Оптимизация технологических процессов изготовления зубчатых колес по уровню технологической надежности

В современном машиностроении одной из важнейших является задача повышения качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции. Исключительно большое значение имеет решение данной задачи в технологическиемких производствах (автотракторостроение, станкостроение, приборостроение и др.), изготавливающих технически сложные изделия с использованием зубчатых передач.

Технологические процессы изготовления зубчатых колес являются сложноструктурированными технологическими системами, характеризуются нестабильными процессами образования и трансформирования погрешностей обработки, в результате чего снижается их эффективность и достигаемый уровень технологической надежности составляющих операций. Этим объясняется недостаточная эксплуатационная надежность изделий, поскольку до 40% отказов вызвано дефектами производства. В практике современной технологии зубообработки широко применяются операции чистовой обработки зубчатого венца, основанные на методе свободного двухпрофильного обката (зубошевингование, зубохонингование, обкатка и др.). Данные операции обеспечивают высокую производительность обработки, однако не гарантируют стабильного достижения требуемых норм точности (вариация значений технологических погрешностей может изменяться до 3,5 раз), что отрицательно отражается на качестве и надежности готовой продукции в целом. Современный уровень развития теории надежности и технологии машиностроения не предоставляет приемлемых методов оценки показателей надежности технологических систем по параметрам качества изготовляемой продукции и определения параметров технологических систем исходя из показателей надежности. Поэтому становится очевидной необходимость создания как методов оценки уровня технологической надежности процессов обработки зубчатых колес, так и определения параметров технологических систем по уровню надежности, позволяющих оценить и управлять надежностью технологических систем обработки зубчатых колес с целью повышения их эффективности.

Из изложенного выше следует, что тема диссертационной работы, заключающаяся в разработке метода оптимизации технологических процессов изготовления зубчатых колес по уровню технологической надежности, подразумевающая создание методов оценки уровня надежности и определения параметров технологических систем по уровню технологической надежности, является актуальной и представляет значительный научный и практический интерес.

Актуальность темы

диссертационной работы заключена в том, что в настоящее время проблема эффективности технологических процессов обработки зубчатых колес поставлена очень остро в связи с рыночными отношениями, возросшей конкуренцией и проблемами технологического обеспечения качества выпускаемой продукции в связи с возможным внедрением на предприятиях машиностроения международной системы менеджмента качества. Понятие эффективности технологического процесса включает в себя уровень технологической надежности, а его исследование и управление им приводит к управлению эффективностью процесса в целом.

Объекты исследования. Объектами исследования являются технологические процессы обработки зубчатых колес, имеющие в составе технологические операции, основанные на методе свободного обката.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности технологических процессов обработки зубчатых колес с использованием метода свободного обката путем управления уровнем технологической надежности.

В качестве задач диссертационного исследования ставились следующие:

1. Разработать метод оценки уровня технологической надежности технологических процессов обработки зубчатых колес по технико-экономическим показателям.

2. Разработать математическую модель оценки погрешностей механической обработки технологических операций обработки зубчатых колес.

3. Создать САПР на основе разработанных моделей, позволяющую автоматизировать процедуры исследования и совершенствования технологических процессов изготовления зубчатых колес.

4. Разработать метод оптимизации технологического процесса изготовления зубчатых колес по уровню технологической надежности.

Методы исследования. В качестве общей методологической основы использован системный подход, заключающийся в анализе технологического процесса и технологических операций обработки зубчатых колес как большой технической системы. Теоретические исследования проводились на базе достижений теории надежности и технологии машиностроения. Для моделирования и обработки данных использовались методы вычислительной математики, теории вероятностей, математической статистики и программного обеспечения, разработанного автором.

Научная новизна. Получена целевая функция оптимизации технологического процесса обработки зубчатых колес по уровню технологической надежности для оптимального ранжирования уровня надежности между операциями и определения параметров технологических систем. Модель позволяет решать прямую задачу технологической надежности.

Разработан метод оценки уровня технологической надежности процессов обработки зубчатых колес по технико-экономическим показателям, связавший уровень технологической надежности и затраты на изготовление единицы продукции.

Разработана математическая модель оценки погрешностей механической обработки технологических операций обработки зубчатых колес, позволившая исходя из параметров технологической системы получать значения погрешностей механической обработки и рассчитывать уровни технологической надежности. Модель позволяет решать обратную задачу технологической надежности.

Практическая ценность. Созданы алгоритмы анализа и оптимизации технологических процессов обработки зубчатых колес по уровню технологической надежности, позволившие формализовать созданные модели для их реализации на ЭВМ.

Разработана САПР для автоматизации процессов исследования и совершенствования технологических процессов изготовления зубчатых колес по уровню технологической надежности с использованием метода свободного обката. Созданная САПР позволяет производить оптимальное назначение параметров технологической системы и межоперационных допусков из условия минимизации стоимости изделия с целью совершенствования технологической подготовки производства.

Реализация работы. Отдельные материалы выполненных исследований приняты к внедрению на машиностроительных предприятиях ОАО «РусичКЗКТ» (г. Курган) и ООО «Шумихинское машиностроительное предприятие» (г. Шумиха).

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению «Конструкторско-технологическое обеспечение производства» в Курганском государственном университете.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на научном семинаре Учебно-научного центра зубчатых передач и редукторостроения (г. Ижевск, 2001 г.), на 4-й международной научно-технической конференции «Качество машин» (г. Брянск, 2001 г.), на Международной молодежной научной конференции «XXVIII Гагаринские чтения» (г. Москва, 2002 г.), на Международной научно-технической конференции, посвященной памяти выдающихся ученых Коганова И. А. и Лашнева С. И. «Технологические системы в машиностроении» (г. Тула, 2002 г.), на международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (г. Пенза, 2002 г.), на международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 2003 г.), на международной научно-технической конференции «Экология и технологии» (г. Курган, 2004 г.) и др.

