Исходным материалом для проектирования служит техническое задание, выдаваемое заказчиком и определяющее параметры машины, область и условия ее применения.
К техническому заданию необходимо подходить критически. Конструктор должен хорошо знать отрасль промышленности, для которой проектируют машину. Он обязан проверить задание и в нужных случаях обоснованно доказать необходимость его корректирования.
Не всегда учитывают то обстоятельство, что с момента начала проектирования до срока внедрения машины в промышленность проходит некоторый период времени, как правило, тем более длительный, чем сложнее машина. Этот период складывается из следующих этапов: проектирования, изготовления, заводской отладки и доводки опытного образца, промышленных испытаний, внесения выявившихся в ходе испытаний изменений, государственных испытаний и приемки опытного образца. Далее следует разработка технической документации головной серии, изготовление головной серии и ее промышленные испытания. Вслед за этим разрабатывают серийную документацию, подготавливают производство к серийному выпуску и, наконец, организуют серийный выпуск.
В лучшем случае при отсутствии крупных неполадок и осложнений этот процесс длится полтора-два года. Иногда между началом проектирования и началом широкого выпуска машин проходят два-три года и больше. При современных темпах технического прогресса в машиностроении это большой срок. Следует учитывать, что машины с заниженными параметрами, основанные на шаблонных решениях, несовместимых с современными представлениями о роли качества, надежности и ресурсосбережения, устаревают уже к началу серийного выпуска. Работа, затраченная на проектирование, изготовление и доводку образца, оказывается напрасной, а промышленность не получает нужной машины. Поэтому при создании новой машины необходимо опираться не только на свои собственные (предыдущие) разработки и требования заказчика, но и на современные аналоги ведущих разработчиков в данной области, на достижения науки и техники.
Как отмечалось, конструктивная преемственность – это использование при проектировании предшествующего опыта конструирования, введение в проектируемый агрегат всего полезного, что есть в существующих конструкциях машин. Почти каждая современная машина представляет собой итог работы конструкторов нескольких поколений. Начальную модель машины постепенно совершенствуют, снабжают новыми узлами и агрегатами, обогащают новыми конструктивными решениями, являющимися плодом творческих усилий и изобретательности последующих поколений конструкторов. Некоторые конструктивные решения с появлением более рациональных решений, новых технологических приемов, с повышением эксплуатационных требований отмирают, другие оказываются исключительно живучими и сохраняются.
С течением времени повышаются технико-экономические показатели машин, возрастают их мощность и производительность, увеличиваются степень автоматизации, эксплуатационная надежность, появляются новые машины одинакового назначения, но принципиально иных конструктивных схем. В соревновании побеждают наиболее прогрессивные и конкурентоспособные конструкции.
Изучая историю развития любой отрасли машиностроения, можно обнаружить огромное многообразие перепробованных схем и конструктивных решений. Многие из них, исчезнувшие и основательно забытые, возрождаются через десятки лет на новой технической основе и снова получают путевку в жизнь. Изучение истории позволяет избежать ошибок и повторения пройденных этапов и вместе с тем наметить перспективы развития машин.
Выбору параметров машины должно предшествовать полное исследование всех факторов, определяющих ее конкурентоспособность. Необходимо изучить опыт зарубежных и отечественных производителей машин, провести сравнительный анализ их достоинств и недостатков, выявить особенности конструкции и эксплуатации, выбрать правильный аналог и прототип, выяснить тенденции развития и потребности данной отрасли машиностроения.
Важным условием рационального проектирования является наличие фонда справочного конструктивного материала. Помимо архивов собственной продукции конструкторские организации должны иметь альбомы конструкций смежных организаций.
Конструктор должен быть в курсе поисковых и перспективных работ, проводимых научно-исследовательскими институтами в данной отрасли машиностроения, углубленно и систематически изучать отечественную и зарубежную научно-техническую и патентную литературу.
Наряду с изучением опыта отрасли машиностроения, в которой работает данная конструкторская организация, следует использовать опыт смежных отраслей машиностроения. Это расширяет кругозор конструктора и обогащает арсенал его конструкторских средств. Особенно полезно изучать опыт наукоемких отраслей машиностроения, где конструкторская и технологическая мысль, побуждаемая высокими требованиями к качеству продукции (например, авиационная и космическая техника) и массовости изготовления (например, автомобиле- и тракторостроение), непрерывно создает новые конструктивные формы, способы повышения прочности, надежности и приемы производительного изготовления.
