Введение

Эффективность машиностроительного производства определяется главными его составляющими - общественной производительностью труда и качеством выпускаемых машин. Под общественной производительностью труда понимают число выпускаемых на рынок машин, отнесенное к суммарной затрате человеческого труда на всех стадиях производства, начиная с добычи сырья и кончая поставкой готовых машин.

Качество машин складывается из многих составляющих, среди которых одной из главных является уровень технологии производства на машиностроительном заводе. Без преувеличения можно сказать, что прогресс в машиностроении может быть основан на материалах и технологии. Проблема повышения качества машин является важнейшей.

Цель дисциплины - обратить внимание на физические (технологические) основы обеспечения качества машин, которые на всех стадиях производства довольно многообразны.

Качество машины довольно емкое понятие. Оно включает такие компоненты, как коэффициент полезного действия, производительность, точность, металлоемкость, надежность, ремонтопригодность, бесшумность в работе, удобство и легкость управления и обслуживания, эстетичность и др.

Например, коэффициент полезного действия является важным показателем качества для энергетических машин, преобразующих энергию топлива в механическую работу, производительность важна для землеройных, карьерных и технологических машин, точность служит главнейшей характеристикой, определяющей качество станков для финишных операций, надежность важна для любых машин, однако ненадежность пассажирского самолета или трактора приводит к различным последствиям.

Безусловно, качество машины закладывается конструктором при проектировании выбором рациональных схем и прогрессивных рабочих процессов, использованием современных достижений в методах расчета динамики и прочности машин, без которых невозможно избежать вложения в конструкцию лишнего материала. А также выбором материалов с обязательной ориентировкой на будущую технологию производства, применением унифицированных узлов, деталей, приборов, уже хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации, и многими другими факторами.

Проектируя машину, конструктор проектирует и ее качество. А будет ли изготовленная машина обладать заданным качеством? Этот вопрос всегда волнует конструктора с двух точек зрения. Во-первых, не всегда известна степень достоверности исходных данных, принятых при разработке конструкции, не во всех случаях результаты расчетов адекватно отражают сложные процессы и взаимодействие элементов машины и, во-вторых, смогут ли производственники воплотить все замыслы конструктора, смогут ли сделать машину, которая представляется конструктору?

Хорошо известно, что одинаковую конструкцию велосипеда один завод делает хорошо, другой - плохо; из одного и того же сырья автомобильные шины одного завода имеют большой пробег, другого - малый.

Технологи обязаны как можно полнее воплотить замыслы конструкторов. На всех этапах производства роль технологии в обеспечении качества машин является определяющей: создание конструкционных материалов, изготовление заготовок, финишная обработка, формирующая окончательные свойства деталей, сборка, испытания, конструкторско-технологическая доводка.

Изготовление любой машины начинается в заготовительных цехах и участках. Ковка, штамповка, прокатка, литье, резка и сварка - вот основные способы получения заготовок деталей машин. Здесь, в заготовительных производствах, начинают закладываться компоненты качества будущих деталей: плотность материала, направление его волокон, концентрация напряжений при остывании и деформировании, структура материала поверхностного слоя - от них прежде всего будет зависеть качество деталей после придания им окончательного вида. При литье, штамповке, прокатке формируется структура материала поверхностного слоя детали. От пластического деформирования и быстрого остывания в материале поверхностного слоя создается мелкозернистая структура повышенной твердости, которая предпочтительнее крупнозернистой во многих отношениях.

Но при последующей механической обработке поверхностный слой детали снимается и тем на большую глубину, чем больше был предусмотрен припуск на механическую обработку. Неточная геометрия заготовки и, как следствие, большие припуски на механическую обработку вызывают необходимость иметь лишний станочный парк, инструментарий, технологическую оснастку, производственные площади, лишних рабочих для того, чтобы металл перегонять в стружку. Вот какой шлейф издержек влечет за собой некачественная заготовка, вот где находятся большие резервы повышения эффективности машиностроительного производства.

Основная задача заготовительного производства - при высокой производительности дать заготовку наилучшего качества с минимальными припусками на механическую обработку.

Прогрессивным является получение заготовок деталей в виде тел вращения методами винтовой и поперечной прокатки. Высокая производительность благодаря непрерывности процесса и автоматизации, высокая точность и прочность прокатываемых деталей, экономия металла - основные преимущества метода.

Например, при холодной прокатке винтов наружные слои металла приобретают волокнистую структуру, ориентированную по профилю резьбы, твердость наружных слоев в 1,4…1,5 раза превышает твердость основного металла заготовки, прочность резьбы на срез возрастает на 20…25 % по сравнению с нарезанной резьбой, прочность при усталостном симметричном изгибе повышается в 2,2 раза.

