Повышение эффективности изготовления корпусных деталей ГТД на основе анализа процессов обеспечения технологичности с использованием принципов параллельной инженерной разработки при технологической подготовке производства

Во введении обоснована актуальность проблемы, решаемой в
диссертационной работе, дана общая характеристика направления исследований.
В первой главе выполнен анализ работ технолога и конструктора по
обеспечению показателей эксплуатационных свойств деталей машин,
рассмотрено имеющееся программное обеспечение, задействованное в процессе
технологической подготовки производства и автоматизации принятия решений,
выполнен анализ научных работ и производственного опыта по обеспечению
технологичности в условиях параллельной инженерной разработки.
В настоящее время проводится интенсивная работа в части автоматизации
проектирования производственных систем. Этот вопрос рассмотрен в научных
трудах многих современных ученых: В.С.Корсакова, Б.С. Балакшина, А.А,
Маталина, А.П. Соколовкского, П.Ю. Бочкарева, М.В. Вартанова, С.П.
Митрофанова, В.Ф. Безъязычного, А.Г. Суслова, А.Н. Семенова, Н.Н. Трушина,
Б.М. Базрова и других ученых. Также в работах разных авторов предлагаются
пути количественной оценки технологичности. В одних работах оценивается
технологичность по одному показателю, например металлоемкость (авторы:
Балабанов Б.С., Гокун В.Б.) или интенсивность затрат труда на единицу площади
(авторы: Леонтьева А.И., Давыдовский А.С., Андрейчук И.Е.). Другие авторы
рассматривают оценку показателей технологичности независимо друг от друга
(авторы: Угринов В.Ю., Корытов В.Н.). Третьи авторы пытаются вывести
зависимостикомплексного показателя технологичности в соответствии с
весовыми коэффициентами частной технологичности.
Все эти научные подходы правильные, но, в то же время, имеют ряд
недостатков: они либо оказываются замкнуты на обеспечение поиска и выбора
рациональнойтехнологииизготовлениядеталейпосуществующей
конструкторской документации; либо предлагают обобщенные правила
конструирования деталей без учета индивидуальных технологических
возможностей производства; либо решают вопросы ремонтной или
эксплуатационной технологичности, а не производственной.
По результатам анализа сделан вывод, что проблема обеспечения
технологичности является актуальной, особенно при создании сложных
технологических систем. Одним из инструментов обеспечения технологичности
является параллельная инженерная разработка. Для выполнения параллельной
инженерной разработки в настоящее время широко изучена организационная
часть, техническая же часть требует детальной проработки и множества
дополнительных исследований.
Во второй главе на основе сходства процессов обеспечения технологичности
детали при разработке рабочей конструкторской документации и процесса
планирования боевых операций, выполнена разработка алгоритма обеспечения
технологичности детали на этапе проектирования (см. рисунок 1) и методики
взаимодействия конструктора и технолога при проектировании документации.
Задача обеспечения технологичности детали решена в два этапа. На первом этапе,
исходя из конструктивных требований и выбранных критериев технологичности,
определен наиболее рациональный технологический процесс изготовления
детали, из числа рассматриваемых. Для выбранного технологического решения,
на втором этапе, выполнено сравнение технологичности изготовления базовой и
вновь спроектированной детали по обобщенному критерию технологичности.
На первом этапе выбор наиболее рационального решения предлагается выполнять
по результату сравнения расчетов оценки по каждому из выбранных вариантов
технологического процесса изготовления детали по формуле:

P=(T ∗ a ∗ U ),(1)

где – оценочный параметр каждого из вариантов технологического процесса
изготовления детали;T – относительное значение частного критерия
технологичности; a – весовой коэффициент важности критерия
Этап 11. Выбор детали –
Начало
прототипа

3. Анализ техноло-2. Формирование тре-
гического процессабований к детали

4. Уточнение тре-5. Формирование 3-
бований к деталиD модели детали

7. Выбор критериев6. Варианты
технологичностиизготовления

8. Оценка значи-9. Оценка вероят-
мости критериевности критериев

11. Выбор технологического
10. Расчет оценки по формуле
процесса по результатам
(1)
расчета

12. Расчет обобщенного
критерия технологичности Кт
Этап 2конец
по формуле (4)

