Sysoev_TeorosnovyTMSlekc

3.Что такое функция Лапласа и для каких вычислений эта функция используется?

4.Напишите формулу расчета суммарной погрешности для генеральной совокупности и расшифруйте.

5.Назовите основные требования при статистическом анализе процесса.

6.Объясните порядок построения эмпирической и теоретической кривой Гаусса.

7.Как можно судить о процессе по характеру кривой Гаусса?

8.Для каких целей используют критерии Фишера и Стьюдента?

9.Дайте понятия: генеральная совокупность, выборка, интервал варьирования, доверительная вероятность, точность и настроенность процесса, уровень значимости.

10.С какой целью выполняют оперативный и этапный контроли?

11.Расскажите о порядке выполнения оперативного контроля.

12.Объясните порядок выполнения этапного контроля.

13.Назовите критерии, по которым выполняется сравнение статистических данных выборки с генеральной совокупностью.

14.Как выполняется оценка точности и стабильности технологического процесса?

7. КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

Качество поверхностного слоя деталей определяется совокупностью характеристик шероховатости, физико - механического состояния и микроструктуры металла слоя и остаточных напряжений.

Шероховатость представляет собой след режущей кромки инструмента детали, искаженный пластическими деформациями, сопутствующими процессу резания.

Как известно, шероховатость поверхности характеризуется высотой, формой профиля и шагом неровностей и их направлением относительно образующей или оси поверхности. Основные характеристики шероховатости регламентирует ГОСТ 2789 - 73.

Напомним только основные определения:

шероховатость поверхности - совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности детали. Она характеризуется следующими основными параметрами:

7.2. Влияние методов и режимов обработки на шероховатость поверхности

На шероховатость поверхности оказывают влияние следующие факторы: метод и режимы обработки. При точении, растачивании, строгании и торцевом фрезеровании большую роль играют геометрические факторы процесса: увеличение радиуса при вершине резца, уменьшение главного и вспомогательного углов в плане дают уменьшение высоты неровностей. При плохой заточке кромки и от износа на режущем лезвии образуются неровности, приводящие к увеличению шероховатости: при точении на 50...60% , при тор-

цевом фрезеровании на 35...45%; силовые и тепловые факторы, зависящие от режимов резания:

а) скорость резания проявляются через изменение температуры в зоне резания, а она в свою очередь определяет характер пластических деформаций и стружкообразования, в частности наростообразования. На рис. 7.1,а кривая зависимости Rz = f(v) почти повторяет кривую 1 зависимости Rz от величины нароста металла на резце. При больших и малых скоростях, когда нарост отсутствует - Rz принимает минимальные значения;

Рис 7.1. Влияние скорости резания а) и подачи б) при точении стали

на шероховатость поверхности Rz: 1 - нарост на резце; 2 – шероховатость поверхности

б) влияние подачи обусловлено геометрическими соотношениями, а также пластическими и упругими деформациями, особенно в зоне малых (S< 0,02) и больших подач (рис. 7.1,б);

в) влияние глубины резания при t>5 на Rz мало, а при t<r (радиус скругления кромки) t≤ 0,02...0,03 мм нормальное резание прекращается. Резец, отжимаясь, скользит по поверхности заготовки, периодически врезаясь в нее и, вырывая металл на отдельных участках пути, создает нерегулярные риски, то есть появляется неравномерная шероховатость;

влияние механических свойств обрабатываемого материала проявляется через пластическую деформацию металла в зоне резания. Вязкие и пластические металлы дают шероховатые поверхности. Нормализация заготовок из углеродистой стали способствует получению однородной структуры, поэтому шероховатость уменьшается. При увеличении твердости шероховатость поверхности уменьшается с уменьшением влияния скорости на высоту шероховатости;

влияние СОЖ. С вводом ее уменьшается трение, улучшается процесс стружкообразования и шероховатость уменьшается.

