(812) 495-65-06
обратный звонок
Качество конструкторского проекта в большой степени зависит от выполняющих его специалистов и принятого на. предприятии подхода.
Производители сталкиваются с большими трудностями, когда речь заходит об отслеживании всего объема изменений.
О победе ФМЛ №30 в Англии

Как получить дополнительную прибыль на машиностроительном или приборостроительном предприятии. Проблемы 3D моделирования

21
Апреля
2017

Технологичность, как средство управления себестоимостью.

Вопрос себестоимости изделий – один из ключевых вопросов для тех, кто только планирует или приступает к производству и тех, у кого уже укомплектованы производственные площадки и налажен процесс производства. Поиск источников дополнительной прибыли и устранение причин, приводящих к её снижению необходимы и естественны в условиях конкуренции.

Данная статья не претендует на исследование такой обширной темы как управление себестоимостью продукции на машиностроительном предприятии. Скорее наоборот…Постараюсь «не заходить на территорию» экономических и организационных вопросов. Учебников, модных тренингов, технологий бережливого производства и отдельных работ квалифицированных экономистов на эти темы более чем достаточно. Наблюдения подсказывают, что основные трудности при внедрении прогрессивных практик на предприятиях возникают на этапе, когда стройные теоретические выкладки необходимо «привязать» к конкретным шагам на самом низком уровне. Учитывая соотношение числа менеджеров и инженеров в современном обществе, просто, захотелось поделиться своими соображениями как инженера, имеющего производственный опыт.

Теория и практика DFM

Один из аспектов влияния на себестоимость изделия – это технологичность конструкции, которая в значительной степени может быть обеспечена на этапе проектирования. Технологичность конструкции изделия – это совокупность свойств изделия, определяющих приспособленность его конструкции к достижению оптимальных затрат ресурсов при производстве и эксплуатации.

Идеи всесторонней проработки изделия существуют давно и в отечественной промышленности, и ассоциированы они были с задачами обеспечения качества. Не вдаваясь глубоко в историю развития этого направления, следует вспомнить, что первые успешные попытки организации планомерной систематической работы в обеспечении качества в нашей стране были предприняты в 50-х годах. Началом системного подхода к управлению качеством продукции считают разработку и внедрение в 1955 году на Саратовском авиационном заводе системы бездефектного изготовления продукции (БИП) и сдачу ее ОТК и заказчикам с первого предъявления. Совершенно очевидно, что фундаментом этой системы являлись технологичность и качество самого изделия. В противном случае, все остальные мероприятия были бы похожи на попытку путем косметического ремонта справиться с задачами капитальной реконструкции.

За рубежом интерес к тематике технологичности не угасает даже у успешных производителей потому, что целесообразность вложения ресурсов в решение таких задач очевидна. Экономический эффект легко поддается расчету. Технологичные детали выгодны и заказчику и исполнителю. Кроме того, технологичность является составной частью более глобальной экспертизы при освоении нового продукта, которая получила название IPD (integrated product development). Осознание того факта, что для принятия всесторонне взвешенных конструкторских решений необходимы адекватные всесторонние знания и опыт, которые не могут быть охвачены рядовым конструктором привело к тому, что сегодня на рынке существуют компании, которые специализируются на решении подобных задач. Область знаний, ориентированная на обеспечение технологичности конструкции получила название DFM** (Design for manufacturability, по некоторым источникам Design for manufacturing). DFM описывает процесс разработки изделия в аспекте облегчения процесса производства с целью снижения затрат на его изготовление. В противовес итеративному проектированию, когда инженер-конструктор отправляет созданную модель или сборку в производство для согласования и получения обратной связи, задача DFM – сократить, а в идеале – ликвидировать эти итерации. Концептуальные принципы DFM можно сформулировать так:

  • Этап проектирования является самым важным и самым влиятельным на конечный продукт. Он определяет стоимость, качество и время выхода продукта на рынок;
  • Общие характеристики жизненного цикла продукта определяются на этапе проектирования;
  • Потенциальные проблемы могут и должны быть исправлены на стадии проектирования, что является наименее дорогим местом для их решения.

