Факторы, влияющие на проектирование ТП

Основные факторы, от которых зависит выбор рационального способа переработки ПМ, состав и режимы выполнения технологических операций, можно условно объединить в 3 группы- материало-технологические, конструктивно-технологические и производствен- ные факторы. Подробное рассмотрение природы этих факторов осуществляется в соответствующих тематических дисциплинах учебных планов технологических специальностей, поэтому в данном разделе дается лишь обобщенное изложение.

1.2.1. Проектная зависимость ТП от технологических свойств ПМ

Известно, что среди классификаций ПМ по различным признакам важное место принадлежит классификации по технологическим возможностям, которая подразделяет ПМ на пресс-композиции, литьевые, экструзионные, штамповочные и другие пластмассы, а также на пултрузионные, намоточные, напыляемые и другие армированные пластики. Основанием для принадлежности ПМ к определенной классификационной группе служат необходимые технологические свойства, под которыми понимают комплекс свойств, определяющих процессы переработки ПМ в изделия.

Знание технологических свойств теплофизического, реологического и объемного характера дает возможность обоснованно решать задачи проектирования ТП, их интенсификации, рационализации и оптимизации. Выбор физического или химического метода переработки и определение технологических параметров соответствующих процессов в каждом случае осуществляются с учетом конкретного перечня технологических свойств заданного ПМ, например, текучести, влажности, скорости отверждения, усадки, таблетируемости и др. (см. табл. 1.2).

Таблица 1.2.

Зависимость основных процессов при переработке пластмасс от их технологических свойств и стандартных параметров /1/.

Процесс	Технологическое свойство	Стандартизуемый параметр и метод его определения
Деформирование (вязкое течение, растяжение): - с развитием необратимой пластической деформации; - с развитием и накоплением обратимой эластической деформации;   - с релаксацией параметров деформирования после его прекращения.     Деструкция (термоокисли- тельная, гидролитическая, механическая под действием температуры, кислорода, влаги и механических напряжений).   Нагревание, охлаждение.   Кристаллизация и плавление   Изменение объема при воздействии температуры и давления.   Прилипание к металлу формы, каландрам, вальцам и другим рабочим органам перерабатывающего обору- дования.     Сорбция влаги (увлажнение) Например, при нахождении в бункере.   Уплотнение гранул или по-рошка, например, при прес- совании или пластикации.	Вязкость, характеризуемая сопротивлением течению. Модуль эластичности, хара- ктеризуемый сопротивле- нием развитию эластичес- кой деформации. Характерное время релакса- ции, характеризуемое скоростью релаксационного процесса; константа релак- сационного процесса. Стойкость к деструкции, характеризуемая способно- стью сохранять свойства (технологические, эксплуатационные) и цвет.     Теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость.   Характеристики кристалли-зации и плавления (интервал кристаллизации, температу-ра плавления, температура начала плавления, теплота плавления (кристаллизации) Тепловое расширение и сжатие.     Адгезия между контакти-рующими пластмассой и металлом.     Влажность, характеризуемая гигроскопичностью пластмассы (способностью увлажняться в среде влаж-ного воздуха).   Характеристики сыпучих материалов в твердом состоянии (насыпная плот-ность, сыпучесть, гранулометрический состав и др.)	ПТР (в г за 10 мин). ГОСТ 11645-73   _   _   Период термостабильности расплава (в мин); коэффици- ент термостабильности Кст (отношение двух ПТР после нагрева в течение разных периодов). Методика НПО «Пластмассы». Коэффициенты теплопро- водности, температуропро-водности и удельной теплоемкости при стандарт-ной температуре. ГОСТ 23630-79   Температура плавления. ГОСТ 21553-76   Коэффициент линейного теплового расширения при стандартной температуре. ГОСТ 15173-80 Сила выталкивания станда-ртного образца, отлитого при определенных парамет-рах; аремя прилипания к вальцам. Нормативно-техническая документация на пластмассу Равновесное влагопоглоще-ние Вст (в %) в стандартных условиях (относительная влажность воздуха 50-60 %, температура 20-23 *С). ГОСТ 4650-80 Насыпная плотность (в кг/м³); время (в с) или ско-рость (в кг с) истечения пластмассы через отверстие стандартной конической воронки; содержание частиц определенного размера, вы-раженное в % от массы исследованного образца. Нормативно-техническая документация на пластмассу

При этом в зависимости от количественных показателей технологических свойств различные ПМ принято определять как технологичные или, наоборот, нетехнологичные. Условность такого подразделения ПМ состоит в том, что мера технологичности ПМ соотносится, как правило, с существующими методами и серийными средствами технического оснащения ТП. В то же время, при их отсутствии или недостаточности те же технологические характеристики ПМ нередко становятся стимулом для разработки новых методов, технологической оснастки или перерабатывающего оборудования.

