ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА

ДЕТАЛЕЙ МАШИН.

Проблема технологического обеспечения качества деталей машин решается на базе разработки типовых технологических процессов. Поскольку существует бесчислен­ное множество различных деталей, разобрать методы проверки каче­ства для каждой из них не представляется возможным. Все детали классифици­руют, разбив их по ти­пам. Такой подход оказался правомерным и полезным, поскольку можно выработать единство технологического решения для деталей каждого типа вне их связи с кон­кретной отраслью производства. Возникает по­нятие о типовой детали. Так, напри­мер, зубчатое колесо встречается в техноло­гии машиностроения и в приборострое­нии. Тем не менее, несмотря на огром­ную разницу в размерах, зубчатое колесо явля­ется типовой деталью и можно говорить о единых технологических методах и осо­бенностях приготовления таких деталей. Поэтому типовая деталь вызывает к жизни типовой технологиче­ский процесс.

Типовой технологический процесс /типовая технология/ рассчитан на наибо­лее часто встречающиеся конструктивные решения деталей, устойчиво повто­ряющиеся элементы. Так, для деталей типа валов характерна ступенчатая форма, определяющая отношение длины к диаметру и др. Поэтому наиболее удобной является типовая об­работка в центрах, выбор определенного вида ос­настки и металлорежущих станков. Типовая технология является той основой поверхностного качества деталей, на кото­рой могут реализоваться различные методы обработки с учетом эксплуатационных особенностей деталей. Валы, работающие на кручение, и валы, работающие в усло­виях изгиба знакоперемен­ной нагрузкой, могут иметь одинаковые технические обра­ботки. Вместе с тем, должен быть проведен учет и наследственных явлений, и осо­бенностей прове­дения финишных операций, которые могут весьма существенно от­личаться в обоих случаях друг от друга. Так, валы, работающие на изгиб, должны иметь специфическую шероховатость поверхности и подвергаться специальной тер­мообработке, чего в случае валов, работающих на кручение можно не предус­матри­вать.

Задача повышения качества машин должна решаться путем повышения каче­ст­ва всех деталей, однако это требование не может быть распространено на все детали в равной степени. Существует круг деталей, которые в наибольшей сте­пени опреде­ляют качество всей машины. Для таких деталей достигнуты весьма высокие показа­тели геометрической точности. Это достигается применением жестких и точных станков с использованием специфических методов обработки и высокоточных изме­рительных устройств.

Большую группу составляют детали типа колец, втулок и гильз. Достижение в про­изводственных условиях высоких показателей качества может быть рассмот­рено как своеобразная технологическая надстройка над основой в виде типового процесса об­работки деталей.

Корпусные детали имеют две группы ответственных поверхностей, определя­ющих качественные показатели: отверстия под подшипники и плоские направ­ляющие по­верхности.

Названные типы деталей представляют собой основу создания машин. Детали в виде указанных выше тел вращения в общем количестве деталей машино­строе­ния 35 %, на их изготовление приходится 27% общей стоимости изготов­ления всех дета­лей; 15% всех деталей составляют корпусные детали, но на их изготовление прихо­дится 53% общей стоимости. Таким образом, на изготовле­ние оставшихся 50% дета­лей расходуется только 20% средств.

Для деталей типа плит геометрические показатели качества решающим обра­зом зависят от их размеров. Так, для плит-столов 1120х630 мм отклонение от плоскост­ности в среднем не превышает 6 мкм, а отклонение от параллельности направляю­щих и основной плоскости стола находится в пределах 5 мкм.

Базовые детали в виде колонн. Стоек могут иметь точные направляющие эле­менты. Показатели качества в виде геометрических характеристик в этом случае соответст­вуют отклонениям для поверхностей корпусных деталей плит и нахо­дятся в пределах 3-5 мкм.

