Комплексная оценка качества конструкций технологического оборудования

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
 
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
Е.А. ЗВЕРЕВ, Н.В. ВАХРУШЕВ 
 
 
 
 
 
КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА 
КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИЙ  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО  
ОБОРУДОВАНИЯ 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

 

УДК 621.9.06(075.8) 
         З-433 

Рецензенты: 

канд. техн. наук, доцент В.Ю. Скиба 
канд. техн. наук, доцент А.Ю. Огнев 
 
 
Работа подготовлена кафедрой проектирования 
технологических машин  
и утверждена Редакционно-издательским советом  
университета в качестве учебно-методического пособия 
 
Зверев Е.А. 
З-433  
 
Комплексная оценка качества конструкций технологического оборудования: учебно-методическое пособие / Е.А. Зверев, 
Н.В. Вахрушев. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. – 63 с. 

ISBN 978-5-7782-4281-4 

Учебно-методическое пособие посвящено оценке качества технологического оборудования. В нем представлен широкий перечень показателей качества на примере металлорежущих станков. Рассмотрены 
методики количественной оценки уровня качества. Описан комплексный подход, позволяющий производить сравнительную оценку качества различных конструктивных вариантов основных узлов металло- 
режущего оборудования. 
Адресовано студентам дневной формы, обучающимся по направлениям подготовки 15.03.05 – Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств и 15.03.04 – Автоматизация 
технологических процессов и производств, для выполнения практических занятий по дисциплинам «Расчет и конструирование станков» и 
«Технологическое оснащение отрасли». 

УДК 621.9.06(075.8) 

 
ISBN 978-5-7782-4281-4  
 
 
 
 
 
© Зверев Е.А., Вахрушев Н.В., 2020 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2020 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Качество технологического оборудования закладывается при конструировании, обеспечивается технологией изготовления и проявляется 
в полной мере только при правильной его эксплуатации. С инженерной 
точки зрения качество исследуется путем сопоставления совокупности 
свойства какого-либо изделия с аналогичным изделием, принятым за 
базу сравнения или за эталон. Различные варианты конструкций изделий сравнивают обычно на качественном уровне (например, «хорошо–
плохо», «выше–ниже», «сложнее–проще» и др.). Однако результат принимаемого в этом случае решения существенно зависит от квалификации специалиста. Количественная же оценка вариантов априори будет 
гораздо более объективной, хотя и требует повышенных затрат времени. Такая оценка выполняется при помощи так называемых показателей качества. 
В практике машиностроения при выявлении технического уровня и 
конкурентоспособности технологического оборудования, а также при 
его выборе под выполнение конкретной производственной задачи традиционно используют довольно стабильный набор показателей, наиболее актуальных для отрасли. 
Очевидно, что достоверность полученных при оценке качества результатов при прочих равных условиях будет тем выше, чем шире круг 
показателей, характеризующих каждое потребительское свойство изделий, и чем больше свойств охватывается при анализе их конструкций. 
В полной мере это удается осуществить лишь при определении качества 
образцов на уровне технологического оборудования в целом. При сравнении же альтернативных вариантов на уровне элементов конструкций 
(приводов, механизмов, соединений и деталей) из-за ограниченности 

объема имеющейся при этом информации приходится оперировать 
меньшим набором показателей. 
При разработке нового технологического оборудования приоритетность его отдельных свойств, целесообразность применения тех или 
иных показателей на разных этапах проектирования и их оптимальное 
число устанавливаются конструктором в каждом конкретном случае исходя из условий обеспечения заданных технических характеристик. 
Следует обратить внимание на следующие обстоятельства, которые 
необходимо учитывать при анализе и оценке качества конструкций. 
Во-первых, многие потребительские свойства изделий настолько тесно 
переплетены, что изменение какого-либо из них, как правило, неизбежно влечет за собой изменение одного или нескольких других, поэтому вычленение одного свойства в отрыве от остальных, осуществляемое при сопоставлении вариантов инженерных решений, представляется по сути искусственным. Во-вторых, формирование требуемого 
комплекса потребительских свойств изделий фактически предопределяет и соответствующий объем трудовых и материальных затрат. Поэтому в машиностроении показатели качества часто называют техникоэкономическими. 
Таким образом, современному специалисту очень важно получить 
практические навыки в оценке качества конструкций технологического 
оборудования, проводимой на основе анализа альтернативных вариантов инженерных решений по ряду технико-экономических показателей 
с целью выбора наиболее рационального. 
Настоящее учебно-методическое пособие предназначено для студентов механико-технологического факультета, обучающихся по 
направлениям 15.03.05 – Конструкторско-технологическое обеспечение 
машиностроительных производств и 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств», для выполнения практических 
занятий по дисциплинам «Расчет и конструирование станков» и «Технологическое оснащение отрасли». 
 
