2.3. Технологическое наследование как метод управления технологическими процессами по параметрам качества

2.3.1. Закономерности и количественные связи технологического наследования

Состояние изделия (форма, размеры, шероховатость поверхностей, уровень и знак остаточных напряжений, механические свойства материала) последова­тельно изменяется в ходе технологического процесса его изготовления. Однако вследствие различных физических причин параметр состояния изделия, полу­чаемого на данной операции, может зависеть от условий проведения предшест­вовавших операций. Например, изменение силы резания при обработке заготовки, имеющей неравномерный припуск, точением влечет образование погрешности формы (некруглости, нецилиндричности и др.). Это обусловлено ограниченной жесткостью технологической системы «станок — приспособление — инстру­мент — заготовка». При последующих операциях обработки (шлифовании, суперфинишировании) погрешность формы уменьшается, но ее характер, в силу тех же причин, может сохраниться прежним (рис. 2.35).

Погрешности формы могут вызвать неравномерность структуры и твердо­сти обрабатываемого материала, наличие на обрабатываемой поверхности от­верстий, лысок, шпоночных канавок и других конструктивных элементов.

Часто свойства, полученные на предшествующей операции, приводят к воз­никновению других свойств или их изменению. Например, остаточные напря­жения, возникшие на предшествовавших операциях резания, при термической обработке вызывают коробление детали, загрязнение поверхностей СОЖ, ис­пользуемых при механической обработке, снижают прочность наносимых по­крытий, форма наружной поверхности втулки влияет на форму отверстия, полу­чаемого в ней протягиванием.

В целом любое свойство изделия формируется, последовательно меняется и наследуется в процессе изготовления под действием множества взаимосвязан­ных технологических и конструктивных факторов.

Явления, подобные описанным выше, называют технологическим наследо­ванием, под которым понимают перенос каких-либо свойств от предшествую­щих технологических операций к последующим и возникновение новых свойств, обусловленных особенностями выполнения предыдущих операций. Со­хранение же этих свойств у объектов называют технологической наследствен­ностью.

Явления технологического наследования наблюдаются в любом технологи­ческом процессе, однако учет его проявлений особенно важен для изготовления и сборки высокоточных и ответственных высоконагруженных деталей, опреде­ляющих надежность и ресурс изделия. Последнее объясняется тем, что наслед­ственная часть погрешности для точных деталей оказывается весьма ощутимой и может занимать большую часть, а иногда и весь допуск на параметр, или даже превышать его. Для обеспечения прочности и других эксплуатационных харак­теристик ответственных деталей важно получить требуемые свойства материала и состояние поверхностного слоя, что связано с преодолением существенных трудностей, в том числе обусловленных технологическим наследованием.

Для получения высокого качества изделия важно установить факторы, пре­пятствующие достижению требуемых свойств. Поэтому необходим анализ тех­нологического процесса изготовления и наследственных связей.

Для достижения точности изготовления прецизионных деталей сложной формы необходимо предусматривать дополнительные технологические опера­ции и выполнять обработку на режимах, обеспечивающих минимальные значе­ния погрешностей формы и размеров.

Погрешности геометрической формы деталей формируются в зависимости от различных факторов. Особого рассмотрения требуют отклонения, возникаю­щие в связи с наследованием конструктивных форм деталей. Например, техно­логическое наследование отклонений формы внутренних цилиндрических по­верхностей при выполнении операций их формообразования на неравножесткихдеталях кольцевого и цилиндрического типа складывается из нескольких поро­ждающих факторов.

Наследование формы поверхности, полученной на предшествующих опе­рациях. Пример (см. рис. 2.35) и причины такого наследования рассмотрены выше. Основным средством уменьшения погрешности формы в данном случае является выбор способа финишной обработки, обеспечивающего минимальные силы резания, и мягких технологических режимов, на которых остаточные от­клонения остаются в пределах допуска.

Наследование внешних конструктивных форм нерабочих поверхностей. Неравномерная жесткость детали, связанная с ее геометрией, порождает нерав­номерные съем материала при механической обработке и распределение оста­точных напряжений в поверхностном слое. При растачивании неравножестких деталей это приводит к овальности обрабатываемого отверстия (рис. 2.36).

