А.Г. Суслов, А.М. Дальский
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ
ТЕХНОЛОГИИ
МАШИНОСТРОЕНИЯ
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
А.Г. Суслов, А.М. Дальский
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ
ТЕХНОЛОГИИ
МАШИНОСТРОЕНИЯ
Москва “Машиностроение” 2002
УДК 621.9
ББК 34.5
С 89
Суслов А.Г., Дальский А.М.
С 89	Научные основы технологии машиностроения.
М.: Машиностроение, 2002. 684 с. с илл.
Рассмотрены научные основы технологии машиностроения,
жизненный цикл изделий, их функциональное назначение и качество,
вопросы технологического обеспечения и повышения точности, каче-
ства поверхностного слоя и эксплуатационных свойств деталей машин
и их соединений; технологическая наследственность и самооргани-
зующиеся системы в машиностроении, а также вопросы производи-
тельности и технологической себестоимости изделий.
Изложены теоретические и экспериментальные методы, авто-
матизированные системы исследований в технологии машинострое-
ния, научные основы совершенствования и создания новых техноло-
гических методов обработки деталей машин и наукоемкие технологии.
Предназначена для магистров, аспирантов и соискателей, обу-
чающихся и выполняющих диссертационные работы по технологии
машиностроения. Является базовой книгой при подготовке к сдаче
кандидатского экзамена по технологии машиностроения.
ISBN 5-217-03108-5	© Издательство «Машиностроение»,
2002
ПРЕДИСЛОВИЕ
Технология машиностроения как наука призвана разработать
теорию обеспечения качества изделий при наименьшей себестои-
мости их изготовления.
Технология машиностроения является прикладной наукой,
вызванной к жизни потребностями промышленности. Она прошла
в своем развитии через несколько этапов.
1.	Предшествующий этап, накапливаемый человечеством ты-
сячелетиями.
2.	Подготовительный этап, начиная с появления первых то-
карных и сверлильных станков с ручным приводом в XII в. и кон-
чая XVII столетием.
3.	Накопительный этап (XVII - XIX вв.) характеризуется на-
коплением отечественного и зарубежного производственного опы-
та изготовления машин. В конце XVIII - начале XIX вв. в техниче-
ских журналах и брошюрах публикуются описания процессов об-
работки различных деталей, применяемого оборудования и инст-
рументов. Накопленный опыт впервые был описан в 1807 г. проф.
Московского университета И. В. Двигубским в книге «Начальные
основы технологии, или краткое описание работ на заводах и фаб-
риках».
4.	Первый научный этап (для России это 1880 - 1940 гг.) ха-
рактеризуется обобщением и систематизацией производственного
опыта и началом разработки общих научных принципов построе-
ния технологических процессов. Это труды профессоров И. И. Ти-
ме, А. П. Гавриленко, А. П. Соколовского, А. И. Каширина,
В. М. Кована, А. И. Яхина. Как итог этих работ в 1940 г. вышло
постановление Совета народных комиссаров СССР «О соблюде-
нии технологической дисциплины на машиностроительных заво-
дах». Это сыграло большую роль в повышении качества военной
техники.
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
5.	Второй научный этап (1941 - 1970 гг.) отличается разработ-
кой новых технологических идей. Формируются теория точности
обработки (профессора А. П. Соколовский, Б. С. Балакшин,
В. М. Кован, И. М. Колесов, В. С. Корсаков), качества поверхности
и его влияния на эксплуатационные свойства деталей машин (про-
фессора П. Е. Дьяченко, М. А. Елизаветин, А. И. Исаев, А. М. Су-
лима, Э. В. Рыжов, А. М. Маталин, И. В. Крагельский, А. С. Про-
ников, Э. А. Сатель), теория технологической наследственности
(профессора А. М. Дальский, П. И. Ящерицын). Детально иссле-
дуются различные методы обработки: лезвийная (профессора
Г. И. Грановский, Н. Н. Зорев, И. А. Коганов, Б. А. Кравченко,
Т. И. Лоладзе, А. Д. Макаров, В. И. Подураев, А. И. Исаев,
Н. И. Резников, П. Р. Родин, С. С. Силин, Н. В. Талантов и др.),
абразивная (профессора А. В. Якимов, Д. В. Худобин, Е. Н. Мас-
лов, С. А. Попов, М. Ф. Семко и др.), отделочно-упрочняющая
обработка ППД (профессора П. Г. Алексеев, Е. Г. Коновалов,
И. В. Кудрявцев, Д. Д. Папшев, Ю. Г. Проскуряков, А. А. Хворо-
стухин, Ю. Г. Шнейдер, Д. Н. Юдин). Разрабатываются групповая
технология (проф. С. П. Митрофанов), адаптивное управление об-
работкой (профессора Б. С. Балакшин, Ю. М. Соломенцев,
Б. М. Базров), научные основы сборки (профессора М. П. Новиков,
В. С. Корсаков).
Первым результатом этих исследований и формирования тех-
нологии машиностроения как науки явилась книга А. П. Соколов-
ского «Научные основы технологии машиностроения» (1955 г.).
6.	Третий научный этап (1970 - 2000 гг.) характеризуется ши-
роким использованием достижений фундаментальных наук и вы-
числительной техники (профессора В. И. Аверченков, Н. М. Ка-
пустин, В. П. Митрофанов, В. В. Павлов, Ю. М. Соломенцев,
В. А. Тимирязев, В. Д. Цветков) в технологии машиностроения.
Существенно повышается теоретический уровень технологии ма-
шиностроения (профессора Ю. П. Бабичев, Б. М. Базров, А. М. Бар-
зов, В. Ф. Безъязычный, П. И. Белянин, В. И. Бутенко, А. С. Ва-
ПРЕДИСЛОВИЕ
5
сильев, Л. А. Гик, О. А. Горленко, А. А. Гусев, А. М. Дальский,
Д. Г. Евсеев, А. С. Зенкин, В. Б. Ильицкий, Л. И. Карпов, А. А. Ко-
лобов, С. А. Корчак, М. Г. Косов, 3. И. Кремень, В. Н. Латышев,
В. В. Микитянский, А. Н. Михайлов, Ю. К. Новоселов, Ю. Ф. На-
заров, А. Н. Овсеенко, В. М. Оробинский, В. А. Остафьев,
М. Е. Попов, А. А. Рыжкин, И. Н. Султан-Заде, В. М. Смелянский,
В. К. Старков, Ю. С. Степанов, А. Г. Суслов, М. А. Тамаркин,
А. Г. Схиртладзе, Н. Э. Тернюк, А. В. Тотай, А. П. Улашкин,
В. П. Федоров, А. С. Ямников). Разрабатываются и тщательно ис-
следуются электрофизический, плазменный, ионный, лазерный и
комбинированные методы обработки (профессора В. А. Барвинок,
С. А. Клименко, С. Н. Григорьев, А. Г. Григорьянц, А. И. Марков,
В. С. Мухин, В. Ф. Коваленко, О. В. Панфилов, В. П. Смоленцев,
В. С. Харченков и др.).
Результаты этих работ частично нашли отражение в т. Ш-З
«Технология изготовления деталей машин» энциклопедии «Ма-
шиностроение», выпущенном в издательстве «Машиностроение» в
2000 г.
В настоящее время формируется четвертый научный этап раз-
вития технологии машиностроения, заключающийся в объедине-
нии технологий проектирования, изготовления и эксплуатации
машин и в разработке научных основ по системному созданию но-
вых технологических методов обработки, в том числе и механо-
физико-химических, позволяющих обеспечить необходимые экс-
плуатационные свойства деталей машин, а также в разработке мо-
дульного принципа построения технологических процессов.
Становление промышленности привело к появлению науки о
технологии машиностроения, которая стала ее движущей силой.
Глава 1
ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ
МАШИНОСТРОЕНИЯ, ИХ ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ
НАЗНАЧЕНИЕ И КАЧЕСТВО
1.1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
И ЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ
Изделием в машиностроении является предмет производства,
подлежащий изготовлению. Машиностроительным изделием мо-
жет быть как машина в целом, так и сборочная единица любого
порядка, деталь и заготовка.
Машиной называется устройство, выполняющее механиче-
ские движения на основе мехатронного, физического или химиче-
ского преобразования энергии, в целях замены или облегчения фи-
зического и умственного труда человека, повышения производи-
тельности и качества продукции.
Сборочная единица - это изделие, составные части которого
подлежат соединению. Сборочная единица в зависимости от кон-
струкции может состоять из отдельных деталей либо включать
сборочные единицы более высоких порядков и детали. Сборочная
единица первого порядка входит непосредственно в машину. Она
состоит либо из отдельных деталей, либо из одной или нескольких
сборочных единиц второго порядка и деталей. Сборочную едини-
цу второго порядка составляют сборочные единицы третьего по-
рядка и детали и т.д. Сборочная единица наивысшего порядка
включает в себя только отдельные детали.
Деталью называется неразъемное изделие, изготовленное без
применения сборочных операций.
Заготовка - это изделие, из которого изменением формы,
размеров, точности и качества поверхностных слоев, возможно и
физико-механических свойств материала, изготавливают деталь.
ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
7
Технологическая структура изделий машиностроения пред-
ставлена на рис. 1.1. Она включает в себя производство заготовок,
изготовление деталей, сборку и испытание готовых изделий.
Жизненный цикл машиностроительного изделия схематично
представлен на рис. 1.2.
Вначале предприятие изучает рынок спроса на изделие на мо-
мент его производства и его потребительские свойства, затем осу-
ществляет в короткий срок научно-исследовательские, опытно-
конструкторские и технологические работы и проектирование
конкурентоспособного изделия. Практически в это же время про-
водятся конструкторско-технологическая подготовка производст-
ва, изготовление опытного изделия, его испытание и научные ра-
боты с целью совершенствования опытного образца. Параллельно
с этим, по завершении подготовки производства, начинается се-
рийный выпуск изделия.
В процессе эксплуатации изделия осуществляются его техни-
ческое обслуживание и текущий ремонт, затем капитальный ре-
монт и частичная утилизация. По достижении изделием своего мо-
рального или физического старения, лучше, если они совпадают,
проводится полная утилизация изделия, и оно прекращает свою
«жизнь».
Значительное место в жизненном цикле изделия, а именно в
его становлении, принадлежит технологии машиностроения. При-
чем, чем раньше в этом цикле будут задействованы технологи, тем
выше эффективность и конкурентоспособность изделий машино-
строения. Еще на предварительной стадии маркетинга и проработ-
ки технологи могут оценить конкурентоспособность технологиче-
ского процесса, для которого предполагается выпуск проектируе-
мого изделия. Проведение НИР и опытно-конструкторских работ
без учета технологических аспектов практически неэффективно,
так как себестоимость, а следовательно, и конкурентоспособность
изделий в значительной мере определяются их технологической
себестоимостью. Поэтому на ранних стадиях проектирования из-
8
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
ТП сборки и испытаний	ТП изготовления ТП производства
деталей	заготовок
Рис. 1.1. Технологическая структура
машиностроительных изделий:
ТП - технологическая подготовка
ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
9
X
л
S
§
Рис. 1.2. Жизненный цикл машиностроительного изделия
10
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
делий должна проводиться тщательная проработка их технологич-
ности. Под технологичностью конструкции изделия понимают
совокупность его свойств, определяющих приспособленность к
достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации
и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и
условий выполнения работ.
Важная роль в жизненном цикле изделий отводится техниче-
ской подготовке производства, которая включает в себя:
1)	конструкторскую подготовку производства - разработку
конструкции изделия и создание его сборочных чертежей, рабочих
чертежей деталей, запускаемых в производство, с оформлением
соответствующих спецификаций и другой конструкторской доку-
ментации;
2)	технологическую подготовку производства (ТПП) - со-
вокупность мероприятий, обеспечивающих технологическую го-
товность производства, которая определяется наличием на пред-
приятии полных комплектов конструкторской и технологической
документации и средств технологического оснащения, необходи-
мых для выпуска изделий с установленными технико-
экономическими показателями в заданном объеме;
3)	календарное планирование производственного процесса
изготовления изделий в установленные сроки при заданных объе-
ме выпуска и затратах.
Основными задачами ТПП являются:
1)	обеспечение технологичности конструкций изделий;
2)	выбор и подготовка заготовок;
3)	разработка технологических процессов;
4)	проектирование средств технологического оснащения;
5)	контроль и управление технологическим процессом.
Основным элементом ТПП является разработка технологиче-
ских процессов.
Технологическим процессом называют часть производствен-
ного процесса, содержащую целенаправленные действия по изме-
нению и (или) определению состояния предмета труда (изделия).
ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
11
При изготовлении заготовок производятся целенаправленные
действия по превращению материала в заготовки. В процессе тер-
мической обработки осуществляются структурные изменения в
материалах заготовок. При изготовлении деталей производится
последовательное изменение геометрических форм, размеров,
точности и качества поверхностного слоя. Технологический про-
цесс сборки связан с изменением взаимного положения собирае-
мых деталей путем их соединения.
Основной составляющей технологического процесса является
технологическая операция. Технологическая операция - это за-
конченная часть технологического процесса, выполняемая на од-
ном рабочем месте. Технологическая операция может состоять из
одного или нескольких технологических переходов. Технологиче-
ским переходом называется законченная часть технологической
операции, выполняемая одними и теми же средствами технологи-
ческого оснащения при постоянных технологических режимах.
Технологический переход может осуществляться за один или не-
сколько рабочих ходов. Под рабочим ходом понимается закон-
ченная часть технологического перехода, состоящая из однократ-
ного перемещения инструмента относительно заготовки, сопрово-
ждаемого изменениями формы, размеров, качества поверхности
или свойств заготовки.
При выполнении технологической операции часто необходи-
мо перезакреплять и изменять положение заготовки относительно
рабочих органов станка или инструмента. Для этого введены поня-
тия «установ» и «позиция». Под установом понимается часть тех-
нологической операции, выполняемая при неизменном закрепле-
нии обрабатываемой заготовки или сборочной единицы.
Позиция - фиксированное положение, занимаемое неизменно
закрепленной обрабатываемой заготовкой или собираемой сбо-
рочной единицей совместно с приспособлением относительно ин-
струмента или неподвижных частей оборудования.
12
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Технологические процессы классифицируются на единичный,
типовой и групповой.
Единичный ТП разрабатывается индивидуально на конкрет-
ное изделие.
Типовой ТП создают для группы изделий обладающих общи-
ми конструктивными и технологическим признаками.
Групповой ТП - это технологический процесс изготовления
группы изделий с разными конструктивными, но общими техноло-
гическими признаками.
В последние годы профессор Б. М. Базров активно работает
над созданием модульных технологических процессов, которые
базируются на единстве технологических методов обработки эле-
ментарных поверхностей (модулей) различных деталей.
Степень детализации описания технологического процесса
определяется серийностью производства и экономическими сооб-
ражениями.
В единичном производстве осуществляется маршрутное
описание технологического процесса, которое заключается в со-
кращенном описании всех технологических операций в последова-
тельности их выполнения без указания переходов и технологиче-
ских режимов.
В мелкосерийном и серийном производствах, а для ответст-
венных изделий и в единичном производстве осуществляется
маршрутно-операционное описание технологических процес-
сов, при котором даются сокращенное описание технологических
операций в маршрутной карте и полное описание ответственных
операций, формирующих качество изделий.
В серийном, крупносерийном и массовом производствах, а
для ответственных изделий и в мелкосерийном производстве осу-
ществляется операционное описание технологических процес-
сов, которое сводится к полному описанию всех технологических
операций в последовательности их выполнения с указанием пере-
ходов и технологических режимов.
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ 13
При трудоемком операционном описании технологических
процессов гарантируется качество изделий. Значительна его роль и
при эксплуатации и утилизации изделий, особенно при текущем и
капитальном ремонтах. Технологическая подготовка занимает бо-
лее 50 % времени всей технической подготовки производства, и в
условиях жесткой конкуренции, когда время на подготовку произ-
водства исчисляется днями и неделями, а не годами, необходи-
мость использования новейшей вычислительной техники и про-
грамм для технологической подготовки производства является
объективной реальностью.
Технологическая составляющая в жизненном цикле изделия
является основной и в его производстве, где реализуются разрабо-
танные технологические процессы, производятся их корректиров-
ка, совершенствование и контроль.
Это говорит о целесообразности объединения технологиче-
ских аспектов всех этапов жизненного цикла изделия в единый
технологический процесс.
1.2. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ
МАШИНОСТРОЕНИЯ
Каждая машина предназначена для выполнения определен-
ных функций при заданных условиях эксплуатации. Определение
этих функций базируется на научном анализе и маркетинге. При
этом необходимо добиться следующего:
1) конкурентоспособности и экологичности технологического
процесса, для реализации которого предназначена проектируемая
машина;
2) конкурентоспособности и перспективности продукции и
услуг, для производства и реализации которых предназначается
данная машина.
После этого вырабатываются требования к служебному на-
значению машины.
14
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
1.	Вид продукции или услуг, для которых предназначена ма-
шина.
2.	Производительность машины.
3.	Уровень автоматизации.
4.	Технологичность машины.
5.	Условия эксплуатации машины (температура, влажность и
агрессивность среды и т.д.).
6.	Безотказность и долговечность машины.
7.	Удобство управления машиной, безопасность работы и об-
служивания.
8.	Дизайн машины.
Учитывая многообразие машин, для каждого их наименования
эти требования уточняются и конкретизируются.
Сборочная единица, как правило, предназначается для пере-
дачи и увеличения силы, преобразования движения и осуществле-
ния других действий, необходимых для выполнения машиной сво-
их функций. Исходя из этого все сборочные единицы должны
удовлетворять требованиям к своему служебному назначению, пе-
речисленным для машины.
Свое функциональное назначение машина и сборочные еди-
ницы выполняют с помощью связей, действующих между испол-
нительными поверхностями отдельных деталей. Эти связи могут
быть: размерными, кинематическими, динамическими, гидравли-
ческими, пневматическими, электрическими, магнитными, свето-
выми, звуковыми и др. Проектирование машины и сборочных
единиц начинают с выбора такого сочетания связей, которое по-
зволяет им выполнять свое функциональное назначение с наивыс-
шим КПД.
Наиболее широкими функциями обладают цилиндрические и
резьбовые соединения деталей машин.
Цилиндрические соединения используют как для ориентиро-
ванного перемещения (осевого и вращательного) одной из сопря-
гаемых деталей относительно другой, так и для передачи осевых
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ 15
нагрузок и крутящего момента от одной сопрягаемой детали к
другой.
Функциональное назначение резьбовых соединений представ-
лено на рис. 1.3.
Анализ показывает, что резьбовые соединения в наилучшей
степени позволяют обеспечить сборку и разборку неподвижных
соединений деталей и сборочных единиц машины, увеличение пе-
редаваемого усилия, а также точность линейного перемещения
одной детали относительно другой.
Деталь представляет собой комплекс взаимосвязанных по-
верхностей, выполняющих различные функции. Исполнительные
поверхности бывают соприкасающимися и функциональными.
Соприкасающиеся поверхности детали машины или сборочной
единицы контактируют с соответствующими поверхностями дру-
Рис. 1.3. Функциональное назначение
резьбовых соединений
16
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
гих деталей. Функциональные поверхности деталй предназначены
для выполнения определенных функций при эксплуатации маши-
ны.
На каждую деталь в машине или сборочной единице возлага-
ется исполнение определенных функций, вытекающих из общего
функционального назначения машины или сборочной единицы.
Например, корпусные детали, станины, кронштейны и т.п., выпол-
няя несущую роль, служат для крепления других деталей и сбо-
рочных единиц; валы служат для передачи крутящего момента и
установки на них деталей, с помощью которых передается крутя-
щий момент; зубчатые колеса передают крутящий момент.
Безотказность и долговечность исполнения своих функций
изделием машиностроения определяются рядом эксплуатацион-
ных свойств деталей и их соединений: статической и усталостной
прочностью, поверхностной контактной статической и динамиче-
ской прочностью, коррозионной стойкостью, контактной жестко-
стью, герметичностью, износостойкостью, прочностью посадок и
др. Все эти эксплуатационные свойства в значительной мере зави-
сят от качества поверхностного слоя деталей, так как все разруше-
ния (статические, усталостные, контактные, коррозионные и др.)
начинаются с поверхности.
Под статической и усталостной прочностью деталей по-
нимается их способность сопротивляться разрушению при воздей-
ствии соответственно статической и динамической нагрузок.
Качество поверхностного слоя оказывает влияние на статиче-
скую и усталостную прочность деталей через коэффициент кон-
центрации напряжений, который рассчитывается по формуле
«о = 1 + -^|-[277?тах(/?_ -7? )]°’5,	(1.1)
tm Sm
где tm - относительная длина опорной линии профиля шерохова-
тости на уровне средней линии, %; Sm - средний шаг неровностей
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ 17
профиля шероховатости, мм; у - коэффициент, учитывающий
влияние поверхностных остаточных напряжений на прочность де-
тали,
ст-1
Г =--------—
стост
(1.2)
(о.! - предел прочности материала детали; аост - поверхностные
остаточные напряжения; а - напряжение от нагрузки); 7?тах - мак-
симальная высота профиля шероховатости, мкм; Rp - высота сгла-
живания профиля шероховатости (расстояние от линии выступа до
средней линии), мкм.
Поверхностная контактная статическая и динамическая
прочность определяется способностью поверхностного слоя дета-
ли сопротивляться разрушению при контакте с другой деталью
под воздействием соответственно статических и динамических
нагрузок.
