CC BY
29
А.М. Нежинский Курганский государственный университет, г. Курган
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН МЕТОДАМИ ПОВЕРХНОСТНО - ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ
Представленные материалы содержат научные и практические результаты совершенствования технологии пластического деформирования поверхности отверстий.
Среди разнообразных методов поверхностно-пластического деформирования (ППД) достаточно перспективным является дорнование отверстий различной формы, стабильно обеспечивающее точность 6-7-го квали-тетов, а в ряде случаев даже 5-го квалитета. При этом шероховатость обрабатываемых поверхностей по параметру Ra обеспечивается в пределах 0,63...0,10
мкм.
Кроме того, поверхность обработанных отверстий получается с повышенными эксплуатационными свойствами (прочность, износостойкость и др.).
Точность и качество обработанных отверстий при этом в значительной степени зависят от величины натяга (I, ММ ), материала заготовки, размеров ($ — диаметр отверстия, мм; I — длина, мм и Ь — толщина стенки, мм), точности и шероховатости предварительной обработки отверстия, смазочно-охлаждающей жидкости и др. Однако методик по выбору и назначению рациональных режимов деформирования, конструктивных параметров дорна, а также силовых характеристик недостаточно. Зачастую при дорновании отверстий не обеспечивается стабильность требуемых показателей качества в течении срока службы инструмента.
Как правило, операция окончательной обработки отверстий дорнованием выделяется в самостоятельную и требует дополнительных затрат на универсальное и специальное оборудование. Все это приводит к снижению производительности и эффективности процесса.
Кинематика процесса дорнования не обеспечивает из-за остаточных деформаций обработанного отверстия свободного выхода инструмента при возвратном ходе. Вместе с тем, необходимость свободного выхода инструмента на исходную позицию для подготовки нового рабочего цикла очевидна, особенно в условиях автоматизированного производства. В процессе дорнования может развиваться большая скорость рабочего хода инструмента (скорость ограничивается технологическими возможностями применяемого оборудования) и затрачивается много времени при холостом ходе (возврате на исходную позицию), что существенно снижает эффективность метода, затрудняет автоматизацию дорнования.
Такой недостаток процесса вынуждает выделять процесс дорнования в отдельную операцию, не позволяет включать его в качестве перехода при работе оборудования с программным управлением.
Исследования, проведенные на кафедре «Технология машиностроения» Курганского госуниверситета, показали, что применение окончательной обработки отверстий дорнованием в условиях автоматизированного про-
изводства возможно при соблюдении следующих требований:
• процесс должен протекать с относительно небольшими натягами, чтобы исключить возникновения больших сил деформирования металла;
• для закрепления дорна необходим специальный патрон, позволяющий инструменту самоустанавливаться по обрабатываемому отверстию детали;
• специальная заточка деформирующих элементов дорна, позволяющая обеспечить стабильность показателей качества обработанного отверстия;
• обеспечение ориентации инструмента относительно обрабатываемого отверстия (дорнование шлицевых отверстий).
Исследованиями доказано, что процесс дорнования можно реализовать на станках с ЧПУ, в том числе многоцелевые станки типа ИР 320ПМФ4, 2254ВМФ4. В этом случае дорнование применяется вместо менее производительных методов раскатывания или тонкого растачивания для деталей типа корпусов.
Деформирующие элементы применяемых дорнов, как правило, изготавливаются из легированных сталей ХВГ и ШХ15, азотируемых сталей 35ХЮА и 38ХМЮА, быстрорежущей стали Р6М5, а также твердого сплава ВК8.
Исследования износа деформирующих элементов дорнов позволили выработать рекомендации по обеспечению размерной и технологической стойкости инструмента, увеличению сроков его службы, а следовательно, стабильности показателей качества обработки, в том числе в условиях автоматизированного цикла работы.
Анализ явлений перенаклепа поверхности и нарос-тообразования дал возможность выбора назначения рациональных режимов деформирования, геометрии и конструкции инструментов.
