Durability of engineering products

详细

The article notes that production of parts requires comprehensive assessment based on technological heredity in the course of its manufacturing process. As a result of implementation of the principles of surface engineering there was developed a new system of indicators, including both known and new indicators and criteria.

全文:

Введение Цель любого производства - изготовление изделий стабильно высокого качества. Однако, на практике наблюдается значительный разброс эксплуатационных свойств объектов производства. Большинство деталей, узлов, агрегатов сложных изделий, например, автомобилей, тракторов, станков, надёжно и длительно работают, но часть деталей из-за не- достаточной прочности разрушаются преждевременно. Таким образом, на производстве по одной технологической документации на одном и том же оборудовании изготавливают од- новременно детали с разным качеством: высоким и низким. Причём срок службы одноимён- ных деталей может отличаться существенно, например, для автомобильных зубчатых колёс в 8 - 10 раз [1]. Поэтому перед машиностроителями остро стоит проблема повышения качества дета- лей, но не всех, а только некоторой части. Это значит, что перед производством стоит задача стабилизации качества производимых деталей за счёт уменьшения доли деталей, обладающих низкими свойствами. Для устранения причин, приводящих к разбросу свойств объектов производства необ- ходимо исследовать не только процессы на отдельных этапах изготовления (ковка, литьё, механическая обработка, термическая обработка), но и устанавливать связи между отдель- ными технологическими операциями. То есть в современных условиях требуются общая и комплексная оценки всего процесса изготовления изделий на основе технологической наследственности, которая позволяет изучать последовательно все процессы, происходящие в металле, заготовках, деталях по ходу всего процесса изготовления изделий. Обычно детали, обладающие параметрами, установленными нормативно-технической документацией, надёжно и длительно работают при эксплуатации изделий. Однако довольно часто встречаются случаи, когда детали, параметры которых соответствуют технической до- кументации, разрушаются преждевременно. Поэтому для стабилизации свойств деталей необходимо уточнять как состав параметров и показателей качества, их значения, так и обоснованные связи между ними. Такое уточнение в настоящее время выполняют на основе инженерии поверхности, под которой понимают совокупность методов целенаправленного формирования микрогеомет- рии, структуры поверхностного слоя с учётом его свойств и свойств сердцевины деталей, а также условий эксплуатации. Для успешного применения методов инженерии поверхности необходимо исследовать изменения химического состава, напряжённого состояния структу- ры поверхностного слоя и сердцевины объекта, макро- и микрогеометрии обработанных по- верхностей. Технологическая наследственность В технологии машиностроения в 60-е - 70-е годы прошлого столетия выполнены мно- гочисленные работы по исследованию зависимости свойств изделий от технологических ме- тодов их изготовления [2 - 6]. В результате этих работ коренным образом изменили взгляд на способы достижения стабильно высокого качества изделий. Раньше исключительную роль при разработке мер повышения эксплуатационных свойств деталей за счёт улучшения качества поверхности и поверхностного слоя деталей отводили финишным операциям (шли- фованию, полированию, поверхностному пластическому деформированию и др.). Считали, что финишные операции в любом случае, независимо от других технологий, используемых при изготовлении этих деталей, обеспечат всегда высокое качество объекта производств. Выполненные исследования показали существенное влияние на результаты финишных операций и эксплуатационные свойства изделий предшествующих технологических процес- сов (ковка, термическая обработка поковок, операций при черновой механической обработ- ке). В результате этих работ было установлено, что при производстве изделий существует технологическая наследственность, которая отражает зависимость результатов последующих операций от результатов предыдущих и зависимость эксплуатационных свойств от этого. Эксплуатация показывает, что каждая деталь обладает своей технологической наследствен- ностью. Детали, которые надёжно и длительно работают при эксплуатации, обладают поло- жительной технологической наследственностью, а детали, которые разрушаются преждевре- менно - отрицательной. Учитывая актуальность дальнейшего повышения надёжности и дол- говечности деталей машин необходимо расширить и углубить исследования по обеспечению положительной технологической наследственности и предотвращению формирования отри- цательной, т.