Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Базовые понятия, определения и приемы расчетов показателей качества материалов и изделий. Учебное пособие
.pdf
41
естественных условиях или в процессе технологической обработки.
Для оценки качества материалов как промышленной продукции для
производства техники материаловедческие сведения обрабатываются в
соответствующие квалиметрические показатели уровня качества
оцениваемого материала.
Показатели состава и структуры материалов, сырья, пищевой
продукции и т.п. выражают количество в них примесных элементов и
структурные состояния этих видов продукцию. Показателями состава
материалов являются: процентное содержание химических элементов в
стали, содержание серы и золы в коксе; концентрация различных
примесей в кислотах, щелочах, минеральной воде и других средах;
процентное содержание сахара, соли и других веществ в пищевых
продуктах и др.
В общем виде вся совокупность свойств любой продукции
определяется ее внутренним строением, в свою очередь зависящим от
состава. Это обусловливает взаимосвязь свойств между собой и дает
возможность по структуре судить о многих свойствах, а по одним
свойствам оценивать другие. Так, например, механические свойства
углеродистых сталей можно узнать по их химическому составу и
структуре, а при необходимости – по магнитным свойствам, т.е. не
используя разрушающие методы определения и контроля
потребительских свойств.
Структура материала имеет свои иерархические уровни:
макроструктура, микроструктура, субструктура, мезоструктура,
межатомная (например, кристаллическая). Комплекс потребительских
свойств материала предопределяется структурами всех уровней.
Установлено, что отдельные свойства и их единичные показатели
обусловлены преимущественно структурой того или иного уровня. Это
обстоятельство вызывает необходимость знать количественные
зависимости характеристик свойств от показателей соответствующих
структур.
Состав и структура материала как основа различных его свойств
позволяют составить модель и установить математическую
зависимость показателей потребительских свойств от показателей
структуры и состава. Можно привести несколько примеров
обусловленности показателей прочности сталей от их состава, а потом
и от их структур.
42
Т ,
(24)
На рис. 3 отражены изменения
наибольшего напряжения, которое возникает в образце в процессе его
разрыва; – относительного сужения; – твердости по Бринелю;
– ударной вязкости остро надрезанного образца. Структура
сталей: от феррита и феррита + перлита до перлита (при % ) и
перлита + цементита вторичного (при %).
Рис. 3. Влияние количества углерода на механические
свойства стали
Известна зависимость, например, твердости закаленной стали
(структура мартенсита – пересыщенного твердого раствора углерода в
железе) от количества в ней углерода. На рис. 4 приведен график этой
зависимости, где – твердость по Роквеллу (шкала ).
Упрочнение при образовании структуры твердого раствора
может быть определено по формуле Мотта и Набарро для предела
текучести
– предела прочности, т.е.
В
где – модуль упругости на сдвиг; – параметр, зависящий от
различия атомов растворенного компонента и растворителя
(
); – атомная концентрация растворенного компонента.
43
Т
,
(25)
Рис. 4. Влияние содержания углерода на твердость мартенсита
стали
Известны зависимости практически всех потребительских
свойств углеродистых и многих других сталей от содержания в них
углерода. Это позволяет, зная состав стали по углероду, указать с
достаточной точностью численные значения показателей
потребительских свойств, что во многих случаях является важным
приемом в процессе определения показателя качества (или уровня
качества) исследуемой стали по сравнению с другими.
Рассмотрим пример того, как связаны структуры со свойствами
стали. На рис. 5 показано соответствие механических свойств
углеродистой стали с ее структурами после закалки и отпуска,
осуществленного при различных температурах. Из графика видно, что
для любой стали по ее структуре с определенными количественными
характеристиками легко найти значения механических свойств.
Установлено, что эффективным является упрочнение
металлических материалов в результате измельчения их зеренной
микроструктуры. Зависимость предела текучести
определяется формулой Холла-Петча
от диаметра зерна
Т
где
– сопротивление микродеформациям (внутреннее трение)
кристаллической решетки; – коэффициент прочности блокировки
дислокаций (искажений); – диаметр зерна.
