Оптимизация выбора вида заготовки и методов ее изготовления

Выбор вида заготовки является важным этапом технологического проектирования и во многом определяет качество готовых изделий и себестоимость их изготовления. Под заготовкой обычно понимается предмет производства, из которого изменением форм и размеров, шероховатости поверхностей и свойств материала изготавливают деталь или неразъемную сборочную единицу (узел). В качестве исходных заготовок в машиностроении принимают:

1) отливки, полученные литьем в песчаные либо металлические фор­мы или другими способами;

2) горячекатаный прокат обычной или повышенной точности, а также профильный фасонный либо другой тип проката,

3) поковки, полученные методом свободной ковки, ковкой в подкладных кольцах и штампах;

4) штамповки (поковки), полученные обработкой давлением – объемной горячей и холодной штамповкой;

5) сварные заготовки из листового материала.

Выбор вида заготовки представляет собой сложную много­вариантную задачу. При этом необходимость решения этой задачи может возникнуть на различных этапах технической подготовки производства, а именно: при конструировании, технологическом проектировании. В общем случае вид заготовки должен быть выбран при конструировании детали, а оптимальный метод ее изготовления уточнен при технологическом проектировании. Способ выполнения этих работ определяется видом детали и основывается на одном из трех вариантов:

1) если деталь обрабатывается со всех сторон и не предъявляются особые требования к ее физико-механическим свойствам и макро­структуре металла, то выбор заготовки производится только техноло­гом;

2) если деталь обрабатывается со всех сторон, но к ней предъяв­ляются дополнительные требования, то конструктор, задавая эти требования (например, к расположению волокон металла), косвенно задает возможные методы получения заготовки; окончательное реше­ние о выборе заготовки принимает технолог;

3) если деталь имеет необрабатываемые поверхности, то конструк­тор предварительно задается определенным типом заготовки, указы­вая штамповочные или литейные радиусы, уклоны и другие парамет­ры, а технолог определяет оптимальный метод получения заготовки. Решение о выборе заготовки в этом случае целесообразно принимать совместно конструктору и технологу. В настоящее время при выборе вида заготовки конструктор, так же как и технолог, практически не производит технико-экономических расчетов и принимает решение исходя только из своего опыта.

Оптимизация выбора метода получения заготовки позволяет не только снизить затраты на ее изготовление, но и значительно сокра­щает трудоемкость и себестоимость механической обработки. Выбор оптимальной заготовки должен проводиться по комплексным оцен­кам, которые учитывают затраты и трудоемкость выполнения всего ТП изготовления детали. При нарушении этого условия может получиться так, что при незначительной себестоимости получения заготовки общая себестоимость изготовления детали окажется завышенной вследствие большой трудоемкости механической обра­ботки. В то же время следует иметь в виду, что выбор исходной заготовки и методов ее изготовления выполняется на первых этапах разработки ТП и предшествует составлению маршрута и проектиро­ванию операций механической обработки. Это создает определенные трудности для проведения оптимизации выбора вида заготовки с учетом затрат на механическую обработку.

Анализ видов заготовок, используемых в машиностроении, показывает, что их выбор определяется рядом основных показателей (признаков): видом материала, серийностью выпуска, конструктив­ной формой детали, массой и размерами детали, требуемой точностью заготовки, коэффициентом использования металла и др.

Наиболее важными являются первые четыре признака. Однако учет даже всех перечисленных признаков в ряде случаев не дает однозначного решения по выбору метода получения заготовки и приходится дополнительно проводить технико-экономический ана­лиз. В основу этого анализа может быть положена оптимизация. В качестве критерия оптимальности используется минимальная себестоимость изготовления заготовки С_з, которая определяется стоимостью материала, переменными затратами (заработная плата основных рабочих, затраты на амортизацию оборудования, оснастку, инструмент и т.д.) и постоянными годовыми расходами. Однако выбор заготовки с минимальным значением С_з не всегда приводит к оптимальному варианту технологического процесса изготовления детали. Заготовки, полученные различными методами, отличаются припусками, что оказывает влияние на черновую обработку, в част­ности на первые операции ТП механической обработки. Поэтому при оптимизации выбора заготовки необходимо также учитывать затраты на выполнение черновых операций механической обработки Смех. При более точной оценке метода получения заготовки целесообразно принимать во внимание стоимость отходов металла С_мех, возникаю­щих при механической обработке заготовок с различными припуска­ми. Тогда общий вид зависимости для критерия оптимальности выбо­ра метода получения заготовки может быть представлен следующим образом:

С = min (С_з + С_мех – С_отх).