14.Пересмотр
конструкции15. Разработка
да
конструкторской
13. Кт < 1 документации нет 18.Разработка плана да 16. Изменениямероприятий совер- конструкциишенствования ТП возможны нет 17. Временный отказ от изменения конструкции Рисунок 1 - Алгоритм обеспечения технологичности детали на этапе проектирования технологичности; U – вероятность обеспечения значения частного критерия технологичности; N – количество учитываемых, частных критериев технологичности. Признается более эффективным тот технологический процесс, по которому оценочный параметрбудет наибольшим. Расчет весовых коэффициентов важности критериев технологичности (a ) – предлагается выполнятьпометодуанализаматрицыпопарныхсравнений собственныхвекторов. Для выполнения оценки выполняется попарное сравнение рассматриваемых критериев c учетом итеративного процесса Бержа: А= a ,a ∈ 0,1,2 ,(2) где a = 0 означает превосходство критерия К над критерием К , a = 1 означает равноценность критериев К и К , a = 2 означает превосходство критерия К над критерием К . Результаты оценки сведем в таблицу 1. Таблица 1 - Оценка значимости критериев технологичности Критерии Критерий №1 Критерий №2 ….Критерий №N значимости Критерий №1-a…a Критерий №2a-…a ………-… Критерий №Naa…- По результатам заполнения матрицы (таблица 1) выполняется расчет весовых коэффициентов важности по формуле: ∑ a a =,(3) ∑ (∑! a ) Оценку вероятности обеспечения расчетных значений критериев технологичности предлагается производить в соответствии с таблицей 2. Таблица 2 - Критерии оценки вероятности достижения заданных параметров технологичности № ВероятностьКритерий оценки вероятности п/п достижения 11Достижение заданного критерия подтверждено испытаниями аналогичных конструкций и апробированной технологией 20,8Достижение заданного критерия подтверждено точными расчетами или моделированием процесса 30,6Достижение заданного критерия основывается на мнении эксперта, подтвержденное цифрами 40,4Достижение заданного критерия основывается на мнение эксперта на основе рассуждений 50,2Достижение заданного критерия основывается на предположении эксперта При количественной оценке производственной технологичности серийного производства на втором этапе предлагается использовать многокритериальную модель в основе которой лежит себестоимость изготовления детали: Сн Кт = (1 + а + а +. . . +а) ),(4) Сб где Сн и Сб - себестоимость изготовления новой и базовой детали соответственно, руб.; а , а , а) – безразмерные поправочные коэффициенты, зависящие от индивидуальных особенностей производства. При расчете поправочных коэффициентов для существующего серийного производства корпусных деталей предлагается учитывать время, затрачиваемое на индивидуальные технологические решения, затраты на первичное оснащение и циклы изготовления деталей. При Кт < 1, технологичность разработанной конструкции детали на существующем производстве выше технологичности базовой детали. Результат такого совершенствования будет положительный. При Кт > 1, технологичность разработанной конструкции детали на существующем
производстве ниже технологичности базовой детали. В этом случае конструкцию
детали необходимо доработать.
В соответствии с предложенным алгоритмом разработки конструкторско-
технологической документации разработана следующая методика взаимодействия
конструктора и технолога:
1. Конструктор чертит двухмерный эскиз будущей детали и передает его
технологу с указанием детали прототипа.
2. Технолог определяет возможность изготовления детали, определяет
процессы, которые будут задействованы при ее изготовлении, и дает
рекомендации конструктору.
3. Конструктор выполняет разработку 3D модели детали, организует
выполнение необходимых расчетов по детали: прочности, жесткости и других и
передает 3D модель детали технологу.
4. Технолог определяет возможные варианты изготовления детали и
составляет возможные маршруты ее изготовления.
5. Совместносконструкторомопределяютсякритерииоценки
технологичности, значимость этих критериев и вероятность достижения
выбранных критериев. По результатам оценки выбирается наиболее
целесообразный из выбранных вариантов изготовления детали.
6. Если выбранный вариант отличается от маршрута изготовления базовой
детали, технологом выполняется расчет обобщенного критерия технологичности.
По результатам расчета, принимается решение по сохранению базовой
технологии изготовления или внедрения вновь разработанного маршрута
изготовления детали. Результаты сообщаются конструктору.
7. Если выбранный вариант по п.5 оказывается забракованным в соответствии
с расчетом обобщенного критерия технологичности, то конструктор совместно с
технологом определяют целесообразность проведения дополнительных работ по
освоению новых и совершенствованию существующих процессов с тем, чтобы в
будущем была возможность вернуться к рассматриваемому вопросу.
8. Конструктор приступает к разработке рабочей конструкторской
документации с нанесением размеров. Результаты работы согласовывает с
технологом.
В таблице 3 приведено соответствие действий выполнения разработки рабочей
конструкторской документации по предлагаемому алгоритму выполнения (см.
рисунок 1) и методики взаимодействия конструктора и технолога.

