Расчетный уровень надежности, заложенный в машину на стадии проектирования в конструкторском бюро, должен быть обеспечен в процессе изготовления деталей и элементов, сборки и регулировки машин. Встречаются случаи, когда технологический процесс изготовления изделий не обеспечивает заданного уровня надежности машин и тем самым губит оригинальное конструктивное решение.
Снижение уровня надежности машин на стадии производства может быть следствием одной из следующих причин: детали изготовлены из материалов, имеющих дефекты, или из материалов, не обеспечивающих заданную прочность; принятый технологический процесс изготовления деталей и их поверхностной обработки не может обеспечить заданный уровень эксплуатационных свойств; в технологическом процессе изготовления деталей допущены нарушения вследствие плохой организации производства, недостаточной квалификации рабочих ит. д.; при изготовлении деталей использовано неисправное или устаревшее оборудование.
Мероприятия, связанные с обеспечением надежности машин в процессе производства, можно свести в такие группы:
1.Тщательный подбор материалов деталей в соответствии с требованиями технической документации и контроль их качества для своевременного обнаружения скрытых дефектов или несоответствия физико-механических свойств требуемым свойствам.
2.Упрочнение деталей и их рабочих поверхностей термической, химико-термической обработкой и поверхностным пластическим деформированием.
3.Повышение износостойкости и коррозионностойкости деталей нанесением покрытий.
4.Строгое соблюдение и совершенствование технологии производства.
5.Повышение требований к точности основных размеров деталей и к качеству их поверхности.
6.Применение автоматизированных станков с программным управлением, обеспечивающих высокую точность и стабильность характеристик качества изделий, для изготовления деталей машин.
7.Входной, текущий и выходной контроль качества изготовления деталей, введение системы бездефектного изготовления продукции.
8.Введение автоматизированной системы управления производством. Значительное повышение надежности машин может быть достигнуто повышением прочностных характеристик материалов с помощью механической, термической или химико-термической обработки деталей. Для улучшения прочностных характеристик стальных деталей необходимо проводить их термическую обработку: цементацию, цианирование, нитроцементацию, азотирование. Проведение термической и химико-термической обработки деталей имеет исключительно важное значение для повышения их долговечности.
По сравнению с другими способами химико-термической обработки азотирование обладает рядом преимуществ: дает более высокую поверхностную твердость; обеспечивает малую деформацию и незначительное изменение размеров деталей; значительно увеличивает износостойкость деталей; повышает усталостную прочность деталей путем создания в поверхностном слое напряжений сжатия. Подвергнутые азотированию нормализованные коленчатые валы двигателя ЯМЗ-238 из сталей 50ГСШ и 50ХФА превосходят в 1,9 раза по усталостной прочности коленчатые валы, прошедшие нормализацию в поковке, и в 1,4 раза валы, прошедшие закалку шеек ТВЧ.
Улучшенные в поковке коленчатые валы из стали 42ХМФА после жидкостного азотирования превосходят по усталостной прочности в 1,3 раза валы из той же стали и с той же предварительной термической обработкой, но прошедшие закалку шеек ТВЧ и накатывание галтелей.
Закалка деталей ТВЧ так же, как и улучшение, является крупным резервом повышения их надежности. Особенно эффективны эти методы для деталей, изготовленных из сталей повышенного качества, типа стали 50ХФА и сталей электрошлакового переплава. Так, например, поверхностная закалка изделий из чугуна повышает их износостойкость в 2,5 – 3,5 раза, закалка ТВЧ повышает в 2 раза усталостную прочность стали 45.
Закалка шеек коленчатых валов, изготовленных из стали 50ГСШ, рафинированной синтетическими шлаками, позволяет снизить число закалочных и шлифовочных микротрещин более чем в 3 раза. Значительное упрочнение коленчатых валов может быть достигнуто путем закалки щек и галтелей. При этом усталостная прочность на изгиб нормализованных коленчатых валов повышается на 25 %. Это справедливо при условии изготовления валов из особо качественного металла, так как при использовании сталей 50Г, 50ГСШ и других марок наличие в них посторонних включений приводит к образованию на галтелях микротрещин и снижает усталостную прочность вала.
