CC BY
93
УДК 629.736.017.1
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И НАДЕЖНОСТЬ ИЗДЕЛИЙ
В.В. Буланов, профессор, д.т.н., В.И. Клименко, профессор, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Проведен анализ влияния параметров технологического процесса производства деталей на их усталостную прочность. Приведены условия технологического обеспечения надежности изделий.
Ключевые слова: надежность изделий, технологические процессы, усталостная прочность.
Введение
Спроектировать и рассчитать можно практически все, но вот воспроизвести в «металле» не всегда удается. Иногда это связано с тем, что наши идеи опережают время, зачастую с технологической отсталостью, а иногда с непониманием общества, либо отдельных его представителей. Ведь от этого, как мы создавали и эксплуатируем ту или иную машину, то или иное сооружение зависит безопасность не только человека, но и окружающего нас мира.
Весь окружающий мир можно рассматривать как огромную энергетическую систему: величественный рынок, где одна форма энергии по определенным правилам переходит в другую. Энергетически предпочтительное обязательно произойдет. В этом смысле каждая конструкция существует лишь для того, чтобы отдалить что-то неизбежное, энергетически выгодное. Так, поднятый груз должен упасть, упругая энергия - выделиться и т.п. И действительно, рано или поздно груз падает, а упругая энергия выделяется. Задача конструкции - отложить это событие на год, на век или на тысячелетие. В конечном счете все машины и сооружения будут разрушены или разрушаться сами. Отложить это на некий приличный срок - задача инженеров [1].
Анализ публикаций
Надежность изделия закладывается на этапе проектирования, обеспечивается в процессе технологического производства, отрабатыва-
ется при опытной отработке и доводке изделия и реализуется при эксплуатации.
Технологическое производство зачастую становится причиной возникновения крупных дефектов, проявляющихся при работе машин. Это, прежде всего, методы получения заготовок, формообразование. Сегодня основными методами получения заготовок являются литье и деформация в условиях сверхпластичности. В процессе изготовления детали от каждого процесса остается положительная или отрицательная наследственность (например, остаточные напряжения) [2].
Свойства материала при одном и том же химическом составе могут существенно измениться при различном технологическом процессе получения готовой детали. Например, лопатки турбин ГТД в настоящее время отливаются в вакуумных печах в размер без припуска. Известно три вида технологии: отливка лопаток с равноосной структурой; отливка лопаток с направленной кристаллизацией (кристаллы выращиваются вдоль направления действия центробежных сил, что значительно повышает прочность лопаток); макроструктура лопатки выполняется из одного кристалла (монокристальная технология).
В нашей стране лопатки турбины, в большинстве случаев, изготовляются по первой модели - с равноосной структурой, хотя и входит в практику серийного производства технология отливки лопаток методом направленной кристаллизации. За рубежом лопатки с равноосной структурой не производят вооб-
ще, там находятся в эксплуатации двигатели с лопатками, отлитыми из монокристалла. В этом случае, из одного и того же материала получают лопатку в 3 - 4 раза более прочную, чем лопатка с равноосной структурой материала.
Необходимо отметить, что лопатки из металла имеют ограничения по температуре (порядка 1850 °С). Применение новых материалов, например, переход на керамику, несомненно даст большой скачок по температуре, но имеются достаточно сложные препятствия по внедрению в серийное производство этой технологии (недостаточная сопротивляемость керамики ударным нагрузкам), хотя некоторую надежду внушают эксперименты, проводимые с более глубоким подходом к образованию заданной структуры керамики, разработка принципиально новых составов керамики с повышенными демпфирующими характеристиками (на уровне атомной решетки), армирование керамики усами металлов.
Цель и постановка задачи
В представленной работе дана комплексная оценка влияния технологических факторов процесса производства изделия на эксплуатационные характеристики транспортной машины (ТМ) и ее надежность
Технологические меры повышения надежности изделий
Заложенный конструкторами при проектировании уровень надежности ТМ должен быть обеспечен при производстве. В процессе производства конструкция реализуется в материале и должны быть обеспечены все условия, гарантирующие ее надежность в ожидаемых условиях эксплуатации в течение всего назначенного ресурса. Это требование обязательно, независимо от того, осуществляется ли принцип «безопасного ресурса» или «безопасного повреждения». Поскольку ресурс деталей и узлов ТМ в основном определяется их способностью противостоять усталостным повреждениям при повторно-переменных напряжениях, следует особое внимание при производстве уделять снижению концентрации напряжений, выбору наиболее приемлемого материала, способу получения заготовок, обработке поверхностей деталей и т.д.