Н аследование внешних конструктивных форм детали при операциях, свя­занных с воздействием высоких температур. Возникающие отклонения обу­словлены неравномерным нагревом и охлаждением при технологическом воздействии, которые приводят к короблению под действием остаточных напряже­ний (рис. 2.37).

Данный вид наследования может носить скрытый характер и проявиться с течением времени либо при последующих операциях из-за съема материала с остаточными напряжениями, либо в результате релаксации (снятия или измене­ния) напряжений при тепловом воздействии в условиях эксплуатации.

Средством борьбы с данным видом наследования является правильный вы­бор мест операций термической обработки в маршруте технологического про­цесса, а также их режимов.

С помощью специальных методик иногда удается проследить за состоянием объекта производства в любой момент времени с учетом всех предшествующих технологических воздействий, отрегулировать параметры технологических про­цессов, в ходе которых формируются свойства изделия.

Оценка проявлений технологического наследования может рассматриваться как самостоятельный этап технологической подготовки производства и быть базой для управления процессом формирования качества изделия.

Для каждого технологического процесса может быть построена структура, представленная в виде последовательности изменения основных параметров формы, точности размеров, качества поверхности от заготовки до готовой дета­ли. Она описывается сложной многомерной системой (рис. 2.38), в которой навход поступают различные характеристики заготовки {Х₁₀, Х₂₀…X_s0}, а на вы­ходе обеспечивается соответствующий набор тех же характеристик для готовой детали {Х_1m, Х_2m…X_sm}. Эти изменения определяются действием совокупности технологических факторов {t_i1,t_i2...tij} каждой операции технологического процесса.

Наглядно систему связей между характеристиками поверхностного слоя можно отобразить, использую метод графов. Целесообразно представлять меха­низм технологического наследования графами в развернутом виде. На рис. 2.39 приведен пример графа технологического процесса изготовления силового ци­линдра пневмогидравлической системы. Граф предусматривает, с одной сторо­ны, последовательность операций, а с другой — основные параметры качества поверхностного слоя и их изменение в ходе техпроцесса. Свойства (параметры) заготовки пронумерованы, как и операции технологического процесса.

Система, рассматриваемая с позиции технологического наследования, пред­ставляет собой связанную информационную сеть. Носителем наследственной информации является собственно поверхность детали с множеством параметров, описывающих ее состояние.

Сложность анализа технологического наследования состоит в том, что не всегда удается рассматривать цепочки графа обособленно. Кроме того, измене­ние одного свойства обрабатываемой детали может вызывать изменение другого.

Поперечные связи графа указывают на взаимное влияние этих свойств. Ис­тинную картину технологического наследования описывает граф с большим числом поперечных связей. Однако такой граф весьма сложен и не позволяет отделить главные связи от второстепенных. Для практических целей удобнее пользоваться графом, построенным на основе упрощающих допущений.

В основе графа технологического наследования лежит ориентированное ребро, условно снабженное стрелкой, единство направлений которого символи­зирует течение техпроцесса и передачу свойств обрабатываемого объекта от операции к операции. Операции технологического процесса могут ликвидиро­вать некоторые свойства объекта и создавать новые.

Количественные характеристики связей в рассматриваемой системе позво­ляют определить, насколько велико влияние технологического наследования данного свойства на надежность работы деталей в сборе, т. е. установить не только качественные, но и количественные связи предлагаемого графа. Каждое ребро графа характеризуется коэффициентом передачи наследственной связи для операции технологического процесса К. Определенное свойство поверхно­стного слоя, выраженное вершиной ребра, изменяется в ходе технологической операции и характеризуется новым значением. По количеству и характеру влияющих факторов наследственные связи можно разделить на три группы:

1. элементарная наследственная связь;

2. комплексная продольная наследственная связь;

3. поперечная наследственная связь.

Элементарная наследственная связь определяется влиянием на выходную характеристику технологической операции только состояния этой характеристи­ки до операции и технологических параметров самой операции (рис. 2.40).

При этом выходная характеристика определяется выражением

где v — индекс исследуемого параметра в принятой системе нумерации; р— ин­декс исследуемой операции в принятой системе нумерации; X_v(p-1)— значение v-ro параметра перед проведением р-йоперации; X_vp— значение v-ro параметра проведения р-я операции; X_v(p-1)p— коэффициент передачи элементарной на­следственной связи.

