CC BY
38
СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ КАЧЕСТВА
УДК 621.81.004.17:620.191.355.001.5
Непараметрический подход к оценке качества изделий
В. А. Валетов, А. Ю. Иванов
Введение
Если какой-либо фактор существенно влияет на качество производимой продукции, то целесообразно оптимизировать этот фактор для получения максимального эффекта. Решающее влияние на эксплуатационные свойства деталей изделия оказывают характеристики поверхностного слоя материалов деталей. В данной статье речь пойдет о двух характеристиках поверхностного слоя материала деталей, оптимизация которых по разным причинам до сих пор не используется для повышения эксплуатационных свойств деталей. Это микрогеометрия (шероховатость) поверхностей и механические напряжения в поверхностном слое материала деталей. Проанализируем причины такого положения и изложим предлагаемые способы их устранения.
Краткая историческая справка
В 1975 году в СССР был введен в действие ГОСТ 2789-73 «Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики», где изложены требования к качеству шероховатости поверхностей деталей машин и приборов. Ранее аналогичные стандарты были приняты во многих западных странах. Среди стандартизованных параметров чаще всего встречаются параметры: среднеарифметическое отклонение профиля от средней линии Яа, среднеарифметическое отклонение профиля от средней линии по десяти точкам Яг, наибольшее отклонение профиля Ятах, среднеквадратическое отклонение профиля от средней линии Яд. Одновременно создавались и совершенствовались средства автоматизированного определения этих параметров. Что явилось главной причиной перехода на параметрические стандарты? Как известно, ранее шероховатость поверхностей деталей регламентировалась четырнадцатью классами шероховатости: от самой грубой — т1, до самой чистой, идеально зеркальной — тттт14.
Каждый класс шероховатости делился на несколько подклассов с использованием соответствующего количества знаков ▼. Например,
седьмой класс мог иметь обозначение т7 ... ... ▼▼▼ 7. Для всех основных видов обработки поверхностей были изготовлены образцы шероховатости для каждого конкретного класса и подкласса. На основе многочисленных многолетних опытов были сформулированы рекомендации, какой вид обработки и какие режимы используются для получения шероховатости поверхности того или иного класса и подкласса. Соответствие шероховатости обработанной поверхности заданной на чертеже определялось визуально, сравнением с соответствующим образцом. Неизбежная субъективность подобного метода оценки приводила к многочисленным конфликтам. Поэтому, как только метрологи предложили примитивнейший по сегодняшним меркам прибор для графического изображения, а затем и статистической обработки профиля, все стали внедрять стандартизацию параметров профиля поверхностей с удивительной поспешностью. Таким образом, удалось избавиться от субъективности оценки микрогеометрии, одновременно была потеряна возможность оптимизации последней для получения конкретных функциональных свойств поверхности. В качестве доказательства приведем четыре условия, без выполнения которых оптимизация микрогеометрии практически исключается:
• наличие сведений об оптимальной микрогеометрии с учетом конкретного функционального свойства;
• точное описание известной оптимальной микрогеометрии (нормирование на чертеже);
• воспроизводимость заданной оптимальной микрогеометрии при обработке поверхности;
• возможность провести контроль полученной микрогеометрии быстро, точно и с минимальными затратами.
Очевидно, что на практике параметрические стандарты не позволяют выполнить второе условие, так как для этого требуется от 3 до 25 параметров. Это нереально, и такие попытки даже не предпринимаются. О последнем можно судить на основании того, что на рабочих чертежах деталей шероховатость каждой поверхности нормируется одним параметром: Яа (или Яд) или Яг. Практическую бессмысленность параметрических стандартов
Рис. 1. Профили двух зеркально противоположных поверхностей:
т — средняя линия
с точки зрения оптимизации микрогеометрии показывает пример, ставший уже классическим (рис. 1).
Достаточно посмотреть на два профиля, у которых все действительно используемые стандартные параметры абсолютно одинаковы, и задать себе, уважаемые конструкторы и технологи, только один вопрос: могут ли две поверхности с такими разными микрорельефами иметь одинаковое функциональное свойство? Даем парадоксальный на первый взгляд ответ: могут, но только в том случае, если интересующее нас свойство поверхности не зависит от ее шероховатости. При этом остается без ответа еще один важный вопрос: зачем мы нормируем шероховатость всех поверхностей деталей независимо от того, влияет она или не влияет на известные функциональные воздействия? Если же шероховатость поверхности существенно влияет на интересующее нас функциональное свойство, то оно просто не может быть одинаковым у этих двух поверхностей, профили которых показаны на рис. 1. Очевиден и вывод: параметрические критерии оценки и контроля микрогеометрии поверхностей изделий практически исключают возможность улучшения их качества за счет оптимизации микрогеометрии функциональных поверхностей.