При статической нагрузке начало поверхностных контактных
разрушений определяется ее величиной, которая рассчитывается
по формуле
,	= l,34wvg
max
.У пл
(1.3)
где т - масса контактирующей детали; Vo - скорость приложения
нагрузки; упл - пластические контактные деформации детали, оп-
ределяемые по формуле (1.8).
При действии статической (Рст) и динамической (Рд) нагрузок
контактные разрушения определяются величиной накапливаемой
контактной деформации, которая определяется по формуле
У, =
2n(p„+Pa)RaWzHmm
АН»0
VHB )
t
(1-4)
18	Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
где t - время действия сил; /нв - время испытания на твердость по
Бринеллю; т\ - показатель роста деформаций при действии дина-
мической нагрузки; Ra - среднее арифметическое отклонение
профиля шероховатости; Wz - средняя высота волн; /fmax - макси-
мальное макроотклонение; А - геометрическая площадь контакта;
- поверхностная микротвердость; ц - коэффициент Пуассона.
Под коррозионной стойкостью деталей понимается спо-
собность поверхностных слоев сопротивляться разрушению под
действием внешней среды. Скорость коррозии поверхностного
слоя рассчитывается по формуле
/	р _ р
vK =vKn(l,K7H4+4£7Н3-4,К7Н2) 28-Ю6 ??•--£- ,	(1.5)
где vKo - скорость коррозии материала детали; U„ - степень на-
клепа поверхностного слоя (£/н = 1,00 ... 1,75).
Контактная жесткость определяет способность слоев де-
талей, находящихся в контакте, сопротивляться действию сил,
стремящихся их деформировать:
Р
У к’
(1-6)
где р - давление на площадь контакта, определяемое ее геометри-
ческими размерами; ук - контактные перемещения.
Контактные перемещения составляют значительную часть в
балансе упругих перемещений машин и сборочных единиц. На-
пример, в суппортах токарных станков контактные деформации
составляют 80 - 90 % общих перемещений, в одностоечных коор-
динатно-расточных и вертикально-фрезерных станках - до 70 %, в
двухстоечных карусельных станках - до 40 % и т.д.
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ 19
Контактная жесткость сказывается на точности работы при-
боров, на точности обработки и сборки, т.е. на качестве машино-
строительных изделий. Так, значение нормальных контактных
сближений двух деталей при первом приложении нагрузки может
быть рассчитано по формуле
Ук (Упл! +.Упл2) + (Ууп! +.Ууп2)’	(1*7)
где уПЛ| и упл2 - пластические контактные деформации соответст-
венно первой и второй контактирующих деталей при первом при-
ложении нагрузки; ^yni и д/уП2 - упругие контактные деформации
соответственно первой и второй контактирующих деталей.
В общем случае при действии силы Р эти составляющие кон-
тактных деформаций можно рассчитать по формулам
Упл
2itPRaWzHmSLX
(1-8)

Кп = 2я—^-Ни Sm^-,	(1.9)
Луп Е Ио Ra
где Е - модуль упругости материала.
При повторных нагрузках (без их увеличения) контактные пе-
ремещения определяются упругими деформациями ^уп.
Контактные сближения деталей при скольжении можно рас-
считать по формуле
л. =(2'/Г77г-|)л,	(ио)
где f - коэффициент трения скольжения.
Касательные контактные деформации рассчитывают по фор-
муле
20
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
X
к
л Sm
(Mi)
где Рк - касательные нагрузки; fp - коэффициент трения покоя.
Герметичность соединений определяет их способность
удерживать утечку газа или жидкости. С учетом геометрии и кон-
тактных деформаций сопрягаемых поверхностей величина утечки
в общем случае может быть определена по формуле
itdhpu 0,5^ Я,
Q = 0,0066--------------
max( +^тах2 + ^Z\	I + &р I + ^р 2 У к
ц'/
(1.12)
где dul - размеры соединения; Др - перепад давления; и = 0,2 ...
0,22 - константа Кармана; ц' - динамический коэффициент вязко-
сти газа или жидкости; ЯтаХ( и НтлКг - макроотклонения сопря-
гаемых поверхностей; Wz\ и Wz2 - средняя высота волн сопрягае-
мых поверхностей; Rp\ и Rpi - высота сглаживания профиля шеро-
ховатости сопрягаемых поверхностей; ук - контактные деформа-
ции сопрягаемых поверхностей, определяемые по формулам кон-
тактной жесткости.
При работе пар трения происходит изнашивание (разруше-
ние) поверхностных слоев, которое приводит к уменьшению раз-
меров контактирующих деталей, т.е. их износу. Размерное изна-
шивание поверхностей трения характеризуется его интенсивно-
стью, которая рассчитывается по формулам:
1) в период приработки
( р
Но >
'\5^2nWzHma^ 1 +
3/ тт
nXSmt^
Е
(1.13)
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ 21
2) в период нормального изнашивания
j	/30(lV)(2nJWz77max^
пмт
(1.14)
где п - число циклов воздействия, которое приводит к разрушению
материала; р - номинальное давление на поверхности трения; А, -
коэффициент, учитывающий влияние поверхностных остаточных
напряжений на изнашивание,
А= ------5- ,	(1.15)
< /
оа - действующее значение амплитудного напряжения в поверхно-
стном слое; ty - параметр фрикционной усталости материала детали.
Под прочностью посадок с натягом понимают их способ-
ность передавать крутящий момент (А/ц,) и осевые нагрузки (Р) без
взаимного проскальзывания сопрягаемых деталей. Формулы для
расчета прочности посадок с натягом с учетом качества сопрягае-
мых поверхностей имеют следующий вид:
Чф
А - 0,5(ятах, + нтах2 + ИЪ, +	) - RPi - RP2
2-10s
(1.16)
22
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
ndlfw Ь - 0,5 Ятах, + Я,паХ2 + Wzx + Wz2\-Rp}- Rp2
2 • 103
D2 + d2
D2 -d2
+ И|
1-Й2

Е2
(1-17)
где d и I - диаметр и длина сопряжения; D - наружный диаметр
сопрягаемой втулки;/кр nfoc - коэффициенты трения при кручении
и осевом перемещении сопрягаемых поверхностей, зависящие от
материалов деталей и метода сборки.
Таким образом, выполнение функционального назначения из-
делиями машиностроения в значительной мере определяется их
качеством.
1.3. КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Под качеством изделий машиностроения понимается сово-
купность свойств, обуславливающих их пригодность выполнять
свое функциональное назначение в заданном диапазоне изменения
условий эксплуатации.
Для оценки качества машин применяют единичные и ком-
плексные показатели.
Наибольшее применение в машиностроении получили еди-
ничные показатели, которые подразделяют на эксплуатационные и
производственно-технические. К группе эксплуатационных отно-
сятся показатели назначения, надежности, эргономики и эстетики.
Показатели назначения характеризуют степень соответствия
машины ее целевому назначению - мощность, производитель-
ность, коэффициент полезного действия и т.д.
Одним из важнейших обобщающих свойств машин является
надежность.
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
23
Надежность - свойство объекта сохранять в течение опреде-
ленного времени в установленных пределах значения всех пара-
метров, характеризующих способность выполнять требуемые
функции при заданных режимах и условиях применения, техниче-
ского обслуживания, хранения и транспортирования. К парамет-
рам, характеризующим способность выполнять требуемые функ-
ции, относят кинематические и динамические параметры, пара-
метры прочности, точности функционирования, производительно-
сти, скорости и т.п.
Являясь комплексным свойством, надежность в зависимости
от назначения объекта и условий его применения может включать
безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняе-
мость или определенные сочетания этих свойств.
Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять ра-
ботоспособное состояние в течение времени или наработки.
Показателями безотказности являются вероятность безотказ-
ной работы, средняя наработка на отказ, интенсивность отказов,
гамма-процентная наработка до отказа и др. Показатели безотказ-
ности могут вводиться как по отношению ко всем возможным от-
казам объекта, так и по отношению к какому-либо одному типу
отказа.
Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособ-
ное состояние до наступления предельного состояния при уста-
новленной системе технического обслуживания и ремонта.
Показателями долговечности являются ресурс, гамма-про-
центный ресурс, средний срок службы, срок службы до списания.
Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в
его способности поддерживать и восстанавливать работоспособ-
ное состояние путем технического обслуживания и ремонта.
К показателям ремонтопригодности относят вероятность и
среднее время восстановления, удельную и среднюю трудоемкость
технического обслуживания и ремонта и др.
24
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Сохраняемость - свойство объекта сохранять в заданных
пределах значения параметров, характеризующих способность
объекта выполнять требуемые функции в течение и после хране-
ния и (или) транспортирования. Показателями сохраняемости яв-
ляются гамма-процентный срок сохраняемости, средний срок со-
храняемости и др.
Эргономические показатели характеризуют машину в сис-
теме человек - машина и учитывают ее приспособляемость к ан-
тропометрическим, биомеханическим, физиологическим и инже-
нерно-психологическим свойствам человека, проявляющимся в
производственных процессах.
Соответствие машины требованиям технической эстетики ха-
рактеризуется следующими показателями:
•	композиционной целостностью формы (внешняя гармония
формы, целостность композиции, соответствие современному сти-
лю, красота цветовых сочетаний);
•	функциональной целесообразностью формы (соответствие
формы изделия и его отдельных элементов конкретному назначе-
нию и характеру использования, приспособленность формы к вы-
полняемой функции и ее информационная выразительность);
•	качеством наружной поверхности (качество выполнения сты-
ков и соединений, прочность и качество декоративного покрытия),
качеством внутренней отделки, качеством надписей и обозначений
(графические достоинства, четкость исполнения, соразмерность
надписей, указателей, фирменных знаков, символов и т.п.).
Расходы на эксплуатацию машины являются единовремен-
ными затратами эксплуатационников. Они включают цену маши-
ны, а также издержки на ее транспортирование к месту установки,
монтаж и наладку.
Затраты на изготовление единицы продукции или стоимость
работы, выполняемой с помощью данной машины, являются сум-
мой издержек (заработная плата персонала, занимающегося об-
служиванием машины, стоимость электроэнергии, сумма аморти-
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
25
зационных отчислений и другие эксплуатационные расходы), от-
несенных к единице продукции или работы.
Прочие экономические показатели используют в зависимости
от требований, которые предъявляются к новой машине. Наиболее
часто применяют производственную мощность и производитель-
ность, которые могут существенно меняться в процессе внедрения
машины. Эти показатели применяются дополнительно к сумме
капиталовложений эксплуатационников и себестоимости единицы
продукции или работы.
Производственно-технологические показатели характеризуют
затраты общественного труда на производство единицы продук-
ции (машины, приборы и т.п.) и свидетельствуют о степени соот-
ветствия конструкции машины производственно-техническим ус-
ловиям ее изготовления при заданном масштабе выпуска изделий.
К показателям технологичности относятся трудоемкость, ма-
териалоемкость, энергоемкость, блочность (сборность), показатели
конструктивной стандартизации и унификации.
Трудоемкость определяет количество труда, затрачиваемого
на изготовление единицы продукции (или выполнение единицы
работы). Необходимо различать следующие разновидности трудо-
емкости, используемые при обосновании или анализе технологич-
ности конструкций новых изделий: общую, структурную, удель-
ную и относительную.
Общая трудоемкость характеризует суммарные затраты труда
на изготовление единицы продукции. С помощью структурной
трудоемкости определяют затраты труда по профессиям или по
цехам предприятия, например, токарей, литейщиков, сварщиков и
т.д. Удельную трудоемкость рассчитывают как отношение общей
трудоемкости к одному из показателей назначения машины, на-
пример, к массе, к вместимости ковша экскаватора, длине ленточ-
ного конвейера и т.д. Относительной трудоемкостью является
также отношение трудоемкости проектируемого изделия к приня-
той для сравнения трудоемкости.
26
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Если, например, общая трудоемкость выпуска машины ранее
составляла 1000 ч и это было наилучшим достижением в данной
отрасли, а вновь осваиваемая машина с аналогичными показателя-
ми имеет проектную (или фактическую) трудоемкость 800 ч, то
относительная трудоемкость будет равна 800 : 1000 = 0,8.
С помощью материалоемкости определяют количество конст-
рукционных материалов, необходимых для создания и применения
изделия с учетом его конструктивных особенностей, проявляемых
в сфере производства, эксплуатации и ремонта.
Как и трудоемкость, материалоемкость имеет следующие раз-
новидности: общую, структурную, удельную и относительную.
Общая материалоемкость характеризует суммарные затраты мате-
риалов на изделие, причем их находят двумя способами: по общей
массе машины (за вычетом массы комплектующих изделий) и по
массе материалов, израсходованных на производство, эксплуата-
цию и ремонт машины, включая все виды отходов и потерь.
Структурная материалоемкость характеризует затраты от-
дельных видов материалов, удельная - затраты материалов на
один из показателей назначения машины, относительная - рассчи-
тывается по отношению к аналогичному показателю, принятому
для сравнения.
Энергоемкость характеризует затраты энергии на единицу
продукции, выраженные в киловатт-часах или других единицах.
Показатели энергоемкости также имеют разновидности, как тру-
доемкость и материалоемкость. Однако они используются значи-
тельно реже - только при обосновании и анализе технологичности
в энергоемких производствах.
Блочность (сборность) изделия характеризует трудоемкость
ее монтажа. Коэффициент блочности
к = Мб.С / Мб.О = I ~ Мб.Н / Мб.О,	( 1 • 1 8)
где N^c и Мб.н - число соответственно унифицированных и не-
унифицированных составных частей изделия, Nc6o = Nc^c + Мб.н;
Мб о - общее число составных частей изделия.
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
* 27
Сначала определяют Nc6c - число унифицированных состав-
ных частей, записанных в разделах спецификации «Комплексы»,
«Сборочные единицы», «Стандартные изделия», «Комплекты».
Затем устанавливают Ncq,н по данным разделов «Детали», «Стан-
дартные изделия» и др. Коэффициент блочности машин также
можно определить по массе или стоимости ее элементов.
Показатели стандартизации и унификации позволяют опреде-
лить степень конструктивного единообразия проектируемой или
изготовляемой машины, прибора или другого изделия, они свиде-
тельствуют об усилиях или достижениях конструктора в примене-
нии минимально необходимого количества типоразмеров состав-
ных частей изделия (деталей, комплексов, комплектов и т.д.) в це-
лях повышения эффективности производства.
К числу важнейших показателей стандартизации и унифика-
ции относятся коэффициенты применяемости, повторяемости, на-
сыщенности изделия, а также унификации группы изделий.
Коэффициент применяемости
пр
(1.19)
п
где п - общее число типоразмеров составных частей изделия; п0 -
число оригинальных типоразмеров.
К оригинальным относятся составные части, спроектирован-
ные или разработанные впервые дли данного изделия.
Коэффициент повторяемости Кп характеризует среднее чис-
ло составных частей, приходящееся на один типоразмер, и опреде-
ляется по формуле
Ka = N/n,
где N - общее число составных частей, входящих в данное изде-
лие.
28
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Коэффициент насыщенности Кп изделия повторяющимися
составными частями вычисляется по формуле
N-п
(1.20)
п
Коэффициент унификации группы изделий Кул определяет-
ся следующим образом:
m
Ку.г=—т-------’	(1-21)
Z^,
/=1
где т - число изделий в группе; /Спр. - коэффициент применяемо-
сти для i-го изделия; D, - годовая программа для 1-го изделия; S,~
оптовая цена, а в отдельных случаях себестоимость 1-го изделия.
При отсутствии данных о цене или себестоимости изделий ко-
эффициент унификации можно определить по одной из следую-
щих упрощенных формул:
т	т
Z^A	Z^P,
^у.г=^-------’ *уг=~-------•	С1’22)
z^
/=1
При определении всех рассмотренных показателей стандарти-
зации и унификации необходимо выбрать степень детализации
этих расчетов, которые могут выполняться для деталей или сбо-
рочных единиц. При этом расчеты не следует проводить для про-
стых деталей (болты, винты, шурупы, шпильки, шплинты и другие
крепежные детали, шпонки, муфты, накидные гайки, прокладки и
т.п.).
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
29
Метод определения единичных показателей качества машины
зависит от ее конструктивных и технологических особенностей. В
машиностроении применяют описанные ниже методы определе-
ния показателей.
Измерительный метод осуществляется на основе технических
средств измерений и контроля, базируется на информации, полу-
чаемой с использованием этих средств. С помощью измерительно-
го метода определяют значения таких показателей качества, как
масса изделия, сила тока, скорость автомобиля, частота вращения
двигателя и др.
Регистрационный метод осуществляется на основе наблюде-
ния и подсчета числа определенных событий, предметов или за-
трат, например, подсчета отказов изделия при испытаниях, числа
дефектных изделий в партии и др.
Расчетный метод осуществляется на основе использования
теоретических и (или) эмпирических зависимостей показателей
качества машины от ее параметров. Применяется в основном при
проектировании продукции. Позволяет также установить зависи-
мости между отдельными показателями качества. Служит для оп-
ределения массы изделия, показателей его Производительности,
например, определения производительности металлорежущего
станка по скорости и глубине резания, а также по подаче и др.
Органолептический метод осуществляется на основе анализа
восприятий органов чувств, например, при контроле окраски ма-
шины, при проверке отсутствия рисок и царапин или других де-
фектов на обработанной поверхности детали. При его реализации
возможно использование технических средств (лупа, микроскоп и
т.п.), повышающих восприимчивость и разрешающие способности
органов чувств.
Экспертный метод осуществляется на основе решения, при-
нимаемого экспертами, например, при оценке эстетической харак-
теристики машины или прибора.
30
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Социологический метод осуществляется на основе сбора и
анализа мнений фактических или возможных потребителей про-
дукции, например, при оценке качества выпущенной серии элек-
тродвигателей, телевизоров и т.д.
При оценке качества любого изделия применяют обычно в со-
четании несколько рассмотренных методов. Они служат для оцен-
ки-не только уровня качества продукции, но также для техниче-
ского контроля в ее производстве.
При оценке показателей качества продукции по балльной сис-
теме можно использовать, например, четыре балла: 5 («отлично»),
4 («хорошо»), 3 («удовлетворительно») и 0 («плохо»). Возможны и
другие балльные системы.
Баллы присваивают изделию, качество которого нужно оце-
нить, и аналогу. Относительным единичным показателем качества
в случае балльной оценки является отношение баллов оцениваемо-
го изделия к баллам аналога.
Балльный метод оценки показателей качества на практике
часто применяют в сочетании с экспертным методом.
Экспертный метод оценки качества продукции осуществля-
ется экспертной группой, состоящей из высококвалифицирован-
ных специалистов примерно одинаковой степени компетентности.
Экспертов должно быть не менее семи человек (при меньшем их
числе велика вероятность принятия группой случайных решений).
При голосовании решение принимается только в том случае,
если за него подано не менее 2/3 голосов членов экспертной груп-
пы. Для улучшения степени объективности оценок опрос экспер-
тов должен производиться в следующем порядке. Сначала оценки
проставляются экспертами независимо друг от друга; затем после
короткого публичного обоснования выставленных оценок прово-
дится второй тур голосования, в ходе которого эксперты вновь,
независимо друг от друга, устанавливают новые оценки. Жела-
тельно проводить два - три тура проставления оценок.
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
31
Показатель качества продукции определяют как среднее
арифметическое значение оценок, проставленных каждым экспер-
том:
— N	/
pj = ^Pj n>	о-23)
7=1	/
где pz- - значение показателя качества, проставленное j-м экспер-
том; N- число экспертов.
Окончательное значение показателя качества определяют как
среднее арифметическое значение оценок, полученных в каждом
туре опроса экспертов:
— ж /
Pi т>	о-24)
где - значение показателя качества, полученное в каждом туре;
т - число туров опроса.
Комплексные показатели характеризуют качество машины по
совокупности ее нескольких простых свойств или одному сложно-
му свойству, состоящему из нескольких простых. Их часто опре-
деляют методом среднего взвешенного (арифметического, геомет-
рического и т.д.).
Примером комплексного показателя, определенного методом
среднего взвешенного (арифметического), может служить показа-
тель
п
О-25)
<=1
где q, - показатель 1-го свойства оцениваемой продукции; ct - ко-
эффициент весомости показателя qt.
В случае большого разброса значений q, рекомендуется другая
формула (среднего взвешенного геометрического):
32
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
п
<?*-=№•	С1-26)
1=1
Определяющим называют показатель, по которому оценивают
качество продукции. Определяется он по формулам (1.25) и (1.26),
но при этом q, характеризует средние результаты оценки /-го
свойства (оценка, как правило, дается экспертами с помощью
балльного метода). В том случае, когда определяющий показатель
является комплексным, он называется обобщенным. Если хотя бы
один единичный показатель неудовлетворительный, то обобщен-
ный показатель следует принимать равным нулю, т.е. качество
оценивается как неудовлетворительное.
Интегральным Рин называется комплексный показатель, ха-
рактеризующий эффективность машины. Его рассчитывают сле-
дующим образом: либо как отношение суммарного полезного эф-
фекта (в натуральном выражении) от эксплуатации машины к за-
тратам на ее создание и работу за весь срок службы:
PHtt=W/(K0 + S),	(1.27)
либо как обратное отношение этих затрат к полезному эффекту:
Р„» = (Ко +S) / W,	(1.28)
где W- количество единиц продукции или выполненной машиной
работы за весь срок ее эксплуатации, например, число произве-
денных заготовок, деталей, тонн или килограммов продукции и
т.д.; Ко - начальные капиталовложения в машину, включающие ее
оптовую цену, доставку, монтаж и наладку; S - эксплуатационные
расходы на весь срок службы машины, включая расходы на ее ре-
монт и обслуживание.