 
 
 
 

 

1. СИСТЕМА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА 

Для оценки качества технологического оборудования могут использоваться различные показатели, определяющие, в какой степени изделие соответствует тому или иному критерию. Оценка оборудования 
представляет собой сложную задачу, поскольку показатели бывают интегральными (комплексными, обобщенными) и дифференциальными 
(частными, единичными), основными и вспомогательными, размерными и безразмерными, постоянными и переменными, количественными и качественными, зависимыми и независимыми. 

 

Рис. 1. Система показателей качества 

Показатели качества оборудования подразделяются на три группы: 
функциональные, эксплуатационные и технические. Каждая из групп 
содержит различные интегральные и дифференциальные показатели 
(рис. 1). 

1.1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА 

Эффективность 

Эффективность – комплексный (интегральный) показатель качества, который определяет, в какой мере реализуется главное назначение 
оборудования – обеспечить обработку с меньшими затратами при требуемой производительности [16]. 
Эффективность вычисляется по следующей формуле: 

 

пр
Э
,
З
N

 
(1) 

где N – годовой выпуск деталей; 
пр
З
 – приведенные затраты. 

Подбирать существующее и проектировать новое оборудование следует по максимальному значению данного показателя. Поскольку годовая программа выпуска продукции обычно задана, указанное условие 
трансформируется в стремление свести к минимуму приведенные затраты. Именно последнее на практике принято считать основным критерием сравнительной эффективности альтернативных вариантов: оборудование с меньшим уровнем приведенных затрат является более совершенным. 
Таким образом, при проектировании оборудования следует стремиться к максимальной эффективности, поэтому показатель Э надо использовать как целевую функцию Э
max

. При заданной годовой программе выпуска деталей это условие сводится к 
пр
З
min

. 

Интегральный показатель эффективности определяется тремя дифференциальными показателями: техническим уровнем, производительностью и экономичностью. 

Технический уровень 
Технический уровень станка представляет собой совокупность размерных, скоростных, силовых и энергетических характеристик, а также 

уровня автоматизации. Размерной характеристикой, например, для токарных станков служит диаметр обработки над станиной. Скоростной 
характеристикой является частота вращения: 

 
1000V
n
d


, 
(2) 

где d – диаметр заготовки по обрабатываемой поверхности при точении 
и диаметр фрезы или сверла при фрезеровании или сверлении. 
Силовой характеристикой служит мощность, а энергетической – момент. Мощность определяется по следующей формуле [33]: 

 
60 1020

zP V
N 

, 
(3) 

где 
zP  – главная составляющая силы резания.  
Все характеристики станка взаимосвязаны. Технические характеристики закладываются на этапе проектирования оборудования и являются постоянными [22]. Покупатель выбирает для себя оборудование, например, с необходимой мощностью, частотой вращения в зависимости от целей и задач, которые должен выполнять тот или иной 
станок [15]. 
Автоматическое управление включает в себя комплекс технических средств и методов по управлению объектами без участия человека: включение и отключение оборудования, обеспечение его безаварийной работы, соблюдение оптимальных параметров технологических процессов и т. п. [19]. Разновидностью автоматического управления является автоматическое регулирование, под которым понимают 
процесс автоматического поддержания какого-либо параметра на заданном уровне или изменение его по определенным зависимостям от 
других параметров. 
Уровень автоматизации, характеризующий использование станка по 
времени, определяется по следующей формуле: 

 
А
о
в
/
T
T


, 
(4) 

где 
о
T  – машинное время; в
T  – вспомогательное время. 