Неудовлетворенность параметрическим подходом к оценке и контролю микрогеометрии поверхностей проявилась вскоре после введения последнего и выразилась в многочисленных попытках поиска так называемых комплексных критериев, которые, как предполагалось, должны коррелировать с функциональными свойствами поверхностей. Данную задачу пытались решить И. В. Крагельский, Ю. Р. Витенберг, В. С. Лукьянов, В. С. Ком-балов, Я. А. Рудзит, Д. Ф. Аршард, П. Р. Найак, Т. Р. Томас, Р. С. Сейлс, Д. Д. Уайтхауз и многие сотни, а возможно, и тысячи других исследователей [1-4]. Все эти попытки заканчивались предложением использовать какой-либо численный (параметрический) критерий, полученный в результате арифметических действий с различными параметрами, или некоторые функции для качественной оценки характера микрорельефа. Но ни одно из реше-
ний не удовлетворяло четырем вышеизложенным условиям оптимизации микрогеометрии поверхностей деталей.
Возможное реальное решение проблемы было предложено в докторской диссертации и многочисленных публикациях и докладах профессора В. А. Валетова [5-10]. В этих работах графические изображения функций распределения и функций плотности распределения ординат и углов наклона профилей, а также графические изображения опорных кривых (кривых Аббота) представлены таким образом, что их можно использовать на практике в качестве критериев оценки и контроля микрогеометрии. В качестве предельных возможностей непараметрического подхода в этой области указывается использование в качестве критериев оценки и контроля микрогеометрии графических изображений самого профиля и — в пределе — графических изображений микротопографии поверхностей. Последнее практически означает возврат к комплексной оценке, характерной для ранее использовавшихся образцов шероховатости, за исключением субъективности оценки, так как предполагается, что процесс полностью компьютеризирован.
К сожалению, эта важнейшая проблема имеет не только технический характер. Бессмысленность использования параметрических критериев настолько очевидна, что их применение и в наши дни невозможно объяснить соображениями здравого смысла.
В связи с этим одной из основных целей данной статьи является широкое распространение информации о возможности эффективного использования непараметрических подходов на любом отдельно взятом предприятии как реалистичного, экономически приемлемого способа повышения качества продукции. Для того чтобы получить реальный эффект от оптимизации микрогеометрии поверхностей, многие предприятия, выпускающие продукцию из конструкционных материалов, могут самостоятельно экспериментально определить наилучшую возможную микрогеометрию или убедиться в отсутствии влияния микрогеометрии на интересующие их функциональные свойства поверхности. И в том, и в другом случае экономический эффект очевиден: если имеет место первый вариант, то можно улучшить качество продукции, а если — второй, то отпадет необходимость ненужных затрат на обеспечение и контроль ни на что не влияющей шероховатости поверхности. Конечно, речь идет об экспериментах с использованием непараметрических критериев оценки и контроля микрогеометрии. В качестве таких критериев целесообразно использовать графиче-
ские изображения функций плотности распределения ординат или углов наклона профилей, а еще лучше — сами профили или микротопографии поверхностей.
В чем же принципиальное отличие стандартных параметрических критериев оценки и контроля шероховатости от предлагаемых непараметрических — графических изображений различных функций? Главное отличие — в их информативности. Любой стандартный параметр шероховатости содержит так мало информации, что, будучи реализован при обработке поверхности, практически никак не предопределяет структуру микрорельефа. Таким образом, для заданного на чертеже параметра можно получить бесчисленное множество разных микрорельефов поверхности, зависящее от шероховатости, свойства которых будут разными и чаще всего совсем не такими, как мы ожидали.
Методика с использованием
непараметрических критериев
Что представляют собой непараметрические критерии? Например, функция плотности распределения ординат или тангенсов углов наклона профиля содержит не менее 95 % информации о профиле, а значит, каждой заданной функции соответствует практически только один микрорельеф. Возможное рассеяние микрорельефов для одной заданной функции пренебрежимо мало и не может привести к большому отклонению ожидаемого функционального свойства.
Для менее ответственных случаев в качестве критерия оценки и контроля шероховатости достаточно использовать опорную кривую (кривую Аббота), при наличии более жестких требований — плотность распределения ординат профиля или тангенсов углов его наклона, а лучше всего сам профиль. Ниже изложена сущность методики использования непараметрических критериев для улучшения конкретного свойства поверхности, зависящего от ее шероховатости.
• Изготавливается определенное количество образцов для испытаний, у которых будут одинаковыми все характеристики, кроме шероховатости испытуемых поверхностей. Последние обрабатываются всеми возможными на предприятии способами и при различных режимах обработки. При этом для каждого образца фиксируются вид и режимы его обработки.