Параметры и – постоянные величины для данного
металлического материала.
44
,
(26)
Т ,
(27)
Рис. 5. Зависимость механических свойств от микроструктуры
закаленной и отпущенной стали
Усталостная прочность металлических материалов
зависит от размеров его зеренной микроструктуры и рассчитывается
по формуле
также
где и
– постоянные величины, зависящие от природы
материала; – диаметр зерна.
Размер зерна в сталях оценивают в натуральных величинах или в
баллах.
Оценку влияния внутрикристаллической структуры на предел
текучести сплава можно рассчитать по формуле
где – напряжение сдвига до упрочнения (после отжига); – вектор
Бюргерса; – коэффициент, зависящий от природы металла, его
кристаллической решетки и микроструктуры; – модуль сдвига;
– плотность дислокаций (субмикродефектов кристаллической
решетки) в пределах от до
см-2.
Используя методы квалиметрии, становится возможным
определение показателя качества оцениваемого материала по
отношению к принятому за базовый. При известных значениях
потребительских свойств сравниваемых материалов, при определении
уровня качества следует проводить оценку качества непосредственно
по показателям проявляемых свойств.
45
ф
д
,
(28)
Показатели качества, которые следует отнести к показателям
назначения, определяют при классификации показателей качества
оцениваемой продукции по их функциональной значимости для
потребителя. Поэтому для группы показателей назначения нет строгой
регламентации.
2.5. Некоторые единичные показатели технологичности
изготовления технических изделий
В качестве показателя технологичности может быть использован
такой конструкционный показатель, как коэффициент сборности
(блочности) изделия.
Коэффициент сборности (блочности) изделия
трудоемкость (технологичность) его монтажа (сборки). Коэффициент
сборности является обобщающим показателем, так как характеризует
кроме технологичности изготовления технологичность ремонтных
работ, а также необходимую преемственность данного изделия – его
унифицированность.
Информацию для расчета
берут из конструкторской
документации. Число унифицированных сборочных единиц находят в
таких разделах спецификации, как «Сборочные единицы»,
«Комплекты», «Стандартные изделия», «Комплексы». Считается, что
коэффициент сборности (блочности) машин и другой техники
определять по массам или стоимостям основных сборочных единиц
изделия.
Показатели эксплуатационной технологичности изделий
определяют аналогично показателям технологичности их
производства, т.е. тоже по суммарной (общей), структурной, удельной,
сравнительной и относительной трудоемкости, материалоемкости и
себестоимости.
Сложность формы детали, узла или изделия в целом
предопределяет другие показатели технологичности изготовления.
Сложность формы детали оценивается коэффициентом формы:
характеризует
сб
где д – вес готовой детали;
– вес простейшего геометрического
тела, описывающего рассматриваемую деталь (цилиндра, шара,
квадрата, прямоугольного тела и т.д.).
Следующими показателями технологичности изготовления
детали являются характеристики точности механической обработки.
46
Точность обработки – это степень приближения формы,
размеров и шероховатости обработанной поверхности детали к
требованиям конструкторского чертежа и технических условий.
Точность обработки характеризуется квалитетом, назначаемым
конструктором и достигаемым в процессе механической обработки
детали на соответствующих металлообрабатывающих и других
станках.
От точности обработки деталей зависит работоспособность
сопряжений (нагрузка в контакте, условия образования масляного
слоя, износ и т.п.).
При изготовлении возникают отступления геометрических
размеров деталей от запроектированных значений. Эти отступления
называются погрешностями производства. Понятия о точности и
погрешности взаимосвязаны. Точность характеризуется
действительной погрешностью (действительная точность) или
пределами, ограничивающими значение погрешности (нормированная
точность). Очевидно, что чем уже пределы, тем меньше погрешности и
выше точность.