е. исключить нежелательные отклонения в передаче структурно-напряжённого состояния объекта производства от предыдущих позиций обработки на последующие. Начало процесса изготовления деталей находятся в заготовительных цехах, когда куз- нецы штучной заготовке, а литейщики определённому объёму жидкого расплава придают необходимые размеры и форму. Это первое проявление технологической наследственности на машиностроительном предприятии, которое определяет весь комплексный технологический процесс изготовления деталей: мерная штучная заготовка из проката и мерный объём жидкого металла наследуют размеры с припусками и форму деталей. С этого момента их ма- териал обладает свойствами, формируемыми конкретными размерами и формой заготовок. Причём свойства материала в разных местах заготовок могут быть разными в зависимости от толщины сечений. С момента своего появления заготовка становится носителем технологической инфор- мации о всех воздействиях на её поверхности и превращениях в её материале, осуществляе- мых в интересах процесса изготовления объекта производства. В результате сложного термического и механического воздействия на металл в процес- се изготовления поковок в них формируется сложное структурно-напряжённое состояние. Поплавочное колебание химического состава стали, неравномерность пластической дефор- мации в объёме поковок, неодинаковые условия охлаждения поковок в таре приводят к зна- чительному разнообразию микроструктуры и фазового состава металла поковок. В зависи- мости от легирования в микроструктуре поковок одновременно присутствуют различные со- ставляющие: перлит, феррит, карбиды, бейнит. На практике в поковках наблюдаются раз- личные степень обезуглероживания поверхностного слоя, разнозернистость, полосчатость. В поковках возникают остаточные напряжения, неравномерность распределения твердости. Отмеченные неоднородности (химическая, структурная, технологическая) отрицательно влияют на формирование положительной технологической наследственности: они затрудня- ют получение положительных результатов при механической обработке, окончательной тер- мической и химико-термической обработки деталей и снижают эксплуатационные свойства деталей. Поэтому существует необходимость совершенствования технологии изготовления заготовок. Важность этой работы объясняется тем, что на этой стадии закладываются основы технологической стабильности окончательных структур и свойств деталей. Очень важное место в формировании технологической наследственности принадлежит термической обработке заготовок. Для устранения дефектов микроструктуры, снижения остаточных напряжений, уменьшения твердости, улучшения обрабатываемости при механи- ческой обработке, а также повышения механических свойств отливки и поковки подвергают различным видам термической обработки. Такая обработка называется предварительной (смягчающей), в отличие от заключительной (упрочняющей), которая предназначена для придания деталям окончательных эксплуатационных свойств. Считают, что большинство дефектов, отрицательно влияющих на технологическую наследственность деталей, во время термической обработки устраняется [3]. Однако это не всегда соответствует действительности в полной мере: и после термиче- ской обработки остаются колебания в прокаливаемости материала поковки, наблюдаются неблагоприятные соотношения микротвердостей структурных составляющих, наличие кар- бидных включений, что существенно затрудняет механическую обработку при изготовлении деталей. При механической обработке в поверхностных слоях деталей в результате пластиче- ской деформации, нагрева и охлаждения происходит изменение структуры стали, сопровож- дающееся наклепом металла и возникновением остаточных напряжений. Так, в случае нали- чия различных структурных составляющих, различные микрообъемы металла упрочняются неодинаково: перлит, сорбит, троостит в меньшей степени, феррит, аустенит в большей. Наклеп оказывает заметное влияние на механические свойства деталей и точность их размеров, т.