Оценка качества инструментальных высокохромистых сталей с использованием модифицированного метода функции желательности и метода планирования эксперимента Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДИФИЦИРОВАННОГО МЕТОДА ФУНКЦИИ ЖЕЛАТЕЛЬНОСТИ И МЕТОДА ПЛАНИРОВАНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТА

Аннотация. Проведена квалиметрическая оценка инструментальных высокохромистых сталей с использованием метода планирования эксперимента и модифицированной функции желательности. Показано, что более высокими показателями качества обладают стали с пониженным содержанием углерода и дополнительным легированием РЗМ, а также стали, термически обработанные по оптимальному режиму.

Ключевые слова: инструментальные высокохромистые стали, легирование, термическая обработка, функция желательности, метод планирования эксперимента.

/■-

УДК 621.7

Атрошенко С.А., Королёв И.А

Бурное развитие мирового машиностроения, глобализации западного, европейского, российского рынков и связанных с ними отраслей промышленности: автомобилестроение, авиастроение, судостроение, электроника и радиоэлектроника, строительство и строительное оборудование, компьютерная техника, пищевая промышленность, а также металлургическая промышленность и др., требуют дальнейшего совершенствования как технологических процессов, так организации и управления производством с автоматизацией производственных процессов, которые обеспечат значительное повышение эффективности труда, улучшение качества продукции и условий работы персонала.

Самым важным принципом TQM является повышение качества продукта и минимизация затрат на его производство, что наглядно демонстрирует необходимость применения науки управления качеством для совершенствования и, в некоторых случаях, эволюции производственных и управленческих систем и процессов практически во всех отраслях промышленности, связанных с производством массовой и серийной продукции.

Сегодня производители США, Японии, Китая, Франции, Великобритании и других развитых стран предлагают и продают свою продукцию массового сбыта по

всему миру. Прежде всего, успех сбытовой политики этих стран обусловлен возможностью удовлетворения потребностей и ожиданий (нужд) потребителей за счет совокупности характеристик предлагаемой продукции, которая произведена с минимальными (оптимизированными) издержками. Достаточно будет напомнить, что кузовные детали автомобилей, корпуса бытовой и компьютерной техники, детали и узлы кораблей, самолетов, поездов и иных транспортных средств, а также элементы строительных конструкций являются массовыми и изготовляются при помощи процессов холодной штамповки, не говоря уже о других массовых изделиях, изготовляемых при помощи этого процесса. Именно процесс холодной штамповки сделал продукцию массовой и доступной для потребителя.

Важнейшим аспектом в вопросах, связанных с развитием процессов холодной штамповки, является инструмент и технологическая оснастка, а соответственно и материалы, из которых они изготовлены, ведь именно они формируют основу, которая закладывает качество на первоначальных стадиях изготовления любого изделия. Поэтому особое место в развитии машиностроения отводится инструменту и оснастке и их работоспособности. Особенно актуальна задача повышения стойкости

инструмента при обработке новых и труд-нодеформируемых материалов. Рост автоматизации производства и внедрение робототехники предъявляют особые требования к повышению надежности и срока службы инструмента. Повышение стойкости инструмента позволяет сократить простои оборудования, время на переналадку, затраты на изготовление и ремонт, а также снижение себестоимости и повышение качества производимых деталей.

Не менее актуальной задачей является рациональное и экономное расходование инструментальных сталей, что достигается совершенствованием химического состава существующих и разработкой новых экономичных сталей, обладающих высоким комплексом эксплуатационных свойств.

Материалом исследования является инструментальная высокохромистая сталь типа Х12, полученная в результате оптимизации легирования и термической обработки [1]. Качество этих сталей оценивалось с помощью специально модифицированного метода функции желательности и метода планирования эксперимента.

Под планированием эксперимента обычно понимают процедуру выбора числа и условий продения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью. Планирование значительно повышает эффективность эксперимента [2]. Показатели желательности - безразмерные недискрет-

ные характеристики качества, изменяющиеся в пределах от нуля до единицы при любом диапазоне изменения размерных показателей качества хР Градация качества делится на уровни отлично, хорошо, удовлетворительно и плохо, которые зависят от соответствующих значений показателей желательности и вспомогательных показателей оцениваемого материала или его свойств [3].

1. Планирование экспериментов по термической обработке и легированию инструментальных высокохромистых сталей

Планирование эксперимента проводилось с целью определения условий термической обработки и содержания углерода, необходимых для создания оптимальных характеристик инструментальных сталей и, как следствие, повышения качества материала. При планировании в соответствии с методикой [2], был реализован полный трехфакторный эксперимент. Планирование экспериментов при оптимизации режущей стойкости инструментальной стали представлено в табл.1.

Параметром оптимизации являлось значение стойкости инструмента, факторами оптимизации были выбраны температура закалки, отпуска и содержание углерода в сталях (табл. 2). В табл. 2 приведены значения факторов оптимизации для проведенных экспериментов, а табл. 3 представляет матрицу планирования экспериментов.