Значительные успехи достигнуты в развитии технологии с использованием кузнечнопрессового производства. Их главным содержанием являются: повышение производительности труда и коэффициента использования материала, достижение хорошей структуры материала заготовки, отсутствие внутренних и наружных дефектов, малые припуски на последующую механическую обработку. Разработаны процессы и оборудование для полугорячей и холодной объемной штамповки, холодной высадки, выдавливания, позволяющие получать точную заготовку.

Горячая штамповка в разъемных матрицах в сочетании с безокислительным нагревом, протяжкой отверстия, травлением окалины и холодной калибровкой зубьев позволяет изготовить зубчатое колесо без дальнейшей механической обработки. Методы листовой штамповки позволяют получать сложные детали без применения сварки.

Одним из наиболее давних и вместе с тем имеющий большое значение на всех этапах развития машиностроения является метод получения деталей литьем. Сложные корпусные детали тел вращения, сложные чугунные детали с внутренними полостями можно изготовить только способом литья. Для многих деталей даже массового производства литые заготовки оказываются более дешевыми.

Основой получения качественных литых деталей машин является обеспечение плотности отливок путем рационального проектирования литниковых питающих систем, обеспечения точности отливок при литье по выплавляемым моделям.

Автоматизированная сварка под слоем флюса, сварка в защитной среде, сварка электронным лучом, ультразвуком, диффузионная сварка в вакууме, диагностика сварных соединений позволяют получить качественные сварные детали для различных условий и материалов.

Качество детали в значительной степени определяется свойствами ее поверхностного слоя. Наряду с традиционной химико-термической обработкой в последние годы нашли применение новые эффективные процессы, такие, как лазерная обработка поверхности металла с целью повышения стойкости против изнашивания и коррозии, лазерное легирование поверхности металла. А также плазмомеханическая обработка металла, плазменное напыление износостойких, коррозионностойких покрытий, плазменное напыление нитрида титана на инструмент, повышающее износостойкость режущего инструмента в 2…3 раза.

Парофазная технология - испарение материала в глубоком вакууме и конденсация паров на поверхности детали в виде пленки позволяет получать слоистые структуры с заданными свойствами.

Основанная на последних достижениях физики, физической химии, металловедения порошковая технология позволяет получать сверхтвердые материалы, конструкционную керамику, композиционные материалы, детали без дальнейшей механической обработки, восстанавливать изношенные детали.

Несмотря на неоспоримые преимущества и прогрессивность отдельных заготовительных процессов, никогда не откажутся от метода обработки материалов резанием. Кинематические пары, составляющие основу современных машин, образуются из элементов с такими параметрами, которые не представляется возможным достигать другими методами, кроме метода резания. Становится возможным получать детали с допуском на размер в десятые доли микрометра, отклонениями формы в сотые доли микрометра. С большой точностью возможно образование поверхностей с заданной шероховатостью и взаимным расположением элементов деталей. С точностью до долей угловой секунды возможно изготовление высокоточных деталей современных машин.

Учение о технологической наследственности предусматривает взаимосвязь и взаимообусловленность свойств заготовок и готовых деталей. Служебные свойства любой детали машины формируются в ходе всего технологического процесса, однако финишные технологические операции играют особую роль. Методы финишной обработки решающим образом влияют на такие служебные свойства, как износостойкость, сопротивление усталости, контактная жесткость, виброустойчивость, коррозионная стойкость и многое другое, что связано с понятием «качество машины».

Наличие годных деталей еще не означает наличия качественной машины. Качество машины связано с технологическим процессом сборки. Трудоемкость сборочных работ в машиностроении составляет в среднем 30% трудоемкости изготовления изделий. При всех видах сборки, применяемых в машиностроении, наибольшее внимание необходимо уделять регламентированию условий проведения процесса собственно соединений отдельных деталей с целью создания качественной машины. Поузловая сборка, испытания и диагностика всей машины являются важнейшим и завершающим этапом технологического процесса создания машин.

Таким образом, подбор или создание новых конструкционных материалов, отвечающих служебным свойствам деталей, обоснование методов получения заготовок, обеспечивающих геометрическую точность, плотность и структуру материала в сочетании с высокой производительностью, обеспечение качества поверхностного слоя детали (длительной и малоцикловой прочности, износостойкости и коррозионностойкости) химико-термическими и термомеханическими методами, лазерной, ионно-плазменной и финишной обработкой, обеспечение стабильного качества на сборке, доводочные и контрольные испытания - все это существенно для обеспечения качества машин в производстве. Вся эта цепочка технологических основ должна анализироваться и соблюдаться при создании машин.