ПРОБЛЕМА КАЧЕСТВА МАШИН Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Проблема качества машин

А. Г. СУСЛОВ, профессор, доктор техн. наук, Засл. деятель науки и техники РФ, БГТУ г. Брянск

В условиях рыночной экономики успех промышленных предприятий и государства в целом определяется конкурентоспособностью выпускаемых изделий, которая в значительной мере определяется их качеством. Система обеспечения качества машин, разработанная в БГТУ более 15 лет назад, представлена на рис. 1. Ее анализ показывает, что проблема повышения качества машин в значительной мере решается при их проектировании. Основные показатели качества машин - долговечность и безотказность - определяются эксплуатационными свойствами деталей и их соединений (коррозионной стойкостью, герметичностью, износостойкостью, прочностью посадок и др.), которые в свою очередь, зависят от технологии изготовления и сборки. Поэтому задача обеспечения долговечности и безотказности изделий сводится к разработке технологических процессов изготовления деталей, позволяющих получить требуемые значения эксплуатационных свойств. В настоящее время она решается двухступенчато [1, 4, 6]: 1) конструктор выбирает материал деталей, определяет их размеры, точность и качество рабочих поверхностей, исходя из их функционального назначения; 2) технолог разрабатывает технологические процессы изготовления деталей, позволяющие с наименьшей себестоимостью получить требования конструкторской документации. Решение задачи конструктора осуществляется несколькими способами [5]: 1) расчетно-аналитическим; 2) экспериментальным; 3) опытно-статистическим.

Расчетно-аналитический способ заключается в расчете механических свойств материала (МСМ) детали, точности ее размеров и параметров качества поверхностного слоя (КПС), исходя из необходимости обеспечения требуемого значения эксплуатационного свойства (износостойкости коррозионной стойкости, герметичности, усталостной прочности и т.д.), лимитирующего долговечность работы изделия для заданных условий эксплуатации (УЭ) [1, 2]. В частности, для обеспечения износостойкости поверхности трения может быть использовано следующее уравнение [3,4]

1

ЗУ 2 — ъ (Яа Ншах) 1-й с А 1Лз , ч ч т2 --~-----=5,4 -10 (яр) 5 (П) , м)

вш 1т 2 (V +1) -Нло-Х V '_) 11 '

^--у-^

КПС МСМ УЭ

где у=21т| — -1 (Яа

Яр - высота сглаживания; 1ш - относительная длина опорной линии профиля шероховатости

а

на уровне средней линии; \ =

у

: ав - предел прочности материала; оо - поверхностные остаточные напряже-

ния; са - действующие напряжения; НцО - поверхностная микротвердость; \у - параметр фрикционной усталости при упругом контакте [2]; - среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости поверхности; - средняя высота волн; Нщах - максимальное макроотклонение поверхности; п - число циклов воздействия, которое приводит к разрушению материала; р - рабочее давление на поверхности трения; 1ь - допустимая интенсивность изнашивания.

При втором способе экспериментально подбираются материалы деталей и определяются оптимальные значения параметров их рабочих поверхностей, обеспечивающие требуемые эксплуатационные свойства. Например, определяются значения параметров шероховатости рабочих поверхностей образцов, изготовленных из различных материалов, обеспечивающих требуемое число циклов нагружений до разрушения. Оптимальные значения параметров качества поверхностей трения могут быть определены после их приработки при испытании опытной серии машин. Опытно-стати-стический метод сводится к назначению материала детали, точности размеров и параметров качества поверхностного слоя на основе опыта или по справочным табличным данным [1]. Назначенные конструктором точность размеров и качество рабочих поверхностей деталей должны быть обеспечены с наименьшей технологической себестоимостью. Для этого технолог выбирает возможные технологические методы окончательной и промежуточной обработки и рассчитывает режимы обработки. При этом он использует табличные данные возможностей методов обработки в обеспечении точности размеров и параметров качества поверхностей деталей и теоретические или эмпирические уравнения их взаимосвязи с режимами обработки [1].

§ Б

Так, для наиболее распространенного случая точения (<р >агсз1п^-, ф] < агсБШ—),, теоретическое уравнение по расчету средней высоты неровностей профиля шероховатости имеет следующий вид [6,7]:

Ю № 1 (12)2001

Унификация, стандартизация и

отработка на технологичность.