Комплексная продольная наследственная связь. Возможно, на значение па­раметра влияет не только наследование его от предшествовавшей операции, но и от операций на предыдущих этапах технологического процесса (рис. 2.41), причем прослеживается высокая степень корреляции. Учет данного явления ус­ложняет математическую модель технологического наследования. В этом случае выходная характеристика определяется выражением

где K_vip— коэффициент передачи продольной наследственной связи; i— индекс влияющей операции в принятой системе нумерации, причем 0 ≤ i< (р— 1); X_vi — значение v-ro наследуемого параметра после проведения i-й операции.

При наличии только элементарных и комплексных продольных наследст­венных связей допускается рассмотрение динамики изменения конкретного па­раметра с использованием каскадных графов как обособленных цепочек.

Поперечная наследственная связь. При более сложном проявлении техноло­гического наследования на изменение состояния параметра оказывают влияние не только условия данной операции, но и корреляционные связи с другими па­раметрами, полученными на более ранних этапах технологического процесса

(рис. 2.42). В этом случае выходная характеристика исследуемого параметра оп­ределяется условием комбинированного влияния наследования:

где j— индекс некоторого влияющего (наследуемого) параметра качества по­верхностного слоя в принятой системе нумерации, 1 ≤j≤s; i— индекс неко­торой влияющей операции в принятой системе нумерации, причем 0 ≤i<(p-1), т. е. одна из предшествующих операций; K_vipj— коэффициент передачи попе­речной наследственной связи; Х_ij— значение j-го наследуемого параметра после проведения i-й операции.

Комплексная оценка проявления технологического наследования может быть представлена подсистемой определения интегральной характеристики тех­нологического наследования, где коэффициенты передачи наследственных свя­зей выступают в качестве весовых коэффициентов;

Подсистема реализована в виде подмодели с применением принципа свора­чивания структуры (рис. 2.43).

Следует отметить, что в общем случае технологический процесс пронизыва­ется наследственными связями всех видов.

INCLUDEPICTURE "J:\\AppData\\Local\\Temp\\FineReader10\\media\\image1.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "../AppData/Local/Temp/FineReader10/media/image1.jpeg" \* MERGEFORMAT

Математическая модель общего вида технологического наследования весь­ма многомерна:

При этом многие элементы системы не имеют практического значения или наследственной природы. В модель технологического наследования реального технологического процесса включают только значимые наследственные связи.

Определение состава и физического смысла каждой связи выполняется от­дельно. Многие локальные задачи такого рода решены как самостоятельные и описаны в научно-технической литературе.

Существуют предпосылки создания комплексной базы знаний технологиче­ского профиля, данные которой могут быть использованы при построении моде­лей технологического наследования реальных технологических процессов.

В зависимости от значения и характера коэффициента передачи наследст­венные связи можно разделить на группы:

1. аморфную, если отсутствует влияние технологического фактора на дан­ное свойство детали, т. е. К = 1;

2. гиперморфную, если наблюдается увеличение рассматриваемого свойства под действием технологического фактора, т. е. К < 1;

3. гипоморфную, если наблюдается уменьшение свойства под влиянием тех­нологического фактора, т.е. К > 1;

4. технологический барьер, если рассматриваемое свойство уничтожается;

5. неаморфную, если в результате технологического воздействия при исчез­новении одного свойства появляется другое.

Коэффициенты передачи наследственных связей характеризуют их эффек­тивность.

Неизменность свойств обрабатываемого объекта описывается посто­янным значением К = 1, что означает не только полный перенос свойств, но и сохранение их в готовом изделии. Если проектирование технологического про­цесса проводится с учетом технологической наследственности, желательно, чтобы значение К менялось монотонно. Отрицательное свойство должно планомерно ликвидироваться на всех операциях, а положительное не только сохраняться, но и развиваться. Наиболее благоприятным является такой процесс, когда отрицатель­ное свойство не может возникнуть или ликвидация отрицательного свойства про­исходит единовременно при операции с большим коэффициентом передачи К.