Волгоград, Россия
Волгоград, Волгоградская область, Россия
УДК 621.91.01 Теория и основы обработки резанием (снятием стружки), обрабатываемость, влияющие факторы и т.д.
УДК 621.9.011 Свойства материалов при обработке. Обрабатываемость, деформируемость. Пластичность, напряжения, удлинение, расширение, течение материала
Рассмотрены технологические аспекты цифровизации машиностроительного производства на этапе предпроизводственной технологической подготовки (ТПП). Методы исследования: содержательный анализ базовых понятий ТПП, определенных нормативной документацией – национальными стандартами, составляющими основу единой системы технологической документации. Показано, что формальный переход к цифровому производству формирует феномен трансформации базовых понятий – основной акцент делается на технологии моделирования в ущерб технологиям производства. В результате анализа этапов ТПП в соответствии с нормативными документами показаны особенности ТПП для цифрового производства. Результаты исследования: для основных проектных задач технологического содержания показаны проблемы ТПП, сформированные цифровизацией производства: проблемы рационального выбора обрабатывающего оборудования; проблемы рационального выбора методов обработки; рационального назначения технологических условий обработки. Показано, что в условиях производства, насыщенного информационными и аппаратными средствами управления технологическим оборудованием, необходимо совершенствовать системы обратной связи для реализации оперативной диагностики и активного управления элементами технологической системы для гарантированного обеспечения качества продукции. Показано, что процесс, методы и средтва ТПП должны быть адаптированы к условиям конкретного производства. Показано, что задачи ТПП, связанные с рациональным выбором и назначением условий обработки, должны быть перенесены непосредственно на стадию обработки. Такой перенос позволяет оперативно учитывать вариативность свойств материалов обрабатываемой заготовки и режущего инструмента. Основные выводы: рациональное применение принципов цифровизации позволит рассматривать комплекс программно-информационных и аппаратных средств технологического проектирования и управления обрабатывающим оборудованием как технологический искусственный интеллект – накопленный опыт и знания специалистов технологических служб, адаптированные к условиям конкретного предприятия.
цифровизация производства, технологическая подготовка производства, цифровые двойники, адаптивная система, интеллектуальные технологические системы, технологический искусственный интеллект
Трансформация базовых понятий
С момента начала активного использования понятие «цифровое производство» (digital production, digital manufacturing) содержание этого термина существенно изменилось. Первоначально данным термином определяли активное применение различных средств автоматизации [1] на стадиях предпроизводственной подготовки и собственно производства. Акцент делался на использовании прикладного программного обеспечения для автоматизации отдельных этапов конструкторского (в первую очередь), технологического и организационного проектирования и для эксплуатации оборудования с программным управлением. В настоящее время речь идет о создании, параллельно с проектированием, т. наз., «цифрового двойника» (цифровой или, корректнее, информационной модели, digital twin, digital similar) – информационной структуры, описывающей основные характеристические свойства собственно изделия (в простейшем случае) или производства [2] этого изделия. Предположительно [1], такая виртуальная копия изделия или процесса изготовления изделия, должна обеспечить возможность «увидеть все сложности, издержки, с которыми придётся столкнуться» [1] в реальном производстве. Формальное толкование понятия «цифровой двойник» установлено национальным стандартом [ГОСТ Р 57700.37-2021. Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения: М.: Российский институт стандартизации, 2021. 11 с.]. Стандарт распространяет свое действие на изделия машиностроительных предприятий. В контексте подготовки производства и управления технологическими процессами, исходя из положений нормативного документа, следует отметить, что внедрение технологии цифровых двойников на стадии производства серийных изделий позволит откорректировать и (или) разработать технологическую документацию в зависимости от конкретных производственных условий.
Развитие подхода формирует понимание, что этапы жизненного цикла изделий и производственной системы имеют отличия. Последняя подвержена структурным и функциональным изменениям, в т. ч. за счет выполнения мероприятий по техническому перевооружению, использования резервов повышения эффективности технологических процессов и др. Поэтому приобретает значение тенденция формирования не только цифровых двойников изделий, но и цифровых двойников производственных систем [3, 4].
Возможность моделировать критические производственные ситуации, оценивать вероятные риски и заблаговременно разрабатывать стратегии их преодоления, безусловно, следует считать позитивной стороной цифровизации машиностроительного производства. Вместе с тем, следует отметить, что расширение практического применения цифровых двойников потребовало значительного развития технологий информационных – в ряде случаев, за счет традиционных машиностроительных. В частности, весьма активно формируется следующее представление [1, 5] о базовых технологиях цифрового производства:
− цифровое моделирование – «точная математическая модель предваряет любые реальные процессы и даёт возможность вычислить как издержки, так и эффективность запланированных изменений»;
− трёхмерное моделирование, позволяющее «экономить на создании моделей за счет высокой точности моделирования и освобождения от долгих предварительных согласований, толстых документов с детальными описаниями будущего изделия»;
− управление жизненным циклом изделия – «жизненный цикл начинается с моделирования и заканчивается утилизацией, – постоянное наблюдение за состоянием изделия (и производственного оборудования) является ключом к ... бесперебойному производству»;
− технология «интернета вещей» подразумевает, что каждое устройство самостоятельно подключается к интернету и передаёт туда данные: назначение этой технологии заключается в постепенном снижении роли человека-оператора.