В первом случае интегральный показатель определяется рабо-
той, приходящейся на 1 р. суммарных затрат; во втором - суммой
этих затрат в рублях, приходящихся на единицу работы.
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
33
Приведенные формулы пригодны для определения интеграль-
ного показателя изделий со сроком службы до одного года. При
больших сроках службы необходимо внести поправку в сумму ка-
питальных расходов, учитывающих фактор времени (поскольку
эти расходы производятся одновременно).
С помощью этой поправки капитальные расходы приводятся к
начальному моменту приобретения или изготовления машины.
При одинаковых годовых эксплуатационных расходах S в течение
Т лет значение интегрального показателя рассчитывается по фор-
муле
W
~ k^+eJ +s’
(1-29)
где Е» - нормативный коэффициент эффективности, принимают
Е„ = 0,20.
Качество сборочных единиц практически характеризуется пе-
речисленными показателями в соответствии со своим функцио-
нальным назначением.
Качество деталей машин характеризуется свойствами мате-
риалов, размерами, точностью и качеством поверхностных слоев.
Свойства материалов разделяют на механические, техноло-
гические, физические, структурные и эксплуатационные (или слу-
жебные). Механические свойства определяются поведением мате-
риалов под действием приложенных внешних механических сил. К
механическим свойствам обычно относят сопротивление материа-
лов деформированию (прочность, твердость) и сопротивление раз-
рушению (пластичность, вязкость, способность не разрушаться
при наличии трещин).
Технологические свойства - часть общих, присущих данному
материалу физико-химических свойств, знание которых позволяет
обоснованно проектировать и осуществлять технологический про-
цесс и получать изделия с наилучшими, потенциально возможны-
ми для данного материала служебными свойствами. Технологиче-
2 — 6780
34
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
ские свойства проявляются в процессе получения отливок (литей-
ные свойства), поковок и других деформируемых заготовок (де-
формируемость или технологическая пластичность), сварных кон-
струкций (свариваемость), термообрабатываемых изделий (зака-
ливаемость, прокаливаемость) и изделий, получаемых обработкой
резанием (обрабатываемость резанием).
К физическим свойствам обычно относят плотность, теплофи-
зические (коэффициент линейного расширения, теплоемкость, те-
плопроводность) и электромагнитные (электрическое сопротивле-
ние, магнитные свойства) характеристики.
Химические свойства материалов определяют степень их хи-
мической активности или инертности по отношению к внешним
средам и контактирующим телам. Важнейшая химическая харак-
теристика материалов - их химический состав. От химического
состава и строения материалов в первую очередь зависит их со-
противление внешним химическим воздействиям - их коррозион-
ная стойкость. Химическая активность компонентов, входящих в
состав материала, зависит от электронного строения атомов, по-
ложения элементов в ряду электроотрицательности, валентности и
потенциалов ионизации атомов.
Структурные свойства определяются строением материалов.
Различают макроструктуру, видимую невооруженным глазом или
через лупу на изломах или на соответствующим образом подго-
товленных образцах (макрошлифах), и микроструктуру, видимую
на микрошлифах при больших увеличениях с помощью оптиче-
ских, рентгеновских или электронных микроскопов.
Эксплуатационные, или служебные, свойства материалов про-
являются в процессе работы изделий при их взаимодействии с
другими изделиями или внешней средой. Наиболее часто оцени-
вают работоспособность материалов в условиях трения и изнаши-
вания (коэффициент трения, износостойкость), повышенных и вы-
соких температур (теплостойкость, ползучесть, жаропрочность,
жаростойкость), а также в химически активных средах (коррози-
онная стойкость).
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
35
Основные механические свойства определяются при испыта-
ниях на растяжение, ударный изгиб, сжатие, кручение и твердость.
При испытаниях на растяжение определяют временное сопро-
тивление (предел прочности при растяжении) <тв, предел текучести
физический от или условный Стог, предел пропорциональности <тпц,
предел упругости оо.оз, относительное удлинение образца после
разрыва 85 или Зю, относительное сужение <|/, модуль продольной
упругости (модуль Юнга) Е. Характеристики ов, <гт, 002, опц, o0,s, а
также модуль Юнга Е измеряются в МПа, характеристики пла-
стичности 8 и ц/ - в %.
Основной характеристикой ударного изгиба является ударная
вязкость КС с различной формой надреза на образце (KCU, KCV
или КСТ), измеряемая в Дж/см2 или в кДж/м2.
Наиболее важными характеристиками, определяемыми при
других методах испытаний, являются предел выносливости в МПа,
условный предел ползучести, например	в МПа (напряже-
ние, которое за время испытания 100 ч при температуре 700 °C
вызывает удлинение образца на 0,2 %), предел прочности при сжа-
тии оа в МПа, прочностные характеристики при кручении (усло-
вий предел прочности тпч, истинный предел прочности тк, предел
пропорциональности тпц, предел упругости туп, условный предел
текучести т0,з) в МПа, сдвиг при кручении (скручивание) у в %,
модуль упругости при сдвиге кручением G в МПа, а также модуль
сжатия К в МПа и коэффициент Пуассона и (безразмерная вели-
чина).
Твердость Н (безразмерная величина) определяют методами
Бринелля (НВ), Роквелла (НЯСэ, HRB, HRA), Виккерса (HV).
Твердость в МПа тонких слоев оценивают по микротвердости с
разной формой отпечатка.
Для полимерных материалов характерны некоторые особые
свойства. При испытании полимеров на ползучесть определяют
2*
36
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
показатель ползучести Р, в %, модуль ползучести е, в Н и податли-
вость. Модуль ползучести характеризует относительное изменение
удлинения образца при постоянных нагрузке и температуре в за-
даваемом временном интервале. Модуль ползучести вычисляют по
формуле £( = о • 100 / о(, где о - напряжение при испытании, МПа;
о( - относительная деформация в момент времени t, %. Податли-
вость Пт является величиной, обратной модулю ползучести (Пт =
= 1 / е(), и измеряется в см2/Н.
К технологическим свойствам относятся: литейные свойства
(жидкотекучесть, литейная и объемная усадки), технологическая
пластичность (деформируемость), обрабатываемость резанием,
свариваемость, закаливаемость, прокаливаемость.
Жидкотекучесть - способность расплавленного металла за-
полнять полость литейной формы. Различают следующие разно-
видности жидкотекучести: истинную, определяемую при постоян-
ном превышении температуры по сравнению с температурой ну-
левой жидкотекучести (ТНЖ); практическую, определяемую при
постоянной температуре заливки; условно-истинную, определяе-
мую при постоянном превышении температуры по сравнению с
температурой ликвидуса (ТЛ). Разницу между ТЛ и ТНЖ называ-
ют эффективным интервалом кристаллизации (Д/эф). Максималь-
ному значению соответствует максимальная жидкотекучесть,
что характерно для сплавов эвтектического состава. Поэтому хо-
рошей жидкотекучестью обладают сплавы, близкие к эвтектиче-
ским (чугуны, силумины и др.). Значительно худшей жидкотеку-
честью обладают стали, особенно малоуглеродистые.
В процессе кристаллизации сплавов происходит их усадка,
т.е. уменьшение линейных размеров и объема отливки. Общая
усадка распределяется между раковиной и порами. Максимум раз-
вития пористости фиксируется при составах сплавов вблизи точки
Ср (рис. 1.4). Усадочные свойства некоторых сплавов приведены в
табл. 1.1.
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
37
Рис. 1.4. Распределение объемной усадки между усадочной
раковиной (7), пористостью (2) и наружной усадкой (3) в сплавах
эвтектической системы
1.1. Характеристики усадочных свойств некоторых сплавов
Система	ср, %	Содержание второго компонента в сплаве, %	
		с максимальной пористостью	с максимальной склонностью к горячим трещинам
Al-Si	1,65	1,5-2,0	0,8 -1,2
Си-Si	5,3	4,0 - 5,0	2,0
Al-Си	5,65	4,5 - 5,0	1,8-3,2
Mg-Al	12,6	6,0-10,0	—
Си - Sn	13,5	—	2,0
38
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Технологическая пластичность характеризует способность
материалов подвергаться обработке методами пластического де-
формирования. Количественно-технологическую пластичность
оценивают по характеристикам пластических свойств материалов
(относительному удлинению и относительному сужению образ-
цов), специальным характеристикам, определяемым при испыта-
нии на скручивание, развальцовку и т.д. Критерием высокой де-
формируемости сплавов является отношение о0>2 / ств- Например,
для сталей высокой штампуемости о0>2 / = 0,50 ... 0,65.
Требования к углеродистым сталям обыкновенного качества
по деформируемости при изгибе на 180° приведены в табл. 1.2.
1.2. Деформируемость сталей обыкновенного качества
при изгибе на 180°
Сталь	Диаметр оправки d (мм) при толщине образцов а (мм)	
	<20	>20
СтО	d = 1a	d = 3a
Ст1кп, пс, сп; Ст1Г пс; Ст2кп, пс, сп; Ст2Г пс	d = 0 (без оправки)	d = a
СтЗкп, пс, сп; СтЗГ пс	d = 0,5а	d = 1,5а
Ст4кп, пс, сп; Ст4Г пс	d = 2а	d = За
Ст5кп, пс, сп; Ст5Г пс	d = 3a	d = 4а
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
39
Технологическая пластичность характеризует способность
материалов подвергаться обработке методами пластического де-
формирования. Количественно-технологическую пластичность
оценивают по характеристикам пластических свойств материалов
(относительному удлинению и относительному сужению образ-
цов), специальным характеристикам, определяемым при испыта-
нии на скручивание, развальцовку и т.д. Критерием высокой де-
формируемости сплавов является отношение Оо,2 / пв- Например,
для сталей высокой штампуемости а0,2 / ав = 0,50 ... 0,65.
Обрабатываемость сплавов резанием зависит от их химиче-
ского состава и механических свойств (в частности, от твердости и
прочности). В табл. 1.3 приведены значения коэффициента Kv об-
рабатываемости резанием для некоторых сталей и сплавов. Коэф-
фициент обрабатываемости Ку = v / уэ, где v - скорость резания
материала при заданных условиях обработки; v3 - скорость реза-
ния материала-эталона при тех же условиях резания. Заданные ус-
ловия обработки: толщина срезаемого слоя t = 1,5 мм, подача 5 =
= 0,2 мм/об, стойкость резцов 60 мин, эталон - сталь 45 (ов =
= 650 МПа, НВ 179). Все материалы в соответствии с их назначе-
нием и свойствами разбиты на группы, каждая из которых разде-
лена на подгруппы.
Обрабатываемость резанием серого чугуна (СЧ) обратно про-
порциональна его твердости. Она улучшается по мере увеличения
количества феррита в структуре и повышения однородности
структуры, при отсутствии в ней твердых включений фосфидной
эвтектики и карбидов. При наличии графита стружка получается
ломкой и давление на инструмент уменьшается. При обработке
высокопрочного чугуна (ВЧ) сила резания на 50 ... 60 % выше,
чем при обработке СЧ той же твердости, но при эквивалентных
значениях ав обрабатываемость ВЧ лучше, чем СЧ. Обрабатывае-
мость КЧ примерно такая же, как и ВЧ.
40
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
1.3. Значения коэффициента Ку обрабатываемости
резанием цветных и черных сплавов
Сплавы	ств, МПа	НВ	я;
Высокой прочности (ГОСТ 2856-79 и 19957-74)	Магниевые 200	сплавы	0,9- 1,0
Средней прочности (ГОСТ 14957-76)	До 200	-	1,8-3,0
Технический алю- миний (ГОСТ 4784-74)	Алюминиевы 60 - 145	е сплавы	0,9
Дуралюминий (ГОСТ 4784-74)	150	-	1,0
Сплавы (ГОСТ 1583-89Е)	196-333	60-90	0,9
Силумины (ГОСТ 1583-89Е)	137-265	45-70	0,6-1,1
Сплавы (ГОСТ 4784-74)	137	-	2,5
Сплавы (ГОСТ 1583-89Е)	118-265	45-75	0,8
Другие	сплавы (ГОСТ 4784-74 и 1583-89Е)	284	-	0,9
Медь (ГОСТ 859-78)	Медные сг 186-196	лавы 50-80	2,6
Бронза АЖ, АЖН (ГОСТ 18715-73)	-	100-200	0,8-1,0
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
41
Продолжение табл. 1.3
Сплавы	ав, МПа	НВ	Kv
Бронза по ГОСТ 5017-74 типа:			
ОФ	—	90-180	0,9-1,0
оц	—	70-80	1,7
оцс	-	35-65	2,2-4,0
	До 180	До 160	1,45
Серые	До 220	До 200	1,0
(ГОСТ 1412-85)	До 270	До 250	0,83
	290	До 260	0,71
	Чугун	ы	
Ковкие	—	150-200	0,9-1,1
(ГОСТ 1215-79)	-	100-160	1,3-7
Легированные (ГОСТ 1585-85)	-	-	0,7-0,9
	Углеродисть	ie стали	
Обыкновенного	295-395	77-107	2,1
качества	395-492	107-138	1,8
(ГОСТ 380-88)	492 - 590	138-169	1,4
	590-750	169-223	1,0-1,1
Качественные	750 - 850	223-248	0,8
(ГОСТ 1050-88)	850 - 980	248-288	0,68
	980- 1080	288-317	0,56
	395-492	107-138	2,2
Автоматные	492 - 590	138-169	1,68
(ГОСТ 1414-75Е)	590-750	169-223	1,2-1,3
	750 - 850	223-248	0,96
	590 - 690	169-200	0,8
Высокоуглеродистые	690 - 750	200-223	0,67
(ГОСТ 14959-79 и	750-850	223-248	0,52
1435-90)	850- 1080	248-317	0,41-0,34
42
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Продолжение табл. 1.3
Сплавы	ав, МПа	НВ	
Хромистые (ГОСТ 4543-71 и 801-78)	Легированш 395-492 492 - 590 590-787 787 - 1080	>ie стали 116-146 146-174 174-230 230-317	1,61 1,1 0,85-0,67 0,53 - 0,36
Никелевые (ГОСТ 4543-71)	395-492 492 - 590 590-787 787-980	116-146 146-174 174-230 230-288	1,83 1,3 1,0-0,83 0,67-0,58
Марганцевые (ГОСТ 4543-71)	395-492 492 - 590 590-787 787-1176	160-200 200-233 233-275 275 - 345	1,4 1,04 0,80-0,67 0,53-0,33
Хромоникелевые (ГОСТ 4543-71)	395-492 492 - 590 590-787 787- 1176	116-146 146-174 174-230 230-345	1,67 1,23 0,95-0,80 0,58-0,39
Сложнолегирован- ные (ГОСТ 4543-71) типа ХГ, ХГТ, ХГС	490-690 690-980 980-1176	146-203 203-288 288-345	0,91-0,70 0,58-0,41 0,35-0,29
С молибденом (ГОСТ 4543-71) типа ХМ, ХНМ, ХМЮ	590-690 690 - 980 980-1176	172-203 203-288 288-345	0,80 0,61-0,50 0,45-0,34
Комплексно- легированные (ГОСТ 4543-71)	590-690 690 - 784 784- 1270	174-203 203-230 230	0,80 0,66 0,47-0,31
Рессорно- пружинные (ГОСТ 14959-79)	1670 1860	269-300 285-321	0,41 0,35
Инструментальные (ГОСТ 5950-73)	-	269 62-63HRC	0,47-0,41 0,17
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
43
Продолжение табл. 1.3
Сплавы	ав, МПа	НВ	кч
Коррозионно-стойкие стали (ГОСТ 5632-72)			
03Х12Н10МТ	680- 1000	212-311	0,8-0,9
07X16Н6	1000- 1300	277-363	1,0-1,2
09X16Н4Б	1300- 1700 1700	363-460 460	0,6 0,3
30X13,40X13	750- 1100	225-311	1,0
12X13	-	235	0,8
95X18	700-950	212-269	0,9
Свариваемость - свойство металлов и сплавов образовывать
сварное неразъемное соединение, соответствующее качеству ос-
новного металла, подвергнутого сварке. По технологической сва-
риваемости условно различают следующие группы стали: свари-
ваемые без ограничений (без подогрева и термообработки); огра-
ниченно свариваемые (предварительный подогрев, проковка швов,
термообработка); трудносвариваемые (используется комплекс до-
полнительных операций); не применяемые для изготовления свар-
ных конструкций.
Чугуны свариваются значительно хуже углеродистых сталей,
поэтому газовая и дуговая сварка, а также и заварка дефектов (осо-
бенно крупных) на отливках выполняется по особой технологии.
Важной технологической характеристикой является способ-
ность сплава менять свои свойства при термической обработке.
Для сталей используют две такие характеристики: закаливае-
мость и прокаливаемость. Под закаливаемостью понимают спо-
собность стали повышать твердость в результате закалки. Закали-
ваемость стали определяется в первую очередь содержанием в ней
44
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
углерода. Легирующие элементы в незначительной степени влия-
ют на закаливаемость.
Под прокаливаемоспгъю понимают способность стали образо-
вывать закаленный слой с мартенситной или троостито-мартенсит-
ной структурой и высокой твердостью на определенную глубину.
Обычно прокаливаемость характеризуют параметром прокаливае-
мости и критическим диаметром прокаливаемости. Параметр П
прокаливаемое™ - это расстояние от торцовой охлаждаемой по-
верхности до зоны с полумартенситной структурой (50 % мартен-
сита и 50 % троостита), определяемое на стандартных образцах
методом торцовой закалки. Параметр прокаливаемое™ (мм) зави-
сит от химического состава стали.
К основным физическим свойствам материалов относятся
плотность, теплофизические свойства (теплоемкость, теплопро-
водность, термическое расширение), электрические и магнитные
свойства (электрическое сопротивление, магнитная проницае-
мость, коэрцитивная сила), хладноломкость и жаростойкость.
Размеры деталей и их точность. Размеры деталей опреде-
ляются исходя из их функционального назначения и действующих
рабочих нагрузок.
Размеры деталей на рабочих чертежах по своему назначению
могут быть разделены на группы.
Координирующие размеры используют для определения вза-
имного положения поверхностей деталей, а также осей. Это, как
правило, размеры ответственных поверхностей, которые опреде-
ляют служебное назначение детали. Например, у корпусных дета-
лей ответственными являются плоские поверхности и отверстия
для размещения валов, подшипников. Координирующие размеры
увязывают плоские и цилиндрические поверхности корпуса.
Сборочные размеры используют для определения положения
узлов относительно других элементов машины. Это прежде всего
размеры присоединительных поверхностей. У корпусных деталей
присоединительными чаще всего бывают плоские поверхности.
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
45
Кроме того, применяют технологические размеры, которые
необходимы при изготовлении и контроле деталей.
Ни один размер, как и все остальные параметры качества де-
талей, нельзя получить абсолютно точно. Под точностью понима-
ется степень приближения истинного значения параметра к его
номинальному значению. Точность деталей машин характеризует-
ся точностью размеров элементов деталей, т.е. отдельных поверх-
ностей, и точностью относительного положения поверхностей.
Для того чтобы характеризовать точность размеров, их разде-
ляют на номинальные, действительные и предельные. Относи-
тельно номинального размера определяют предельные размеры.
Номинальный размер определяет конструктор исходя из служеб-
ного назначения детали. Полученные расчетом размеры округляют
до значений, соответствующих ближайшим достаточным значени-
ям рядов предпочтительных чисел.
В реальном производстве нельзя абсолютно точно выполнить
номинальный размер, а также измерить его без погрешности. По-
этому существует понятие «действительный размер»: это размер,
измеренный с допустимой погрешностью.
Действительный размер для оценки качества продукции особо
важен. В ходе изготовления детали в каждый момент времени этот
размер имеет разные значения. Это объясняется тем, что исполь-
зуемые в машиностроении технологические системы вносят свои
погрешности в изготовляемые детали, так как они работают в ус-
ловиях постоянного изнашивания инструмента и, следовательно,
постоянно изменяющихся силовых факторов, воспринимают дей-
ствие нестационарного теплового поля, переменной жесткости
систем. Кроме этого на точность деталей оказывают влияние по-
грешность настройки инструмента, установки обрабатываемой
заготовки и ряд других факторов.
Допуском называют разность между наибольшим и наимень-
шим допустимыми значениями параметра, в данном случае - раз-
мера. Допуски размеров регламентируются ГОСТ 25346-89. Изго-
46
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
товление деталей с соблюдением допусков способствует созданию
высококачественной машины, несмотря на то, что каждая деталь
ограничивается поверхностями, размеры и форма которых отли-
чаются от номинальных.
Метод выбора допусков размеров имеет принципиальное зна-
чение.
Метод аналогов заключается в том, что конструктор отыски-
вает среди ранее сконструированных и находящихся в эксплуата-
ции машин и узлов такие, в которых имеются детали, аналогичные
констру ируем ым.
Развитием метода аналогов является метод подобия. Для на-
значения допусков этим методом отыскивают подобие конструк-
тивных признаков и условий эксплуатации. Однако иногда бывает
сложно установить собственно подобие, что ограничивает приме-
нение метода.