Для других деталей, которые имеют меньшее распространение в машино­строении, также существуют соответствующие показатели качества. Приведен­ные значения не представляют собой предельно допустимую точность формы и размеров; они могут быть и более высокими. Вместе с тем они показывают вы­сокий уровень качествен­ных характеристик, устойчиво достигаемых в механо­сборочном производстве. Во всех случаях, когда имеется возможность умень­шить требования к геометрической точности, это следует осуществлять по эко­номическим соображениям. Основная технологическая трудность достижения высоких показателей качества связана с тем, что каждыйэлемент технологиче­ской системы при ее функционировании вносит свои погрешности в общее зна­чение показателя качества. Одним из методов оценки технологического влияния на показатель качества является использование положе­ний теории вероятно­стей. Установление корреляционных зависимостейпозволяет оценить влияние каждого из элементов на их суммарный результат. Тем не менее, для такой оценки нужна своеобразная информация, полученная как результат изме­рений уже произведенной продукции. В этом случае существенно ослабляется дейст­вие человека на технологический процесс для его совершенствования.

Расчетно-аналитический метод определения показателей качества основан на оценке действия каждого из элементов технологической системы. В первом прибли­жении оценивают значение шести элементов системы еще до начала ее функциони­рования или даже до создания такой системы в металле.

С помощью расчетов и опытных данных оценивают погрешность установки заго­товок на станках, влияние на геометрическую точность детали упругих пе­ре­мещений системы, тепловых ее деформаций, износа режущих инструментов, погрешности их настройки и геометрической точности металлорежущих стан­ков. Поскольку каждая из названных погрешностей представляет собой вектор в пространстве, сложение по­грешностей как векторных величин для технологиче­ских решений представляет из­вестные неудобства. Если же рассматривать по­грешности как случайные /а часть из них систематические постоянные/ и учесть законы их распределения, то суммирова­ние погрешностей существенно упрощается. Суммарное значение ожидаемой по­грешности должно быть меньше или равно допуску на параметр, установленному конструктором. Если погрешность исчисляется несколькими микрометрами, то ее составляющие ока­зываются существенно меньше и обеспечение их на практике свя­зано с преодо­лением существенных технологических трудностей. Рассмотрение пу­тей их преодоления представляет принципиальный интерес.

Технологическое обеспечение показателей качества деталей начинается уже на ста­дии проектирования. Поскольку технологическое наследование конструк­тивных форм, конструктор должен представить себе картину деформированного состояния вала в процессе обработки. Так, например, полые валы, имеющие ко­ническое отвер­стие, обрабатывают << от отверстия>> т.е. на его базе. При этом в отверстие вала устанавливают коническую пробку и далее проводят обработку в центрах. Деформа­ция как составляющая суммарной погрешности может быть определена расчетом и учтена при установке заготовок на станок. При сложной форме наружной поверхно­сти вала такой расчет несколько затрудняется и на помощь должен прийти экспери­мент, организуемый в заводских лабораториях. Конструктор обязан учитывать ука­занные погрешности наряду с обработкой детали на технологичность.

Целостность ответственных поверхностей валов непосредственно связана с выбо­ром материала и проведением термической обработки. Наиболее правиль­ным реше­нием для таких валов является использование сталей, получаемых в вакууме, хотя недостатки микроструктуры металла невакуумной плавки, вы­званные некачествен­ной термообработкой, могут устраняться нагревом токами высокой частоты рабочих шеек валов с охлаждением на воздухе. Неметалличе­ские же включения при этом ос­таются и могут быть обнаружены в виде поро­ков на поверхности малой шерохова­тости. Такие пороки могут представляться в виде характерных лунок. Мнение о том, что указанные дефекты не влияют на работу кинематических пар, если последние имеют малые отклонения формы, являются ошибочным. Очевидно, что в целом ка­чество пары вал- втулка снижа­ется.

Большое внимание должно быть обращено на выбор заготовок и формирова­ние требований к ним. Даже для типовой технологии необходимо учитывать, что про­странственные отклонения валов после чернового прохода составляют 0,06 от от­клонений заготовки, а после чистового прохода - 0,04 отклонения, возникшего после чернового прохода.

Эти данные, естественно, могут меняться в зависимости от жесткости техноло­гиче­ских систем, но при обеспечении качества валов должны быть учтены. Нельзя про­странственные погрешности исправлять исключительно на финиш­ных операциях. Более того, при многопроходном шлифовании валов с постоян­ной подачей исходная погрешность, оставшаяся после обработки лезвийным инструментом, постоянно уве­личивается, так как постоянно увеличивается раз­ность между заданной и фактиче­ской глубинами резания. Для постоянного уменьшения погрешностей следует при каждом последующем проходе умень­шать подачу и глубину.

