КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНИВАНИЮ И ОПТИМИЗАЦИИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА СБОРНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
Т.Г.Ивченко , Донецк, Украина
The improvment of cutting tools effective exploitation is made by substantiation of optimal reliability level. The integral indicator equalled to the attitude of the useful effect and production costs is the optimum criterion. The theoretical and experimental investigation of cutting tools reliability, strength and wearresistant used for increasing of effective exploitation and creation the optimum cutting conditions.
Успешное решение задачи повышения качества режущего инструмента наряду с поиском новых технических решений требует создания комплексной системы оценивания и оптимизации показателей качества как при проектировании инструмента, так и при его изготовлении и эксплуатации. Особенностью сборного инструмента является то, что его качество определяется не только качеством режущей пластины, но в значительной степени способом крепления и качеством всех элементов конструкции. Разработанная в настоящей работе методика реализована для сборных резцов и торцовых фрез с механическим креплением твердосплавных неперетачиваемых пластин, предназначенных для черновой обработки резанием, в связи с чем основное внимание уделено анализу производительности и надежности инструмента.
Важнейшими этапами при создании методики оценки качества являются: обоснование совокупности свойств, составляющих качество инструмента; выбор единичных показателей этих свойств и методов их оценивания на стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации; разработка обобщенных комплексных показателей и критериев оценки. Для оптимизации показателей качества требуется обоснование критериев оптимальности, исследование ограничений и выбор методов оптимизации.
Нормативная документация по качеству промышленной продукции регламентирует основные группы свойств, такие как свойства назначения, унификации, эргономические, эстетические, экологические, патентно-правовые, надежность, технологичность, транспортабельность, безопасность. Номенклатура свойств в каждой группе выбирается с учетом назначения и условий использования инструмента, анализа требований потребителей и основных требований к показателям качества: полноты, операциональности, декомпозируемости, неизбыточности, минимальности, измеримости. Минимально необходимое число свойств, содержащее всю необходимую информацию об исследуемом объекте, определяется на основании анализа влияния их числа на скорость изменения приращения количества информации, рассматриваемой как разность энтропий до и после получения информации. Установлено, что уже при числе свойств более 5, скорость изменения приращения количества информации становиться близкой к 0 и при числе свойств более 13 не превышает 0,5%. В результате анализа с учетом всех указанных требований совокупности многочисленных свойств, составляющих качество сборного инструмента, разработана иерархическая структурная схема , в которой каждое свойство (i+1) уровня рассмотрения обуславливается определенным числом свойств более низкого i-го уровня.
Количество уровней в полученной структурной схеме соответствует трем стадиям - проектирования, изготовления и эксплуатации инструмента. Нижний уровень содержит условно-простые свойства и предназначен для оценки их при проектировании инструмента. Весьма эффективным методом оценки в этом случае является экспертный, основанный на обобщении коллективного мнения группы экспертов, позволяющий осуществлять экспресс-оценку одновременно большого количества вариантов инструментов без их изготовления и испытаний. Объективность и достоверность экспертного метода оценки относительных показателей свойств инструмента обоснована научно-организованной процедурой проведения и обработки результатов экспертизы и подтверждена результатами экспериментальных исследований. Обобщенная оценка качества на стадии проектирования осуществляется с помощью комплексного средневзвешенного арифметического показателя, позволяющего суммировать относительные показатели отдельных свойств с учетом их весомостей. Весомости свойств определяются экспертными и уточняются расчетными методами.
По результатам оценки весомостей свойств установлено. что наибольшую весомость имеют свойства надежности, что определяет необходимость преимущественного исследования именно этих свойств качества инструмента. На стадии проектирования целесообразно использование расчетно-аналитических методов исследования надежности сборного режущего инструмента, в том числе, многолезвийного, как системы конструктивных элементов. Это позволяет разработать рекомендации по обоснованию надежности отдельных элементов конструкции и их количеству. Теоретические исследования вероятности разрушения инструмента по вероятностным параметрам его прочности и действующей нагрузки дают возможность прогнозировать уровень надежности инструмента и регламентировать рациональные параметры его эксплуатации.
На стадиях изготовления и эксплуатации инструмента необходимо использование экспериментальных методов определения показателей качества. При изготовлении инструмента свойства второго уровня - прочность, износостойкость, приспособленность к ремонту оцениваются путем форсированных испытаний в лабораторных условиях, с последующим теоретическим расчетом ожидаемых в эксплуатации показателей надежности. При эксплуатации инструмента свойства третьего уровня - безотказность, долговечность, ремонтопригодность оцениваются путем наблюдений или организации специальных испытаний в реальных производственных условиях. При сравнительной оценке качества в испытаниях одновременно участвует и базовый вариант инструмента, относительно которого оцениваются относительные показатели отдельных свойств. Обобщенная оценка качества выполняется на основании абсолютного или относительного интегрального показателя качества, представляющий собой отношение полезного эффекта от эксплуатации инструмента к суммарным затратам на его создание и эксплуатацию. Полезный эффект от эксплуатации инструмента выражается производительностью обработки. Основные свойства надежности - безотказность, долговечность и ремонтопригодность оцениваются показателями - средним периодом стойкости, средним числом периодов стойкости, средним временем восстановления соответственно. На основании предложенной методики произведена оценка эффективности ряда конструктивных и технологических мероприятий по повышению надежности инструмента с учетом затрат на его изготовление и эксплуатацию.