Направление конструктивной преемственности не означает ограничения творческой инициативы. Проектирование каждой машины представляет огромное поле деятельности для конструктора. При этом не следует "изобретать велосипед" и забывать правило, сформулированное еще в начале XX века Гюльднером: " Wenigererfmden, mehrkonstruiren " ("Меньше изобретать, больше конструировать").
Процесс постоянного совершенствования машин под влиянием возрастающих требований промышленности должен находить отражение в выработке склада конструкторского мышления.
Конструктор должен непрерывно обогащать и пополнять свой банк конструктивных решений, всегда подмечать интересные конструктивные решения в любой попадающей в поле его зрения машине. Он обязан знать новейшие технологические процессы, в том числе физические, электрофизические и электрохимические способы обработки, в противном случае он будет стеснен в выборе рациональных форм деталей и не сможет заложить в конструкцию современную технологию ее изготовления.
Развитие машиностроения неразрывно связано с развитием отраслей народного хозяйства, являющихся потребителями машин. В промышленности происходит процесс непрерывного совершенствования: растет объем продукции, сокращается производственный цикл, появляются новые технологические процессы, меняются компоновка линий, состав и компоновка оборудования, непрерывно повышается уровень механизации и автоматизации производства. При этом возрастают требования к показателям машин, вследствие чего возникает необходимость создания новых машин или модернизации существующих.
Проектированию машин для конкретной отрасли промышленности должно предшествовать тщательное изучение этой отрасли, динамики ее количественного и качественного развития, потребности в данной категории машин и вероятности появления новых технологических процессов и новых методов производства.
Этапы создания машин
Как уже отмечалось, жизненный цикл машины начинается зарождением идеи, включает этапы проектирования и конструирования, изготовления и эксплуатации и заканчивается ее утилизацией. В свою очередь каждый из этапов, как правило, является многоплановым, состоящим из нескольких стадий.
Создание машины как технического средства, предназначенного для удовлетворения потребностей общества основывается, прежде всего, на изучении потребности в такой машине и формулировании конкретных требований к ней. Далее следует этап проектирования, включающий в себя обоснование принципа действия, разработку структурной и конструктивной схем, выбор типов и параметров главных составных частей. На этой основе осуществляется конструирование, результат которого – выдача документации, достаточной для дальнейшего изготовления машины.
Задача разработчиков при проектировании и конструировании – создание новой машины, обеспечивающей выполнение заданного технологического процесса и обладающей лучшими технико-экономическими показателями по сравнению о существующими машинами аналогичного назначения.
Создание технических средств в зависимости от их сложности может быть предметом деятельности одного человека, выполняющего функции проектировщика, конструктора и изготовителя, или коллектива исполнителей, между которыми эти функции распределены таким образом, чтобы их способности и квалификация были использованы наиболее рационально. Успех технического творчества зависит от того, в какой мере проектировщики и конструкторы обладают достоверной информацией о требованиях, предъявляемых к продукции, производимой проектируемой машиной, о физической сущности выполняемых ею процессов, а также о состоянии развития технических возможностей изготовителей. В некоторых случаях для получения таких сведений необходима постановка специальных научных исследований.
Научные исследования должны сопровождать все этапы создания машин (рисунок 3.1) и включать изучение потребностей общества и разработку стратегических направлений по удовлетворению этих потребностей, обоснование требований к техническим системам, предназначенным для дальнейшего развития соответствующих отраслей техники, внедрение новых технологических принципов, повышающих качество продукции и обеспечивающих снижение материало-, энерго- и трудозатрат при изготовлении, разработку методов рационального применения и содержания машин.
От технической идеи и соответствующей заявки заказчика разработчику на создание машины до момента получения от нее полной отдачи проходит определенный срок, обусловленный выполнением этапов разработки конструкторской документации, установленных ГОСТ 2.103-68, технического предложения, эскизного проекта, технического проекта, рабочей конструкторской документации. Необходимость выполнения перечисленных этапов устанавливается техническим заданием. Последовательность процесса создания машины показана на рисунке 3.2.
Техническое предложение – этап предварительного проектирования, характеризующийся активизацией творческого мышления, большим количеством идей и возможных вариантов их воплощения. На этой стадии особенно важны научно-техническая и патентная информация. Техническое предложение предусматривает предварительную конструкторскую проработку и анализ различных вариантов, подбор материалов для выявления уточненных требований к машине. Варианты анализируют по основным показателям качества (надежности, экономическим, эргономическим) и технологичности (удельной трудоемкости изготовления, удельной энергоемкости и др.), а также по уровню стандартизации и унификации.