Инструментом выполнения этих постулатов является неукоснительное соблюдение руководящих принципов проектирования, основанных на лучших мировых практиках.

**В то время как DFM применяется к процессу проектирования, аналогичная концепция, называемая DFSS (Конструирование для Six Sigma) также практикуется во многих организациях

По мнению Кеннета Кроу (Kenneth Crow) *

«Главной целью конструктора является разработка функционального продукта в данных условиях экономических и временных ограничений. Тем не менее, исследования показали, что решения, принятые в период проектирования определяют 70% себестоимости продукта, в то время как на решения, принятые в процессе производства приходится лишь 20% себестоимости. Кроме того, решения, принятые в первых 5% от срока проектирования изделия могут определить подавляющее большинство таких характеристик как стоимость, качество и технологичность. Это указывает на огромные резервы, на то, что DFM может влиять на успех и прибыльность компании.

Как правило, дизайнер работает в рамках существующей производственной системы, которая может быть изменена минимально. Однако, в некоторых случаях, производственные системы могут быть разработаны или переработаны в сочетании с конструкцией изделия. Когда инженер-конструктор и инженер-технолог работают вместе над разработкой и рационализацией продукта, методами его производства и вспомогательными процессами, он известен как интегрированный продукт и процесс проектирования. Рассмотрение конструкции изделия с учётом технологичности, стоимости, надежности и ремонтопригодности является отправной точкой для комплексного освоения продукта».

*Kenneth Crow является президентом DRM Associates, направлениями деятельности которой являются управленческий консалтинг и образовательные услуги, ориентированные на практику IPD (integrated product development). Kenneth Crow признанный эксперт в области комплексной разработки изделия. Имеет более чем двадцатилетний опыт консультаций в крупных компаниях на международном уровне.

Успешная инжиниринговая компания Pro CNC (США) имеет более 20-ти высококачественных станков с ЧПУ, работающих в 3 смены. Многолетняя практическая деятельность, выполнение уникальных заказов по изготовлению прототипов и совершенствованию конструкций позволила накопить неоценимый опыт в области DFM. Сегодня Pro CNC охотно делится своими наработками, осуществляя для подписчиков бесплатную ежемесячную рассылку информационных бюллетеней по следующим темам:

  • Выбор материала и размера;
  • Проектирование поднутрений;
  • Допуски, которые легко выдержать, позволяющие снизить стоимость;
  • Разумное использование скруглений;
  • Разумное использование геометрических допусков(GTOLS);
  • Геометрия, которая снижает стоимость изготовления;
  • Как избежать ошибок при моделировании углов;

Даже эти простые советы для проектирования позволяют сэкономить тысячи долларов в год при производстве деталей. Один из клиентов сэкономил около 20 000$ на одном компоненте в год с помощью всего лишь нескольких минут работы, основанной на предположении, подобном тем, которые рассылаются в информационных бюллетенях этой опытной команды единомышленников.

Вот что пишет один из подписчиков:

"Я с удовольствием читаю вашу рассылку больше, чем кто-либо. Я опытный конструктор, но каждый может всегда узнать что-то новое или то, что они забыли. Ваши рекомендации основательны и легки для понимания. Выражаю Вам свое уважение "-. Lockheed Martin

Существуют и попытки формализации знаний ключевых правил проектирования в различных областях. Это и программное обеспечение, ориентированное на отдельную область знаний. Например, Autodesk Simulation DFM, приложение, помогающее разрабатывать изделия из пластмассы и создавать цифровые прототипы, в которых учитывается технологичность изготовления. А также, программные комплексы. Например, DFMPro, который содержит базы знаний для различных процессов, таких как обработка (фрезерование, токарная обработка, сверление), литье под давлением пластмасс, изготовления компонентов из листового металла и поставляется с предварительно настроенными правилами сборки (DFA). Правила проектирования сформированы на основе различных справочников и руководств и содержат знания DFM консультантов, которые являются экспертами в своих областях. DFMPro также способен работать как инструмент накопления знаний собственных практик предприятия.

