CC BY
104
УДК 621.81.004.17:620.191.355.001.5
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ
А.Ю. Иванов, Д.Б. Леонов
Обосновывается целесообразность повышения качества изделий за счет оптимизации микрогеометрии поверхностей деталей и механических напряжений в поверхностных слоях их материала. Излагается принципиальная методика использования непараметрических критериев оценки и контроля этих характеристик поверхностного слоя деталей в процессе их изготовления.
Ключевые слова: шероховатость поверхности, механические напряжения, оптимизация характеристик поверхностного слоя деталей, качество изделий.
Введение
В зависимости от назначения, условий эксплуатации, ремонта и утилизации изделий к ним предъявляются различные требования. Эти требования обеспечиваются при их проектировании и, особенно, при их изготовлении. На этапе проектирования к числу важнейших факторов относятся правильный выбор материалов, назначение требований по геометрической точности и шероховатости поверхностей деталей.
Свойства конструкционных материалов играют огромную роль, и исходное их состояние должны гарантировать поставщики этих материалов. Однако, не умаляя роли конструкционных материалов, отметим, что основные характеристики качества изделий формируются в процессе их изготовления. Именно в процессе изготовления обеспечиваются обоснованные при проектировании требования по геометрической точности, качеству поверхности и поверхностного слоя материала изделий.
Технологическая управляемость механическими напряжениями в материале изделий
Очевидно, что повышение геометрической точности изделий повышает их качество, но одновременно повышается и себестоимость их изготовления, поэтому возможности влияния геометрической точности на качество изделий ограничены объективными факторами. Кроме того, при изготовлении изделий из металлов и сплавов во многих случаях имеют место механические и (или) термические воздействия, вызывающие пластическую деформацию кристаллических решеток материала изделия, что приводит к возникновению (или изменению) механических напряжений в деформируемом слое материала изделия. Возможные последствия:
- напряжения, превышающие предел прочности материала, в изделиях высокой жесткости вызовут возникновение трещин в материале;
- при малой жесткости изделий даже незначительные механические напряжения могут вызвать деформацию (коробление) изделия, т. е. нарушить его геометрическую точность;
- при напряжениях, меньших предела прочности материала, и высокой жесткости изделий внешних изменений в изделии не обнаруживается, но при совпадении знака остаточных напряжений и эксплуатационных силовых воздействий разрушение изделий происходит при нагрузках ниже расчетных.
Установлена технологическая управляемость механическими напряжениями в материале изготавливаемых изделий, т.е. величина и распределение этих напряжений по глубине материала зависят от видов и режимов технологических воздействий. В связи с этим важнейшее значение приобретает приемлемый в метрологическом и экономическом отношениях неразрушающий метод измерения и (или) контроля этих напряжений.
На кафедре технологии приборостроения СПбГУ ИТМО разработан и изготовлен измерительный комплекс СИТОН, позволяющий измерять механические напряжения в любых токопроводящих материалах, что дает возможность «строить» технологический процесс изготовления, на выходе которого механические напряжения будут иметь приемлемую величину и форму эпюры их распределения по глубине материала. В качестве примера на рис. 1, 2 показаны эпюры распределения остаточных напряжений при шлифовании на различных режимах и при обработке поверхностей на различных станках [1].
Шероховатость поверхностей деталей и эксплуатационные свойства изделия
Как указывалось выше, чем точнее изделие, тем лучше его функциональные свойства. По аналогии с этим существует убеждение, что чем меньше шероховатость поверхности, тем лучше. На самом деле это далеко не всегда так. Но важно другое: если шероховатость поверхности существенно влияет на конкретное функциональное свойство поверхности, то это влияние целесообразно оптимизировать. На эту тему опубликовано много статей, докладов и книг, где изложены практически все аспекты проблемы оптимизации микрогеометрии поверхностей. Отметим здесь лишь необходимость выполнения четырех условий для решения этой проблемы:
1. оптимальную шероховатость поверхности для ее конкретного функционального свойства нужно знать;
2. известную оптимальную шероховатость нужно обозначить (нормировать) на чертеже;
3. известную и обозначенную на чертеже оптимальную шероховатость нужно технологически обеспечить при обработке поверхностей;
4. шероховатость, полученную после обработки поверхности, нужно сравнительно быстро, удобно и дешево проконтролировать на соответствие заданной (оптимальной).
