Организация цифровой платформы контроллина инженерного бизнеса на основе технологии лезвийной обработки металла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

технологический лезвийный обработка

Введение

1. Теоретические аспекты проекта по организации цифровой платформы контроллина инженерного бизнеса на основе технологии лезвийной обработки металла

1.1 Формирование понятийного аппарата работы

1.2 Цифровая платформа инженерного бизнеса

1.3 Структура операционных затрат производственно-технологической системы

2. Производство на базе лезвийной обработки

2.1 Подшипник качения

2.2 Производство колец подшипника

2.3 Смазочно-охлаждающая жидкость

2.4 Виды и характеристики смазочно-охлаждающей жидкости

2.5 Основные отличия смазочно-охлаждающей жидкости на водной основе от масляных

2.6 Проблемы утилизации смазочно-охлаждающей жидкости

3. Разработка цифровой платформы контроллинга инженерного бизнеса по производству колец подшипника без смазочно-охлаждающей жидкости

3.1 Разработка цифровой платформы контроллинга инженерного бизнеса

3.2 «Сухая» обработка металлов

3.3 Экономическая эффективность проекта

Заключение

Список использованных источников

Приложения



Введение

Лезвийная обработка является универсальным методом размерной обработки. Метод позволяет обрабатывать поверхности деталей различной формы и размеров с высокой точностью из наиболее используемых конструкционных материалов. Он обладает малой энергоемкостью и высокой производительностью. Вследствие этого обработка резанием является основным, наиболее используемым в промышленности процессом размерной обработки деталей.

Технология лезвийной обработки металла позволяет осуществлять такие виды обработки как отрезание, вырезание, разрезание, снятие фаски, нарезание резьбы и зубцов, закругление зубцов. Для осуществления всех этих механических действий используются самые разнообразные станки, инструменты и аппараты.

Лезвийная обработка - это технология, обладающая некоторыми недостатками в плане коэффициента использования материала.

Актуальность выпускной квалификационной работы определяется тем, что производственная система должна обеспечивать доход, в связи с этим важно управлять операционным циклом конверсии производственного капитала в денежный капитал.

Одной из главных целей производства является увеличение доли добавленной стоимости в объеме реализованной продукции посредством снижения технологических затрат с помощью извлечения из технологии смазочно-охлаждающей жидкости.

Целью работы является, исследовать операционный цикл конверсии на основе лезвийной обработки металла производственного капитала в денежный капитал.

Задачи выпускной квалификационной работы:

Сформировать понятийный аппарат выпускной квалификационной работы.

Изучить теоретические аспекты цифровой платформы инженерного бизнеса.

Изучить применение смазочно-охлаждающей жидкости при токарной обработке.

Изучить «сухую» обработку металлов.

Провести сравнительную характеристику.

Объект исследования: цифровая платформа контроллинга инженерного бизнеса. Предмет исследования: производственно-технологическая система использования СОЖ при токарной обработке металла.

Теоретической базой выпускной квалификационной работы послужили труды отечественных ученых, среди которых: учебные пособия профессора кафедры управления инновациями и организации производства Вологодского государственного университета Шичкова А.Н., а также использовались труды профессора И.Л. Туккеля и профессора Д.И. Кокурина.

В первой главе выпускной квалификационной работы рассмотрены теоретические аспекты управления инновационными проектами: сформулированы такие понятия как: «инновация», «инновационный проект», «производственно-технологическая система», «инженерный бизнес». Представлены: векторная эпюра равновесного замкнутого операционного цикла конверсии производственного капитала в денежный капитал в форме произведенной и реализованной продукции и графическая интерпретация структуры операционных затрат в ПТС.

Во второй главе рассмотрено производство колец подшипника, так же рассмотрена смазочно-охлаждающая жидкость, ее виды, характеристики, проблемы утилизации.

В третьей главе рассмотрена «сухая» обработка металлов, т.е. без применения смазочно-охлаждающей жидкости, выявлены основные преимущества применения данной технологии. Представлена экономическая эффективность проекта, вследствие которой видно, что исключение смазочно-охлаждающей жидкости из производственно-технологической системы экономически целесообразно, т.к. с ее исключением значительно снижаются технологические затраты.

В заключении выпускной квалификационной работы сделан вывод о проделанной работе с точки зрения поставленных задач.

Приложения включают справочные и дополнительные материалы к рассматриваемой работе.



1. Теоретические аспекты проекта по организации цифровой платформы контроллинга инженерного бизнеса на основе технологии лезвийной обработки металла

1.1 Формирование понятийного аппарата работы

По федеральному закону от 23.08.1996 № 127-ФЗ «О науке и (или) государственной научно-технической политике»: «Инновации - это введенный в употребление новый или значительно улучшенный продукт (товар, услуга) или процесс, новый метод продаж или новый организационный метод в деловой практике, организация рабочих мест или во внешних связях».

Согласно концепции профессора Шичкова А.А., инновация - результат инновационной деятельности, реализованной в форме усовершенствованного продукта, услуги или технологии, иными словами, коммерциализация идеи, генерирующей доход. [1]

Туккель И.Л. под «инновацией» понимает введение в употребление какого-либо нового или значительного улучшаемого продукта (товара или услуги) или процесса, нового метода маркетинга или нового организационного метода в деловой практике, в организации рабочих мест и внешних связях. [2]

Инновации необходимы для того, чтобы предприятия имели возможность находиться в бизнесе, получать преимущество в конкурентной борьбе, повышая качество продукции (услуг) при неизменной рыночной стоимости. [3]

Существует 3 типа инноваций:

Под продуктовой инновацией понимается новый или усовершенствованный продукт, который имеет потребительские свойства или рыночную стоимость, что в итоге приносит доход для предприятия. Продуктовые инновации являются основным видом новшеств, которые увеличивают объём реализации продукции. Поэтому при их разработке стоит необходимость выбора таких инноваций, которые будут приемлемыми в определенных условиях функционирования предприятия, конкурентоспособности, положения на рынке, ресурсоемкости.