Особенно щепетильный подход в вопросах рациональности и технологичности наблюдается в странах с очень скудными собственными природными ресурсами. Признаюсь, испытываю истинное наслаждение, разглядывая японские велосипедные компоненты…

Принципы DFM (Design-for-Manufacturing) при проектировании механически обрабатываемых деталей

Какой минимальный перечень проверок необходимо провести при подготовке деталей к производству?
Как минимум, конструктор должен проверить следующие вещи:

  • Геометрию детали – есть ли элементы, требующие более сложной работы по типу оборудования или процесса, чем имеется на предприятии. Пересмотреть и максимизировать радиусы внутренних скруглений для использования наиболее жестких инструментов;
  • Стандарт предприятия - Убедитесь, что все ваши улучшения соответствуют DFM стандартам предприятия;
  • Материал детали - Убедиться, что тип материала и форма являются целесообразным. При использовании специфических материалов, убедиться, что для них нет заменителей, применяемых на вашем предприятии. Постараться избежать персональных закупок для вашего изделия (Профили, крепеж, краски, аппаратное обеспечение часто попадают в эту категорию.);
  • Допуски - Убедиться, что все допуски были проверены и не просто установлены по умолчанию. Убедиться, что допуски на линейные и угловые размеры являются правильными. Убедиться, что все использованные геометрические допуски являются обоснованными и не управляют стоимостью детали;
  • Покрытия - Выбрать наиболее дешевый вариант покрытия, который удовлетворит требованиям по применению изделия. Убедиться, что все толщины покрытий будут согласованно работать со схемой допусков.

Роль CAD/CAM/CAE систем и конструктора в формировании качества изделий.

Споры об инструментах для разработки изделий и выпуска КД давно утихли и с уверенностью можно сказать: «остались в прошлом столетии». 3D CAD/CAM/CAE системы безапелляционно заняли лидирующую позицию. Сейчас мы являемся свидетелями стремительного развития технологий, направленных на повышение эффективности 3D-проектирования, расширения привычных функций инструментов САПР и проникновения 3D технологий в сопряженные области.

3D САПРы успешно решают прикладные задачи приборостроения и машиностроения. Сегодня конструктору не требуется такое профессиональное качество как 100% пространственное воображение, не нужна также и доскональная проработка проекционных связей. Но с 3D моделированием ситуация складывается парадоксальная: то, что является неоспоримым преимуществом в проектировании может быть и «горем» для изготовителя. «Широкие и смелые мазки кистью» конструктора могут обернуться для предприятия финансовыми потерями.

С одной стороны, 3D САПРы раскрепощают фантазию конструктора и предоставляют возможности моделирования сложных конструкций с минимальными трудозатратами. С другой – легкость в моделировании не должна снимать ответственности конструктора за правильную с точки зрения изготовления проработку геометрии. Нам часто приходится сталкиваться с моделями деталей, которые насыщены геометрическими элементами, не влияющими на функциональность изделия, но затраты на их обработку могут превышать разумные пределы.

По-прежнему, человеческий фактор является самым уязвимым звеном в цепи «проект-изделие».

Ошибки проектирования и 3D моделирования.

Если мы попытаемся классифицировать ошибки исходя из причин их появления, то можно выделить две категории: первая обусловлена незнанием или пренебрежением технологическими возможностями предприятия или технологичностью в целом, вторая, скорее небрежностью моделирования.

Хотелось бы обратить внимание на то, что речь идет не о качестве геометрии как таковой, а именно о её технологичности. На рис.1 и 2 представлены примеры нетехнологичных элементов конструкций и возможные пути исправления этих ошибок.