Вместе с тем, и сами технологические свойства ПМ способны претерпевать радикальные изменения при варьировании составов, структуры, межфазного взаимодействия и других признаков, характеризующих определенный вид ПМ. В результате вариабельность технологических свойств ПМ одного вида, фиксируемая различными марками этого материала, обусловливает способность к переработке в изделия сразу несколькими различными методами (табл. 1.3).

Таблица 1.3.

Основные методы переработки* пластических масс /2/.

Основа ПМ

ЛД

ЭП

ЭТ

ЭК

ВФ

П

К

ПР

З

КФ

СВ ХСВ

СК

Полиэтилен + + + + + + + + Полипропилен + + + + + + + Сополимер этилена с пропиленом + + + + Сополимер этилена с винилацетатом + + + Полистирол + + + + + + Ударопрочный полистирол + + + + + + АБС-пластики + + + + + + Полиметилметакри- лат + + + + + + Политетрафторэти- лен + + Поливинилхлорид (пластифифициро- ванный) + + + + + + + + + Поливиниловый спирт + + Поливинилацетат + + + Полиформальдегид + + + (сополимеры) Пентапласт + + + + Полифениленоксид + + + Полисульфон + + + + + + Полиэтилентере- фталат + + + + +

Продолжение таблицы 1.3.

Основа ПМ

ЛД

ЭП

ЭТ

ЭК

ВФ

П

К

ПР

З

КФ

СВ ХСВ

СК

Полибутилентере- фталат + + + + + + + Поликарбонат + + + + + + + Полиамиды + + + + + + + Фенилон + + + + + + Полиимиды + + + Х+ Полиуретаны + + + + + Фенопласты + + + + Х+ + Аминопласты + + + + Х+ + Ненасыщенные поли- эфирные композиции + + + + Х+ + Эпоксидные компози- ции + + + + Х+ + Фурановые компози- ции + + + Кремнийорганические композиции + + + Этролы + + + + +

*ЛД- литье под давлением; ЭП- экструзия пленок, листов; ЭТ- экструзия труб, профилей; ЭК - экструзия кабельной изоляции; ВФ - выдувное (пневмо)формование; П- прессование;

К- каландрование; ПР- полив из раствора; З- заливка; КФ- контактное формование; СВ- сварка; ХСВ- химическая сварка; СК- склейка.

Возможности варьирования составов ПМ могут приводить и к более радикальным изменениям. Так, при увеличении длины волоконных наполнителей свыше критической достигается переход ПМ из разряда пластмасс в разряд армированных пластиков, специфика технологических свойств которых исключает возможность их переработки в изделия, например, литьем под давлением, экструзией, раздувом, вынуждая использовать для этого методы намотки, пултрузии, выкладки. Следовательно, в общем случае проектная зависимость ТП от технологических свойств ПМ может быть представлена в виде схемы, изображенной на рис. 1.3.

	Вариабельные признаки ПМ - природа полимера; - молекулярная масса; -структура надмолекуля-рная, пространственная; - состав компонентов; - схема наполнения (ар-мирования); - межфазное взаимодей-ствие и др.
		Технологические свойства ПМ 1. Характеризующие ис-ходное состояние сырья и полуфабрикатов. 2. Обусловливающие те-хнологические условия переработки в изделия. 3. Определяющие качес-тво готовой продукции в начальный период хранения.		Проектная зависимость ТП - способ переработки; - состав операций; -техническое оснащение - режимы выполнения ТО; - нормы расхода ПМ и других ресурсов; - уровень безопасности производства; - качество изделий и др.

Рис. 1.3. Схема изменения технологических свойств ПМ и влияния на проектирование ТП.

Таким образом, изменение хотя бы одного из основных признаков ПМ, которое нередко происходит с целью совершенствования эксплуатационных характеристик или для придания ПМ свойств иного назначения, неизбежно влечет за собой изменение их технологических свойств, что объективно обусловливает необходимость в иных решениях при проектировании ТП. Не случайно поэтому основным условием, определяющим не только качество объекта производства и технико-экономические показатели ТП, но и в первую очередь трудоемкость процесса проектирования ТП, является всесторонне обоснованный выбор ПМ.

1.2.2. Проектная зависимость ТП от конструктивно-технологической специфики объектов производства из ПМ

Основными факторами, определяющими конструктивно-технологическую специфику изделий из ПМ, являются конфигурация (форма), размеры (габариты) и технические требования к качеству изделий. Зависимость проектов ТП от этих факторов проявляется в выборе способов производства, состава ТО и режимов их выполнения.