Таблица 3 – Взаимодействие конструктора и технолога при разработке рабочей
конструкторской документации в условиях параллельной инженерной разработки
№Выполняемые действия поИсполнительРезультат выполнения
п/палгоритму
1 Выбор детали прототипаКонструктор Двумерный эскиз детали
Формирование требований кс указанием детали
2прототипа
детали
Анализ технологическогоТехнологРекомендации, связанные
процессас возможностью и
особенностями
изготовления детали.
4Уточнение требований к деталиконструктор3-D модель.
Формирование 3-D моделиПредварительные
деталирасчетные данные детали.
6Формирование вариантовТехнологВарианты и маршруты
изготовления деталиизготовления детали
7Выбор критериевТехнолог,Критерии оценки
технологичностиконструктортехнологичности,
8Оценка значимости критериевзначимость этих
9Оценка вероятности достижениякритериев и вероятность
критериевих достижения.
Расчет оценки по формуле (1)ТехнологВыбор рационального
технологического
Выбор технологическогопроцесса изготовления
процесса по результатам расчетадетали из предложенных.
Расчет обобщенного критерияТехнологОпределение, какой
технологичности по формуле (4)процесс более
12,
технологичен: выбранный
или базовый (по детали –
прототипу).
14, Если базовый технологическийКонструкторПересмотр конструкции
16, процесс оказался по результатамили временный отказ от
17 расчета более технологичен, чемее изменения.
выбранный, то выполняется
анализ возможности пересмотра
конструкции детали
Продолжение таблицы 3
№Выполняемые действия поИсполнительРезультат выполнения
п/палгоритму
18 При временном отказе отТехнологПлан мероприятий
изменения конструкции детали,совершенствования
разрабатывается плантехнологических
мероприятий совершенствованияпроцессов
технологического процесса
15 Разработка рабочейКонструкторРабочая конструкторская
конструкторской документациидокументация