При бесцентровом шлифовании наиболее часто приходится исправлять от­клонение формы в виде наследственных трех - и пятигранников, что обеспечи­вается рацио­нальной наладкой станков. Поэтому для обеспечения высоких тре­бований по откло­нениям формы нельзя при одной и той же наладке станка шлифовать заготовки, на­пример, с овальной исходной погрешностью и заготов­ки с исходными пятигранни­ками в поперечном сечении (отклонение формы ус­танавливаются с помощью круг­ломеров). Анализ наладок станков очень удобно проводить с помощью рядов Фурье.

Обработку валов, как правило, проводят в центрах. Возникающая наследст­вен­ная погрешность является весьма устойчивой. Мерами борьбы с такой по­грешностью яв­ляются использование отверстий с криволинейными образую­щими, обеспечение не­обходимого соотношения углов центровых отверстий и центров, повышение точно­сти формы центровых отверстий. Хорошие резуль­таты достигнуты при шлифовании центровых отверстий, а также при правке гранеными твердосплавными центрами с числом граней 3 или 5.

Если уменьшать отклонение формы в еще большей степени, то наступает своеоб­разный предел, и технологическая система, являясь консервативной, та­кое уменьше­ние уже не обеспечивает. Для дальнейшего повышения качества валов по этому па­раметру следует применять специальные методы. Так. Можно по определенному за­кону изменять круговую подачу шлифования валов. Дру­гим методом является созда­ние специальных колеблющихся систем, установ­ленных на столе шлифовальных станков, для того чтобы * размыть * наследст­венные погрешности.

Проблема уменьшения отклонений формы оказывается очень сложной, и ошибочно думать, что такие технологические методы, как суперфиниширова­ние, могут всегда уменьшить погрешности. Решить задачу уменьшения погреш­ностей помогает гармо­нический анализ.

Промышленность накопила богатый опыт по обеспечению заданной шерохо­вато­сти как параметра качества. Однако пока не представляется возможным предложить строгие математические зависимости шероховатости от многих производственных факторов и приходится использовать эмпирические фор­мулы. Если известны гео­метрические размеры детали, ее материал, тип токар­но­го станка, тип инструмента и глубина резания, то можно назначать оптималь­ные режимы обработки для обеспече­ния заданной шероховатости. Успешно решаются аналогичные задачи по выбору оптимальных методов обработки за­готовок по заданным параметрам их поверхно­сти. Использование ЭВМ суще­ственно упрощает эту работу.

Типовые технологические процессы изготовления колец, втулок, и гильз схожи между собой. Основными технологическими трудностями изготовления этих деталей является обеспечение требований по малым отклонениям формы наружных и внут­ренних поверхностей, малым отклонениям от цилиндричности, биению поверхно­стей. Преодоление этих трудностей на фоне типовой техноло­гии представляет собой основу повышения качества деталей.

Конструктивные элементы деталей в виде отверстий, пазов порождают откло­нения формы на ответственных поверхностях. Такие отклонения следует пре­одолевать на основе расчета возникающих упругих перемещений под действием сил резания. По­следние выбирают исходя из соображения того, что перемеще­ния должны быть меньше допуска на отклонение формы.

В деталях указанного типа, изготовленных по неизмененным технологиче­ским маршрутам, одного и того же химического состава, но из заготовок, полу­ченных раз­ными методами, получается в итоге различный уровень остаточных напряжений. Термическая обработка меняет уровень напряжений, даже изменя­ется их знак, но общий вывод остается неизменным и должен приниматься в расчет при технологиче­ском обеспечении качества.

Эффект технологического наследования особенно следует учитывать при из­готов­лении типа колец. Заготовки колец, изготовленные на горизонтально-ко­вочных ма­шинах, неизменно получают отклонение формы наружной поверхно­сти в виде овала. Указанная погрешность оказывается исключительно устойчи­вой, на всех операциях технологического процесса она уменьшается. Ставя за­дачу повышения качества, нельзя игнорировать форму заготовки. Для качест­венных колец необходимо ограни­чить отклонение формы заготовок. Вторым условием повышения качества следует считать использование зажимных уст­ройств с закреплением заготовок по торцам. Этими мероприятиями вполне можно предотвратить передачу вредных наследствен­ных свойств.

