ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССЫ
Введение
Для изготовления деталей радиоэлектронных средств используется большая номенклатура конструкционных материалов, радиоматериалов, требующих применения разнообразных методов формообразования и обработки.
Цель учебного пособия – дать инженеру по проектированию и технологии радиоэлектронных средств знания и основные сведения по методам формообразования и обработки деталей несущих конструкций и установочных деталей.
В учебном пособии «Технология деталей РЭС» даны основные сведения о: производственных и технологических процессах; параметрах технологических процессов, характеризующих их качество; основных производственных погрешностях, возникающих в процессе изготовления; принципах проектирования технологических процессов, в том числе с использованием ЭВМ. Рассмотрена сущность методов формообразования: деталей из пластмасс; керамики; из металлических сплавов литьем; обработкой давлением из листовых материалов. В соответствующих разделах приведены рекомендации типов и марок наиболее широко используемых для изготовления деталей радиоэлектронных средств. Кроме того, приведены технологические требования к конструкциям деталей. Рассмотрены методы обработки резанием на токарных, сверлильных, фрезерных, шлифовальных станках и их технологические возможности; особенности шлифования и полирования подложек микроэлектронных устройств. Кроме обработки резанием рассмотрены электрофизические методы, широко используемые при изготовлении многих деталей с определенными физико-механическими свойствами.
В разделе «Защита деталей от внешних воздействий» рассмотрены технологии гальванических, химических, электрохимических и лакокрасочных покрытий, а также свойства и особенности применения покрытий в зависимости от применения и условий эксплуатации аппаратуры.
Технологические процессы изготовления некоторых типовых деталей (пластинчатых и витых магнитопроводов, магнитных сердечников из ферритов, подложек микросхем пьезоэлектрических резонаторов, пружин и контактов) приведены в учебном пособии в качестве примеров практической реализации различных методов формообразования и обработки.
В конце каждого раздела приведены вопросы, на которые должны ответить студенты при самостоятельной проработке материала.
Изложение материала в учебном пособии базируется на знаниях, полученных студентами при изучении дисциплины «Материаловедение и материалы радиоэлектронных средств». Дисциплина «Технология деталей радиоэлектронных средств» закладывает основы для изучения последующих дисциплин: «Несущие конструкции и механизмы РЭС», «Технология оборудования и автоматизация радиоэлектронных средств».
Принятые обозначения
В – предел прочности, Па
σср - предел прочности на срез, Па
σ0,2 – предел текучести, Па
δ – пластичность, %
НВ – твердость по Бринеллю, Па
HRA, HRB, HRC – твердость по Роквеллу (соответственно по шкале А, В, С), Па
Е – модуль упругости, Па
G – модуль сдвига, Па
α - коэффициент термического линейного расширения, 1/оС
Р – сила (общее обозначение), Н
р - удельное давление, Па
Т оС – температура в град. стоградусной шкалы
F – площадь, м2
V – объем, м3
S – толщина листового материала, мм
р – удельный вес, кг/м3
Rа – обозначение шероховатости поверхности по среднему арифметическому отклонению профиля, мкм
Rz – обозначение шероховатости поверхности по высоте неровностей по десяти точкам, мкм
, квалитеты точности геометрических размеров (в системе отверстий, вала и на симметрические допуски)
Сq – технологическая стоимость изготовления детали
tшт - норма штучного времени на изготовление детали, мин
tшт.к – штучно-калькуляционное время на изготовление детали, мин
Кз.о – коэффициент закрепления операций
Ку – коэффициент усадки, %
Ки.м – коэффициент использования материала
Кт.о – коэффициент точности обработки
Кш – коэффициент шероховатости поверхности
ТП – технологический процесс
ЕСТД – единая система технологической документации
ЕСКД – единая система конструкторской документации
ЕСТПП – единая система технологической подготовки производств
ЕСПД – единая система программной документации
ИПСТН – информационная поисковая система технологического назначения
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССЫ
1.1. Производственный процесс. Типы и виды
производства
Производственным процессом называется комплекс работ, выполняемых при изготовлении изделия. Изделием называют любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии.
Согласно Единой системе конструкторской документации (ЕСКД) установлены следующие виды изделий: детали, сборочные единицы, комплексы и комплекты.
Деталь - изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала, без применения сборочных операций, например: контакт, основание печатной платы, шасси, передняя панель, корпус и т.д. Остальные определения частей не приводятся, так как они не входят в круг вопросов данной дисциплины.
Основным содержанием производственного процесса является объём работ, выполняемых по технологическим процессам изготовления деталей, сборки, испытаний, консервации и упаковки изделий.
Производственный процесс включает в себя не только изготовление изделий, но и транспортирование, хранение материалов и полуфабрикатов, изготовление технологической оснастки и специальных инструментов и др.
По характеру организации производственных процессов различают следующие типы производства: единичное, серийное и массовое. Каждый из этих типов производства определяется программой выпуска изделий, составом технологического оборудования, уровнем квалификации рабочих, производительностью труда. Применительно к производственному подразделению (цеху, участку) тип производства определяется коэффициентом закрепления операций Кзо = О/Р, где О – число всех операций, выполняемых в течение месяца; Р – число рабочих мест, на которых выполняются операции.