В третьей главе на основе анализа разработанного маршрутного
технологического процесса изготовления корпусной детали газотурбинного
двигателя цилиндрического типа выявлен комплекс основных противоречий
между требованиями конструктора и технолога, предъявляемых к корпусам
газотурбинного двигателя. Результат показал, что основные проблемы со
стабильностью процессов возникают на стыке процессов: формообразования,
сварки, механической обработки. По результатам работы установлена
возможность прогнозирования качества изготовления деталей на этапе
формирования маршрутного технологического процесса изготовления корпусов
газотурбинного двигателя на основе анализа существующих статистических
данных. На основе анализа закономерности распределения эллипсности
существующей корпусной детали подтверждено, что выборка подчиняется
нормальному закону распределения, а значит, для нее может быть
спрогнозирована вероятность отказа: выхода измеряемого параметра
(эллипсности) за заданные значения. Установлено, что, имея статистические
данные по вероятности появления дефекта на единицу поверхности, возможно
спрогнозировать вероятность появления дефекта на детали в целом. Выявлены
закономерности стоимости изготовления термофиксирующей и станочной
оснастки в зависимости от габаритов корпусных деталей, которые доказывают
возможность прогнозирования стоимости изготовления оснастки до ее
проектирования на основании группового технологического процесса и
габаритных размеров изготавливаемой детали. Подтверждена возможность
прогнозирования расходов первичного оснащения технологического процесса на
этапе формирования маршрутного технологического процесса, а также
возможность прогнозирования себестоимости изготовления деталей.
На основе выполненного анализа выявлены частные критерии
производственной технологичности, наибольшим образом влияющие на
технологичность изготовления корпусных деталей в условиях параллельной
инженерной разработки для существующего производства, получена формула для
расчета обобщенного критерия технологичности выбранной группы деталей:
СнТин к0 − Тиб к0∆Зп∆Цд∆Ци
Кт = ,1 + к ∗ ,2+к ∗+ к7 ∗+ к: ∗2, (5)
СбТб к0
CбЦбЦи
где к … к= – коэффициенты, зависящие от индивидуальных особенностей
производства; Тин и Тиб – усредненное время, затрачиваемое на индивидуальные
технические решения для устранения возможных несоответствий вновь
спроектированной и базовой детали соответственно, мин.; Тб – трудоемкость
изготовления базовой детали, мин.; ∆Зп – разница затрат на первичное оснащение
новой и базовой детали, тыс. руб; ∆Цд – разница в циклах изготовления новой и
базовой детали, дней; Цб – цикл изготовления базовой детали, дней; ∆Ци – величина
изменения цикла изделия при изменении конструкции детали, дней; Ци – цикл
изготовления изделия с конструкцией базовой детали, дней.
В четвертой главе выполнено апробирование расчета обобщенного
критериятехнологичностидлясуществующегопроизводства.Для
рассматриваемого производства изготовления корпусных деталей, на основе
выявленных закономерностей, обоснован расчет безразмерных поправочных
коэффициентов в формуле (5), зависящих от индивидуальных особенностей
производства. Для существующего производства формула расчета обобщенного
коэффициента технологичности приняла вид:
Сн∆Зп
Кт = >1 + а + 0,083 ∗A,(6)
Сбn ∗ Сб
где а = 4667 ∗ DEТин 7,F − Тиб 7,F G/Тб 7,F I.
Допустимое значение а лежит в пределах: (-1;1). При значении а ≤ −1,
следует принять значение а = −0,99, а при значении а ≥ 1, следует принять
значение а = 0,99.
Также в четвертой главе на примере корпуса переднего компрессора апробирован
алгоритм (см. рисунок 1) проектирования документации. При проектировании
изделия конструктором выбран прототип детали (см. рисунок 2) на этапе
технического проектирования, выполнен эскиз детали и передан технологу.
Технолог производственного подразделения, на основе имеющейся статистики по
качеству изготовления детали прототипа и опыта, предложил к рассмотрению
три варианта изготовления детали:по прототипу – из отливки (сталь
10Х18Н11БЛ), сварную конструкцию (сталь 08Х18Н10Т), из цельной заготовки
(сталь 08Х18Н10Т). Конструктор подтвердил возможность использования
предложенных сталей для изготовления детали, а также совместно с технологом
определил места расположения сварных швов для сварного варианта и способы
изготовления входящих деталей. Сварная конструкция корпуса (cм. рисунок 3)
состоит из наружной и внутренней обечайки (поз. 1,3), ввариваемых стоек (поз.2)
и привариваемых наружных фланцев (поз.4). Технолог совместно с
конструктором определил критерии технологичности. Для выбранных критериев
были определены весовые критерии важности и вероятность их достижения.
Технолог по формуле (1) выполнил расчет оценочного параметракаждого из
вариантов технологического процесса изготовления детали. Результат расчета
показал, что наиболее эффективными по выбранным критериям технологичности
Рисунок 2 – Передний корпус компрессора ГТД