влияние жесткости системы СПИД. Непостоянство жесткости в разных сечениях по длине вызывает неоднородность шероховатости поверхности в пределах одного-двух ступеней шероховатости;

влияние геометрических параметров инструмента.

Шероховатость сильно зависит от размеров фрезы, числа зубьев, биения отдельных зубьев и подачи на зуб.

При шлифовании образование шероховатости связано с особенностями процесса из-за больших удельных давлений резания и высокого нагрева в тонком поверхностном слое, поэтому большое значение имеют режимы обработки: при увеличении окружной скорости вращения, уменьшении продольной и поперечной подачи, использования метода выхаживания (т.е. шлифование без поперечной подачи) шероховатость уменьшается.

Большое влияние оказывает правильный подбор характеристик шлифовального круга (зернистость, материал, твердость, структура связки, режим правки инструмента и его размерность).

7.3.Физико - механические свойства поверхностного слоя

Вследствие действия усилий деформаций и высоких температур, влияния химически активных жидкостей и газов при резании структура, физи- ко-механические свойства, химический состав поверхностного слоя отличаются от свойств исходного материала.

Структура поверхностного слоя. В поверхностном слое при обработке могут произойти следующие изменения: понижение плотности металла, повышение предела прочности, твердости, хрупкости, снижение пластичности и вязкости, изменение магнитных и др. свойств.

Поверхностный слой можно разделить на зоны:

зона 1 - четко выраженной деформации с большими искажениями кристаллической решетки металла, измельченными зернами, завихренным расположением структур и повышенной микротвердостью;

зона 2 - деформация с вытянутыми зернами, наволакиванием одних зерен на другие, твердость металла в этой зоне несколько меньше чем в первой зоне;

зона 3 - переходная зона от деформированного к физико-химическому состоянию основной структуры металла.

Теплота, возникающая в процессе резания поверхности заготовки, может вызывать структурные изменения металла, сопровождающиеся повышением микротвердости поверхностного слоя (поверхностная закалка).

Наклеп (деформационное упрочнение) оценивают глубиной hH и степенью наклепа:

где Н1, Н2 - микротвердость исходной и обработанной поверхности соответственно.

Наклеп - следствие пластической деформации под действием усилий резания. При этом под действием температуры вызывается разупрочнение металла, которое возвращает металл в не наклепанное состояние. Что больше влияет - деформации или температура - таков и результат воздействия на поверхностный слой. При этом увеличение усилий резания, степени пластической деформации, времени воздействия приводит к повышению UH и hH .

С другой стороны, если условия обработки изменяются так, что увеличивается количество теплоты в зоне резания и увеличивается продолжительность теплового воздействия инструмента на металл - будет процесс разупрочнения, снимающий или уменьшающий наклеп поверхностного слоя.

Рис. 7.2. Изменение глубины и степени наклепа от параметров резания при точении сплава XH77Т10

Например, при увеличении скорости резания при обтачивании растет температура в зоне обработки, а вместе с тем повышается эффект разупрочне-

ся (7.2,б, в). Аналогично эти параметры ведут себя с увеличением износа резца по задней грани w (7.2,г).

При фрезеровании увеличение подачи и глубины резания приводят к повышению глубины и степени наклепа, а увеличение скорости - к уменьшению их. Большое влияние при этом оказывает зернистость абразивного круга.

После электрохимической обработки упрочнение поверхностного слоя не обнаруживается, но структура поверхностного слоя имеет «рыхлый» характер, т.е. также имеет дефектный слой.

Поверхностный слой деталей после электроэрозионной обработки имеет упрочнение на глубину до 50 мкм. Степень упрочнения не велика и составляет

13...15%.