Как выполнить эти четыре условия, подробно изложено, например, в [2-10].
ст, МПа 500
250
-750
0
50
100
150
200 h, МПа
Рис. 1. Влияние режимов шлифования на остаточные напряжения а(Л): 1 - скорость резания у=10 м/с; подача 5=0,3 м/с; давление инструмента на обрабатываемую поверхность Р=100 Н; 2 - у=20 м/с; Б=0,2 м/с; Р=150 Н; 3 - v=40 м/с; Б=0,1 м/с; Р=200 Н
ст, МПа 500
250
0
-250
0
50
100
150
200 h, МПа
Рис. 2. Распределение остаточных напряжений a(h) в стали 20Х13 после обработки: 1 - ручное шлифование на станке ЛШ-95 (Германия); 2 - шлифование лентой на станке Metabo (Германия); 3 - фрезерование на станке Forest (Германия)
Рис. 3. Схема перемещения штока (1) во втулке (2) в запорном клапане
В данном случае рассмотрим влияние шероховатости сопрягаемых поверхностей на время перемещения штока 1 относительно втулки 2 в запорном клапане (рис. 3).
Наличие или отсутствие такого влияния проверялось в процессе сравнительно простого эксперимента. Было изготовлено пять комплектов сопрягаемых деталей (шток и втулка) по пять пар в каждом комплекте (для повышения статистической достоверности эксперимента). В каждом из пяти комплектов при минимально возможной одинаковости компонентов геометрической точности сопрягаемых поверхностей, существенно различалась их шероховатость. Результаты эксперимента приведены в таблице.
Группа Деталь Размер детали (диаметра), мм Время передвижения штока во втулке, с
1 2 3 4
втулка 13,015 13,015 13,015 13,015 13,015
1 втулка повернута на 90° 13,020 13,020 13,020 13,020 13,020 0,035/ 0,047/ 0,058/ 0,058/ 0,050/
шток 12,999 13,001 13,000 13,001 13,003 0,036 0,049 0,050 0,045 0,047
шток повернут на 90° 13,001 13,002 13,001 13,004 13,004
втулка 13,015 13,015 13,015 13,015 13,015
2 втулка повернута на 90° 13,020 13,020 13,020 13,020 13,020 0,055/ 0,049/ 0,057/ 0,056/ 0,052/
шток 13,001 13,003 13,003 12,999 13,002 0,058 0,051 0,059 0,060 0,054
шток повернут на 90° 13,001 13,001 13,003 13,003 13,002
втулка 13,015 13,015 13,015 13,015 13,015
3 втулка повернута на 90° 13,020 13,020 13,020 13,020 13,020 0,058/ 0,053/ 0,055/ 0,058/ 0,061/
шток 13,003 13,003 13,001 13,001 13,001 0,056 0,055 0,049 0,061 0,063
шток повернут на 90° 13,003 13,003 13,002 13,002 13,001
втулка 13,015 13,015 13,015 13,015 13,015
4 втулка повернута на 90° 13,020 13,020 13,020 13,020 13,020 0,085/ 0,066/ 0,085/ 0,088/ 0,078/
шток 13,000 13,000 13,001 13,000 13,000 0,078 0,076 0,092 0,095 0,086
шток повернут на 90° 13,000 13,000 13,001 13,000 13,000
втулка 13,015 13,015 13,015 13,015 13,015
5 втулка повернута на 90° 13,020 13,020 13,020 13,020 13,020 0,090/ 0,091/ 0,099/ 0,101/ 0,103/
шток 13,002 13,001 13,000 13,000 13,000 0,105 0,104 0,098 0,108 0,106
шток повернут на 90° 13,001 13,000 12,999 12,999 13,000
Таблица. Результаты экспериментов
В таблице втулки и штоки, изготовленные с шероховатостью, указанной на рабочих чертежах, помещены в 4-ю группу. В первую группу объединены втулки и штоки, шероховатость которых значительно грубее, чем на чертеже. Во вторую группу входят втулки с шероховатостью, указанной на чертеже, а шероховатость штоков грубее, чем на чертеже. В третью группу входят втулки с шероховатостью грубее, чем на чертеже, и штоки с шероховатостью, указанной на чертеже. В пятую группу вошли втулки и штоки с шероховатостью более низкой, чем указана на чертеже.
