CC BY
55
УДК 621.787
ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕДУР СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ПРИ ВЫБОРЕ МАТЕРИАЛА И ТРЕБОВАНИЙ К УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ В ИНТЕГРИРОВАННЫХ САПР М.Е. ПОПОВ, А.М. ПОПОВ, М.И. АБУХАРБ
(Донской государственный технический университет)
Изложена задача формализации процедур оптимального выбора конструкционного материала и требований к упрочняющей обработке деталей в интегрированных САПР, которая решается путем создания интеллектуальных систем поддержки принятия решения.
Ключевые слова: системный анализ, формализация процедур выбора, интегрированные САПР, выбор материала, упрочняющая обработка деталей.
Введение. Используя различные конструкционные материалы и последние достижения науки и техники, конструктор может создавать эффективные и конкурентоспособные машины (изделия), надежно выполняющие самые разнообразные функции. Долговечность и надежность изготавливаемых деталей машин зависят от материала и его конструктивной прочности, т. е. комплекса тех прочностных свойств, которые в наибольшей степени влияют на эксплуатационные свойства изделия. Несмотря на большое разнообразие материалов, в машиностроении зачастую требуется такое сочетание различных свойств, которые возможно достичь только дополнительной обработкой. Качество деталей, их механические и физико-механические свойства в значительной степени зависят от упрочняющей обработки, применяемой на различных стадиях производства. Формализация процедур оптимального выбора материала и требований к упрочняющей обработке деталей. Выбор оптимального вида материала и технологии упрочняющей обработки деталей на стадиях конструкторского и технологического проектирования сопряжен с поиском и анализом больших объемов информации [1 - 4].
При выборе материалов для конкретных деталей необходимо учитывать их свойства, условия работы детали, характер нагрузок, вид и характер напряжений, стоимость и доступность.
Выбор производят в два этапа. Сначала выбирают материалы, которые удовлетворяют предъявляемым требованиям к заданным физико-механическим, эксплуатационным, технологическим и другим свойствам и внешнему виду изделия. Затем методом технико-экономического анализа с точки зрения минимальных затрат при производстве и эксплуатации изделия принимают решение об окончательном выборе материала.
В процессе выбора материала учитывают:
- первичные требования, которые задаются исходя из основных условий службы изделия (например, требования коррозионной стойкости);
- вторичные требования, которые задаются исходя из технологических условий изготовления (например, требования к свариваемости).
Правильный выбор конструкционного материала основывается на всестороннем комплексном учете эксплуатационных требований, заданного ресурса работы, минимальной материалоемкости, технологичности и окончательной себестоимости изделия. Требования, предъявляемые к конструкционным материалам, как правило, основаны на имеющемся опыте создания подобных изделий, результатах экспериментальных определений свойств конкретных материалов и элементов конструкций из них, данных, полученных в процессе эксплуатации аналогичных машин, конструкции, оборудования, механизма и т. д.
Алгоритм решения задачи по выбору материала, в зависимости от его нормируемых (требуемых) свойств, следующий (рис. 1).
1. Проводится анализ условий работы и возможных причин отказа детали в процессе эксплуатации. Формируются требования к материалу и намечаются технологические методы удовлетворения этих требований.
2. По справочникам или другим информационным источникам определяются марки материалов и их упрочняющие обработки, которые обеспечивают требуемый уровень конструкционной прочности.
3. Оцениваются технологические свойства и производственные возможности (технологии) изготовления детали.
4. Определяются показатели экономической эффективности использования сопоставляемых материалов. Под эффективностью конструкционного материала понимают способность материала к работе в заданных условиях применения при обеспечении наименьшей стоимости изготовленного из него элемента конструкции и нормально (надежно) функционирующего в течение установленного времени.
Рис. 1. Нормирование параметров состояния поверхностного слоя деталей
При оптимальном выборе материала учитывают степень ответственности и уровень нагруженное™ детали. Ответственные детали или ответственные элементы конструкции - это детали, повреждения которых приводят к разрушению всего изделия или аварии, что наносит значительный ущерб людям и окружающей среде.