1.2.2.1. Влияние конфигурации изделия

Изделия из ПМ даже одного и того же назначения имеют значительно большее конфигурационное многообразие по сравнению с изделиями аналогичного назначения из других материалов (металлов, керамики, дерева, и др.). Этот факт объясняется двумя объективными обстоятельствами. Во-первых, феноменальной податливостью ПМ, определившей название их основной части «пластические массы» и резко снизившей трудоемкость переработки ПМ в изделия. Благодаря этому появились также такие специфические конструкционно-технологические решения, как цельнопластиковые и интегральные изделия, в объеме которых при одном цикле формования совмещаются элементы с различными геометрическими формами. При этом сложнопрофильность может дополняться отверстиями и поднутрениями, резьбой и тиснением.

Вторым объяснением конфигурационного многообразия изделий из ПМ является необходимость конструктивного компенсирования специфических недостатков ПМ, точнее, недостаточного уровня показателей отдельных конструкционных свойств, например контактной прочности, жесткости (формоустойчивости), ползучести и др. Наиболее наглядно это обстоятельство проявляется в тех случаях, когда изделие из ПМ имеет металлический прототип. Примером могут служить шестерни зубчатых передач, форма зубьев которых в полимерном исполнении часто имеет иную геометрию. Иначе выглядит конфигурация резьб, опорных элементов, корпусных и многих других конструкций силового назначения.

В свою очередь, влияние конфигурации изделий из ПМ на проектирование ТП в первом приближении может быть либо однозначным, либо неоднозначным (многофакторным). Первый случай проявляется тогда, когда изделие может быть однозначно отнесено к определенной классификационной группе с общими конструктивно-технологическими признаками, например, к телам вращения, коробчатым, погонажным, ферменным изделиям. Каждый из типовых видов изделий имеет свой оптимальный технологический метод изготовления, обеспечивающий наилучшее качество продукции и наиболее высокие технико-экономические характеристики производству. Так, при переработке непрерывно армированных пластиков в изделия типа тел вращения (трубы, шары-баллоны и т.п.) рекомендуется намотка, а для производства погонажных изделий (профили небольшого сечения) – пултрузия.

Вместе с тем, имеется немало изделий с конфигурациями, формование которых можно осуществлять различными, иногда многочисленными, методами. Примером может служить изделие типа «втулка», которое, например, в пластмассовом варианте изготавливают прессованием, литьем под давлением, экструзией, а также могут изготавливать центробежным формованием и раздувом, механическим резанием и некоторыми другими методами. В подобных случаях определить наиболее рациональный метод изготовления заданного объекта производства удается только с учетом других факторов его конструктивно-технологической специфики.

1.2.2.2. Влияние размеров изделия

Проектную зависимость ТП от размеров объекта производства обычно называют влиянием «масштабного фактора». Это влияние может проявляться на все составляющие ТП. Например, формование изделия типа «панель» из армированного пластика может осуществляться прессованием, если габариты изделия соизмеримы с размерами стола пресса, но может и другими способами – автоклавным, термокомпрессионным, вакуумным и даже просто контактным формованием, если размеры изделия выходят за пределы стандартного перерабатывающего оборудования.

Однако тот же масштабный фактор при выбранном способе формования может влиять и на другие составляющие ТП. Так, при увеличении толщины все той же панели при постоянных условиях формования, например, прессования, по сечению изделия наблюдается изменение механических свойств. Такая закономерность является следствием ряда причин – градиента температур, обусловливающих скорость отверждения или кристаллизации в зависимости от природы ПМ, градиента скоростей течения расплава ПМ при заполнении формующего инструмента, изменения условий для удаления летучих продуктов, возникновения различных остаточных напряжений и др. Пример такого влияния представлен в таблице 1.4, где приведены результаты испытания стеклопластиковых образцов (15 x 120 мм) с различными толщинами.

Таблица 1.4.

Зависимость прочности панелей из стекловолокнита АГ-4в, отпрессованных при стандартных режимах, от толщины.

Толщина образца, мм
Прочность при разрыве, МПа	35,0	47,5	46,0	44,0	41,0	40,0

Пониженный показатель прочности при толщине панели 5 мм обусловлен, прежде всего, влиянием неравномерности распределения стекловолокон в тонком слое ПМ. С точки зрения механики разрушения армированных пластиков это обстоятельство способствует ускоренному развитию магистральных трещин даже при невысоких нагрузках. По мере увеличения толщины панели до 10 мм схема армирования становится более равномерной, но одновременно нарастают отрицательные последствия реакции поликонденсации при отверждении ПМ (см. выше) и повышение прочности при дальнейшем утолщении прессуемых панелей сначала замедляется, а затем прекращается, сменяясь падением прочности почти до начальных показателей.