к. в процессе последующей термической обработки и при хранении под действи- ем остаточных напряжений может происходить изменение размеров и формы деталей. На степень наклепа и его равномерность существенно влияет состояние режущего ин- струмента. Например, при изготовлении цилиндрических зубчатых колес из стали 12Х2Н4А посадочное отверстие сужается в среднем на 26 % больше в случае обработки затупленным инструментом, чем при использовании нового; бочкообразность отверстия при затупленном инструменте (сужение вверху 170 мкм, внизу - 209 мкм) происходит, а при новом практиче- ски отсутствует (сужение вверху 154 мкм, внизу - 147 мкм); при затуплении инструмента увеличивается разброс значений диаметра отверстия: среднее квадратическое отклонение при обработке новым инструментом равно 110 мкм, а при затупленном - 143 мкм [6]. Технологическая наследственность на стадии упрочнения деталей зависит как от фак- торов, действующих на предыдущих стадиях изготовления деталей, так и от факторов, дей- ствующих при осуществлении процессов упрочнения. Наиболее существенно влияние коле- бания химического состава сталей и конструктивных особенностей деталей. Так, при закалке цементованных зубчатых колес (m = 4 мм) вершины зубьев охлажда- ются в 2 раза быстрее впадин и в 6 - 8 раз быстрее посадочного отверстия. Это приводит к различию толщин упрочненного слоя: на вершине зубьев оно равно 0,8 - 0,85 мм, на рабочей поверхности 0,75 - 0,80 мм, в посадочном отверстии 0,45 - 0,60 мм. Характерным примером отрицательной наследственности при структурных и фазовых превращениях в цементованных и нитроцементованных деталях являются дефекты в поверх- ностных слоях (карбиды, оксиды, немартенситные структуры, темная составляющая), кото- рые приводят к заметному снижению усталостной прочности и износостойкости таких дета- лей. Технологическим приемом предотвращения такого отрицательного наследования явля- ются программируемые режимы диффузионного насыщения деталей углеродом и азотом [1, 7]. Так, если при нитроцементации рулевых червяков (сталь 35Х) по обычным режимам в микроструктуре поверхностного слоя образуется троостит, то при использовании режима с повышением углеродного потенциала образуется качественная мартенситно-аустенитная микроструктура. Такое изменение микроструктуры в тонком поверхностном слое (0,02 - 0,04 мм) весьма положительно влияет на наследственность. Образование троостита в слое приводит к суще- ственному снижению микротвердости, вызывает концентрацию напряжений, а также исклю- чают положительное влияние ППД, т.к. в этом случае не происходит наклепа такой структу- ры. Образование мартенситно-аустенитной микроструктуры сопровождается значительным повышением усталостной прочности червяков рулевого управления: число циклов до разрушения повышается от 0,45 · 106 до 1,2 · 106, т.к. такая микроструктура обладает более высо- кой твердостью и под действием дробеструйной обработки существенно упрочняется. При этом создаются остаточные напряжения сжатия. Данный пример весьма показателен: нитро- цементация деталей с образованием дефектной микроструктуры делает неэффективной по- следующую технологию упрочнения колес ППД. Нитроцементация по другому режиму диффузионного насыщения деталей углеродом и азотом, предотвращает образование де- фектных структур, обеспечивает формирование качественной микроструктуры, которая поз- воляет реализовать в полной мере эффективность дробенаклепа. Получается, что при одном сочетании технологий проявляется отрицательная наследственность, при другом - положи- тельная. Режимы насыщения при цементации, нитроцементации и азотировании существенно влияют на качество микроструктуры поверхностных слоев деталей и их свойства, в том чис- ле и геометрическую точность. Совершенствуя их, можно эффективно управлять технологи- ческой наследственностью деталей. Инженерия поверхности Другим комплексным направлением достижения высокого качества и надежности про- дукции является инженерия поверхности, включающая ряд научных дисциплин: физику и химию поверхности твердого тела, физику и химию взаимодействия поверхностных слоев и управление их свойствами, технологию покрытий и модифицирования поверхностных слоев; технологию поверхностной обработки [1, 7 - 10]. Однако