Единичное производство - производство, характеризуемое широкой номенклатурой изготовляемых изделий и малым объемом выпуска их. Характерным для единичного производства является: относительно высокий средний уровень квалификации рабочих; невысокий уровень производительности труда, высокая себестоимость изделий, частая сменяемость объектов производства. Технологические процессы оформляются в виде укрупненных планов обработки с большой концентрацией обрабатываемых поверхностей в одной операции с минимальным количеством единиц специальной технологической оснастки. При единичном производстве применяется универсальное технологическое оборудование в цехах основного производства. Качество и точность обработки достигается применением универсального оборудования высокой точности и труда рабочих высокой квалификации.
Серийное производство - производство, характеризуемое ограниченной номенклатурой изделий, изготовляемых периодически повторяющимися партиями и сравнительно большим объемом выпуска. В зависимости от количества изделий в партии или серии и значения коэффициента закрепления операций различают мелкосерийное, среднесерийное и крупносерийное производства. В соответствии с этим коэффициент закрепления операций принимают равным:
для мелкосерийного производства Кзо = 21 ÷ 40;
для среднесерийного производства Кзо = 11 ÷ 20;
для крупносерийного производства Кзо = 2 ÷ 10.
Для серийного производства характерна периодичность как отдельных операций, так и всего технологического процесса изготовления изделий, т.е. цикличность производства. В зависимости от номенклатуры выпускаемых изделий и программы выпуска применяется как универсальное, так и специализированное оборудование, а в отдельных случаях и специальное. Помимо нормализованного инструмента применяется также специальный рабочий и измерительный инструменты.
Средний уровень квалификации рабочих ниже, чем в единичном производстве, а производительность труда выше.
Массовое производство– производство, характеризуемое узкой номенклатурой и большим объёмом выпуска изделий, непрерывно изготовляемых в течение продолжительного времени. На одних и тех же рабочих местах выполняются одни и те же постоянно повторяющиеся операции. Для массового производства характерно применение специализированного оборудования с автоматическим циклом работы, расставленного в соответствии с технологическим процессом, что обеспечивает непрерывность подачи деталей на сборку и возможность применения высокопроизводительных приспособлений, специального и нормализованного инструмента и др. Для массового производства характерна высокая производительность труда и пониженный средний уровень квалификации рабочих. Коэффициент закрепления операций при массовом производстве Кзо = 1.
Вид производства– категория производства, выделяемая по признаку применяемого метода изготовления деталей (литейное, штамповочное, обработка резанием и т.д.). Существует определенная взаимосвязь между типом и видом производства. Тип производства определяет выбор вида производства, т.е. метод изготовления изделия. При единичном и мелкосерийном производстве для снижения затрат на изготовление деталей выбирают универсальное технологическое оборудование и технологическую оснастку (токарные, фрезерные и другие станки, нормализованные режущие инструменты). При крупносерийном и массовом производстве детали изготавливают на специальном автоматизированном оборудовании с применением специальной технологической оснастки. Высокая стоимость специального оборудования и технологической оснастки окупается при большой программе выпуска изделий.
1.2. Технологический процесс, структура и виды
технологических процессов
Часть производственного процесса, непосредственно связанная с изменением физико-механического состояния материала, размеров, формы, внешнего вида и контроля изделия, называется технологическим процессом.
Технологический процесс (ТП) изготовления деталей состоит из получения заготовок и последующей их обработки. По физическим и экономическим признакам технологические процессы расчленяют на операции, которые делят на переходы, установы, позиции, проходы и приемы.
Операция – законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте.
Переход – часть операции, при которой обрабатывается один или несколько участков поверхности детали одним и тем же инструментом при неизменном режиме работы оборудования.
Установ – часть операции, выполняемая при одном закреплении обрабатываемой детали и одной настройке оборудования.
Позиция – каждая из возможных фиксированных положений перемещающейся части приспособления с неизменно закрепленной в нем деталью относительно оборудования, на котором производится работа.
Проход – часть перехода, связанная со снятием слоя металла при однократном движении инструмента относительно обрабатываемой поверхности.
Прием – часть операции, представляющая совокупность действий, связанных с каким-либо одним целевым назначением (включение станка, установ изделия в приспособление и т.п.).
Общая схема технологического процесса изготовления деталей может быть представлена в виде последовательных приближений сырья (заготовки) к качественным показателям изготовляемой детали, требуемыми чертежом и техническими условиями на изделие.
Средствами выполнения технологического процесса являются: технологическое оборудование, технологическая оснастка, наладка.
Технологическое оборудование – это орудия производства, в которых размещают материалы или заготовки для выполнения технологических операций: станки, прессы, литейные машины, печи для термической обработки и т.п.
Технологическая оснастка– это орудия производства, добавляемые к технологическому оборудованию, необходимые для выполнения технологических операций: штампы, пресс-формы, станочные приспособления, режущие и мерительные инструменты.
Наладка– это подготовка технологического оборудования и технологической оснастки к выполнению представленных технологических операций. В процессе работы для восстановления первоначальных параметров изготовления изделий производят подналадку оборудования и оснастки.
Виды технологических процессов определяются методами разработки и областью применения (единичные, типовые, групповые), назначением (рабочие, перспективные) и степенью детализации (маршрутные, операционные).
