Теоретическая часть. Известно, что в инженерной деятельности существует определённый разрыв между знаниями в физике и их практическим использованием в технике

Известно, что в инженерной деятельности существует определённый разрыв между знаниями в физике и их практическим использованием в технике. Задача заключается в том, чтобы создать эффективную связь между достижениями мирового естествознания и их техническим приложением.

Данный метод базируется на методологических принципах анализа технических систем, разработанных Р. Коллером [3].

Любая техническая система (Т.С.) характеризуется наличием в ней организованных потоков энергии, вещества или информации (сигналов). По наличию этих характерных потоков все Т.С. можно разделить на 3 класса:

- машины, характеризуются потоками и преобразованием энергии;

- аппараты, характеризуются потоками и преобразованием вещества;

- приборы, характеризуются потоками и переработкой информации (сигналов).

В современных сложных Т.С. присутствуют, как правило, два или три указанных вида потока одновременно.

В Т.С. могут изменяться только свойства и состояния потоков энергии, вещества и информации.

Изменение свойства связано с изменением единицы измерения физической величины и является качественным изменением.

Изменение состояния связано с изменением числового значения (количества) физической величины и является количественным изменением.

Сложные процессы изменений в Т.С. свойств и состояний потоков можно свести к конечному числу элементарных функций или основных операций.

Все потоки или процессы преобразования энергии, вещества и информации можно свести к определённым физическим, химическим, биологическим эффектам и явлениям, которые и реализуют элементарные функции.

Под элементарной функцией понимается описание того, какая физическая величина, благодаря какому процессу (действию), в какую другую физическую величину должна быть преобразована. Описание элементарной функции содержит 3 компонента: “что”, ”как”, ”во что” преобразуется. Этим компонентам соответствуют:

действие

вход выход

В процессе преобразования “входа” в “выход” изменяется либо числовое значение физической величины (происходит количественное преобразование), либо размерность физической величины (происходит качественное преобразование).

При большом разнообразии “входов” и “выходов” элементарных функций различных Т.С., разнообразие операций (“действий”) несоизмеримо меньше.

Исключив описание элементарной функции (т. е. “входов” и “выходов”), получим основную операцию (“действие”) и наоборот, если в основной операции опишем “вход” и ”выход” в виде свойств и состояний определённых видов энергии, вещества или сигнала, то получим описание некоторой элементарной функции.

Любую Т.С. и её элементы по Коллеру можно выразить или описать через 14 пар (приложение 3) основных операций, связанных свойствами инверсии действий, т.е. они, являются противоположными друг другу.

2. Методика проведения функционально – физического анализа Т.С.

Студенту выдаётся задание по анализу и совершенствованию выбранного им технического объекта (Т.О.).

Суть работы состоит в углублённом изучении конструкции и структуры элементов Т.О., их функциональной взаимосвязи, характера передаваемых элементами Т.О. и преобразуемых в нём потоков энергии, вещества и информации (сигналов), с их описанием в виде “входов” и “выходов”. При этом необходимо понять и уточнить следующее:

- из каких элементов состоит Т.О.;

- какие функции выполняет каждый элемент Т.О.;

- в чём заключается проблемная ситуация;

- какие потоки (вещество, энергия или информация) преобразуется при функционировании каждого элемента Т.О. (описать “действие”);

- какой единицей измерения характеризуются потоки на “входе” и ”выходе” (приложение 4);

- какой основной операцией (Коллера) можно выразить “действие” (функцию) элемента Т.О. (приложение 3);

- на основе какого физико-технического эффекта (ФТЭ) реализуется функция (“действие”) каждого элемента Т.О. (дать математическое описание физико-технического эффекта);

- какими недостатками характеризуется реализуемый каждым элементом физико-технический эффект.

Все полученные данные анализа сводятся в таблицу, после чего на бальной основе осуществляется, исходя из выявленных недостатков, оценка эффективности реализуемых физико-технических эффектов по реализации функций элементов Т.О.

Конструктивный элемент(ы) Т.О., имеющие худшие оценочные показатели выбираются для дальнейшего совершенствования на основе количественных изменений параметров реализуемого физико-технического эффекта или его качественного преобразования (замена одного ФТЭ на другой из соответствующего фонда ФТЭ ([1] – приложение 3)).

3. Пример функционально – физического анализа технологической системы.

В качестве примера Т.С., для её функционально – физического анализа, выберем схему удаления припуска на операции чернового растачивания отверстия цилиндрической заготовки - Рис.1.