Точность изготовления деталей по их геометрическим
параметрам есть совокупное понятие, подразделяющееся по
признакам:
точность размеров деталей;
точность формы поверхностей детали;
точность по шероховатости поверхности;
точность взаимного расположения деталей.
Классы точности, характеризующие степень приближения к
заданным размерам, названы квалитетами (от фр. qualité, нем.
qualität – качество). Квалитеты – показатели качества обработки
поверхностей. Предусмотрено 19 квалитетов, обозначаемых порядковым
номером, возрастающим с увеличением допуска погрешности: ; ;
; ; . Номера и соответствуют двум наиболее точным
квалитетам, введенным в систему ИСО в дополнение к первому
квалитету. Сокращенно допуск по одному из квалитетов обозначается
латинскими буквами и номером квалитета, например означает
допуск по -му квалитету. Значение допуска каждого квалитета
(класса качества поверхности) регламентировано государственным
стандартом и находится по специальным формулам, графикам или
таблицам.
47
ти
ср
.
(29)
,
(30)
Допуск – это разность между наибольшим и наименьшим
размерами или абсолютное значение алгебраической разницы между
верхними и нижними отклонениями от номинального размера,
указанного на чертеже детали.
Коэффициент точности механической обработки изделия
(сборочной единицы – детали, корпуса и т.д.)
как отношение типовой точности в машиностроении (допуск ),
взятой для любого произвольного размера, к среднему значению
допусков
всех поверхностей детали того же размера, т.е.
ср
Среднее значение квалитета всех размеров рассчитывают так
где – общее количество обрабатываемых поверхностей детали;
– номера квалитетов точности обрабатываемых поверхностей;
количество поверхностей, имеющих точность соответствующего
квалитета.
Пример 1.
Задание
Определить
вала с и квалитетами поверхностей ,
, , , , , .
Последовательность решения задачи
Возьмем произвольный размер диаметра, равный мм.
Значения допусков находим из таблицы ГОСТ 25346-82. Допуск
равен 19 мкм.
В данном случае
Допуск квалитета , равного , составляет мкм.
Отсюда находим
ти
мкм
ср
мкм
.
Следовательно, исследуемая деталь имеет меньшую точность,
чем базовое значение точности, соответствующее квалитету .
Точности необработанных поверхностей (точности заготовок),
имеют квалитеты от до . Поэтому для того чтобы
детали определяют
ти
.
–
48
ут
заг
ср
,
(31)
определить, во сколько раз точность готовой детали выше точности
заготовки, рассчитывают коэффициент уточнения
ут
где
– допуск на размер заготовки;
– средний допуск,
определяемый по формуле (30).
Пример 2.
Задание
Рассчитать коэффициент уточнения
, если точность
ут
выполненной заготовки вала диаметром мм равна и,
следовательно, допуск равен мм, т.е. мкм.
Последовательность решения задачи
В этом случае
мкм
ут
заг
мкм
ср
.
Следовательно, точность обработанной детали (вала) в раз
выше, чем точность размера его заготовки.
На практике, с учетом свойств, зависящих от точности
изготовления детали и затрат на ее достижение, для каждого способа
обработки находят два значения квалитета: экономический и
достижимый.
Экономические квалитеты – оптимизированные по техническим
требованиям и экономическим затратам на обработку, а достижимые –
характеризующие наибольшую точность, получаемую данным
способом обработки поверхности. Так, например, при чистовом
продольном обтачивании стальных заготовок экономическими
квалитетами являются , а достижимым квалитетом – ; при
тонком обтачивании с продольной подачей экономический квалитет
, а достижимый – . Таким образом, можно судить о
технологичности обработки деталей по точности их размеров.
Качество детали, соединения, узла или машины в целом,
оцениваемое по критерию точности изготовления, целесообразно
характеризовать еще и коэффициентом запаса точности совокупности
параметров
, определяемым как отношение допустимой
эт
погрешности соответственно детали, кинематической пары
49
эт
К
.