Типовой ТП характеризуется единством содержания и последовательности основных технологических операций и переходов для изделий с общими конструктивными признаками и свойствами материалов (например, типовой ТП изготовления группы деталей из термопластичных пластмасс; изготовление деталей из цветных сплавов методом литья под давлением и др.).
Типовой ТП является базовым, на основе которого разрабатывается единичный ТП изготовления конкретной детали. Использование типовых технологических процессов позволяет уменьшить трудоемкость и стоимость разработки единичных ТП и повышать качество технологической подготовки производства.
Групповой ТП – это технологический процесс, представляющий совокупность групповых операций, обеспечивающих обработку деталей определенной группы по общему технологическому маршруту. В групповом ТП используются различные типы оборудования, размещенные в виде подетально-групповых участков или групповых многопредметных поточных линий. Групповой ТП основан на изготовлении деталей, формируемых в группы по общему технологическому признаку: параметрам, методам обработки, режимам и технологической оснастке. Главным признаком объединения изделий в группы является общность формы поверхностей, обрабатываемых на токарных, фрезерных и других станках. Групповой ТП позволяет уменьшить трудоемкость и стоимость изготовления деталей путем создания рабочих мест на базе высокопроизводительных специализированных станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и сокращения времени на переналадку оборудования при переходе к изготовлению партии деталей другого типоразмера или наименования на одном рабочем месте.
Единичный ТП – это технологический процесс изготовления деталей одного наименования конструктивного оформления из одной марки материала. Единичный технологический процесс разрабатывается независимо от типа производства.
По степени детализации или глубины разработки ТП могут быть маршрутными, маршрутно-операционными или операционными.
Маршрутный ТП содержит только описание последовательности и содержания операций, без указания переходов и режимов обработки. Эти ТП являются основными при единичном и мелкосерийном производстве.
Операционные ТП используются в условиях серийного и массового производства. Они содержат описание отдельных технологических операций с указанием последовательности и содержания переходов и режимов обработки.
Маршрутно-операционные технологические процессы занимают промежуточное положение. В них подробно описываются отдельные, наиболее ответственные операции с маршрутным описанием остальных.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятиям «производственный процесс» и «технологический процесс».
2. Чем определяется тип производства и вид производства?
3. Перечислите, какие бывают типы производства, их основные характеристики и каким численным параметром определяют тип производства?
4. Укажите, какое оборудование следует применять для изготовления деталей при единичном и мелкосерийном производстве?
5. Из каких структурных частей состоит любой технологический процесс и дайте определение этим структурным частям?
6. На какие структурные части расчленяются технологические процессы при единичном и мелкосерийном производстве и на какие – при крупносерийном и массовом производстве?
7. Какие бывают виды технологических процессов, и по каким признакам их характеризуют?
8. Дайте определение типового технологического процесса, и чем он характеризуется? Приведите примеры типовых технологических процессов, используемых при изготовлении деталей радиоэлектронных средств.
9. Дайте определение понятиям «технологическое оборудование», «технологическая оснастка» и приведите конкретные примеры.
2. Параметры технологических процессов
2.1. Трудоемкость и производительность
Трудоемкость. Под трудоемкостью понимают количество времени, затрачиваемое на изготовление одного изделия определенным технологическим процессом. Трудоемкость определяется на основе опытно-статистического или расчетно-аналитического методов.
Опытно-статистический метод основывается на анализе статистических данных о выполнении нормы времени технологических операций. Такой метод нормирования не стимулирует рост производительности труда, нередко вместе с достигнутыми успехами узаконивает отдельные неполадки предприятия.
Расчётно-аналитический метод основывается на анализе операции по составляющим её элементам и определении продолжительности отдельных операций в целом. Этот метод исходит из научной организации труда, наиболее эффективного использования всех средств производства, учитывает передовой производственный опыт.
Трудоемкость технологического процесса (норма времени) слагается из трудоемкости отдельных операций, которые определяются из выражения:
tшт.о = to + tв + tт.o + to.о + tп, мин, (2.1)
где to – основное технологическое время, затрачиваемое оборудованием на изменение формы, размеров, физико-механических свойств изделий в данной операции;
tв – вспомогательное время, затрачиваемое на установку и снятие детали со станка, управление станком и механизацией;
tт.o – время технического обслуживания, затрачиваемое на подналадку станка, смену рабочего инструмента и т.п.;
to.о – время, затрачиваемое на организационное обслуживание рабочего места и станка, получение сменного задания;
tп – время, затрачиваемое на отдых и естественные надобности исполнителя.
Время, слагаемое из основного и вспомогательного, называется оперативным toп = to + tв. Основное технологическое время to, рассчитывается исходя из режима работы оборудования (скорости резания, числа ходов пресса в мин., времени термической обработки и т.п.). Составляющие нормы штучного времени tв, tт.o, to.о, tп определяют по научно-техническим обоснованным нормативам.
Уменьшение tв и tт.o возможно повышением автоматизации всех действий технологического оборудования. Значительное сокращение этих составляющих достигается при использовании оборудования с ЧПУ, промышленных роботов.
Общая расчетная трудоемкость всего технологического процесса tшт слагается из трудоемкости выполнения всех операций
, (2.2)
где n – количество операций, подлежащих выполнению в данном технологическом процессе.