Схожие проявления масштабного фактора характерны почти для любого способа переработки ПМ, поэтому их необходимо учитывать еще при проектировании ТП, либо корректируя режимы формования, либо предусматривая в составе ТП некоторые дополнительные ТО. В частности, в рассмотренном выше примере изменение режимов прессования может проявиться в виде предварительного нагрева ПМ, подпрессовки, повышения давления, снижения скорости охлаждения и температуры извлечения готового изделия. Эти меры, способствуя равномерности отверждения ПМ по сечению изделия и снижению уровня остаточных напряжений, предопределяют соответствующее повышение прочности и других механических свойств.

Аналогичный эффект может быть достигнут и введением в состав ТП операций термообработки готовых изделий или дополнительных ТО прессования отдельных послойных элементов, например, толщиной по 10 мм с последующей монолитизацией их (склеиванием или сваркой) для достижения заданной толщины изделия. Последняя модификация ТП по существу меняет характер производства, преобразуя ТП формования изделия в ТП сборки элементов конструкции изделия как сборочного узла. Примеры такого рода, обусловленные влиянием масштабного фактора, встречаются достаточно часто. Так, когда экструзионное или пултрузионное производство труб становится невозможным из-за отсутствия оборудования для формования крупногабаритных типоразмеров, на помощь приходят ТП, основанные либо на сочетании гибки термопластичных листовых заготовок и последующей продольно-поперечной сварки трубчатых фрагментов по стыковочным швам, либо на намотке лент из тех же термопластов или препрегов армированных пластиков с последующей монолитизацией полученных заготовок одном из известным методов формования.

Не менее наглядным примером может служить изменение сути ТП изготовления профилей типа тавров, швеллеров и др., предназначаемых для использования в качестве ребер жесткости в конструкциях различных машиностроительных изделий. Как и трубы с небольшими площадями поперечного сечения эти погонажные изделия формуют экструзией или пултрузией ПМ, но крупноразмерные виды профилей, типичные, например, для судо- и авиастроения, приходится изготавливать по технологии производства интегральных конструкций, предусматривающей в составе ТП такие ТО, как сборка заготовок из заранее отформованных элеменов конструкции, склеивание или сварка (иногда совместное отверждение этих элементов в заготовке), а также заполнение межэлементных полостей конструкции пено- или сотопластам (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Примеры ребер жесткости, изготавливаемых по технологии производства интегральных конструкций.

1.2.2.3. Влияние технических требований к качеству изделия

Задача по обеспечению эксплуатационных характеристик изделия, заданных соответственно его назначению, сводится к поиску технологических решений для соответствующего изменения свойств ПМ в изделии. Объективная необходимость решения задачи именно таким путем обусловлена тем, что в отличии от металлов, выбираемых для изготовления изделия в готовом виде, ПМ с необходимым комплексом свойств изготавливаются одновременно с изделиями в одном процессе формования. Иными словами, переработка ПМ не означает только придание им формы в соответствии с рабочим чертежом изделия, но и преследует цель обеспечить номенклатуру и уровень свойств, обозначенных заказчиком в технических требованиях к изделию.

Практика показывает, что вариабельность свойств различных ПМ может достигать достаточно широких пределов, меняясь под влиянием технологических условий переработки таких, например, как температура формования и скорость охлаждения, величина давления формования и усилие натяжение препрега при намотке заготовок изделий, продолжительность (скорость) реализации ТО и др. Распространенные примеры регулирования вариабельных признаков различных ПМ и, следовательно, обусловленных ими свойств, с помощью типовых технологических решений приведены в табл. 1.5.

Таблица 1.5

Типовые проектные решения ТП для достижения в изделиях заданных структурных и других признаков ПМ

Регулируемый признак ПМ	Технологические возможности изменения ПМ
Подбором режимов выполнения ТО	Введением в состав ТП дополнительных ТО
Кристаллическая фаза (по виду и объему)	Температура и время охлаждения расплава ПМ	Операция термообработки готового изделия
Ориентационная структура макромолекул	- степень вытяжки; - скорость литья	Вытяжка изделия в эластическом состоянии
Степень монолитности (пористости) ПМ	- повышение давления; - подпрессовки; - вакуумирование	- дегазация изделия; - дополнительная пропитка связующим
Схема армирования	- точность укладки волокон; - скорость намотки; - натяжение волокон; - прецизионная намотка	Изготовление препрегов и тканых полуфабрикатов методами волоконной технологии
Остаточные напряжения	- удаление летучих; - снижение температуры переработки; -режим охлаждения в форме	- открытая выдержка готовых изделий; - термообработка

Технологическое варьирование уровня механических свойств кристаллизующихся термопластичных ПМ широко применяется в производстве различных изделий, прежде всего, конструкционного назначения. Подбирая температурно-временной режим формования или последующего отжига готового изделия достигают необходимого показателя заданного эксплуатационного свойства, причем диапазон изменений может измеряться порядком и более (табл. 1.6).