Наиболее обоснованным является расчетный метод. Пользу-
ясь этим методом, назначают квалитеты (классы, степени точно-
сти) различных поверхностей деталей на основе физических явле-
ний при эксплуатации, связанных чаще всего с контактированием
деталей в собранной машине.
Каждая деталь характеризуется бесконечно большим числом
размеров. Детали лишь на чертежах характеризуются номиналь-
ными (идеальными) поверхностями, а фактически ограничены ре-
альными поверхностями. Детали всегда имеют отклонения формы.
Обеспечение допустимого отклонения формы в производственных
условиях всегда затруднено. В частности, в производственных ус-
ловиях возникают отклонения от круглости. Они непосредственно
сказываются на качестве соединений, имеющих цилиндрические
поверхности потому, что по таким поверхностям устанавливают
ответственные детали и узлы машин и, прежде всего, подшипники
качения, которые вследствие отклонения формы колец могут утра-
тить свои первоначальные характеристики.
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
47
Условия формообразования деталей настолько сложны, что
одновременно возникает ряд отклонений: от цилиндричности, от
перпендикулярности, от параллельности и др. Технологическое
обеспечение допустимых параметров является одним из условий
повышения качества машин. Так, у пары вал - корпус вал при по-
ступательном движении не может перемещаться прямолинейно,
если он имеет отклонения от цилиндричности или если такие от-
клонения имеют отверстие. Таким образом, отклонения парамет-
ров деталей в этом случае не обеспечивают заданного качества
(например, не соблюдается форма траектории перемещения).
При решении проблемы качества деталей необходимо опи-
раться на количественные показатели. На рис. 1.5 утрированно
представлена деталь типа двухступенчатого вала. В любом попе-
речном сечении размеры вала определяются переменным радиу-
сом R, отсчитываемым от центра О номинального сечения диамет-
ром DH. Радиус R, именуемый текущим размером, зависит от угло-
вой координаты ф. Текущий размер также меняется по координате
z. Начальное значение радиуса оговаривается. Так, им может быть
Рис. 1.5. Схема отклонений параметров двухступенчатого вала
48
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
радиус /?1 с угловой координатой <pt. Любой контур поперечного
сечения удовлетворяет условию замкнутости, т.е./(ф) =/(ф + 2л).
Период функции равен 2л.
Реальный контур на левом торце вала ограничивается приле-
гающей окружностью (штриховая линия) диаметром Da. Отклоне-
ние от круглости, характерное для каждого сечения, обозначено
ДФ. Для каждого сечения можно определить отклонение ДО раз-
мера. Прилегающая окружность имеет центр в точке О\. Поэтому
действительный контур детали отличается от номинального (иде-
ального), а их оси смещены на расстояние, равное эксцентриситету
е. Можно убедиться, что ось действительного контура в общем
виде не является прямой линией. Это характерно для любого сече-
ния ступени вала Л длиной Ц.
Для оценки качества детали ее форма имеет первостепенное
значение. Отклонения и допуски формы оговорены ГОСТ 24642-
81. Отклонения формы удобно описывать с помощью рядов Фу-
рье. Зависимость f (ф) погрешности действительного профиля от
угла поворота рассматривается в полярной системе координат:
А'=оо
/(ф) = а0 /2 + £ (ак cos к<? + bk sin к<р\	(1.30)
А=1
где во / 2 - нулевой член разложения; к - порядковый номер соот-
ветствующей гармоники; ак, Ьк - коэффициент ряда Фурье к-й гар-
моники.
Вместо рядов для фактических целей удобно пользоваться
тригонометрическим полиномом
/(ф)=с0/2 + £сА.(со8йф + фА.),	(1.31)
А=1
где п - порядковый номер высшей гармоники полинома.
Величина cq / 2 может быть принята за среднее значение
функции f (ф) в течение периода Т = 2л и определяется расстояни-
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
49
ем от базового значения текущего размера до средней линии от-
клонений профиля. Поэтому значение со / 2 представляет собой
отклонение размера.
Первый член разложения cicos(<p + (pi) характеризует расстоя-
ние между центром вращения Oj и геометрическим центром О, т.е.
эксцентриситет е. Он указывает на отклонение расположения по-
верхности и выражает его количественно. Последующие члены
полинома, начиная со второго, характеризуют спектр отклонений
формы детали в поперечном сечении.
Второй член c2cos(2(p + ф2) характеризует овальность сечения,
а третий член - сзсоз(3ф + срз) огранку с трехвершинным профилем
и т.д. Поэтому сечение детали следует представлять очерченным
контуром, имеющим отклонение размера с центром, смещенным
от геометрического центра. Контур имеет овальную форму, на ко-
торую наложены огранки с различным числом вершин. Остальные
члены ряда характеризуют соответствующие волнистость и шеро-
ховатость.
Приведенные рассуждения справедливы и для ступени В
(см. рис. 1.5) вала длиной Z2. Однако у этой ступени может ока-
заться своя ось, повернутая на угол 0 в любой из плоскостей отно-
сительно оси z, а также могут возникнуть свои собственные по-
грешности. Отклонения профилей цилиндрических поверхностей
целесообразно представлять и в продольных сечениях. Условие
замкнутости контуров здесь не соблюдается.
Тригонометрический полином для описания продольного се-
чения можно применить, используя цилиндрическую систему ко-
ординат (координатами являются R, ф, z). Условно принимаем, что
период Т= 21 (где I - длина участка цилиндрической поверхности).
Полином
к=р
f(z) = c0/2 + ^icksin(knz)/2l,	(1.32)
<t=i
где к- порядковый номер члена разложения.
50
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Первый член разложения показывает, что при z = 0 -f(z) = 0,
а при z-l-fx (z) = ср Следовательно, этот член характеризует ко-
нусообразность, так как образующая профиля имеет соответст-
вующий наклон. Второй член разложения^ (z) = C2sin(nz) / Z харак-
теризует выпуклость контура, а при сдвиге фазы^ (z) = Cjsin(itzII-
- п / 2) = c2cosTtz 11, т.е. он характеризует вогнутость контура. Так,
на ступени А вала возникла седлообразность величиной Д, а на
ступени В - бочкообразность Др
Профиль детали в продольном направлении также представ-
ляет собой сложное сочетание конических поверхностей с нало-
женными на них седлообразными, бочкообразными, волнистыми
профилями.
Отклонения профилей деталей определяют с помощью соот-
ветствующих анализаторов. Описание профилей оказывается ис-
ключительно важным, поскольку с его помощью можно устано-
вить характер контактирования деталей при сборке, условия сма-
зывания, прогнозировать изнашивание и пр. Однако более важно
для решения проблемы повышения качества машин установить
причины возникновения погрешностей, указать соответствующую
операцию технологического процесса, при выполнении которой
возникла данная погрешность, и принять меры к ее ликвидации.
Так, например, с помощью гармонического анализа обнаружено,
что на овальный профиль поперечного сечения детали налагается
трехгранный профиль. Поскольку указанные отклонения формы
ухудшают качество детали, рассматривают результаты предшест-
вующих операций и устанавливают, что, например, овальность
детали вызвана овальной формой заготовки. В результате прини-
мают меры к ликвидации или уменьшению отклонений формы
еще на предшествующих технологических операциях.
Для установления указанных зависимостей применяют учение
о технологической наследственности. Технологической наследст-
венностью можно назвать явление переноса свойств объектов от
предшествующих технологических операций к последующим. Со-
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
51
хранение этих свойств у деталей машин называют технологиче-
ским наследованием. Носителями наследственной информации
является собственно материал детали, а также ее поверхности с
различными параметрами, описывающими состояние этих поверх-
ностей. В первую очередь это относится к размерам, форме и вза-
имному расположению элементов детали. Носители информации
активно участвуют в технологическом процессе, проходя через
различные операции, в ходе которых они могут изменяться час-
тично или полностью. Гармонический анализ позволяет количест-
венно описать всю картину трансформирования геометрических
показателей изготовляемых деталей.
Качество деталей оценивается также отклонениями располо-
жения поверхностей, т.е. отклонениями реального положения по-
верхности от ее номинального положения. При такой оценке от-
клонения формы поверхностей деталей из рассмотрения исключа-
ются, а реальные профили заменяются прилегающими. Реальные
оси, центры реальных поверхностей, поверхности симметрии и т.д.
заменяются прилегающими элементами. Каждое из отклонений
расположения поверхностей имеет свое точное определение и ме-
тодику производственной оценки. Прилегающими элементами мо-
гут быть прямые, окружности, плоскости, цилиндры.
Качество деталей по отклонению от параллельности оценива-
ют по положению двух прилегающих к реальным поверхностям
плоскостей, измеряя расстояние между этими плоскостями в раз-
личных местах нормируемого участка. Отклонения расстояния
поверхностей могут определяться с помощью осей. На рис. 1.5
ступени А и В вала практически имеют криволинейные оси. Одна-
ко они условно представлены прямыми. Взаимное расположение
цилиндрических ступеней определяется положением их осей
(угол 0). В общем случае оси могут иметь отклонения от парал-
лельности, а также перекос или отклонение от пересечения. Ти-
пичным для деталей, имеющих отверстия (например, корпусных),
является отклонение от соосности. Такое отклонение решающим
52
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
образом влияет на долговечность подшипников, установленных в
отверстиях корпусов.
С помощью прилегающих элементов определяют отклонение
от перпендикулярности. Оно, например, оценивается углом между
двумя плоскостями, прилегающими к реальным поверхностям
конкретной детали. При оценке отклонения от симметричности
относительно базовой плоскости определяют положение послед-
ней и от него измеряют расстояние до плоскости симметрии ре-
ального профиля.
Все отклонения формы и расположения поверхностей должны
быть ранжированы применительно к конкретным деталям исходя
из их служебного назначения. Так, в одном случае решающее
влияние на качество детали оказывает отклонение от круглости, а
в другом - перекос осей и т.д. Значения отклонений формы и рас-
положения оговорены в ГОСТ 24643-81, в котором предусмотрено
16 степеней точности. Значения допусков от одной степени к дру-
гой увеличиваются в 1,6 раза. Установлены также уровни относи-
тельной точности, которая зависит от соотношения между допус-
ком размера и допусками формы и расположения. Таких уровней
три: А - нормальная относительная точность, В - повышенная от-
носительная точность и С - высокая относительная точность. Для
этих уровней допуск формы или расположения в среднем состав-
ляет соответственно 60, 40 и 25 % допуска размера. Для цилинд-
ричности, круглости и профиля продольного сечения относитель-
ная геометрическая точность для А, В и С составляет соответст-
венно 30, 20 и 12 % допуска размера.
Указанные соотношения оказываются весьма полезными для
практических целей. Допуск размера, установленный конструкто-
ром на основе расчетов, экспериментов или практических наблю-
дений уже предполагает определенные допустимые отклонения
формы и расположения поверхностей. В особых случаях допуски
формы и расположения оговариваются дополнительно в техниче-
ских условиях на изготовление детали. Изготовление деталей с
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
53
допустимыми отклонениями параметров является основной зада-
чей в сфере производства. Она решается на основе разработки оп-
тимальных технологических процессов. При этом каждому методу
обработки соответствует определенная допустимая точность, что
оговаривается в справочной литературе. Так, с одной стороны, для
каждого номинального размера и квалитета его допуска (А, В, С) а
таблицах оговариваются соответствующие допуски на любые гео-
метрические параметры, с другой стороны, имеются табличные
данные, указывающие, каким именно технологическим методом
можно достичь заданной точности. Табличные данные постоянно
обновляются, числовые значения уточняются, а также конкретизи-
руются условия обработки (обработка заготовок из различных ма-
териалов, учет жесткости технологических систем и др.).
Вид допуска формы и расположения обозначается в соответ-
ствии с ГОСТ 24643-81. Вид допуска представляется знаком, а сам
допуск - числовым значением. Эти данные заносятся в рамку,
имеющую, как правило, три секции. Вначале в рамке указывают
знак, затем допуск, и, наконец, базу, относительно которой опре-
деляют допуск.
Параметры качества поверхностного слоя деталей. На-
ружный слой детали, имеющий макро- и микроотклонения от иде-
альной геометрической формы и измененные физико-химические
свойства по сравнению со свойствами основного материала, назы-
вают поверхностным слоем. Он формируется при изготовлении и
эксплуатации и по глубине может составлять от десятых долей
микрометра до нескольких миллиметров. Поверхностный слой оп-
ределяется геометрическими характеристиками и физико-
химическими свойствами (рис. 1.6).
Под геометрическими характеристиками понимают макроот-
клонение, волнистость, шероховатость и субшероховатость.
Макроотклонение 1 поверхности - это неровность высотой
10-2 — 103 мкм на всей ее длине или ширине.
54
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Рис. 1.6. Схема поверхностного слоя детали:
1 - макроотклонение; 2 - волнистость; 3 - шероховатость;
4 - субшероховатость; 5 - адсорбированная зона; 6 - зона оксидов;
7 - граничная зона материала; 8 - зона материала с измененными
физико-химическими свойствами
Волнистость 2 поверхности - совокупность неровностей вы-
сотой примерно 10"2 - 103 мкм с шагом, большим, чем базовая
длина /, используемая для измерения параметров шероховатости.
Под шероховатостью 3 поверхности понимают совокупность
неровностей высотой около 10"2 - 103 мкм с шагом, меньшим, чем
базовая длина, используемая для ее измерения.
Субшероховатость 4 - это субмикронеровности высотой при-
мерно 10’3 - 10’2 мкм, накладываемые на шероховатость поверх-
ности.
Верхняя зона 5 толщиной около 10 - 100 мкм - это адсорби-
рованный из окружающей среды слой молекул и атомов органиче-
ских и неорганических веществ (например, воды, СОЖ, раствори-
телей, промывочных жидкостей).
Промежуточная зона 6 толщиной примерно 10~3 - 1 мкм пред-
ставляет собой продукты химического взаимодействия металла с
окружающей средой (обычно оксидов).
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
55
Граничная зона 7 имеет толщину, равную нескольким меж-
атомным расстояниям со значительно измененными кристалличе-
ской и электронной структурой и химическим составом.
Зона 8 имеет толщину примерно 10"4 - 10 мм с измененными
физико-химическими свойствами по сравнению со свойствами ос-
новного материала. Под физико-химическими свойствами поверх-
ностного слоя понимают остаточные напряжения, наклеп и струк-
туру. Оценка геометрических характеристик и физико-химических
свойств может быть непараметрической и параметрической.
Непараметрическая оценка заключается в графическом изо-
бражении макроотклонения, волнистости, шероховатости, субше-
роховатости, структуры, распределения остаточных напряжений и
наклепа поверхностного слоя для визуального сравнения. В част-
ности, для непараметрической оценки шероховатости используют
профилограммы, кривые опорных длин профиля, кривые распре-
деления ординат или вершин профиля, спектрограммы профиля,
топограммы и т.п.
При параметрической оценке характеристик поверхностного
слоя деталей машин используются приводимые ниже параметры.
Макроотклонение (отклонение формы) (рис. 1.7) характеризу-
ется:
Нпы - максимальным макроотклонением, мкм;
Нр - высотой сглаживания макроотклонения (расстояние от
средней линии профиля до огибающей), мкм.
Отклонение формы нормируется значением допуска формы
поверхности, и рекомендована ее взаимосвязь с допуском на раз-
мер.
Волнистость (рис. 1.8) характеризуется:
Wa - средним арифметическим отклонением профиля волн,
мкм,
wa =(1//JИЛИ Wa^\yi\/N, (1.33)
0	'=1
56	Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Рис. 1.7. Формы макроотклонений:
а - выпуклая; б - вогнутая; в - непараллельная
£
if
£
Smwi
Рис. 1.8. Волнограмма поверхности
где lw - базовая длина; у, - текущее значение ординаты профиля
волн (расстояние от точки профиля до средней линии); dx - при-
ращение абсциссы; N- число ординат профиля;
Wz- средней высотой волн, мкм,
<134)
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
57
где И, - текущее расстояние от средней линии до вершины волны;
Н\ - текущее расстояние от средней линии до впадины волны;
ff'max - наибольшей высотой профиля волн, мкм;
Wp - высотой сглаживания волнистости;
tp - относительной опорной длиной профиля волн, %;
п
tpw='lLr^pv,l^=^pwl^'>	(1-35)
1=1
где т|р - опорная длина профиля волн на уровне сечения профи-
ля р\
Smw - средним шагом волн, мм,
п
Sm^^Sm^n,	(1-36)
1=1
где Smm - текущее значение шага волн; п - число шагов;
Аиср - средний радиус выступов волн, мм,
п
^сР=2Х/«,	(1-37)
/=1
где Rwi - текущее значение радиуса выступа; п - число выступов
волн.
Волнистость поверхности до настоящего времени в России не
стандартизована, поэтому на практике используют различные от-
раслевые нормали и рекомендации. Так, в подшипниковой про-
мышленности при шлифовании колец (диаметр 18 - 120 мм) клас-
са Н (класса 0) волнистость по высоте составляет 40 - 110 % ше-
роховатости, а по классу С (4 - 5-й классы) - 15 - 60 %.
В соответствии с рекомендациями Института машиноведения
РАН волнистость в зависимости от ее высоты подразделяют на
девять классов:
58
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Высота волны, мкм...... 1	2	4	8	16	32	64 125	250
Класс волнистости...... I	II	III	IV	V	VI	VII VIII	IX
За рубежом стандартизованы параметры волнистости (табл.
1.4).
Шероховатость (рис. 1.9) характеризуют следующие парамет-
ры.
Параметры по ГОСТ 2789-73:
1.4. Стандартизованные параметры волнистости
Страна	Высо- та вол- нисто- сти	Средняя высота волнисто- сти	Макси- мальная высота волнисто- сти	Средний шаг вол- нистости	Глубина нивелиро- вания волнисто- сти	Среднее арифме- тическое отклоне- ние волни- стости
Франция	w,	W	max			
Германия					-	-
Австрия					-	-
Япония				-	-	-
Великобри- тания		Н;		-	-	-
Рис. 1.9. Профилограмма шероховатости поверхности
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
59
среднее арифметическое отклонение профиля, мкм,
/	#
Ra = (1//)или Яа = £|.У,|/#,	(1-38)
о	»=1
где I - базовая длина; у, - текущая величина ординаты профиля
шероховатости; N - число рассматриваемых ординат профиля ше-
роховатости;
высота неровностей профиля по десяти точкам, мкм,
(5	5 А /
^=£^+£^/5,	(1.39)
1=1	)/
где к, - высота z-ro наибольшего выступа профиля; Л/ - глубина
z'-й наибольшей впадины профиля.
наибольшая высота профиля /?тах, мкм;
средний шаг неровностей профиля, мм,
N
Sm = YSm>/n>	О-40)
/=1
где Sm, - значение z-ro шага неровностей по средней линии в пре-
делах базовой длины;
средний шаг местных выступов профиля, мм,
N
S^St/N,	(1.41)
i=l
где Si - значение z-ro шага по вершинам местных выступов;
относительная опорная длина профиля, %,
(Р=Ъ^/1=^/1,	о-42)
1=1
где rip, - опорная длина профиля на уровне р.
60
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Нестандартизованные параметры шероховатости:
Rq - среднее квадратическое отклонение профиля, мкм,
I
R4 =J(l/O{y^x или
Vo	V /=1
(1-43)
Rp - высота сглаживания профиля шероховатости, мкм;
Rw - глубина сглаживания профиля шероховатости, мкм;
Кр - коэффициент заполнения профиля;
и и Ъ - параметры начального участка кривой относительных
опорных длин профиля;
ПР = 6(р/100)и;
рл, - средний радиус выступов профиля, мкм (рис. 1.10),
п
Pm = ^Рт|/И’
i=l
(1.44)
(1-45)
где р„„ - радиус i-ro выступа профиля шероховатости;
р - средний радиус местного выступа профиля шероховато-
сти, мкм (см. рис. 1.10);
p=Sp»/"’	U-46)
/=]
где р, - радиус i-ro местного выступа профиля;
Рис. 1.10. Выступ профиля шероховатости
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
61
Р - средний угол профиля шероховатости (см. рис. 1.10),
п
/=1
где р/ - угол наклона z-го выступа профиля;
А - безразмерный комплекс Крагельского - Комбалова:
д = *max /(рт6%) ИЛИ Д = 0 00/'р Y" RP /Рт ’	(L47)
В табл. 1.5 приведены параметры шероховатости, стандарти-
зованные в различных странах.
Для оценки шероховатости поверхности с регулярным микро-
рельефом с успехом могут быть использованы приведенные выше
параметры или параметры по ГОСТ 24773-81. Наряду с профиль-
ной оценкой шероховатости в научных исследованиях применяет-
ся и топографическая оценка. В настоящее время предложены сле-
дующие микротопографические параметры:
Ra - среднее арифметическое отклонение микроповерхности
от средней плоскости;
Ny - число выступов на уровне у;
Л/в- число вершин выступов;
йв- высота вершин выступов;
7/щах - высота наибольшего выступа;
hy - относительная опорная площадь;
Ай - градиент поверхности;
ХсР(у) - средняя кривизна выступов на уровне у.
Для субшероховатости:
7?гаах с - максимальная высота неровностей субшероховатости,
мкм;
Sm, - средний шаг неровностей субшероховатости.