Таблица 1

Условия проведения опытов

Номер Материал Т С А зак? ^ %С Т С А отп? ^ Т, мин

опыта

1 Х12Ф1 970 1,3 1700С 83

2 50Х12ФБЧЦ 1180 0,52 520 184

3 70Х12ФБЧЦ 1210 0,71 500 206

4 110Х12ФБЧЦ 1230 1,14 600 254

5 70Х9Ф 1180 0,67 500 90

6 60Х9М2ВФЦЧ 1220 0,59 550 368

7 105Х8М2ВФЦЧ 1250 1,05 550 46,8

8 Р6М5 1220 0,85 560 265

Таблица 2

Факторы оптимизации

Факторы Температура Количество Температура

закалки, °С углерода, % отпуска, С

Код Х1 Х2 Хз

Основной уровень (Хю) 1110 0,91 385

Интервал варьирования (АХ1) 140 0,39 215

Верхний уровень 1250 1,3 600

Нижний уровень 970 0,52 170

Таблица 3

Матрица планирования экспериментов

Номер опыта Факторы Стойкость инструмента, Т мин

Хo Хl Х2 х3

1 +1 -1 1 -1 83

2 +1 0,944 -1 0,87 184

3 +1 0,968 0,55 0,83 206

4 +1 0,984 0,85 1 254

5 +1 0,944 0,515 0,83 90

6 +1 0,976 0,45 0,92 368

7 +1 1 0,81 0,92 46,8

8 +1 0,976 0,65 0,93 265

Далее были рассчитаны коэффициенты регрессии функции отклика

, _ (+1) • 83 + (+1) -184 + (+1) • 206 + (+1) • 254 + (+1) • 90 + (+1) • 368 + (+1) • 46,8 + (+1) • 265

ь0-----187,1

8

(-1) • 83 + (0,944) 184 + (0,968) • 206 + (0,984) • 254 + (0,944) • 90 + (0,976) • 368 + (+1) • 46,8 + ь 8

+ (0,976) •265 = 161,21 8

_ (+1) • 83 + (-1) 184 + (0,55) • 206 + (0,85) • 254 + (0,515) • 90 + (0,45) • 368 +

Ь2--

2 8

+ (0,81) • 46,8 + (0,65) • 265 _£1 23 8 , (-1) • 83 + (0,87) 184 + (0,83) • 206 + (+1) • 254 + (0,83) • 90 + (0,92) • 368 + 3 8

ь

+ (0,92) • 46,8 + (0,93) • 265 , ^ -= 150,6

Уравнение регрессии имеет вид

у = 187,1 + 161,21х1 + 81,23х2 +150,6х3

8

Вывод: установлено, что достижение максимальных значений стойкости инструмента стали 60Х9М2ВФЦЧ(368 мин.), стали 110Х12ФБЧЦ(254 мин.), стали 70Х12ФБЧЦ(206 мин.) и для стали Х12Ф1(83 мин.), возможно при приближении значений факторов «Температура закалки» и «Температура отпуска» к верхнему уровню интервала варьирования. Сопоставление коэффициентов регрессии при соответствующих факторах показало, что наибольшее влияние в проводимых экспериментах имеет температура закалки. Оценка, проведенная инструментом планирования эксперимента, наглядно показывает, что меняя температуру закалки, отпуска или содержание углерода, можно эффективно влиять на качество исследованных сталей.

2. Модифицированная с учетом экономической целесообразности функция желательности

Для построения функции желательности [3] в качестве показателей желательности материала были выбраны характеристики работоспособности: твердость, стойкость резцов и карбидный балл стали. Для перевода значений твердости, стойкости резцов и карбидного балла стали в безразмерную шкалу решаются следующие системы уравнений:

Твердость, ИЯС -

Г4,5 = а0 + 63а

[1 = а0 + 59ах

Средняя стойкость резцов -

Г 4,5 = а + 368а!

[1 = а0 + 83а:

Карбидный балл стали -

Г 4,5 = а + 1а1 [1 = а + 4ах

Рассчитанные данные функции желательности приведены в табл. 4, а в табл. 5 - единичные и комплексные показатели желательности для исследуемых сталей. Для сравнения в качестве базовых приняты значения твердости для сталей типа Х12, полученных стандартными способами, и значения стойкости резцов и механических свойств, полученных в экспериментах со сталью Х12. На рис. 1 представлена функция желательности для трех факторов качества.

Модификация метода: использование высокохромистой инструментальной стали на предприятии должно быть обоснованно не только прочностными, техническими или эксплуатационными свойствами стали, но и должно быть экономически оправданным. Поэтому для увеличения объективности и полноты оценки новых инструментальных высокохромистых сталей была модифицирована формула расчета комплексного показателя желательности, путем введения коэффициентов экономической целесообразности свойств исследуемого материала.