Законченная работа обсуждалась и была одобрена на объединенном научном семинаре кафедр технологического факультета Курганского государственного университета и научном семинаре кафедры «Технология машиностроения» Тюменского государственного нефтегазового университета, научном семинаре кафедр «Технология машиностроения», «Станки и инструменты» Южно-Уральского государственного университета.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 37 печатных работ, 4 программных разработки зарегистрировано в Отраслевом фонде алгоритмов и программ. Ряд положений отражен в отчетах по госбюджетным научно-исследовательским работам.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, выводов, списка литературы, включающего 95 наименований, содержит 159 страниц машинописного текста, 43 иллюстрации, 13 таблиц, б приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

На основе теоретических и экспериментальных исследований закономерностей формирования погрешностей зубчатых колес разработаны методики оценки уровня надежности обработки и оптимизации параметров точности элементов технологических систем, позволяющие обеспечить повышение эффективности технологических процессов обработки зубчатых колес.

1. Разработана математическая модель оценки уровня технологической надежности технологических процессов обработки зубчатых колес по технико-экономическим показателям, связавшая уровень технологической надежности и затраты на изготовление единицы продукции.

2. Разработана математическая модель оценки погрешностей механической обработки технологических операций обработки зубчатых колес, позволившая исходя из параметров технологической системы, получать значения погрешностей механической обработки и рассчитывать уровни технологической надежности. Модель дает решение обратной задачи надежности.

3. Предложен критерий эффективности технологической структурыотношение надежности к затратам, позволивший создать методику оптимизации технологического процесса обработки зубчатого колеса по уровню технологической надежности. Экспериментально доказана эффективность применения разработанных методик оптимизации: суммарный уровень надежности всего технологического процесса изготовления зубчатых колес (т=4, г=20, степень точности 9-В (ГОСТ 1643−81)), находившийся на уровне 0,46, был повышен при использовании оптимизированных точностных параметров, предложенных системой, до 0,59.

4. Установлено повышение эффективности технологических процессов обработки зубчатых колес на критических операциях зубофрезерование, зубошевингование и др.) за счет перераспределения точности обработки базирующих поверхностей на операциях, предыдущих критическим и оптимального выбора точностных характеристик базирующих элементов на станочных приспособлениях на критических операциях.

5. Разработаны алгоритмы оценки и оптимизации технологических процессов обработки зубчатых колес по уровню технологической надежности, позволившие формализовать созданные модели для их реализации на ЭВМ.

6. Разработана САПР для исследования и управления уровнем технологической надежности, для автоматизации процессов исследования и совершенствования технологических процессов изготовления зубчатых колес с использованием метода свободного обката. Созданная система может быть использована для оптимального выбора параметров технологической системы и назначения межоперационных допусков из условия минимизации стоимости изделия. При использовании её в комплексе любой интегрированной САПР в модуле САПР ТП рассчитан срок окупаемости инвестиций — 0,14 года.

7. Отдельные материалы выполненных исследований приняты к внедрению на машиностроительных предприятиях ОАО «РусичКЗКТ» (г. Курган) и ООО «Шумихинское машиностроительное предприятие» (г. Шумиха). Отдельные положения диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры технологии машиностроения Курганского государственного университета при подготовке инженеров по специальности 151 001 «Технология машиностроения». Разработанная САПР зарегистрирована в Отраслевом фонде алгоритмов и программ (ОФАП) и Информационно-библиотечном фонде России — № 4612 от 08 апреля 2005 г.

По теме диссертации опубликованы 37 печатных работ, 4 программных разработки зарегистрировано в Отраслевом фонде алгоритмов и программ, главные результаты исследований изложены в следующих основных публикациях:

1. Пономарев В. П., Михалёв A.M. Автоматизированная система оценки надежности операций зубообработки // Современные информационные технологии. Проблемы исследования, проектирования и производства зубчатых передач. Сборник докладов международного научного семинара. -Ижевск, 2001. — С. 153−158.

2. Гудков П. А., Пономарев В. П., Хрипунов C.B., Михалёв A.M. Система автоматизированного прогнозирования надежности технологических систем зубообработки // Повышение качества и эффективности изготовления деталей в машиностроении: Сборник научных трудов. — Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2001. С. 67−74.

3. Гудков П. А., Пономарев В. П., Хрипунов C.B., Михалев A.M. Оценка надежности технологических систем по обеспечению качества зубообработки // Качество машин: Сб. тр. 4-й междунар. науч.-техн. конф. / Под общ. ред. А. Г. Суслова. — Брянск, 2001. — Т.2. — С. 153−154.

4. Гудков П. А., Хрипунов C.B., Михалёв A.M. Моделирование и системная оптимизация технологии зубообработки // Технологическая системотехника. Сборник трудов первой электронной международной научно-технической конференции. — Тула: Изд-во Гриф и К, 2002. — С. 44−46.

5. Михалёв A.M., Гудков П. А. Автоматизированная экспертная система проектирования комплексно оптимальных технологических систем и процессов нефтяного машиностроения // Нефть и газ западной Сибири: Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию Тюменского государственного нефтегазового университета (Индустриального института).- Т2. Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. — С. 64−65.

6. Михалёв A.M., Гудков П. А. Имитационная общая модель формирования погрешностей обработки // Известия Тульского Государственного Университета. Серия технологическая системотехника. Выпуск 2 Труды второй международной электронной научно-технической конференции «Технологическая системотехника 2003». Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. — С. 249−254.