Технологическая инновация представляет собой совершенствование технологии производства, освоение нового технологического процесса и другие изменения, которые определяют научно-технический прогресс и затрагивают методы и средства организации производства и технологии производства. Эти инновации направлены на применение и получение новых практических и теоретических знаний для решения технологических, инженерных задач в области обеспечения функционирования техники и производства в организации как единой системе. Так же направлены на уменьшение материалоемкости за счет освоения новых технологических процессов; уменьшение конструктивно-технологической сложности выпускаемых изделий за счёт конструктивных новшеств.

Аллокационные инновации, в свою очередь, направлены на повышение эффективности управления ПТС, что влияет на конкурентоспособность предприятия. Аллокационные инновации являются самостоятельными новшествами и должны лишь служить целям более эффективного проведения инвестиционных проектов по реализации тех инноваций, которые способны (за счет снижения затрат на единицу продукции и увеличения продаж) принести предприятию дополнительный доход. Так же аллокационные инновации являются одними достаточно дорогостоящими, медленно окупающимися и сложными в реализации. Они представляют собой стратегические инновации, от которых допустимо ожидать как высокого и продолжительного эффекта, так и радикального всеохватывающего провала. Аллокационные инновации считаются очень капиталоемкими [1].

По классу инновации делятся на:

- модифицирующие - вносят незначительные улучшения в область конечного продукта, процессов, процедур, циклов;

- улучшающие - обеспечивают значительные улучшения и преимущества, но не базируются на применении принципиально новых технологий, подходов и т.п.;

- прорывные - базируются на принципиально новых технологиях (производственных, организационных, маркетинговых и др.) и позволяют выполнять ранее недоступные функции или известные функции с новым качеством;

- интегрирующие - используют комбинацию первых трех классов инноваций для создания товаро- и (или) услугообразующих систем. [1]

Любая инновация реализуется через инновационный проект и определяется потребностями рынка.

Инновационный проект - синергетический эффект роста ВРП, налоговой доходности муниципального бюджета, сохранения или увеличения рабочих мест, повышения стоимости бизнеса на фондовом рынке, за счет освоения инноваций.

С точки зрения Шичкова А. Н., инновационный проект определяет интеллектуальная составляющая, обеспечивающая необходимую чистую прибыль, а также рыночную добавленную стоимость на каждом технологическом переделе, базируясь на основе управленческого учета [1].

Инновационные проект можно рассматривать как объект управления, который имеет следующие основные отличительные признаки:

- изменения (целенаправленный перевод из существующего в некоторое желаемое состояние);

- ограниченная конечная цель;

- ограниченная продолжительность;

- ограниченность бюджета;

- ограниченность требуемых ресурсов;

- «новизна» для предприятия, которое реализует проект, и для рынка предполагаемого спроса на создаваемый в проекте продукт.

Под инновационной деятельностью понимается процесс, обращенный к реализации результатов законченных научных исследований и разработок либо иных научно-технических достижений в новом или усовершенствованном продукте, реализуемом на рынке, в новом или усовершенствованном технологическом процессе, используемом в практической деятельности, а также связанные с этим дополнительные научные исследования и разработки [4].

Производственно-технологическая система (ПТС) - это совокупность амортизируемых материальных и нематериальных активов, благодаря которым производится продукция, соответствующая потребительским свойствам. Рыночная стоимость является денежным эквивалентом потребительских свойств продукции, имеющей конкурентные преимущества на рынке.

1.2 Цифровая платформа инженерного бизнеса

Инженерный бизнес - интегрированный комплекс операционных процессов, включающий активы и пассивы, обеспечивающих производство продукции или услуг в производственно-технологической системе предприятия, которые имеют конкурентные преимущества на рынке [5].

Цифровой платформой контроллинга предприятия инженерного бизнеса является интегрированный комплекс инструментов операционного менеджмента, сформированный на основе IT-технологий и включающий организацию производства, управленческий учёт и инновационную деятельность, обеспечивающих непрерывный рост доли экспорта продукции, потребительские свойства которой и технологии имеют конкурентные преимущества на внешнем рынке. Для реализации этой задачи необходимо в производственном процессе увеличить число контролируемых параметров. В результате к материальным и нематериальным активам добавились цифровые активы, и экономика от инновационной рыночной перешла к цифровой. Использование цифровых активов потребовало цифровизацию математического инструментария, используемого в электронных системах управления. Основное требования к математическому инструментарию цифровой платформы контроллинга инженерного бизнеса является возможность его цифровизации. Следовательно, под цифровой платформой контроллинга понимается комплекс, включающий модель инженерного бизнеса и математический инструментарий, описывающий эту модель в оцифрованном виде.

Контроллинг является инструментом операционного менеджмента, включающий: организацию производства, управленческий учёт и инновационную деятельность.

Ключевыми параметрами инженерного бизнеса являются:

объем реализованной продукции, Vsv, руб./год;

производственный капитал, Qmc, руб.;

основные фонды, Umf, руб.;

технологические затраты, G0W0, руб.;

чистый дохой, D0, руб.

Система двух векторных уравнений, описывающая модель цифровой платформы контроллинга в замкнутом операционном цикле конверсии производственного капитала в денежный капитал по математической аналогии с первым и вторым законом термодинамики имеет вид:

Вектор производственного капитала Qmc равен сумме вектора денежных потоков технологических затрат Ctc и вектора основных фондов Umf. Эти векторы формируются из разных источников, поэтому имеют различные направления и являются ортогональными:

(1)

В свою очередь, вектор технологических затрат (2) равен сумме коллинеарных векторов, включающих с точки зрения управленческого учёта, векторы денежных потоков материальных затрат, прочих затрат, затрат на оплату труда и деловых отходов:

(2)

Вектор стоимости основных фондов (3) равен сумме коллинеарных векторов денежных потоков основных средств, как правило, материальных активов, облагаемых налогом на имущество и амортизируемых (обесцениваемых):

(3)

Вектор денежного потока денежного капитала Vsv равен сумме вектора денежного потока затратной стоимости продукции Vcv сформированного в производственно-технологической системе предприятия и вектора денежного потока добавленной рыночной стоимости продукции Vav, сформированного по маркетинговым технологиям, поэтому их сумма является ортогональной:

(4)

Вектор денежного потока затратной стоимости продукции равен в управленческом учёте равен коллинеарной разности вектора денежного потока технологическим затрат и вектора денежного потока деловых отходов:

(5)

Вектор денежного потока добавленной рыночной стоимости продукции с точки зрения управленческого учёта равен коллинеарной сумме векторов денежных потоков, включающих:

(6)

Вектор налога на добавленную стоимость, вектора налога на имущество, вектора ревеню в форме чистой прибыли, вектора обесценивания материальных активов, вектора амортизации нематериальных активов и вектора деловых отходов.

