Забезпечення і підвищення надійності машин на стадії виробництва

Основні напрямки підвищення надійності машин на стадії виробництва. Технологія виготовлення машин та їх деталей повинна забезпечувати:

– при виготовленні заготовок – потрібну внутрішню структуру і фізико-механічні властивості, усунення потенціальних джерел руйнування матеріалу;

– при обробці поверхні деталі – задані розміри, властивості міцності, антикорозійні, антифрикційні або фрикційні властивості, а також потрібний ступінь шорсткості;

– при виконанні з’єднань деталей (нерознімних і рознімних) – геометричну точність, герметичність і взаємозамінність;

– при складанні і випробуванні вузлів, агрегатів і машин – геометричну правильність, низький рівень монтажних напружень, припрацювання з’єднань, виявлення браку продукції.

Висока якість деталей сільськогосподарської техніки при її виробництві залежить від виконання таких основних технологічних заходів.

Забезпечення точності виготовлення деталей. У тракторах, автомобілях і сільськогосподарських машинах точність визначається умовами роботи деталей і рівнем металообробного обладнання, яке використовується, а оцінюється допусками на лінійні розміри робочих поверхонь деталей (діаметри шийок валів і отворів, розміри шліців і зубів шестерні тощо), а також на взаємне розташування цих поверхонь (перпендикулярність і паралельність осей деталей, міжцентрова відстань, радіуси кривошипів тощо). Проте, чим вища точність виготовлення деталі, тим більші витрати на її виробництво.

З підвищенням точності виготовлення деталей зменшуються початкові зазори у рухомих з’єднаннях і жорсткіше регламентуються натяги у нерухомих з’єднаннях, що забезпечує значне підвищення довговічності машин, їх доремонтного ресурсу.

Забезпечення оптимальної якості робочих поверхонь деталей.

У машинобудівному виробництві постійно підвищується якість робочих поверхонь (зменшення їх шорсткості і викривлення макрогеометрії). Разом з тим, у результаті досліджень встановлено, що при експлуатації машин у парах тертя залежно від режимів роботи, умов мащення, поєднання матеріалів та інших факторів встановлюється певна шорсткість, яку і слід забезпечувати при виготовленні деталей. Оптимальна шорсткість повинна відповідати і поверхням деталей з нерухомими посадками.

Чим менша шорсткість, тим більший опір поверхонь деталей до зношування через корозію.

Істотний вплив має шорсткість поверхні на циклічну і динамічну міцність деталей машин. Підвищення якості обробки деталей лімітується технологічними можливостями виробництва і вартістю робіт. Для нормування якості поверхні при виробництві машин використовують три основних показники: шорсткість поверхні або мікрогеометрію; відхилення форми і розташування (овальність, конусоподібність, огранка та ін.); макрогеометрію і хвилястість поверхні.

Для досягнення високих геометричних характеристик якості поверхні використовують різні методи та оснащення, а саме:

– зрізання нерівностей поверхні тонким шліфуванням, хонінгуванням, суперфінішуванням (доведенням) і поліруванням, особливо із застосуванням синтетичних алмазів (паст, брусків, стрічок), гексаніту-Р, ельбора та інших надтвердих матеріалів;

– знімання нерівностей за рахунок поверхневого пластичного деформування: обкатування, розвальцьовування, дорнування, алмазного вигладжування та віброобкатування алмазними або твердосплавними роликами (наконечниками) для отримання поверхонь з регулярними мікрорельєфами;

– створення нового мікропрофілю поверхні завдяки застосуванню електричних та електрофізичних методів обробки (електрохімічної, електромеханічної, обробки у магнітному полі).

Вибір раціонального виду обробки для різноманітних груп деталей та їх робочих поверхонь потребує поглибленої науково-виробничої перевірки. Найперспективнішими видами обробки є віброобкатування, доведення синтетичними алмазами та електрофізична обробка.