Здесь [1, 5] имеет место определенная подмена понятий. Во-первых, «цифровое» (корректнее говорить «математическое») и трехмерное моделирование, по сути, являются инструментами инженера, но не самостоятельными технологиями. Во-вторых, утверждение о «точных моделях» в большинстве случаев следует рассматривать как некий «рекламный лозунг», поскольку при построении математических моделей разработчики принимают определенные допущения. В частности, при построении моделей машиностроительных изделий, как правило, не принимают во внимание неоднородность физико-механических свойств материалов и вариативность геометрических размеров, в том числе величин зазоров и натягов в сопряжениях. При моделировании процессов обработки в части прогнозирования качества изделия, работоспособности инструмента и другое, как правило, исключают из рассмотрения особенности [6] физико-механических свойств инструментального и конструкционного материалов, определяемые технологией их изготовления, изменение этих свойств с учетом повышенных температур в зоне контакта «инструмент-заготовка».
Представленный выше подход к цифровизации машиностроительного производства постепенно формирует представление о второстепенности собственно машиностроительных технологий, поскольку основное внимание (и существенные материальные затраты) направлено на развитие технологий именно моделирования.
О технологических задачах технологической подготовки производства
Данный подзаголовок не следует воспринимать как тавтологию, поскольку на этапе технологической подготовки производства (ТПП) решаются задачи не только технологического, но и организационного – что явно определено в нормативных документах, а также конструкторского и метрологического содержания. Авторами произведен анализ содержания работ, составляющих ТПП в соответствии с ГОСТ 14.004-83 – «Технологическая подготовка производства. Термины и определения основных понятий», ГОСТ Р 50995.0.1-96 – «Технологическое обеспечение создания продукции. Основные положения», ГОСТ Р 50995.3.1-96 – «Технологическое обеспечение создания продукции. Технологическая подготовка производства», ГОСТ Р 15.301-2016 – «Система разработки и постановки продукции на производство. Продукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство».
В рамках данного исследования рассмотрены именно технологические аспекты ТПП применительно к цифровому производству на этапах ТПП единичных и опытных образцов и серийно выпускаемой продукции (рис. 1).
Ранее [7] мы рассматривали укрупненный перечень проектных процедур, составляющих содержание ТПП (табл. 1) на каждом из этапов.
Программное обеспечение класса CAPP (Computer Aided Process Planing) предназначено именно для решения задач планирования производственных и, в частности, технологических процессов. Тем не менее, задачи функционально-ориентированного маршрутного проектирования, также, как и задачи формализованного построения последовательности перемены баз, расчета погрешности обработки, построения рациональных траекторий перемещения инструмента, в настоящее время можно определить, как перспективные. Отечественные CAPP-системы, имеющие «открытую» структуру ПО, предоставляющие возможность наполнения внутренних справочников материалов, оборудования, технологической оснастки, позволяющие формировать комплект документов на технологический процесс согласно ЕСТД и допускающие расширение функциональных возможностей в отношении методов индивидуального маршрутного проектирования, проектирования комплекта баз и др., представлены программным обеспечением от компаний «АДЕМ» [https://adem.ru/products], «АСКОН – Системы проектирования» [https://ascon.ru/products] или «СПРУТ-Технология» [https://sprut.ru/sprut-technology].
В контексте внедрения на предприятиях ERP-систем, действующих в масштабах всех производственных процессов организации, и MES-систем, оперирующих с процессами в производственных подразделениях, возникает следующая практическая проблема. Формирование производственных расписаний, расчеты загрузки мощностей и др. с использованием программных средств нуждаются в исходных данных по материалоемкости и трудоемкости выпускаемых изделий. Наполнение базы данных массивом информации пооперационной трудоемкости напрямую зависит от оперативности технологического проектирования, достоверности проектных решений, уровня внедрения и функционала используемых САПР ТПП на машиностроительном предприятии.
В основе проектирования маршрутных технологий лежит, как правило, использование типовых технологических процессов (рис. 2). Частным случаем типового технологического процесса – применительно к одному переходу, – можно считать традиционно используемые таблицы «экономической точности» [8], определяющие технологический допуск метода обработки.