1.5. Стандартизованные параметры шероховатости в различных странах
Страна	Параметры шероховатости*														Число пара- метров
	Ra	Rp	Rm	RMS	Rz	^max	R	It	tp	Ar	Sm	5	Ap	к	
Россия	+				4-	4-			4-		4-	4-			6
Австрия	+		4-			Rt		Lt	4-					4-	7
Болгария	+				4-	4-									3
Великобритания	CLA						H.								2
Венгрия	4-	Rt	¥	hq	4-	4-			4-				kp	kh	9
Дания	4-	Ru	4-	4-	4-	4-	4-	Bb	Kb					4-	10
Испания	hm			forms			H						kv		4
Италия	4-	Rc	Ri	Raq			4-							*p	6
Нидерланды	4-														1
Польша	4-					4-	4-								3
Румыния	4-					4-	4-								3
Сербия	4-				4-	4-		In	Pn	к					6
США	АА			4-											2
Финляндия	4-				4-	4-									3
Франция	4-	4-				4-	Rv	Lc	Tc	Av			4-	kv	10
ФРГ	4-	4-			4-	Rt		4-	4-						6
Чехия	4-				4-	4-									3
Швеция	4-	G					H								3
Швейцария	4-	4-		R4		4-	Rv, Rs	t	tc				4-	kv	9
Япония															0
ISO		4-				4-	4-									3
♦ Знак означает стандартизованные, пустые графы - нестандартизованные параметры.															
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
63
Для оценки наклепа используются:
Нцо - поверхностная микротвердость;
Un - степень наклепа, %,
Яц0
100,
U
н
(1.48)
где исх - исходная микротвердость материала;
Е - степень деформирования, %;
h„ - глубина наклепа, мкм.
Для оценки структуры применяются:
/3 - размер зерен, мкм;
pD - плотность дислокаций, см’2.
Для оценки поверхностных остаточных напряжений рекомен-
дуются следующие параметры:
ОоСТ (МПа) - макронапряжения (напряжения первого рода);
о’ст (МПа) - макронапряжения (напряжения второго рода);
ОрСТ (МПа) - статические искажения решетки (напряжения
третьего рода).
Для оценки поверхностных деформаций или наклепа исполь-
зуются:
е (%) - степень деформирования;
Лн (мкм) - глубина наклепа;
и„ (%) - степень наклепа;
HV (Н/мм) - градиент наклепа;
е (%) - макродеформация решетки.
Для оценки структуры применяются:
13 (мм) - размер зерен;
pD (см’2) - плотность дислокаций;
cv - концентрация вакансий;
/б (нм) - размер блоков;
Об - угол разориентации блоков;
(р} (нм) - размер областей когерентного рассеяния;
64
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
^н2^ (нм2) - среднеквадратическое смещение атомов, вызван-
ное статистическими искажениями решетки;
^w2^ (нм2) - среднеквадратическое смещение атомов, вызван-
ное их тепловыми колебаниями.
Для оценки фазового состава используются:
Ms - тип кристаллической структуры;
а. Ь. с (мм) и а, Р, у (°) - параметры решетки фаз.
Для оценки химического состава применяются:
с(х) (%) - профиль концентрации элементов в поверхностном
слое;
Сф (%) - концентрация элементов в фазах.
Для оценки экзоэлектронной эмиссии поверхности использу-
ются:
/(импульс) - интенсивность эмиссии;
ф (ЭВ) - работа выхода электронов;
X (нм) - глубина выхода электронов.
В научных исследованиях для оценки состояния поверхност-
ного слоя деталей все шире начинают применяться комплексные
параметры.
Комплексная оценка качества поверхностного слоя. Для
комплексной оценки качества поверхностного слоя могут быть
использованы сразу несколько параметров.
Так, для оценки несущей способности контактирующей по-
верхности могут быть использованы параметры: шероховатости -
Ra и tp или Rp\ волнистости - Wp, макроотклонения - Нр. Непара-
метрический подход также позволяет комплексно оценить несу-
щую способность шероховатости или волнистости поверхности.
В последние годы все активнее начинают применяться так на-
зываемые комплексные параметры, математически или физически
объединяющие сразу несколько отдельных параметров.
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
65
Одним из первых является комплексный параметр Крагель-
ского - Комбалова для оценки шероховатости поверхностей тре-
ния, математически объединяющие отдельные ее параметры Ятах,
pw, b и v:
Д = -^тах	(1.49)
pint/
Преобразование этого уравнения позволило получить зависи-
мость, которая хорошо объясняет его физическую сущность как
параметра, определяющего несущую способность профиля шеро-
ховатости:
A^lOO/z^^/p™) .	(1.50)
Из формулы (1.50) хорошо видно, что чем меньше А, тем вы-
ше несущая способность шероховатости.
Пожалуй, первым комплексным параметром, учитывающим
шероховатость и физические свойства материала, является пара-
метр пластичности, предложенный Гринвудом для определения
.	. Е [Ito
характера деформации микронеровностеи:	I— .
Для поверхностей деталей, работающих на усталостную
прочность, роль шероховатости определяет коэффициент концен-
трации напряжений аа, который после соответствующих преобра-
зований принимает вид
аа=1 + -^-ках"Лах^)-	(151)
tmSm
Вторая составляющая данного уравнения и может быть пред-
ложена в качестве комплексного параметра для оценки качества
поверхностей, работающих на усталостную прочность, а именно:
Су = -^-(ятах -Ках^р)-	(1-52)
tm Sm
3 - 6780
66
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Брянской технологической школой предложен ряд комплекс-
ных параметров для оценки поверхностей деталей. Так, для оценки
несущей способности поверхности или ее контактной жесткости
установлен комплексный параметр, объединяющий шерохова-
тость, волнистость, макроотклонение и степень наклепа поверхно-
стного слоя:
п Г Rp‘WP>Hp>f'_
Для комплексной оценки качества поверхностей трения пред-
ложен параметр, который наряду с вышеперечисленными характе-
ристиками включает и поверхностные остаточные напряжения
второго рода:
сх
(RaWzH^y*,
(1-54)
где X - коэффициент, учитывающий влияние поверхностных оста-
точных напряжений второго рода на износ,
X = f ^ОСТ
I аа ,
(1.55)
ав - временное сопротивление разрушению; оа - действующее зна-
чение амплитудного напряжения на поверхности трения; ty - пара-
метр фрикционной усталости при упругом контакте.
Для оценки качества поверхностного слоя кулачковых пар
трения предложен аналогичный комплексный параметр - Ст. Этот
параметр определяет, насколько удельная мощность трения реаль-
ных поверхностей кулачковых пар, имеющих макроотклонения,
волнистость, шероховатость и измененные физико-химические
свойства поверхностного слоя, отличается от удельной мощности
трения в идеальном случае:
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
67
с = Руд __ Лсу
£?уд £?уд
(1.56)
где f - коэффициент трения; qc и v - контурное давление и ско-
рость скольжения; Руд и (7уд - удельная мощность трения реальной
поверхности и идеальной соответственно.
Для оценки цилиндрических поверхностей, образующих со-
единение, передающее осевые нагрузки или крутящие моменты,
предложен комплексный параметр, характеризующий их металло-
емкость:
С„ = Rp + Wp + Нр.	(1.57)
Качество поверхностного слоя деталей, образующих герме-
тичные соединения, могут быть охарактеризованы комплексным
параметром, определяющим приведенный воздушный зазор от од-
ной поверхности под нагрузкой:
С у = Нр + Wp + Rp-
(RaWz)0,5
(н \°’25
\Г1 ртах /
1 + 2л—mxiSm
E„Ra
(1.58)
где цп и £„ - коэффициент Пуассона и модуль упругости поверх-
ностного слоя.
Комплексный параметр качества поверхностного слоя для
оценки коррозионной стойкости деталей имеет вид:
Су = (1,1«н4 + 4и3я
- 4,11/2) 28-106
Rw
tm2Sm2
(1.59)
где Rw - глубина сглаживания профиля шероховатости (расстоя-
ние от линии впадин до средней линии).
Аналогичные комплексные параметры качества поверхност-
ного слоя могут быть предложены и для оценки других эксплуата-
ционных свойств деталей машин и их соединений. Однако наибо-
лее перспективным направлением является установление такого
з*
68
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
комплексного параметра качества поверхностного слоя деталей
машин, который оказывает влияние практически на все эксплуата-
ционные свойства. В настоящее время в качестве такого параметра
может быть предложен параметр С, характеризующий равновесное
состояние поверхностей трения:
HpWpRp4
Sm6ul2X6 ’
(1.60)
Анализ показывает, что этот параметр достаточно хорошо ха-
рактеризует несущую способность поверхностного слоя деталей
машин, определяющую ее эксплуатационные свойства.
Точность соединений. Отдельные детали в ходе операций
сборки компонуются посредством соединений в сборочные едини-
цы и машины. Элементарным сочетанием поверхностей деталей
является соединение, т.е. две или несколько подвижно или непод-
вижно соединенных деталей. Форма сопрягаемых деталей может
быть различной, но большинство деталей сопрягаются по круго-
вым цилиндрическим, плоским и круговым коническим поверхно-
стям. Эти поверхности называют сопрягаемыми, и именно их
взаимодействие гарантирует точность соединений.
Типичным является такое соединение, когда одна деталь вхо-
дит в другую. Поэтому все поверхности разделяют на охватывае-
мые и охватывающие. Их называют также валом и отверстием.
Эти термины условны, поскольку форма сопрягаемых поверхно-
стей решающей роли не играет. Как вал, так и отверстие имеют
допуск. При соединении двух деталей может возникнуть зазор или
натяг, что связано с посадкой. Посадкой называют характер со-
единения деталей, определяемый значением получающегося зазо-
ра или натяга. Положение одной детали относительно другой за-
висит от взаимодействия полей допусков сопрягаемых деталей.
Кроме посадок, обеспечивающих зазоры или натяги, существует
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
69
переходная посадка, при которой возможно возникновение как
зазора, так и натяга.
Посадка в наибольшей степени влияет на качество соедине-
ния, так как она гарантирует заданное состояние деталей при их
соединении, например, подвижность (вал должен обязательно
вращаться во втулке) либо неподвижность (вал должен быть обя-
зательно связан со втулкой в одно целое). Существует понятие до-
пуск посадки. При посадке с зазором допуском посадки будет раз-
ность между наибольшим и наименьшим допустимыми зазорами, а
при посадке с натягом - разность между наибольшим и наимень-
шим допустимыми натягами.
Во многих случаях зазоры определяют по размерам деталей.
Это может быть оправдано для соединений сравнительно низкой
точности. С возрастанием точности деталей машины зазоры необ-
ходимо определять с учетом отклонений формы сопрягаемых по-
верхностей. Тогда в каждом сечении возникает свой зазор, а со-
единение характеризуется бесчисленно большим числом различ-
ных зазоров. За действительный зазор в этом случае принимают
расстояние между описанным и вписанным цилиндрами соответ-
ственно для вала и отверстия. Такие цилиндры вписывают в. дей-
ствительные поверхности сопрягаемых деталей или описывают
вокруг них. Чем выше точность изготовления соединения, тем
правомернее использование прилегающих элементов.
Для деталей, образующих посадки с натягами, необходимо
определять средние значения размеров сопрягаемых поверхностей.
Такие размеры находят в результате измерений деталей в несколь-
ких сечениях и нескольких направлениях. И в этом случае также
учитывают отклонение формы. Отклонения формы и размеров
главным образом влияют на качество соединения. Так, например, в
пределах посадки Hlls6 натяг, а следовательно, и прочность как
один из показателей качества в диапазоне диаметров 80 - 100 мм
меняется в 3,5 раза, а для посадки Н1!р6 -ъ! раз. Следовательно,
точность размера и точность формы сопрягаемых деталей являют-
70
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
ся основными характеристиками, обеспечивающими качество со-
единений.
Допуски и посадки представляются соответствующей систе-
мой, в основе которой лежат ряды значений. Такая система стан-
дартизована, что дает ощутимый экономический эффект. В боль-
шинстве стран мира применяют систему допусков и посадок ISO.
Переход на эту систему отечественной металлообрабатывающей
промышленности существенно упрощает решение проблем каче-
ства, в частности, на основе взаимозаменяемости. Внедрение сис-
темы ISO проводится по мере разработки норм взаимозаменяемо-
сти. Допуски и посадки по ISO предусмотрены в системе вала и в
системе отверстия. Посадки в системе отверстия (Н) обеспечивают
зазоры и натяги соединением валов различных размеров (с учетом
допусков) с основным отверстием. Посадки в системе вала (Л),
обеспечивают зазоры и натяги соединением отверстий различных
размеров (с учетом допусков) с основным валом.
Система допусков предусматривает наличие единиц допуска.
Такая единица является мерой точности в зависимости от но-
минального размера. Для размеров I - 500 мм в Российской системе
стандартов была принята единица допуска i = 0,5 lid , для этого же
интервала размеров в системе ISO принято i = 0,45 Hd +0,00IP,
где d - среднее арифметическое; D - среднее геометрическое
крайних размеров каждого интервала в миллиметрах. Слагаемое
0,00ID введено для учета погрешности измерения. Единицы до-
пуска определяют в микрометрах.
Для любого квалитета (системы точности) допуск Т + а„ где
а - число единиц допуска, зависящее от квалитета. Значение а от
номинального размера не зависит.
Наиболее точным методом определения посадок является рас-
четный, при этом учитывают основные физические явления при
взаимодействии сопрягаемых деталей (например, подшипников
скольжения и вращающихся в них валов). В этом случае можно
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
71
учесть одновременное влияние на служебные свойства деталей
многих параметров. Поскольку расчеты могут оказаться сложны-
ми и трудоемкими, для обеспечения качества следует пользоваться
рекомендациями (ориентировочно). Зазор в посадке, определен-
ный при температуре 20 °C, должен быть увеличен на расчетную
величину для компенсации температурной деформации деталей.
Переходные посадки H/js', Н/к, Н/т; Н/п применяют для не-
подвижных разъемных соединений при центрировании деталей.
Они характеризуются малыми зазорами и натягами и предусмот-
рены только в 4 - 8-м квалитетах. При выборе посадок следует
учитывать следующее: H/js применяется для часто разбираемых
узлов; Н/к обеспечивает точность центрирования и применяется
для посадки на шпонках шкивов и зубчатых колес; Н/т обеспечи-
вает передачу существенных статических и небольших динамиче-
ских нагрузок и применяется в редкоразбираемых соединениях;
Н/п применяется при значительных силах ударов и вибрациях; Н/к
и H/js применяются при частых разборках соединений; Н/п и Н/т
обеспечивают высокую точность центрирования и передачу боль-
ших нагрузок.
Посадки с зазором имеют следующие области применения:
Hl/ci, НЪ/сЪ - в соединениях, работающих при повышенных
температурах и не требующих высокой точности центрирования;
H9/d9, HWd9, Hl/dZ - в механизмах невысокой точности, в
крупных подшипниках, имеющих большие угловые скорости и
малые нагрузки, и в компрессорах для сопряжения поршень - ци-
линдр;
777/е8, /78/е8, Hl/el, Н9/е9 - в легкоподвижных соединениях
при жидкостном трении, для быстровращающихся валов крупных
машин, в турбогенераторах и электромоторах, работающих при
больших нагрузках; Hl/sl, HMft - для подшипников скольжения
электродвигателей малой и. средней мощности, для поршневых
компрессоров и коробок скоростей станков;
72
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
775/g4, H6/g5, Hl/g6 - в точных подвижных соединениях с га-
рантированным зазором, обеспечивающих точность центрирова-
ния;
Hi/hl - в пинолях задней бабки и сменных зубчатых колесах
станков, сменных кондукторных втулках; обеспечивает центриро-
вание при несколько сниженных требованиях к соосности;
//9/Й9, HiО/hi0, Hi Uhi 1 - для посадки шкивов, зубчатых ко-
лес и муфт с закреплением шпонкой при невысокой точности и
небольших нагрузках.
С помощью посадок с натягом получают неподвижные не-
разъемные соединения без дополнительного закрепления деталей.
Отсутствие взаимного перемещения обеспечивается силами сцеп-
ления по контактирующим поверхностям вследствие их деформи-
рования, создаваемого натягом. Посадки с натягом распростране-
ны благодаря относительной простоте их обеспечения.
Посадки с натягом применяют в соединениях:
Н1/р(> - тонкостенных деталей при передаче небольших на-
грузок;
Н1/г6 - кондукторных втулок с корпусом и шатунных втулок
с шатуном;
Hllul - венца червячного колеса со ступенью, втулок под-
шипников скольжения с корпусами и деталей, передающих боль-
шие нагрузки.
На предприятиях России накоплен большой опыт по увеличе-
нию надежности соединений применением посадок с натягом с
учетом отклонений формы сопрягаемых деталей, их шероховато-
сти, конструктивных факторов и методов сборки. Качество соеди-
нений (прежде всего прочность) может быть повышено также бла-
годаря гальваническим покрытиям сопрягаемых поверхностей или
нанесению на них мелких следов - рифлей.
Соединения могут быть образованы несколькими деталями,
взаимосвязь которых регламентируется исходя из служебного на-
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
73
значения узла или машины. Такая взаимосвязь определяется раз-
мерами деталей и допусками на них. Их колебание решающим об-
разом влияет на качество соединения. Задачи о взаимосвязях дета-
лей решаются с помощью размерных цепей.
Размерные цепи представляют собой замкнутые контуры, со-
стоящие из размеров тех деталей, которые непосредственно опре-
деляют параметр качества всего соединения. Размеры, образую-
щие размерную цепь, называют звеньями. Так, совокупность дета-
лей по рис. 1.11 образует размерную цепь со звеньями Ji, Аг ... .
В ходе проектирования машины разрабатывают конструкторские
размерные цепи. При изготовлении деталей определяют техноло-
гические допуски и осуществляют анализ технологических раз-
мерных цепей. Все звенья цепи делят на составляющие (А\, ..., As)
и замыкающее -Ао. Замыкающим звеном соединения по рис. 1.11
должен быть зазор, который и определяет качество соединения.
Его наличие является непременным условием правильной экс-
плуатации соединения при колебаниях размеров составляющих
звеньев. Колебания размеров обусловлены допусками на размеры
изготовляемых деталей и температурными деформациями в ходе
эксплуатации. Отсутствие зазора исключает вращательные движе-
ния расположенных на валу деталей.
Рис. 1.11. Схема для расчета размерной цепи
74
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Оценка качества соединений с помощью размерных цепей ос-
нована на установлении количественной связи между размерами
деталей машин. Номинальное значение зазора Ао можно легко ус-
тановить исходя из размеров составляющих звеньев. Аналогично
определяют допуски на замыкающие звенья. Различают увеличи-
вающие и уменьшающие составляющие звенья. Увеличивающие
при их увеличении увеличивают замыкающее звено, а уменьшаю-
щие при их увеличении уменьшают замыкающее звено. Допуск на
замыкающее звено
и	п+р
ТА0=уТА1ув+^ТА,ум,	(1.61)
Z=1	1=Л+1
где Т/4ув - допуск на увеличивающее составляющее звено; ГЛум -
допуск на уменьшающее составляющее звено.
Если принять, что т - общее число звеньев в цепи и т - 1 =
т-1
= п + р, то 7L4q = ^TAi . Следовательно, допуск замыкающего
1=1
звена равен сумме допусков составляющих звеньев. При решении
практических задач в последнюю формулу можно подставлять
предельные значения допусков (метод «максимум - минимум»)
либо их вероятностное значение (вероятностный метод).
Размерные цепи могут быть линейными, если все размеры
располагаются вдоль одной линии (нескольких параллельных ли-
ний), плоскими, если размеры располагаются в одной или несколь-
ких параллельных плоскостях, или пространственными, если все
или часть размеров располагаются в непараллельных плоскостях.
Существуют также угловые размерные цепи (образованы сочета-
нием углов). Принципиальный же подход к анализу размерных
цепей остается общим, и в его основе лежит аналитическое или
графическое определение допуска размера замыкающего звена.
Во многих случаях соединения образуются при действии си-
ловых факторов, т.е. сил и моментов сил. Это характерно для со-
единений, которые точно фиксируют взаимное положение дета-
лей. Наличие силовых факторов приводит к возникновению упру-
гих деформаций сопрягаемых деталей. При этом изменяется ха-
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
75
рактер посадок, возникают отклонения формы, снижающие каче-
ство соединения. Лишь в редких случаях силовые факторы приво-
дят к повышению качества.
Деформирование при сборке в значительной степени ощутимо
для высокоточных соединений. Например, вследствие деформиро-
вания возникают давления, отличающиеся от номинальных, зазо-
ры приобретают формы, отличающиеся от расчетных, а натяги
становятся неравномерными. Направляющие планки в результате
прикрепления их винтами к корпусным деталям получают откло-
нения от прямолинейности и плоскостности. На рабочей поверх-
ности возникает своеобразная волнистость с числом волн, равным
числу винтов. Поэтому деталь, перемещающаяся по таким планкам,
будет контактировать лишь с вершинами волн, а указанные откло-
нения могут привести к возникновению чрезмерно большого давле-
ния и снижению долговечности соединений. Аналогично отклоне-
ния формы на дорожках качения подшипников из-за деформирова-
ния корпусных деталей в районе расположения установочных по-
верхностей под подшипниками так существенно влияют на работу
последних, что их долговечность снижается в несколько раз. Так,
снижение высоты волн с 1,5 мкм в 5 раз приводит к увеличению
долговечности подшипников качения примерно в 2,5 раза.