На рисунке 1 представлен в векторной форме равновесный замкнутый операционный цикл конверсии производственного капитала производственно-технологической системы в денежный капитал в форме произведенной и реализованной продукции.

Рисунок 1. Векторная эпюра равновесного замкнутого операционного цикла конверсии производственного капитала в денежный капитал в форме произведенной и реализованной продукции

Равновесный операционный цикл конверсии принят в качестве системы координат для исследования векторного поля операционного цикла конверсии.

Критерием равновесия операционного цикла:

(7)

Критерий равновесия производственного капитала:

(8)

Маркетинговый критерий:

(9)

Векторное уравнение производственного капитала (1) в эпюре представлено в форме векторного равнобедренного прямоугольного треугольника 1-3-4. Векторное уравнение денежного капитала (2) в эпюре представлено в форме векторного равнобедренного прямоугольного треугольника 1-2-3.

Приложения включают справочные и дополнительные материалы к рассматриваемой работе.

Согласно принципу равновесия, в управленческом учёте все параметры являются безразмерными, измеряемыми от ноля до единицы.

Критериальное уравнение цифровой платформы контроллинга в векторной форме имеет вид:



(10)

Критериальное уравнение цифровой платформы цифрового блока контроллинга операционного цикла конверсии производственного капитала в денежный капитал:

(11)

Управляющая модель цифровой платформы контроллинга:

(12)

1.3 Структура операционных затрат производственно-технологической системы

Совершенство производства на предприятии определяет структура операционных затрат. В соответствии со статьей 25 Налогового кодекса РФ, операционные затраты включают четыре структурных элемента: материальные затраты, затраты на оплату труда, амортизационные отчисления и прочие затраты. [6]

Материальные затраты включают затраты на приобретение сырья, материалов и комплектующих изделий, затраты на приобретение топлива, воды, энергии всех видов, расходуемых на технологические цели, затраты на приобретение работ и услуг производственного характера.

К затратам на оплату труда относятся начисления по тарифным ставкам, должностным окладам, сдельным расценкам в соответствии с принятыми в организации формами и системами оплаты труда.

В налоговом и бухгалтерском учете, перенос по частям первоначальной стоимости основных средств и нематериальных активов предприятия по мере их износа на стоимость производимой продукции называется амортизацией.

Эксплуатационный износ амортизируемых основных фондов технологической системы включает в себя комплексный износ, состоящий из:

1. Физический износ определяется степенью исчерпания срока полезного использования, так как он обусловлен частичной потерей работоспособного состояния машин и оборудования, в результате их эксплуатации или длительного хранения.

2. Технологический износ - обесценивание технологического оборудования и нематериальных активов по причине появления на рынке аналогов рассматриваемых активов. Предприятие, при оценке основных фондов, может увеличить или уменьшить балансовую стоимость актива на величину технологического износа.

3. Экономический износ технологического оборудования происходит за счет обесценивания аналогичного оборудования, с момента его приобретения предприятием и постановки на баланс.

4. Функциональный износ - отражает обесценивание амортизируемого актива, за счет появления на рынке нового, более усовершенствованного оборудования, в результате технического или технологического прогресса. Проблему функционального износа решают с помощью модернизаций, осуществляемых за счет средств амортизационного фонда.

В группу прочих затрат включаются отчисления на социальные нужды от оплаты труда (органам государственного социального страхования - 2,9%, пенсионному фонду - 22%, государственному фонду занятости - 1,5%, на медицинское страхование - 1,3%), налог на операционную прибыль (20% от налогооблагаемой базы), налог на имущество, расходы на подготовку персонала, амортизационные отчисления от нематериальных активов и другие.

Графическая интерпретация операционных затрат представлена на рисунке 2. Предприятие реализует продукцию с годовым объемом Vsv, руб./год, при операционных затратах на ее производство Coc, руб./год. Производится расчет операционной прибыли P, руб./год. После уплаты налога на прибыль, будет сформирована чистая прибыль P0, руб./год. Чистый доход D0, руб./год включает уплату налогов в три уровня бюджетов. [7]

Организация производства обеспечивается путем трансферта технологических затрат и потребительских свойств товаров по зонам финансовой ответственности. Технологические затраты являются частью операционных затрат и равны сумме материальных затрат Cmc, прочих затрат Cac и минимальных затрат на оплату труда minClpc.

Рисунок 2. Графическая интерпретация структуры операционных затрат в ПТС



Рассмотрим алгоритм расчета показателей структуры операционных затрат:

1. Операционная прибыль (Р) представляет собой разность между объемом реализованной продукции и прямыми операционными затратами, рассчитывается по формуле (13):

, руб./год, (13)

где Vsv - объем реализованной продукции, руб./год;

Соc - операционные затраты, руб./год.

Налогооблагаемой базы налога на прибыль (N) - это разница операционной прибыли (Р) и налога на имущество (Nfa), рассчитывается по формуле (14):

, руб./год. (14)

Налог на прибыль (Nр) определяется по формуле (15) и составляет 20% от налогооблагаемой базы, рассчитанной в предыдущей формуле:

, руб./год. (15)

Чистая прибыль (Ро) - разница между операционной прибылью и налогами на имущество и на прибыль, вычисляется по формуле (16):

, руб./год. (16)



Чистый доход (D0) предприятия определяется формулой (17):

, руб./год (17)

где Ро - чистая прибыль, руб./год;

Сdc - амортизационные отчисления от материальных активов, руб./год;

Сia - амортизационные отчисления от нематериальных активов, руб./год.