В том случае, когда изготовление деталей выполняют партиями, к расчетной трудоемкости (норме времени) добавляется время на наладку и подналадку оборудования, которое называют подготовительно-заключительным. Тогда норму времени на операцию, которое называют штучно-калькуляционным временем, рассчитывают по формуле
tшт.к. = tшт + tп.з./N, (2.3)
где tшт.к. – штучно-калькуляционное время, мин; tп.з – подготовительно-заключительное время; N – объем партии деталей.
Производительность.Под производительностью технологического процесса понимают количество изделий, изготавливаемых в единицу времени. В условиях серийного или массового производства производительность определяется выражением
, (2.4)
где Q – производительность, Ф – фонд рабочего времени (час, смена), который выражается в мин.; tшт – трудоемкость (норма времени) изготовления одной детали определенным технологическим процессом.
При изготовлении деталей небольшими партиями (единичное или мелкосерийное производство) производительность равна
, (2.5)
где tшт.к – штучно-калькуляционное время на изготовление одного изделия.
2.2. Технологическая стоимость
Критерием оценки эффективности технологического процесса служит технологическая себестоимость, которая является основной частью полной себестоимости изделия.
Технологическую себестоимость детали (Сд) ориентировочно можно определить по формуле
, (2.6)
где См - стоимость материала заготовки за вычетом стоимости реализуемых отходов; Сз.р - зарплата производственных рабочих; Сз.н – зарплата настройщиков (наладчиков), если технологическое оборудование требует настройки для выполнения операций; N - годовая программа выпуска деталей (шт.); Сам - стоимость амортизации и ремонта технологического оборудования и оснастки; Сэн - стоимость энергии, затрачиваемой на каждую деталь всеми операциями технологического процесса; Ссп.о - стоимость специального технологического оборудования и специальной технологической оснастки, содержания и эксплуатации их.
Заработная плата производственных рабочих определяется из выражения
, (2.7)
где n – количество операций; tшт.o i – трудоемкость (норма штучного времени) выполнения i-той операции; Si – часовая тарифная ставка выполнения i-той операции; Ki – коэффициент заработной платы.
Заработная плата наладчиков определяется по формуле
, (2.8)
где m – количество технологических операций, в которых применяется наладка; tн i – норма времени настройки технологического оборудования и оснастки i-той операции; Рi – количество настроек с учетом переналадок оборудования в год.
Величина технологической стоимости зависит от ряда факторов и в первую очередь от объема производства. Для установления этой зависимости все расходы делятся на текущие a и единовременные b. Тогда выражение (2.6) имеет вид
Сд = a + b/N, (2.9)
где а = См + Сз.р + Сэн + Сам; b = Сз.н + Ссп.о; N – планируемый выпуск изделий.
Выражение (2.9) для определения себестоимости детали можно представить гиперболой (рис.2.1), асимптотически приближается при увеличении программы выпуска N к значению a. Участок кривой А соответствует малой загрузке оборудования (единичному и мелкосерийному производству), когда небольшое изменение программы ∆N резко влияет на величину ∆Сд.
| 
|
| Рис. 2.1. График зависимости технологической себестоимости детали от годовой программы выпуска | Рис. 2.2. График зависимости технологической стоимости изделий от величины годовой программы |
Участок Б соответствует условиям серийного производства; участок В соответствует условиям большой загрузки оборудования, что аналогично условиям массового производства, когда значительное изменение программы ∆N очень мало отражается на изменении себестоимости.
Технологическая стоимость изделий Сn в зависимости от программы выпуска N равна
Сn = a . N + b. (2.10)
Уравнение (2.10) для определения себестоимости деталей от программы можно представить прямой, отсекающей на оси ординат отрезок b (рис.2.2), характеризующий величину единовременных затрат на годовую партию. При этом величина текущих затрат линейно зависит от объема выпуска изделий, а на наклон прямой влияет переменная a = tgα, т.е. чем больше текущие затраты, тем больше угол α. Формула (2.10) и ее графическое изображение является удобной при выборе оптимального технологического процесса из нескольких по технологической себестоимости. При этом исходят из существующей закономерности соотношения единовременных и текущих затрат: технологические процессы с более крупными единовременными затратами имеют меньшие значения текущих затрат, т.е. b1> b2 > b3, а1< a2 < a3. Такая закономерность проявляется при внедрении автоматизированного оборудования с ЧПУ, промышленных роботов. На рис.2.3 представлено графическое изображение трех технологических процессов с различными значениями а и b.
Рис. 2.3. График выбора оптимального варианта технологического процесса по стоимости
Из рис. 2.3 следует, что прямая a3 пересекается с прямой a2 в точке А, определяющей величину партии N1. При увеличении партии технологический вариант с текущими затратами a3 становится менее эффективным, чем вариант с текущими затратами a2. Прямая a2 пересекается с прямой а1 в точке В, определяющей величину партии N2, с увеличением которой технологический вариант с текущими затратами a2 становится менее выгодным, чем вариант с текущими затратами а1.
Таким образом, решение задачи выбора оптимального технологического варианта по технологической стоимости в конечном счете сводится к определению величины критической партии, при которой себестоимость двух сравниваемых вариантов становится равноценной.