Определение покупных изделий и их поставщика

Проведение исследовательских работ по надежности отдельных узлов и деталей

Изучение рынка и аналогов, данных по эксплуатации и патентный поиск

Доработка конструкции машины по результатам исследований

Предварительные исследования и проектирование

Проведение исследований и совершенствование машины и технологии ее изготовления

Проецирование опытной технологии

Техническая

помощь в обслуживании,

ремонте и утилизация после использования

Проведение исследований по технологическому обеспечению надежности машин

Качество

Доработка опытной технологии с

учетом результатов исследований

Реализация при необходимости и монтаж

машин

Изготовление опытной машины или партии машин

Контроль, испытание и диагностика

Проведение стендовых или

Производство

эксплуатационных испытаний

Выделение деталей и узлов, подлежащих ремонту, определение сроко! их ремонта и разработка технологии

Проектирование серийной технологии изготовления машин с учетом исследований и опытной технологии

Окончательный проект машины, оптимальной надежности и долговечности

Доработка слабых звеньев и технологии изготовления

Расчет цены машины с учетом ее качества

Рис. 1. Система обеспечения качества машин

№ 1 (12)2001

11

/к

г (1 - ссю ф])+ ьт (р ] - сое (р ] + • вт <р у (2 г - л- • вт <р ;

соэ 7

+-

НВ ср ' 7т.с

(2)

7-

^сдв +<Тт

7 +

+ Яг

*8Ч>1 *

где г - радиус при вершине резца; (р1 - вспомогательный угол резца в плане; б - подача; У - передний угол резца; Су» Ур, Хр, Хр, п - коэффициенты по расчету силы резания Ру [7]; г) - скорость резания; НВ™*, НВ,™,, НВср - соответственно максимальная, минимальная и средняя твердость обрабатываемой детали; I - глубина резания; Яз^сх. - исходная средняя высота неровностей профиля шероховатости; }ъс- жесткость технологической системы; р - радиус скругле-ния режущей кромки резца; т^ и ат - соответственно предел сдвига и предел текучести обрабатываемого материала.

Анализ уравнения (2) показывает, что наряду с режимами, формирование шероховатости определяется жесткостью технологического оборудования, геометрией инструмента, механическими свойствами обрабатываемого материала и технологическим наследованием. Решение задач конструктора и технолога убедительно указывает на необходимость их объединения. Решение задачи конструктора по определению точности размеров и параметров качества рабочих поверхностей является многовариантной, так как различные сочетания параметров шероховатости, волнистости, макроотклонения, поверхностной микротвердости и поверхностных остаточных напряжений (КПС в уравнении 1) позволяют обеспечить необходимую величину эксплуатационного свойства (1ь в уравнении 1). Оптимальность этого сочетания может быть определена только после решения задачи технолога. Поэтому наряду с традиционным двухступенчатым решением задачи обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин и их соединений в последнее время интенсивно развивается и одноступенчатое направление решения этой задачи. Этому способствует и широкое распространение ЭВМ. Структурная схема ее решения представлена на рис. 2 [5].

Развитие этого одноступенчатого направления базируется на теоретическом и экспериментальном установлении взаимосвязи эксплуатационных свойств деталей машин с условиями их изготовления.

Теоретически эта взаимосвязь может быть установлена при рассмотрении единства процесса воздействия различных факторов на заготовку при обработке и на готовую деталь при эксплуатации (рис. 3).

Наиболее реализованным в данном направлении является экспериментальное описание взаимосвязи различных эксплуатационных свойств деталей машин с условиями их обработки [4,6]. Так эмпирическое уравнение по расчету скорости износа кулачков распредвалов при их электромеханической обработке имеет следующий вид:

11=5,6+1,2У-10"2(0,321+9,4р) мкм/час, (3)

где V - скорость обработки (1-5 м/мкм); 1 - плотность тока (250-1000 А/мм2); р - рабочее давление (7,5-12,5 МПа).

Наряду с обеспечением эксплуатационных свойств деталей машин зачастую ставится задача их повышения. Она решается по четырем направлениям [5]:

1) совершенствование существующих методов обработки;

2) закономерное обеспечение изменения качества криволинейных поверхностей трения;

3) модификация поверхностных слоев деталей машин;

4) разработка новых методов обработки и инструментов на основе объединения проектирования, изготовления, эксплуатации, ремонта и восстановления в единый технологический процесс.

№ 1 ¡шашшшнт^ш^шш^

1 Условия функционирования машин (нагрузка, скорость, температура, окружающая среда и т.д.).

2 Установление эксплуатационных свойств деталей машин и их соединений и допустимых пределов их изменения, определяющих оптимальную надежность и точность узлов и машин в целом.

3 Банк данных по взаимосвязи эксплуатационных свойств деталей машин и их соединений с физико-механическими характеристиками их материалов и условиями изготовления, или точностью и параметрами качества поверхностных слоев и последних с условиями обработки.

*

4 Условия производства (имеющиеся материал, оборудование, инструменты, оснастка и т.д.).

5 Выбор материалов деталей и методов изготовления изделий с учетом конкретного производства.

> 1

Эксплуатационные свойства деталей машин и их соединений обеспечены.