Для сокращения величины и автоматизации холостого хода инструмента при дорновании можно действовать по двум направлениям. Первое - проектирование специальных станков с автоматическим циклом работы. Примеры таких станков в машиностроении имеются. Такой путь является дорогостоящим и по сути не достигает основной цели - повышения производительности труда. Второе направление - изменение конструкции инструмента с целью обеспечения возможности свободного возврата в исходное положение. Примером конструкции таких инструментов могут служить дорны для обработки гладких глухих отверстий (а. с. №941036 и №372040). Подобные конструкции позволяют осуществить свободный выход дорна из обработанного отверстия при обратном ходе.
Вышеизложенные мероприятия позволяют существенно повысить производительность при дорновании отверстий деталей машин в условиях автоматизированного производства.
Рассматривая непроизводительные потери времени как движущие противоречия в развитии техники и технологии, можно сформулировать основные проблемы и пути повышения производительности труда в процессе дорнования. Среди них главным является автоматизация рабочего цикла, сведение холостых ходов до минимума, автоматизация смены и регулирования инструмента. Автоматизация наиболее эффективна, если осуществляется на базе прогрессивных совершенных технологических процессов. Среди методов поверхностного пластического деформирования (ПДД) дорнование отверстий занимает ведущее место по производительности. В процессе дорнования развивается большая скорость рабочего хода инструмента (ограничения из-за технологичес-
ких возможностей применяемого оборудования) и много времени затрачивается непроизводительно при возврате его на исходную позицию, что существенно снижает эффективность метода. При дорновании отверстий, особенно фасонных, установка инструмента в исходное положение осуществляется, как правило, вручную.
Если сравнить цикловую (Qц ) и технологическую
(К) производительности операции дорнования в традиционном варианте исполнения, получаем очень низкий коэффициент производительности
Qц *
п =
К
+ * х
(1)
где *р - производительно затрачиваемое время рабочего хода;
*х - время, затрачиваемое на холостые ходы.
Применительно к процессу дорнования, когда соотношение длительности холостого и рабочего ходов достигает значительной величины, производительность зависит в большей мере от времени Iх. Если учитывать внецикловые потери, будем иметь еще большее снижение производительности.
При небольшом удельном весе * операции дор-нования повышение производительности за счет сокращения этого времени не дает ощутимого эффекта. Нужная эффективность может быть получена только за счет сокращения времени холостых ходов, что трудно выполнимо при традиционном варианте выполнения операции дорнования.
Кинематика процесса дорнования не обеспечивает беспрепятственного вывода инструмента на исходную позицию. Инструмент ориентируется относительно шли-цевого отверстия вручную. Традиционно применяемое оборудование не обеспечивает отвод инструмента через обработанное отверстие из-за упругих деформаций обработанной поверхности. Это означает, что прерывается процесс дорнования и затрачивается время на замену заготовки и настройку инструмента. Этот недостаток кинематики метода вынуждает выделять дорнование в отдельную операцию, не позволяет рассматривать этот процесс в качестве технологического перехода при работе на оборудовании с ПУ. Вместе с тем, необходимость свободного вывода инструмента для подготовки к новому циклы и сокращению холостого хода очевидна.
Необходимо отметить отсутствие в промышленности оборудования для осуществления полностью автоматизированного цикла (включая смену заготовки и холостые ходы инструмента) дорнования. На наш взгляд, проектирование специальных станков с автоматическим циклом работы не обеспечит существенного повышения производительности.
Изменение технологии дорнования, уменьшение величины холостых ходов можно обеспечить свободным возвратом инструмента через обработанное отверстие. Такую сокращенную траекторию инструмента можно получить, изменив его конструкцию. Новый дорн для обработки шлицевых отверстий имеет возможность свободного выхода через обработанное отверстие на исходную позицию. Это достигается благодаря тому, что деформирующие элементы устанавливаются в корпусе свободно и под действием сил трения могут автоматически занимать соответствующие положения при рабочем и холос-
том ходах инструмента. При рабочем ходе инструмента деформирующие элементы входят в контакт с обрабатываемой поверхностью, занимая положение, при котором инструмент имеет максимальный рабочий диаметр. При выходе инструмента диаметральный размер его уменьшается за счет изменения положения деформирующих элементов. Таким образом, становится возможным свободный возврат дорна на исходную позицию по кратчайшей траектории при минимальной нагрузке на привод подач и механизм крепления.