Погрешности, возникающие в соединениях, во многих случа-
ях определяют расчетным методом. Это относится к цилиндриче-
ским и коническим поверхностям (кольца, втулки, гильзы, стака-
ны, валы, корпуса), плоским поверхностям (торцы колец, столы,
планки, клинья), а также при определении отклонений расположе-
ния поверхностей деталей в соединении. Применяют также экспе-
риментальные методы определения погрешностей соединения.
Материалы, приведенные в данной главе, позволяют научно
обоснованно подойти к выбору материалов, точности размеров и
параметров качества поверхностного слоя деталей машин для
обеспечения их функционального назначения (табл. 1.6).
Таким образом, качество изделий машиностроения заклады-
вается при проектировании, обеспечивается в процессе производ-
ства и проявляется при эксплуатации, т.е. формируется практиче-
ски на всех стадиях жизненного цикла.
76
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
1.6. Параметры, определяющие эксплуатационные
Эксплуатационные свойства	Свойства материалов				Размер и его точность		Параметры			
		От	Е	НВ	<U В	т	^Апах		wt	w
Контактная жесткость:										
первое нагружение	0	+	+	+	+♦	_*	-	—♦	-	—♦
повторное нагружение	0	0	+	—	+♦	_♦	—		—	
Коэффициент трения	+	+	+	+	0	0	+	+♦	+	+♦
Износостойкость	+	+	+	+	+	_♦	-	_♦	-	
Герметичность соединений	0	—	_♦	—			—	—♦	—	—♦
Прочность посадок	0	—	+*	—	+*	—♦	—	—♦	—	_♦
Прочность деталей	+♦	+	+*	—	+♦	0	0	0	0	0
Усталостная прочность	+	+*	+	_♦	+*	0	0	0	0	0
Коррозионная стойкость	0	0	0	0	0	0	0	0	—	—
Поверхностная теплопроводность	—	—	0	0	+♦	_♦	—♦	_♦	_♦	_♦
Термостойкость	+	+	+	+	0	0	0	0	0	0
Примечание. «+» и «-» означают соответственно, что увеличение
данного эксплуатационного свойства; * - параметр оказывает основное
зывает влияния на данное эксплуатационное свойство.
КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
77
свойства деталей машин и их соединений
качества поверхностного слоя
Smw	Ra, Rz	р /vmax			Sm	s	Я'а	S'm	^OCT	hco		hK	8	Is	pD
															
—	—	—	_♦	+♦	+	0	0	0	+♦	0	+♦	0	_*	—*	—*
		—	—	_*	+*	+*	0	0	0	—	0	—	0	_♦	_♦	_*
—	+	+	+♦	—♦	—	—	+	—	—	0	+♦	0	+	—	—
+	-	-	—♦	+*	+*	+	-	+	+♦	0	+*	0	+*	_*	_*
—	—	—	_*	+♦	—♦	—	—	—	—	0	—♦	0	0	0	0
—	—	—	—♦	+♦	—	0	—	0	—	0	_♦	0	0	0	0
0	—		+	—	+*	0	0	0	+*	+*	+*	+*	+	_♦	_*
0	—	_♦	+	—	+*	0	0	0	+*	+♦	+♦	+♦	+*	—♦	
+	_*	—	—	+	+♦	+♦	_♦	+*	—♦	—	—	—		+♦	_*
	*		♦	+♦			*							4-	—
0	-	-	-	+	+	0	0	0	-	0	-	0	-	_♦	_*
или уменьшение этих параметров вызывает улучшение или ухудшение
влияние на данное эксплуатационное свойство; «О» - параметр не ока-
Глава 2
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ
ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
2.1.	СОВРЕМЕННОЕ ПОНЯТИЕ О ТОЧНОСТИ
В МАШИНОСТРОЕНИИ
Под точностью понимают степень соответствия параметров
отдельных характеристик готового изделия, определенных значе-
нием этого параметра, заданным по чертежу. Такое значение явля-
ется эталонным.
Поскольку характеристик каждого изготовленного изделия,
как правило, много, то из большого их количества отбирают те
показатели точности, которые играют решающую роль в оценке
качества изделия. Так, точностные показатели изделий могут от-
носиться к массе изделия, напряжениям, шероховатости поверхно-
сти, отражательной способности поверхности и др. Однако в тех-
нологии машиностроения наибольшее распространение имеют
геометрические показатели точности.
Так как ни одна характеристика изделия не может иметь абсо-
лютного значения, непременным условием оценки точности явля-
ется установление допустимых отклонений значений характери-
стик. Эти отклонения формируют допуск. Допуск представляет
собой разность между двумя предельными допустимыми значе-
ниями характеристик. Различают функциональные, конструктор-
ские и технологические допуски. Первые устанавливают исходя из
надежного функционирования машины. Сюда, например, могут
быть отнесены допуски на размеры проходных сечений жиклеров,
форсунок, трубопроводов и др. В функциональный допуск входят
эксплуатационный и конструкторский допуски. Эксплуатацион-
ный допуск связан с возможными изменениями, происходящими в
машине за период длительной эксплуатации. Конструкторский
СОВРЕМЕННОЕ ПОНЯТИЕ О ТОЧНОСТИ В МАШИНОСТРОЕНИИ 79
допуск регламентирует изменение различных параметров изделия,
в том числе технических, за жизненный цикл детали или изделия.
Назначение технологических допусков в технологии машино-
строения еще не нашло должного развития. Если функциональный
или конструкторский допуск имеют вполне определенное и един-
ственное значение, устанавливаемое на рабочих чертежах в виде
чисел (количественное представление), то технологические допус-
ки имеют множество значений, соответствующих построению
конкретного операционного технологического процесса.
Последнее замечание разовьем применительно к допускам
геометрического характера, поскольку именно они получили в
технологии машиностроения наибольшее распространение. Такие
допуски относятся прежде всего к размеру, форме и взаимному
расположению поверхностей деталей.
Поскольку после каждого технологического перехода или
операции возникают свои геометрические (и иные) параметры, то
они должны иметь свои технологические размеры и допуски. Их
определяют на основе методики расчета припусков по переходам.
Промежуточные размеры необходимы для конструирования тех-
нологической оснастки, применяемой в ходе изготовления детали.
Так, базирующие элементы кондукторов определяют исходя из
промежуточных размеров и допусков. Например, первый кондук-
тор конструируют исходя из размеров и допусков на начальной
технологической операции, а второй кондуктор для изготовления
той же детали, но на конечных операциях конструируют и изго-
тавливают на основе совершенно других данных.
Понятие точности должно быть непременно связано с функ-
ционированием технологической системы. Такая система - станок -
заготовка - инструмент - оснастка непременно должна быть замк-
нутой. Разомкнутая система не может характеризовать точность.
Совершенно не является правомерными утверждения о том, что
точность детали определяется точностью металлорежущего стан-
ка. Все элементы системы переносят свои свойства и особенности
80 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
на изготовляемую деталь. Приоритет «станочной составляющей»
точности был характерен для первой половины XX века. Но за
весь век точностные параметры изделий ужесточились примерно в
2000 раз. На первый план выходят тепловые, динамические и дру-
гие показатели технологических систем, регламентирование от-
клонений формы и взаимного расположения поверхностей. Особое
значение такая постановка проблемы имеет при рассмотрении
«технологической составляющей» почти всех этапов жизненного
цикла изделия, а также при создании виртуальных производств,
этапы которых должны рассматриваться с позиции технологиче-
ских и информационных систем.
Рассмотрение единичной поверхности изготовляемой детали и
оценка точности по важнейшим показателям, безусловно, необхо-
димы. Вместе с этим становится наиважнейшей в научном плане
оценка системы взаимосвязей поверхностей изготовленной детали.
Совокупное представление поверхностей дает единственно пра-
вильное понимание роли конкретной детали в собранной машине.
Так, достижение с высокой геометрической точностью показате-
лей шейки вала, а также обеспечение малой шероховатости вполне
могут быть обесценены, если не будут оговорены характеристики
опорных торцев вала и методы обеспечения малых отклонений от
плоскостности торцев к оси вала. Это, в свою очередь, может по-
требовать системного подхода и к другим поверхностям того же
вала.
Во многих случаях оценка точности изделий проводится с по-
мощью размерного анализа. Методика такого анализа разработана
детально для многих технологических решений. Измерительная
аппаратура позволяет определять размеры с высочайшей точно-
стью не только непосредственным измерением, но и дистанцион-
ная оценка размеров в трехмерном пространстве дает возможность
в должной мере развивать компьютерную литографию. В связи со
сказанным важнейшей задачей является переход к более полной
оценке отклонений формы и взаимного расположения поверхно-
СОВРЕМЕННОЕ ПОНЯТИЕ О ТОЧНОСТИ В МАШИНОСТРОЕНИИ 81
стей объектов. Чрезмерное увлечение чисто размерным анализом
может только затормозить развитие проблемы точности в машино-
строении. Необходимо все методические положения размерного
анализа распространять на смежные области точности машино-
строительных изделий.
Еще одна особенность технологических допусков относится к
операциям сборки. Сборку нельзя себе представить без силового
взаимодействия сопрягаемых деталей. Силы и моменты сил, воз-
никающие на операциях сборки, непременно деформируют детали.
Эти деформации могут быть как малыми, так и такими, которые
выводят детали за пределы допусков. Необходима оценка возни-
кающих деформаций, т.е. погрешностей. Деформированная деталь
предстает совершенно в новом свете, поскольку нарушаются по-
верхности контактов, возникают кромочные явления и целая серия
отклонений от геометрических образцов, представленных на рабо-
чих чертежах деталей. Так возникает еще одна серия технологиче-
ских допусков. Методика оценки таких допусков, их зависимость
от технологических факторов и регламентирование значений фак-
торов на многих машиностроительных фирмах содержатся в сек-
рете. Решение же рассмотренной проблемы в последнее время свя-
зано с компьютерной поддержкой принимаемых технологических
решений. Собственно технологические решения позволяют при
правильном осмыслении физической картины явления повысить
точность по многим параметрам, не прибегая к дополнительным
материальным затратам.
Причины, вызывающие отклонения различного характера в
ходе изготовления деталей, практически действуют одновременно.
Все эти погрешности как бы аккумулируются на детали. Годность
же самой детали проверяют соответствием параметров реальных
поверхностей и параметров материала, которые к моменту контро-
ля сформировались в результате технологических воздействий.
Особо оговаривается экономическая составляющая достиже-
ния заданной точности. Не существует линейной зависимости ме-
82 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
жду стоимостью машины и величиной достигаемой точности. На-
пример, если металлорежущий станок токарной группы имеет при
его нормальной точности отклонение между осями шпинделя и
отверстия задней бабки Д мм, то он стоит N р. Станок же с откло-
нением 0,25А стоит 100N р. Такие соотношения допустимых от-
клонений и стоимости считаются нормальными. В ряде случаев
размерная цепь, составленная из прецизионных деталей, не дает
необходимой точности замыкающего звена. Дальнейшее увеличе-
ние точности составляющих звеньев не дает ощутимого результа-
та, а стоимость изделия резко возрастает. В таких случаях на сбор-
ке используют метод пригонки, иногда требующий, в свою оче-
редь, некоторого изменения конструкции изделия.
Метрологический аспект рассмотрения проблемы точности
требует особого внимания. Даже определение отклонения от пря-
молинейности, когда измерение проводится только по одной трас-
се, оказывается в производственных условиях операцией, требую-
щей больших затрат времени и средств. Сама методика определе-
ния данного отклонения предусматривает рассмотрение несколь-
ких величин, полученных измерением, и определения наименьше-
го из них. Аналогичное замечание необходимо отнести к опреде-
лению отклонения от плоскостности.
Специальных методик требует определение отклонений от
цилиндричности и от конусности.
Оценка точности машиностроительных изделий по парамет-
рам параллельности, перпендикулярности, симметричности и др.
может потребовать специальной измерительной аппаратуры, часто
использующей электронику и оптику. Предпочтение следует отда-
вать таким измерительным средствам, которые имеют самопишу-
щие устройства. Соответствующая диаграмма измерений является
объективным свидетельством достигнутой точности. Здесь на пер-
вом месте стоят кругломеры, которыми снабжены многие маши-
ностроительные предприятия, выпускающие точные изделия. На
СОВРЕМЕННОЕ ПОНЯТИЕ О ТОЧНОСТИ В МАШИНОСТРОЕНИИ 83
кругломерах определяют отклонения от круглости наружных ци-
линдрических и конических поверхностей, а на некоторых моде-
лях кругломеров - отклонения от прямолинейности образующих.
Собственно отклонение от круглости определяют по шаблону, на-
лагаемому на круглограмму, выполненную самописцем.
Анализ проблемы точности и ее динамики приводит к выводу,
что в текущем веке все параметры точности в машиностроении
будут ужесточаться еще больше. В ряде стран введено понятие
«нанотехнология», предусматривающее как изготовление, так и
измерение параметров, прежде всего геометрического характера с
точностью до одной миллиардной метра. Образно говоря, нано-
технология призвана сменить микротехнологию.
Принципиальным является вопрос о характере обеспечения
заданной точности. Режущие инструменты в виде клина уже не
могут выполнять заданный размер, так как режущая кромка лез-
вийного или абразивного инструмента имеет скругление. Поэтому
часть материала сходит по передней грани инструмента, а другая
часть сглаживается тем же инструментом на поверхности заготов-
ки. На смену таким методам достижения точности, т.е. в противо-
вес методу удаления массы материала, приходит метод нанесения
материала в виде тончайших слоев с размерами в нанометрах.
Одновременно следует отметить, что собственно нанесение таких
слоев позволяет буквально конструировать заготовку, когда на
смену слоя из определенного материала приходит другой слой,
скрепленный с первым. Если необходимо, создаются оксидная,
нитридная и другие зоны или слои заготовки.
Развитие нанотехнологии сопровождается одновременным
созданием различных микромашин, требующих высокой точности.
По японским и швейцарским данным, такие машины представля-
ют собой миниатюрные насосы для перекачки крови из одного со-
суда в другой, роботы, выполняющие медицинские операции
внутри полостей человеческого организма, и другие устройства.
Точность частей таких механизмов требует, в свою очередь, соз-
84 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
дания миниатюрных металлорежущих станков. Сообщается, что
уже созданы токарные станки со станинами всего в несколько де-
сятков миллиметров и двигателем мощностью в 3 Вт. На таких
станках возможно обтачивание валов диаметром до 0,6 мм. Также
созданы фрезерные станки высотой, несколько превышающей
100 мм. Во всех случаях создание новых машин, устройств, обору-
дования диктуется самой жизнью, но непременно связано с уже-
сточением параметров точности.
2.2.	ТОЧНОСТЬ ЗАГОТОВОК
Во многих случаях заготовку выбирает конструктор детали.
Такой выбор уже отражается в рабочем чертеже. Так, очень четко
можно по форме детали (характерные размеры, ребра жесткости,
перемычки и пр.) определить, что ее заготовка отливается или
штампуется. Такому выбору способствует также и указание на ма-
териал детали. Так, литую заготовку из чугуна или силумина нель-
зя спутать со стальной заготовкой, выполненной из проката.
Если указанные данные в рабочих чертежах отсутствуют (что
прежде всего относится к форме), то технолог сам назначает заго-
товку и отражает в технологической документации все ее особен-
ности. Во всех случаях точностные параметры заготовок связыва-
ются с функциональным назначением детали, изготовленной из
заготовки. Ряд точностных требований указывается на рабочих
чертежах в технических условиях.
В мировой практике существует тенденция изготовлять заго-
товки, конфигурации которых оказываются близкими к детали.
Такая тенденция диктуется возможностью последующей разработ-
ки коротких технологических цепочек, в которых сравнительно
часто отсутствует лезвийная обработка различных поверхностей.
Конфигурация и точностные геометрические показатели обеспе-
чиваются только шлифованием. Однако вместе с этим необходим
экономический анализ стоимости заготовок высокой точности,
поскольку необходимы затраты на точные штампы, пресс-формы,
ТОЧНОСТЬ ЗАГОТОВОК
85
кокили и пр. Эту ситуацию рассмотрим на основе рис. 2.1. Стои-
мость детали - Сд - оказывается различной при использовании за-
готовок: I - наиболее точной, II - средней точности и III - наи-
меньшей точности. Стоимость механической обработки (МО), ес-
тественно, увеличивается при использовании менее точных заго-
товок. Однако стоимость заготовок с уменьшением их точности,
наоборот, падает. Суммарная кривая Е имеет минимум, который
указывает на наиболее целесообразное использование заготовок с
позиции стоимости детали. Рассеяние значений стоимости загото-
вок - Дзаг и механической обработки - ДМо приводит к рассеянию
значений ДЕЛ но принципиально картину не изменяет.
Рис. 2.1. Графики для определения стоимости деталей,
выполненных из заготовок различной точности
86 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Минимум на кривой Е обязателен, однако его расположение
вдоль горизонтальной оси графика зависит от конкретных условий
производства. В связи с общим удорожанием производства на-
блюдается более резкое удорожание точных заготовок. На
рис. 2.2, а показана стоимостная картина, характерная для про-
шлых лет, а на рис. 2.2, б - для настоящего времени. Удорожание
точных заготовок приводит к смещению минимума стоимости де-
тали вправо, что означает более широкое использование менее
точных заготовок. Это обстоятельство противоречит мировой тен-
денции стремления к точным заготовкам и, по-видимому, является
временным.
Рис. 2.2. Графики уточнения стоимости детали
ТОЧНОСТЬ ЗАГОТОВОК
87
У заготовок показатели точности физико-механического ха-
рактера также отражают состояние производства. Особое внима-
ние обращается на рассеяние показателей точности. Чаще всего
это относится к твердости поверхностных слоев и сердцевины за-
готовок и напряжениям поверхностных слоев. Сравним, например,
две партии заготовок по параметру твердости, колебание которой
(точность) оговаривается в состоянии поставки (рис. 2.3). Партия
заготовок 1 имеет рассеяние, которое характеризуется соответст-
вующей кривой распределения. Поле рассеяния - он - количест-
венно показывает допустимое отклонение по твердости. Анало-
гичные показатели отмечаются и у партии 2. Математическое
ожидание (НВ)2 оказывается выше, чем (НВ)ь Средняя твердость
второй партии заготовок выше. Тем не менее на этом основании не
следует считать партию 2 более качественной, чем партию 7.
Возможен обратный вывод: более качественной является партия 7,
поскольку точность ее по параметру твердости выше. Анало-
гичный подход правомерен и к другим показателям заготовок и
Рис. 2.3. Графики рассеяния твердости у двух
партий заготовок
88 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
материалов для них. Распространены методы входного контроля
заготовок не только по геометрической точности, но и по неметал-
лическим включениям, даже с указанием вида таких включений.
Допустимые отклонения указываются в виде полей рассеяния
(предельные значения).
Наиболее полно взаимосвязь этапов разработки технологиче-
ских процессов по пересмотру точности наблюдается, естественно,
на примере геометрических параметров. Известно, что из заготов-
ки, например, вала, имеющей больший диаметр, изготавливается и
вал наибольшего диаметра. Это же явление характерно для других
классов деталей. Во всех этих случаях наблюдаются явления ко-
пирования, т.е. частный случай технологического наследования.
В большинстве же случаев самые разнообразные свойства загото-
вок передаются на изготовление детали по более сложным зависи-
мостям, сам же факт передачи является объективным физическим
законом.
Особый вид погрешностей заготовок - пространственные от-
клонения поверхностей. Эти погрешности - взаимного расположе-
ния и сюда относятся отклонения от перпендикулярности поверх-
ностей, отклонения от параллельности, соосности, симметрии и
др. Точность таких заготовок определяют по специальным нор-
мам, регламентируемым стандартами. В этом случае также прояв-
ляется технологическая наследственность. Количественные же по-
казатели точности ощутимо сказываются на величинах припусков
на механическую обработку.
Рассмотрим один важный момент, когда геометрическая точ-
ность заготовок практически не играет роли. Такая ситуация
может оказаться характерной для предприятия с серийным типом
производства и сравнительно большими объемами годового
выпуска. На рис. 2.4 показаны три заготовки для изготовления
зубчатого колеса. В зависимости от величины партии колес выби-
рается определенный вид заготовок - от самой сложной - 1 до
простейшей - 3. Однако если величина партии колес очень велика,
ТОЧНОСТЬ ЗАГОТОВОК
89
Рис. 2.4. Различные формы заготовок для изготовления
зубчатого колеса
стоимость каждой очень сложной заготовки уменьшается. При
этом затраты на такие заготовки оказываются меньше, чем затраты
на изготовление оснастки и механическую обработку заготовок
для колес 2. Поэтому на предприятиях компонуют схожие по кон-
фигурации заготовки для последующего изготовления самых раз-
ных деталей, выполняют одну-, единственную заготовку сложной
формы. Такая заготовка может оказаться близкой к форме готовой
детали. Вместе с тем вопрос о геометрической точности таких за-
готовок снимается вовсе, равно как и оценка технологического
процесса по коэффициенту использования материала. Общая же
выгода от использования таких заготовок оказывается весьма
ощутимой.
Несмотря на неоспоримые достижения мировой практики в
деле создания новых и рационального использования оригиналь-
ных комбинированных заготовок, основу заготовительного произ-
водства определяют заготовки литые, полученные методами обра-
ботки давлением, сварки, порошковой технологии.