Найти величину критической партии можно из равенства
или 
,
откуда 
. (2.11)
Если программа выпуска N > N2, то более выгодным является технологический процесс с большим значением единовременных затрат и меньшим текущих затрат.
2.3. Точность
Под точностью технологического процесса понимают степень обеспечения изготовляемых изделий высокого качества в соответствии с техническими требованиями, которые определяются рабочими чертежами.
Качество деталей характеризуется точностью обеспечения геометрических размеров, формы, взаимного расположения поверхностей и их шероховатостью, а также физико-механическими параметрами материала деталей (твердостью, прочностью, электропроводностью, магнитной проницаемостью и др.), которые зависят от их назначения.
Геометрическая точность деталей определяется величинами отклонений линейных размеров, формы и взаимного расположения поверхностей от их номинальных значений. В рабочих чертежах линейные размеры указываются в виде 
, где А - номинальное значение размера; а, b – допустимое верхнее и нижнее значения отклонений, под которыми понимают алгебраическую разность между наибольшими Аmax или наименьшими Аmin предельными и номинальными размерами
а = Аmax – Аном; b = Аmin – Аном. (2.12)
Разность верхнего и нижнего отклонений называют допуском δ
δ = а – (-b) = а + b
или δ = (Amax – Аном) – (Аmin – Аном) = Аmax – Аmin. (2.13)
Верхнее и нижнее отклонения размеров могут быть как положительными, так и отрицательными, но допуск всегда является положительным. Например, в размерах 
, 30±0,05, 
видно, что в первом нижнее отклонение является положительным, а в третьем – отрицательным, но допуск во всех размерах является положительным δ = 0,1.
Государственными стандартами (ГОСТ 25670-83) регламентирован расчет и определение допусков. Согласно этому все номинальные размеры разбиваются на определенные интервалы в миллиметрах (например, 3-6, 6-10, 10-18, 18-30 и т.д.) и для каждого из этих интервалов определяют единицу допуска в мкм.
, (2.14)
где 
- среднеарифметическое значение каждого интервала. Тогда величина допуска
δ = аi, (2.15)
где а – число единиц допуска.
Для условного обозначения допусков на размеры вводится понятие квалитета, который состоит из латинской буквы и цифры – квалитета. Поле допуска в системе отверстий обозначается буквой Н, а в системе вала – строчной буквой h, например, Н12, h12.
Стандартами установлено 19 квалитетов: 01, 0, 1, 2, …, 17, из которых при изготовлении деталей РЭС используются только 10 (от 5 до 14). Расчетная величина допусков аi соответствует определенному значению квалитета:
| Квалитет | ||||||||||
| Величина допуска δ (мкм) | 7i | 10i | 16i | 25i | 40i | 64i | 100i | 160i | 200i | 400i |
В ранее существующих стандартах квалитету соответствовало понятие класса точности.
В табл. 2.1 приведено сопоставление квалитетов и соответствующих им классов точности.
Таблица 2.1
| Класс точности | 2а | 3а | |||||||||
| Квалитеты | Вал | Отв. | Вал | Отв. | Вал | Отв. | Валы и отверстия | ||||
| 8-9 | 12-13 |
Форма и расположение поверхностей деталей, к которым относятся неплоскостность, непрямолинейность, несимметричность, несоосность, отклонение от цилиндричности и др. нормированы ГОСТ 24643-81. Номинальные значения этих параметров приняты равными нулю, а в рабочих чертежах указываются только их предельные отклонения.
С технологической точки зрения заданные допуски на деталь ограничивают допустимую общую погрешность изготовления, которая слагается из погрешностей, возникающих на всех операциях технологического процесса. Чем жестче допуски на изделие, тем более высокие требования предъявляются к точности технологического оборудования и оснастки, к выбору методов и режимов изготовления.
Точность изготовления деталей зависит от погрешностей, возникающих в процессе производства на всех операциях технологического процесса, т.е. от производственных погрешностей. Все производственные погрешности могут быть разделены на систематические и случайные.
Систематические погрешности вызываются определенно действующими детерминированными причинами. Они могут быть постоянными или изменяющимися во времени. Например, неточность в измерительных устройствах станка, постоянный износ технологической оснастки (режущего инструмента, штампов, пресс-форм).
Случайными называют погрешности, возникающие под действием неуправляемых факторов технологического процесса, причем их значение не подчиняется каким-либо видимым закономерностям. Характер изменения и значение случайных производственных погрешностей не может быть определен без статистических методов обработки результатов измерения. Случайные погрешности вызываются неточностью установки деталей, инструмента, колебаниями припусков, неравномерностью обработки, непостоянством состава применяемых материалов и т.п.
Производственная погрешность слагается из следующих составляющих:
неточности оборудования и его износ в процессе работы;
неточность изготовления технологической оснастки и ее изнашивание в процессе работы (режущего инструмента, штампов, литейных форм);
неточность от установки инструмента и настройки на размер;
погрешности установки заготовки на станке или в приспособлении;
деформации в системе СПИД (станок-приспособление, инструмент-деталь);
тепловые деформации и внутренние напряжения в детали;
неточность измерительных инструментов;
ошибки исполнителя работы.