Улучшение эксплуатационных свойств металлорежущего инструмента неизбежно связано с увеличением затрат на его создание. Одним из путей повышения эффективности использования инструмента является обоснование целесообразного уровня показателей надежности с учетом возрастающих затрат на его производство. Затраты на производство инструмента определяются себестоимостью его изготовления, увеличение которой принимается пропорциональным росту показателей надежности. При этом затраты на эксплуатацию инструмента предполагаются постоянными.
В качестве критерия оптимальности используется относительный интегральный показатель, рассчитываемый по относительным показателям отдельных свойств в сравнении с базовым вариантом инструмента. В результате анализа этого критерия установлено, что существуют оптимальные значения относительных показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности, обеспечивающие максимальное значение относительного интегрального показателя качества инструмента. При однопараметрической оптимизации по каждому из отдельных указанных показателей при условии постоянства остальных приемлем наиболее простой метод оптимизации - дифференцирование целевой функции. что позволяет получить аналитические выражения для оптимальных значений показателей. Выявлены факторы, определяющие оптимальный уровень среднего периода стойкости, среднего числа периодов стойкости и среднего времени восстановления; исследовано влияние этих факторов на указанные показатели инструмента. Разработан способ учета случайного характера исследованных показателей и их рассеивания в реальных условиях эксплуатации инструмента. Одновременная оптимизация по всем показателям качества осуществляется с использованием численных методов и позволяет определить глобальный экстремум критерия оптимальности - интегрального показателя качества.
При эксплуатации режущего инструмента, особенно в условиях автоматизированного производства, предъявляющего повышенные требования к надежности, оценка качества по средним показателям безотказности, долговечности и ремонтопригодности гарантирует довольно низкий уровень вероятности получаемых результатов, не превышающий 0,63. Для таких условий представляет интерес исследование в качестве показателей надежности не только их средних значений, а значений показателей с любым заданным уровнем вероятности g - стойкости с заданной вероятностью g, числа периодов стойкости с вероятностью g, времени восстановления с вероятностью g. Обеспечение более высокого уровня вероятности при фиксированном качестве инструмента связано с неизбежным снижением режимов, то есть производительности обработки. Выполнен анализ влияния условий эксплуатации инструмента на показатели его надежности, разработаны рекомендации по выбору режимов обработки, обеспечивающих требуемый уровень вероятности g.
Анализ интегрального показателя с использованием в качестве отдельных показателей их значений с любым заданным уровнем вероятности g в сравнении с принятым за базовый интегральным показателем, рассчитанным по средним значениям, свидетельствует о его экстремальном характере. Это обусловлено тем, что наряду со снижением производительности имеет место и снижение затрат на эксплуатацию инструмента, связанное с уменьшением количества отказов инструмента. В связи с этим существуют оптимальные значения показателей с заданным уровнем вероятности g, обеспечивающие максимальное значение критерия оптимальности - интегрального показателя. Считая затраты на создание инструмента постоянными и принимая снижение затрат на эксплуатацию инструмента пропорциональными повышению уровня вероятности g, определяем оптимальное значение вероятности g и соответствующие ему значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности. Для закона Вейбулла-Гнеденко распределения показателей надежности при однопараметрической оптимизации по каждому из отдельных показателей, при условии постоянства остальных, определены аналитические выражения для оптимального значения вероятности g. Выявлены факторы, определяющие оптимальные значения показателей с вероятностью g, исследовано их влияние на величину оптимального значения вероятности g. Разработаны рекомендации для выбора рациональных условий обработки, определяющих оптимальные значения показателей надежности с вероятностью g, обеспечивающие максимальное значение интегрального показателя качества режущего инструмента.
Таким образом, регламентируя для заданных условий производства и эксплуатации оптимальный уровень показателей надежности с учетом возрастания затрат на производство и снижение затрат на эксплуатацию, можно достичь максимальной эффективности использования сборного режущего инструмента.
Список литературы 1. Ивченко Т.Г. Обоснование и обеспечение в эксплуатации оптимального уровня безотказности и долговечности режущего инструмента. Тез. докл.: Высокие технологии в машиностроении: тенденции развития, менеджмент, маркетинг (24 - 28 сент. 1997 г.) Х., 1997. С.103-104.