Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Технологическое наследование эксплуатационных параметров деталей машин

Технологическое наследование эксплуатационных параметров деталей машин

Важнейшей проблемой современного машиностроения является повышение качества выпускаемой продукции, ее надежности и долговечности. Решение этой проблемы обеспечивается управлением технологическими процессами изготовления деталей машин.
Известно, что эксплуатационные свойства деталей зависят не только от физикомеханических характеристик материала, из которого они изготовлены, но и от состояния поверхностного слоя. При этом установлено, что изготовление деталей из одного и того же материала, но по различной технологии и с разными режимами обработки приводит к резкому изменению свойств поверхностного слоя, при этом долговечность таких деталей различна.
Изучение технологий обычно ограничивается рамками отдельных операций. Однако при использовании высокоинтенсивных воздействий потоками энергии и вещества необходимо всесторонне исследовать точность и физикемеханические свойства, учитывая действие технологическоэксплуатационной наследственности. Это означает, что все операции и их технологические переходы, а также стадии эксплуатации следует рассматривать не изолированно, а во взаимосвязи, так как характеристики обработанных поверхностей формируются всем комплексом технологических воздействий и изменяются в процессе эксплуатации детали.
В процессе высокоинтенсивной обработки поверхностный слой детали поглощает в короткое время значительное количество энергии, при этом в нем образуются аккумулирующие избыток энергии неравновесные структуры. Обладающие высокой энергией неустойчивые структуры самопроизвольно стремятся к состоянию с меньшей свободной энергией, которая обеспечивает повышение точности, износостойкости и других эксплуатационных характеристик поверхностного слоя.
С течением времени структуры переходят в более устойчивое состояние термодинамического равновесия, при котором свободная энергия поверхностного слоя минимальна. Запасенная структурами внутренняя энергия уменьшается, а связанная энергия системы, представляемая произведением температуры на энтропию возрастает. В результате часть поглощенной энергии упорядоченного воздействия переходит в энергию неупорядоченного процесса и в конечном итоге в теплоту.
Таким образом, в поверхностном слое происходят необратимые процессы наследственности и самоорганизации, которые вследствие наложения и совместных действий, внесенных и трансформированных потоков энергии и вещества ведут к образованию комплексных структур. Управление процессами поглощения энергии и вещества при послойном прохождении высокоинтенсивных воздействий дает возможность синтезировать, создавать требуемые в эксплуатации структуры и "конструировать" поверхностные слои детали.
Сущность явления технологическоэксплуатационной наследственности. Изучение путей улучшения качества поверхности с целью повышения эксплуатационных свойств обычно ограничивается рассмотрением методов и условий осуществления последней операции, завершающей технологический процесс обработки детали. Таким образом, не учитывается влияние результатов предшествующих операций и переходов технологического цикла на износостойкость, прочность, надежность и долговечность деталей при эксплуатации.
Существование технологическоэксплуатационной наследственности, влияющей на качество рабочих поверхностей деталей машин, свидетельствует о неполноте подобного подхода при проектировании технологических процессов. Особенно ярко наследственность проявляется при комбинированных методах обработки, когда технологические факторы последовательно друг за другом или совместно параллельно воздействуют на обрабатываемую деталь. Причем наследственность оказывает влияние не только непосредственно после финишных операций технологического процесса, но может проявляться и при эксплуатации в результате воздействия тех или иных параметров качества поверхности, созданных в поверхностном слое детали при ее предшествующей обработке.
С позиций технологическоэксллуатационной наследственности можно установить связь технологических операций и переходов, в том числе и при комбинированных методах обработки с износостойкостью, прочностью и другими эксплуатационными свойствами деталей машин.
Под технологическоэксплуатационной наследственностью в настоящее время подразумевается явление переноса свойств обрабатываемого объекта от предшествующих технологических операций и переходов, воздействующих как последовательно, так и параллельно, к последующим при совместном действии операций и переходов, которое сказывается в дальнейшем при эксплуатации на параметрах качества деталей машин. При этом изменение свойств на стадиях эксплуатации определяется методами и режимами как отдельных операций и переходов, так и последовательностью и сочетанием операций и переходов технологического процесса в целом.
Роль отдельных операций и переходов в формировании эксплуатационных свойств поверхностей. Для обеспечения надежности и долговечности деталей машин необходимо придавать их обработанным поверхностям оптимальные геометрические характеристики и физикомеханические свойства.
Однако на эксплуатационные свойства, помимо оговоренных чертежом детали точности изготовления, шероховатости рабочих поверхностей, марки материала, его структуры и твердости, влияют методы и режимы ее получения. Это объясняется тем, что точность и шероховатость не могут характеризовать физическое состояние поверхностного слоя металла. Поверхности с одинаковой точностью и конечной шероховатостью могут иметь различную степень наклепа, неодинаковый характер и величину остаточных напряжений, у них в разной степени может быть искажено кристаллическое строение и нарушена цельность поверхности вследствие микротрещин, задиров, разрыхления и т.д.
Различными могут быть химический состав и структура поверхностного слоя металла, если поверхность получена в результате выполнения комплекса физикомеханических операций с выделением в технологической зоне значительного количества теплоты, то отдельные химические составляющие могут выгорать, в результате чего снижаются эксплуатационные свойства металла.
Важной характеристикой эксплуатационных свойств обработанных поверхностей является поверхностная энергия. Физический смысл ее заключается в следующем. Внутренние частицы твердого тела окружены со всех сторон соседними частицами. Частицы, находящиеся на поверхности, окружены соседними только с нескольких сторон, поэтому они располагаются иначе, чем внутренние. В поверхностном слое сосредоточен больший запас потенциальной энергии, чем во внутренних ся вплоть до самой последней операции, влияние других ослабевает значительно раньше. Кроме того, некоторые факторы воздействуют только в пределах определенной операции, а на смежные влияния не оказывают. Так, например, волнистость и гранность поверхности могут частично копироваться на однойдвух смежных операциях, а затем их влияние прекращается.
В технологической цепочке и при эксплуатации существуют своеобразные барьеры. Некоторые факторы не могут преодолеть барьеры, и в таком случае эти факторы не влияют на конечные свойства обработанных поверхностей. Другие факторы барьеры проходят, но при этом значительно теряют свою исходную силу и влияют на конечные свойства очень слабо. Самыми существенными барьерами в технологическом процессе являются термические операции (например, закалка, отжиг, отпуск) и так называемые упрочняющие операции, сопровождающиеся поверхностным упрочнением деталей (например, обкатка шариками, роликами, дорнирование отверстий, алмазное выглаживание). Сюда же можно отнести и процесс выхаживания при шлифовании, способствующий появлению абразивного наклепа обрабатываемой поверхности.
Рассмотрим влияние операций поверхностного упрочнения на ослабление воздействия отрицательных факторов технологической наследственности. Основной эффект состоит в том, что значительное количество микротрещин, находящихся в поверхностном слое металла, при пластической деформации смыкается и поверхность становится более цельной — залечивается. Кроме того, поверхностный наклеп выравнивает физикомеханические свойства различных участков поверхности, устраняя повышенные напряжения, возникающие на границах участков с различной структурой и микротвердостью. В этих местах во время эксплуатации детали могут образоваться микротрещины, а затем и питтинги.
Поверхностный наклеп при осуществлении упрочняющих операций выравнивает структурные неоднородности, устраняя концентраторы напряжений. Это происходит в результате того, что при обработке мягких структур наклеп происходит интенсивнее, чем твердых, поэтому их микротвердость при этом выравнивается. Кроме того, местные растягивающие напряжения подавляются вновь созданными при наклепе сжимающими напряжениями, и весь поверхностный слой металла становится равнонапряженным. Остаточные напряжения в конце упрочняющей операции будут сжимающими. Итак, влияние многих отрицательных факторов технологической наследственности при осуществлении упрочняющих воздействий резко ослабевает или вообще не наблюдается.
Тепловые явления при механической обработке обычно ухудшают физикохимическое состояние поверхностного слоя, тем самым снижая работоспособность деталей. Структурные превращения в поверхностном слое могут располагаться на глубине, превышающей величину припуска на последующую операцию. Эти превращения обычно оказывают отрицательное влияние на формирование эксплуатационных характеристик поверхности при дальнейшей обработке. Поэтому, ослабляя термические воздействия на деталь, управляя тепловыми процессами, можно снизить действие отрицательных факторов технологической наследственности.
Выводы. Таким образом, как положительные, так и отрицательные факторы появляются и угасают на различных операциях технологического процесса и стадиях эксплуатации деталей машин, т.е. продолжительность действия отдельных факторов технологически эксплуатационной наследственности различна.
Конечные свойства обработанной поверхности будут зависеть от того, сколько отрицательных факторов пройдет через весь комплекс операций и переходов вплоть до создания готовой детали и насколько они будут нейтрализованы положительными факторами. Следовательно, при проектировании технологических процессов высокоэффективной обработки необходимо вводить такие операции, использовать такие воздействия, которые препятствовали бы действию отрицательных факторов на финишной операции.

