Материал: Системы технологий

Тема 11. Системы высоких технологий и их рабочие процессы

План

1. Сущность систем высоких технологий.

2. Рабочие процессы высоких технологий.

3. Порядок разработки рабочих процессов высоких технологий.

4.Лазер и лазерные технологии.

1. Сущность систем высоких технологий (ВТ)

Каждое изделие, поставляемое в условиях жесткой конкуренции на внутренний и в особенности на внешний рынок, должно обладать новым уровнем свойств и отвечать все возрастающим требованиям, предъявляемым потенциальным потребителем к функциональным, экологическим и эстетическим свойствам.

Эти тенденции повышения требований потребителей к качеству изделий нашли свое отражение в международных стандартах серии 18О-9000. Получение такого уровня изделий все больше связывают с нетрадиционны­ми конструкторскими и технологическими решениями, реализация которых не всегда возможна на основе использования технологии, оборудования, оснастки общего назначения и т.д., то есть на основе всего того, что составляет суть традиционных технологий.

В связи с этим все большее внимание специалистов привлекают нетрадииционные технологии, созданию которых предшествует накопление обширных данных фундаментальных и прикладных наук. В отличие от традиционных,, такие технологии называют «наукоемкими», «высокими», «прецизионными», «ультрапрецизионными», «нанотехнологиями» и др. Эти названия новых технологий связаны с тем или иным признаком технологического процесса или свойствами изделия, который принят в качестве определяющего, при этом во внимание чаще всего берется точность, обеспечиваемая данным рабочим процессом. Термин «нанотехнология» используется для определения систем оборудования и технологий интегрированного производства, которые обеспечивают обработку с точностью порядка 1 нм. В более широком плане «нанотехнология» занимается системами, новые функции и свойства которых зависят только от наноэффектов их компонентов», как звучит академическое определение по­нятия, которое дает союз немецких инженеров. Известно, например, что в мир микроизделий могут вести два пути: можно из массивной заготовки, напри­мер из кремния, шлифованием получать необходимое точное миниатюр­ное изделие. По этому принципу функционирует системная техника, которая в основном занимается структурами размеров от мм до мкм. Другой воз­можный путь: берутся отдельные атомы, молекулы или частички из них, ко­торые как кирпичики создают желаемую структуру. Этот принцип применяется в нанотехнологии, которая занимается структурами размером до нанометров (млн. доля мм). Таким образом, термины, применяемые к но­вым технологиям, не являются исчерпывающими, т.к. не отражают всей мно­госложности и емкости новых технологий, всего спектра и нового уровня функциональных и других свойств макро- и микроизделий.

Представляется, что, независимо от используемой терминологии, все эти технологии объективно представляют собой составляющие единого, самосто­ятельного направления в рамках общей технологии машино- и приборострое­ния, суть которого более полно отражается в понятии высокие технологии.

Высокими следует считать такие технологии, которые, обладая совокуп­ностью основных признаков — наукоемкостъ, системность, физическое и ма­тематическое моделирование с цепью структурно-параметрической оптимизации, высокоэффективный рабочий процесс размерной обработки, ком­пьютерная технологическая среда и автоматизация всех этапов разработки и реализации, устойчивость и надежность, экологическая чистота, — при соот­ветствующем техническом и кадровом обеспечении (прецизионное оборудова­ние, оснастка и инструмент, определенный характер рабочей технологической среды, система диагностики, компьютерная сеть управления и специализиро­ванная подготовка персонала), гарантируют получение изделий, обладающих новым уровнем функциональных, эстетических и экологических свойств.

Именно новый уровень функциональных, эстетических и экологичес­ких свойств изделий при соблюдении экономической целесообразности ин­тересует потребителя. Этим гарантируется конкурентоспособность новой продукции.

Достижению такого уровня свойств подчинены все структурные состав­ляющие высоких технологий .

Наиболее общим и всеми воспринимаемым признаком высоких техноло­гий является наукоемкостъ, отражающая то обстоятельство, что они ба­зируются на новейших результатах фундаментальных и специальных прикладных исследований.

