5000	5000-50000
Массовое	Св. 1000	Св. 5000	Св. 50000

В общем случае целью технологического процесса является получение детали с заданными параметрами качества и в установленном программой количестве при наименьшей себестоимости обработки.

Цель процесса может быть достигнута различными технологическими методами. За основу выбора метода принимается его эффективность. В общем случае под эффективностью технологического процесса понимается степень различия между фактическим его результатом и желаемым по показателям качества, производительности, себестоимости. Однако, в зависимости от цели технологического процесса от его результата должны приниматься разные показатели эффективности (табл. 7.8).

7.8. Показатели эффективности технологического процесса

Результат технологического процесса	Показатель эффективности
Параметры качества детали: точность, шероховатость, наклеп, остаточные напряжения, коэффициент воспроизводимости	Производительность	Себестоимость
Окончательная обработка	необходимые	дополнительный	дополнительный
Предварительная обработка	-	достаточный	дополнительный
Получение заготовки	-	достаточный	дополнительный

При окончательной обработке ответственных деталей главной целью технологического процесса является изготовление детали с заданными параметрами качества, значения которых диктуются служебным назначением детали. Эффективность вариантов технологических процессов оценивается по показателям качества.

Среди указанных в табл. 7.8. показателей эффективности качество зачастую является главным показателем. Себестоимость во многих случаях не является основным фактором для принятия технологических и коммерческих решений, да и производительность также не дает гарантий успеха. Основным показателем процветания предприятия становится качество продукции.

При выборе наиболее эффективного технологического процесса возможны два варианта. Первый, когда заданные параметры качества могут быть достигнуты только одним методом обработки, и тогда на его основе разрабатывается операционная технология. Второй вариант, когда возможны несколько технологических решений. Тогда эффективность технологических процессов выявляется по дополнительным показателям. Например, более эффективным считается процесс с наименьшей себестоимостью.

Таким образом, при окончательной обработке ответственных деталей главная цель – получение детали с заданными параметрами качества. Вторичные цели технологического процесса – обеспечение заданной производительности и наименьшей себестоимости. Они вторичны потому, что без достижения главной цели вторичные теряют смысл. Необходимо при этом иметь в виду, что избыточное качество приводит к значительным дополнительным затратам.

При предварительной обработке или при получении заготовок в количестве заданном производственной программой, когда нет ограничений по параметрам качества, главным показателем эффективности становятся или производительность, или себестоимость технологического процесса. Исходя из этого, решается вопрос о производительности и о показателе эффективности предварительной обработки. Последние могут быть разными в зависимости от условий производства. Рассмотрим два варианта потоков производственного процесса, схематично представленных на рис. 4.2.

а)

б)

Рис. 7.30. Варианты потоков производственного процесса

В случае (а) предварительно обработанные заготовки обрабатываются для нескольких потоков окончательной обработки детали. В этом случае необходимо обеспечивать высокопроизводительную обработку. Показателем эффективности будет производительность. В случае (б), когда предварительная обработка стоит в одном потоке с окончательной обработкой, высокая производительность не является главной целью. В этом случае важнее отладить производство так, чтобы подача заготовок или полуфабрикатов осуществлялась точно в срок и в нужном количестве для обеспечения ими процессов окончательной обработки.

Излишняя производительность может привести к повышению себестоимости обработки детали по ряду причин: а) повышение производительности предварительной обработки требует дополнительных затрат за счет повышенного расхода инструмента, энергии, обслуживания оборудования, его стоимости и др.; б) избыточное количество деталей требует больших складских помещений; в) избыточное количество деталей вызывает дополнительные расходы на их транспортировку.

В случае (б) показателем эффективности может быть себестоимость обработки. Понятие эффективности машиностроительного предприятия помимо производительности, включает такие показатели, как уровень загрузки оборудования, длительность цикла изготовления изделия, ритмичность производства, объем незавершенного производства, своевременность выполнения производственных заданий и т.д. К формированию эффективности по этим показателям привлекают, помимо технологии изготовления, также организацию производства и его оперативное планирование, управление производственным процессом и т.п.

В соответствии с приведенным определениемжизненного цикла изделия, производственный процесс, осуществляемый на машиностроительном предприятии, включает все этапы, которые проходит заготовка при создании готового изделия (детали), соответствующего его служебному назначению. Следовательно, этапы включают не только изготовление, но и контроль, и испытания (в ответственных случаях).

Производственный процесс создания изделия, соответствующего требованиям его служебного назначения, можно рассматривать как сложную систему. По определению, система – целое, составленное из частей соединение ряда элементов (подсистем), находящихся в отношениях и связях друг с другом, определяющих определенную целостность и единство.

Жизненный цикл как система создания изделия (детали) может быть составлен из взаимосвязанных между собой информационных потоков подсистем-этапов.

Строго говоря, жизненный цикл сложного изделия включает период от появления идеи об его создании до момента окончания непосредственного использования, когда изделие прекращает свое функционирование. При этом параметры качества входящих деталей конструктор назначает исходя из опыта эксплуатации подобных деталей или из результатов предварительных исследований, предшествующих конструированию детали. Окончательные параметры качества для серийных деталей устанавливают по результатам исследования надежности опытных образцов изделий при выполнении ими служебного назначения.