Рисунок 3.2 – Последовательность процесса создания машины
Согласованное и утвержденное техническое предложение – основание для разработки эскизного или технического проекта.
Эскизный проект – этап опытно-конструкторской разработки наиболее общих решений машины, позволяющих определить принцип ее работы. Прорабатывают различные варианты компоновки машины в целом, а также ее составных частей. Глубина проработки должна быть достаточной для сравнительного анализа по показателям качества машины с учетом ее конструктивных и эксплуатационных особенностей. Разрабатываемые варианты проверяют на патентную чистоту и конкурентоспособность. При выявлении новых решений оформляют заявки на изобретения. Для проверки принципа работы принятого варианта машины и ее составных частей могут быть изготовлены и испытаны макеты.
В результате разработки эскизного проекта должен быть принят оптимальный вариант машины, подтверждены и уточнены предъявляемые к машине требования.
На стадии эскизного проекта работы, выполненные при разработке технического предложения, отражаются в пояснительной записке. Эскизный проект согласовывают с заказчиком и изготовителем. После согласования и утверждения эскизный проект является основой для разработки технического проекта и рабочей конструкторской документации.
Технический проект предусматривает разработку комплекса конструкторских документов, которые содержат окончательные технические решения по разрабатываемой машине: соответствие проекта требованиям технического задания, степень сложности изготовления, правила эксплуатации и ремонта машины.
При работе над техническим проектом осуществляют разработку конструкций машины и ее основных составных частей, расчеты (в том числе технико-экономические), анализ технологичности конструкции (с учетом конкретных условий завода-изготовителя), мероприятия по обеспечению заданного уровня стандартизации и унификации, проверку патентной чистоты. Габаритные, установочные и присоединительные размеры машины, а также возможности ее транспортирования и монтажа согласовывают с основным потребителем.
Если для изготовления отдельных оригинальных деталей нужно разработать специализированное оборудование, для ускорения процесса в целом на стадии технического проекта разрабатывают чертежи сборочных единиц (куда входят эти детали) и самих деталей. Технический проект содержит те же основные документы, что и эскизный проект. Однако степень и глубина их проработки носят окончательный характер. После согласования и утверждения технический проект является основанием для разработки рабочей конструкторской документации.
Рабочая конструкторская документация – завершающий этап проектирования и конструирования машины. Непосредственно по рабочей конструкторской документации на заводе-изготовителе создают машину.
На всех этапах разработки конструкторскую документацию подвергают технологическому контролю, содержание и цели которого определяются стадией разработки. Так, на стадии технического предложения проверяют правильность выбора варианта конструктивного решения в соответствии с требованиями технологичности; на стадии эскизного проекта – правильность выбора принципиальной схемы машины, компоновку основных сборочных единиц, рациональность конструктивных решений с учетом простоты их изготовления, возможность применения рациональных методов обработки для наиболее сложных деталей; на стадии технического проекта – возможность проведения сборки и контроля машины и ее основных частей, удобство и доступность мест оборки, отсутствие (либо минимум) механической обработки при сборке, возможность обеспечения взаимозаменяемости сборочных единиц и деталей; на стадии разработки рабочей документации – технологичность изготовления деталей, сборки машины и ее составных частей, контролируют наличие сборочных баз.
После того как проектная и конструкторская техническая документация разработана и проконтролирована, приступают к изготовлению машины.
На первом этапе создают опытный образец (или опытную партию машин) и производят предварительные заводские испытания, в процессе которых отрабатывают рациональные эксплуатационные режимы, выявляют необходимость внесения каких-либо изменений в конструкцию машины или ее составных частей. По результатам предварительных испытаний, которые проводят совместно разработчик и изготовитель, решают вопрос о возможности осуществления приемочных испытаний, корректируют конструкторскую документацию, вносят изменения в конструкцию опытного образца. При положительном решении проводят приемочные испытания, которые в зависимости от характера связи между соисполнителями могут быть ведомственными, межведомственными и государственными.
При приемо-сдаточных испытаниях устанавливают соответствие продукции разработанной технической документации и возможность постановки машины на производство с участием разработчика, изготовителя и заказчика.