Таблица 1.6

Зависимость модуля упругости при изгибе (Еи) и ударной вязкости с надрезом (Ак) от степени кристалличности (Vк) полиэтилена

Vк, %
Еи, МПа
Ак, кДж/м²	Св. 1000

Еще больший диапазон изменений механических и ряда других технических свойств ПМ на основе линейных полимеров достигается варьированием ориентационной структуры полимеров. При этом корректируют ТП, исходя из того, что увеличение, например, прочности ориентируемых ПМ обусловливается действием трех факторов:

- переходом от разрушения полимеров по межмолекулярным ван-дер-ваальсовым связям к разрушению ковалентных связей в самих макромолекулах;

- выравниванием и залечиванием неоднородностей в процессе ориентационной вытяжки;

- возникновением анизотропии упругих свойств, что может затруднять прорастание трещин поперек направления макромолекулярной ориентации, так как вдоль ориентации полимер приобретает наибольший модуль упругости.

Известно, что в наиболее полной мере технологические возможности улучшать свойства ПМ макромолекулярной ориентацией реализуются при их переработке в синтетические волокна (СВ). Не случайно многие из них в дальнейшем используются для усиления (армирования) других ПМ. Достигаемые показатели прочности и модуля упругости СВ, как правило, в 50 – 100 и в 10 – 40 раз (иногда свыше 1000 раз) превышают соответствующие характеристики литых образцов из тех же ПМ (табл. 1.7).

Таблица 1.7

Сравнительные показатели механических свойств при разрыве термопластов в неориентированном и высокоориентированном состоянии

Термопласт	П р о ч н о с т ь, МПа	Модуль упругости, ГПа
Литой образец	СВ	Литой образец	СВ
Полиэтилен Полипропилен Поликапроамид	22 – 23 25 – 40		0,65 – 0,75 0,67 – 1,19 1,5	100 – 140 4,5 – 5,0 5,6

Вместе с тем, возможности достигать заданных уровней механических свойств ПМ необходимо корректировать с учетом объема технологической пористости, возникающей при переработке ПМ в изделия. Например, при формовании изделий из армированных пластиков пористость может достигать 10% и более, что влечет за собой неравномерное перераспределение напряжений от внешнего нагружения, потерю устойчивости армирующих волокон, образование концентраторов напряжений и поэтому ускоренное прорастание трещин в местах скопления пор. В результате снижение прочности при разрыве происходит согласно расчетам по формуле:

Gп = Gо (1- Vп),

где Gп, Gо – прочность ПМ в пористом и беспористом состоянии;

Vп -- относительное объемное содержание пор.

Следовательно, проблема монолитизации конструкционных ПМ должна постоянно остается актуальной технологической задачей, первоначально решаемой при разработке ТП изготовления заданного объекта производства.

Для изделий, формуемых из армированных пластиков не менее важное значение имеет точность реализации расчетной схемы армирования. Технологические возможности для этого зависят от метода и технических средств формирования заготовки изделия (выкладки, намотки, пултрузии, напыления). Значение прецизионной укладки армирующих волокон можно проиллюстрировать на диаграмме изменения прочности ортотропных армированных пластиков при отклонении от осей анизотропии свойств (рис. 1.5). На примере, обозначенном штриховой линией, видно, что ошибка при укладке армирующих волокон всего на 5 градусов предопределила бы потерю прочности изделия из стеклопластика в среднем на 20%, а из углепластика на 35%.

Рис. 1.5. Диаграмма распределения прочности при растяжении по схеме (а) образцов (б)

ортотропно армированных (1:1) пластиков: 1- стеклопластика; 2- углепластика.

Наконец, при переработке в изделия практически любых типов ПМ приходится сталкиваться с проблемой остаточных напряжений, под которыми понимают напряжения (механического, термического, усадочного, диффузионного и иного происхождения), взаимно уравновешенные и остающиеся в объеме изделия после воздействия соответствующих факторов, проявляющихся на различных этапах ТП изготовления изделия. При выборе наиболее эффективного способа регулирования остаточных напряжений исходят из того, что они проявляются как результат превышения в отдельных частях объема изделия предела текучести ПМ, обусловливая возникновение необратимых при нормальных температурах пластических и эластических деформаций, а также вследствие неоднородного структурирования (отверждения, кристаллизации) отдельных микрообъемов ПМ, приобретающих в результате различные термоупругие свойства. Самопроизвольно достигаемые уровни остаточных напряжений, например /3/, в композиционных ПМ могут превышать величину разрушающего напряжения матриц (рис.1.6).