Конструкция инструмента позволяет также легко заменить деформирующие элементы в случае выхода из строя в результате износа и других причин, что расширяет технологические возможности и увеличивает срок службы дорна в целом. При введении унификации дорнующе-го кольца и оправки подбирают соответствующий типоразмер деформирующего элемента, можно создать конструкции дорна нужного размера. Такая конструкция инструмента выгодно отличается от инструмента с жестким креплением деформирующих элементов.
Применение подобных инструментов исключает при холостом ходе большие усилия, уменьшает неблагоприятное воздействие на механизм крепления детали, инструмента и механизма подач, что говорит в пользу реализации автоматического цикла дорнования на оборудовании с ПУ.
Проведенные исследования показали, что применение окончательной обработки отверстий дорновани-ем по автоматическому циклу вполне возможно. Кроме того, увеличивается срок службы дорна и становится возможной обработка глухих отверстий, обработка которых дорнованием ранее была проблематичной. В технической литературе имеется описание конструкции специальных дорнов для обработки гладких глухих отверстий, которые можно использовать в автоматизированном цикле.
Предлагаемые инструменты позволяют совмещать процесс поверхностного пластического деформирования с обработкой резанием как один из переходов операции на многоцелевом станке. Обработка деталей без переустанова повышает точность обработки. Новые инструменты дают возможность расширить применение методов ППД при обработке отверстий в корпусных деталях. При этом повышается точность отверстий (обработка без переустанова) и качество поверхностного слоя. В некоторых случаях становится возможным применение дорнования вместо менее производительных процессов раскатывания и тонкого растачивания.
Автоматизация процесса дорнования, перевод операции на оборудование с ПУ возможны при соблюдении некоторых условий:
• процесс ППД должен осуществляться с небольшими относительными натягами, чтобы исключить возникновение больших сил деформирования металла, осевых тяговых сил, на которые не рассчитаны механизмы привода подач и крепления инструмента. Например, усилие затяжки инструмента в шпиндель станка НР320 не превышает 1500 Н;
• для обеспечения угловой ориентации шлицевого инструмента относительно обрабатываемого отверстия необходимо установит размерные связи шлицев на чертеже детали и оправке инструмента, что было необязательно при ручном ориентировании. Шпиндель станка должен иметь фиксированное положение по углу поворота (нулевое у ИР320), в котором и происходит обработка дорнованием;
• для закрепления дорна в шпинделе необходимо применение специального патрона, позволяющего кор-
ректировать угловую ориентацию инструмента.
Наилучшие показатели точности и качества обработанной поверхности обеспечиваются дорнованием отверстий при относительных натягах ¡/й = 0,006...0,01. При
этом тяговые усилия не превышают 5000...9000 Н. Мощности приводов подач, механизмов крепления инструмента вполне обеспечивают такие усилия дорнования.
Предлагаемые разработки и мероприятия позволяют автоматизировать дорнование отверстий деталей машин и существенно повысить производительность процесса.
К упрочняющим технологическим процессам относятся термические, химико-термические, физические методы обработки, наплавка сверхпрочными материалами и сплавами и другие. Весьма эффективными оказались процессы обработки металлов поверхностным и объемным пластическим деформированием, обеспечивающие путем пластического деформирования металла не только упрочнение поверхностного слоя, но и значительное повышение точности обработки и снижение параметров шероховатости поверхности. В ряде случае точность и прочность деталей увеличиваются в 2.15 раз, износостойкость - в 1,5.5 раз. При этом значительно возрастает производительность труда, достигается большая экономия металла, упрощается процесс обработки, создаются условия для его механизации и автоматизации.
Точность обработанных дорнованием отверстий, в основном, определяется величиной радиальной остаточной деформации, возможными искажениями образующей отверстия, изменениями формы торцов и отверстий обрабатываемой деталей и др.
Определение остаточной деформации металла, характеризующей точность диаметрально размера отверстия при дорновании, достаточно подробно изложено в технической литературе.
При дорновании на поверхности торцов детали образуются наплывы металла равные по высоте (АТ ), при этом образующая отверстия на концах детали отклоняется от прямой линии на величину (Аобр ).
По мере продвижения деформирующего элемента сопротивление стенки детали в осевом и радиальном направлениях выравниваются, поэтому образующая отверстия становится прямолинейной. При этом осевые силы уравновешиваются, а радиальные, действуя на стенку детали, создают в ней остаточные деформации. Отклонения образующей от прямолинейности и наплыв металла на опорном торце возникают при выходе деформирующего зуба дорна из отверстия детали.