2. Производство на базе лезвийной обработки

2.1 Подшипник качения

Предлагается производство 01 наружного и 02 внутреннего колец подшипника шарикового радиального однорядного 6207.

Технические характеристики: обозначение - 6207; производитель - SKF; диаметр внутренний, мм - 35; диаметр наружный, мм - 72; высота, мм - 17.

Технические данные из каталога производителя: d - 35 мм; D - 72 мм; B - 17 мм; d1 - 46,94 мм; D2 - 62,69 мм; r1,2 - мин. - 1,1 мм; динамическая грузоподъемность - C - 27 кН; статическая грузоподъемность - C0 - 15,3 кН; граничная нагрузка по усталости - Pu - 0,655 кН; номинальная частота вращения - 20000 об./мин; предельная частота вращения - 13000 об./мин; расчетный коэффициент - kr - 0,025; расчетный коэффициент - f0 - 13,8; масса подшипника - 0,288 кг.

Подшипники качения - высокоточные, технологичные изделия, которые в процессе своего изготовления проходят через большое количество операций. Поскольку сам подшипник состоит из отдельных конструктивных деталей -кольца, тела качения (шарики или ролики), сепаратор, заклепки, защитные шайбы -то и его производство состоит из изготовления отдельных деталей, сборки и дополнительных работ по испытанию качества собранного изделия, маркировки, смазки и упаковки.

Основные достоинства подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения: меньшие моменты сил трения и теплообразование; значительно меньшие требования по уходу, меньший расход смазочных материалов; большая несущая способность на единицу ширины подшипника; значительно меньший расход цветных металлов, меньшие требования к материалам и к термической обработке валов.

К недостаткам подшипников качения относятся: повышенные диаметральные габариты, высокие контактные напряжения и поэтому ограниченный срок службы при большом его рассеянии, высокая стоимость уникальных подшипников при мелкосерийном производстве, меньшая способность демпфировать колебания, чем у подшипников скольжения, повышенный шум при высоких частотах вращения.

Сферы и области применения подшипников чрезвычайно важны. Например, такие механизмы незаменимы в изготовлении различных транспортных средств и механизмов. Рассмотрим некоторые сферы и области применения подшипников качения:

Производство оборудования. Подшипники качения применяют в оборудовании для разных видов промышленности, например, для пищевой промышленности. Такие механизмы позволяют повысить производительность и более рационально распределить ресурсы.

Сталелитейная промышленность и цветная металлургия. Подшипники используют на различных этапах производства. Они имеют высокую механическую стойкость и поэтому не бояться ударных нагрузок.

Автомобилестроение, авиация. Например, шариковые подшипники отлично себя проявили в случаях, когда нагрузки имеют постоянный характер и средние нагрузки. Роликовые подшипники применяются, если нагрузки значительно выше.

Производство бытовой техники. Часто используют игольчатые подшипники, так как они хороши в использовании с объектами небольших размеров.

2.2 Производство колец подшипника

Изучим технологию производства изготовления самого распространенного типа подшипника ? шарикового однорядного радиального подшипника основного конструктивного исполнения.

Технологический процесс изготовления колец подшипника:

приобретение исходных материалов (прутки круглого сечения и трубы);

штамповка - формирование заготовок колец на прессовом оборудовании с припусками на токарную обработку;

раскатка - холодная или горячая деформация штампованной заготовки с припуском под токарную обработку;

обработка на токарном станке ? нарезка колец из заготовок и точение поверхностей кольца, чтобы оно приобрело необходимый диаметр (внешнего и внутреннего) и ширину;

термическая обработка колец подшипника - подшипник помещается в эндогазовую печь, где нагревается до температуры 850°C, следующий процесс - закаливание в масле при его температуре, равной + 40°C для фиксирования структуры материала и получения необходимой твёрдости. Затем последует отпуск при + 170°C, чтобы уменьшить тепловой удар (закалку). Твердость колец - HRC 58-60 ед.;

шлифовка поверхностей колец подшипника - торец, наружная и внутренняя поверхность. Шлифовальные операции производятся на технологических линиях, состоящих из нескольких видов шлифовальных станков, измерительных комплексов и моечных машин, связанных между собой технологическим транспортом;

суперфиниширование - процедура, при которой дорожки шлифуются до окончательной степени гладкости.

За основу в данной работе взята токарная обработка 01 наружного и 02 внутреннего колец подшипника.

Токарная обработка заготовки подразумевает собой нарезку из заготовок отдельных колец и обработку всех поверхностей с целью придания будущему кольцу подшипника нужных диаметров (внешнего и внутреннего) и ширины. Изготовление наружного кольца из прутка диаметром 75 мм, внутреннего кольца из прутка диаметром 50 мм.

Для изготовления колец и элементов качения подшипников, в основном, используют высокоуглеродистую хромистую сталь. Однако, если подшипники должны противостоять большим ударным нагрузкам, часто применяют низкоуглеродистые сплавы стали. Такие стали после науглероживания на соответствующую глубину обладают достаточной поверхностной прочностью, являются более ударопрочными, чем обычные закаленные стали, так как имеют более мягкий внутренний слой, поглощающий энергию.

В данной работе применяется сталь конструкционная подшипниковая -- ШХ-15. [8]

Таблица 1. Химический состав в % стали ШХ-15

Химические элементы	Количество, %
C	0,95-1,05
Si	0,17-0,37
Mn	0,2-0,4
Ni	до 0,3
S	до 0,02
P	до 0,027
Cr	1,3-1,65
Cu	до 0,25
Fe	~96

Свойства стали ШХ-15:

предел прочности при растяжении (временное сопротивление разрыву), 730;

твердость (горячекатаной и кованой для холодной механической обработки без термообработки) по Роквеллу, 27 НRC;

предел текучести, 420;

температура плавления, 1315°C.

Свойства материалов тел качения и колец подшипника: высокая контактная усталостная прочность при качении; высокая жесткость; высокая износоустойчивость; высокая размерная стабильность; высокая механическая прочность.

