Пособие надежность. Ч1

Анализировать физико-механические свойства поверхностных слоев очень удобно с помощью приборов для определения микротвердости (рис. 2.18, а). Алмазная пирамида с углом при вершине 136° внедряется под действием небольшой силы F (масса гирек 0,2...200 г) в исследуемую поверхность. При этом на поверхности остается отпечаток, диагональ которого d измеряют (при наблюдении в микроскоп) с помощью микрометрического отсчетного устройства. Отпечатки можно оставлять в различных зонах поверхности с учетом фазовых превращений, различных включений в металл, межкристаллитных участков и пр.

Этот же метод используют для определения глубины деформированного (наклепанного) слоя от различных технологических воздействий (рис. 2.18, б). Он получил название «метод косых срезов». На исследуемой поверхности делают косой шлиф (срез) под небольшим углом α (30'...2°) и производят в соответствии со схемой ряд отпечатков, последовательно измеряя диагонали. Например, первые три отпечатка показывают, что диагональ d1 не изменяется, а следовательно, не меняются и свойства поверхностного слоя в зоне расположения отпечатков. Когда же отпечатки располагаются в косом срезе, их диагонали начинают возрастать (d2 > d1, d3> d2 и т. д.). Однако увеличение диагонали отпечатка в определенном месте прекращается. На схеме это происходит в позиции 8, когда диагональ отпечатка равна d6. Изменение диагонали (с позиции 4 до позиции 8) свидетельствует, что свойства (твердость) поверхностного слоя на различной глубине различны, а начиная с позиции 8, отпечатки производятся в металле, свойства которого постоянны (сердцевина образца). Тогда глубина деформированного (наклепанного) слоя h0= ltgα. Глубина деформированного слоя, как правило, меньше одного миллиметра, но с помощью именно этого тонкого слоя во многих случаях удается управлять свойствами всей детали. В табл. 2.3 приведены средние значения глубины наклепанного слоя для различных методов обработки. Для служебного назначения детали важна не только глубина слоя, но и величина и знак напряжений.

71

Для создания заданных физико-механических свойств в поверхностном слое используют различные технологические воздействия при обработке заготовок резанием, методы термической (ТО), химико-термической (ХТО) обработок, поверхностного пластического деформирования (ППД). Наи72

большее значение для практики имеют методы создания сжимающих напряжений в поверхностных слоях.

3. Анализ погрешностей, возникающих в процессе сборки сборочных единиц

При сборке возникают специфические погрешности, создаваемые особенностями проведения технологических операций. Сборку машин и входящих в них составных сборочных единиц не следует представлять в виде простой компоновки деталей на уровне маршрутной технологии. При сборке возникает совокупность погрешностей различных видов. Говоря о качестве машины, потребитель всегда имеет дело не с одной погрешностью, а с их суммарным проявлением. Однако чтобы уменьшить сумму ошибок (погрешностей) и повысить точность машины, необходимо влиять на каждую из составных частей суммарной погрешности.

Суммарное действие погрешностей можно показать с помощью кривой интенсивности отказов эксплуатируемой машины (рис. 2.19). Интенсивность отказов λ зависит от времени τ. В общем понимании, как уже сообщалось, для каждой машины или соединения можно выделить три периода эксплуатации: I – период приработки, который зависит от качества собираемых деталей, условий эксплуатации и других факторов, II – период нормальной эксплуатации, III – период резкого увеличения отказов в связи с физическим износом машины. Предположим, что для машины А эти периоды точно зафиксированы. Для такой же машины В оказались характерными другие детали и условия сборки. Поэтому для нее показателем интенсивности отказов будет коэффициент λ2 и т. д. По изменениям периодов I и II можно судить о качестве машины, т. е. о совокупности погрешностей. Машина В качественнее, чем машина А, а машина С качественнее, чем В. У машин более высокого качества сокращается период I и увеличивается период II. Сокращается не только период I, но и количество отказов в единицу времени (λ1 > λ2 >λ3). Для уча-

73

положение двух стаканов для размещения подшипников, закрепляемых в отверстиях корпусных деталей, будет определяться в значительной степени точностью расположения отверстий корпусных деталей, а положение в машине ответственных деталей – точностью компенсаторных звеньев или точностью регулировки. Вэтихслучаяхпогрешностиположениябудутмалозависеть от точности собираемых деталей.