Точность литых заготовок существенно зависит от метода их
получения. При ручной формовке с использованием песчаных
смесей масса заготовок не ограничивается. Такие заготовки вы-
полняют из чугуна, стали, цветных и алюминиевых сплавов. Тол-
щины стенок у чугунных заготовок, а также цветных материалов
может быть ограничена 3 - 8 мм. Для стальных заготовок она до-
ходит до 5 - 8 мм.
90 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
При машинной формовке точность заготовок повышается, но
масса их ограничивается до Ют. Использованием специальной
оснастки для сборки стержней точность заготовок может быть еще
больше повышена, но и масса их ограничивается до 3 - 5 т.
Литье в оболочковые формы ограничивает массу заготовок до
0,15 т, но толщины стенок отливок могут быть уменьшены до 3 -
5 мм из стали и 1 - 1,5 мм из алюминиевых сплавов. Такой же массы
заготовки достигают при литье по выплавляемым моделям. Толщина
стенки может доходить до 0,5 мм при обеспечении сложной формы
отливки из сталей и труднообрабатываемых материалов.
Для деталей, имеющих форму тела вращения, удобно приме-
нить центробежный метод отливки для таких материалов, как чу-
гун, сталь и цветные сплавы. Масса отливки колеблется в интерва-
лах 0,01 —1 т с достижением толщин стенок 5-8 мм.
Если партия заготовок не менее 300 шт., целесообразно литье
в кокиль. Масса отливок колеблется в пределах 0,25 - 7 т, но до-
пустимая минимальная толщина стенок увеличивается и достигает
для алюминиевых сплавов 3 мм, стали 10 мм и чугуна 15 мм.
Для сплавов из цветных металлов при больших партиях заго-
товок успешно используют метод литья под давлением. Масса за-
готовок в этом случае достигает 0,1 т при минимальной толщине
стенок 0,5 мм.
Допуски линейных размеров отливок зависят от их номиналь-
ных размеров, а также класса точности отливок и оговариваются в
каждой стране, а в отдельных случаях и на фирмах (особо). Так, в
России для интервалов номинальных размеров от 4 до 10 000 мм
стандартом предусматривается 16 классов точности, но есть и до-
полнительные классы точности. Стандарт соответствует междуна-
родному стандарту ИСО 8062-84. Стандарты регламентируют
способы литья, наибольшие габаритные размеры отливки, типы
металлов и сплавов, а также достигаемую шероховатость.
Точность заготовок, получаемых обработкой давлением,
также зависит от метода их получения. Очень крупные поковки
ТОЧНОСТЬ ЗАГОТОВОК
91
(массой до 250 т) сравнительно простой формы получают на моло-
тах и прессах. Материалами таких поковок являются углеродистые
и легированные стали и специальные сплавы. Если для этих же
материалов использовать подкладные кольца и штампы, то при тех
же толщинах стенок удается получить более сложные заготовки,
но масса их ограничивается и доходит до 10 кг.
Заготовку в виде ступенчатых тел вращения удобно получать
на радиально-ковочных машинах из прутка или трубы при сохра-
нении тех же толщин стенок.
Штамповка на молотах и прессах увеличивает точность заго-
товки, особенно с последующей калибровкой. В этих случаях уда-
ется получить толщину стенки до 2,5 мм. Однако при извлечении
штампованной заготовки из штампа возникают деформации в виде
погрешностей формы и расположения.
Сравнительно простые по форме заготовки получают на гори-
зонтально-ковочных машинах. Метод применяется для сталей и
цветных сплавов для заготовок массой до 0,015 т с достижением
толщин стенок до 2,5 мм. Для получения заготовок сравнительно
простой формы преимущественно в виде тел вращения и диамет-
ром до 200 мм применяют также метод выдавливания. Он исполь-
зуется как для углеродистых, так и легированных сталей, а также
специальных и алюминиевых сплавов.
Штамповка на чеканочных криволинейно-коленных прессах
позволяет получать заготовки массой до 0,1 т. Однако в этом слу-
чае точность заготовок оказывается на 25 - 30 % выше, чем при
изготовлении на молотах.
Холодная высадка на автоматах позволяет с большой про-
изводительностью получать заготовки размером 1 - 30 мм пре-
имущественно в виде тел вращения. Она используется для сравни-
тельно широкого круга материалов.
Справочная литература располагает достаточно полными дан-
ными о точностных показателях заготовок. При разработке техно-
логических процессов с использованием таких заготовок необхо-
92 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
димы соответствующие коррективы. Таковыми являются размеры
заготовок, расположение плоскости разъема штампа, степень
сложности заготовки, особенности оборудования, износ штампов и
оборудования и т.д.
Методом холодной штамповки получают заготовки из лис-
тового материала. Такой материал поставляют в виде полос и
ленты. Точность листовой штамповки в совмещенном штампе
± (0,02 ... 0,08) мм, в последовательном ± (0,1 ... 0,3) мм и в раз-
дельном ± (0,3 ... 0,5) мм.
Для повышения точности заготовок, получаемых методом об-
работки давлением, применяют правку. Она устраняет искривле-
ния и коробление заготовок. Правку производят в горячем и хо-
лодном состояниях. Однако применительно к прецизионным изде-
лиям правки заготовок стараются избегать вовсе, так как через не-
которое время после нее заготовка (или деталь) имеет тенденцию
вернуться в исходное состояние. Величину такой деформации
оценивают особо.
Весьма распространены заготовки из проката. Круглый
прокат, точностные характеристики которого приводятся в спра-
вочной литературе, используют в единичном и мелкосерийном
производстве, а для среднесерийного, крупносерийного и массово-
го производства прокат является исходной заготовкой для штам-
повки. Прутковый материал, полученный прокаткой и волочением,
находит применение и в массовом производстве. Органическим
недостатком таких заготовок является кривизна проката. Правка та-
ких заготовок вполне допустима. Проведение этой операции на вал-
ках обеспечивает уменьшение кривизны оси проката до 1 ... 2 мм на
длине 1 м.
К числу прогрессивных справедливо относят заготовки из пе-
риодического проката. Детали типа валов, изготовленные из ука-
занных заготовок, представляют собой участки длинных штанг
переменного профиля. Собственно заготовка получается разрезкой
штанги на части. Шейки предполагаемого вала предпочтительно
ТОЧНОСТЬ ЗАГОТОВОК
93
не обтачивать на станках, а сразу шлифовать. При этом предпоч-
тение отдается одновременному шлифованию нескольких шеек
вала. Прочие же поверхности валов не обрабатывают вовсе. При-
мером таких деталей являются полуоси автомобилей.
Прокат тел вращения является наиболее прогрессивной заго-
товкой (например, заготовки для колес железнодорожных вагонов
и др.). В этом случае показатели точности заготовок (включая фи-
зико-механические характеристики) выдерживаются в достаточно
жестких пределах.
Фасонные профили, особенно из цветных сплавов, являются
промежуточными заготовками для создания сложных штампо-
сварных конструкций. Соответствующая заготовка определенного
профиля изгибается, и несколько заготовок свариваются для по-
следующей механической обработки резанием. Аналогичным спо-
собом создают штамполитосварные заготовки. Во всех случаях
разработки технологических процессов с использованием загото-
вок точностные характеристики являются той основой, которая
позволяет логически переходить от одной технологической опера-
ции к другой.
Все большее распространение получают заготовки, изготов-
ленные на основе порошковой металлургии. В этом случае воз-
можно также получение готовых деталей, так как точность их от-
дельных элементов соизмерима с точностью деталей, полученных
методами резания на металлорежущих станках. При изготовлении
рассматриваемых заготовок характерны три стадии: получение
порошков, прессование и спекание. При этом операции прессова-
ния и спекания могут быть совмещены. Отдельные заготовки про-
питывают расплавленным металлом. Для повышения точности за-
готовки калибруют.
Основным показателем точности физико-механических харак-
теристик заготовок является их плотность, выражаемая в процен-
тах. Эти точностные показатели находятся в прямой зависимости
от функционального назначения детали. Для различных условий
94 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
изготовления указанные характеристики дают в справочной лите-
ратуре по порошковой технологии. Заготовки разделяют по груп-
пам сложности. Для заготовок из цветных металлов предпочти-
тельными для условий крупносерийного производства оказывают-
ся группы с 1 по 7, а для стальных и чугунных заготовок - с 1 по 5.
Наибольшее распространение получило холодное прессование
порошков с последующим спеканием. Для этих условий высотные
параметры заготовок находятся в пределах IT 11 ... 12, а диамет-
ральные параметры - в пределах IT6 ... 8. Возможно достижение
шероховатости Ra 0,16. Для получения таких результатов, безус-
ловно, регламентируется давление при прессовании. В необходи-
мых случаях повышение точности достигается чеканкой заготовок
в калибровочных пресс-формах. Регламентируется также точность
пресс-форм, она должна быть на один квалитет выше, чем точ-
ность изготовляемых заготовок.
Выбор заготовок при разработке технологических процессов
изготовления деталей является одним из главных этапов, посколь-
ку непосредственно связан с материальными затратами на произ-
водство. Определение вида и, далее, способа изготовления заго-
товки количественно оценивается точностными параметрами, ка-
ждый из которых, в свою очередь, выражается стоимостными по-
казателями. Ресурсы производства, используемые при выборе за-
готовок, анализируются методами сравнения. Чаще всего точност-
ные данные относятся к категории приоритетных. Автоматизиро-
ванная поддержка решений проблемы в последние годы становит-
ся одним из главных методических решений, используемых на пе-
редовых предприятиях. Каждое из таких предприятий постоянно
пополняет базу данных, упрощая и ускоряя последующие техноло-
гические разработки. Для разных видов заготовок есть характер-
ные показатели. Для литых заготовок автоматизированный вари-
ант предусматривает выбор по марке материала, массе заготовки,
габаритным размерам, толщине стенки отливок, площади стенок,
глубине и диаметру как сквозных, так и глухих отверстий и ряду
других заданных показателей качества детали и заготовки. Следу-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАРШРУТ И РАСЧЕТ ПРИПУСКОВ
95
ет ожидать, что автоматизированные поддержки при выборе заго-
товок любого вида станут нормой принятия технологических ре-
шений.
2.3.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАРШРУТ И
РАСЧЕТ ПРИПУСКОВ
При разработке технологических процессов изготовления де-
талей заготовка предстает перед технологом как вполне реальный
объект производства с указанием всех параметров, большую часть
которых составляют точностные параметры. Применительно к
конкретной заготовке разрабатывают технологический маршрут,
он представляет собой документ, в котором определены последо-
вательность проведения предлагаемых технологических операций
и их количество. При этом точностные взаимосвязи между опера-
циями являются основными звеньями всей технологической цепи.
В маршруте разрабатывают технологические базы, исполь-
зуемые в ходе всего процесса, виды закреплений заготовок и т.д.
Разработка каждой схемы базирования основывается на том, что
заготовка как твердое тело должна быть лишена всех степеней
свободы. Возможные же перемещения заготовок (как неупругие,
так и упругие) рассматриваются как очаги возникновения погреш-
ностей с потерей точности. Именно возможная потеря точности
при обработке заставляет технолога назначать базы в виде поверх-
ностей, линий или точек исходя из наиболее устойчивого положе-
ния заготовки с одновременной увязкой взаимного расположения
технологических и измерительных баз.
Каждый технологический маршрут предполагает соответст-
вующий набор операций (а в последующем и переходов). При
этом после каждой операции у заготовки возникает свой новый
размер, допуск на этот размер или другой параметр точности, а
также шероховатость. Точностная взаимосвязь между размерами
обязательна. Она определяет исходные данные технологической
оснастки и режимы обработки при использовании как черновых,
96 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
так и основных баз. Все эти данные формируют мыслительную
деятельность технолога в исключительно сложных условиях мно-
говариантности технологических процессов. Разработка маршру-
тов для поточного производства выставляет дополнительные тре-
бования и условия.
Еще на начальных стадиях развития технологии машино-
строения как науки было установлено, что существует некоторая
точностная связь между технологическими операциями или пере-
ходами. Количественно такая связь характеризовалась коэффици-
ентом уточнения К^,
К —	 К <1
ут Да ’ ут ’
здесь Ду - погрешность или свойство, возникающее на данной
операции или переходе; Да - погрешность или свойство, остав-
шееся от предыдущей операции или перехода. Чаще всего величи-
ны этого коэффициента относили к размеру, и для правильно раз-
работанного технологического процесса значение Kyt < 1 счита-
лось нормой.
На рис. 2.5 представлены варианты изменения точности для
различных технологических маршрутов. Рис. 2.5, а показывает,
что в ходе технологических операций от 1 до 6 и т.д. коэффициент
уточнения не изменяется и равен единице. Однако нельзя одно-
значно утверждать, что данный технологический маршрут совер-
шенен или должен быть отвергнут. Оценку можно вынести лишь
тогда, когда речь идет о конкретном показателе точности. Так, ес-
ли маршрут оценивается по точности размера, то он должен оце-
ниваться однозначно отрицательно, так как уточнения размеров не
происходит. Если же речь идет, например, о точности уровня на-
пряжений поверхностного слоя объекта производства, то маршрут
должен оцениваться положительно, так как сохранение заданного
уровня напряжений (допуск по напряжениям) в ходе процесса ока-
зывается непременным условием.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАРШРУТ И РАСЧЕТ ПРИПУСКОВ
97
Рис. 2.5. Г рафики вариантов изменения показателей точности
В ходе маршрута по рис. 2.5, б наблюдается колебание коэф-
фициента уточнения. Такой технологический маршрут всегда оце-
нивается отрицательно вне зависимости от того, какой параметр
точности анализируется. Непременным условием высокой оценки
технологического маршрута является монотонное изменение ко-
эффициента уточнения, который в общем виде можно назвать ко-
эффициентом технологического наследования. Когда коэффици-
ент Кут, отрицательно характеризующий качество, постоянно уве-
личивается (рис. 2.5, в), технологический маршрут благоприятен.
При этом на всех технологических операциях > 1. Точностной
показатель, характерный для операции 1, планомерно увеличива-
4 - 6780
98 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
ется. Очевидно, что такая ситуация, т.е. рост показателя точности,
неоднозначно положительно характеризует маршрут обработки.
В правильно реализуемом технологическом процессе коэффи-
циент уточнения в большинстве случаев < 1 (рис. 2.5, г), а со-
ответствующий показатель не только сохраняется, но и монотонно
убывает.
Многовариантность технологических ситуаций при разработ-
ке технологических маршрутов делает задачу весьма сложной. Оп-
тимизация решений в данном случае не всегда является возмож-
ной. Теория принятия технологических решений помогает генери-
ровать технологические варианты, которые сначала компонуются
во множества, а из них вырабатывается единственное решение.
Эта работа в большинстве случаев проводится с использованием
точностных показателей. Неопределенность технологической об-
становки часто затрудняет принятие решения. Тогда на помощь
технологу приходят логические рассуждения, методика которых
приводится в литературе по теории принятия решений. Отметим,
что многие решения оказываются из-за недостатка данных труд-
ноформализуемыми.
Одним из основных и простых правил разработки технологи-
ческих маршрутов является уточнение или ликвидация отрица-
тельных свойств объекта производства на начальных операциях
технологического процесса. Такой вывод очевиден и объясняется в
основном экономическими соображениями.
Технологический маршрут как важнейший этап разработки
технологических процессов включает расчет припусков на меха-
ническую обработку. Припуском называется поверхностный слой
материала заготовки, удаляемый или пластически деформируемый
для обеспечения требуемых точности размеров и качества поверх-
ности детали. Классификация припусков предполагает, во-первых,
различие припусков на симметричные и несимметричные и, во-
вторых, общие и промежуточные. К настоящему времени уже су-
ществуют стандарты для определения припусков, например,
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАРШРУТ И РАСЧЕТ ПРИПУСКОВ
99
штампованных или литых заготовок. В этих случаях припуск оп-
ределяют по таблицам суммарно. Тщательный подход к расчету
припусков всегда оправдан. Это объясняется тем, что при больших
объемах годового выпуска экономия материала становится осо-
бенно ощутимой. Точное определение припуска связано с техно-
логическими расчетами, для которых при разработке маршрутов
имеются все необходимые данные.
Основная идея расчетов припусков сводится к тому, что с за-
готовки необходимо удалять на данном переходе или операции
все, что пришло с предшествующих этапов технологического про-
цесса и снижает качество детали или изделия.
Для необходимых расчетов технолог располагает принятым
маршрутом обработки, знанием шероховатости заготовки, физико-
механическими показателями ее поверхностного слоя, величинами
пространственных отклонений и погрешностью установки заготов-
ки. Все эти значения должны быть представлены количественно.
В припуск должна входить шероховатость поверхности, ос-
тавшаяся после предыдущего перехода. Ее удобно представить
значением Rz. Кроме этого, в припуск должна перейти та часть
поверхностного слоя, которая оказывается дефектной, разрушенной
в результате действия на заготовку различных инструментов на
предшествующем переходе. Такую часть припуска обозначают Н.
Развитие технологии машиностроения как науки показывает,
что этот так называемый дефектный слой, во-первых, не всегда
следует удалять, а, во-вторых, его удаление с заготовки иногда це-
лесообразно распределить на весь маршрут обработки поверхно-
сти. Первый случай имеет место, если поверхность заготовки, ра-
ботающей в условиях абразивного трения и изнашивания, имеет
износостойкий отбеленный слой. Второй же случай распределяет-
ся на труднообрабатываемые материалы с целью их экономии и
снижения себестоимости обработки.
Поскольку, далее, заготовка, подлежащая обработке на дан-
ном переходе, имеет различные пространственные отклонения (от
4*
100 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
параллельности, перпендикулярности, соосности, симметрии и
др.), то данные отклонения также должны быть включены в при-
пуск. Такие отклонения - р - также остаются от предшествующих
переходов.
Еще одной составляющей припуска является погрешность ус-
тановки s с проявлением всех ее трех составляющих (базирования,
закрепления и применения приспособлений). Во многих случаях
учитывают значения только погрешности базирования и погреш-
ности закрепления.
На рис. 2.6 представлена схема для расчета припусков. Все
составляющие элементы показаны в утрированном виде. Значение
р представляется волнистостью обрабатываемой поверхности. По-
грешность установки может быть учтена как погрешность закреп-
ления, возникающая под действием сил Р. В ряде случаев в по-
грешность е могут включаться и погрешности базирования (в за-
висимости от системы простановки размеров), и погрешности, на-
пример, связанные с изнашиванием опорных элементов приспо-
соблений. В итоге припуск Z определяется по следующей струк-
турной формуле:
+ р,_| + 8| .	(2.1)
Рис. 2.6. Схема для расчета припусков на обработку
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАРШРУТ И РАСЧЕТ ПРИПУСКОВ
101
В этой формуле индекс i - 1 означает, что данная величина со-
ответствует значению погрешности предшествующего перехода,
если i - номер перехода технологического маршрута. Таким обра-
зом, все данные для расчета припусков, кроме последнего, харак-
терны для предшествующих переходов. Погрешность же установ-
ки соответствует выполняемому переходу.
Во многих случаях приходится учитывать не одну, конкрет-
ную погрешность, связанную с пространственными отклонениями
поверхностей, а суммарное проявление этих отклонений. Поэтому
в формуле расчета припусков должна учитываться сумма ДЕ этих
отклонений, и формула для Z принимает вид
= RziA +	+ ДЕМ + ez.	(2.2)
Простота представленных формул и очевидность самой идеи
расчета припусков на практике часто приводят к тому, что при-
пуск определяют формально, без должного анализа физической
сути процесса обработки заготовки. Отметим в этой связи некото-
рые особенности суммирования значений составляющих припуска.
Значения Rz и Н всегда следует суммировать арифметически.
Значения же р и е требуют особого рассмотрения для конкретных
схем обработки. Так, при определении припусков для деталей типа
валов, изготовляемых в центрах, следует учитывать, что кривизна
заготовки вала - р проявляется в одной плоскости, а погрешность
зацентровки, равноценная погрешности установки е, - в другой
плоскости. Поэтому сложение этих составляющих, возведенных в
квадрат, следует вести (как случайные величины) под знаком
квадратного корня:
(Р/-1 + 8/) 7Рл-1 +	.
В случае, например, одностороннего фрезерования литых за-
готовок с малыми пространственными отклонениями наблюдается
102 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
коробление. Значение этого коробления в виде р должно быть уч-
тено при последующих переходах. В зависимости от метода обра-
ботки основная формула также может видоизменяться. Так, при
бесцентровом шлифовании значение е отсутствует (как погреш-
ность зацентровки), так как не соответствует методу обработки.
При развертывании в формуле Z не должно учитываться р, по-
скольку метод развертывания не удаляет практически кривизну
отверстий, оставшуюся от предшествующего перехода. При опре-
делении припусков под суперфиниш не должны учитываться три
последние составляющие Z. Должно же учитываться только значе-
ние Rz. так как остальные погрешности, несмотря на их наличие,
не могут быть удалены подпружиненным инструментом.
Различные методики расчета припусков, появившиеся в тех-
нической литературе, могут касаться различных уточнений расче-
тов и особенностей процесса. Вероятностно-статистический метод
расчета припусков является дальнейшим развитием представлен-
ного выше расчетно-аналитического метода, однако в основе ис-
следования факторов, составляющих припуск, и определения про-
межуточных размеров в нем используется вероятностный подход,
что более оправдано теоретически и дает более близкий к практике
результат.