2.3 Смазочно-охлаждающая жидкость

Смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ) - специальная субстанция, используемая при работе станков по обработке металла. Каждый технологический процесс токарного или фрезерного станка сопровождается трением, которое может привести к деформации обрабатываемой детали, поломке дорогостоящего станка или его части, изменению механических свойств металла.

СОЖ образует смазочную пленку на рабочих поверхностях, которая снижает силу трения и силу, необходимую для резания. Введение в состав продукта особых присадок упрощают процесс резания - молекулы жидкости быстро проникают в микротрещины на поверхности металла и как бы вбивают клин между его частицами.

Состав рецептуры большинства СОЖ для металлообработки примерно одинаков. В продуктах разных производителей и названий меняется лишь концентрация того или иного вещества или присадка, нужная конкретному процессу или металлу.

Эффективная СОЖ для станков включает в себя:

смазки из натуральных или синтетических масел;

присадки, обладающие различными эксплуатационными свойствами;

вещества, препятствующие расслоению смазочно-охлаждающих жидкостей на фракции;

антикоррозионные и износоснижающие компоненты;

добавки, снижающие пенообразование и агрессивность по отношению к обрабатываемым металлам. [9]

Использование в работе облегчает работу и позволяет выполнять несколько задач: жидкость дает охлаждение резцу. Таким образом, деталь в полной безопасности, так как интенсивная нагрузка повышает вероятность перегрева. Охладительная жидкость способна продлить срок службы. Во время обработки заготовка нагревается, что повышает риск загрязнения. СОЖ необходим для создания конструкций из чистого металла, так как удаляет загрязнения. Смазка повышает производительность токарного станка. Кроме охлаждения СОЖ смазывает площадь соприкосновения с изделием. Снижается нагрузка на аппарат, что продлевает срок его жизни. [10]

На рисунке 3 представлена схема подачи смазочно-охлаждающей жидкости.

Рисунок 3. Подача СОЖ

2.4 Виды и характеристики смазочно-охлаждающей жидкости

К каждому технологическому процессу нужна СОЖ, свойства которой максимально будут отвечать специфике материала и характеристикам станка.

Обычно в металлообрабатывающем производстве используется несколько видов СОЖ для металлообработки: масляные и водосмешиваемые (эмульсионные, синтетические и полусинтетические).

Масляные СОЖ - это чистые минеральные масла (вязкость 2 - 40 мм2/с при 50°С) или с добавками разнообразных функциональных присадок (противозадирные, антифрикционные, антитуманные, антикоррозионные и пр.). Производятся из нефтепродуктов, в связи с чем относятся к горючим жидкостям.

Масляные СОЖ характеризуются показателями плотности, вязкости и температурой вспышки, что и является основными критериями выбора определенной марки смазочно-охлаждающей жидкости. Они традиционно используются при тяжелых режимах работы на металлорежущих станках - с низкими скоростями подачи и большой глубиной резания. Эмульсолы на основе минерального масла широко применяются при хонинговании, развертывании и сверлении, а также в случаях, когда уплотнение станка не позволяет использовать водосодержащие продукты. [11]

Достоинство масляных СОЖ: обладают высокими смазочными свойствами, хотя для этого они должны содержать в своем составе различные антиокислительные, противозадирные, противоизносные, антикоррозионные и бактерицидные присадки.

К недостаткам масляных СОЖ можно отнести:

низкую охлаждающую способность;

повышенную испаряемость;

ухудшающую гигиенические условия труда;

высокую пожароопасность;

склонность к биопоражению;

большие затраты на утилизацию отработанных отходов;

они экологически вредны, поскольку при взаимодействии с резцом выделяют токсичные вещества, например, серный ангидрид и акролеин, оказывающие отравляющее действие на организм человека;

использование сульфированных минеральных масел часто приводит к различным кожным заболеваниям. [12]

Самое распространенное осложнение - выраженная аллергическая реакция.

Исходя из вышесказанного, меры безопасности, необходимые при работе СОЖ включают:

обеспечение рабочих спецодеждой, обувью, перчатками, очками, специальными мазями;

установка защитных устройств, препятствующих разбрызгиванию жидкости;

оборудование помещений вентиляцией;

недопущение использования эмульсии как моющих средств для приборов, рук.

Водосмешиваемые СОЖ в своем составе содержат различные органические и неорганические вещества, среди которых: спирты, вода, эмульгаторы, электролиты, биоциды, ингибиторы коррозии, противозадирные присадки и пр.

Поставка водосмешиваемых эмульсолов осуществляется в виде концентрата, который используется для приготовления рабочих эмульсий непосредственно на месте применения. При этом обязательным условием получения качественного продукта является правильное разбавление концентрата водой - он добавляется в воду и тщательно перемешивается.

Эта группа включает три основных разновидности СОЖ с разной дисперсностью основного компонента:

Эмульсионные: грубодисперсные продукты, получаемые путем разбавления водой эмульсолов, содержащих до 85% минеральных масел. Вследствие смешивания эмульсола и воды в концентрации 5-30% образуется эмульсия белого цвета, обладающая высокими смазывающими характеристиками.

Полусинтетические: концентрированные продукты с коллоидной степенью дисперсии, содержат до 50% минеральных масел. Рабочий полупрозрачный раствор концентрацией 1-10% получают при смешивании с водой. Он в равной мере характеризуется хорошими смазывающими и охлаждающими свойствами.

Синтетические: концентраты, не содержащие масел, имеют молекулярную степень дисперсности. Основные компоненты: поверхностно-активные вещества (ПАВ), вода, водорастворимые полимеры и присадки. Рабочий раствор в концентрации 1-10% обладает высокими охлаждающими свойствами. [11]

Достоинство эмульсолов и полусинтетических СОЖ: смазочно-охлаждающие жидкости на водной основе, в сравнении с масляными, обладают значительно лучшей охлаждающей способностью, менее опасны для здоровья работающих с ними людей, менее пожароопасны.