Большую роль играют погрешности формы собираемых деталей. Такие погрешности нарушают условия контактирования деталей, приводят к локальным контактам вместо контактов на всей поверхности, создают неблагоприятные эпюры давлений, нарушают условия смазки и т. д. Отклонение формы на дорожках качения колец подшипников существенно влияет на их несущую способность. Волны большого шага на кольцах подшипников могут снизить долговечность подшипника в несколько раз. Так снижение высоты волн с 1,5 мкм в 5 раз приводит к увеличению долговечности подшипников в 2,5 раза.

Типичными на сборке являются перекосы деталей, также вызываемые погрешностями формы. При этом часто бывает трудно отделить погрешности формы от погрешностей положения, поскольку они тесно связаны между собой и на сборке наблюдается их суммарное действие. Такие погрешности деталей как отклонения от перпендикулярности, соосности, параллельности и другие могут усугублятьсянасборкеврезультатевзаимодействияконтактирующихповерхностей.

Одной из основных является погрешность, вызванная упругими деформациями собираемых деталей. Сборку нельзя себе представить без силового взаимодействия деталей. Всегда возникают силы закрепления, моменты сил, давления, которые вызывают деформацию. В свою очередь деформация в подавляющем большинстве случаев приводит к погрешностям деталей. Так детали, обработанные весьма точно, на сборке могут потерять свою точность, и труд, затраченный на их изготовление, может в значительной степени обесцениться.

Иногда при изготовлении деталей специально создают преднамеренные искажения, как правило, формы. Под действием сил на операциях сборки детали получают такие деформации, которые уменьшают погрешности формы, и экс-

75

плуатационные показатели машины улучшаются. Такие случаи особенно характерны для станкостроения. Как типичные, упругие деформации на сборке требуют особого рассмотрения.

Сборка является трудоемким процессом. Трудоемкость сборочных операций в машиностроении составляет примерно 30 %. С ростом требований к точности машин и соединений трудоемкость еще больше возрастает. Это, в свою очередь, увеличивает стоимость изделия, поскольку существенно возрастает стоимость каждой детали. Одновременно необходимо произвести затраты на технологическую оснастку, измерительную технику и создание особых условий изготовления деталей и проведения сборки.

Анализируя погрешности, возникающие в процессе сборки, нельзя ограничиваться только рассмотрением погрешностей в виде отклонения формы, расположения, размера. В ходе сборки возникают погрешности в виде напряжений как по всему объему деталей, так и в их поверхностных слоях, различные пластические деформации в виде смятий, задиров и других дефектов. Релаксация напряжений может привести к деформации частей машины и снижению ее качества. Поэтому следует анализировать как геометрические, так и погрешности физико-механического характера.

Погрешности, возникающие на сборке, всегда следует оценивать количественно. Для этого используют современную измерительную технику. При этом становится возможным установить, как именно выдерживаются технические требования, приведенные на рабочих чертежах. Погрешности геометрического характера оценивают универсальными приборами по точности измерительных баз (например, отклонению от прямолинейности). Для оценки погрешностей физико-механического характера часто используют специальные приборы.

На операциях сборки действуют объективные закономерности деформации твердого тела. Их учет обязателен. Закономерности связаны с действием силовых факторов. Собственно сборку нельзя себе представить без наличия силовых факторов, действующих на детали, не являющиеся абсолютно жест-

76

кими телами. Поэтому возникновение деформаций деталей в ходе сборки является вполне закономерным фактором.

Силовыми факторами называют силы и моменты сил. Погрешности, вызываемые упругими деформациями, наиболее целесообразно определять расчетом, а в ряде случаев – экспериментально. Для оценки упругих деформаций составляют расчетную схему конструкции (схематизация конструкции). При расчетах учитывают только главные факторы, характерные для данного метода сборки. Расчеты наиболее целесообразны для прецизионных машин и соединений.