Анализ и расчет систематических погрешностей (например, неточность оборудования, технологической оснастки и их износ деформации в системе СПИД, тепловые деформации технологической системы и др.) основаны на использовании математической зависимости между величиной погрешности и причиной, вызывающей ее. Определение влияния случайных производственных погрешностей (например, рассеяние размеров при обработке, погрешность установки деталей на станке и др.) на точность обработки достигается методом математической статистики.
Общая погрешность обработки изделий определяется как алгебраическая сумма систематических и случайных погрешностей, которые суммируются по методу математической статистики
, (2.16)
где ωi сист – систематические погрешности; ωj случ – случайные погрешности; 1,2 – коэффициент, который учитывает возможное отклонение распределения погрешностей от закона нормального распределения.
Для определения всех случайных погрешностей ωj случ в производстве используется метод математической статистики, основанный на изучении законов распределения размеров деталей и построения кривых распределения. Уравнение кривой нормального распределения имеет следующий вид:
, (2.17)
где xi – отклонение размера i-й детали от его математического ожидания; σ – среднее квадратичное отклонение, которое характеризует степень рассеивания размеров относительно математического ожидания
, (2.18)
где n – количество деталей в партии.
При рассеивании размеров деталей, вызываемых случайными погрешностями,ωj случ рассчитывают по значению σ, определяемого в ходе эксперимента
ωj случ = ± tσi, (2.19)
где t – коэффициент, зависящий от процента риска и достоверности соответствия реального распределения принятому закону распределения погрешностей.
В технологических расчетах коэффициент t принимают равным 3 /5/ исходя из того, что достоверность соответствия реального распределения погрешностей нормальному закону составляет 0,9973.
Подставляя значение ωj случ в формулу (2.16) с учетом рассчитанных систематических погрешностей, получают общую погрешность ∆Адет технологического процесса.
Первым и основным критерием возможности применения любого технологического процесса является выполнение требования
∆Адет ≤ δ, (2.20)
где δ – допуск на выполнение любого размера детали.
Классификация погрешностей на систематические и случайные условна, так как одна и та же производственная погрешность в зависимости от условия обработки может быть отнесена либо к детерминированным, либо случайным погрешностям. Метод математической статистики позволяет определить точность обработки деталей, на которую влияют как систематические, так и случайные погрешности технологического процесса /6,7/.
Вторым критерием возможности применения технологических процессов для изготовления деталей высокого качества является шероховатость поверхности.
Шероховатость – это параметр качества деталей, характеризуемый микрогеометрией поверхности. Шероховатость представляет собой совокупность микронеровностей (выступов и впадин), полученных в процессе формообразования деталей и различными методами обработки (механическими, электрофизическими). Величина, форма и шаг микронеровностей зависят от методов изготовления, режимов технологического процесса и других факторов.
Шероховатость поверхностей деталей оказывает существенное влияние на такие эксплуатационные свойства, как усталостная прочность, сопротивление коррозии, износостойкость, коэффициент трения сопряженных поверхностей.
В рабочих чертежах шероховатость поверхностей, независимо от метода изготовления деталей, обозначают следующими параметрами (ГОСТ 2789-73): Ra – среднее арифметическое отклонение профиля в пределах определенной базовой длины; Rz – высота неровностей профиля по десяти точкам в пределах базовой длины.
В справочной литературе, например /4/, даются числовые значения в мкм параметров Ra и Rz; правила обозначения их в рабочих, рекомендации по выбору шероховатостей поверхностей деталей различного назначения; значения параметров шероховатости в зависимости от квалитета точности обработки.
Между точностью обработки и шероховатостью поверхности существуют определенная взаимосвязь, чем выше точность обработки, тем меньше шероховатость. Но в некоторых случаях не требуется высокая точность обеспечения линейных размеров деталей, но необходима низкая шероховатость (например, для придания поверхности высокой отражательной способности, рабочие поверхности подложек гибридных интегральных схем и подложек устройств на поверхностных акустических волнах). В этом случае низкую шероховатость поверхности обеспечивают дополнительной обработкой - полированием.
Для определения шероховатости поверхностей применяют контактные и бесконтактные методы. Сущность контактного метода состоит в том, что остро заточенная алмазная игла приводится в поступательное движение и ощупывает все выступы и впадины. Механические колебания иглы преобразуются в электрические колебания, которые предварительно усиливаются, а затем измеряют их параметры, соответствующие параметрам неровностей поверхности. К бесконтактным методам относятся оптические методы измерения шероховатости: метод ощупывания поверхности лазерным или световым лучом, интерференционные методы. Они позволяют измерять высоту неровностей в диапазоне 0,1 - 1 мкм с точностью до 0,0001 мкм.
2.4. Устойчивость и надежность
Устойчивостьюпризнаков качества технологического процесса называют свойства процесса сохранять точность этих признаков во времени. Для устойчивых процессов поддержание точности должно быть обусловлено отсутствием регулировок (или автоматическим их выполнением) или изменений условий протекания процесса. Устойчивость означает, что среднее значение проверяемого признака качества постоянно совпадает с центром поля допуска, а все отклонения располагаются в контрольных границах, меньших, чем поле допуска.