• Для исключения влияния наклепа все экспериментальные образцы целесообразно подвергнуть отжигу.
• С помощью профилографа-профиломет-ра с функциональных поверхностей каждого образца получаем профили равной длины. В результате статистической обработки данных о профиле получаем не только Яа, Яг, но и графические изображения опорных кривых (кривых Аббота), плотностей распределения ординат и тангенсов углов наклона профиля и микротопографию поверхности. Благодаря применению современных приборов вся эта процедура длится несколько секунд, ее результаты сохраняются на жестком диске.
• Все образцы подвергаются испытаниям в целях определения необходимого функционального свойства. Если результаты испытаний всех образцов окажутся одинаковыми, значит, шероховатость поверхности не влияет на это свойство, и незачем ее нормировать. Если результаты испытания различны, то определяется образец с лучшим уровнем рассматриваемого функционального свойства.
• Графическое изображение кривой Аббота, или график плотности распределения соответствующей функции, или сам профиль поверхности образца, у которого зафиксирован лучший результат, принимается в качестве эталона (рис. 2), а технология изготовления этого образца нормируется в технологическом процессе изготовления детали на производстве.
• Соответствие шероховатости поверхностей серийных деталей эталонным значениям проверяется простым совмещением графика функции, полученного для контролируемой поверхности, с эталонным. Если график функции контролируемой поверхности не совпадает с эталоном, деталь бракуется.
• В настоящее время доказано существенное влияние шероховатости всего на два десятка функциональных свойств поверхностей. Достаточно присвоить постоянный номер каждому из этих свойств и проставлять его на «знаке» шероховатости вместо используемых сейчас параметров Яа, Яг и т. п.
На рис. 2 в качестве допуска заштриховано поле функции, которое можно изменять
Рис. 2. Плотность распределения Ш ординат профиля УI оптимальной микрогеометрии поверхности
в зависимости от степени важности или ответственности деталей. Эффективность непараметрических критериев неоднократно подтверждалась в различных исследованиях. Достаточно сказать, что благодаря использованию непараметрических критериев оценки микрогеометрии поверхностей трения удалось установить непрерывный, циклический характер ее изменения вопреки укоренившемуся мнению о так называемой равновесной и независимой от исходного состояния микрогеометрии в парах трения-скольжения [6].
К числу пока еще трудно решаемых проблем следует отнести механические напряжения в поверхностном слое материала деталей, их возникновение практически неизбежно при обработке металлических заготовок резанием любого вида и при термической обработке многих видов. Следует выделить три принципиально различных последствия воздействия этих напряжений в процессе изготовления и эксплуатации продукции.
• Если изделие очень жесткое и величины остаточных напряжений превышают предел прочности материала, то на поверхности изделия возникают трещины.
• Если остаточные напряжения достаточно велики, а жесткость изделия мала, то возникают деформации изделий, которые могут превысить допуски по требуемой геометрической точности, прежде всего по точности взаимного расположения поверхностей.
• Если изделие обладает высокой жесткостью, а остаточное напряжение не достигает предела прочности материала, то сохраняется опасность разрушения изделия при совпадении знаков остаточного напряжения и эксплуатационных нагрузок ниже расчетных.
Исследования показали, что технологически можно управлять механическими напряжениями. Это означает, что и величина, и знак, и распределение остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя зависят от видов и режимов обработки заготовок. Варьируя параметры обработки и последовательность методов обработки заготовок, можно в конечном итоге получить необходимую величину и распределение остаточных напряжений по глубине в поверхностном слое. Большой вклад в исследование данной проблемы внес С. Ю. Иванов [9]. Вместе со своими соратниками Д. В. Васильковым и С. Д. Васильковым он продолжает усовершенствовать метод и средства неразрушающего контроля и измерения технологических остаточных напряжений. Чрезвычайно информативным критерием оценки остаточных напряжений является интеграл от эпюры их распределения по глу-
250
Ъ, мкм
бине. С. Ю. Иванов назвал этот критерий деформирующей способностью технологических остаточных напряжений и обозначил буквой д.
На рис. 3 и 4 показаны эпюры распределения остаточных напряжений, полученных при различных видах и режимах обработки, это наглядно демонстрирует их технологическую управляемость. Очевидно, что использование в качестве критериев оценки и контроля механических напряжений графических изображений эпюр их распределения по глубине может быть так же эффективно, как и применение непараметрических критериев оценки и контроля микрогеометрии поверхностей деталей.