Выбор методов и условий изготовления деталей и соединений, позволяющих получить требуемые значения эксплуатационных свойств с наименьшей технологической себестоимостью.

Расчет себестоимости выбранных технологических методов, для определенных условий.

Определение условий изготовления деталей и соединений для каждого из выбранных технологических методов, обеспечивающих требуемые значения эксплуатационных свойств.

ЭВМ

Рис. 2. Структурная схема одноступенчатого решения конструкторско-технологической задачи обеспечения качества проектируемой машины

№ 1 (12) 2001

0*ое воз дщ

Обрабатываемая

заготовка или деталь в машине

vs.

Литература.

1. Качество машин: Справочник в 2 т. Т1 /А.Г. Суслов, Э.А. Браун, H.A. Виткевич и др. Под общей редакцией А.Г. Суслова. - М.: Машиностроение, 1995.- 430 с.

2. Качество машин: Справочник в 2 т. T2 /А.Г. Суслов, Ю.В. Гуляев, A.M. Дальский и др. Под общей редакцией А.Г. Суслова. - М.: Машиностроение, 1995.- 430 с.

3. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 1987.-208 с.

4. Машиностроение. Энциклопедия. Т IV-3. Надежность машин /В.В. Киреев, В.В. Болотин, Ф.Р. Соснин, А.Г. Суслов и др.: Под общ. ред. В.В. Клюева, 1998.-592 с.

5. Суслов А.Г. Конструкторско-технологическое обеспечение и повышение качества изделий машиностроения. Труды конгресса «Конструкторско-технологическая информатика 2000», том II, М. Изд-во «Станкин» 2000.-С, 182-184.

6. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000.- 320 с.

7. Машиностроение. Энциклопедия. Т III-3. Технология изготовления деталей машин /A.M. Дальский, А.Г. Суслов, Ю.Ф. Назаров и др.: Под общ. ред. А.Г. Суслов. 2000.-840 с.

Рис. 3. Единство процессов воздействия при изготовлении и эксплуатации деталей

Повышение долговечности резьбовых соединений

А. Н. ПРОКОФЬЕВ, доцент, канд. техн.наук, В. П. ЛЕКСИКОВ, доцент, канд. техн.наук, БГТУ, г. Брянск

Резьбовые соединения являются самым распространенным узлом крепления в конструкциях машин различных отраслей (двигатели, топливная аппаратура, коробки передач, системы управления, гидро- и пневмосистемы и др.). Резьбовые соединения выполняют различные функции в данных системах, такие, как передачи осевых статических и динамических нагрузок и крутящих моментов, осуществление точных перемещений и т.д. Наиболее распространены крепежные резьбовые соединения при помощи винтов, болтов, шпилек, гаек, которые широко применяются в самых разнообразных отраслях промышленности.

В состав многих современных машин входят винтовые механизмы или передачи. Их широкое распространение обусловлено рядом причин и, в первую очередь, теми очевидными преимуществами, которыми они обладают. К числу основных преимуществ следует отнести высокую нагрузочную способность и жесткость, долговечность, точность, относительную простоту изготовления и эксплуатации, надежность, большое передаточное отношение, компактность [1]. Кроме того, в механизмах с трением скольжения легко осуществляется надежное самоторможение, а передачи с трением качения имеют высокий КПД, превышающий иногда 90% [2]. С помощью винтовых передач просто осуществить преобразование вращательного движения в поступательное. Передачи с трением качения легко преобразуют поступательное движение во вращательное. Посредством винтового механизма достигается и очень большой выигрыш в силе, что используется в домкратах, механических прес-

сах, зажимных устройствах и т.п.

Анализ функционального назначения резьбовых соединений показал [3-5], что они применяются для:

- соединения различных деталей;

- создания неразъемного соединения;

- передачи движения;

- фиксации взаимного положения деталей;

- увеличения передаваемого усилия.

Повышение долговечности резьбовых соединений можно достичь за счет обеспечения прочности для неподвижных соединений и износостойкости для подвижных резьбовых соединений, которые можно обеспечить прогрессивными технологическими методами.

Среди трех основных методов изготовления резьбовых деталей: резание, деформирование и комбинированная обработка, два последних обладают рядом преимуществ с точки зрения повышения долговечности соединения. Это объясняется более высокой степенью твердости поверхностного слоя витков резьбы, положительным влиянием низкой шероховатости, остаточных сжимающих напряжений и стабильно высокой точностью.

В настоящее время деформирование и комбинированная обработка наружных резьб получили достаточно широкое распространение, а для ряда крепежных резьбовых деталей являются преобладающими. Однако для изготовления внутренних резьб, отличающихся меньшей технологичностью, названные способы резьбоформирования, несмотря на очевидные преимущества, применяются недо-

14 № 1 (12)2001