CC BY
3
Afanasiev Viktor Borisovich, candidate of technical sciences, head of the reliability department, [email protected]. Russia, Moscow, JSC GosNIIP,
Kalinin Evgeny Alexandrovich, head of sector, [email protected]. Russia, Moscow, JSC GosNIIP,
Mamaev Vladimir Alekseevich, leading mathematical engineer, vova kirov^maiLru, Russia, Moscow, JSC GosNIIP,
Medvedev Vladimir Mikhailovich, doctor of technical science, professor, general director, [email protected]. Russia, Moscow, JSC GosNIIP
УДК 67.017, 672.1
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-71-72
АНАЛИЗ ПРИЧИН ОТКАЗА ИНСТРУМЕНТА НА ПРИМЕРЕ СЛЕСАРНО-МОНТАЖНОЙ ОТВЕРТКИ
К.А. Голенцов
В статье представлен анализ причин отказа детали на примере отвертки. Проведен анализ условий работы изделия, макрофрактографический анализ излома, выявлена структура стали и определено ее несоответствие заданным значениям стандартов, выявлены нарушения правил эксплуатации и приведены рекомендации для предотвращения отказов в будущем.
Ключевые слова: анализ отказов, излом, соответствие ГОСТ, нагрузки на кручение, правила эксплуатации.
Надёжность — свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.
Интуитивно надёжность объектов связывают с недопустимостью отказов в работе. Это есть понимание надёжности в «узком» смысле — свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Иначе говоря, надёжность объекта заключается в отсутствии непредвиденных недопустимых изменений его качества на стадии эксплуатации (при его использовании, обслуживании, хранении, транспортировании).
Основным явлением, изучаемым в теории надежности, является отказ. Отказ объекта можно представить как постепенный или внезапный выход его состояния за пределы области работоспособности. Состояние объекта характеризуется параметрами функционирования, определяющими его работоспособность. Так как определяющие параметры являются функциями времени, то и работоспособность объекта также изменяется во времени.
Объектом данного исследования является отвертка слесарно-монтажная с прямым шлицем, обстоятельства отказа не известны. Устройство отвертки и ее типовые размеры представлены на рис. 1.
Для начала анализа необходимо собрать информацию об обстоятельствах отказа и выявить возможные причины отказа.
1. Отказ единичный, обстоятельства не известны.
2. Возможные причины отказа отвертки:
-Эксплуатационный отказ, вызванный нарушением правил эксплуатации.
- Производственный отказ, связанный с ошибками при изготовлении объекта по причине несовершенства или нарушения технологии.
- Неправильно подобранная марка стали для стержня отвертки.
Чтобы обосновать или опровергнуть последний пункт необходимо провести анализ технической документации.
Слесарно-монтажные отвертки выполняют, следуя ГОСТ 17199-88 «Отвертки слесарно-монтажные». Стержни отверток должны изготовляться из сталей марок У7 по ГОСТ 1435-99 «Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали», 50ХФА по ГОСТ 14959-2016 «Металлопродукция из рессорно-пружинной нелегированной и легированной стали» или других марок, обеспечивающих выполнение требований твердости, прочности и надежности, установленных настоящим стандартом [1].
Отвертки с прямым шлицем чаще всего изготавливаются из углеродистых сталей по ГОСТ 1435-99 (40Х, 45Х 50Х). Твердость стержня ручных отверток должна быть 47—52 НЕС на длине не менее 3 Ь мм от вершины лезвия, Ь-ширина лезвия [2].
Длина и ширина стержня ручных отверток зависит от типа отвертки по ГОСТ 17199. Геометрические размеры (диаметр и длина стержня) исследуемой отвертки полностью соответствуют ГОСТ, измерение проводилось штангенциркулем. Диаметр равен 5 мм, а длина 10 мм.
Для определения типа излома проведен макрофрактографический анализ. Описание излома проводили визуально и с помощью бинокулярного микроскопа с 6.3 кратным увеличением, а также с помощью линзы с увеличением 10. Установлено место начала появления трещины (1), направление ее развития (2) и область долома (3) (рис. 2).