Обробні заключні операції необхідні не лише для поліпшення шорсткості, але й видалення тонкого дефектного поверхневого шару (часто зі зниженими фізико-механічними властивостями), особливо після шліфування.

Зміцнення деталей. Накопичення досвіду, а також аналіз результатів багаторічних цілеспрямованих досліджень дозволили визначити основні шляхи зміцнення поверхонь:

– зміна хімічного складу поверхневих шарів шляхом внесення легуючих компонентів для утворення структур, які добре чинять опір процесам зношування;

– механічні та (або) теплові впливи на поверхневі шари металу, які приводять до структурних і субструктурних перетворень, що сприяють підвищенню стійкості при різних процесах руйнування;

– нанесення на поверхні деталей трибосполучень зносостійких шарів (покриттів).

Зазначене дозволяє класифікувати різноманітні технологічні методи зміцнення (рис. 6.11) з урахуванням того, що практично всі вони ґрунтуються на факторах хімічного, термічного і механічного впливів, які дозволяють істотно змінити поверхневі властивості деталей машин.

Рис. 6.11. Класифікація основних методів зміцнення деталей машин.

Кожен з технологічних методів зміцнення деталей має свої параметри та області застосування (табл. 6.1).

Таблиця 6.1. Характеристики технологічних методів зміцнення деталей машин

Методи обробки і способи нанесення покриттів	Матеріал, що обробляється	Шорсткість поверхні, R a, мкм	Товщина модифікованого шару, мм	Ступінь зміцнення, %	Твердість	Максимальні напруження, МПа	Призначення обробки
Зміцнення поверхневим пластичним наклепуванням
Обробка дробом (стальними кульками)	Чавуни, сталі, сплави	Погіршується, забезпечує 1,6...2,5	0,2...1,0	20...40	–	200...750	Підвищення опору втомленості
Ультразвукове поверхневе пластичне деформування (стальними кульками)	Те ж	Погіршується, забезпечує 1,25...0,32	0,05...0,3	10...40	–	200...500	Підвищення опору втомленості, зносостійкості
Відцентрове обкатування	– // –	Погіршується, забезпечує 0,63...0,16	0,05...0,3	10...40	–	200...500	Те ж
Поверхневе обкатування	– // –	Забезпечує 1,25...0,04	0,1...0,5	20...50	–	500...700	– // –
Згладжування (алмазне)	– // –	Забезпечує 1,25...0,04	0,01...0,3	10...60	–	500...700	– // –
Поверхнева термічна обробка
Гартування з нагріванням струмами високої частоти (СВЧ)	Сталі	Не змінюється	0,2...10,0	–	HRC 40...70	300...800	Підвищення опору втомленості, зносостійкості
Гартування з нагріванням газовим полум’ям	Сталі, чавуни	Погіршується	0,5...10,0	–	HRC 40...70	300...800	Те ж
Методи нанесення покриттів
Фізичні способи:
плакування	Сталі, сплави, метали	Погіршується	10...10–1	–	–	–	Підвищення опору корозії, зносостійкості
наплавлення	Чавуни, сталі, сплави	Те ж	10...10–1	–	250...650HV	100...500	Те ж
детонаційне напилення	Чавуни, метали, сталі, слави, кераміка	– // –	1...10–1	–	–	–	Підвищення опору корозії, зносостійкості, жаростійкості та ерозії
газополум’яне напилення	Сталі, метали, сплави, чавуни, кераміка	– // –	10...10–1	–	–	–	Те ж
вакуумно-плазмове розпилення	Сталі, метали, сплави, кераміка	– // –	10–4...10–3	–	–	–	–
Продовження таблиці 6.1
Фізико-хімічні способи:
1. Електрохімічне осадження з розчинів і розплавів:
хромування	Метали, сталі, сплави, чавуни	Забезпечує 2,5...0,32	1...10–2	–	500...1200HV	200...600	Підвищення опору корозії, зносостійкості
нікелювання	Те ж	Забезпечує 2,5...0,32	1...10–2	–	550...650HV	–	Те ж
залізнення	– // –	Забезпечує 8...2	1...10–1	–	120...600HV	–	Підвищення зносостійкості
борування	Сталі, метали, сплави	Забезпечує 4,0...0,5	1...10–1	–	До 2200HV	–	Підвищення опору корозії, зносостійкості
оксидування	Алюміній та його сплави	Погіршується	10–1...10–2	–	–	–	Те ж
Хіміко-термічна обробка
2. Дифузійне насичення поверхневого шару:
азотування	Метали, сталі, чавуни, сплави	Залишається незмінною	1...10–2	–	650...1100HV	400...800	Підвищення зносостійкості, опору корозії, жаростійкості
цементація	Маловуглецеві сталі, сплави, метали	Те ж	1...10–2	–	HRC 60...70	400...800	Підвищення зносостійкості
ціанування	Сталі	– // –	1...10–2	–	HRC 60...75	400...800	Те ж
борування	Сталі, метали, сплави	– // –	0,35...10–3	–	225...325HV	–	Підвищення зносостійкості, опору корозії, ерозії, жаростійкості
силіцування	Те ж	– // –	0,2...0,05	–	100...125HV	–	Те ж
Лазерна обробка
Термообробка	Метали, сталі, сплави	Погіршується	1...10–2	–	–	–	Підвищення опору корозії, ерозії, втомленості, жаростійкості, зносостійкості
Легування	Те ж	Те ж	1...10–1	–	–	–	Те ж