Остаточные напряжения в поверхностном слое возникают от следующих факторов:

а) от действия силового поля. В процессе снятия стружки создается силовое поле, при котором происходит неравномерная местная пластическая деформация металла, приводящая к пластическому вытягиванию отдельных волокон в направлении действия сил растяжения. В примыкающем слое силовое поле возбуждает те же напряжения в пределах упругости. После прекращения действия сил нижние слои стремятся сжаться, но встречают противодействие со стороны пластически деформированных волокон. Значит верхняя часть поверхностного слоя будет сжата, а в нижней части возникают остаточные напряжения растяжения ( кривая 1 на рис. 7.3)

б) действие теплового фактора (Т). В зоне резания теплота приводит к быстрому локальному нагреву небольшого объема металла. В нем перепады Т достигают больших значений. Более нагретые слои будут стремиться занять больший объем, а нижние волокна менее нагретые будут этому препятство-

вать. В результате в верхних волокнах возникает напряжение сжатия, а при сильном нагреве будет пластическая деформация сжатия. Нижние волокна испытывают упругие напряжения. В фазе охлаждения верхние слои металла должны измениться на большую величину, чем нижние, которые этому препятствуют, возникают остаточные напряжения в поверхностном слое, ниже - уравновешивающие их напряжения сжатия (кривая 2 на рис. 7.3).

Рис. 7.3. Диаграмма остаточных напряжений: 1-сжатия, 2 - растяжения

7.4. Влияние состояния поверхностного слоя на эксплуатационные свойства деталей машин

Влияние шероховатости поверхности. Основная причина выхода из строя машин (до 80%) - это износ рабочих поверхностей сопряженных деталей.

Рис. 7.4. Износ поверхностей в зависимости от времени работы сопряжения

На рис. 7.4 показан износ поверхности для сопряжения в сборке при меньшей шероховатости поверхностей в сопряжении – кривая 1 по сравнению с шероховатостью – кривая 2. Кривые имеют начальный (ускоренный) износ - I, I1 эксплуатационный износ – II, II 1 и выход из строя – III, III 1. Если износ должен быть ограничен размером А, то время эксплуатации τ3>τ2 , т.е. при меньшей шероховатости поверхностей время эксплуатации больше.

Но минимальный износ получается не на самых гладких поверхностях, а при некоторых оптимальных значениях шероховатости. Значит, шероховатость следует уменьшать до определенного предела. На очень чистых поверхностях смазка удерживается плохо, вследствие чего возникает сухое трение, приводящее к увеличению износа. А увеличение высоты неровностей повышает износ за счет возрастания механического зацепления, скалывания и среза неровностей поверхности.

Направление шероховатости оказывает большое влияние на износ. При параллельном направлении рисок трущихся поверхностей или беспорядочном их расположении величина трения износа будут минимальны.

Шероховатость влияет на усталостную прочность деталей. Впадины - очаги концентрации напряжений, откуда начинают развиваться усталостные трещины. Уменьшение шероховатости увеличивают усталостную прочность

на 30 ...40 %.

Прочность соединения с натягом зависит от высоты и формы профиля неровностей. При увеличении шероховатости прочность соединения с натягом уменьшается.

Коррозионная стойкость в атмосферных условиях ниже у грубо обработанных поверхностей.

Точность измерения зависит от величины шероховатости. После грубой обточки нельзя измерить размер вследствие деформации гребешков шероховатости под действием инструмента.

Кроме того, шероховатость поверхности оказывает существенное влияние на теплопроводимость и герметичность стыков, отражательную и поглощающую способность, сопротивление жидкостей и газов, на жесткость и податливость стыков и др.

Влияние наклепа. Упрочнение металла поверхностного слоя способствует повышению износостойкости деталей, коррозионной стойкости, усталостной прочности на 15 ...20% . Объясняется это тем, что упрочненный поверхностный слой металла затрудняет возникновение и развитие первоначальных усталостных трещин. Однако наклеп не всегда полезен. Например, для жаропрочных сплавов с увеличением наклепа с 15 до 160 мкм сопротивление усталости снижается от 5 до 15 ...17% . Поэтому силовые детали из жаропрочных сплавов подвергают дополнительной обработке, удаляющие напряжения от предыдущей обработки, например, ЭХО, АЭО или ТМО.