Рис. 1.6. Изменение уровня напряжений в смоляной пленке в процессе отверждения и последующего охлаждения на поверхности стекла: 1 – фенолоформальдегидная смола;

2 – фенолоформальдегидобутварная смола; 3 – эпоксидная смола, отвержденная триэтаноламинотитанатом (ЭДТ – 10).

Наличие остаточных растягивающих напряжений является одной из основных причин разрушения изделий. При этом возникновение и развитие трещин происходит как при приложении внешних нагрузок, так и вследствие действия самих остаточных напряжений. В таких случаях для регулирования остаточных напряжений после анализа их характера и распределения могут применяться те или иные возможности, предусмотренные в таблице 1.6.

Наиболее успешно добиваться релаксации остаточных напряжений, реализуя заданный уровень физико-механических свойств изделий удается при переработке термопластичных ПМ. Для этого необходим подбор оптимального температурно-временного режима воздействия на готовые изделия. Например, при быстром охлаждении, то есть при закалке (от температур выше Тс до температур ниже Тс), возникают максимальные остаточные напряжения, поскольку ПМ не успевает релаксировать даже при сохраняющемся избыточном свободном объеме. Зато другой вид термообработки – отжиг (выдержка длительное время при температуре Т ≈ Тс, а затем медленное охлаждение) приводит к значительной релаксации остаточных напряжений и исчезновению избыточного свободного объема.

* * *

Подводя общий итог рассмотрению основных закономерностей влияния конструктивно-технологической специфики изделий из ПМ на проектирование ТП, следует подчеркнуть, что многообразие постоянно меняющихся и обновляющихся факторов в данной области инженерно-технологической деятельности позволяет постоянно изыскивать резервы повышения качества выпускаемой продукции не только при разработке новых (более совершенных) ТП, но и при совершенствовании действующих на производстве ТП.

1.2.3. Проектная зависимость ТП от типа производства

В современной промышленности согласно ГОСТ 14.004—83 различают три типа производства: массовое, серийное и единичное. Существуют качественные и количественные отличительные признаки этих производств. Примером качественного признака может служить степень проработки ТП на стадии проектирования. Объективно это предопределено масштабом производства, от которого зависят относительные размеры экономических затрат на технологическую подготовку и последующие расходы на компенсацию потерь из-за возможного брака выпускаемой продукции.

Примером количественного признака является коэффициент закрепления операций (Кзо) на рабочих местах ТП, который представляет собой отношение числа всех различных технологических операций О, выполненных или подлежащих выполнению в течение месяца, к числу рабочих мест Р:

Кзо = О / Р.

Кзо считается одной из основных характеристик типа производства, зависящей от характера технического оснащения и функциональной организации технологических операций.

1.2.3.1. Особенности проектирования и организации ТП в условиях массового производства

Массовое производство характеризуется большим объемом выпуска изделий, непрерывно изготавливаемых или ремонтируемых продолжительное время, в течение которого на большинстве рабочих мест выполняется одна рабочая операция. Иными словами, в соответствии с ГОСТ 3.1108—74 для массового производства Кзо = 1.

Продукция из ПМ массового производства – это изделия узкой номенклатуры стандартного типа, находящие широкий рынок сбыта, например, синтетические волокна, пленки, панели, одноразовая посуда, трубы, электропроводниковая изоляция и др. Особенностями организации производства этих видов продукции является следующее:

· выполнение каждой ТО осуществляется на специализированных средствах технического оснащения (СТО) и на предварительно настроенном оборудовании, которое не переналаживается для выполнения других операций;

· в условиях массового производства особенно выгодны автоматизация и роботизация выполнения ТО;

· размещение оборудования осуществляется по ходу ТП, предусмотренному проектом, когда в одну непрерывную автоматизированную линию могут быть выстроены, например, экструдер, раздувное устройство, полиграфическая установка, сварочный аппарат, вырубное (отрезное) устройство, укладчик готовой продукции, то есть самые разнородные виды оборудования, как это имеет место при изготовлении бытовых и технических пакетов-сумок (рис. 1.7);

Рис. 1.7. Схема автоматизированной линии производства пакетов-сумок из пленочных ПМ

1- автоматический загрузчик гранулята; 2- экструдер; 3- формующая головка с каналом для подачи сжатого воздуха (раздувное устройство); 4- система охлаждения; 5- экструдат-рукав из ПМ; 6- складывающее устройство; 7- приемно-тянущее устройство; 8- рукавная заготовка из ПМ; 9- комплексный пульт управления; 10- направляющий ролик; 11- полиграфическая установка; 12- сварочный аппарат; 13- тянущее устройство; 14- установка для резки; 15- укладчик готовой продукции; 16- транспортирующее устройство.