Требуемые показатели механических свойств имеют разные материалы. Поэтому для их оптимального выбора анализируют не менее 4-5 конкурентоспособных марок материалов. Подбор, например, сталей для последующего их сопоставительного анализа осуществляют в следующей последовательности. Вначале находят удовлетворительный материал из числа простых углеродистых сталей. Учитывая, что прочность стали возрастает с увеличением в ней количества углерода, но при этом прокаливаемость мала, подбирают еще и соответствующую требованиям низколегированную сталь. Уже на этом этапе в зависимости от требуемых свойств ведут отбор сталей по их характеристикам прокаливаемое™ Д50, Д95 или Д99. По мере ужесточения требований по механическим свойствам отбор сталей ведут с возрастанием в них содержания легирующих элементов (перлитный или мартенситный классы легированных сталей, а также специальные стали: дисперсионнотвердеющие, мартенситостареющие и др.). В состав анализируемых марок материалов включают марки, их заменяющие. Так появляется необходимый набор материалов, возможных для использования.
Проблема оптимизации выбора материала в машиностроении возникла в связи с необходимостью обеспечения высокого качества изделий, расширением номенклатуры применяемых материалов и усложнением технологии их обработки; опыта технолога и интуиции стало недостаточно.
Об оптимальности выбора материала можно говорить лишь применительно к тем или иным конкретным условиям, которые должны быть отражены в требованиях к изделию. Все множество деталей машин характеризуется определенными условиями эксплуатации (работы) [5 -7]. Условия эксплуатации представляются множеством:
- условий приложения нагрузки (объемные, поверхностные, точечные и др.);
- видов изменения нагрузки во времени (статические, ударные, циклические и др.);
- сред, в которых эксплуатируется деталь (атмосфера, водные растворы, агрессивная (газовая, жидкая, твердая) среда и др.);
- температурных режимов эксплуатации детали (диапазоны температур: -80 —0 °С; +0 - +100 °С; +100 - +500 °С; +500 - +1100 °С и др.).
С учетом этих требований разрабатывается математическая модель функционирования объекта во всех режимах эксплуатации, определяется целевая функция и решается задача оптимизации каким-либо из существующих методов.
Каждому условию эксплуатации соответствуют прочностные характеристики, которым должен отвечать материал детали, и возможные виды ее упрочнения:
- условия эксплуатации (поверхностная твердость, поверхностная и контактная прочность, пластичность, выносливость, ползучесть и др.);
- виды материалов (сталей), используемых для изготовления деталей (углеродистая обыкновенного качества, углеродистая качественная, конструкционная, легированная и др.);
- химические (химический состав, коррозионная стойкость), физические (теплоемкость, теплопроводность, электросопротивление и т. д.) и технологические (способность к литью - жид-котекучесть, пластичность, свариваемость и т. д.) свойства выбранных видов материалов;
- возможные виды упрочняющей обработки (азотирование, борирование, алитирование, цементация, хромирование, ППД и др.);
- режимные характеристики для каждого вида упрочняющей обработки (температура, время обработки, норма загрузки, сила, скорость, подача и др.);
- возможные способы получения (литье, прокатка, ковка, штамповка и т. д.) и виды заготовок (лист, полоса, круг, квадрат и др.).
Исходя из заданных условий эксплуатации получаем набор механических свойств и возможные виды упрочняющей обработки (рис. 1). Каждому набору (условие приложения нагрузки, время приложения нагрузки, среда и температура) однозначно соответствуют наборы прочностных характеристик марок сталей и рекомендуемых видов их упрочняющей обработки. Из марочника сталей находим такой набор прочностных характеристик, для которого выполняется условие ограничений эксплуатационных свойств и прочностных характеристик изделия.
В результате выполнения изложенных действий формируются допустимые варианты марок сталей, виды упрочняющей обработки, способы получения и виды заготовок, из которых производится выбор оптимального решения. Оптимизация сводится к выбору лучшего варианта из предварительно подготовленного перечня марок, удовлетворяющих предъявляемым требованиям.
Лучшим или оптимальным может быть вариант по конкретному показателю, например, по минимуму затрат (стоимости), технические показатели, в частности, надежность (безотказность), при этом относят в разряд ограничений [5, 7, 8]:
min С при Р = const, где С, Р- стоимость и безотказность, соответственно.
Условия оптимизации могут быть и другими, например, по минимуму массы при постоянной надежности или максимуму надежности при постоянной массе. В этом случае условия оптимизации имеют вид:
min G при Р = const; max Я при G = const,
где G- масса.