Системность предполагает диалектическую взаимосвязь, взаимодействие всех элементов технологической системы, всех основных процессов, явлений и составляющих. Системность особо важна как требование прецизионности и соответствие этим требованиям всех структурных элементов технологической системы обработки и сборки (оборудование, инструмент, обра­батываемый материал, оснастка, измерения, диагностика, работа исполнительных органов).

Важнейшим признаком ВТ, безусловно, является рабочий процесс. Он до­минирует во всей технологической системе и должен отвечать самым раз­нообразным требованиям, но, главное, быть потенциально способным обеспечить достижение нового уровня функциональных свойств изделия. Здесь богатыми возможностями обладают те устойчивые и надежные рабо­чие процессы, в которых эффективно используются физические, химичес­кие, электрохимические и другие явления в сочетании со специальными свойствами инструмента, технологической среды, например криогенное ре­зание, диффузионное формообразование изделий из алмазов и т.п.

Несомненно, существенным признаком ВТ является автоматизация, базирующаяся на компьютерном управлении всеми процессами проекти­рования, изготовления и сборки, на физическом, геометрическом и мате­матическом моделировании, всестороннем анализе моделей процесса или его составляющих.

Наличие рассматриваемого признака требует системного подхода к ее ком­пьютерно-интеллектуальной среде, т.е. перехода к системам САD/САМ System. Таким путем обеспечивается сочетание гибкости и автоматизации, прецизионности и производительности. Очевидно, специфика высоких тех­нологий требует специализации таких систем на узкой группе изделий или признаков.

Системный подход предполагает использование не отдельных матема­тических моделей, а системы взаимосвязанных моделей с непременной па­раметрической и структурной оптимизацией. Например, параметрическая оптимизация преследует цель минимизации ряда характеристик процесса размерной обработки, прежде всего энергетических затрат, минимизации толщины срезов, силы резания и уровня температуры, интенсивности окис­лительных и диффузионных процессов и т. д.

Для высокой технологии нужна высокая степень («глубина») оптималь­ности для сравнительно узкого конкретного диапазона условий и требова­ний. Базой такой оптимальности могут быть только глубокие специальные исследования в этой области, разработка автоматизированных систем науч­ного обеспечения, включая использование мирового опыта, специальных методов оптимизации, методов достижения прецизионности, технологичес­кого обеспечения функциональных свойств и др.

В современных условиях непременным признаком ВТ является их эколо­гическая ориентация, гармонизация с окружающей средой. Важную роль играет техническое обеспечение высоких технологий, в рамках которого в качестве основных условий реализации выступа­ют прецизионность оборудования, инструмента, оснастки, системы диагностики и контроля. Все это происходит в рамках основных направ­лений развития, например технологии размерной обработки, прежде всего создания новых рабочих процессов, прецизионного обору­дования и средств технологического обеспечения, новых форм построе­ния технологических процессов. Результаты развития каждого из этих направлений в сочетании с новейшими достижениями науки и смежных областей техники являются естественными истоками высоких технологий. При этом прогресс в создании рабочих процессов ВТ, как и традиционных ; технологий, является определяющим и характеризуется наиболее высокими темпами.

Изложенное представление о высоких технологиях позволяет выде­лить их в качестве самостоятельного раздела технологии машиностро-I ения. Область высоких технологий в этом плане, безусловно, обладает своей спецификой, и многие общие принципы технологии машиностро­ения становятся крайне не достаточными, а потому затруднительно их использование. Например, принципиальным отличием высоких техно­логий от аналоговых технологий является их ориентированная на объект индивидуализация, целевой характер, более жесткая связь с требова­ниями, вытекающими из заданного уровня функциональных, эстети­ческих и экологических свойств изделий.

2. Рабочие процессы ВТ

Не принижая важности других признаков ВТ и констатируя необхо­димость наличия всей их совокупности, необходимо выделить особую роль и значимость рабочих процессов, т.к. ожидаемый результат высоких техно­логий не может быть получен, если рабочий процесс потенциально не обес­печивает достижения необходимого уровня свойств изделия. Таким образом, рабочий процесс является базой создания высоких технологий.