Недостатки водосмешиваемых СОЖ: как из отечественных, так и зарубежных СОЖ трудно, а подчас и нельзя регенерировать масло, попадающее из механической части станка, поскольку в состав таких смазочно-охлаждающих жидкостей входят компоненты, эмульгирующие масло. Накопление масла в емкостях приводит к повышению задымленности на рабочих местах, расслаиванию СОЖ, снижению технологических параметров, а затем к бактериальным поражениям с последующей биологической деструкцией. Низкая устойчивость к биозагрязнению нередко является одной из причин ухудшения противокоррозионных и смазочных свойств, указанных СОЖ. Для борьбы с биозагрязнениями в эмульсолы вводят сильные биоциды или фунгициды, что экологически небезопасно. Ухудшение антикоррозионных свойств эмульсолов в процессе их эксплуатации приводит к существенным коррозионным поражениям металлоизделий, поэтому их при межоперационном хранении часто вновь консервируют в масле или пассивируют в специальных растворах, что не технологично. Наличие масла в эмульсолах, а также высокая их щелочность (pH ~ 10,0) приводит к патогенному воздействию на кожу рук работающих [13].

Достоинством синтетических смазочно-охлаждающих жидкостей по сравнению с концентратами эмульсолов, масляных и полусинтетических смазочно-охлаждающих жидкостей, является:

отсутствие в их составах минерального или нефтяного масел, поэтому применение таких СОЖ с точки зрения экологии более выгодно и пожаробезопасно;

содержание химических веществ в их концентратах, как правило, не превышает 70% (остальное, вода);

высокие охлаждающие свойства;

более высокая устойчивость к биопоражению;

возможность удалять масло из охлаждающей системы, поскольку содержат в своем составе эмульгаторы, образующие непрочные дисперсные системы, позволяющие при отстое расслаивать масло.

Недостатки синтетических СОЖ: не вытекают непосредственно из их природы, а связаны с несовершенством той или иной разработки. Их долговечность, а, следовательно, и технологические параметры в большой степени зависят от их микробиологического разрушения. Для биологической стабилизации СОЖ в их состав вводят сильные биоциды и фунгициды, что экологически вредно [14].

Помимо готовых составов долгого хранения, выпускаются концентраты и компоненты для приготовления жидкостей, адаптированных к условиям конкретного предприятия. СОЖ, СОЖ, цена которого в основном зависит от состава, отвечающего определенному виду работ, на современном рынке реализуется за 70-160 руб./литр для готовых составов отечественных производителей и 105-290 руб./литр зарубежного производства. Средняя стоимость концентрата составляет 240 руб./литр. Перед применением жидкости проходят следующие процедуры: Перемешивание компонентов производится при установленных по составу и марке температурах (60-110°C). Анализ состава на соответствие ГОСТу. Приготовленные составы хранятся в специализированных емкостях, позволяющих проводить периодический подогрев, перемешивание. При подготовке СОЖ возможно введение присадок, которое осуществляется на виброустановках тонкого эмульгирования. Заправка аппаратов непрерывной подачи. В процессе использования составы загрязняются. Предусматриваются системы очистки СОЖ от остатков металла. Отработанные продукты, не подлежащие эффективной очистке, подлежат утилизации.

2.5 Основные отличия смазочно-охлаждающих жидкостей на водной основе от масляных

Масляные смазочно-охлаждающие жидкости, содержащие в своем составе антиокислительные, противозадирные, противоизносные, антикоррозионные присадки, обладают высокими смазочными свойствами. Однако имеется целый ряд существенных недостатков, которые ставят под сомнение целесообразность применения вышеуказанных смазочно-охлаждающих жидкостей на современном производстве.

Кроме того, масляные смазочно-охлаждающие жидкости экологически небезвредны, поскольку при взаимодействии с резцом выделяют токсичные вещества, например, серный ангидрид, акролеин, оказывающие отравляющее действие на организм человека. Использование сульфированных минеральных масел весьма часто приводит к различным кожным заболеваниям.

В связи с этим за последние годы широкое применение получили смазочно-охлаждающие жидкости на водной основе, которые обладают значительно лучшей охлаждающей способностью, менее опасны для здоровья работающих с ними людей, пожаробезопасны. Такие смазочно-охлаждающие жидкости представляют собой 30-50% водные эмульсии. Щелочность эмульсолов довольно высока: рабочее значение pH отечественных и зарубежных СОЖ порядка 8,6-9,5.

Представленные в таблице 2 данные свидетельствуют о том, что, во-первых, эффективность различных типов СОЖ напрямую зависит от их удельной теплоемкости. Во-вторых, следует отметить, что воздух является наихудшим охлаждающим веществом - его характеристики в четыре раза уступают характеристикам воды. Также интересен тот факт, что масляные СОЖ почти в два раза уступают воде по охлаждающим свойствам. С учетом данного факта, а также вопросов охраны труда, неудивительно, что многие предприятия используют СОЖ на водной основе - они являются лучшими охладителями. Тем не менее, СОЖ на водной основе эффективно работают только до определенной скорости резания, и чем выше становится скорость, тем они хуже охлаждают материал и инструмент. Одной из причин такого явления состоит в том, что при высокой скорости резания СОЖ не успевает проникнуть во все выемки и трещины в материале. В итоге, охлаждение становится все менее качественным, в результате чего наблюдаются снижение эффективности охлаждения твердосплавного инструмента при скорости резания, превышающей определенное значение.

Таблица 2. Сравнительные данные СОЖ на водной основе и масляной

СОЖ	Удельная теплоемкость	Сталь А (закаленная) снижение температуры, %	Сталь В (отожженная) снижение температуры, %
Воздух	0,25
Масло с присадками (низкая вязкость)	0,489	3,9	4,7
Масло с присадками (высокая вязкость)	0,556	6	6
Вода	1,00	19	15
Водный раствор увлажняющего средства	0,872	14,8	8,4
Водно-содовый раствор, 4%	0,923	-	13

Лучшими водными СОЖ признаны смазочно-охлаждающие жидкости типа «Syntilo R» фирмы «CASTROL». Так как невысоки противокоррозионные свойства, поскольку обеспечивают защиту при межоперационном хранении не более 4-х суток. При замерзании смазочно-охлаждающие жидкости типа «Syntilo R» подвергаются расслаиванию и впоследствии не восстанавливаются, что создает затруднения при их транспортировке, особенно на территории России. Щелочность рабочего раствора «Syntilo R» 8,6-9,2. При pH раствора ниже 8,6 СОЖ фирмы «CASTROL» подвержены бактериологическому поражению [15].