Таблица 4

Марка стали, Твердость ИЯС Средняя стойкость Карбидный балл стали

режим термиче- резцов Т, мин

ской обработки У 0 У 0 У 0

Согласно экспериментальным данным

70Х12ФБЧЦ 4,5 0,80 2,453 0,67 4,5 0,80

110Х12ФБЧЦ 4,5 0,80 3,029 0,72 3,33 0,74

60Х9М2ВФЦЧ 1 0,37 4,5 0,8 4,5 0,80

Согласно нормативным документам

Х12Ф1 2,75 0,70 1 0,37 1 0,37

Показатели желательности и безразмерные вспомогательные показатели

Формула расчета комплексного показателя желательности имеет следующий вид

я=

где п - число частных желательностей; -показатель частной желательности; к - коэффициент экономической целесообразности данного свойства материала [4].

В результате внедрения коэффициен-

тов экономической целесообразности в формулу расчета комплексного показателя желательности была получена формула модифицированного комплексного показателя желательности, и на примере механических свойств высокохромистых инструментальных сталей (стойкость инструмента, твердость, карбидный балл) и соответствующих коэффициентов экономической целесообразности этих свойств, были получены следующие результаты:

Яюхифбчц = 30,67 х 2,37 х 0,80 х 0,98 х 0,80 х 3,8 = 1,55; Я юхпфбчц = 30,72 х 2,85 х 0,80 х 0,97 х 0,74 х 1,9 = 1,3; Я60Ч 92ВФЦЧ = 30,80 х 3,83 х 0,37 х 0,82 х 0,80 х 3,4 = 1,36; ЯХ 12ф1 = 30,37 х 1,0 х 0,70 х 1,0 х 0,37 х 1,0 = 0,46.

Таблица 5

Единичные и комплексные показатели желательности исследуемых сталей

п

г=1

Марка стали, режим термической обработки Единичные показатели желательности по отдельным характеристикам материала Комплексный показатель желательности

Средняя стойкость резцов Т, мин Твердость HRC Карбидный балл стали

70Х12ФБЧЦ 0,67 (хорошо) 0,80 (отл.) 0,80 (отл.) 1,55

110Х12ФБЧЦ 0,72 (хорошо) 0,80 (отл.) 0,74 (хор.) 1,3

60Х9М2ВФЦЧ 0,80 (отлично) 0,37(удовл.) 0,80 (отл.) 1,36

Х12Ф1 0,37 (удовл.) 0,70 (хор.) 0,37(удовл.) 0,46

Вывод: из рис. 1 номограммы желательности видно, что по механической характеристике «твердость» самым высоким результатом обладает сталь 70Х12ФБЧЦ и сталь 110Х12ФБЧЦ, падающие на отрезок «отлично», сталь Х12Ф1 демонстрирует результат, попадающий в отрезок «хорошо», и лишь сталь 60Х9М2ВФЦЧ показывает результат в отрезке «удовлетворительно». Но по механической характеристике «средняя стойкость» сталь 60Х9М2ВФЦЧ попадает на границу отрезка «отлично» и «превосходно». Стали

70Х12ФБЧЦ и 110Х12ФБЧЦ также попали на отрезок «отлично», а сталь Х12Ф1 демонстрирует низкий результат, тем самым попадая на отрезок «удовлетворительно». По механической характеристике «карбидный балл» стали 60Х9М2ВФЦЧ и 70Х12ФБЧЦ попадают на отрезок «отлично», сталь 110Х12ФБЧЦ также попадает на отрезок «отлично», а сталь Х12Ф1 демонстрирует низкий результат, попадает на отрезок «удовлетворительно».

Рис. 1. Номограмма показателей желательности

Модифицированный комплексный показатель желательности показывает, что наилучшим сочетанием характеристик обладают стали 70Х12ФБЧЦ и 110Х12ФБЧЦ, т.к. значение обобщенной функции желательности имеет максимальное значение 1,55 и 1,3, соответственно, у стали 60Х9М2ВФЦЧ этот показатель составляет 1,36, что свидетельствует о хорошем сочетании характеристик. Значительно худшие результаты демонстрирует сталь Х12Ф1, комплексный показатель желательности составляет 0,46.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что в результате модификации формулы расчета комплексного показателя желательности значительно повысилась объективность и достаточность квалиметрической оценки метода функции желательности.

Квалиметрическая оценка продемонстрировала преимущества новых инструментальных высокохромистых сталей

70Х12ФБЧЦ, 60Х9М2ВФЦЧ и 110Х12ФБЧЦ, над ГОСТовской сталью Х12Ф1, как по механическим характеристикам, так и по экономической целесообразности применения этих сталей. Модификация комплексного показателя желательности является одним из аспектов развития квалиметрии в части совершенствования технологии оценки инструментальных высокохромистых сталей.

Список литературы

1. Атрошенко С.А. Усовершенствование высокохромистых штамповых сталей легированием. Вестник инжэкона. Серия: технические науки. 2005. Вып. 3 (8). 116-125с.

2. Новик Ф.С. Металловедение цветных редких и радиоактивных металлов. Раздел: Математические методы планирования экспериментов в металловедении. Курс лекций. Учеб пособие. - М.: МИСИС, 1976. - 130 с.

3. Harrington E.C. The desirability function. Industrial Quality Control 1965; (April):494-498

4.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1980. - 493 с.