6. Технологическая наследственность параметров детали

Технология изготовления (восстановления) определяет параметры качества поверхности и поверхностного слоя детали, от которых в первую очередь зависит несущая способность изделия. Эти параметры формируются в ходе всего технологического процесса, особенно на операциях окончательной (финишной) обработки. При этом отдельные параметры, свойства и характеристики переходят от одной операции к другой технологической операции, т.е. как бы «унаследуются». Следовательно, при обработке деталей имеет место технологическая наследственность.

Основные параметры деталей, наследуемые в ходе технологического процесса делятся, на две группы: 1. связанные с геометрией детали; 2. связанные с материалом детали. К первой группе можно отнести макро- и микрогеометрию обработанных поверхностей, например, шероховатость, волнистость, овальность, конусность и др. Ко второй группе – параметры, характеризующие твердость, напряженное состояние и химический состав материала детали. Необходимо отметить, что наследуемые параметры этих групп взаимосвязаны между собой и оказывают влияние друг на друга по ходу технологического процесса

Все наследуемые параметры могут служить отрицательными и положительными факторами технологической наследственности. К отрицательным факторам могут быть отнесены такие параметры детали, которые снижают отдельные эксплуатационные свойства, а к положительным – такие параметры, которые повышают те же эксплуатационные свойства. Например, волнистость, большая высота микронеровностей, остаточные напряжения растяжения и др. являются отрицательными факторами технологической наследственности для износостойкости и контактной жесткости. К положительным факторам для указанных эксплуатационных свойств можно отнести большие радиусы закругления вершин микронеровностей, малые углы наклона сторон микропрофиля, повышенную твердость и остаточные напряжения сжатия.

Необходимо отметить, что одни и те же параметры качества детали для Рис. 70 Схема геометрического копирования овальности

одних эксплуатационных свойств могут быть положительными факторами, а для других-отрицательными факторами.

Самым простым и наглядным примером, подтверждающим проявление технологической наследственности, может служить явление геометрического копирования исходных погрешностей формы детали. Если, например, на предыдущей операции деталь имела овальность величиной D_з, то и на последующей операции получается овальность (рис. 70) только меньшей величины Δ_д. При выполнении ряда технологических операций форма и размеры детали все больше уточняются, приближаясь к требуемым значениям (рис. 71). На окончательных операциях наследуемый параметр достигает наименьших значений, т.е. достигается так называемая «критическая точность» обработки. Это значит, что для данного технологического процесса уже невозможно повысить геометрическую точность без использования ряда технологических мероприятий.

Причиной наследования геометрических погрешностей являются упругие деформации элементов системы СПИД. Устранение геометрического копирования возможно за счет повышения жесткости системы СПИД и разработки методов управления (систем адаптивного управления) жесткостью элементов СПИД в процессе обработки.

При технологическом наследовании геометрических параметров детали существует взаимосвязь между входной x и выходной y погрешностью на каждой технологической операции:

y = bx + a (28)

где b – коэффициент переноса; bx – наследственная погрешность, показывающая какая часть погрешности детали, обработанной на предыдущей операции, переносится на деталь, обработанную на данной операции; a – собственная погрешность, которая зависит от режимов и условий функционирования технологического процесса на данной операции и не зависит от входной погрешности.

Чем меньше b, тем меньше наследственная погрешность bx и, следовательно, больше исправляющее действие данной операции. Анализируя наследственную погрешность bx, можно отметить ряд частных случаев получения заданной точности в зависимости от функционирования технологического процесса на данной операции:

1. если b=0, то входная погрешность полностью устраняется и точность детали определяется только собственной погрешностью a технологического процесса на данной операции. В этом случае точность данной операции будет выше точности предыдущей;

2. если b=1, то входная погрешность не исправляется. Кроме того, к ней добавляется собственная погрешность a процесса на данной операции, из-за чего точность обработки на данной операции ниже, чем точность обработки предыдущей операции;

3. если 0<b<1, то входная погрешность частично исправляется.

Рис. 71 Изменение величины овальности Δ_д при обработке детали точением: I – черновое; II – черновое; III – чистовое; IV – тонкое точение.

Однако для получения заданной точности собственная погрешность данной операции должна быть такой, чтобы удовлетворялось условие:

a < (1 – b) · x (29)

где (1 – b) – коэффициент исправления.