а, МПа +750
+500 +250
-250
-500
-750
Рис. 3. Влияние режимов шлифования на остаточные напряжения о(й) и деформирующую способность технологических остаточных напряжений q:
1 — скорость резания у= 10 м/с; подача 8 = 0,3 м/с; давление инструмента на обрабатываемую поверхность Р = 100 Н; 2 — у = 20 м/с; 8 = 0,2 м/с; Р = 150 Н; 3 — у = 40 м/с; 8 = 0,1 м/с; Р = 200 Н
а, МПа +750 1
+500
+250
-250
-500
-750 л
Рис. 4. Распределение остаточных напряжений о(/г) в стали 20X13 после обработки:
1 — ручное шлифование на станке ЛШ-95 (Германия); 2 — шлифование лентой на станке Metabo (Германия); 3 — фрезерование на станке Fоrest (Германия)
250
Ъ, мкм
Выводы
Использование ставших привычными параметров для оценки и контроля различных функциональных свойств поверхностного слоя деталей приборов и машин обладает только одним достоинством — простотой практического использования. Когда речь идет о комплексном критерии, зависящем от нескольких факторов, просто невозможно применять числовые критерии, так как они не позволяют описать на чертеже оптимальную (лучшую из возможных) для нормируемого функционального свойства поверхности характеристику с достаточной для практики степенью точности.
Функции плотности распределения ординат и тангенсов углов наклона профилей шероховатых поверхностей для микрогеометрии и эпюры распределения механических напряжений по глубине поверхностного слоя материала детали практически однозначно определяют соответствующую характеристику поверхностного слоя и полностью удовлетворяют закономерному требованию — необходимости полного описания нормируемой характеристики.
Из математики известно, что предлагаемые критерии оценки микрогеометрии поверхностей и механических напряжений могут быть представлены либо в виде набора параметров (от трех до двадцати пяти), либо аналитически (в виде формул), либо графически. Первый вариант практически не реализуем по причине, изложенной выше. Как практически использовать в качестве критерия формулу (второй вариант), даже если она известна, мы не знаем. В статье приведен метод использования графических изображений функций (третий вариант), практическая приемлемость которого изложена в многочисленных публикациях. Особо следует подчеркнуть простоту и практическую целесообразность нормировать в технической документации не
критерии оценки, а непосредственно интересующее нас функциональное свойство поверхностного слоя деталей.
Литература
1. Kpaгeльcкий И. В., Рудзит Я. А. Методика определения средних значений радиусов закругления вершин неровностей профиля шероховатости ZZ Приборостроение. 1968. № З. С. l5-24.
2. И. В., Koмбaлoв В. С. Расчет величины стабильной шероховатости после приработки (упругий контакт) ZZ Доклады АН СССР. 19TO. Т. 19З, № З. С.554-55б.
3. Xycy А. П., Bитeнбepг Ю. Р., ^лы^в В. А. Шероховатость поверхностей. M.: Наука, 1975. З44 с.
4. Whitehouse D. J., Archard J. F. The properties of random surfaces of significance in their contact ZZ Proc. Roy. Soc. London, 19TO. Ser. A. N З1б. P. 97-121.
5. Baлeтoв В. А. Возможные критерии оценки шероховатости обработанных поверхностей ZZ Труды Ленингр. кораблестроит. ин-та. 197б. Вып. 1O8. С. lЗ5-l4O.
6. Baлeтoв В. А. Влияние исходной микрогеометрии на коэффициент сопротивления качению и долговечность роликовых направляющих ZZ Трение и износ. 1982. Т. III. № 5. С. 914-918.
7. Baлeтoв В. А. Изменение микрогеометрии поверхностей трения деталей цилиндро-поршневой группы судовых дизелей в процессе их работы ZZ Трение и износ. 198З. Т. 4, № б. С. 11O4-11O7.
8. Baлeтoв В. А. Целесообразность изменения стандарта на шероховатость поверхностей деталей ZZ Машиностроение и автоматизация производства: Межвуз. сб. № б. СПб.: СЗПИ, 1997. С. 118-121.
9. Baлeтoв В. А., Ивлвдв С. Ю. Проблемы комплексной оценки и контроля характеристик поверхностного слоя деталей машин и приборов ZZ Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем: Труды Пятой сессии Международной научной школы, 27 июня — 5 июля 2OO2 Z Под ред. В. П. Булатова, Л. В. Ефремова. СПб.: Изд-во СПбГУ; ИПМаш, 2OO2. С. 1б4-1б7.
10. Valetov W.A., Grabow J. Neue Verfahren auf dem Gebiet der Analyse und Kontrolle der Oberflaechenmikro-geometrie ^41. Internationales wissenschaftliches Kolloquium. 199б. Bd 2. S. б22-б25.