Проблема обеспечения качества деталей типа колец, втулок и гильз непосред­ст­венно связана с особенностями закрепления их при обработке резанием. Даже при закреплении заготовок распределенными нагрузками передача погрешно­стей с на­ружной поверхности на внутреннюю оказывается ощутимой. Поэтому крайне важно обеспечить малые отклонения формы установочных поверхно­стей.

Указанные детали часто работают в условиях изнашивания, и в связи с этим в по­верхностных слоях предпочтительнее напряжение сжатия. Однако вследст­вие раз­нообразия методов обработки, различных сочетаний силовых и тепловых факторов воздействия инструмента на обрабатываемую поверхность возникают остаточные тангенциальные напряжения, различные по величине и по знаку, что следует учиты­вать при технологическом формировании такого показателя качества, как износо­стойкость.

Вопрос о напряжениях непосредственно связан с отклонениями формы по­верхно­стей колец, втулок, гильз. Реальные поверхности всегда имеют волни­стость (гран­ность). После токарной обработки заготовок диаметром 50-80 мм под такой поверх­ностью возникает слой со структурой, отличной от структуры основного материала. Глубина этого слоя составляет 25-50 мкм. После термиче­ской обработки на операции шлифования можно достичь очень малых отклоне­ний формы. Однако установлено, что на глубине 10-12 мкм от поверхности прошлифованного образца располагается пояс аустенитных зерен. Толщина этого пояса оказывается различной и периодиче­ски повторяющейся. С течением времени нестабильный по структуре слой аустенита превращается в мартенсит. При этом, естественно, изменяется (увеличивается) объем материала. В тех мес­тах, где слой аустенита был шире, происходит большее измене­ние объема (уве­личение), и наоборот. Поэтому деталь, имевшая после шлифования весьма ма­лые отклонения формы, получает наследственную волнистость. Для уменьше­ния отклонений формы необходимо рассматриваемую поверхность обрабо­тать дополнительно с помощью методов, создающих сжимающие напряжения, так как они замедляют процесс превращения аустенита в мартенсит. Одним из та­ких ме­тодов является алмазное выглаживание. В результате такой обработки отклонение формы за один и тот же промежуток времени оказывается почти в 3 раза меньше, чем после шлифования эль бором.

Конструктивные формы корпусных деталей непосредственно влияют на теп­лоот­вод при растачивании основных отверстий. Следствием его является откло­нение от соосности. При последовательном растачивании показатели качества более низкие, чем при одновременном. Наилучшие результаты получены при одновременном рас­тачивании симметричных частей корпусов.

Особо следует отметить опасность искажения формы главных отверстий кор­пус­ных деталей при их закреплении на металлорежущих станках. Для техноло­гического обеспечения качества корпусных деталей в связи с использованием технологической оснастки необходима экспериментальная отработка в услови­ях заводских лаборато­рий схемы закрепления с указанием сил закрепления и координат их приложения. Наивысшую точность обеспечивает схема закрепле­ния, соответствующая схеме за­крепления корпуса после сборки его в готовой машине.

Для деталей других типов существуют свои технологические приемы повы­шения качества, и вопрос решается аналогично тому, как он решается примени­тельно к де­талям, рассматриваемым выше.

В различных отраслях машиностроения наблюдается повышенный интерес к гиб­кому производству, в том числе автоматизированному, использованию станков с программным управлением. В связи с этим иногда полают, что во­просы техниче­ского обеспечения качества продукции можно решить только благодаря этой, так на­зываемой новой технике. Такая точка зрения, безусловно, ошибочна. Во-первых, ука­занные технологические системы обладают практиче­с­ки теми же недостатками, что и системы обычные, во-вторых, масштабы их применения малы и пока не играют ощу­тимой роли в общей массе изготавли­ваемых деталей машин, в-третьих, надежность их находится не на таком уровне, чтобы можно говорить об устойчивых технологи­ческих процессах. Вместе с тем тенденция развития и совершенствования таких тех­нологических систем оче­видна. Проблема технического обеспечения качества дета­лей машин должна решаться с применением любых технологических систем в пер­вую очередь - автоматических.

С увеличением точности на сборке требуется особый подход к оценке баз как гео­метрических образов. Производственные погрешности и деформации на сборке вы­зывают существенные отклонения от плоскостности, цилиндрично­сти, конусности, перпендикулярности и пр. Поэтому следует принимать в рас­чет реальные формы ба­зовых поверхностей.