Литература

1. Маталин А.А. Технология машиностроения. Л.: Машиностроение, 1985. 512 с.
2. Ю.М. Соломенцева. Проектирование технологии. М.: Машиностроение, 1990. 416 с.
3. Ящерицын П.И., Скорынин Ю.В. Работоспособность узлов трения машин. Мн.: Наука и техника. 1984. 288 с.
4. Ящерицын П.И., Забавский М.Т., Кожуро Л.М., Акулович Л.М. Алмазноабразивная обработка и упрочнение изделий в магнитном поле. Мн.: Наука и техника, 1988. 272 с.
5. П.И. Ящерицын, М.Л. Хейфец, Б.П. Чемисов и др. Технологические основы высокоэффективных методов обработки деталей. Новополоцк: ПГУ, 1996. 136 с.
6. А.С. Васильев, A.M. Дальский, М.Л. Хейфец и др. Технологические основы управления качеством машин. Мн.: ФТИ НАНБ, 2002. 216 с.
7. Кузнецов В.Д. Физика резания и трения металлов и кристаллов. Избранные труды. М.: Наука, 1977. 310 с.
8. В.И. Беляева. Теоретические основы процессов поверхностного пластического деформирования. Мн.: Наука и техника, 1987. 229 с.
9. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. 600 с.

П.И. ЯЩЕРИЦЫН, академик, др тенх. наук
(Физикотехнический институт Национальнгой академии наук)

Справочник, инженерный журнал
№9, 2004г., с. 20-22

Статьи партнеров