Инженерная онтология. Инженерия как странствие

Проблемы обеспечения качества[77]

Современное машиностроение ставит совершено необычные требования к изделиям, резко изменилось обрабатывающее оборудование и используемые материалы. Между тем, состав информации на конструкторском чертеже остается таким же, как полвека назад. Очевидна необходимость расширения состава инженерных данных, описывающих детали и изделия, как следствие — корректировка программ обучения и модернизация учебной базы (измерительные приборы, стенды, ПО и т. д.).

Не очень значимая, на первый взгляд, задача управления остаточными напряжениями деталей машин является ключевой в расчете, назначении и корректировке ресурса оборудования, к примеру, турбинного. А кроме остаточных напряжений, существует еще некоторое количество характеристик, без учета которых мы сможем, в лучшем случае, повторять инженерные решения прошлых лет.

Некоторые шаги, предпринимаемые сейчас на западе, полезны (смотри ниже часть текста про шероховатость), но явно недостаточны. Необходимо научиться работать со структурой материала на уровне обычного КБ, рядового инженера-конструктора. Серьезная инженерия должна «прирасти» физикой, освоив (и присвоив себе :-)) материаловедческий комплекс. В советском «министерстве среднего машиностроения» это было сделано в 1970-е: уже упоминавшийся Димитровградский НИИАР, например. Вероятно, неизбежна переконфигурация инженерных специализаций — простое деление на конструкторов и технологов сегодня как-то не смотрится…

Теперь про шероховатость…Не метафорическую, а как есть — технологическую…

Cocтoяниe пoвepхнocтнoгo cлoя нeoбхoдимo paccмaтpивaть, кaк внeшнee пpoявлeниe интeгpaтивных cвoйcтв тeхнoлoгичecкoй cиcтeмы, кoтopoe нa инфopмaциoннoм уpoвнe мoжeт быть oпиcaнo coвoкупнocтью хapaктepиcтик кaчecтвa — микpoгeoмeтpии, нaпpяжeннo-дeфoмиpoвaннoгo cocтoяния и дp. Пoд oбecпeчeниeм кaчecтвa пoвepхнocтнoгo cлoя нeoбхoдимo пoнимaть нaличиe в пространстве пapaмeтpoв (хapaктepиcтик) кaчecтвa нeкoтopoй oблacти, удoвлeтвopяющeй нaпepeд зaдaнным уcлoвиям, cвязaнным co cтpуктуpнo-тoпoлoгичecкими хapaктepиcтикaми тeхнoлoгичecкoй cиcтeмы.

Важной эксплуатационной характеристикой микрогеометрии поверхности является ее стационарность[78]. Данные о стационарности микрогеометрии можно получить с использованием стандартных параметров шероховатости на основе простого соотношения (1) 0,85 ≤ S/Sm ≤ 1,0, где S — шаг шероховатости по средней линии; Sm — шаг шероховатости по вершинам[79].

Стационарность микрорельефа говорит о состоянии оборудования, на котором выполнялась финишная операция, правильном выборе режущего инструмента и режимов резания[80].

Профилограмма является графическим аналогом случайного временного процесса. В этой связи, в смысле анализа состояния поверхности, можно вернуться к рассмотрению свойства стационарности микрогеометрии. Дополнительно к выражению (1) здесь важными являются высотные параметры профиля поверхности Rа, Rz. Именно их конструктор закладывает в чертеж в качестве регламентированных.

Для обеспечения эксплуатационных характеристик проектируемого изделия высотных параметров не достаточно. Необходима информация о форме микрорельефа поверхности.

Кроме указанных выше, существует значительное число параметров шероховатости, необходимость в которых возникает при решении ряда частных задач. Таких параметров существует более тридцати[81]. Часто при решении эксплуатационных задач стандартными параметрами шероховатости невозможно полностью описать профиль. В этом случае прибегают к функциональным характеристикам описания профиля. Такими характеристиками являются опорная линия, плотности и функции распределения ординат и тангенсов углов наклона профиля.

Использовать перечисленное многообразие параметров и непараметрических характеристик достаточно сложно для оценки не только высотных характеристик микрогеометрии, но и формы микропрофиля, которая в значительной степени определяет эксплуатационные свойства изделия. В этой связи заслуживает внимание опыт западноевропейских государств, в частности Германии, Швейцарии, Австрии и др. В соответствии с существующим стандартом DIN 4776, контролируются не только параметры микрогеометрии поверхности, но и форма профиля с использованием опорной линии или кривой Аббота — Файер-стоуна (далее кривая Аббота):

Параметризация опорной линии профиля поверхности:

а — микропрофиль поверхности; б — кривая Аббота

Опорная линия профиля устанавливается на уровне самой большой впадины профиля (а), причем относительная опорная длина профиля tp = 100 %. Перемещая опорную линию профиля относительно уровня наибольшего пика профиля и изменяя tp от 0 до 100 %, получаем кривую Аббота (б). Математическая кривая Аббота представляет собой кривую суммарной частоты ординат профиля.

С помощью этой кривой определяются высотные параметры шероховатости поверхности. Из плоской части кривой Аббота выделяется участок, соответствующий 40 % кривой. Критерием выбора будет наименьше отличие по высоте между крайними точками этой полосы, что соответствует горизонтальному участку кривой. Если несколько секций кривой имеет одинаковый наклон, выбирается наиболее высокая из них.