Рис.1. Недопустимое расположение резьбового отверстия и полость, которая не может быть обработана фрезерованием (ошибки проектирования).

Рис.2. Геометрический дефект. Нарушена последовательность моделирования скруглений (результат небрежного моделирования).

Предположим, что конструктору поставлена задача проектирования изделия, детали которого должны быть обработаны на станках с ЧПУ. Какие условия должны быть выполнены, чтобы с Вами, как разработчиком, не искали контакта технологи для обсуждения путей исправления моделей.

В первую очередь, модель должна быть конструктивно точной, не допускающей геометрических разночтений. Это обусловлено спецификой создания управляющих программ в САМ системах. Они формируются на основе геометрии 3D модели. Например, на Рис.3 показано несколько таких элементов. Очевидно, что если ребро образовано «вогнутой комбинацией поверхностей», то такие места часто не могут быть получены фрезерованием, по крайней мере, 3-х осевым фрезерованием. В результате согласований, конструктор вынужден будет смириться с тем, что в этих местах после выполнения механообработки будут скругления. Величина скруглений будет соответствовать радиусу инструмента (минимум). Если деталь насыщена такими элементами, то положение центра масс, как и сама масса фактической детали могут значительно отличаться от расчетных значений.

РИС. 3

Рис. 4. Указанные ребра не могут быть получены фрезерованием.

В технических требованиях к детали, представленной на Рис.4 сказано: «…Неуказанные радиусы скруглений 2мм max…». Но большинство таких скруглений для вогнутых трехгранных углов могут быть получены фрезерованием только в 5-ти осевом режиме.

РИС. 4

Недоработки, которые можно предвидеть.

На рис.5 изображена модель детали, которая уже прошла технологическую инспекцию и сдана в электронный архив. Какие неожиданности ждут эту деталь на этапе изготовления?

РИС. 5

Если мы внимательно рассмотрим геометрию применяемого инструмента в каталоге производителя, то окажется, что например, для VHM концевой фрезы GARANT или HOLEX от Hoffman Group минимальная величина фаски 0.05мм - для Ø2мм и 0.1мм - для остальных фрез до Ø20 мм (Рис.6).

РИС. 6

Чаще, размер фаски бывает существенно больше. Например, для фрез FRANKEN эта величина составит 0.38-0.75мм.

РИС. 7

Т.е. фактически, независимо от того, в каком порядке будет выполняться обработка этих элементов детали: точение – фрезерование или фрезерование-точение, мы получим «неприятный» заусенец, который потребует дополнительного времени для его устранения (Рис.8). Если мы это время умножим на количество деталей в партии и стоимость нормо-часа, то это и будут убытки, выраженные в рублях, которых можно было избежать на этапе разработки.

РИС. 8 Заусенец в готовой детали, которым можно повредить руки.

Исполнение, которое автоматически устраняет эту недоработку изображено на рисунке 9. Достаточно ввести смещение по глубине для поверхности фрезерования

РИС. 9

Проблемы, которые могут быть решены раз и навсегда.

Наиболее старая и всем понятная на первый взгляд, проблема фрезерования внутренних углов. Во- первых, как отмечалось ранее, в конструкциях, для которых важны масс - инерционные характеристики необходимо принять правило моделирования: для всех внутренних ребер назначаем скругления.

РИС. 10 Отсутствуют скругления в углах.

Та же деталь в технологичном исполнении будет выглядеть так.

РИС. 11

Можно ли выполнить обработку именно так, как было заложено в модели конструктором? Разумеется, да. Например, использовать электроэрозионные прошивочные станки. Ввести в технологический процесс дополнительные операции, разработать комплект электродов, изготовить электроды и «героически» преодолеть эти трудности. А теперь зададим себе вопрос. Ради чего?

РИС. 12 Исходная и исправленная модели.

После назначения скруглений в углах, возникает закономерный вопрос: какие значения использовать в каждом конкретном случае?