По полноте автоматизации различают: частичную автоматизацию, 
когда автоматизированы лишь отдельные процессы (например, автоматизирован пуск электродвигателя, но после пуска процесс протекает при 
ручном управлении); комплексную автоматизацию, когда автоматизированы все технологические процессы, но оператор осуществляет 
настройку режимов работы системы управления и оборудования, согласованность действий между процессами и т. п.; полную автоматизацию, когда технологический процесс протекает без участия человека. 
В таких системах все операции выполняет система управления. Примером является работа заводов-автоматов. 

Производительность 
Производительность – это способность обеспечивать обработку 
определенного числа деталей в единицу времени. В зависимости от 
цели исследований на практике оперируют такими понятиями производительности, как штучная, технологическая, формообразования и 
резания. 
Штучная характеризуется величиной, обратной полному времени 
цикла обработки одной детали. Пренебрегая малыми потерями на выполнение подготовительно-заключительных операций, можно записать: 

 
шт
шт
о
в
шт

1 ;     
,
T
T
T
T




 
(5) 

где шт
T
– штучное время; 
о
T  – основное, или технологическое, время на 
осуществление процесса резания; в
T  – время на все виды вспомогательных операций, не совмещенных с процессом снятия стружки. 
Преобразуя выражение (5) путем умножения и деления на 
о
T , получаем: 

 
о
шт
о
А
о
о
в

1
П
,
Т
T Т
Т





 
(6) 

где 
о
П  – производительность по основному (технологическому) времени. 

В идеале, если процесс резания протекает непрерывно и дополнительное время на вспомогательные работы не затрачивается, штучная 
производительность совпадает с понятием технологической [25]: 

 
т
о

1
П
.
Т

 
(7) 

Из анализа формулы (6) следует, что для повышения штучной производительности необходимо стремиться к росту 
о
П  и 
А
 . Однако при 
уменьшении только 
о
T  значение 
А
  падает. Поэтому можно сделать 
вывод, что для роста 
шт

 целесообразно сокращать 
в
T  в большей степени, чем 
о
T . 
Рассмотренные показатели производительности на практике используют при сравнительной оценке возможностей одинаковых по 
функциональному назначению станков. 
Следующие два показателя применяют при оценке различного по 
характеру оборудования или разных методов размерной обработки материалов. 
Производительность формообразования измеряют площадью поверхности деталей, обработанной на станке в единицу времени: 

 
о
ф
р
шт
П
Т
V L Т

, 
 (8) 

где 
р
V  и L – соответственно скорость резания и полный путь перемеще
ния инструмента по образующей линии на обрабатываемой поверхности детали. 
Производительность резания 
р
П  определяют объемом материала, 

снятого с заготовки в единицу времени. В качестве примера в табл. 1 
приведены отдельные сравнительные данные. Производительность и 
энергозатраты существенным образом зависят от способа обработки. 
Анализ выражений (5) и существа приведенных показателей позволяет установить основные резервы повышения производительности: 
увеличение технологической производительности за счет роста интенсивности съема припуска с поверхности заготовки; сокращение всех  

составляющих вспомогательного времени; совмещение по времени основных и вспомогательных операций и внедрение непрерывных методов обработки. 

Т а б л и ц а  1 

№ п/п 
Вид обработки 
Пр, см3/мин 
N, кВт 

1 
Точение 
1500 
0,06 

2 
Шлифование 
800 
0,6 

3 
Электроискровая 
15 
1,0 

4 
Электрохимическая 
15 
10,0 

5 
Ультразвуковая 
1,0 
25,0 

6 
Лазерная 
0,01 
4000,0 

Эти возможности на практике реализуются благодаря рациональному проектированию коробок скоростей и подач, а также систем 
управления; применению прогрессивных методов и способов обработки, в том числе многоинструментальных и многолезвийных; автоматизации вспомогательных перемещений рабочих органов и всего цикла 
обработки на станке и другим приемам [17]. 
При анализе конструкции приводов станка о производительности 
оборудования можно судить лишь косвенно по таким параметрам, как 
мощность электродвигателя, диапазон регулирования скорости исполнительного органа, способ и дискретность управления скоростью, степень автоматизации настройки требуемой скорости и смены инструмента т. п. 

Экономичность 
Оценку экономичности новой техники по сравнению с существующей проводят по разности приведенных затрат: 

 
пр
пр1
пр2
З
З
З



. 
(9) 

В свою очередь приведенные затраты складываются из следующих 
компонентов: 

 
пр
H
З
К
i
С
E



, 
(10)