Прочностные характеристики деталей, работающих при переменных нагрузках, могут быть повышены в 2 раза и более с помощью поверхностного пластического деформирования. Пружины, рессоры, шестерни, шатуны и другие детали подвергают дробеструйной обработке. Коленчатые валы тракторных двигателей и поворотные цапфы, оси и полуоси упрочняют обкаткой шариками и роликами. Рабочие поверхности втулок верхних головок шатунов, гильз, цилиндров, отверстий в корпусах коробок передач и задних мостов, балансиров обрабатывают раскаткой и дорнованием.
Для повышения износостойкости и усталостной прочности деталей применяют методы электрохимической обработки. Такая обработка позволяет удалить концентраторы напряжения и обеспечивает возможность одновременной обработки всей поверхности детали сложной конфигурации. При этом обнаруживают дефекты металла и погрешности штамповки. Усталостная прочность шатунов, подвергнутых электрохимической обработке, повышается более чем на 50 %.
Весьма эффективно повышение долговечности деталей нанесением на рабочие поверхности износостойких и коррозионностойких покрытий. Хромирование рабочих поверхностей гильз цилиндров и шеек коленчатых валов позволяет повысить ресурс деталей в 2 – 3 раза при увеличении их стоимости на 4%.
Для повышения коррозионной стойкости на детали наносят покрытия электролитическими или химическими методами. Коррозионную стойкость повышают цинкованием, кадмированием, никелированием, фосфати-рованием, лужением, а также с помощью комбинирования процессов. Кроме того, износостойкость и коррозионную стойкость деталей повышают наплавкой на рабочие поверхности твердых сплавов, таких как ЭП-616, ЭП-616А, ПГ-ХН80СРЧ и др. Наплавку широко применяют при восстановлении и упрочнении изношенных деталей.
Для заливки сложных корпусных деталей (например, блоков, головок блоков цилиндров) требуется достаточно жидкий чугун с точным химическим составом. Это необходимо для обеспечения во всех сечениях отливок перлитной структуры с мелким и средним по размерам пластинчатым графитом. Для таких отливок используют специальные чугуны (типа СЧ21-40), легированные хромом, никелем, медью и титаном. Кроме того, для повышения однородности структуры материала в различных сечениях отливок и устранения отбела применяют модифицирование чугуна присадкой 75-процентного ферросилиция. Дальнейшее повышение механических свойств чугуна получают увеличением присадки стали в шихте до 1 % и снижением содержания в чугуне углерода и кремния до 5 – 5,7 %. Описанные мероприятия позволяют повысить среднее значение предела прочности чугуна на изгиб до 489 МПа (48,9 кгс/мм:) и приблизить его механические свойства к свойствам чугунов более качественных марок (СЧ24-44 и др.).
Остаточные напряжения, возникающие в корпусных деталях в процессе их изготовления, приводят к значительным деформациям и впоследствии осложняют ремонт машин. Для предотвращения деформации блоков цилиндров, головок блоков и других базовых деталей производят искусственное старение их отливок продолжительностью 10 – 12 ч в проходных электропечах при температуре 550 – 600 °С.
Для устранения коробления коленчатых валов двигателей в процессе обработки часто применяют холодную правку, вызывающую остаточные напряжения, которые в дальнейшем ведут к деформациям и снижают надежность двигателя. Для устранения указанных недостатков рекомендуется при изготовлении коленчатых валов и других ответственных деталей применять более совершенную технологию, позволяющую исключить холодную правку и свести к минимуму остаточные напряжения.
Надежность машин и их элементов во многом определяет строгое соблюдение технологии производства. Несоблюдение режимов обработки материалов и деталей приводит к сокращению сроков службы и к снижению надежности изделий. Технологические процессы изготовления деталей должны строго соответствовать технической документации. Контроль за этим осуществляют работники технологической службы и отдела технического контроля.
Для повышения технологической дисциплины необходимо воспитывать у рабочих и инженерно-технических работников уважение к техническим документам. Необходимо постоянно совершенствовать систему технической документации и контролировать правильность документов.
Значительное повышение качества нормативно-технической документации может быть достигнуто применением типовых чертежей втулок, осей, шестерен и других изделий, а также введением бескопирного размножения чертежей с помощью электрографических установок. Необходимо постоянно повышать квалификацию и совершенствовать профессиональное мастерство рабочих и инженерно-технических работников завода.