Рисунок 3 – Сварная конструкция корпуса компрессора

являются второй (сварной) и третий (из цельной заготовки) варианты
изготовления детали. Далее технологом был выполнен расчет обобщенного
критерия технологичности по формуле (6), который показал, что наиболее
эффективным процессом изготовления детали для существующего производства
является второй (сварной) вариант ее изготовления, несмотря на то, что
себестоимость изготовления первого варианта изготовления (из отливки) по
результатам оценочного расчета была ниже остальных вариантов. Причина
низкой оценки технологичности базового варианта изготовления детали (из
отливки) состояла в низкой стабильности качества изготовления детали
(большого количества индивидуальных технических решений), не приемлемого
для существующего типа производства, на котором планировалось серийное
изготовление детали. Дальнейшее проектирование рабочей конструкторской
документации осуществлялось для сварного варианта изготовления детали.
По результатам апробирования алгоритма разработки конструкторско-
технологической документации подтверждена практическая возможность
использования формулы (6) расчета обобщенного коэффициента технологичности
для выбора наиболее технологичного решения при разработке конструкторской
документации. Показано, что статистические данные о существующих
производственных процессах возможно путем математического преобразования
использовать для прогнозирования обеспечения технологичности вновь
выпускаемой конструкторской документации.
По результатам апробирования методики разработки конструкторско-
технологической документации в условиях параллельной инженерной разработки
подтверждено повышение уровня технологичности детали при изначальной
разработке документации, без необходимости внесения дополнительных
значительных изменений после выпуска рабочей конструкторской документации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1. Применение параллельной инженерной разработки позволяет:
– ускорять процесс работы по снижению производственных издержек,
благодаря совместной работе конструктора и технолога,
– улучшать проведение технологической подготовки производства и более
оперативное разрешение возникающих в производстве вопросов,
– сокращать циклы доводки изделия, благодаря принятию во внимание
производственных ограничений на самых ранних этапах работы,
– оперативно прорабатывать сложные вопросы, связанные с внедрением того
или иного конструктивного решения,
– осуществлять форсирование работ и снижение затрат при переходе опытного
изготовления деталей к серийному, благодаря упреждению по решению
возможных вопросов.
2. Результаты исследования позволили установить, что при параллельной
инженерной разработке при оценке технологичности детали необходимо
учитывать особенности производства на котором планируется ее изготавливать. В
работе показано, что кроме себестоимости изготовления для производства
корпусных деталей серийного производства при оценке технологичности
необходимо учитывать такие показатели, как время, затрачиваемое на
индивидуальные технологические решения, затраты на первичное оснащение и
циклы изготовления деталей.
3. На основе сходства процесса обеспечения технологичности деталей с
процессом планирования боевых операций разработан алгоритм разработки
конструкторско-технологической документации состоящий из двух блоков.
Первый блок позволяет в условиях наличия неполной информации, исходя из
конструктивных требований и выбранных критериев, определять наиболее
рациональный технологический процесс изготовления деталей из числа
рассматриваемых. Второй блок позволяет принимать решение по
целесообразности вносимых изменений на основе комплексного показателя
технологичности,сравнивающеготехнологичностьвновьвыбранного
технологического процесса изготовления детали с базовым (по детали-аналогу).
4. Для существующего серийного производства корпусных деталей
разработана формула (6) расчета обобщенного критерия технологичности,
учитывающая особенности существующего производства. За основу расчета взято
отношение себестоимости изготовления детали по вновь предлагаемому
маршруту изготовления детали к себестоимости изготовления по маршруту
изготовления базовой детали с введением поправочных коэффициентов, которые
зависят от времени, затрачиваемого на индивидуальные технологические решения
и затрат на первичное оснащение.
5. Разработана методика взаимодействия конструктора и технолога,
позволяющая производить разработку рабочей конструкторской документации в
условиях параллельной инженерной разработки. Вопросы их совместной работы
увязаны с последовательностью выполнения действий по разработанному
алгоритму проектирования документации.
6. Анализ результатов апробирования алгоритма проектирования рабочей
конструкторской документации в условиях параллельной инженерной разработки
на примере переднего корпуса компрессора газотурбинного двигателя показал,
что при оценке технологичности детали действительно бывает недостаточно
существующих показателей технологичности, поэтому необходимо учитывать
показатели, связанные со стабильностью имеющихся на производстве
технологических процессов, а также затрат на первичное оснащение
производства.Показанапрактическаязначимостьоценкивлияния
организационныхитехническихвозможностейсуществующего
производственного подразделения для прогнозирования технологичности вновь
проектируемой детали.
7.Апробированиеметодикиконструкторско-технологического
взаимодействия при проектировании рабочей конструкторской документации в
условиях параллельной инженерной разработки показало практическую
возможность организации работ, когда технолог подключается к процессу
проектирования на стадии формирования общих представлений о конструкции
детали (2-х мерный эскиз). В то же время, были выявлены проблемы, связанные
со своевременным доведением до технолога актуальной информации
проектирования. Для устранения данной проблемы предлагается в будущем
организовать единый канал связи, позволяющий быстро решать вопросы между
конструктором и технологом.