Современные требования к качеству изделий и новые методы обработки деталей

Задача повышения рентабельности эксплуатации современных машин, приборов и аппаратуры, эффективного использования при их изготовлении производственных мощностей, снижения необходимых для их выпуска материальных и трудовых затрат, а также обеспечения их эргономичности решается на пути повышения их качества и надежности.

В широком смысле под понятием качества изделия подразумевается совокупность свойств этого изделия, характеризующих степень его способности удовлетворять при эксплуатации требованиям, вытекающим из назначения данного изделия.

Под надежностью понимается совокупность свойств, определяющих способность изделия сохранять необходимые значения показателей качества как в течение требуемого времени его эксплуатации, так и его хранения, минимизировать возможность их внезапного выхода за допустимые пределы, а также сократить время, необходимое для восстановления показателей качества, претерпевших по той или иной причине недопустимые изменения.

Для современных промышленных изделий сформировались соответствующие нормативные показатели качества, которые включают в себя:

• — показатели назначения, определяющие область. и эффект от использования данного изделия и включающие в себя классификационные показатели, показатели технического совершенства, конструктивные показатели, а также некоторые специальные показатели;
• — показатели надежности, включающие в себя показатели безотказности, ремонтопригодности, сохранности и долговечности;
• — показатели технологичности, включающие в себя показатели технологичности изготовления, эксплуатации и ремонтно-восстановительных работ;
• — экономические показатели, включающие показатели стандартизации и унификации, затраты абсолютные, относительные и удельные на разработку, изготовление и эксплуатацию изделия;
• — эргономические показатели, характеризующие взаимодействие человека с изделием, включающие комплекс антропометрических, физиологических, психофизиологических, гигиенических и т. п. показателей.

Должны учитываться и другие показатели качества изделий, такие как патентно-правовые, эстетические, показатели безопасности и др.

Таким образом, повышение уровня качества изделий и обеспечение его в течение определенных временных интервалов представляет собой сложную многокомпонентную проблему, требующую в каждом случае проведения маркетинговых, экономических и финансовых исследований и прогнозов, конструкторских, исследовательских и экспериментальных работ, информационного исследования и анализа, в том числе с учетом взаимосвязей между различными отраслями фундаментальной науки, видами производства и конкретными проектами, изучения и анализа различных технологических процессов и разработки многопрофильных технологий, проведения социологических и политических исследований и прогнозов и др. Можно сказать, что в целом повышение уровня качества и надежности промышленных изделий обуславливается прогрессом всей человеческой цивилизации и, со своей стороны, обуславливает ее развитие.

В настоящем пособии рассматриваются вопросы, имеющие отношение только к одному компоненту названной проблемы, а именно к производственно-технологическим методам обеспечения качества и надежности изделий, то есть к таким методам подготовки и осуществления производства, при которых готовая продукция соответствовала бы конструктивным и эксплуатационным требованиям при рациональном уровне затрат и допустимом уровне потенциальных вредных последствий от применяемых технологических процессов, что само по себе представляет комплекс проблем.

Из этого комплекса проблем вычленим одну — проблему получения деталей с требуемыми, зачастую ранее не достижимыми свойствами — размерами, конфигурацией и пространственной композицией, физико-механическими и химическими свойствами и их специфичским распределением по объему детали и др. Возможность получения таких деталей позволяет по-новому подходить к проблеме качества и надежности изделий, которые состоят из них.

Производство таких деталей стало возможным потому, что в настоящее время, наряду с традиционными методами обработки, такими как резание, литье, обработка давлением, газовая и электрическая сварка и резка и т. п., в распоряжение производственника поступил и ряд новых технологических методов, основанном на новом использовании ряда физических и химических явлений.

Технологическая сущность таких методов, весьма разнообразных по тем физико-химическим явлениям, которые положены в их основу, является для всех них одной и той же: изменение формы, размеров и (или) свойств заготовки, осуществляется не механическим силовым воздействием обрабатывающего инструмента, а воздействием потока энергии того или иного вида, сконцентрированного на обрабатываемом участке заготовки.

Виды воздействующего потока энергии могут быть весьма разнообразными: электронные и ионные пучки, световое (лазерное) излучение, потоки плазмы, электрические искровые и дуговые разряды в жидких и газообразных диэлектрических средах, микродуговые и дуговые разряды в электролитах, а также разновидности и комбинации таких воздействий. Использование каждого из этих потоков обладает своими специфическими технологическими особенностями и возможностями и имеет, поэтому, свою область применения. Несмотря на различие лежащих в их основе физических и химических явлений, методы обработки материалов концентрированными потоками энергии имеют между собой то общее, что их применение, если оно имеет место, направлено на конкретную цель — на изготовление детали с требуемыми свойствами.

Все свойства детали можно разделить на физико-химические свойства и на геометрические свойства ее формы и размеров.

Физико-химические свойства детали относятся либо к ее поверхности (твердость, коэффициент отражения, коэффициент поглощения и др,), либо к ее объему (плотность, пористость, электрическое сопротивление, прочность, пластичность, текучесть, химический состав). По характеру распределения их физико-химических свойств детали могут быть подразделены на детали с изотропными и анизотропными свойствами, с распределением каких-либо свойств неизменными вдоль той или иной оси, либо переменным с различными законами такого изменения. В ряде случаев важно обеспечить требуемые значения физико-химических свойств или (и) распределение их только в определенных зонах деталей, например, в приповерхностном слое.

Геометрические свойства детали задаются конфигурацией ее поверхности. Отклонения от идеальной поверхности по ее размерам и форме и по степени ее гладкости определяют точность и качество детали.

Все детали, подвергаемые обработке концентрированными потоками энергии, можно разделить по их физико-химическим и геометрическим характеристикам на различные группы.

