3.1. Исходные этапы создания техники
Практикой машиностроения выработаны следующие этапы создания новой техники:
1) научно-технические исследования, предопределяющие возможность создания конкретных технических разработок;
2) формирование технического задания на создание требуемого временем технического решения;
3) разработка технического предложения для создания нового технического объекта;
4) создание эскизного проекта на технический объект;
5) выполнение технического проекта;
6) изготовление опытных образцов объекта в металле (материале);
7) испытание объекта и доработка технической документации.
Каждому из перечисленных этапов создания нового объекта соответствует вполне конкретный объем мероприятий, являющихся элементами организационно-технологической подготовки производства для изготовления этого объекта. Основные цели всех этих мероприятий сводятся к тому, чтобы как можно полнее обеспечить:
- технологичность конструкции изделия;
- основное производство всеми видами технологической оснастки и технологических документов;
- в кратчайшие сроки освоение процессов по изготовлению изделия в опытном и серийном производствах;
- минимальную материалоемкость и трудоемкость изготовления;
- повышение технического уровня предприятия;
- создание нормативно-технической базы для постоянного совершенствования методов, относящихся к подготовке производства для серийного выпуска изделий.
Мероприятия, выполнение которых обеспечивает достижение указанных целей, определенным образом (параллельно, последовательно или с упреждением) реализуются на каждом этапе создания новой техники.
3.2. Научные исследования
Появление новой техники невозможно в отрыве от развития науки, составляющей совокупность знаний, которые накоплены человечеством, отражают законы развития материального мира и создают предпосылки для принятия принципиально новых технических решений в ходе конструкторско-технологических работ.
В современных условиях наука благодаря крупным открытиям почти во всех ее отраслях человеческой деятельности стала непосредственной производительной силой. Она определяет собой развитие техники и производства, является базой научно-технического прогресса. Научные исследования всегда опережают развитие производства, указывают направление этого развития, определяют выбор технических средств для осуществления новых технологически процессов. В связи с этим результаты научно-исследовательских работ реализуются в производстве и обеспечивают повышение его эффективности.
Научно-исследовательские работы, проводимые применительно к машиностроению по своей сути и целевому назначению, подразделяются на три группы:
1. Фундаментальные или теоретические исследования, выявляющие те или иные явления действующих объективных законов развития материального мира и имеющие общетеоретический характер. Поэтому первоначально они не носят вариантов их конкретного применения для создания новых видов техники. Фундаментальные научно-исследовательские работы (НИР) выполняются в соответствии с перспективными планами, устанавливающими направление, характер примерный объем предстоящих исследовательских работ. Основанием для разработки перспективных планов является научно-технические прогнозы, которые в свою очередь опирается на имеющиеся достижения науки и техники на период времени до составления прогноза. Результатом фундаментальных НИР становятся обнаруженные те или иные ранее неизвестные явления материального мира.
Организационно технологические мероприятия по подготовке и проведению работ, связанных с проведением фундаментальных НИР, касаются только мероприятий, связанных с проведением непосредственно научных исследований. При этом полностью отсутствует связь с объектами производства, которые могут быть созданы на базе обнаруженных новых явлений природы. Так, экспериментальными исследованиями в области электричества и магнетизма Фарадей обнаружил вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током – вокруг магнита. А то, что данное явление представляет собой физическую модель электродвигателя, было сформулировано много лет спустя;
2. Прикладные исследования, представляющие собой научно-исследовательские работы, результатом которых являются выводы о возможности использования вновь открытых законов природы на практике для создания новых конкретных видов прогрессивной техники. Объектом внимания прикладных НИР является разработка, направленная на создание объектов техники, веществ и технологий на базе изученных явлений природы, то есть когда ясно, что именно сулит для инженерной практики конкретное явление природы. При этом выявляемые технические решения всегда отличаются новым уровнем свойств;
3. Производственные исследования, представляющие собой научно-исследовательские работы, результатом которых является обоснование и уточнение параметров создаваемой новой техники. Эти работы носят характер подчиненный требованиям имеющихся проблем и задач, возникающих в ходе инженерной работы по освоению создаваемой техники машиностроения.
Фундаментальные НИР обычно выполняются в академических научно-исследовательских институтах и организациях. Прикладные и производственные научно-исследовательские работы в области машиностроения, приборостроения, радиоэлектроники и электротехники ведут отраслевые научно-исследовательские организации, ВУЗы, предприятия.
Созданные в стране отраслевые научно-исследовательские институты проводят прикладные научные исследования преимущественно по законам базовых организаций и заводов. Внутри научных учреждений есть исследовательские лаборатории, бюро, отделы, которые специализируются по предметному признаку, то есть по научным проблемам или видам техники, либо по технологическому признаку (по видам работ).
Результативность научных исследований оценивается открытием, изобретением, рационализаторским предложением.
Открытие – это установление неизвестных ранее объективно существующих закономерностей, свойств и явлений материального мира. Открытие продвигает вперед науку, обогащает запас человеческих знаний, решает крупные научные задачи. Примером открытия может быть названа, например, новая теория зубчатых зацеплений, созданная М.Н. Новиковым.
Изобретением признается отличающееся существенной новизной решение технической задачи в любой области народного хозяйства, культуры, здравоохранения или обороны, дающее положительный эффект. Новизна изобретения означает, что предлагаемое решение технической задачи неизвестно в мировой технике.
Изобретения направлены либо на создание новых способов производства, либо конструкций, либо новых веществ.
Способ – это перечень и порядок действий или операций выполняемых человеком, машиной, аппаратом при соблюдении разработанных изобретателем условий, режимов, ведущих к достижению поставленной цели. По своей сути способ – это конкретный технологический процесс.