По кривой Аббота можно получить следующие параметры:

RPK — усредненная высота выступов. Это верхняя часть профиля поверхности, которая вскоре будет срезана в процессе работы.

RK — глубина неровностей профиля внешней поверхности. Основа профиля поверхности длительное время находится в работе и оказывает решающее влияние на срок службы и качественные показатели работы изделия. Иногда данный параметр коррелирует со среднеарифметической высотой неровностей Ra.

RVK — усредненная глубина впадины профиля, определяющая смазывающую способность поверхности или способность удерживать жидкие фрагменты паровоздушной среды.

Применение данного стандарта позволяет корректно задавать требования к функциональным поверхностям, исходя из условий их работы, а также подбирать необходимую технологию при их изготовлении.

Так, например, на предприятиях Германии требования к ответственным поверхностям деталей пневмонасосов закладываются следующим образом. Производятся измерения внутренней и наружной поверхностей. При этом к данным поверхностям предъявляются следующие требования:

Такое описание требований к микрогеометрии функциональных поверхностей позволяет обеспечить заданные требования к их функциональным свойствам.

Помимо микрогеометрии на поверхностный слой существенное влияние оказывают его физикомеханические свойства. Они характеризуются твердостью, структурными и фазовыми превращениями, знаком и глубиной распространения остаточных напряжений. Глубина модифицированного слоя в значительной степени зависит от вида и условий формообразования поверхностного слоя. Она составляет обычно 0,1…0,25 мм.

Остаточные напряжения возникают практически при всех процессах формообразования. Применительно к решению технологических задач особый интерес представляют макронапряжения — остаточные напряжения первого рода (смотри ниже).

Остаточными напряжениями принято называть упругие напряжения, которые существуют и уравновешиваются внутри твердого тела, жесткого агрегата материалов, сборной или сварной конструкции при отсутствии внешних воздействий (силовых и температурных)[82].

Остаточные напряжения возникают вследствие пластических деформаций кристаллических решеток материала заготовки в процессе ее механической, термической обработки и пр. Остаточные напряжения, возникающие в поверхностном слое металла, делятся на напряжения растяжения и напряжения сжатия.

Остаточные напряжения сжатия на поверхности, как правило, вызывают благоприятное воздействие, увеличивая ресурс изделий, а напряжения растяжения ускоряют разрушение, например, могут появиться микротрещины с дальнейшим выходом из строя изделия.

Остаточные напряжения сжатия возникают при уплотнении структуры металла поверхностного слоя образца. В результате происходит консервация дефектов (а), которые в условиях эксплуатации себя не проявляют, увеличивая тем самым ресурсные характеристики. Остаточные напряжения растяжения инициируют обратные процессы (б) — вскрытие и локализацию дефектов, что приводит к отказам при эксплуатации.

Остаточные напряжения подразделяется на три вида в зависимости от размеров рассматриваемой области поверхностного слоя изделия, в которой они возникают.

Напряжения первого рода — макронапряжения, которые охватывают области в пределах детали или конструкции. Остаточные напряжения первого рода в детали возникают в результате различных технологических факторов при ее изготовлении.

Напряжения второго рода — микронапряжения, возникающие в микрообъемах (в пределах кристаллитов структуры металла).

Напряжения третьего рода — образуются в ультрамикроскопических объемах (в пределах кристаллической решетки).

Так как остаточные напряжения второго и третьего рода в своих микрообъемах уравновешены, то интерес для исследователей представляют остаточные напряжения первого рода.

Применительно к решению задач об остаточных деформациях значительный интерес представляет интеграл напряжений (h) по глубине h их залегания Is(h). Назовем эту величину деформирующей способностью технологических остаточных напряжений[83].

Интеграл напряжений определяется следующим образом:

где hм — максимальная глубина залегания технологических остаточных напряжений.

Oпpeдeлeниe тeхнoлoгичecких ocтaтoчных нaпpяжeний в мeтaллe пoвepхнocтнoгo cлoя издeлия вoзмoжнo пpи наличии cooтвeтcтвующeй кoнтpoльнo-измepитeльнoй aппapaтуpы. При этом нopмиpуютcя cлeдующиe ocнoвныe хapaктepиcтики эпюры:

пoвepхнocтныe нaпpяжeния п, глубинa пepeхoдa знaкa hо, мaкcимaльныe пoдпoвepхнocтныe нaпpяжeния пп.

Kaждaя из укaзaнных хapaктepиcтик имeeт нoминaльнoe знaчeниe и пoлe дoпуcкa. Пoэтoму дoпуcтимыми по тeхнoлoгичecким ocтaтoчным нaпpяжeниям мoжнo cчитaть peжимы в пpocтpaнcтвe вapьиpуeмых пapaмeтpoв, для кoтopых oднoвpeмeннo поверхностные напряжения, глубины перехода знака и максимальные подповерхностные напряжения лежат внутри интервалов допустимых значений.

Эти условия фopмиpуeт oблacть дoпуcтимых peжимoв по тeхнoлoгичecким ocтaтoчным нaпpяжeниям. Bыбop oгpaничивaющих уcлoвий oпpeдeляeтcя ocoбeннocтями экcплуaтaции издeлия и имeющимиcя в нaличии кoнтpoльнo-измepитeльными пpибopaми.