* квалификация операторов на автоматизированных ТО, как правило, низкая, в. то время как квалификация наладчиков, от которых зависит качественная и. бесперебойная работа сложных современных СТО, должна быть высокой.

Особенности выполнения проекта ТП – основы технологической подготовки массового производства проявляются в тщательной проработке и синхронизации выполнения всех ТО. Важность проработки каждого элемента ТО – залог минимизации брака, максимально возможной экономии материально-технических ресурсов и высокого качества продукции при оптимальных технико-экономических показателях производства. Синхронизация выполнения ТО особенно необходима в условиях поточной организации массового производства.

Поточное производство характеризуется заданным интервалом выпуска изделий. Интервал времени, через который периодически производят выпуск изделий или заготовок определенных наименований, типоразмера и исполнения, называют тактом выпуска tд:

tд = 60 Фд / N,

где Фд – действительный фонд времени в планируемом периоде (год, месяц, сутки, смена), ч; N – объем выпуска за выбранный период, шт.

Действительный фонд времени работы оборудования учитывает потери времени на ремонт оборудования и, следовательно, отличается от номинального (календарного) фонда рабочего времени, которое в годовом измерении при работе в одну смену составляет 2 070 ч, в две смены – 4 140 ч и в три смены 6 210 ч. При этом действительный годовой фонд времени работы оборудования при аналогичной сменности составляет 2 030, 4 015 и 5 965 ч соответственно. Однако, для рабочих при номинальном фонде времени 2 070 ч действительный годовой фонд составляет всего 1 860 ч (при 15-дневном отпуске).

В общем случае условием организации потока является кратность (К) штучного времени выполнения каждой i-й ТО () такту выпуска:

K= /tд

Необходимой кратности (К=1, 2, 3…) на практике добиваются обычно выделением в общем потоке синхронизируемых ТО и дублированием их рабочих мест пропорционально величине К.

1.2.3.2. Особенности проектирования и организации ТП в условиях серийного производства

Серийное производство характеризуется изготовлением или ремонтом изделий периодически повторяющимися партиями, то есть группами объектов труда (заготовок, полуфабрикатов, изделий) одного наименования и типоразмера, запускаемых в производство, обработку или ремонт одновременно (или непрерывно) в течение определенного интервала времени.

Типичным примером серийного производства изделий из ПМ может служить изготовление емкостей выдуванием преформ из полиэтилентерефталата (ПЭТ-емкостей), схема которого изображена на рис. 1.8. Размеры производственных партий зависят в первую очередь от заказов потребителей ПЭТ-емкостей. Например, в настоящее время в общем объеме производства данного вида продукции доля ПЭТ-бутылок для безалкагольных напитков составляет 63%, для минеральной и питьевой воды – 21%, для растительного масла – 8% и столько же на остальные жидкие продукты питания. При этом ПЭТ-бутылки одинакового назначения имеют разнообразие по объемам, форме и цвету. Все это влияет на размеры периодически повторяющихся партий выпускаемых изделий и, следовательно, определяет периодичность переналадки оборудования.

Данному типу производства принадлежит наибольший объем выпускаемой продукции, например, на серийных машиностроительных предприятиях в настоящее время выпускается 75 – 80 % всех машиностроительных изделий страны. В зависимости от количества изделий в производственной партии (или серии) и величины Кзо различают крупносерийное (1≤ Кзо ≤10), среднесерийное (10< Кзо ≤20) и мелкосерийное (20< Кзо ≤40) производства.

Рис. 1.8. Принципиальная схема формования ПЭТ- бутылок из преформ /4/.

Крупносерийное производство, наряду со специфическими особенностями проектирования и организации ТП, может иметь черты, схожие с массовым типом производства. Так, наряду с использованием универсальных СТО (оборудования, оснастки и др.), переналаживаемых в пределах их технологических возможностей при смене объектов производства, рабочие места нередко оснащаются специализированными и специальными видами СТО с широким применением автоматизации. Оборудование располагают по изготовляемым объектам труда и в ряде случаев в соответствии с выполняемым ТП. Однако в отличии от массового производства количество непрерывно выпускаемой продукции (размер производственной партии) обычно составляет всего несколько сотен изделий.

Среднесерийное производство, именуемое обычно просто серийным, в наиболее полной мере соответствует характерным признакам производства данного типа:

· применяют специализированные и универсальные СТО;

· оборудование располагают по технологическим группам с учетом направления основных грузопотоков цеха по предметно-замкнутым участкам;

· за каждой единицей оборудования закрепляют несколько ТО, для выполнения которых требуется переналадка оборудования;

· размер производственной партии – от нескольких десятков до сотен изделий.

