Технологическая наследственность.

Хотя основную роль в формировании показателей качества выпускаемых изделий иг­рают последние (финишные) операции техпроцесса, однако часть свойств передается и с промежуточных операций, что вынуждает рассматривать все этапы, участвующие в получении заданных свойств изделия и выявлять те операции, которые оказывают влия­ние на выходные параметры готового изделия. Явление переноса свойств объекта от предшествующих операций к последующим называется технологическим наследованием, а сохранение этих свойств—технологической наследственностью.

Носителями наследственной информации являются материал детали и ее геометрические формы. При протекании технологиче­ского процесса носители наследственной информации как бы про­ходят через различные барьеры, задерживаясь на них частично или полностью. Так для многих прочностных характеристик существенным «барьером» являются термические операции, а та­кие характеристики качества, как отклонения фактической формы заготовок от идеальных, как правило, в той или иной форме пере­даются от одной операции к другой. В ряде случаев «наследуются» отдельные конструктивные элементы изделия, которые оказывают влияние на результаты технологического процесса, например, из-за переменной жесткости изделия. В этих случаях происходит как бы копирование формы заготовки и перенос этих отклонений в умень­шенном размере на готовое изделие.

Полученные на отдельных операциях дефекты, например, ми­кротрещины, также могут развиваться или «залечиваться» на по­следующих операциях. Анализ влияния черновых операций на показатели качества готового изделия показал, что после обточки и закалки заготовки при последующем шлифовании круг создает на участках микровысту­пов шероховатой поверхности тепловые удары, вызывающие мгно­венный нагрев и структурные изменения поверхностного слоя ме­талла. При чистовых режимах шлифования на участках обработан­ной поверхности, расположенных под выступами неровностей, воз­никают зоны отпущенного металла пониженной твердости, а при черновых — зоны твердого металла, претерпевшего вторичную закалку. В обоих случаях на границах разных структур разви­ваются значительные остаточные напряжения, снижающие долго­вечность деталей, а иногда вызывающие появление шлифовочных трещин. При шлифовании с охлаждением влияние тепловых уда­ров ослабевает.

Риунок 2. Примеры технологической наследственности при обработке прецизионных деталей

Технологическая наследственность может играть как положи­тельную, так и отрицательную роль в зависимости от того, какие свойства сохраняются и передаются готовому изделию. Поэтому надо изучать технологическую наследственность, чтобы управ­лять ею. Приведем примеры технологической наследственности (рис. 2) применительно к обработке прецизионных деталей.

При механической обработке деталей, имеющих переменную жесткость (плит, втулок с ребрами и т. п.), проявляется наслед­ственность конструктивных элементов. Форма обработанной по­верхности отражает различную деформацию детали под действием сил резания в разных зонах обработки. Это видно из сравнения кривых податливости / и формы поверхности 2, полученных опыт­ным путем для изделия, имеющего ребра жесткости (см. рис. 2, а).

Аналогично, при механической обработке гильзы, имеющей несимметричное сечение (на ее поверхности нарезается зубчатая рейка) круглограмма показывает искажение наружной поверхно­сти из-за переменной жесткости изделия (рис. 2, б). Это искаже­ние формы (но в уменьшенном масштабе) сохранится вплоть до финишных операций. Весьма характерным для многих операций является технологическое наследование погрешностей установоч­ных баз, которые часто переносятся на обрабатываемую поверх­ность детали. На рис. 2, в приведены графики отклонения формы высокоточной гильзы, установленной для шлифования в специаль­ные зажимные устройства с гофрированными втулками. Графики показывают деформацию гильзы в зоне втулок, величина которой зависит от усилий зажима. В ряде случаев определенный интерес представляет рассмотрение наследственной природы возникнове­ния волнистости на обработанной поверхности. Здесь имеют место как процессы возбуждения колебаний при резании «по следу» — по уже имевшей место волнистости, так и процессы копирования формы инструмента. Так, например, волнистость шлифовального круга может переноситься на обработанную поверхность, отражая погрешности круга (рис. 2, г).