Универсальная водосмешиваемая смазочно-охлаждающая жидкость Castrol Syntilo R4 обладает улучшенными характеристиками при обработке таких металлов, как сталь, алюминий, медные сплавы, чугун и проч. При разведении концентрата в требуемых пропорциях образуется эмульсия молочного цвета.

Преимущества Syntilo R4:

продуманный состав и отсутствие нитритов обеспечивают широкий диапазон применения. Syntilo R4 можно заказать для точения, резки, шлифовки, сверления и фрезерования заготовок из различных металлов;

продукт можно разбавлять водой разной степени жесткости, вплоть до 250ppm, при сохранении эмульгирующих свойств;

СОЖ Castrol Syntilo R4 биостабильна за счет отсутствия в составе компонентов, являющихся питательной средой для бактерий.

2.6 Проблемы утилизации смазочно-охлаждающих жидкостей

В настоящее время, ужесточились социально-гигиенические требования к любому технологическому процессу. Важное место в рассматриваемой проблеме занимают отработанные смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ). Правовые основы обращения с отходами производства и потребления в целях предотвращения вредного воздействия отходов производства и потребления на здоровье человека и окружающую природную среду, а также вовлечение таких отходов в хозяйственный оборот в качестве дополнительных источников сырья [16].

Утилизация СОЖ - представляет собой одну из наибольших опасностей для окружающей среды и здоровья человека. В предприятиях отраслей накоплено большое количество СОЖ не надлежащего качества, подлежащих утилизации. Чаще всего предприятия не располагают достаточными средствами для утилизации данного вида отходов. В этой связи они вынуждены накапливать их годами в больших объемах в ожидании более благоприятной финансовой обстановки.

В процессе многократного использования при механической обработке металлов смазочно-охлаждающие жидкости теряют свои технологические свойства. В результате накопления металлических частиц и продуктов термического разложения масел, продуктов их окисления, образования смол - снижается эффективность применения СОЖ. Кроме того, эмульсия обедняется за счет выноса эмульсола со стружкой (полосой). Попадание в смазочно-охлаждающие жидкости масел, смазок и спецжидкостей из гидравлических систем, станков и прокатных станов, повышение содержания солей жесткости в водной фазе (выпаривание воды из эмульсии и внесение солей жесткости при добавлении воды), микробиологическое поражение (загнивание) - всё это приводит к разрушению СОЖ, и возникает необходимость в её замене и последующей утилизации [17].

Организация процесса утилизации имеет определенные трудности:

- очистные сооружения, соответствующие экологическим требованиям, имеются только на крупных предприятиях Минавтопрома. Очистные сооружения на малых предприятиях (а их на данный момент в России значительное количество) нерентабельны ввиду малой требуемой мощности);

- схемы переработки СОЖ многоступенчатые, требуют дорогостоящего оборудования и сложных систем управления, высокой культуры производства;

- стоимость утилизации значительно превосходит стоимость исходной СОЖ. Системы утилизации требуют значительных капиталовложений и дорогостоящих расходных материалов.

Способы разложения СОЖ:

1. Физико-химические:

- реагентные - разложение СОЖ на масляную фазу и воду добавлением кислот (кислотное разложение) Недостатки - высокая стоимость многоступенчатой обработки; крайне важность утилизировать продукты разложения - «технологические хвосты»;

- электрокоагуляция - электролиз с помощью растворимых электродов. При этом происходит коалесценция частиц эмульгированного масла. Недостатки - высокая стоимость; малая производительность;

- окисление - разрушение органических веществ, окисление примесей при соединении с озоном (хлором). Недостатки - малая степень очистки, способ чаще всего используется для доочистки после коагуляции или флотации;

- мембранная технология - ультрафильтрация (разделение структуры СОЖ на воду и масляную фазу на ультрафильтрах). На данный момент является одним из самых перспективных методов. Недостатки - высокая стоимость; сложное управление; крайне важность использовать предварительную очистку СОЖ перед ультрафильтрацией.

2. Термические способы:

- огневое обезвреживание - сжигание СОЖ совместно с топливом. Недостатки - загрязнение воздушного бассейна; высокая стоимость процесса;

- упаривание - разделение СОЖ пуна фазы путем выпаривания воды. Недостатки - значительные затраты энергии.

3. Биохимические способы - уничтожение органической фазы с помощью бактерий в аэротэнках (в емкости с СОЖ оседает активный ил) или биофильтрах (фильтрация СОЖ через микроорганизмы). Недостатки - значительные капитальные вложения; велики занимаемые площади; длительность процесса).

Существует два метода очистки смазочно-охлаждающих жидкостей, среди них:

Фильтрация - процесс разделения многокомпонентных систем (аэрозоль, суспензия) при помощи пористых перегородок, пропускающих дисперсионную среду и задерживающих дисперсную твердую фазу.

Сепарация - процессы разделения объёмов разнородных частиц, смесей жидкостей разной плотности, твердых материалов, взвесей твёрдых частиц. При сепарации не происходит изменения химического состава разделяемых веществ.

По итогам длительной эксплуатации в смазочно-охлаждающих жидкостях повышается концентрация органических веществ, содержание ПАВов (поверхностно-активных веществ).

Поэтому утилизация отработанных СОЖ приравнивается к ликвидации опасных веществ, требует соблюдения правил по ГОСТу. Природоохранное законодательство относит данную деятельность к лицензируемым видам.

Переработка эмульсий может производиться разными методами: органическое расщепление; обратный осмос; ультрафильтрация; сорбционный метод; солевое, кислотное расщепление; путем выпаривания.

Наиболее подходящий способ утилизации отработанных СОЖ и эмульсий подбирается в индивидуальном порядке.

