Технологическое обеспечение качества деталей машин

Введение

Современный уровень развития народного хозяйства и научно-технического прогресса, а также растущие потребности населения настоятельно требуют повышения качества выпускаемой продукции. Качество продукции по мере развития НТП все в большей степени зависит от уровня технологии и определяется рядом таких факторов, как механизация и автоматизация технологических процессов, их непрерывность, качество исходных материалов, организация труда, требование техники безопасности и охраны труда на производстве. Необходимо учитывать также и экономические критерии управления качеством. Недопустимо повышение качества продукции за счет ухудшения гигиенических, экологических, эстетических и других условий производства.

Технологическое обеспечение показателей качества 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 каждый элемент 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 зависимостей позволяет 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.