Поскольку технологическая наследственность в большинстве случаев оказывает отрицательное влияние на показатели качества и является побочным процессом при обработке изделия, стремятся исключить передачу погрешностей обработки с операции на опе­рацию, сделать их как бы независимыми в технологическом отно­шении. Как указывает проф. А. М. Дальский, наиболее благо­приятным будет такой технологический процесс, где на начальных (черновых) операциях происходит практически полная ликвида­ция отрицательного свойства и оно не наследуется финишными опе­рациями.

4. Последствия технологических дефектов в сфере эксплуата­ции. В готовом изделии могут оказаться технологические де­фекты, которые относятся к недопустимым, но либо пропущены из-за несовершенства методов контроля, либо вообще не регламен­тированы. Это может привести к тяжелым последствиям в сфере эксплуатации машины вплоть до возникновения аварийных ситуа­ций. Анализ недопустимых выходов из строя отдельных узлов и механизмов, их поломок, значительных деформаций и других от­казов функционирования показывает, что причины этого связаны в основном с двумя факторами — с неправильными методами экс­плуатации и с проявлением технологических дефектов.

Грубые ошибки технологического процесса и соответственно значительные дефекты, как правило, проявляются при обкатке или контрольных испытаниях машины и могут быть устранены в сфере производства. Поэтому испытание машин с точки зрения их соответствия технологическим условиям и проверка всех основных параметров машины является заключительным этапом ее изго­товления.

Однако часть технологических дефектов, не обнаруженных в процессе контроля отдельных этапов технологического процесса, может и не проявиться в первые часы работы изделия, но стать причиной его преждевременного отказа в сфере эксплуатации. Характерно, что по внешнему проявлению такой отказ часто отно­сят к внезапным. Однако, по своей природе это постепенный отказ, так как его причина заложена в качестве самого изделия, а не является внешней, не зависящей от состояния изделия, что харак­терно для внезапных отказов.

Для предотвращения тяжелых последствий отказов, связанных с технологическими дефектами, следует, во-первых, регламенти­ровать категории дефектов и не допускать возникновения дефек­тов определенных видов и размеров, и, во-вторых, иметь средства для обнаружения дефектов (см. ниже). Для большинства техноло­гических процессов имеются технические условия, регламенти­рующие появление дефектов определенных категорий.

Рисунок 3. Схема установления норма­тивного размера дефекта

Обычно даются предельно допустимые размеры дефектов, появление которых приводит к нарушению нормальной ра­боты изделия.

Более прогрессивен вероят­ностный подход к расчету норм для технологических дефектов. Этот подход учитывает, что, с одной стороны, каждый техно­логический процесс может ха­рактеризоваться вероятностью появления дефектов данного размера (или другой задан­ной количественной характери­стики), с другой стороны, нали­чие данного количества или вида дефектов связано определен­ной зависимостью с выходным параметром изделия, например с прочностью, причем эта зависимость также может иметь стоха­стическую природу.

Так д-р техн. наук В. Н. Волченко применительно к свар­ным соединениям рекомендует в основу нормирования дефектов положить две исходные зависимости.

1. Вероятность Р (q) появления из общего числа дефектов, характеризуемых размером (площадью) q, дефектов, превосходя­щих заданное значение (рис. 3, а). Эта зависимость часто подчи­няется закону экспоненты.

2. Зависимость между размерами дефектов q и прочностью изделия о_в (рис. 3, б). Линия регрессии подчиняется определен­ной зависимости

σ _в = а — bq, где а и b — коэффициенты, полу­ченные из испытания образцов. Эта зависимость показывает, что чем большую площадь занимают дефекты, тем ниже прочность соединения.