Рис. 1

В массовом высокопроизводительном автоматизированном производстве наиболее часто на черновых операциях используется схема резания (рис.1а), которую можно считать традиционной, когда большой неравномерный припуск удаляется за один проход, часто с разделением между несколькими резцами или по глубине, или по подаче. Эта схема имеет ряд недостатков:

- определяющее влияние сил резания на точность обработки;

- увеличенный допуск на размер обрабатываемой поверхности;

- дополнительные операции (переходы) на предварительном этапе обработки неточной заготовки.

Выявив участвующие в процессе резания элементы и определив их функции, построим граф операционно-режимной структуры (рис. 2).

Черновые резцы Е2

Ф1|| Ф2

Заготовка Е1

Ф1| Ф3

Чистовой резец Е3

Рис. 2

Результаты анализа графа операционно-режимной структуры процесса резания по схеме (рис. 1а) сведём в таблицу 1.

Таблица 1

N п/п	Название элемента и его обозначение	Функция элемента и его обозначе ние	Вход	Действие	Выход	Основная операция (Коллера)	Физико – технический эффект (ФТЭ)	Недостаток реализации ФТЭ	Оцен- ка
Элементарная ф – я
	Заготовка (Е1)	Имеет припуск, удаляемый резанием (Ф1)	ММ   КГС	Неравно мерный и большой припуск вызывает колебания сил и смещения в упругой системе	ММ   КГС	Уменьшение - увеличение; Колебание	j=Py/Y	Колебание силы из – за неравномерности припуска через упругую систему. Снижает точность обработки
	Черновые резцы (Е2)	Срезают часть припуска (Ф2)	КГС	Упруго деформируют заготовку переменными силами резания при колебании припуска	КГС	Уменьшение - увеличение; Колебание	Py=PH*sinφ PH=k*t*s	Величина силы резания зависит от главного угла в плане “φ”, а её колебание от переменной глубины резания “t”.
	Чистовой резец (E3)	КГС	КГС	Уменьшение - увеличение; Колебание	Py=PH*sinφ PH=k*t*s

Количественный анализ реализуемых при резании ФТЭ показал, что возможна альтернативная схема резания с разделением припуска между резцами и по подаче, и по глубине (рис. 1б), при этом, формообразующий (чистовой) резец работает с опережающим врезанием при постоянных и оптимальных глубине и силе резания (t и P_y – const), а черновой резец, срезая оставшуюся переменную часть припуска, не может влиять на точность обработки. Его главный угол в плане должен быть равен 90˚, а вершина, по условию наладки, зависая в предварительно прорезанной чистовым резцом торцевой канавке, не касается обработанной поверхности, что исключает:

- возникновение в процессе работы чернового резца радиальной составляющей силы резания P_y;

- влияние переменной по величине главной составляющей силы резания P_z на точность обработки.

Из анализа графа операционно-режимной структуры (рис. 3) и альтернативной схемы резания (Рис.1б) следует, что использование альтернативной схемы резания может обеспечить:

- значительное снижение влияние сил резания (P_y и P_z) через упругую систему (станок – приспособление – заготовка – инструмент) на точность операций черновой обработки;

- уменьшение допуска на размер обрабатываемой поверхности;

- сокращение числа операций (переходов) в структуре технологического процесса механообработки.

В тоже время, альтернативная схема резания (Рис.1б), не снижая производительности обработки, требует:

- дополнительного количества режущего инструмента;

- специальной настройки режущего инструмента на обработку поверхности.

Черновой резец Е2

Ф1||

Заготовка Е1

Ф1| Ф3

Чистовой резец Е3

Рис. 3

4. Содержание отчёта.

4.1 Выбор и краткое описание объекта (Т.С.) для функционально – физического анализа.

4.2 Описание проблемной ситуации.

4.3 Построение конструктивно – функциональной или операционно – режимной структуры (графа) объекта (Т.С).

4.4 Составление таблицы по итогам функционально – физического анализа графа.

4.5 Пример совершенствования Т.С. в виде эскиза, её краткое описание и построение (в случае изменения) соответствующего графа, а также оценка возможности

Контрольные вопросы.

5.1 Сущность метода функционально-физического анализа Т.С.?

5.2 Что понимается под элементарной функцией?

5.3 Что понимается под основной операцией?

5.4 На основе чего осуществляется совершенствование Т.С. после его анализа?