Соотношение радиуса скругления и его длины (глубины) могут быть нормализованы стандартом предприятия. Исходить нужно из того, что более короткий инструмент жестче, надёжнее, позволяет использовать высокие режимы резания. Технологичным следует считать соотношение длины к диаметру инструмента не более 3:1, допустимым - 5:1.

РИС. 13 Внутренний угол с R2 соотношением L/D более 12.

Безусловно, в вопросах скруглений внутренних углов наиважнейшим является соотношение L/D. Но когда мы пытаемся выяснить, каким должен быть инструмент в конкретной операции, часто необходимо выйти за рамки соотношения L/D. Например, скругление, расположенное вблизи стенки может существенно «испортить нам жизнь». Несмотря на то, что соотношение длины скругления к его диаметру является более чем приемлемым, в случаях, приведенных на рис.14, мы будем вынуждены использовать специальные удлиненные фрезы на заниженных режимах резания.

РИС. 14

Еще одним критерием использования скруглений является сама величина радиуса. В подавляющем большинстве случаев на российских предприятиях пользуются метрическими фрезами из стандартного ряда размеров: 2, 3, 4, 5, 6, 8…

Для фрезерования на универсальных станках традиционным технологическим принципом был следующий: радиусы в углах кармана обеспечиваются диаметром соответствующей фрезы. Специфика обработки на станках с ЧПУ такова, что движение инструмента по дуге в отличие от универсального станка не является проблемой. А вот снижение подачи в углах во избежание поломки инструмента вследствие ухудшения условий резания может потребоваться, и в итоге - время обработки увеличится. Поэтому, правильным конструкторским решением будет использование скруглений например из ряда: 2.5, 3.5, 4.5, 5.5, 6.5, 8.5…Это при условии применения фрез стандартного метрического ряда.

Альтернативным радикальным решением проблемы фрезерования внутренних углов может быть применение фрез дюймового ряда. Такое решение будет наиболее целесообразным в том случае, если механообрабатывающее предприятие не занимается собственными разработками, а заказчики предоставляют чертежи и модели в метрической системе.

Разумная достаточность в назначении допусков.

Ключевая задача конструктора – создать гарантированно работоспособную конструкцию. Следуя благим намерениям, конструктор может назначить необоснованно завышенную точность, как говорится, перестраховаться. Изготовитель стремится избежать дополнительных затрат, не имеющих достаточных оснований (требуется специальное высокоточное оборудование, высокая квалификация станочника и т.д.).

Конструктор должен быть обязательно информирован о том, каких усилий и затрат требует например, обработка отверстия с микронным допуском.

Какие допуски могут быть более жесткими? Те, которые легко обеспечить свойством оборудования. Если мы говорим о станках с ЧПУ, то например, допуск на относительное расположение группы отверстий автоматически обеспечивается точностью позиционирования станка (паспортная точность позиционирования).

Позиционный допуск на группу отверстий составляет 0.4мм, допуск относительного смещения отверстий равен 0.2 (Рис.15). Для обеспечения позиционного допуска относительно баз ABC, базовые поверхности должны быть обработаны в рамках одного установа вместе с отверстиями. При назначении подобных допусков необходимо позаботиться о том, чтобы обеспечить принципиальную возможность обработки за один установ.

РИС. 15

РИС. 16

При применении допусков к вашему чертежу необходимо задуматься о минимальных требованиях, о том, что на самом деле нужно и какие инструменты доступны. Таким образом, вы снизите потенциальную стоимость выполнения этих операций в цехе.

Упрощаем конструкцию.

Как было отмечено ранее, одна из задач технологичности - снижение количества инструментов. Предпочтительнее вести обработку одним инструментом большего диаметра. Последовательная обработка несколькими инструментами серией диаметров увеличивает время обработки и снижает качество (подгонка стыков, перепады по глубине и т.д.).

РИС. 17 Несколько карманов имеют разные радиусы скруглений.