Однако выбор вида заготовки по предлагаемому критерию в конкрет­ных производственных условиях не всегда целесообразен. Имеют мес­то случаи, когда лучше использовать заготовку, которая выбирается либо в соответствии с критерием минимальной себестоимости механи­ческой обработки min С_мех, либо из минимума затрат на материал min (С_м–С_отх). Исходя из этого, при решении задачи выбора оптималь­ного метода получения заготовки выделяют следующие этапы:

1) выбор возможных видов заготовки по материалу детали;

2) выбор возможных методов изготовления заготовок исходя из серийности, конструктивной формы, массы и размеров детали;

3) определение технических характеристик для выбранных видов заготовок (точности, коэффициента использования металла и др.);

4) определение себестоимости заготовки Сз для выбранных мето­дов ее изготовления;

5) определение стоимости затрат на механическую обработку С_мех для выбранных видов заготовок;

6) определение стоимости отходовметалла длявыбранных видовзаготовок С_отх;

7) выбор оптимального метода изготовления заготовки для кон­кретных условий производства.

Для формализации условий выбора вида заготовки и методов ее изготовления, а также построения на их основе алгоритмов решения рассматриваемой задачи первоначально проводится классификация всех признаков, определяющих выбор заготовок. Для упрощения алгоритмов выбора заготовки и методов ее изготовления все признаки кодируются.

1. Вид материала (ВМ). Предварительный анализ этого признака показал целесообразность классификации всех материалов с использованием 3-уровневого кодирования. Структура кода имеет следующий вид:

Все материалы разделяются на 7 групп и соответственно коди­руются: стали углеродистые (литейные) – 1; чугуны – 2; литейные сплавы – 3; высоколегированные стали и сплавы – 4; низколеги­рованные стали – 5; легированные стали – 6; автоматные стали – 7. Код группы используется для определения возможных видов и методов изготовления заготовок. Второй уровень классификации, описываемый кодами подгрупп, объединяет материалы, имеющие одинаковые или близкие технологические свойства. Коды подгрупп материалов учитываются при определении затрат на черновую механическую обработку. На последнем уровне классификации кодируются конкретные материалы, и эта информация используется для уточненного определения оптовых цен за тонну заготовок и стоимости отходов металла.

2. Конструктивная форма деталей (КФ). Класси­фикация конструктивной формы представлена 11 видами деталей и каждый вид – 5 группами сложности. С 1-го по 4-й вид – детали цилиндрической формы с различными перепадами ступеней; 5-й вид--детали типа втулок и дисков, имеющие сложную наружную и внутреннюю поверхности; 6-й вид–детали типа валов сложной пространственной формы; 7-й вид–детали типа рычагов, шатунов и др.; 8-й вид– корпусные детали призматической формы и сочета­ния призматической, цилиндрической и других форм; 9-й вид– кор­пусные детали фланцевого типа; 10-й вид–корпусные детали коробчатой формы сложной конфигурации; 11-й вид–корпусные детали простой конфигурации. Выбор соответствующего кода произ­водится на основе сравнения конкретной детали с описанием типовой детали-представителя в специальной таблице.

3. Серийность производства (СП). Серийность про­изводства зависит от массы детали и годовой программы выпуска. В рассматриваемой подсистеме вид серийности производства коди­руется следующим образом: единичное– 1, серийное–2, крупно­серийное – 3, массовое – 4.

4. Масса детали (МД). Для выбора вида заготовки важное значение имеет ее масса, которая в условиях рассматриваемой задачи определяется в зависимости от массы детали. Кодирование массы детали из отливок проводится по шести диапазонам: 1 – до 50 кг, 2 – от 50 до 100 кг, 3 – от 100 до 250 кг, 4 – от 250 до 3000 кг, 5 – от 3000 до 5000 кг и 6 – свыше 5000 кг, а из поковок, штампо­вок и проката по двум диапазонам: 1 – до 50 кг, 2 – свыше 50 кг.

Размер заготовки оказывает влияние только на выбор заготовок из проката: если диаметр заготовки больше 250 мм (код В), то в этом случае прокат обычно не используется; если диаметр меньше 250 мм (код А), то возможно его применение.

В целях упрощения построения алгоритмов решения рассматри­ваемой задачи определяемые виды заготовок и методы их изготовле­ния также целесообразно кодировать: литье в песчаные формы – 1; центробежное литье – 2; литье под давлением – 3; литье в кокиль – 4; литье в оболочковые формы – 5; литье по выплавляемым моде­лям – 6; прокат – 7; штамповка – 8; поковка – 9; сварная заго­товка – 10.

Алгоритм выбора возможных видов заготовок и методов их изго­товления может быть представлен в виде таблицы выбора решений (табл. 9.1). Согласно этой таблице, исходя из конкретных значений ранее рассмотренных признаков детали, выбирается один или нес­колько возможных методов получения заготовки.

Табл. 9.1. Таблица выбора решений для определения возможных видов и методов изготовления заготовки

Далее производится определение доплат за серийность, черновую механическую обработку, находятся оптовые цены за тонну заготовки и стоимость отходов металла, определяется точность заготовок и ко­эффициент использования металла. После определения стоимости всех выбранных ранее видов заготовок, стоимости отходов металла и стоимости черновой обработки проводится оптимизация выбора метода изготовления заготовки (рис. 9.1).

Результаты проектирования выводятся в виде технологической карты, где приводятся характеристики оптимального и всех возмож­ных методов получения заготовки (точность, коэффициент исполь­зования металла, себестоимость изготовления заготовки, стоимость черновой обработки и стоимость отходов металла).