Конструкции новых машин, приборов, устройств являются изобретениями, если они характеризуются новыми схемами, новыми рабочими процессами, новыми конструктивными элементами или новой их комбинацией.
Создание новых веществ признается изобретением, если вещества получаются техническим путем (сплавы, биметаллы и т.д.).
Рационализаторскими считаются предложения, непосредственно улучшающие производственный процесс. К ним относятся предложения по усовершенствованию применяемой техники, выпускаемой продукции, технологии и организации производства, способов контроля, наблюдения и исследования, техники безопасности и охраны труда.
3.3. Техническое задание и техническое предложение
В общем случае объектом разработки может быть изделие (машина), технологический процесс (новый способ изготовления) или вещество.
При разработке технического задания (ТЗ) на проектирование машины заказчик излагает эксплуатационные требования и основные параметры машины (габариты, масса, потребляемая мощность, функциональное назначение, особые технические требования и т.д.).
Составление ТЗ на способ изготовления какой-либо продукции содержит информацию об условиях и области применения этого способа, о требуемом диапазоне результативного действия способа, характеристику технологического оснащения, необходимого для реализации этого способа, и т.д.
В техническом задании на требуемое вещество оговариваются необходимые потребительские качества, эксплуатационные условия, физико-химические свойства материалов и предметов, с которыми может контактировать разрабатываемое вещество, и т.д.
В любом случае работа над созданием нового объекта техники непосредственно начинается с того момента, когда в производственной практике или в повседневной деятельности общества появляется объективная необходимость во чтобы то ни стало решить конкретную задачу. Очень показательным в этом плане примером является появление и стремительное развитие авиации. Как только стало ясно, что первые полеты на примитивных аэропланах не азартное трюкачество, а освоение многообещающего транспортного средства, то сразу все технически развитые страны приступили к формированию технических заданий на этот летающий вид техники. Суть этих технических заданий очень точно была отражена лозунгом: «Летать дальше всех, выше всех, быстрее всех!». Ответами на технические задания являлись технические предложения (ТП), формируемые авиационными конструкторами, у которых представления о возможностях летательных аппаратов тяжелее воздуха базировались на знаниях аэродинамики, теплотехники, механики, на накопленном опыте конструкторских разработок и имевшемся уровне технологии обработки конструкционных материалов.
В каждом из перечисленных вариантов заказываемого объекта организация-исполнитель составляет техническое предложение. В нем мотивированно обосновывается возможность разработки требуемого объекта с приложением технико-экономической оценки по укрупненным показателям, учитывающей предполагаемый объем организационно-технологических мероприятий, необходимых для постановки на производство создаваемого объекта (требуемые производственные площади, создание необходимого технологического оснащения, приобретение комплектующих изделий, источники для исходных полуфабрикатов и т.д.). Затем исходное техническое задание уточняют с учетом поступившего технического предложения. В итоге согласованное техническое задание становится исходным документом для разработки технической документации на требуемый объект.
3.4. Конструкторская разработка
После того, как разработчик технического задания (заказчик) соглашается с представленным обоснованием технического предложения, автор технического предложения приступает к конструкторской разработке.
Эта разработка идет в два этапа. Результатом первого этапа является эскизный проект, который содержит чертежи общего вида изделия, принципиальные схемы конструкции и кинематики, подвода энергии, пневмо- и гидросистемы, расчеты основных эксплуатационных параметров и др.
После согласования эскизного проекта с заказчиком выполняют второй этапа конструкторской разработки. Им является технический проект, содержащий рабочие чертежи на все входящие в изделие детали; сборочные чертежи на все узлы и изделие в целом; технические требования на изготовление, сборку и испытания; технические характеристики всех узлов по их функциональным назначениям; техническая характеристика изделия; условия эксплуатации и ремонта. Здесь создание конструкции сопровождается всеми необходимыми расчетами, предопределяющими геометрические формы и размеры деталей и узлов, выбором конструкционных материалов, расчетами технико-экономических и эксплуатационных показателей создаваемого объекта. К концу проектной работы создается весь комплект технической документации, необходимой для работ по изготовлению создаваемого изделия: рабочие чертежи всех деталей, сборочные и монтажные схемы, материальные спецификации, ведомости покупных и нормализованных деталей, ведомости запасных деталей, паспорт, инструкции по испытаниям и эксплуатации изделия и т.д. Приложением к техническому проекту является технико-экономический расчет.
При создании новых конструкций всегда возникает необходимость проведения экспериментальных работ, связанных с проверкой вложенных в конструкцию новых принципов и параметров, которые, в конечном счете, могут влиять на надежность и долговечность создаваемого изделия. Для выяснения подобных вопросов создают и изготовляют макеты, модели, опытные образцы разрабатываемого изделия.
Макет представляет собой приспособление, собранное из натурных корпусных деталей и узлов разрабатываемого изделия; служит для уточнения габаритных размеров изделия, взаимной координации подсоединяемых агрегатов, уточнения геометрии трубопроводов и других сетей по местам, их укладки и т.д.
Моделью называется устройство, воспроизводящее в нужном масштабе все изделие в целом или его отдельные части и узлы. Модель используют для проверки конкретных параметров. Например, модель летательного аппарата используют для продувки в аэродинамической трубе с целью уточнения параметров обтекаемости воздухом в режиме натурального полета.
Опытный образец представляет собой осваиваемое изделие, наполненное в натуральную величину в полном соответствии с чертежами и техническими условиями и предназначенное для испытаний и выверки новой конструкции. Естественно, что изготовлению опытного образца предшествует технологическая подготовка производства, включающая в себя разработку технологических процессов изготовления деталей и узлов при создании минимально необходимой оснастки.
Одним из завершающих этапов конструкторской разработки является проведение испытаний новой конструкции и внесение изменений в техническую документацию по результатам как изготовления, так и испытаний опытного образца.