Как видно из таблицы, существенное влияние шероховатости на исследуемую характеристику очевидно, хотя есть отклонение от превалирующей закономерности.
Однако задача оптимизации шероховатости не решается с использованием стандартных параметров шероховатости, так как изменения параметров Ra или Rz не характеризуют фактического изменения структуры микрорельефа. При обеспечении экспериментально найденного и заданного на чертеже предпочтительного параметра шероховатости в разное время можно использовать либо разное оборудование, либо разные инструменты, что приведет к изменению структуры микрорельефа поверхностей при обеспечении указанных на чертеже параметров и, как следствие, к изменению их свойств, в частности, времени их относительного перемещения.
Важность оптимизационных задач вообще и в технологии приборостроения, в частности, не требует доказательств, но при наличии многопараметрических факторов влияния на интересующие функциональные свойства поверхностей изделий необходимо использовать так называемый непараметрический подход. Это означает, что изложенный выше эксперимент с подвижным сопряжением запорного клапана не решает задачу оптимизации микрогеометрии его контактирующих поверхностей, и необходимо продолжить исследование с использованием в качестве критериев оценки и контроля шероховатости поверхностей графических изображений, функций плотности распределения тангенсов углов наклона профилей, ординат профилей или, хотя бы, опорных кривых профиля (кривых Аббота) [2, 3, 5-7, 10], а оптимизацию механических напряжений и технологические методы управления ими необходимо реа-лизовывать с помощью графических изображений эпюры их распределения по глубине поверхностного слоя [1, 10].
Заключение
Экспериментально установлено существенное влияние шероховатости контактирующих поверхностей штока и втулки (рис. 3 и таблица) на время их взаимного перемещения на одинаковой величине хода, что позволит с помощью непараметрических критериев оценки и контроля шероховатости установить лучшую из возможных микроструктуру этих поверхностей. Предложенная методика позволяет решить и другие оптимизационные задачи аналогичного характера.
Литература
1. Валетов В.А., Иванов С.Ю. Проблемы комплексной оценки и контроля характеристик поверхностного слоя деталей машин и приборов // Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем. - СПб, 2002. - С. 164-167.
2. Валетов В.А. Возможные критерии оценки шероховатости обработанных поверхностей // Труды ЛКИ. - 1976. - Вып. 108. - С. 135-140.
3. Валетов В.А. Использование новых критериев для оценки микрогеометрии поверхностей деталей машин // Технологическое управление качеством обработки и эксплуатационными свойствами машин. - Киев: Институт сверхтвердых материалов АН УССР, 1980. - С. 23-25.
4. Валетов В.А. Изменение микрогеометрии поверхностей трения деталей цилиндро-поршневой группы судовых дизелей в процессе их работы // Трение и износ. - 1983. - Т. 4. - № 6. - С. 1104-1107.
5. Валетов В.А. Оптимизация микрогеометрии поверхностей деталей в приборостроении. - Л.: ЛИТМО,1989. - 100 с.
6. Валетов В.А. Целесообразность изменения стандарта на шероховатость поверхностей деталей // Машиностроение и автоматизация производства. Межвуз. сб. - СПб: СЗПИ, 1997. - № 6. - С. 118-121.
7. Мусалимов В.М., Валетов В.А. Динамика фрикционного взаимодействия. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. - 191 с.
8. Waletow W., Staufert G. Moderne Methoden der Oberflaechenforschung // Technische Rundschau. - 1981. -№ 10. - Р. 5-7.
9. Valetov W.A., Grabow J. Neue Verfahren auf dem Gebiet der Analyse und Kontrolle der Oberflaechen-mikrogeometrie // 41 Internationales wissenschaftliches Kolloquium. - 1996. - Bd. 2. - Р. 622-625.
10. Валетов В.А., Иванов А.Ю. Непараметрический подход к оценке качества изделий // Металлообработка. - 2010. - № 6. - С. 55-59.
Иванов Андрей Юрьевич Леонов Димилян Божидаров
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, проректор, auivanov@mail.ifmo.ru
ВМЗ АО Сопот, Болгария, заместитель директора, dimilqn@mail.ru