При необходимости приемлемые решения можно находить и по двум показателям -максимуму надежности и минимуму стоимости при постоянной массе, по минимуму стоимости и массы при постоянной надежности:
min С и max Я при G = const; min Си Gпри Р = const.
Могут быть и другие показатели оптимизации и ограничения; они формируются в каждом конкретном случае исходя из требований, предъявляемых к деталям и изделиям с учетом их специфики.
Большое значение при оптимизации выбора материала имеет определение несущей способности соответствующей детали (изделия). Для этого используют зависимости, отражающие физическую сущность соответствующих явлений (протекающих процессов).
В общем виде порядок формирования несущей способности в случае механического нагружения представим графически (рис. 2). В качестве определяющего параметра при этом принимается текущее значение разрушающих напряжений в оцениваемом объекте ат. В соответствии с приведенной схемой при определении несущей способности учитывается исходное значение определяющего параметра аИ, влияние на него нагрева объекта в рабочем режиме Kt и влияние условий эксплуатации во времени К. Одновременно принимается во внимание и возмож-
у.э
ность разброса (случайность) всех этих параметров , КУп ).
Рис. 2. Формирование несущей способности детали
Аналогично можно, в случае необходимости, выразить несущую способность и при других видах нагружения, которые понимаются в широком смысле слова, включая тепловые, электрические и другие виды воздействия.
Помимо несущей способности для формирования оптимизационной задачи (построения целевой функции) необходимо определить эксплуатационную нагрузку. Она также характеризуется каким-то разбросом и зависит от условий эксплуатации, т. е. является случайной величиной или функцией случайной величины.
Сформировав необходимые зависимости по несущей способности и по эксплуатационным нагрузкам, перейдем к построению целевой функции. Эффективность использования материала оценивается способностью изделия выполнять заданные функции, т. е. надежностью при одновременном учете затрат на создание изделия.
Для решения задачи оптимизации выбора материалов, как и любой оптимизационной задачи, нужно иметь целевую функцию, связывающую параметры применительно к рассматриваемому случаю. Базовыми соотношениями при этом являются математические модели, характери-
зующие работу детали в соответствующих режимах эксплуатации и увязывающие ее со свойствами материала, зависимости из области надежности и соответствующие характеристики стоимости.
Формируемую функцию, в общем виде, можно записать:
Fn=<v[R,Q,U{P),C,G\,
где R- несущая способность (разрушающая способность или предельно допускаемое значение нагрузки); Q - эксплуатационная (действующая) нагрузка; U(p) - функция (условие) работоспособности; Р, С, G - безотказность, стоимость и масса изделия.
В дальнейшем она конкретизируется с учетом особенностей изделия, условия его эксплуатации и соответствующих ограничений; затем задача решается каким-либо из существующих методов. Вместе с тем выбор материала зависит от вида упрочняющей обработки. Необходимо, таким образом, системное рассмотрение вопроса, одновременный выбор и материала, и вида упрочняющей обработки.
Выводы.
1. Формализация процедур системного анализа при выборе материала и требований к упрочняющей обработке деталей машин позволяет конструкторам и технологам машиностроительных предприятий обоснованно выбирать марку конструкционного материала, вид и технологию его упрочняющей обработки.
2. Задача выбора метода материала и требований к упрочняющей обработке деталей в интегрированных САПР может быть решена путем создания интеллектуальных систем поддержки принятия решения на основе автоматизированных банков данных и банков знаний методов упрочняющей обработки.
3. Создание интеллектуальных систем поддержки принятия решения и соответствующих автоматизированных банков данных и банков знаний требует формализации описания технологических возможностей методов упрочняющей обработки, а также разработки соответствующих алгоритмов и программного обеспечения для их выбора.
Библиографический список
1. Попов М.Е. Основы САПР технологических операций упрочняющей обработки: учеб. пособие / М.Е. Попов. - Ростов н/Д: РИСХМ, 1987. - 91 с.
2. Попов М.Е. Проектирование операций упрочняющей обработки деталей машин методами ППД / М.Е. Попов // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2010. - №7. - С. 11-20.
3. Попов М.Е. Формализованное описание структуры базы данных методов упрочняющей обработки в интегрированных САПР / М.Е. Попов // Вестн. Донск. гос. техн. ун-та. Серия «Проблемы производства машин». - Ростов н/Д, 2000. - С. 88-91.