7.5.Влияние остаточных напряжений на усталостную прочность

Многочисленные исследования, проведенные учеными, показали наличие сложных и неоднозначных зависимостей между величиной, знаком и глубиной залегания остаточных напряжений, а также технологическими и эксплуатационными характеристиками:

при статическом и динамическом нагружении остаточные напряжения мало влияют на прочность;

растягивающие напряжения снижают усталостную прочность (до 30%),

анапряжения сжатия повышают (до 50%);

вусловиях полужидкого трения, когда напряжения в выступах неровностей не превышают предела упругости, остаточные напряжения сжатия повышают износостойкость деталей, а растягивающие - снижают;

остаточные напряжения поверхностного слоя ускоряют процессы коррозии;

остаточные напряжения приводят к упругой деформации детали, изменению ее формы и размеров, т.е. влияют на точность деталей.

7.6.Связь между точностью и шероховатостью поверхности

Необходимо, чтобы каждому квалитету точности соответствовала оптимальная шероховатость. Рекомендуется устанавливать высоту шероховатости в зависимости от точности путем расчета по формуле:

Rz ≤ (0,1...0,2 ).δ,

где Rz и δ (допуск на размер) в мкм.

Причем меньше значения (0,1...0,15)Rz следует принимать для крупногабаритных деталей диаметром более 100 мм, а большие - для меньших размеров.

7.7. Технологическое обеспечение заданных параметров поверхностного слоя

При выборе методов обработки для окончательных операций следует учитывать требования по обеспечению параметров поверхностного слоя. Учитывая технологическую наследственность, необходимо подбирать режимы резания и для операций, предшествующих окончательным операциям.

Если метод обработки не обеспечивает заданный уровень качества поверхности, то вводят:

отделочные методы (АЭО, хонингование, полирование, протирка); отделочно-упрочняющие (выглаживающие) методы: дорнование отвер-

стий, обкатывание шариками, роликами и алмазными наконечниками; упрочняющие операции - дробеструйная обработка, наклепывание бой-

ками и шариками, термообработка (для увеличения твердости и прочности) - это закалка, цементация с закалкой, азотирование;

снятие упрочнения (отжиг, нормализация, старение, изотермический нагрев и т.д.)

Вопросы для самопроверки

1.Какими параметрами характеризуется шероховатость и волнистость поверхности?

2.Как влияют: методы и режимы обработки, силовые и тепловые факторы, механические свойства обрабатываемого материала, использование СОЖ, жесткость системы СПИД, геометрические параметры инструмента на формирование шероховатости поверхности заготовки?

3.Как изменяется физико-механические свойства поверхностного слоя заготовки от режимов обработки?

4.Как влияет состояние поверхностного слоя на характеристики детали эксплуатационные свойства машин?

8.ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И ЭКОНОМИЧНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

8.1. Производительность и себестоимость обработки

Производительность и экономичность являются основными критериями выбора целесообразного варианта технологического процесса.

Эти параметры зависят от следующих факторов:

от точности и шероховатости поверхностей. Из графиков на рис. 8.1 видно, что уменьшение допусков на размеры и шероховатости поверхностей увеличивают трудоемкость и себестоимость механической обработки по закону гиперболы. Это вызвано появлением дополнительных операций, (в том числе введением контрольных операций и их усложнением), снижением режимов резания, увеличением вспомогательного технологического времени, применением более точных и дорогостоящих станков, возрастанием затрат на режущий инструмент и использованием дорогих методов обработки. На диаграмме (рис. 8.2) показано, что при повышении точности обработки стальных валиков диаметром 10...18 мм на токарно-револьверных станках с 10-го до 7-го квалитетов суммарные затраты времени на обработку, установку резца на размер и измерение заготовок возрастают в 3 раза.