Надійність технологічного процесу – здатність забезпечувати у часі випуск деталей з установленими показниками якості при заданій продуктивності та прийнятих умовах. Надійність технологічного процесу характеризується працездатністю – станом, при якому він забезпечує виготовлення деталей у заданих умовах з показниками якості та ритмом випуску (продуктивністю), встановленими у нормативно-технічній документації.

Методи оцінки надійності технологічних процесів виготовлення визначають, виходячи з критеріїв відмови процесів (табл. 6.2).

Таблиця 6.2. Критерії відмов технологічного процесу

Критерії відмов за параметрами
якості деталей	продуктивності	витрачених ресурсів
Вихід одного з показників якості за граничні відхилення	Зниження ритму випуску нижче допустимого рівня	Перевищення встановлених нормативів через трудо-місткість виготовлення
Вихід параметрів режимів технологічного процесу (операцій) за встановлені межі	Невиконання заданого обсягу виробництва у встановлені строки	Перевищення встановлених норм витрати матеріалів, інструменту, енергоресурсів та ін. Перевищення ліміту чисельності робітників

Найважливіший показник надійності технологічного процесу – безвідмовність. У кількісному відношенні рівень надійності оцінюється ймовірністю безвідмовної роботи за встановлений проміжок часу Р (t).

Ймовірність виконання завдання за одним (і -м) параметром деталей, які виготовляються, – це ймовірність виконання вимог нормативно-технічної документації з цього параметра для одиниці продукції, отриманої у момент часу t:

, (6.5)

де Х_і (t), Х _{в і} , Х _{н і} – фактичне верхнє і нижнє значення і -го контрольованого параметра якості.

Ймовірність виконання завдання за п параметрами якості деталей, які виготовляються, є ймовірністю виконання вимог нормативно-технічної документації одночасно за п параметрами для одиниці продукції, отриманої у момент часу t:

. (6.6)

Коефіцієнт виконання завдань за n параметрами якості виготовлених деталей визначають із залежності:

. (6.7)

Найчастіше окремі параметри якості деталей, які виготовляються, пов’язані у функціональному відношенні послідовно, тобто поява відмови будь-якого з установлених показників якості призводить до появи відмови всього технологічного процесу. Тобто, ймовірність безвідмовної роботи технологічного процесу виготовлення, який складається з т операцій, у проміжку часу (0; t) визначається із залежності:

. (6.8)

Формування надійності процесу виготовлення відбувається на окремих технологічних операціях, які звичайно виконуються послідовно. З точки зору ймовірності безвідмовної роботи це означає, що рівень надійності технологій залежить, по-перше, від кількості операцій в процесі і вказує на недоцільність їх розширення, по-друге, – від надійності виконання кожної операції.