4. Информационные и процедурные модели синтеза экологически безопасных технологических процессов химико-термической обработки изделий из металлов: учеб. пособие / Е.Н. Малыгин, В.А. Немтинов, С.Я. Егоров [и др.]. - Тамбов: Изд-воТамб. гос. техн. ун-та, 2007. - 108 с.
5. Зоткин В.Е. Методология выбора материалов и упрочняющих технологий в машиностроении: учеб. пособие / В.Е. Зоткин. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2004. - 264 с.
6. Надежность в технике. Упрочнение деталей машин. Выбор режимов хромирования по долговечности. Общие требования: метод, указания. РД 50-415-83.
7. Попов М. Е. Снижение металлоемкости машин упрочняющей обработкой деталей методами ППД / М.Е. Попов // Вестн. Курган, гос. ун-та. Серия «Технические науки». Вып. 2, ч. 1. -Курган, 2006. - № 1. - С. 96-98.
8. Кравчук B.C. Сопротивление деформированию и разрушению поверхностно-упрочненных деталей машин и элементов конструкций / B.C. Кравчук, Юсеф Абу Айаш, А.В. Кравчук. - Одесса, 2000. - 152 с.
Материал поступил в редакцию 23.01.2012.
References
1. Popov M.E. Osnovy' SAPR texnologicheskix operacij uprochnyayushhej obrabotki: ucheb. po-sobie / M.E. Popov. - Rostov n/D: RISXM, 1987. - 91 s. - In Russian.
2. Popov M.E. Proektirovanie operacij uprochnyayushhej obrabotki detalej mashin metodami PPD / M.E. Popov // Uprochnyayushhie texnologii i pokry'tiya. - 2010. - №7. - S. 11-20. - In Russian.
3. Popov M.E. Formalizovannoe opisanie struktury' bazy' danny'x metodov uprochnyayushhej obrabotki v integrirovanny'x SAPR / M.E. Popov // Vestn. Donsk. gos. texn. un-ta. Seriya «Problemy' proizvodstva mashin». - Rostov n/D, 2000. - S. 88-91. - In Russian.
4. Informacionny'e i procedurny'e modeli sinteza e'kologicheski bezopasny'x texnologicheskix processov ximiko-termicheskoj obrabotki izdelij iz metallov: ucheb. posobie / E.N. Maly'gin, V.A. Nemti-nov, S.Ya. Egorov [i dr.]. - Tambov: Izd-vo Tamb. gos. texn. un-ta, 2007. - 108 s. - In Russian.
5. Zotkin V.E. Metodologiya vy'bora materialov i uprochnyayushhix texnologij v mashinostroe-nii: ucheb. posobie / V.E. Zotkin. - 3-e izd., pererab. i dop. - M.: Vy'ssh. shk., 2004. - 264 s. - In Russian.
6. Nadyozhnost' v texnike. Uprochnenie detalej mashin. Vy'bor rezhimov xromirovaniya po dolgovechnosti. Obshhie trebovaniya: metod. ukazaniya. RD 50-415-83. - In Russian.
7. Popov M. E. Snizhenie metalloyomkosti mashin uprochnyayushhej obrabotkoj detalej metodami PPD / M.E. Popov // Vestn. Kurgan, gos. un-ta. Seriya «Texnicheskie nauki». Vy'p. 2, ch. 1. -Kurgan, 2006. - № 1. - S. 96-98. - In Russian.
8. Kravchuk V.S. Soprotivlenie deformirovaniyu i razrusheniyu poverxnostno-uprochnyonny'x detalej mashin i e'lementov konstrukcij / V.S. Kravchuk, Yusef Abu Ajash, A.V. Kravchuk. - Odessa, 2000. - 152 s. - In Russian.
SYSTEM ANALYSIS PROCEDURE FORMALIZATION BY CHOOSING MATERIAL AND REQUIREMENTS TO PART STRENGTHENING TREATMENT IN INTEGRATED CAD/CAM
M.E. POPOV, A.M. POPOV, M.I. ABURHARB
(Don State Technical University)
The problem on the procedure formalization of the optimal selection of the constructional material and the requirements to part strengthening treatment in the integrated CAD/CAM is stated.
Keywords: system analysis, selection procedure formalization, integrated CAD/CAM, material selection, part strengthening treatment.