Существует несколько методов утилизации смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ):

Ультрафильтрация - метод утилизации СОЖ, в процессе которого масло отделяется от жидкости. Осуществляется данный процесс усиленными способами фильтрации масла, которые позволяют гарантировать хорошие показатели очищения.

Ультрафильтрация позволяет добиваться низкого отхода шлама, а также минимального использования различных химикатов.

Утилизация СОЖ посредством органического расщепления. Этот способ реализуется с использованием специальных полиэлектритов, которые позволяют расщепить молекулы эмульгатора.

Один из наиболее экономичных методов утилизации, который, к тому же, позволяет работать с СОЖ в больших объемах.

Метод обратного осмоса. Позволяет обеспечивать тонкую очистку масла посредством физического принципа. Метод достаточно безвреден, гарантирует получение чистой технической воды для повторного ее использования.

Один из недостатков метода - высокая стоимость очистительной установки.

Технология выпаривания СОЖ. Методика обеспечивает дистилирование веществ, содержащихся в отработанной СОЖ. Способ отличается высокой энергозатратностью, однако позволяет проводить утилизацию без использования химикатов.

Кислотное или солевое расщепление СОЖ. Один из методов утилизации отработанных жидкостей, при котором отработанная СОЖ расщепляется с использованием солей или электролитов. Сегодня метод практически не используется ввиду наличия более простых и безопасных способов утилизации.

Ранее также применялся метод расщепления с применением соляной кислоты, что позволяло добиться минимального количества химических отходов при уничтожении отработанных СОЖ.

Выбор метода утилизации отходов достаточно сложен. Для токсичных образований эта задача решается индивидуально на конкретных предприятиях: переработкой, сжиганием, захоронением. При выборе метода утилизации необходимо учитывать объемы утилизируемых отработанных СОЖ, капиталовложения, возможность очистки фильтров от осадка, стоимость операций и найма персонала. Выбор варианта утилизации отработанных СОЖ должен опираться на экологические, экономические и социальные факторы для конкретного времени и конкретных условий.

Среди всех возможных методов очистки чаще всего применяется фильтрация, центрифугирование. Постоянный мониторинг помогает своевременно проводить утилизацию.

Безводные СОЖ контролировать проще. Они имеют продолжительный срок службы, меньше подвержены бактериологическому поражению. Основные параметры, требующие постоянного мониторинга: своевременность подпитки; вязкость; стабильность температурного режима; количество механических примесей; коррозионная агрессивность; инородные масла; биопоражение.

Учитывая тот факт, что у водных СОЖ и эмульсий срок годности значительно меньше, они нуждаются в более тщательном контроле качества. Важное значение имеют те же параметры, что и безводные концентраты. При приготовлении многокомпонентных растворов для корректировки концентрации применяются простые анализы.

Наиболее эффективны централизованная переработка СОЖ на крупных промышленных установках методом реагентной флотации, а также термические методы утилизации.

Принципиальная схема непрерывной установки по разрушению отработанных СОЖ методом флотации приведена на рисунке 4.

При этой технологии основная часть масла (85-90%) отделяется уже в центробежном сепараторе 2. Полученное после сепаратора масло может использоваться в качестве топлива или для приготовления свежих эмульсий. Более глубокая очистка эмульсии (точнее того, что от нее осталось после сепарации) производится во флотаторе 4 с использованием реагентов.



Рисунок 4. Схема флотационной установки для разрушения СОЖ: 1 - отстойник; 2 - сепаратор; 3 - ресивер; 4 - флотатор; 5 - емкость с коагулянтом; 6 - шламосборник; 7 - сборник пены; 8 - сборник масла; 9-12 - дозаторы коагулянтов; 13 - рН-метр; 14 - сжатый воздух; 15 - насос

Принципиальная схема термической установки обезвреживания СОЖ приведена на рисунке 5. Принцип действия такой установки состоит во вспенивании эмульсии с помощью ПАВ в сборнике 1 и подаче пены в паро-генераторный реактор 4, где она равномерно сгорает при 1500-1600°С. Дымовые газы, проходя через барботажный аппарат 5, отдают тепло для упаривания СОЖ. Конденсация пара, содержащегося в дымовых газах, выходящих из барботажного аппарата 5, производится водой в скруббере 7. Выходящая из него чистая вода подается в систему оборотного водоснабжения. Производительность установки составляет 5 т/ч.



Рисунок 5. Схема установки для термического обезвреживания СОЖ: 1 - сборник; 2 - мерник ПАВ; 3 - уравнительный сосуд; 4 - паро-генераторный реактор; 5 - барботажный аппарат; 6 - сборник стоков; 7 - скруббер; 8 - вентилятор



3. Разработка цифровой платформы контроллинга инженерного бизнеса по производству колец подшипника без смазочно-охлаждающей жидкости

3.1 Разработка цифровой платформы контроллинга инженерного бизнеса

На рисунке 6 представлена производственно-технологическая система, которая представляет собой токарно-винторезный универсальный станок 16Б16КП.

Рисунок 6. Производственно-технологическая система токарной обработки наружного и внутреннего колец подшипника

Структура затрат состоит из материальных затрат, операционных затрат и налоговых отчислений. Предполагается использование токарно-винторезного универсального станка 16Б16КП.

А) Материальные затраты.

1) Затраты на электроэнергию: Ci = 8,1·4,2·247·8 = 67 223, 52 руб./год.

Инструмент: 9000 руб.

3) Запчасти: шпиндельный подшипник 7400 руб.

4) Затраты на материалы:

- пруток диаметром 75 мм: 6500/20=325 прутков.

325·15 = 4875 кг = 4,875 т;

4,875·42800 = 208650 руб.;

- пруток диаметром 50 мм: 6500/20=325 прутков.

325·15 = 4875 кг = 4,875 т;

4,875·35000 = 170625 руб.

Всего: 379275 руб./год.

5) Смазочно-охлаждающая жидкость: 383,6·800·4=1227520 руб./год.

6) Утилизация СОЖ: 8 000·30 = 240000 руб./год.

Б) Операционные затраты.

1) Оплата труда: 1 установка - 1 человек, заработная плата = 30000 руб./мес.

ФОТ = 30000·12 = 360000 руб./год.

...