Все существующие целевые рабочие процессы технологии машиностро­ительного производства можно разделить на восемь видов (рис. 29):

• деление (дозирование) материала;

• соединение;

• формообразование;

• изменение механо-физико-химических свойств материала изделий;

• размерная обработка;

• сборка;

• контроль, диагностика, испытание.

Эти широко известные и повсеместно применяемые рабочие процессы, которые обычно используются в единой системе технологической подготов­ки производства, в большой степени отвечают традиционным требованиям и точностным характеристикам, параметрам качества поверхностного слоя и т. д., а значит, и соответствующему уровню функциональных свойств.

Применительно к высоким технологиям требования к рабочим процес­сам, их роль и значимость не идентичны тем, которые приняты в традицион­ных (конвенциональных) технологиях.

Принципиальным отличительным признаком рабочих процессов ВТ яв­ляется их индивидуализация, более жесткая связь с требованиями, вытека­ющими из заданного уровня функциональных, экологических эстетических свойств изделий.

В данном пособии внимание будет сосредоточено на рабочих процес­сах формообразования, размерной обработки, изменении механо-физико-химических свойств материала, окончательной (финишной) обработки, диагностике.

При рассмотрении рабочих процессов следует отметить, что обработка резанием является превалирующей: в общей структуре оборудования око­ло 98 % занимают металлорежущие станки (78 % для лезвийной и 20 % для абразивной) и только 2 % оборудования для электрохимической и элек­трофизической (ЭХО и ЭФО) и комбинированной обработки.

Различные процессы обработки резанием за счет их комбинирования и изменения режимов обладают широкими возможностями в обеспечении точности, повышении надежности и долговечности деталей машин.

В настоящее время в решении этой проблемы сформировались два на­правления рабочих процессов, ориентированных на:

1. Технологическое обеспечение параметров поверхностного слоя дета­
   лей машин, определяющих их функциональные свойства.

2. Непосредственное обеспечение функциональных свойств деталей
   машин.

Второе направление является перспективным, так как рассмотрение экс­плуатации детали как последней операции технологической подготовки по­зволяет в значительной мере снизить себестоимость изготовления, обеспечивая надежность и долговечность.

Основные направления развития обработки резанием связаны с ее интен­сификацией за сче^ новейших и синтеза существующих методов обработки. Основная тенденция смещения технологических показателей в размерном обработке в направлении более высоких степени точности и качества изме­няет соотношение отдельных видов обработки: уменьшается объем токарной обработки за счет внедрения абразивной, увеличивается доля шлифования, и, напротив, внедрение лезвийной обработки сверхтвердыми материалами может вытеснить абразивную обработку.

Возрастает доля сверхскоростного резания, позволяющего повысить ско­рости и подачи в несколько десятков раз. Так, например, для фрезерования до 100 м/с и 14000 мм/мин соответственно.

Среди принципиально новых следует выделить вибрационное и ударно-импульсное резание, резание с опережающим пластическим деформирова­нием, резание в оригинальных технологических средах, в том числе в среде охлажденных ионизированных газов, а также СОЖ под высоким давлением, «сухое» резание и резание с минимальной смазкой.

Новый уровень финишной обработки может быть достигнут на основе развития нового направления в размерной обработке — триботехнологии. За счет комбинированного воздействия алмазно-абразивного, деформирую­щего и антифрикционного инструмента обеспечивается управление как гео­метрическими, так и физико-химическими параметрами поверхности. При этом достигается повышение ресурса, например пар трения, в 3 — 10 раз.

Достижения размерной обработки связаны с применением таких рабо­чих процессов, как плазменно-механическая; гидролучевая, обеспечиваю­щая высокую производительность особенно при обработке композиционных материалов и пластмасс (отсутствие температурного влияния, экологи­ческая чистота и пожаробезопасность при резке пластмасс и компози­тов); комбинированные методы шлифования на основе использования традиционных, электроэрозионных и электрохимических, эрозионно-хи мических методов обработки, совмещение ультразвуковой и электроэрозинной обработки.

Лазерная обработка может превалировать над электронно-лучевой, а так­же возможно появление новых физико-химических методов обработки, ис­пользующих новые теплофизические явления, которые позволят обрабатывать композиционные материалы, керамику и др.