инженерия поверхности для традиционных видов обработки деталей не только новый термин, но и новый методологический подход к исследованиям и разработкам, направленным на повышение свойств деталей, основанный на инженерных расчетах, инже- нерных зависимостях, увязывающих в единую систему различные показатели и критерии конструкторского и технологического характера. Под этим термином следует понимать со- вокупность инженерных методов формирования структуры и свойств поверхностных слоев деталей и инструментов. Основной особенностью инженерии поверхности является решение всех технологиче- ских задач под диктатом условий эксплуатации деталей. При реализации метода инженерии поверхности необходимо выполнить последовательно несколько взаимозависимых этапов. Уточнение условий нагружения деталей при их эксплуатации. При этом необходимо учитывать максимально возможный спектр нагрузок, т.к. действия некоторых, несмотря на их кратковременность, могут привести к достижению критического состояния материала де- талей. На этом этапе следует определить поле напряжений. Затем на основе зависимости «структура-свойства» необходимо определить показатели оценки качества деталей. При этом следует определить характер распределения структуры и фаз по зонам деталей в связи с условиями нагружения, т.е. определить поле сопротивления. Следующий этап - разработка технологических процессов обработки, обеспечивающих достижение требуемых структур, фаз и свойств в различных зонах деталей. Здесь необходи- мо учитывать особенности промышленных технологических процессов обработки. На этой стадии должно быть обеспечено согласование поля сопротивления (структурно- напряженного состояния деталей) с полем напряжения (напряженно-деформированным со- стоянием ее). Конечной целью является формирование композиционной структуры по сече- нию деталей (поверхностного слоя, сердцевины); управление величиной этих зон, в том чис- ле и по контуру деталей; оптимизация соотношения между свойствами слоя и сердцевины деталей. Реализация принципов инженерии поверхности была осуществлена на примере цемен- тованных и нитроцементованных зубчатых колес [1]. При уточнении условий нагружения зубчатых колес установлено, что впадина между зубъями является очень ответственной зоной, так как от свойств материала в этом месте за- висят и контактная и усталостная прочность зубъев (обычно считали, что сопротивление вы- крашиванию обеспечивается структурой поверхностного слоя в зоне начальной окружности). Это заставляет уделять большее внимание упрочнению этой зоны зубчатых колес. Тем более, что при максимальном нагружении зубъев в зоне перехода от эвольвентного профиля к впа- дине между зубъями эта зона имеет минимальное упрочнение из-за наличия в ней дефектов микроструктуры и меньшей толщины упрочненного слоя. При разработке системы показателей оценки свойств зубчатых колес определены ос- новные показатели, определяющие прочность и долговечность зубчатых колес в зависимости от условий их нагружения при эксплуатации. В условиях контактной выносливости и проч- ности это эффективная толщина слоя во впадине и микротвердость тонкой (до 100 мкм) по- верхностной зоны на этом участке профиля зубъев, а в условиях циклической и статической изгибной прочности - эффективная толщина слоя во впадине и микротвердость сердцевины зуба. Однако отдельное их использование не обеспечивает высокой надежности оценки, так как степень корреляции их с долговечностью и прочностью равна 0,67 - 0,77. Повышение надежности оценки осуществляется при использовании новых критериев. При оценке контактной прочности используется одновременно твердость поверхностного слоя во впадине и эффективная толщина слоя в этом месте: Kн  Hвп  hвп , где: Hвп микротвердость поверхностной зоны во впадине; hвп - эффективная толщина слоя в этом месте. Достоверность оценки долговечности в этом случае достигает 0,915. Для более точной оценки усталостной прочности зубъев применен критерий KF , равный произведению двух показателей, которые оказывают наиболее существенное влияние при этих условиях нагружения: толщины упрочненного слоя во впадине ( hвп ) и микротвер- дость сердцевины зуба ( Hсерд ): KF  Hсерд  hвп . Достоверность оценки долговечности и в этом случае значительно повышается. Новые критерии Kн и KF показывают, что основные показатели оценки свойств