Единственным узким местом в кармане, представленном на рис.18, является зазор между стенкой кармана и бобышкой. Этот зазор сводит на нет все усилия по сокращению времени обработки всего камана.

РИС. 18 Недостаточный зазор для фрезерования контура бобышки.

Примечание: Примеры, приведенные на рис.15, 16, 17 заимствованы из публикаций компании Pro CNC.

Невыполнимые или условно невыполнимые операции.

Существуют конструктивные элементы, которым следует уделять особое внимание. Причина очень проста: если предприятие раньше не выполняло таких работ, то например, появление такого отверстия как показано на рис.19 приведет к особым расходам. Речь идет о приобретении дополнительной оснастки.

РИС. 19 Противоположная стенка блокирует доступ к отверстию.

Если габарит детали достаточно большой, то такой конструктив может быть выполнен специальной угловой головкой (Рис. 20)

РИС. 20

Применение технологически сложных геометрических элементов, должно быть оправдано. В противном случае, мы будем иметь деталь с необоснованно высокой себестоимостью.

Технологичность и возможности предприятия

Разумеется, технологичность – понятие локализованное. Именно по этой причине на отечественных предприятиях наряду с технологическими отделами иногда встречаются и службы технологической инспекции. То, что является технологичным для одного предприятия, для другого может быть задачей неразрешимой. В свою очередь, для отдельно взятого предприятия технологичность конструкции не может рассматриваться в отрыве от возможностей имеющегося оборудования. Например, одним из требований к технологичности изделий, разрабатываемых для изготовления на станках с ЧПУ, является минимизация числа установов, требующих переналадки. В отдельных случаях время переналадки на станках с ЧПУ может конкурировать и даже превышать время обработки.

Нам для работы были предоставлены 3D модели заказчика. С общетехнологической точки зрения модели были выполнены безукоризненно, но всех их объединял некий стиль. Автором моделей оказался очень уважаемый на предприятии конструктор преклонного возраста. При встрече он пояснил с улыбкой: «Старая школа, знаете…Универсальное оборудование…». Действительно, при внимательном изучении моделей, можно заметить, что детали должны изготавливаться с большим количеством переустановов, но для каждого установа была выработана простая, технологически хорошо продуманная и всегда выполнимая геометрия, хотя в целом – очень непростое изделие.

Станочный парк этого предприятия уже давно обновился, универсальное оборудование заменено станками с ЧПУ, соответственно старые технологические принципы проектирования будут приводить к дополнительным расходам.

В поисках идеальной конструкции (вместо заключения).

Возвращаясь к вопросу технологичности, хочется отметить, что многие предприятия имеют потенциальную возможность для того, чтобы сделать свою продукцию лучше и дешевле. Для этого необходимы: воля руководителей, условия, при которых конструктор и технолог станут «игроками одной команды» и желание самих исполнителей. Каждый технолог–практик сталкивался с работой по преодолению технологических трудностей при изготовлении деталей, поскольку имеющуюся конструкцию приходилось принимать как данность. Такой опыт и может быть положен в основу базы знаний под названием «Как не следует проектировать».

Как выбрать идеальную конструкцию из возможных вариантов, имеющих равные функционально-потребительские характеристики? Вероятно, это та, которую дешевле изготавливать. Какую деталь следует считать идеальной с точки зрения производства? Идеальная деталь – это та, которая изготавливается одним инструментом с минимальным вылетом за один установ с применением классической схемы базирования. Например, для фрезерования это схема 3+2+1. Принципы базирования и крепления основаны на общих законах механики. Это ограничение степеней свободы заготовки с соблюдением условия необходимой достаточности.

Любые шаги, предпринятые в сторону технологической идеализации конструкции, приведут к снижению её себестоимости! И очевидно, что эти шаги будут направлены в первую очередь на уменьшение числа используемых инструментов и количества переустановов. Следующий шаг – кропотливый и всесторонний анализ.

Возврат к списку

Сервис обратного звонка RedConnect