4. если b >1, то входная погрешность переносится с усилением, например, при проведении термических операций происходит увеличение остаточных деформаций деталей. В этом случае точность данной операции будет ниже точности предыдущей.

В отношении собственной погрешности а можно сказать, что эта погрешность для данных условий функционирования технологического процесса остается относительно постоянной величиной и может быть отнесена к систематическим погрешностям. Для повышения точности обработки следует стремиться к уменьшению собственной погрешности а за счет корректировки уровня настройки технологического процесса. Однако для существенно положительных величин, каковыми являются эксцентриситет, биение и остаточные деформации собственная погрешность а не может быть уменьшена за счет изменения уровня настройки процесса. В этих случаях собственная погрешность а является дефектом технологического процесса и для ее устранения необходимо провести ряд мероприятий, связанных с изменением самого процесса обработки. Достижение заданной точности детали путем снижения таких параметров как эксцентриситет, биение и остаточные деформации является значительно большой технологической трудностью, чем, например, при достижении в точности размеров.

Наследование физико-механических параметров материала поверхностного слоя выражается в пооперационном взаимодействии зон наклепа и эпюр остаточных напряжений. Пооперационное взаимодействие представляет собой наложение (суммирование) имеющихся и вновь созданных зон наклепа и эпюр остаточных напряжений. Процесс наследования физико-механических свойств при любой механической обработке, связанной с удалением поверхностного слоя материала, представляет собой достаточно сложный механизм, поскольку одновременно происходит нарушение исходных эпюр микротвердости и остаточных напряжений и образование новых зон наклепа и начальных напряжений, обусловленных самим процессом обработки. Особенно сложной является схема взаимодействия эпюр остаточных напряжений, поскольку при суммировании исходных и вновь образованных напряжений необходимо учитывать релаксацию части начальных напряжений в результате деформации детали при ее раскреплении.

Закономерности наследования параметров, связанных с материалом детали могут быть описаны в виде уравнений регрессии, которые определяются на основании экспериментальных исследований:

(30)

где x_i-1, x_i – физико-механические характеристики поверхностного слоя для (i-1) и i операции технологического процесса обработки;

a,b – коэффициенты технологической наследственности.

В технологической цепочке существует как бы своего рода «барьеры» для наследуемых параметров, связанных с материалом детали. Некоторые параметры, которые служат отрицательными факторами технологической наследственности, преодолеть эти «барьеры» не могут и в таком случае их влияние на конечные свойства обработанных поверхностей отсутствует. Другие факторы такие «барьеры» проходят, но при этом значительно теряют свою силу и влияют на конечные свойства очень слабо. Самыми существенными технологическими барьерами для наследуемых параметров второй группы служат термические операции (например, закалка, отпуск, отжиг, нормализация) и так называемые упрочняющие операции, сопровождающиеся поверхностным наклепом деталей (например, обкатка роликами и шариками, алмазное выглаживание, обдувка стальной дробью и др.).

Положительные и отрицательные факторы технологической наследственности появляются и угасают на различных стадиях технологического процесса. Другими словами, продолжительность действия отдельных факторов технологической наследственности различна. Конечные эксплуатационные свойства обработанной поверхности будут зависеть от того, сколько отрицательных факторов пройдет через весь комплекс технологических операций вплоть до готовой детали, и насколько они будут подавлены или нейтрализированы положительными факторами. Следовательно, при проектировании технологических процессов необходимо вводить такие операции, которые создавали бы больше препятствий прохождению к финишной операции отрицательных факторов.

Y₁

Y₂

Y_i-1

Y_i

R₁₀

R₂₀

R₃₀

R₁₁

R₂₁

R₃₁

R₁₂

R₂₂

R₃₂

R_1i-1

R_2i-1

R_3i-1

R_1i

R_2i

R_3i

Рис. 72 Структура технологического процесса: Ψ₁, Ψ₂, Ψ_i– технологические операции;R₁₀, R₂₀, R₃₀– исходные параметры заготовки;t₁₁, t₁₂, t₁₃– технологические параметры режима обработки.

Если в рассмотренных формулах (28), (30) коэффициент технологической наследственности b будет равен нулю, то это означает отсутствие влияния исходной геометрической погрешности или исходного состояния поверхностного слоя на окончательную погрешность или окончательное состояние после данной операции, что может служить математической интерпретацией действия этой операции как технологического барьера.