При детальном рассмотрении излома можно увидеть светло-серый, зернистый рельеф, состоящий из блестящих граней. Расходящиеся рубцы указывают направление разрушения. Можно сделать вывод, что это хрупкий мелкокристаллический излом.
'М
Рис. 1. Устройство отвертки и ее типовые размеры, 1-рукоятка, 2-стержень, 3-шлицевой наконечник
Рис. 2. Фотография излома. 1 - место зарождения трещины, 2 - направление развития трещины. 3 - область
долома
При макроструктурном анализе поверхности детали в месте зарождения трещины была обнаружена маркировка «Chrome Vanadium» (рис. 3), нанесенная механическим способом. Маркировка наносится на стержне отвертки методом гравировки или фрезеровки. Она должна быть нанесена на плоскости, перпендикулярно делительной оси, на расстоянии от 10 до 20 мм от рукоятки [2].
Рис. 3. Фотография поверхности излома. 1-часть гравировки в месте зарождения трещины
Нанесение маркировки на стержень отвертки можно производить вручную или с помощью специального оборудования (например, станка для гравировки). При ручной гравировке необходимо использовать специальную ручку-гравер или ножницы-граверы, которые позволяют создавать ровную и четкую линию маркировки. При фрезеровке маркировка наносится на стержне с помощью фрезы или специальной гравировальной насадки на переносном фрезерном станке [3].
Механическая маркировка, как правило, не должна повлиять на механические свойства металлического стержня. Однако, если маркировка произведена слишком глубоко или неправильно выбран инструмент для маркировки, то это может повредить внешнюю поверхность инструмента, включая поверхности режущей кромки или других функциональных частей. Это может привести к нарушению геометрических параметров, механических свойств и режима работы инструмента. Например, механическая маркировка на поверхности режущей кромки может нарушить ее качество и точность, что приведет к уменьшению производительности инструмента и ухудшению качества обработки. Также, за счет нарушения поверхности инструмента, повышается риск возникновения трещин, сколов и других дефектов, что также может снизить надежность и долговечность инструмента [3].
Исходя из того, что место зарождения трещины совпадает с местом нанесения маркировки, можно предположить, что гравировка была выполнена с нарушением правил ГОСТ 7566-94 «Металлопродукция приемка, маркировка, упаковка, транспортирование и хранение», что могло стать причиной отказа.
Для определения химического состава стали использовался метод пробы на искру. Марку стали по искре определяют на основании цвета искры и количества «звездочек». При соприкосновении стали с вращающимся абразивным камнем получается пучок искр. Характер и цвет искр зависят от химического состава стали и позволяют приближенно определять марку стали [5]
В месте прикосновения стержня отвертки с абразивным кругом образуется ярко-желтый пучок искр, в центре искр выделяются густые звездочки, на концах нитей небольшое количество стрелочек, в некоторых звездочках имеются красные крупинки [5].
По количеству, характеру и цвету искр можно сказать, что это хромистая среднеуглеродистая сталь, предположительно 40Х.
Проба на искру не противоречит подобранной в технической документации стали.
Для микроструктурного анализа и оценки балла неметаллических включений поверхность стержня отвертки была отшлифована, а после чего отполирована на станке DSGS 3E88-IM №1415-88. Полирование производи-
72
ли на быстровращающихся дисках, обтянутых мягким сукном, смоченным водой. Плоскость отполированного шлифа была протравлена 4% раствором азотной кислоты в этиловом спирте. Травление проходило методом погружения образца в раствор травителя на 2-3 секунды (время травления рассчитывалось исходя из твердости образца).
На микроскопе Axio Observer Dim были сделаны фотографии структуры при увеличении х200, х1000,
х1600.