Практически во всех применяемых в настоящее время системах в качестве элементарного фрагмента типового технологического процесса рассматривается конструкторско-технологический элемент (КТЭ) [9], содержащий формализованное комплексное описание конструкционного материала, геометрии простейшей поверхности, технологического метода получения поверхности, режимов обработки, оборудования, режущего и вспомогательного инструмента.
Более совершенным, с точки зрения автоматизации технологического проектирования, является конструкторско-технологический модуль [10], включающий формализованное структурированное описание комплекта технологических баз.
Основные проблемы, непосредственно связанные с эффективностью автоматизации маршрутного технологического проектирования, определяются не только [10] отсутствием в конструкторской документации концентрированной информации об основных поверхностях и неполнотой методик базирования, в частности, методик использования скрытых баз. Здесь следует назвать и недостаточную надежность [7] информации, используемой при формировании и использовании электронных справочников, составляющих информационное обеспечение САПР ТП, в частности: справочников физико-механических характеристик основных и вспомогательных материалов. Существенные сложности при использовании формализованных методов маршрутного проектирования определяются явно выраженной отраслевой направленностью атласов типовых технологий [7].
Проблемы рационального выбора обрабатывающего оборудования и методов обработки в современном цифровом производстве
В качестве негативной тенденции, сформированной цифровизацией машиностроительного производства следует назвать значительное сужение профессионального кругозора специалистов технологических служб. В частности, при выборе оборудования для оснащения новых или модернизации действующих производств, специалисты делают акцент на оборудование с программным управлением, преимущественно многоцелевое, не обращая внимания на серийность производства и конструктивную сложность продукции. Основная аргументация при этом сводится к: возможности обрабатывать «любые заготовки с одной установки»; высокой точности – в реальности высокая точность позиционирования (1,0…3,0 мкм) современных станков не гарантирует высокой точности обработки; высокой производительности – также достаточно спорное утверждение, поскольку многоцелевые станки рассчитаны на одновременную работу одного инструмента, и т. д.
На отдельных машиностроительных предприятиях, ориентированных на серийное производство малогабаритных корпусных деталей, специалисты технологических служб пришли к нетривиальному решению задачи повышения производительности – на рабочем столе сверлильно-фрезерно-расточного станка с ЧПУ размещается многоместное приспособление. Имитация многопозиционного станка производится программно. Управляющая программа работает в непрерывном цикле – после завершения обработки в текущей позиции, выполняется смещение начала системы координат и переход на начало программы. Свободные позиции приспособления предназначены для снятия обработанного изделия и установки новой заготовки. Очевидно, что применение специализированного оборудования в данном случае является более эффективным. Более распространенной альтернативой такому способу повышения производительности производства, как правило, является установка нескольких однотипных станков с ЧПУ, что также малоэффективно.
Проблемы рационального назначения технологических условий обработки
Немаловажным этапом ТПП является назначение технологических режимов. В настоящее время условия обработки определяются в соответствии с выбором технологического оборудования, материала, технологии изготовления, геометрических параметров и рекомендациями производителя инструмента. Предлагаемые производителями подгруппы (что уже предполагает некоторое варьирование свойств обрабатываемого материала без учета фактических отклонений химического состава, физико-механических свойств материала даже с учетом требований стандартов).
Рекомендации относительно режимов резания сводятся к определенному диапазону варьирования глубины, подачи и скорости резания, то есть определяют области допустимых значений. И, в данном контексте, параметрическая оптимизация позволяет, исходя из установленных требований, технологических возможностей и целевой функции, выбрать условия достижимой эффективности. Ранее [2, 7] было отмечено, что количественная оценка соответствия условий обработки заданным техническими условиями показателям качества, проблематична при отсутствии достоверных математических моделей структуры производственной системы, а также отдельных технологических переходов.
Как правило, техническое нормирование выполняется с учетом ряда допущений, совокупное воздействие которых приводит к рассогласованию значений, заданных техническими требованиями (прогнозируемых при расчете режимов) параметров результата обработки и фактического результата. Следует признать, что принимаемые допущения, в большинстве случаев, обоснованы недостаточно. Выше отмечено, что рекомендации производителей в отношении условий рационального использования режущего инструмента базируются на предположении о стабильности и однородности свойств как конструкционного, так и инструментального материалов. Результаты экспериментальных исследований, например [11], подтверждают справедливость тезиса о существенной неоднозначности (рис. 3) режущих свойств современных инструментальных материалов.