Але ймовірність безвідмовного здійснення технологічного процесу на всьому ланцюзі не дорівнює добутку відповідних ймовірностей P_i (t) для кожної операції через особливості формування вихідних параметрів усього технологічного процесу.

Основне формування вихідних параметрів відбувається на заключних операціях. Чим ближче операція до остаточного виготовлення деталі, тим більше її вплив на величини вихідних параметрів деталі. Винятком є вихідні характеристики матеріалу, які значно характеризують і його остаточні властивості. Деякі параметри заключних операцій впливають на попередні, тому частина вихідних параметрів заключної операції функціонально пов’язана з параметрами попередніх, проміжних операцій.

Оцінка надійності процесу враховує і можливості контрольних операцій, які істотно підвищують надійність технологічного процесу. В цьому випадку у структурній схемі надійності контрольна операція – це резерв технологічного ланцюга, ймовірність підвищення надійності за її рахунок дорівнює Р _к. Тому ймовірність безвідмовного здійснення технологічного процесу визначають із залежності:

. (6.9)

При цьому для неконтрольованих параметрів Р _к=0, а для абсолютно надійного контролю Р _к=1.

Допустимі відхилення контрольованих показників якості (розмірів, фізико-механічних властивостей деталей) можуть визначатися дослідним розрахунковим або статистичним шляхом. При цьому обґрунтування їх величин повинно здійснюватись на техніко-економічній основі.

У загальному випадку ймовірність виконання завдання технологічної операції за і -м параметром якості деталей у фіксований момент часу t визначають із залежності:

, (6.10)

де – щільність розподілу і -го параметра у момент часу t; Х _в, Х _н – верхні і нижні граничні значення контрольованого параметра.

Показники якості деталей формуються протягом всього процесу виготовлення. Окремі їх характеристики можуть переходити від операцій до операцій, тобто наслідуватись. Це називається технологічною спадковістю.

Ступінь впливу кожного технологічного фактора на кінцеві показники якості деталей неоднакова. Деякі технологічні фактори впливають на всі операції, інші – тільки на одну з них.

Великий вплив на якість деталей мають заключні операції. Є операції, які виконують роль своєрідних "бар’єрів" для наслідування. Вплив одних технологічних факторів зникає після таких "бар’єрів", інші проходять крізь них, але їх вплив слабшає. Такими "бар’єрами" у процесі виготовлення можуть бути операції термічної (або зміцнюючої) обробки.

Для визначення впливу технологічної спадковості на зміну параметрів деталі застосовують залежність:

, (6.11)

де R _кін – значення параметра якості для кінцевої операції; R _вих – значення того ж параметра для вихідної операції; а і b – коефіцієнти технологічної спадковості, які визначаються на основі багатофакторного аналізу і рівнянь регресії. Наприклад, при відновленні поршневих пальців тракторних двигунів прогресивним способом гідротермічного роздавання після шліфування у 30% деталей з’являється брак – почорніння на зовнішній циліндричній поверхні пальців. Причина дефекту – низька надійність попередньої операції – роздавання пальця. У результаті охолодження поршневих пальців прямим потоком після роздавання вони приймають корсетоподібну форму, і, як наслідок, утворюється нерівномірний припуск на шліфування.

При застосуванні більш досконалого способу охолодження (спрейєрного) області розподілення приросту зовнішнього діаметра поршневого пальця зміщуються у бік збільшення приросту (рис. 6.12). Внаслідок цього надійність технологічного процесу відновлення збільшується.

Рис. 6.12. Криві розподілу приросту зовнішніх діаметрів поршневих пальців двигуна СМД-14 при гідротермічному роздаванні: 1 – прямоточне охолодження; 2 – спрейєрне охолодження (зону браку заштриховано)