Рис. 4. Микроструктура исследуемого образца после травления при увеличении х200
Рис. 5. Микроструктура исследуемого образца после травления при увеличении х1000
Рис. 6. Микроструктура исследуемого образца после травления при увеличении х1600
На фотографиях запечатлена структура мартенсит + тростит. При оптимальной температуре нагрева доэвтектоидной стали, но недостаточно высокой скорости охлаждения, успевает произойти частичный распад аусте-нита с образованием троостита закалки. При этом сталь получает структуру мартенсит + троостит. Тростит весьма дисперсен и характеризуется повышенной травимостью в сравнении с мартенситом, поэтому под микроскопом он просматривается в виде темных участков (часто по границам зерен).
Такая структура характерна для сталей с содержанием углерода 0,4-0,6 % после закалки и среднего отпуска.
Оценка балла неметаллических включений проводилась на микроскопе 21 по ГОСТ 1778-70
«Сталь. Металлографические методы определения неметаллических включений» с увеличением х100 в трех полях зрения на нетравленом шлифе в светлом и темном поле. Были установлены оксиды и сульфиды, другие неметаллические включения не обнаружены.
Описание оксидов: морфология глобулярная, расположение хаотическое, строение однородное, в темном фоне прозрачные, бледно-желтого цвета, точечные.
Описание сульфидов: морфология глобули, расположение по границам зерен, в темном поле не прозрачны.
Средний балл оксидов - 1, сульфидов - 1,5. Это соответствует норме, следовательно, неметаллические включения не инициируют разрушение.
Для определения механических свойств была измерена твёрдость на твердомере ТК-2М с усилиями 150 кг. по методу Роквелла. Измерения производились 3 раза в середине стального стержня отвертки на небольшом расстоянии друг от друга. Среднее значение твердости после подсчетов равно 54.5 НЕС.
Из измерений следует, что полученная твердость отвертки не соответствует ГОСТ 17199-88 «Отвертки слесарно-монтажные», по которому твердость отвертки не должна быть больше 52 НЕС. Повышенная твердость стали могла стать причиной появления трещины, из-за которой произошел отказ детали.
Согласно [4], твердость 54.5 НЕС (=538 НВ) характерна для закалки в 850 °С в масле, и отпуске 200-250 °С стали 40Х.
Свойства стали 40Х в зависимости от температуры отпуска
Таблица 2
Температура отпуска, "С (МПа) св(МПа) S5(%) i|)% KCU (кДж/м2) НВ
200 1560 1760 8 35 29 552
300 1390 1610 8 35 20 498
Полученная структура на рис. 6, подходит под ТО, указанную выше, значения твердости оценки неметаллических включений совпадают с нашими значениями, из чего следует, что сталь, подобранная для стержня отвертки, является 40Х. Что соответствует требованиям технической документации.
В результате данной работы по изучению отказа, выяснилось:
1. Полученная отвертка не соответствует ГОСТ 17199-88 «Отвертки слесарно-монтажные». Твердость, указанная в ГОСТ, 47—52 НЕС отличается от полученной - 54.5 НЕС. Повышенная твердость стали могла стать причиной появления трещины при работе с отверткой, из-за которой произошел отказ детали. Причиной повышенной твердости могла стать неправильная термообработка.
2. В месте зарождения трещины была обнаружена маркировка, которая могла стать причиной её появления во время эксплуатации.
Рекомендации для предотвращения отказов в будущем:
1.Увеличить температуру отпуска с 200-250°С до 250-300°С, таким образом механические свойства стали изменятся не критично и будут полностью подходить под ГОСТ 17199-88 «Отвертки слесарно-монтажные».
2.Сменить способ нанесения маркировки либо усилить контроль над текущим. Для снижения риска ухудшения механических свойств стали при нанесении маркировки можно использовать лазерную гравировку вместо механического насечения. Лазерная гравировка работает без контакта с поверхностью, исключая вероятность
повреждения стали. Кроме того, лазерная маркировка обеспечивает более точную и читаемую маркировку, что помогает избежать ошибок в процессе дальнейшей обработки, стали. Второй метод - гравировка с использованием химических растворов. Этот метод позволяет точно и четко наносить маркировку на поверхности стали без воздействия на металл. Другим эффективным методом является использование маркировочных принтеров. Они могут печатать на металлических поверхностях цифры, буквы или бар-коды без воздействия на сам металл. Таким образом, использование методов маркировки, которые минимизируют воздействие на металл, поможет сохранить механические свойства стали и предотвратить риск их ухудшения [3].