Таким образом, качественное производство требует наибольшей оптимизации всех технологических процессов как на заготовительном этапе, так и при изготовлении и обработке всех деталей и при сборочномонтажных операциях. Основные технологические процессы, применяемые при изготовлении ТМ, и схема их влияния на эксплуатационные свойства элементов конструкции приведены на рис. 1.
В рабочих чертежах всех деталей и узлов ТМ должны быть ссылки на технологические инструкции (карты), по которым следует выполнять изготовление, сборку и испытания изделий. Следует отметить, что качество готовых деталей во многом зависит от заготовительных операций. Так, например, прокатка, прессование, ковка, литье, холодная штамповка, правка, сварка и термохимическая обработка в основном воздействуют на свойства всего объема материала и закладывают основу выносливости деталей при повторно-переменных нагрузках. Кроме того, следует помнить, что, например, прочность листового материала в направлении прокатки выше, чем в поперечном направлении и это необходимо учитывать, располагая материал таким образом, чтобы направление прокатки совпадало с линией действия максимальных напряжений. В тоже время, вследствие контакта детали с инструментом или/и со средой, указанные процессы оказывают во многих случаях отрицательное влияние на свойства поверхностного слоя заготовки. С целью повышения усталостной прочности этот слой необходимо удалять при дальнейшей обработке деталей.
Следует также отметить, что последующая обработка полуфабрикатов механическим, химическим, электрохимическим способом, покрытие поверхностного слоя оксидными, лакокрасочными покрытиями формирует требуемое качество поверхности, повышая усталостную прочность изделий.
Но и на этом этапе производства из-за несоблюдения или неправильно выбранного технологического процесса могут возникнуть технологические дефекты, которые зачастую являются причиной усталостных повреж-де-ний.
Операция сборки во многих случаях требует подгонки деталей, постановки крепежа (болты,
Рис. 1. Основные технологические процессы при изготовлении ТМ и схема их воздействия на свойства частей конструкции
заклепки), также существенно влияющие на усталостную прочность изделий.
При этом, зачастую, возникают достаточно высокие монтажные напряжения в соединениях деталей, искажающие расчетные случаи нагрузок, принятые конструктором. Именно такие монтажные напряжения приводят к усталостному разрушению трубопроводов гидравлических и топливных систем ТМ.
Вывод
Таким образом, машиностроительное производство заинтересовано в применении таких технологических процессов, которые бы способствовали к почти полной компенсации факторов, снижающих циклическую прочность деталей. Однако избежать производственных дефектов, многие из которых имеют скрытый характер, практически невозможно. Неизбежно допускаемые отклонения качества изделий в процессе производства влияют на показатели надежности, в том числе и на ресурсные характеристики конструкции ТМ. Отметим, что эксплуатационные характеристики серийных изделий на 15 - 20% ниже опытных экземпляров.
Это связано с тем, что на серийном заводе в отличие от опытного производства ниже уровень квалификации работников. Качество оборудования и физико-механические характеристики применяемых материалов могут
отличаться и, не в лучшую сторону, (изготавливают из того, что есть, и на том, что есть).
На основании изложенного можно сформулировать четыре условия технологического обеспечения надежности конструкции ТМ.
Первое условие заключается в том, что качество конструкции с учетом допустимых отклонений параметров должно быть не ниже требуемого.
Вторым условием является выявление конструктивно-технологических факторов, влияющих на сопротивление усталости, и использование тех операций, которые заведомо способствуют повышению усталостной прочности как отдельных деталей, так и изделия в целом (теория «слабого звена»).
Известно, что упрочнение поверхности детали пластическим деформированием, установку болтового крепежа с большим натягом, применение ниппелей на трубопроводах с натягом, уменьшение овальности поперечного сечения на криволинейных участках трубопровода, а также некоторые виды химико-термической обработки деталей относят к технологическим операциям, повышающим надежность элементов и узлов ТМ [2].
Третьим условием технологического обеспечения показателей надежности конструкции ТМ, функциональных систем и их элементов
является постоянное совершенствование технологического процесса по всем операциям, что способствует повышению качества выпускаемых изделий и, в конечном счете, надежности ТМ.
К четвертому условию следует отнести «человеческий фактор», который оказывает существенное влияние на качество изготавливаемой продукции. Не вызывает сомнения тот факт, что условия работы, настроение работников не только на рабочем месте, но и вне сферы производства сказываются в конечном счете на эксплуатационных характеристиках ТМ. Кстати, наибольший процент брака на производстве в начале и в конце рабочей недели.
Литература
1. Буланов В.В., Демишкан В.Ф. Конструкция
и прочность машин и сооружений: Учебное пособие.- Харьков: Издательство ХНАДУ, 2004. - 72 с.
2. Комаров А.А. Надежность гидравлических
систем. - М.: Машиностроение, 1969. -235 с.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор,
д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 12 апреля 2007 г.