Оценка устойчивости процесса изготовления может быть произведена на основе изучения изменения статистических характеристик текущих малых выборок, т.е. измерения размеров периодически отбираемых деталей при их изготовлении. Для определения устойчивости строятся точностные диаграммы (карты) мгновенного распределения. Наиболее широко применяются карты средних значений 
, которые позволяют оценить устойчивость. Кроме того, точностные диаграммы дают возможность наблюдения за ходом технологического процесса и своевременного вмешательства при его разладке (нарушения устойчивости). На карте (рис. 2.4) вычерчивается горизонтальная линия, редставляющая собой среднее значение параметра а. По оси абсцисс откладывается t время отбора проб по n изделий в каждой выборке. Число деталей в выборке выдерживается постоянным и берется равным n = 4 -10. По оси ординат в определенном масштабе наносятся среднеарифметические значения 
, которые рассчитываются исходя из объема выборки. Значения , рассчитанные в каждой выборке, соединяют ломанной линией и по изменению хода судят об устойчивости.
Рис. 2.4
На карте нанесены две линии Кв и Кн представляющие собой верхнюю и нижнюю контрольные линии, выход за пределы которых значений сигнализируют нарушение устойчивости технологического процесса. Значения Кв и Кн рассчитываются из условия, что в интервале между контрольными границами будет ожидаться появление 99,73 % всех значений изменяемого параметра.
; 
, (2.21)
где n – объем выборки; σ – среднее квадратичное отклонение большой выборки (или σ генеральной совокупности) по коэффициенту устойчивости К = σm/σ, где σm – мгновенное значение среднеквадратичного отклонения, т.е. σ в данной выборке.
Технологический процесс считается вполне устойчивым, если коэффициент К близок к единице (считается, что процесс устойчив, если К отличается от 1 на 0,27%).
Надежность технологического процесса – это способность его обеспечивать выпуск изготавливаемых годных изделий в полном соответствии с технической документацией. Всякая надежность понятие вероятностное. Поэтому надежность технологического процесса – это вероятность того, что в результате изготовления определенным технологическим процессом изделие будет годным. Численно надежность технологического процесса определяется из выражения
, (2.22)
где Nг – число годных изделий; N – общее количество изготавливаемых изделий.
Так как технологический процесс состоит из ряда технологических операций, надежность его равна произведению надежности операций
, (2.23)
где Hi – надежность i-й операции.
Для анализа надежности технологического процесса вводят технологическую модель, представляющую собой систему, учитывающую разброс технологических параметров: погрешность размеров, погрешность по физическим параметрам, погрешность контроля, погрешность испытания и т.д.
На практике представляет интерес вероятность появления дефектных изделий. Практика показала, что появление дефектных изделий описывается ординарным пуассоновским потоком.
В этом случае вероятность появления на выходе технологического процесса дефектных изделий определяется выражением
, (2.24)
где m – количество дефектных изделий; k – количество операций; λ – математическое ожидание, в данном случае среднее значение числа дефектов, возникающих в данном процессе.
Технология существенно влияет на надежность работы изделия и зависит от устойчивости и стабильности технологического процесса, степени автоматизации технологического процесса.
Для повышения надежности изделий за счет влияния технологического процесса необходимо:
применять передовые технологические процессы изготовления;
использовать типовые и групповые технологические процессы;
автоматизировать производственные процессы.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение производительности техноло-гического процесса и как ее определяют?
2. Из каких составляющих слагается трудоемкость изготовления изделий по операциям и всего технологического процесса, и как влияет трудоемкость на производительность?
3. Что понимается под основным и вспомогательным временем при выполнении операций технологического процесса?
4. Из каких затрат слагается технологическая стоимость изготовления деталей? Какие затраты относят к текущим затратам и какие к единовременным?
5. Как выбирается оптимальный вариант технологического процесса по технологической стоимости изготовления деталей?
6. Что понимается под качеством технологического процесса?
7. Какие существуют производственные погрешности, влияющие на точность изготовления деталей?
8. Какими параметрами определяют геометрическую точность? Задайтесь конструкцией конкретной детали и проставьте соответствующие квалитеты точности на все размеры.
9. В чем заключается определение точности изготовления деталей методом математической статистики?
10. Какой процент брака допускается при анализе точности технологического процесса на основе метода математической статистики? Какое условие должно выполняться при изготовлении деталей без брака?
11. Какими параметрами характеризуют шероховатость поверхностей деталей? Задайтесь конструкцией конкретной детали и проставьте шероховатость поверхностей (пример из вопроса 8).
12. Что понимается под устойчивостью технологического процесса? Как регулируется качество изготовления деталей с помощью точностных диаграмм по среднему значению?
13. Что понимается под надежностью технологического процесса? Как определяется надежность всего технологического процесса, зная надежность выполнения операций?
3. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ДЕТАЛЕЙ
Различают два вида технологичности конструкции: производственную и эксплуатационную. Производственная технологичность конструкции изделия проявляется в сокращении затрат средств и времени на: конструкторскую и технологическую подготовку производства (КПП, ТПП) нового изделия, процессы изготовления, в том числе контроля и испытания.
Технологичной называют такую конструкцию, которая полностью отвечает предъявляемым требованиям к изделиям и может быть изготовлена с применением наиболее экономичных (при принятом типе и масштабе производства) технологических процессов.
Эксплуатационная технологичность конструкции изделия проявляется в сокращении времени и средств на техническое обслуживание и ремонт изделия.