Общую структуру технологического процесса можно представить в виде последовательности изменения основных параметров формы, точности и качества поверхности от заготовки к готовой детали (рис. 72).При этом необходимо отметить, что построение такой формализованной модели, представленной на рис. 72 не учитывает взаимодействие наследуемых параметров первой и второй группы друг на друга. На самом деле взаимное влияние указанных параметров в той или иной степени проявляется в каждом технологическом процессе. Так, например, неравномерное распределение твердости по поверхности детали приводит при обработке к возникновению вибрации и, как следствие, к образованию волнистости и различной по высоте шероховатости. И, наоборот, геометрические параметры влияют на структурную однородность поверхностного слоя. Так, при шлифовании стальной детали, грубо обточенной токарным резцом и затем закаленной, в ее поверхностных слоях протекают интенсивные тепловые процессы. При врезании шлифовального круга в исходную шероховатость 1 выступы мгновенно срезаются (рис. 73). В зоне каждого выступа создается термический удар, т.е. происходит локальный нагрев со скоростью несколько сотен градусов в одну секунду. Тепловые зоны 3 распространяются вглубь металла и приводят к изменению исходной структуры. На травленых микрошлифах при соответствующем увеличении всегда видны чередующиеся светлые и темные полосы. Поскольку различные структуры имеют разный удельный объем, вполне вероятно, что в местах, разделяющих смежные тепловые зоны, возникают высокие напряжения, которые могут привести к образованию микротрещин.

Рис. 73 Влияние термических ударов на физико-механические свойства шлифованной поверхности: 1 – микрорельеф поверхности после токарной обработки; 2 – микрорельеф шлифованной поверхности; 3 – тепловые поля; 4 – остаточные зоны термический ударов; 5 – граничные зоны.

В большинстве случаев при проектировании технологии изготовления деталей в качестве критерия оптимальности служит себестоимость технологического процесса. Однако во многих случаях при восстановлении деталей целесообразнее использовать другой критерий оптимальности, а именно, долговечность изделия. Это обусловлено необходимостью повышения эффективности процесса восстановления путем увеличения ресурса восстановленных изделий по отношению к новым деталям. Увеличение долговечности основывается не только на высоком техническом оснащении производства, обеспечении высокого качества труда и состояния технологической дисциплины, но и на научно обоснованном проектировании технологии восстановления. Технологическое повышение долговечности изделий базируется на формировании определенных характеристик качества поверхности и поверхностного слоя деталей, оптимальных для установленных условий эксплуатации. Для этого надо, во-первых, знать закономерности изменения основных параметров от одной операции к другой в виде уравнений технологической наследственности, во-вторых, вводить в технологический процесс дополнительные операции, например, операции поверхностного упрочнения методами ППД. В этом случае введение указанных технологических операций неизбежно приводит к повышению себестоимости процесса восстановления, но вместе с тем существенно увеличивает долговечность детали, что делает экономически выгодным применение такой технологии. Кроме того, для разработки научно обоснованной технологии требуется в рамках каждой технологической операции определить функциональную зависимость эксплуатационного свойства от режимов обработки. Во многих случаях такая зависимость может быть установлена с помощью математических зависимостей: качество поверхности (например,шероховатость) – функция режима обработки, эксплуатационная характеристика (износостойкость) – функция качества поверхности (шероховатости). С их последующим решением и установлением прямой связи: эксплуатационная характеристика (износостойкость) – функция режима обработки.

Необходимо помнить, что проявление технологической наследственности имеет место не только на этапе обработки детали, но и при её эксплуатации. Так, например, "технологические" остаточные напряжения взаимодействуют с "эксплуатационными". При трении деталей в поверхностном слое может создаваться наклёп, который будет взаимодействовать с "технологическим" наклёпом. Поэтому при разработке технологии следует учитывать условия работы детали в самой машине, т.е. учитывать те явления и процессы, которые будут иметь место в скользящем контакте рабочих поверхностей. Это необходимо для того, чтобы при восстановлении сформировать такие параметры поверхности и поверхностного слоя обработанной детали, которые противодействовали бы отрицательным факторам, порождающимся в том же поверхностном слое в процессе эксплуатации.