По физико-химическим свойствам детали делятся на детали из высокопрочных, хрупких, твердых, термообработанных или нетермообработанных, электропроводящих или неэлектропроводящих материалов, цветных и черных металлов или специальных сплавов, коррозионностойких и жаростойких сталей и сплавов, композитных материалов, кристаллических и аморфных материалов, металлические образцы сплавленные или спеченные, детали многослойной, сотовой или каркасной конструкции, на кристаллические полупроводниковые детали и др.

По геометрическим характеристикам детали делятся на детали типа тел вращения, в том числе на валы, фланцы, трубы, диски, колесные скаты, планшайбы и др., на корпусные детали, в том числе на объемные корпусные, плоские призматические, детали распределительных панелей гидроаппаратуры, детали сложной конфигурации, такие как гребные винты и турбинные лопатки, детали из тонких либо особо тонких лент и фольги, пространственные и тонкостенные конструкции, на массивные толстостенные конструкции типа броневых башен, на детали со множеством малых отверстий и др.

Каждый из процессов обработки концентрированными потоками энергии является предпочтительным с технологической точки зрения для своего круга деталей, что будет конкретно рассматриваться в дальнейшем.

Процессы обработки концентрированными потоками энергии, как и другие методы обработки, независимо от лежащих в их основе физических и химических явлений, направлены на преобразование либо физико-химических свойств заготовки, либо ее геометрических свойств, либо и того и другого вместе.

Если конфигурация или (и) размеры получаемой детали отличаются от исходной заготовки, то говорят о размерной обработке детали или, что-то же самое, об операции формообразования. Если же формы и размеры полученной детали совпадают с таковыми у исходной заготовки, а неизбежные отклонения укладываются в допустимые погрешности, то имеет место неразмерная обработка, например, закалка или же такая операция как полирование поверхности.

Различают необратимое и обратимое формообразования. В первом случае после выполнения этой операции процесс невозможно провести в обратном направлении. Например, после снятия припуска невозможно восстановить полностью идентичные форму, размеры и рельеф поверхности заготовки. Во втором случае это возможно, что характерно, например, для пластических деформаций свободной ковки.

Формообразование может происходить, во-первых, при сохранении объема (массы) заготовки, что характерно, например, для операций, использующих пластическую деформацию, во-вторых при увеличении объема (массы) заготовки, что характерно, например, для операций наплавки или катодного напыления, и в третьих при уменьшении объема (массы) заготовки, что характерно для традиционной обработки резанием, а также для большинства операций лазерной, электронной, плазменной электроэрозионной и других методов обработки.

В большинстве операций происходит изменение как объема (массы) так и формы заготовки. Происходит это благодаря тому, что зона, где происходит воздействие концентрированного потока энергии на заготовку, обменивается энергией со взаимодействующим с ней потоком и с прилегающей к ней средой.

Энергия, поступающая в зону формообразования, в общем случае содержит тепловую, механическую, электрическую, электромагнитную и другие компоненты. Величина энергии, локализованной в зоне обработки, зависит, с одной стороны, от поступления энергии в эту зону, то есть от вида, интенсивности, степени и характера сконцентрированности обрабатывающего потока энергии и свойств прилегающей среды, а с другой стороны — от обмена энергией на границе этой зоны с остальной заготовкой, что определяется свойствами материала и формой заготовки.

Преобразование заготовки за счет локализованной и поглощенной в рабочей зоне энергии происходит путем изменения состояния вещества в это зоне. Здесь существуют следующие возможности:

• — сохраняется объем и агрегатное состояние вещества заготовки при изменении площади рабочей зоны и (или) переходе по крайней мере части вещества в пластическое состояние; это характерно для механического воздействия с поверхностной или объемной механической силой, примером чего являются традиционные процессы резания или обработки давлением;
• — та или иная часть вещества заготовки расплавляется или переводится в пар, что характерно для многих операций электроннолучевой, ионнолучевой, лазерной, плазменной и электроэрозионной обработки, где главным является термическое воздействие на заготовку;
• — та или иная часть вещества заготовки ионизируется, изменяет свой химический состав или (и) фазово-структурное состояние, что характерно для многих операций обработки концентрированными потоками энергии различного вида;
• — та или иная часть вещества заготовки изменяет характер химических связей, что характерно для операций химического травления.

Следует отметить, что так называемых простых технологических процессов, в которых имело бы место только одно из названных преобразований вещества и формы заготовки, практически не существует. Можно говорить лишь о преобладании какого-либо или какихлибо преобразований вещества и формы заготовки при тех или иных технологических процессах, когда в количественном плане оно (они) превалирует либо, наоборот, является пренебрежимым.

Для оценки явлений, происходящих при различных технологических операциях обработки концентрированными потоками энергии используется построение их моделей, то есть идеализированных описаний, составленных с той или иной заранее определенной целью. Всякая полная модель содержит описательную часть, определяющую ее составные части и состояния, логическую часть, определяющую взаимосвязи между частями и свойствами модели, а также динамическую часть, определяющую как изменяются свойства частей модели и их взаимосвязи во время развертывания моделируемого процесса.

Упрощенной, но абсолютно необходимой разновидностью моделей технологических процессов являются их классификации.

Классификация — это статическое распределение предметов и явлений по группам, которое обычно не устанавливает динамических взаимоотношений между этими группами. Проведение классификации является первым этапом построения моделей.

Примером являются классификация и типизация деталей, подвергающихся обработке, классификация рабочих сред, типов материала заготовки (металлы, полупроводники и диэлектрики, хрупкие и пластичные, жаропрочные, тугоплавкие и др.), способов управления, требований к оборудованию, видам инструмента и др.