Общие правила отработки конструкции изделий на технологичность регламентируется ГОСТ 14.201-83 ЕСТП (единая система технологической подготовки производства). Согласно стандарту отработка конструкции изделия на технологичность направлена на повышение производительности труда, снижение затрат и сокращение времени на проектирование, технологическую подготовку производства (ТПП), изготовление, техническое обслуживание и ремонт изделия.
Технологичность конструкции оценивается количественно посредством системы показателей, которая включает: базовые (исходные) показатели технологичности конструкции представителя группы изделий, обладающих общими конструктивными признаками; показатели технологичности конструкции, достигнутые при разработке нового изделия; показатели уровня технологичности конструкции, определяемые как отношение значений показателей технологичности разрабатываемого изделия к соответствующим значениям базовых показателей. Состав базовых показателей технологичности конструкций, их оптимальные значения и предельные отклонения определяются для однотипных изделий отраслевыми стандартами, разрабатываемыми на основе настоящего стандарта. Оптимальные значения базовых показателей технологичности указываются в техническом задании на разработку изделия.
Отработка конструкции изделия на технологичность должна обеспечивать решение следующих задач: снижение трудоемкости и себестоимости изготовления изделия; снижение трудоемкости и стоимости работ по обслуживанию изделия, при эксплуатации и ремонте изделия.
Комплекс работ по снижению трудоемкости и себестоимости изготовления в общем виде включает: повышение серийности при изготовлении посредством стандартизации, унификации и группирования изделий и их элементов по конструктивным признакам; ограничение номенклатуры конструкций и применяемых материалов; преемственность освоенных в производстве конструктивных решений, соответствующих современным требованиям, снижение массы изделий, применение высокопроизводительных типовых технологических процессов и средств технологического оснащения.
Отработка конструкции на технологичность производится на всех стадиях разработки изделия, при технологическом оснащении производства и изготовлении изделия и должно включать: обеспечение технологичности конструкции изделия при его проектировании; технологический контроль конструкторской документации, подготовку и внесение изменений в конструкторскую документацию.
Исполнителями отработки конструкции изделия на технологичность являются разработчики конструкторской документации и разработчики технологической документации.
Отработку конструкции на технологичность проводят в общем случае в следующем порядке: подбор и анализ исходных материалов для оценки технологичности отрабатываемой конструкции; уточнение объема выпуска; анализ показателей технологичности аналогичной конструкции; определение показателей производственной и эксплуатационной технологичности; проведение сравнительной оценки и расчет уровня технологичности нового изделия; разработка рекомендаций по улучшению показателей технологичности.
При проведении отработки конструкции изделия на технологичность следует учитывать: вид изделия; степень новизны; условия работы; техническое обслуживание и ремонт; перспективность изделия; объем его выпуска; новые высокопроизводительные методы и процессы изготовления; оптимальные условия конкретного производства; внедрение новых передовых методов и средств производства; связь рассматриваемых показателей технологичности с другими показателями качества изделия, в том числе, показателями назначения, надежности и эргономичности.
Общие правила отработки на технологичность и правила выбора показателей технологичности деталей проводятся согласно ГОСТ 14.204-83 и должны соответствовать ГОСТ 14.201-83. Конструкцию детали на технологичность следует отрабатывать комплексно, учитывая зависимость от:
технологичности исходной заготовки детали;
каждого вида обработки в технологическом процессе изготовления;
технологичности сборочной единицы, в которую деталь входит.
Общие требования к технологичности конструкции, учитываемые при проектировании детали, в процессе изготовления, в техническом обслуживании и ремонте:
конструкция детали должна состоять из стандартных и унифицированных конструктивных элементов или быть стандартной в целом;
детали должны изготавливаться из стандартных или унифицированных заготовок;
размеры и поверхности детали должны иметь соответственно оптимальные точность и шероховатость и должны быть экономически обоснованными;
физико-химические и механические свойства материала, формы и размеры должны соответствовать требованиям технологии изготовления;
показатели базовой поверхности (точность, шероховатость) детали должны обеспечивать точность установки, обработки и контроля;
заготовки должны быть получены рациональными способами с учетом заданного объема и выпуска и типа производства;
метод изготовления должен обеспечивать возможность одновременного изготовления нескольких деталей;
сопряжения поверхностей деталей различных квалитетов точности и величины шероховатости должны соответствовать применяемым методам и средствам обработки;
конструкция детали должна обеспечивать возможность применения типовых и групповых технологических процессов ее изготовления.
Оценку технологичности конструкции детали следует проводить в следующей последовательности:
расчет показателей технологичности конструкции детали;
определение показателей уровня технологичности конструкции;
разработка рекомендаций по улучшению показателей технологичности.
Оценка технологичности конструкции детали может быть двух видов: качественная и количественная. Качественная оценка («хорошо», «плохо», «допустимо», «недопустимо» и т.д.) предшествует количественной.
Количественная оценка характеризуется показателями технологичности, которые разделяются на основные и дополнительные.
Основные.
1. Трудоемкость изготовления детали Тн. нового изделия.
2. Уровень технологичности по трудоемкости.
, (3.1)
где Тб - трудоемкость базового изделия.
3. Технологическая себестоимость Сн нового изделия.
4. Уровень технологичности по себестоимости
, (3.2)
где Сб - технологическая себестоимость базового изделия.