Пример прецизионного соединения представлен на рис. 2.20. Шпиндель 1 металлорежущего станка вращается в подшипниках 7 качения, установленных в гильзе 4, перемещающейся в корпусе 6. Подшипник закреплен через втулку 5 гайкой 3, а шпиндель – гайкой 2. Траектория вращательного движения шпинделя и поступательного перемещения его вместе с гильзой зависят непосредственно от деформаций прецизионных деталей соединения.

Гайка 3 вследствие разложения сил в резьбе деформирует в радиальном направлении конец гильзы 4, и, при определенных условиях (малый зазор между деталями 4 и 6 выбирается полностью), гильза 4 перестает перемещаться поступательно в корпусной детали 6. Для деталей, рассчитываемых по схеме кольца, достаточно знать закон распределения равнодействующей поверхностной нагрузки, тогда как для деталей, рассчитываемых по схеме оболочки, желательно выявить закон распределения нагрузки по поверхности. Так, на гайку 3 со стороны гильзы действуют распределенные по наружной боковой поверхности силы взаимодействия витков резьбы, а также распределенные по торцу силы взаимодействия со втулкой.

Наружное подшипниковое кольцо 7 соединения установлено в гильзу с натягом, поэтому возникает нагрузка, распределенная по наружной цилиндрической поверхности. Одновременно на торцы кольца действуют распределенные нагрузки. На гильзу от гайки действует также распределенный относительно оси гильзы

77

момент, который будет отгибать края гильзы, гася зазор между нею и корпусом. Вал (шпиндель) 1 может быть нагружен гайкой 2.

2

1

Рис. 2.20. Схема прецизионного соединения Поскольку речь идет о прецизионном соединении, все силы и моменты не-

обходимо рассматривать с учетом отклонений формы собираемых деталей. Так, проставочная втулка 8 имеет отклонение от параллельности торцов в соответствии с допуском. Поэтому при затягивании гайки возникает изгибающий момент, действующий на вал, и ось вала перестает в результате сборки оставаться прямолинейной.

Если точность машины или соединения этого требует, то необходимые расчеты проводят с использованием теории упругости и сопротивления материалов. В примере, представленном на рис. 2.20, расчеты деформаций позволяют регламентировать силовые факторы с тем, чтобы влиять на траектории перемещений шпиндельного узла. С помощью такого регламентирования удается, например, уменьшить отклонения от прямолинейности перемещения гильзы вдоль оси в десятки раз и довести его до 3...4 мкм.

У собираемых деталей силовые факторы вызывают деформации различных видов. Часто встречаются деформации растяжения или сжатия. При этом приходится рассчитывать изменение размеров растянутых или сжатых деталей и сравнивать их с допустимыми. Например, растягивается кольцо, надвигаемое на коническую поверхность вала с помощью гайки. Диаметр отверстия уменьшается из-за деформирования кольца, запрессованного в корпус. Весьма распространены деформации изгиба. Их относят как ко всей детали и оценивают положение ее оси, так и

78

к сечению детали. Если, например, изгибается участок прецизионной гильзы, то определяют перемещения каждой точки сечения, а также углы поворота сечений. Деформации кручения в чистом виде наблюдают сравнительно редко.

Составляя расчетную схему, технолог ставит целью определить один из видов деформации, главным образом влияющей на свойства изделия. Но типичным является наличие таких деформаций, когда одновременно проявляются их различные виды.

На рис. 2.21 представлено сечение стойки металлорежущего станка. Пунктиром показано деформированное состояние сечения от действия силы F. Для другого сечения это состояние будет иным, а в целом стойка окажется деформированной так, что ее направляющие элементы а займут положение, которое оценивается отклонениями от прямолинейности, параллельности, плоскостности и др.

a

a

F

Рис. 2.21. Сечение корпусной детали и ее деформация Причиной деформаций могут быть также структурные изменения материала

собираемых деталей. Они могут не повлиять на прочностные свойства деталей, но изменяют размерную стабильность материала. Закаленные детали, применяемые для прецизионных изделий, имеют метастабильную структуру, что приводит к изменениям объема и размеров, обусловленным процессами распада остаточного аустенита. Превращение 1 % аустенита в мартенсит приводит к изменению размеров

79