Мелкосерийное производство по своей организации приближается к единичному производству, поскольку размеры производственных партий не превышают обычно нескольких единиц. Преимущественно применяют универсальные СТО. Оборудование располагают по типам (участок прессов, участок литьевых машин и т.д.). Оборудование специально не настраивают для выполнения каждой ТО.

Для мелкосерийного производства характерна организация работы непоточным методом. При этом методе не проводят строгого закрепления ТО за конкретными рабочими местами, длительность ТО не синхронизируют по такту выпуска, на рабочих местах создают заделы заготовок, необходимые для их бесперебойной загрузки. При непоточном методе работы стремятся на каждом рабочем месте осуществить максимальное воздействие на предмет труда, уменьшить число ТО в составе ТП, строить ТО с концентрацией технологических переходов. Степень концентрации возрастает по мере уменьшения обьема выпуска продукции.

* * *

Подход к проектированию ТП в условиях серийного производства является общим признаком всех его разновидностей. Основное внимание обращают на тщательную проработку каждой отдельной ТО (пооперационное проектирование). Время выполнения отдельных ТО не согласуют, но при переменно-поточной форме организации ТП согласование работы смежного оборудования необходимо.

Переменно-поточный метод, представляющий собой модификацию поточного метода, учитывает специфику серийного производства, в котором организовать непрерывный поток изготавливаемых изделий часто невозможно из-за недостаточной загрузки оборудования в условиях небольших объемов выпуска. За каждым рабочим местом линии (участка) закрепляют по несколько ТО при изготовлении технологически однотипных изделий, запускаемых в производство попеременно. В течение определенного периода времени (обычно несколько рабочих смен) на линии осуществляется, например, формирование заготовок изделий определенного типоразмера. Затем линию переналаживают для формирования заготовок другого типоразмера. Такая организация работы значительно сокращает время переналадки линии, при этом переналадку обычно осуществляют в перерыве между сменами. Располагая оборудование по ходу ТП, получают движение объектов труда от одного рабочего места к другому, хотя и прерывистое (партиями), но в принципе поточное (прямоточное). Для повышения загрузки оборудования в серийном производстве применяют многономенклатурные поточные линии (переменно-поточные, групповые, предметно-замкнутые участки линий).

1.2.3.3. Особенности проектирования и организации ТП в условиях единичного производства

Единичное производство характеризуется малым объемом выпуска одинаковых изделий, повторное изготовление и ремонт которых, как правило, не предусмотрено. Выпускаются изделия широкой номенклатуры в относительно малых количествах и часто индивидуально. Примерами единичных производств могут служить опытные участки или цеха при опытно-конструкторских бюро (ОКБ), научно-производственных объединениях (НПО), научно-исследовательских институтах (НИИ), а также различные производственные и ремонтные предприятия, опытные научно-исследовательские и учебные лаборатории, мастерские. Во всех случаях изготовление или ремонт изделий из ПМ либо совсем не повторяется, либо повторяется через определенные промежутки времени.

Предприятиям, осуществляющим единичное производство, требуется сверх универсальные СТО. Технологическое оборудование размещают по типам, а на небольших производственных площадях нередко совместно. На рабочих местах выполняют разнообразные ТО, не переналаживая оборудование. Стремление снижать себестоимость производства вынуждает экономить на трудоемкости проектирования ТП, ограничиваясь концептуальной (принципиальной) последовательности действий, главным образом, способа изготовления или ремонта изделия. Однако недостаток такого проектирования ТП приходится компенсировать высокой квалификацией исполнителей – операторов.

* * *

Таким образом, зависимость проектирования ТП от типа производства проявляется с нескольких точек зрения: в трудоемкости и достигаемом качестве проекта, в различных возможностях автоматизации, роботизации и механизации ТО, в выборе СТО и расстановки оборудования на производственных площадях, в квалификации и количестве исполнителей ТО. Если к этому добавить рассмотренные ранее материало-технологические и конструктивно-технологические факторы влияния, то становится очевидным тот факт, что стремление обеспечить требуемое качество продукции и максимальную прибыльность производству еще на стадии проектирования ТП является сложной и трудоемкой задачей. На практике это проявляется,прежде всего, в том, что выбор проектных решений на каждом этапе проектирования ТП становится многовариантным.

Как уже отмечалось, необходимость одновременно изготавливать сам ПМ в составе формуемого изделия, изменяя его состав, структуру и межфазное взаимодействие, дополнительно увеличивает сложность и трудоемкость проектирования ТП. Кроме того, специфика поведения ПМ при переработке в изделия, проявление так называемой «технологической наследственности» нередко требует на различных этапах проектирования ТП выполнения той или иной технологической научно-исследовательской работы. Последнее обстоятельство требует от проектанта ТП соответствующей теоретической и экспериментальной подготовки.