(32)
(соединения), узла или машины
погрешности готового изделия
Например, если радиальное биение шпинделя оцениваемого
шлифовального (токарного или иного) станка равно мм, а
допустимое биение шпинделя станка данного класса точности
регламентировано значением менее мм, то коэффициент запаса
точности работы шпинделя
эт
Или, например, если для обеспечения экономичной работы
двигателя внутреннего сгорания отклонения диаметра жиклера
карбюратора не должны превышать мкм, а фактическая точность
характеризуется отклонениями в мкм, то
При создании любого технического изделия необходимо
устанавливать значения допустимых погрешностей нормируемого
параметра. Запас точности следует создавать при изготовлении
изделия по всем основным геометрическим, упругим, электрическим и
другим функциональным параметрам. Коэффициент запаса точности
как показатель качества определяют и в процессе эксплуатации
изделия, так как при работе техники постепенно увеличивается
отклонение параметров от их номинальных значений.
Шероховатость поверхности – это характеристика
совокупности микронеровностей обработанной поверхности изделия
на участке его базовой длины . Шероховатости поверхности
возникают по причинам пластической деформации поверхностного
слоя при ее обработке из-за неровностей режущих кромок
инструмента, вырывания частиц материала с обрабатываемой
поверхности, вибрации заготовки и инструмента и т.п.
Шероховатость поверхности существенно влияет на
эксплуатационные свойства деталей, узлов и изделия в целом. От
уровня шероховатости поверхности во многом зависят
износостойкость трущихся поверхностей, усталостная прочность,
хрупкость, коррозионная устойчивость и другие свойства.
Числовые значения показателей шероховатости поверхности
определяют измерением от базовой линии, имеющей форму
номинального профиля. Параметры шероховатости (один или
несколько) выбирают из установленной ГОСТ 2789-73 номенклатуры:
– среднее арифметическое отклонение размера профиля от
к действительной (измеренной)
, т.е. как
К
мм
мм
.
эт
мкм
мкм
.
50
ш
ср
,
(33)
ср
,
(34)
номинального значения;
профиля по десяти точкам измерения;
профиля; – средний шаг неровностей; – средний шаг местных
выступов профиля;
Количественно шероховатость поверхности устанавливают
независимо от способа ее обработки. Существует 14 классов
шероховатости, каждому из которых соответствует определенное
сочетание основных параметров и
Выбор числовых значений шероховатости осуществляют в
зависимости от условий работы и требований эксплуатации. При этом
учитывают не только технологические возможности получения
заданной шероховатости рациональными методами обработки
поверхности, но и затраты на обработку. Чем выше требования к
шероховатости, тем больше затраты на обработку, которые могут быть
оправданы, если компенсируются повышением качества изделия.
Повышенные требования к шероховатости (как и к точности) могут
оказаться не только нерентабельными, но и недопустимыми. Так,
например, в подшипниках скольжения при гладких сопрягаемых
поверхностях может возникнуть явление «схватывания», при котором
частицы металла отрываются от трущихся поверхностей, что ускоряет
износ подшипников. Оптимальная шероховатость поверхности должна
быть близкой к формирующейся в процессе приработки трущихся
поверхностей. Оценку качества поверхности детали по ее
шероховатости осуществляют коэффициентом шероховатости
– наименьшая высота неровностей
– наибольшая высота
– относительная опорная длина профиля.
.
ш
где
– среднее значение параметра шероховатости
ср
на всех
обрабатываемых поверхностях; мкм – значение базового параметра
шероховатости
Значение
где – общее число обрабатываемых поверхностей;
поверхностей детали, имеющих соответствующую шероховатость
– параметр шероховатости i-й поверхности.
для восьмого класса шероховатости.
находят по формуле:
ср
– количество
;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]