В результате того, что на прочность влияют не только размеры дефектов, но и их конфигурация, расположение по сечению и т. д. возникает рассеивание значений прочности относительно центра группирования. Это рассеивание обычно подчиняется нормаль­ному закону распределения. Если задано допустимое значение прочности [σ _в], то это позволит нормировать дефекты. Пересечение линии регрессии и нормативного уровня прочности соответствует так называемому пороговому (критическому) размеру дефектов q_K. Появление дефекта q = q_K [вероятность его появления равна Р (q_к)\ означает, что с вероятностью 0, 5 он приведет к значению прочности ниже допустимой. Если же регламентировать дефекты по нижней границе прочности, т. е. принять за допустимый размер дефекта q_доп то вероятность снижения прочности изделия γ будет находиться в установленных пределах. Вероятность появления дефектов размером q > q_доп выше, чем для q > q_K однако их обнаружить труднее, так как сюда относятся более мелкие дефекты (q_доп < q_к)

Развитие совершенных и экономичных методов обнаружения дефектов дает гарантию изготовления высоконадежных изделий без опасности преждевременных отказов, связанных с технологией.

5. Дефектоскопия.

Для обнаружения дефектов применяется широкий диапазон методов и средств. Все виды контроля, приме­няемые для выявления и оценки технологических дефектов, сле­дует разбить на две основные группы — разрушающие и неразрушающие методы.

Разрушающие методы контроля — такие, как испытание меха­нических свойств, твердости, металлографический анализ, техно­логические пробы (например, испытание на осадку) и другие яв­ляются выборочными. Они приводят к порче одной или нескольких деталей в партии и не позволяют отделить в партии годные детали от бракованных.

Эти методы дают хороший эффект при большой однородности свойств и при возможности периодического отбора экземпляров изделий или образцов из них для испытания.

Не разрушающие методы контроля позволяют осуществлять сплошную проверку ответственных изделий и полностью гаранти­ровать их бездефектность. Обычно эти методы объединены понятием дефектоскопии, которая базируется на применении различных физических методов, позволяющих обнаруживать и оценивать внутренние и поверхностные дефекты. Конечно, к неразрушающим методам контроля поверхностных дефектов относятся и визу­альные методы, но они не приемлемы для современных методов производства.

Например, на крупных металлургических заводах при отсут­ствии специальных методов контроля сотни людей были заняты наружным осмотром труб или листов, что не только не гарантиро­вало качества, но и вызывало огромные непроизводительные за­траты. Применение дефектоскопии во многих случаях обеспечивает решение проблемы контроля качества.

Одним из важных направлений современной дефектоскопии является интроскопия — возможность контролировать внутреннее состояние и дефекты изделий, видеть внутри непрозрачных тел и сред.

В природе нет полностью непрозрачных (по отношению к раз­личным лучам) тел. Практически для любого объекта можно найти метод просвечивания.

Обычные средства дефектоскопии не позволяют получить пол­ную характеристику дефектов, так они, как правило, дают одно­элементную информацию, которой недостаточно для выявления формы и размеров дефекта, его ориентации и плотности заполнения.

Для получения данных о реальных дефектах необходима более полная информация о внутреннем строении вещества. Такую мно­гоэлементную информацию можно получить путем использования различных спектров проникающих излучений. Физическая основа интроскопии — взаимодействие проникающих излучений с веще­ством, в котором они распространяются.

В качестве агента, способного нести многоэлементную инфор­мацию о внутреннем строении, составе и свойствах непрозрачных тел и сред, могут быть использованы многие виды оптически сфор­мированных или пространственно распределенных потоков прони­кающих излучений (от гамма-квантов высоких энергий до радио­волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, от упру­гих колебаний высокой частоты до корпускулярных излучений). Возможно использование для тех же целей нейтронных потоков и других частиц с еще более высокой проникающей способностью. Большие перспективы для неразрушающего контроля имеют голографические методы.

Неразрушающим методам контроля посвящена обширная спе­циальная литература. В ряде случаев отдельно выделяют дефекто- метрию, подчеркивая возможность данного метода не только обна­руживать, но и измерять величину дефекта.

Методы дефектоскопии с успехом применяются также для нужд диагностики различных машин.

Применение неразрушающих методов контроля как составной части технологических процессов повышает их надежность, обес­печивает выпуск продукции требуемого качества.