В связи с этим рассмотрение жизненного цикла можно ограничить этапом создания опытного образца. Это расположенные в определенной временной последовательности подсистемы: проектирование технологического процесса, изготовление детали, контроль качества детали, испытание (исследование) и эксплуатация детали. Графически подсистемы и задачи, решаемые в каждой из них, приведены на рис. 7.31.

Подсистемы-этапы представляют собой замкнутый цикл, в котором условия работы детали на этапе эксплуатации являются исходными для окончательного назначения показателей качества. Каждый этап наступает в соответствующий период жизненного цикла при выполнении задач предыдущего этапа. За счет передачи информации осуществляется как прямая, так и обратная взаимосвязь этапов.

Прямая связь – передача необходимых данных с предыдущих этапов для возможности осуществления последующего. Обратная связь с предыдущими этапами выполняется для исправления, корректировки их выходных параметров с учетом уточненных требований. Высокая эффективность всей системы может быть обеспечена только при принятии эффективных решений на каждом этапе, чему способствует наличие обратной связи.

В основу методологии изучения подсистем и решения на этой основе задач, возникающих при создании изделия, положен системный подход. Системный подход предусматривает изучение рассматриваемого объекта или процесса как систему с учетом всех необходимых внутренних взаимосвязей подсистем, составляющих процесс, ориентирует разработчика (исследователя) на раскрытие целостности процесса, на выявление многообразия типов связей в нем. Методологическими приемами системного подхода являются анализ и синтез разрабатываемого процесса (объекта).

Анализ – расчленение процесса на элементы (подсистемы). Синтез – соединение различных подсистем в единое целое (в систему). Синтез неразрывно связан с анализом.

Системный анализ позволяет определить необходимую последовательность взаимосвязанных действий, составляющих процесс, оформленных в тоже время в самостоятельные блоки – подсистемы, более доступные для решения конкретных задач, служащих общей цели – достижению эффективности производства. В рамках каждой подсистемы выполняется анализ альтернативных решений.

Проектирование процесса	Изготовление	Контроль	Исследование надежности детали, Эксплуатация
Решаемые задачи
1. Анализ возможных методов и способов обработки детали 2. Анализ вариантов маршрутной технологии и выбор эффективной	1. Разработка операционной технологии 2. Анализ способов повышения надежности технологического процесса 3. Анализ способов повышения производительности обработки 4. Применение системы автоматизированного проектирования	1. Анализ методов контроля обработанной детали и выбор оптимального	1. Определение надежности детали при вариантах параметров качества. 2. Окончательная формулировка показателей качества детали, соответствующих ее служебному значению.

Рис. 7.31. Производственный процесс изготовления детали с необходимыми

показателями надежности

Так, при проектировании технологического процесса анализируются различные методы формообразования и выбирается лучший, удовлетворяющий заранее установленным критериям (эксплуатационным требованиям к детали) и обеспечивающий наиболее эффективный производственный процесс. Вырабатывается маршрутная технология на стадии изготовления, разрабатывается операционная технология. Анализируются варианты способов повышения надежности технологического процесса, в том числе коэффициент воспроизводимости.

Далее, на основе анализа определяется способ контроля изготовленной детали. И, наконец, четвертая подсистема включает анализ результатов исследований и эксплуатации деталей. Здесь окончательно формулируют необходимые показатели качества детали, обеспечивающие ее служебное назначение, и показатели надежности. Эти показатели объединяют все подсистемы в единую систему, в производственный процесс. Информация о них, поступающая в каждую подсистему, определяет содержание решаемых в них задач.

Таким образом, делается упор на рассмотрении целей и задач, общих для всех подсистем, и в соответствии с этим осуществляется синтез общего решения из частных решений. Синтез производственного процесса обеспечивается, помимо единства цели во всех подсистемах, также прямыми и обратными связями между подсистемами. Системный подход графически отображен на рис. 7.32.

Рис. 7.32.

.

Рис. 7.33. Области рационального использования оборудования

Следует заметить, что параметры качества опытных изделий назначают, исходя или из опыта эксплуатации подобных изделий, или из результатов предварительных исследований, предшествующих проектированию. А затем анализ результатов эксплуатации или исследований надежности изделий может привести к корректировке параметров их качества. Информация об этом поступает во все подсистемы, что стрелками показано на рис. 7.32

Вид оборудования, применяемого в различных типах производства, определяется технологическим процессом. Однако в мировой практике уже сложилось представление о необходимости использования оборудования с учетом гибкости в зависимости от номенклатуры изготовляемых деталей и объема годового выпуска продукции (рис. 7.33).

Область 1 предусматривает использование автоматических линий с жесткими связями. В этом случае обеспечивается самая низкая себестоимость продукции. Автоматические линии имеют специальное оборудование, широко используются совмещение рабочих и вспомогательных движений при многопозиционной обработке. Область 2 характеризуется использованием специальных линий, на которых обрабатывают однотипные заготовки, но различных размеров. В области 3 используют гибкие производственные комплексы, а в области 4 – гибкие модули. Для оборудования областей 3 и 4 характерна очень высокая стоимость. Область 5 представляется станками с ЧПУ, обладающими еще большей гибкостью. При последовательном переходе от области 1 к области 5 гибкость оборудования увеличивается, а производительность – уменьшается.

Контрольные вопросы к главе 7

Раскройте содержание определения надежности в качестве

2. На чем основано решение обратной задачи надежности для деталей, соединяемых в узлы машин?