Повышение точности основных размеров деталей зависит от уровня и технического состояния используемых станков и приспособлений. С повышением точности изготовления деталей уменьшаются начальные зазоры в подвижных сопряжениях и улучшаются условия их смазки, более жестко регламентируются натяги в неподвижных соединениях, что значительно повышает износостойкость деталей и долговечность элементов машин.
Обеспечение высоких геометрических характеристик качества поверхности возможно срезанием неровностей поверхности тонким шлифованием, хонингованием, полированием с применением синтетических алмазов, снятием неровностей путем поверхностного пластического деформирования при обкатывании, раскатывании, дорновании, алмазном выглаживании и виброобкатывании алмазным или твердосплавными наконечниками; электрохимической, электромеханической или электромагнитной обработкой.
Чистовая обработка методом пластического деформирования обеспечивает высокую чистоту обрабатываемой поверхности и позволяет избежать появления концентраторов напряжений (рисок, надрезов и т. п.). Упрочнение поверхностного слоя металла при пластическом деформировании вызывает увеличение поверхностной твердости, пределов текучести и упругости, возникновение остаточных напряжений сжатия увеличения площади контактирования трущихся поверхностей скруглением микронеровностей.
Для повышения чистоты и точности изготовления особо ответственных деталей вместо операции суперфиниширования рекомендуется применять обработку с помощью алмазной эластичной ленты АЭЛ73/50РЭ, что позволяет получить поверхность с параметром Ra = 0,32 – 0,16 мкм.
Вид обработки определяется геометрическими параметрами детали, ее материалом и функциональным назначением. К наиболее перспективным методам обработки поверхностей деталей отнесена виброобкатка, обеспечивающая наибольшую износостойкость.
Автоматизация процессов производства позволяет в значительной степени уменьшить отклонения размеров деталей, обусловленные субъективными факторами, связанными с участием в производстве человека.
Применение автоматизированных станков с программным управлением обеспечивает стабильность качества деталей, высокую точность соблюдения заданного технологического режима. Все это позволяет значительно увеличить надежность элементов машин.
Отдельные сборочные единицы выпускают на специализированных предприятиях, и на завод-изготовитель они поступают в виде готовых изделий. При производстве этих изделий могут быть допущены отклонения от заданной технологии изготовления, а, следовательно, отклонения характеристик от номинального значения. Кроме того, продукция специализированных предприятий может не сразу поступить в производство. Нарушение правил транспортировки и хранения изделий ведет к существенному изменению их свойств. По этим причинам необходимо проводить входной контроль комплектующих изделий, поступающих на завод машин.
Текущий контроль качества изделий проводят на различных стадиях изготовления и сборки элементов машин. Методику текущего контроля разрабатывают применительно к конкретным изделиям на основе статистических методов контроля качества.
Значительное повышение качества и надежности элементов машин может быть достигнуто путем введения системы бездефектного изготовления продукции. При этой системе продукция или техническая документация сдается с первого предъявления. При обнаружении хотя бы одного дефекта контролер возвращает всю продукцию изготовителю для разбраковки. Контролеров освобождают от обязанности разбраковывать продукцию, их основной задачей является анализ причин брака и его профилактика. Большое значение в этом случае приобретают статистические методы контроля качества продукции.
Применение этих методов позволяет существенно сократить продолжительность и объем контрольных операций с сохранением необходимой достоверности результатов контроля.
Обкаточные (приработочные) испытания позволяют сократить продолжительность этапа приработки, характеризующегося повышенной интенсивностью отказов. При разработке программы испытаний важно правильно установить режим нагружения элементов машины. Правильно организованные обкаточные испытания позволяют значительно повысить безотказность машины в начальный период ее работы и увеличить общий срок службы машины. Кроме того, для оценки качества машин проводят приемочные испытания, а также испытания опытных образцов изделий. При разработке методики и проведении испытаний необходимо обеспечить комплексное воздействие различных факторов в условиях, близких к эксплуатационным, в процессе испытаний опытных образцов выявляют сборочные единицы, лимитирующие надежность машины в целом.
Обеспечение уровня надежности, заданного на этапе конструирования, в значительной степени связано с организацией производства. Существенное повышение уровня организации производства достигается введением автоматизированной системы управления.