Экспериментальные данные показали, что при дор-новании отверстий в режимах полуупругого периода и полной перегрузки остаточная деформация по отверстию у поверхности торцов примерно равна полной деформации. Это указывает на то, что в данной зоне происходит беспрепятственное течение металла на величину натяга дор-нования( I, мм) в сторону наименьшего сопротивления. При таком условии величину искажения образующей отверстия (Аобр ) можно определить из зависимости
Аобр 3 г (31 )ост , (2)
где Аобр -радиальная величина искажения образующей отверстия у поверхности торца, мм;
(3 )ост -абсолютная радиальная остаточная де-
формация в прямолинейной части отверстия, мм;
33 = 2 -полная абсолютная деформация по радиусу отверстия, мм.
Длину искаженного участка (¡иск) образующей отверстия можно определить с достаточной для практики степенью точности из условия упруго-пластического равновесия тонкого кольца под действием равномерного давления по краю отверстия.
Сопротивление металла в осевом и радиальном направлениях выравниваются после прохода дорном пути примерно равного толщине пластически деформированного слоя металла (3ил ).
Практика показала, что длина искаженного участка образующей отверстия после дорнования несколько меньше толщины пластически деформированного слоя
металла (¡иск <3пл) из-за действия сил трения в зоне
контакта дорна с обрабатываемой поверхностью и сил сопротивления течению металла в сторону свободного торца.
Экспериментально установлено, что уменьшение длины искаженного участка образующей отверстия составляет около 25 %. Таким образом, длину искаженного участка образующей отверстия можно принять
I = 0,753 .
иск > пл
В режиме полной перегрузки (дорнование тонкостенных деталей) длина искаженного участка образующей отверстия может быть принята равной толщине стенки (Вст) обрабатываемой детали ¡иск = Вст . При обработке отверстий многозубыми дорнами натяг распределяется между несколькими деформирующими зубьями. Пластическая волна и радиальная сила, создаваемые каждым отдельным зубом, значительно меньше по сравнению с однозубым дорном такого же натяга. Кроме того, каждый последующий зуб многозубого дорна работает по упрочненному предыдущими зубьями слою металла, который оказывает большее сопротивление его течению в осевом направлении. Следовательно, искажения образующей отверстия и формы торцов будут меньшими.
Так, при дорновании втулок из стали марки 45 диаметром отверстия 21 мм и наружным диаметром 40 мм
однозубым дорном с натягом от / = 0,1 мм до / = 0,4 мм
искажения образующей отверстия( Аобр ) колебались от
0,015 мм до 0,05 мм. При обработке отверстий аналогичных втулок с такими же натягами четырехзубыми дорнами искажение образующей составило от 0,01 до 0,025 мм.
Исследования показали, что по мере увеличения числа деформирующих зубьев дорна искажения образующей отверстия и формы торцов детали уменьшаются.
При назначении оптимальных натягов (дорнование отверстий) величина искажения образующей составляет
Аобр = 0,005...0,03 мм, распространяясь в осевом направлении на ¡иск = 1..3 мм. Искажение формы торцов
соответствует АТ = 0,01 ...0,05 мм.
Таким образом, искажения образующей отверстия и формы торцов детали существенного влияния на рабо-
тоспособность детали не оказывают, а в ряде случаев облегчают сборку и смазку подвижной пары.
Салахов Ф.Н.
Курганский государственный университет, г. Курган
СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ И МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ
Рассматриваются наиболее актуальные проблемы управления качеством, основанные на участии всех членов организации, начиная с руководства и кончая рядовыми исполнителями. Описан системно-процессный подход менеджмента качества и раскрыты основные принципы Всеобщего контроля качества (ТQМ).
В процессе ознакомления с теорией управления качеством обычно возникает вопрос о ее взаимосвязи с общим менеджментом. Для того чтобы увидеть связь управления качеством с системой общего менеджмента, необходимо рассмотреть эволюцию методов управления качеством [2].
В 1905 году появилась система Ф.Тейлора. Она устанавливала требования к качеству изделий (деталей) в виде полей допусков или определенных шаблонов, настроенных на верхнюю и нижнюю границы допусков -проходные и непроходные калибры. Документированная система качества представляла собой систему технических требований и условий. В российской практике это конструкторская и технологическая документации.