Поэтому на стадии изготовления детали возникает необходимость в адаптации проектных значений режимов резания к состоянию конкретной технологической системы. Например, использование стационарных и портативных систем вибродиагностики позволяет следующее (рассмотрено на примере сверлильно-фрезерно-расточного станка с ЧПУ, оборудованного системой вибродиагностики «Montronix»):
- выполнить анализ работоспособности шпиндельного узла на холостых оборотах без и с установленными вспомогательным и режущим инструментами;
- исходя из этого, выявить частоты вращения, на которых ожидается присутствие нестабильности процесса резания и не рекомендуется работа на данных частотах;
- провести анализ применяемых режимов резания с учетом амплитуды вибраций и наличие вибраций, например, по оси Z, что сказывается на нестабильности качества поверхности, геометрической точности детали, износе шпинделя, а также рассмотреть синфазность вибраций по осям X и Y, что свидетельствует о равномерности съема стружки (каждым зубом – для фрезы); выявить появление дополнительных промежуточных гармоник, расширяющих общую полосу амплитуды спектра вибраций и снижающих стабильность процесса резания;
- оптимизировать технологию с учетом обеспечения невысокой амплитуды и синфазности вибраций по осям X и Y, малой амплитуды по оси Z с обеспечением требуемой производительности (объема удаляемого материала в единицу времени) за счет подбора сочетаний скорости резания, подачи, ширины фрезерования (для фрезерования).
Как правило, имеет место недостаточная проработка технологических решений в плане адаптации к условиям конкретного производства; рассогласование рекомендаций производителей инструмента, справочно-методических рекомендаций, нормативных указаний технологической службы предприятий, а также отсутствие оперативной информации о состоянии элементов технологической системы.
Заключение
Цифровизация предполагает повышение эффективности машиностроительного производства не только (и не столько) за счет увеличения производительности собственно производства. Основной эффект может быть получен на этапе ТПП как результат тщательной проработки различных аспектов производственного процесса. Эффективным «цифровым» инструментарием для решения всего комплекса технологических проектных задач должен стать цифровой двойник производства – формализованное и структурированное описание методов и средств гарантированного обеспечения функционального назначения выпускаемой продукции. Такое описание должно учитывать технологические особенности конкретного производства, т. е., представлять собой «оцифрованный» накопленный опыт и знания специалистов технологической службы – знания, реализованные в виде программно-информационного обеспечения компьютеров и оборудования с программным управлением. В таком случае следует говорить о «технологическом искусственном интеллекте» – сущность, не предполагающую [12] копирование образа мышления человека, – только знания, накопленный опыт и способность оценивать достоверность информации.
1. Гайдукова Е. Что такое цифровое производство? // 20 мая 2020 г. URL : https://www.comindware.ru/blog/что-такое-цифровое-производство.
2. Чигиринский Ю.Л., Крайнев Д.В., Фролов Е.М. Цифровизация машиностроительного производства: технологическая подготовка, производство, прослеживание // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2022. № 8 (134). C. 39-48. DOI :https://doi.org/10.30987/2223-4608-2022-8-39-48.
3. Паршина И.С., Кривоногов С.А., Фролов Е.Б. Цифровые модели производственной системы в машиностроительных предприятиях ОПК / И.С. Паршина // РИТМ машиностоения. 2021. № 9. C. 27-29.
4. Соломенцев Ю.М., Соломенцев Ю.М., Фролов Е.Б. Цифровые двойники изделия и производственной системы // Генеральный директор. Управление промышленным предприятием. 2018. № 8. C. 26-33.
5. Цифровизация промышленности. Обзор // TAdvisor. - URL : https://www.tadviser.ru/index.php/ Статья:Цифровизация_промышленности._Обзор_TAdviser.
6. Ингеманссон А.Р. Основные положения методологии технологической подготовки производства и адаптивного управления в цифровых производственных системах для механической обработки // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2021. № 1 (248). С. 15-18. DOI https://doi.org/10.35211/1990-5297-2021-1-248-15-18.
7. Чигиринский Ю.Л. Современное состояние и тенденции развития технологической подготовки машиностроительного производства // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2020. № 8 (110). C. 29-35. DOI :https://doi.org/10.30987/2223-4608-2020-8-29-35.
8. Справочник технолога / под общ. ред. А.Г. Суслова. М.: Инновационное машиностроение, 2019. 800 с.
9. Вертикаль. Система автоматизированного проектирования технологических процессов (2023) URL : https://ascon.ru/products/vertikal/
10. Базров Б.М. Фундаментальные основы технологической подготовки производства // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2019. № 7 (97). C. 24-29. DOI :https://doi.org/10.30987/article_5cf7bd2fbe4f43.90942178.
11. Научное обоснование и реализация цифровых технологий низкотемпературного плазменного формирования композитных структур на поверхностях прецизионных геометрически сложных металлических изделий: промежуточный отчет о НИР 19-19-00101 , ИМАШ РАН. 2022.
12. Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект: современный подход = Artificial Intelligence: a Modern Approach / Пер. с англ. и ред. К.А. Птицына. 2-е изд. М.: Вильямс, 2006. 1408 с. ISBN 5-8459-0887-6