Список литературы
1. ГОСТ 17199-88 «Отвертки слесарно-монтажные». Взамен ГОСТ 17199-714; введ. 1989-07-01. М.: Стан-дартинформ, 2007. 18 с.
2. ГОСТ Р 57979-2017 «Отвертки слесарно-монтажные. Рабочая часть отверток для винтов и шурупов с прямым шлицем. Размеры»; введ. 31.07.2018. М.: Стандартинформ 01.01.2019. 14 с.
3. ГОСТ 7566-94 «Металлопродукция. Приемка, маркировка, упаковка, транспортирование и хранение». Взамен ГОСТ 7566-81; введ. 1998-01-01. М.: Стандартинформ 1997. 20 с.
4. Сорокин В.Г., Волосникова А.В., Вяткин С.А. Марочник сталей и сплавов. Издано: Москва: «Машиностроение», 1989. 40 с.
5. Ситанов И. Определение марки стали по искре. М.: Машгиз, 1953. 24 с.
Голенцов Кирилл Алексеевич, магистрант, [email protected], Россия, Тула, государственное бюджетное учреждение высшего образования Тульский государственный университет
ANALYSIS OF THE CAUSES OF TOOL FAILURE USING THE EXAMPLE OF FITTING AND INSTALLATION TURNING
K.A. Golentsov
The article presents an analysis of the reasons for the rejection of the screwdriver design. An analysis of the operating conditions of the product, a macrofractographic analysis of the fracture was carried out, the structure of the steel was identified and its non-compliance with the specified standards was determined, violations of operating rules were identified and recommendations were given to prevent failures in the future.
Key words: failure analysis, fracture, GOST compliance, torsion liability, operating rules.
Golentsov Kirill Alekseevich, master's, [email protected], Russia, Tula, state budgetary institution of higher education Tula State University
УДК 658.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-74-75
ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПЛАНИРОВАНИЯ РАБОТЫ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКОЙ
ОРГАНИЗАЦИИ
М.Н. Фетисов
Рассмотрены особенности многоуровневой структуры отечественной авиастроительной отрасли и обусловленные этим проблемы организации совместной работы предприятий-разработчиков и предприятий-производителей. Показано, что в условиях ограниченности материальных ресурсов и дефицита квалифицированных инженерных кадров одной из актуальных задач является задача организации ритмичной и результативной проект-но-конструкторской деятельности предприятия-разработчика. Установлены объективные и субъективные причины неритмичной работы предприятия-разработчика в процессе проектирования конструкторской документации и выявлены два уровня планирования проектно-конструкторских работ, связанные с распределением производственных заданий (проектов) по группам исполнителей. Предложена методика формализации процесса распределения проектно-конструкторских работ по группам исполнителей, базирующаяся на решении задачи оптимальной загрузки контейнера и принципах целочисленного программирования. Представлена математическая модель поэтапного решения задачи оптимального распределения и планирования проектов, разработанная с использованием гра-диентно-случайного метода поиска на основе высокопроизводительных вычислительных систем типа HEDT.
Ключевые слова: проект, проектно-конструкторская деятельность, планирование, распределение работ.
Современные машиностроительные предприятия характеризуются высокой стоимостью своих компонентов (особенно основного технологического оборудования), функциональной и конструктивной сложностью, многовариантностью возможных технических, технологических и организационных решений, необходимостью поиска оптимального решения для конкретного заказчика. Последнее обстоятельство получило наименование «кастомиза-ция производства» или «индивидуализированное производство», характерные свойства которого неоднократно рассмотрены в зарубежной и отечественной литературе [1-3]. В этих условиях основной задачей при планировании про-ектно-конструкторских работ является формирование совокупности конструкторской, технологической, эксплуатационной и другой необходимой документации в заданные сроки и при минимальных издержках.
74