Для успешного функционирования системы были введены первые профессионалы в области качества -инспекторы (в России - технические контролеры). Система мотивации предусматривала штрафы за дефекты и брак. Особенности системы Тейлора делали ее системой управления качеством каждого отдельно взятого изделия.
В 1924 году были изобретены статистические методы управления качеством: контрольные карты В.Шухар-та и таблицы статистического приемочного контроля Х.Доджа. Это ознаменовало переход от управления качеством отдельно взятых изделий к управлению процессами производства.
Системы качества усложнились. Усложнились и задачи, решаемые конструкторами, технологами и рабочими, потому что они должны были понимать, что такое вариации и изменчивость, а также знать, какими методами можно достичь их уменьшения. В целом акцент с инспекции и выявления дефектов был перенесен на их предупреждение путем выявления причин дефектов и их устранения.
В 50-е годы сложились предпосылки создания новой концепции управления качеством, ориентированной на удовлетворение запросов потребителей. А.Фейгенба-умом (США) была предложена модель Всеобщего контроля качества - ТQС. Под Всеобщим контролем качества Фейгенбаум понимал такую систему, которая позволяла решать проблему качества продукции и ее цены в зависимости от выгоды потребителей и производителей. Он предложил рассматривать качество не как конечный результат производства изделия, а на каждом этапе его создания. Система Всеобщего контроля качества была внедрена в практику работы японских предприятий Э.Де-мингом. Он оказал огромное влияние на возрождение послевоенной Японии и США в 80-х годах. Им были пред-
ложены для менеджеров 14 принципов совершенствования качества [1] :
1. Соблюдайте постоянство целей.
2. Примите новую философию: откажитесь от низкого качества во всем.
3. Откажитесь от повсеместного контроля.
4. Откажитесь от партнерства, основанного только на цене продукции; установите долгосрочные партнерские отношения, уменьшите количество поставщиков.
5. Постоянно совершенствуйте систему производства и обслуживания.
6. Практикуйте в организации наставничество и обучение.
7. Внедрите современные руководства: функции управления должны смещаться от контроля количественных показателей к качественным.
8. Устраните страх: способствуйте тому, чтобы сотрудники высказывались открыто.
9. Устраните барьеры между подразделениями и сотрудниками организации.
10. Откажитесь от лозунгов, транспарантов и наставлений для рабочих.
11. Откажитесь от количественных оценок работы.
12. Поддерживайте чувство профессиональной гордости в сотрудниках.
13. Внедрите в организации систему образования и самосовершенствования сотрудников.
14. Добейтесь приверженности руководства организации идее качества.
Эти 14 принципов легли в основу современной концепции Всеобщего управления качеством (ТQМ). Можно выделить семь основных факторов Всеобщего качества:
1. Ориентация на потребителя.
2. Ориентация на процесс и его результаты.
3. Управление участием в работе и ответственностью.
4. Непрерывное совершенствование.
5. Проблемы, зависящие от работников, должны составлять не более 20 %.
6. Проведение измерений.
7. Командная организация работ по улучшению качества.
Всеобщее управление качеством - это философия организации, которая основана на стремлении к качеству и практике управления, приводящей к всеобщему качеству, это сама сущность организации.
Основной смысл концепции Всеобщего управления качеством - это принципиально новый подход к управлению любой организацией, нацеленный на качество, основанный на участии всех ее членов и направленный на достижение долгосрочного успеха посредством удовлетворения требований потребителя и выгоды как для сотрудников организации, так и для общества в целом.
Всеобщее управление качеством все в большей степени становится идеологией, охватывающей различные слои общества. ТQМ необходим всем, кто хочет не только выйти из кризиса, но и начать конкурировать на мировом рынке.
Управление качеством - это динамично развивающаяся концепция. Вследствие этого в среде специалистов нет единого мнения о количестве принципов, на которых базируется ТQМ. Основными признаны следующие восемь:
1. Ориентация организации на потребителя.
2. Роль руководства.
3. Вовлечение сотрудников.
4. Процессный подход.
5. Системный подход к управлению.
6. Постоянное совершенствование.