зубчатых колес должны находиться в динамическом равновесии: изменение одних должно сопро- вождаться изменением других. Например, при упрочнении зубчатых колес коробок передач из стали 15ХГН2ТА для повышения долговечности необходимо было увеличить толщину слоя, во втором случае, при упрочнении ведомых зубчатых колес ведущего моста автомоби- ля из стали 23ХН2М, из-за высокой твердости сердцевины зубъев необходимо было умень- шить толщину упрочненного слоя. Приведенные примеры показывают, что новые критерии позволяют согласовывать вза- имодействия слоя и сердцевины, что способствует стабилизации высоких значений прочно- сти и долговечности зубчатых колес. В результате реализации принципов инженерии поверхности разработана новая систе- ма показателей, включающая как известные, так и новые показатели и критерии: твердость слоя и сердцевины, эффективную толщину слоя во впадине, количество остаточного аусте- нита в поверхностном слое, содержание азота в нитридах и в порах (молекулярного), содер- жания углерода, углерода и азота в твердом растворе. Предложенная система показателей оценки свойств тяжело нагруженных зубчатых колес позволяет более надежно прогнозиро- вать прочность и долговечность этих деталей. К технологическому обеспечению требований уточненной системы показателей оценки свойств зубчатых колес относятся: создание многозонной (композиционной) структуры по сечению деталей; управление величиной этих зон по контуру зубчатого венца; оптимальное соотношение между свойствами поверхностных слоев и свойствами сердце- вины зубов; предотвращение образования дефектов микроструктуры (троостита, оксидов, темной со- ставляющей); стабильность микротвердости сердцевины; осуществлено разработкой и применением новых режимов цементации и нитроцемента- ции с программируемым изменением углеродного и азотного потенциалов при диффузи- онном насыщении стальных деталей. Комплексное использование системы показателей оценки свойств деталей и новых ре- жимов химико-термической обработки позволило повысить долговечность зубчатых колес в среднем в 1,5 - 2,0 раза. При выявлении причин различных отклонений в микроструктуре и свойствах деталей необходимо исследовать строение и свойства исходного металла, заготовок и деталей, выяс- нять условия и процессы формирования этих структур и свойств на протяжении всего цикла изготовления деталей. При этом происходит неоднократная перестройка структуры, а значит и изменения всех структурно чувствительных свойств материала готовых деталей. Одной из важнейших задач является определение и учет общих закономерностей изменения свойств деталей от влияния предыдущих состояний материала в связи с его обработкой на всех эта- пах изготовления деталей, то есть его технологической наследственности. Общей основой технологической наследственности являются фазовые и структурные превращения в металле, происходящие в результате различных воздействий на него в течение осуществления технологического процесса изготовления деталей. Заключение В настоящее время невозможно добиться стабильного успеха без тщательных исследо- ваний и совершенствования всего производства изделия в целом. Это требует применения новых методологических решений. Если раньше очень часто успеха достигали при решении проблем в отдельных технологиях (производстве стали, изготовлении заготовок, механиче- ской обработке резанием, термической и химико-термической обработке), то в настоящее время этого уже явно недостаточно. Сейчас нужны не сумма отдельных технологий, а комплекс технологий, обеспечиваю- щий благоприятное взаимовлияние этих технологий на эксплуатационные свойства изделий. Необходимо учитывать и исследовать весь технологический процесс изготовления изделий. Лучше всего вести работы в интересах повышения производственной наследственности, ко- гда наряду с основными технологическими процессами учитываются также вспомогательные и организационные. Именно такой подход может обеспечить и постоянство свойств изделий и требуемую эксплуатационную наследственность, необходимую для обеспечения длитель- ной и надежной работы техники. Развитие инженерии поверхности свидетельствует о необходимости более надежной оценки показателей качества продукции, более обоснованного назначения этих показателей с учетом их взаимодействия в общей оценке свойств объектов производства.