Все составляющие формулы Z, имеются в справочной литера-
туре и соответствуют различным технологическим маршрутам и
особенностям производства. Вместе с этим следует отметить, что
расчетно-аналитический метод требует сравнительно большого
времени для расчетов по определению припусков на все поверхно-
сти заготовок. Существенным достижением отечественной науки
является создание стандартов по суммарному определению при-
пусков для литых заготовок и ряда заготовок, выполняемых раз-
личными методами обработки материалов давлением (прессы и
молоты). В стандартах указаны все особенности определения чис-
ленных значений припусков. Вместе с этим очевидно, что стан-
дартная методика основана на некоторых усредненных данных,
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАРШРУТ И РАСЧЕТ ПРИПУСКОВ
103
которые не могут учитывать отдельные особенности производства.
Поэтому сложилась такая противоречивая ситуация, когда точный
метод оказывается трудоемким, а метод определения суммарных
припусков прост и удобен в пользовании, но не обладает необхо-
димой точностью. Указанное противоречие может быть упраздне-
но введением коэффициентов уточнения. Необходимые этапы ра-
боты покажем на примере в укрупненном виде.
Для некоторого ступенчатого вала, заготовка которого выпол-
няется штамповкой по ГОСТ 2505-89, припуски определяют сум-
марно. Сначала по приведенным в стандарте формулам определя-
ют массу заготовки через массу детали и с учетом некоторых ко-
эффициентов. Затем по приведенной в стандарте методике опреде-
ляют степень сложности заготовки, а также класс точности. В ре-
зультате такой работы находят индекс, в соответствии с которым
определяют суммарные припуски на все поверхности вала.
Для определения коэффициента уточнения производят рас-
четно-аналитическим методом расчет припуска на одну, как пра-
вило, наиболее ответственную поверхность детали. Такой поверх-
ностью для рассматриваемого вала выбрана одна из шеек. Расчет
предусматривает конкретный, уже принятый маршрут обработки и
конкретное значение погрешности установки. Для такой шейки
определяют номинальный размер заготовки, так как точный расчет
предусматривает также допуски на припуски.
Таким образом, на одну и ту же поверхность определяют два
припуска - общий и по переходам (точным).
Коэффициент уточнения
Z
Хут - у
^станд
где ZH0M ~ номинальный припуск для шейки вала, полученный рас-
четно-аналитическим методом; /станд - припуск, полученный в со-
ответствии со стандартной методикой.
104 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Далее в соответствии с полученным значением пересчиты-
вают припуски на все поверхности заготовки. Их определяют ум-
ножением стандартного припуска на полученный коэффициент
уточнения. Поэтому точность расчета существенно возрастает при
небольших затратах времени.
Многочисленные расчеты припусков по обеим методикам и
сравнение результатов привели к выводу, что коэффициент уточ-
нения практически никогда не равен единице, т.е. значения при-
пусков не совпадают. Это обстоятельство еще раз подтверждает
необходимость проверок значений припусков с помощью коэффи-
циентов уточнения. В противном случае возможен перерасход ма-
териала или наличие черноты на поверхностях заготовок после их
обработки.
Если припуски на все поверхности заготовки определены, из-
готовляют чертеж заготовки с указанием всех размеров и допус-
ков. Такой чертеж является своеобразным заказом на изготовление
заготовок с указанием объема годового выпуска и часто дополни-
тельного количества заготовок для ремонта.
Итак, разработка маршрута, как и его этапов, связана с точно-
стной взаимосвязью всех элементов, т.е. последовательности опе-
раций, погрешностей установки расчетов припусков на обработку.
2.4.	ПОГРЕШНОСТЬ УСТАНОВКИ
Точность размера, формы и взаимного расположения в пер-
вую очередь связаны с погрешностью установки заготовок и оце-
ниваются при разработке технологических маршрутов. Для раз-
личных вариантов компоновки технологических операций произ-
водят сравнение величины погрешностей установки заготовок и
отдают предпочтение варианту с наименьшей погрешностью.
В теоретическом плане этот раздел технологии машиностроения
разработан достаточно подробно. Особенность технологических
решений состоит в том, что величина погрешности определяется
ПОГРЕШНОСТЬ УСТАНОВКИ
105
заранее по определенным методикам, а практическое подтвержде-
ние, как правило, не является обязательным. Определение погреш-
ности установки - е - имеет смысл для наиболее распространенно-
го случая изготовления деталей на предварительно настроенных
станках.
Погрешность установки представляет собой, как правило,
геометрическую сумму погрешностей базирования - sg, погрешно-
сти закрепления - s3 и погрешности, вызываемой применением
приспособлений.
Погрешностью базирования £б называется разность пре-
дельных положений измерительной базы относительно настроен-
ного на размер инструмента. Это определение оказывается очень
важным, поскольку оно позволяет определить количественно по-
грешность базирования для любой схемы установки. При этом
важно лишь определить и выразить через производственные пара-
метры предельные положения измерительной базы. Для каждой
схемы установки создается своя расчетная формула. Сущность
этой погрешности можно пояснить на примере рис. 2.7. Заготовка
с размерами Н, Е и В установлена на станке с помощью шести
опор. При этом она силами закрепления прижата ко всем опорам и
лишена всех степеней свободы. На заготовке с помощью пазовой
фрезы изготовляют паз с размерами: глубиной h, шириной Ь. Паз
расположен на расстоянии а от правой вертикальной плоскости.
Изготовление партии деталей производится на предварительно
настроенном станке, так как расстояние с от нижнего зуба фрезы
до опор строго зафиксировано.
При изготовлении партии деталей измерительная для размера
h база 1-2 будет постоянно менять свое положение в соответствии
с допуском на размер Н. По приведенному выше правилу
г6=ТН.
106 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
В
Рис. 2.7. Схема определения
погрешности базирования
Размер паза b определяется
размерами фрезы.
Наиболее распространен-
ными схемами базирования за-
готовок являются базирование в
призме по цилиндрической или
конической поверхности, бази-
рование по плоским поверхно-
стям, базирование по централь-
ным отверстиям и по отвер-
стию. Во всех случаях технолог
решает геометрические задачи,
но так, чтобы погрешность ба-
зирования была выражена через
известные данные (размеры,
допуски и др.).
Приведенным анализом можно существенно снизить погреш-
ность базирования, а следовательно, и общую погрешность обра-
ботки. Результаты анализа заносят в маршрутный технологиче-
ский процесс. В одном из наиболее благоприятных случаев по-
грешность базирования может отсутствовать. Если на рис. 2.7 тех-
нологическая база 3-4 и измерительная база 1-2 будут совмещены,
то погрешность базирования окажется равной нулю. Это явление
носит название принципа совмещения баз.
Второй принцип назван принципом постоянства технологиче-
ских баз. Он утверждает, что точность обработки будет более вы-
сокой, если производить обработку заготовок на одних и тех же
технологических базах. Действия этого принципа в технологии
машиностроения столь ощутимы, что уже при конструировании
деталей указанные базы создают специально. На рис. 2.8 даны
примеры деталей с постоянными технологическими базами. Так,
на деталях типа валов (см. рис. 2.8, а, б) предусматривают центро-
вые отверстия и центровые выступы, на деталях типа поршней
(см. рис. 2.8, в) - специальные цилиндрические поверхности D.
ПОГРЕШНОСТЬ УСТАНОВКИ
107
Рис. 2.8. Примеры деталей с постоянными
технологическими базами
Корпусные детали (см. рис. 2.8, г) устанавливают по плоской ниж-
ней поверхности и цилиндрическим отверстиям диаметра J, рас-
положенным на расстоянии L. Эти размеры выполняют с жестки-
ми допусками. Аналогичная установка используется и при изго-
товлении например, корпусных или других деталей, установлен-
ных на приспособлениях - спутниках. На рис. 2.8, д обрабатывае-
мый корпус 2 установлен и закреплен на спутнике 7. Последний
имеет те же установочные элементы, что и в предыдущем случае.
Принцип постоянства технологических баз настолько прочно
вошел в практику механической обработки резанием, что в полном
подчинении ему проектируют целые автоматические линии.
Второй составной частью погрешности установки является
погрешность закрепления. Каждая заготовка должна быть не
только сбазирована, т.е. ее технологические базы должны контак-
тировать с установочными элементами приспособлений или стан-
ков. Заготовка должна быть закреплена. Лишь в этом случае она
будет занимать в пространстве заданное положение и будет лише-
на всех степеней свободы. Однако силы закрепления и моменты
сил, воздействуя на заготовку, вызывают ее деформирование. Из-
мерительная база может смещаться, а вся заготовка будет обраба-
тываться в деформированном состоянии. Погрешность, вызывае-
мая силовыми факторами, должна быть учтена.
108 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Различают два вида деформаций. Под действием силовых
факторов, во-первых, деформируется собственно материал заго-
товки и, во-вторых, деформируются поверхностные слои. Доми-
нирующее влияние вида деформации на точностные параметры
заготовки определяется ее жесткостью. В большинстве случаев
приходится учитывать деформации лишь поверхностных слоев
заготовки, пренебрегая по малости деформациями собственно за-
готовки. Теоретическое определение контактных деформаций мо-
жет быть осуществлено по формулам, приведенным в гл. 1.
Однако в производственных условиях вполне оправдывает се-
бя экспериментальный метод определения контактных деформа-
ций. Для конкретной формы опоры и определенного вида состоя-
ния поверхностного слоя заготовки производят нагружение их
контакта при различных номинальных давлениях q. Обработка
экспериментальных данных по определению упругопластического
сближения у указанных элементов приводит к зависимости
где сип характеризуют конкретные условия нагружения. Для по-
верхностей с малой шероховатостью зависимость деформации от
давления представляется как у = cq. Удобны эмпирические урав-
нения, в которых используют не давление, а силу:
У = CQn cosa,
здесь а - угол между направлением выдерживаемого размера и
направлением наибольшего смещения заготовки. Значение коэф-
фициента С имеет рассеяние прежде всего из-за колебаний твердо-
сти и шероховатости поверхностных слоев заготовки. К настоя-
щему времени необходимые данные для расчета у приведены в
справочной литературе.
ПОГРЕШНОСТЬ УСТАНОВКИ
109
Связь погрешности закрепления и точности размера показана
на рис. 2.9. Фрезерный станок предварительно настроен на размер
С для выдерживания размера Н. После приложения к заготовке
сил закрепления Q заготовка переместится на величину е3 и изме-
рительная база 1—2 займет новое положение. Так возникает по-
грешность закрепления.
Погрешностью закрепления е, называется разность предель-
ных положений измерительной базы относительно настроенного
на размер инструмента под действием сил закрепления.
Силы закрепления вызывают также отклонения формы дета-
лей. Это удобнее всего показать на примере закрепления заготовки
в виде кольца, подлежащего растачиванию. Кольцо, закрепленное
в кулачковом патроне, непременно деформируется, и растачивание
отверстия производится в деформированном состоянии. При этом
точностные показатели полученного отверстия могут оказаться
очень высокими. Однако когда кольцо будет раскреплено, на рас-
точной поверхности окажется столько волн, сколько кулачков бы-
ло у зажимного патрона. Эту особенность действия сил закрепле-
ния непременно учитывают при установлении точностных взаимо-
связей при разработке технологических процессов.
Третья составляющая погрешности установки - погреш-
ность, вызываемая применением приспособлений, - еп. Она
учитывается каждый раз особо. Суть этой погрешности связана с
Рис. 2.9. Схема возникновения погрешности закрепления
110 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
неточностью изготовления приспособлений, их установкой на
станке, износом опор от многократного контактирования с заго-
товками.
При установке приспособлений на станок возникают различ-
ные перекосы, установочные элементы занимают положение, не
соответствующее заданному. Так, например, обычные трехкулач-
ковые патроны при каждом новом закреплении на шпинделях
станков занимают новые положения. Расхождение положений
происходит в пределах зазора между шейкой шпинделя и отвер-
стием в патроне. Ось вращения шпинделя и ось патрона не совпа-
дают. В другом случае зажимные элементы приспособлений в
процессе закрепления заготовок перекашиваются в пределах зазо-
ра в направляющих и при этом увлекают за собой заготовку. Заго-
товка закрепляется каждый раз в новом положении.
Износ приспособлений и прежде всего их установочных эле-
ментов может оказать существенное влияние на точность установ-
ки заготовок. Элементы изнашиваются неравномерно.
Каждая из причин возникновения погрешностей, связанных с
применением приспособлений, должна быть рассмотрена особо.
Некоторые погрешности (например, перекос при установке при-
способления) следует рассматривать как постоянные, действие
которых одинаково для всех заготовок в партии. Другие же по-
грешности имеют случайный характер (например, погрешность
положения заготовок в процессе их закрепления).
Составляющие части погрешности установки необходимо
суммировать. Поскольку все они имеют характер случайных вели-
чин, их суммирование должно производиться по законам теории
вероятностей. Погрешности необходимо рассматривать как поля
рассеяния случайных величин, распределение которых в первом
приближении подчиняется закону Гаусса. Тогда
е = 7еб+ез+еп •	(2-3)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 111
При изготовлении прецизионных деталей надо особое внима-
ние обратить на необходимость сокращения 83 и 8П. Если обработка
заготовок производится при неизменном закреплении, то для раз-
меров, определяющих взаимное расположение поверхностей, по-
грешность установки равна нулю.
В единичном производстве понятие «погрешность установки»
отсутствует, так как обработка производится методом пробных
ходов и измерений. Для этого случая характерна погрешность вы-
верки.
2.5.	ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ
ПОГРЕШНОСТЕЙ
Исследование точности обработки заготовок всегда вызывало
неослабный интерес к анализу структуры суммарной погрешности
обработки. Такая погрешность состоит из элементарных погреш-
ностей, определение величины которой играет особую роль для
практики металлообработки. Отмечено большое количество эле-
ментарных погрешностей, действующих одновременно. Вместе с
этим пришли к выводу, что наиболее ощутимое влияние на ожи-
даемую точность, т.е. суммарную погрешность, оказывают шесть
элементарных погрешностей. Одна из них - погрешность установ-
ки заготовок - рассмотрена выше.
Определение и анализ элементарных погрешностей пришли
на смену представлению о том, что точность обработки целиком
определяется качеством металлорежущего станка. Такая концеп-
ция характерна для развития технологии машиностроения в пер-
вой половине XX века.
Важными являются последовательное рассмотрение шести
элементарных погрешностей и попытка их последующего сумми-
рования.
Одна из элементарных погрешностей связана с упругими де-
формациями технологических систем. При функционировании
112 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
технологической системы всегда возникают силовые факторы, т.е.
силы и моменты сил. По своей сущности эти факторы не остаются
постоянными, а постоянно изменяются. Это изменение характерно
как для лезвийного, так и для абразивного инструмента.
Причин, вызывающих изменение силовых факторов, несколь-
ко. Однако наиболее существенными являются три. При обработке
партии заготовок предварительно настроенному на размер инст-
рументу приходится снимать слои материала различной глубины.
Поэтому колебание глубин от Zmax до Zmin, подчиняющееся опреде-
ленному закону распределения, вызывает колебание силы резания.
Одновременно с действием этой причины действует и вторая. Ре-
жущий инструмент при своем движении встречает участки мате-
риала одной зоны с определенной твердостью, а также участки ма-
териала другой зоны с другой твердостью. Такая картина характер-
на практически для любой заготовки. Разные твердости материала
вызывают разные силы резания. Одновременно с действием пер-
вых двух причин действует и третья, связанная с затуплением ре-
жущего инструмента. Инструмент (например, резец) из острозато-
ченного превращается в конце периода стойкости в затупившийся.
Сила резания вызывает упругие отжатия (деформации) эле-
ментов технологической системы, а колебание сил резания приво-
дит к постоянному изменению упругих отжатий деформации. Та-
кие деформации не поддаются компенсации настройкой. Под дей-
ствием силы резания орган станка, удерживающий заготовку, уп-
руго переместится на величину yi, а орган станка (технологиче-
ской системы), удерживающий инструмент, - на величину у2.
Сумма этих деформаций постоянно изменяется, и возникает эле-
ментарная погрешность, вызванная в данном случае упругими
свойствами системы.
Значения упругих деформаций определяются как
У	У
л=7~; У1=Т
и заг	и и
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ] 13
где Ру - сила резания; J3ar, J„ - жесткости цепи элементов системы,
удерживающих заготовку, и - аналогично - инструмента.
Жесткостью называется способность элементов конструкции
сопротивляться действию силовых факторов. Размерности жестко-
сти кгс/мм; Н/мм.
Силы Ру определяют расчетным путем исходя из условий об-
работки. Чаще всего для этого используют эмпирические формулы
вида
Р,=Ср^(НВГ,	(2.4)
где s - подача; v - скорость резания; НВ - твердость обрабатывае-
мого материала по Бринеллю; Ср - коэффициент, характеризую-
щий условия обработки; у, х, п - показатели степеней, выбираемые
в соответствии с конкретными условиями резания; /ф - фактиче-
ское значение глубины резания.
Очевидно, что приведенная формула и аналогичные формулы,
заимствованные из теории резания, не обладают необходимой
точностью. Однако другими формулами, удобными для практики,
технология машиностроения пока не располагает. Наибольшую
точность дает экспериментальный метод определения силовых
факторов.
До начала процесса резания настройкой инструмента устанав-
ливают заданную глубину резания /зад. При наличии у\ и у2, что
всегда сопровождает обработку резанием, заданная глубина реза-
ния уменьшается до фактического значения /ф. Для каждого сече-
ния заготовки можно считать, что
У\ + У1 “ GaA “ •
Обозначим не меняющуюся для сечения заготовки величину
Cp^v(HB)w=C.
114 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Тогда Ру = СГф . Подставив значения величин, получим
< Лзаг	'и >
г* 4- / — t
ф *ф *зад •
Для дробного значения показателя степени х решения данного
уравнения относительно Гф нет. Сделав ряд допущений, можно
ввести понятие остаточной глубины резания Z0CT:
^зад ^ф "" ^ост •
Тогда получают приближенное решение:
t =Ctx
1 ост ^зад
•^заг Ai ,
(2.5)
+ —
Значение, взятое в скобки, называют податливостью техно-
логической системы. Формула оказывается удобной для определе-
ния Ду.
Для партии деталей всегда известен допуск IT, который явля-
ется разностью наибольшего и наименьшего размеров. Допуск не
должен быть меньше, чем разность наибольшего и наименьшего
значений Если Ду - поле рассеяния этой величины, то
АУ ^ост.тах ^ocr.min •
В соответствии с формулой (2.5) получим
1 1 1
— + —
Ду Су зад щах G ад. min
(2.6)
< Ааг А у
Формула (2.6) получена для случая, когда С = const. Однако,
при обработке партии заготовок их твердость меняется от (НВ)тах
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ Ц5
вследствие затупления инструмента. В результате имеем колебание
значений С от Cmax =C'pmaxZ (НВ)тах до Cmin = Cpmin/ (HB)min ;
с учетом сказанного формула (2.6) изменяется:
&У \^тах^зад.тах
с  tx
^гтггзад.тт
(2.7)
Величину Др следует определять в тех сечениях заготовки, где
жесткость минимальна.
При проведении такого анализа значения жесткостей, опреде-
ленные опытным путем, берут из справочной литературы.
Анализ упругих перемещений для конкретной технологиче-
ской системы связан с проведением экспериментов и определени-
ем графических зависимостей деформации от прилагаемой силы.
На рис. 2.10 представлены возможные упругие характеристики.
Зависимость 1 появляется в случае, когда в системе имеется
слабо закрепленный элемент. После его сравнительно большого пе-
ремещения под действием малой силы зазоры выбираются и возни-
кает контактирование рабочих поверхностей всей нагруженной
цепи элементов. Зависимость 2 встречается сравнительно часто
и характеризует отсутствие линейности при сложном контактном
Рис. 2.10. Возможные графики упругих перемещений
элементов технологических систем
116 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
взаимодействии нагруженных элементов. Линейная зависимость 3
также часто встречается на практике. О жесткости можно судить
по углу наклона прямой на графике относительно оси абсцисс. По-
сле нагружения элементов силой и их разгрузки (показано стрел-
ками) технологическая система не возвращается в исходное поло-
жение, а создается некоторое остаточное перемещение yQ. Петля
гистерезиса характеризует работу, затраченную на деформирова-
ние элементов системы. В расчетах чаще всего ориентируются на
зависимость 3 как на типичную. Зависимость 4 характеризует нерав-
номерность упругих перемещений, что бывает в случаях, когда
подвижные элементы системы слишком сильно затянуты в своих
направляющих. График 5 показывает, что жесткость системы до
определенных значений Р была достаточно высокой, а затем в сис-
теме начал проявляться элемент относительно низкой жесткости.
Следует иметь в виду, что при разгрузке систем все зависимости
будут характеризоваться петлей гистерезиса по типу графика 3.
Погрешности предыдущих переходов из-за упругих деформа-
ций на последующих переходах не могут быть устранены полно-
стью, однако должны постоянно уменьшаться. Если, например,
заготовка имеет конусообразность, то из-за переменной глубины
резания при обтачивании деталь также будет иметь конусообраз-
ность, но с другими параметрами. При этом легко определить ко-
эффициент уменьшения погрешности. По аналогии с предыдущим
сохраняются погрешности взаимного расположения поверхностей,
в частности отклонения от перпендикулярности торцов заготовок
к их оси.
При решении задач о разности упругих деформаций каждый
раз предварительно следует оценивать количественно их величину
с тем, чтобы без необходимости не делать расчеты. Предположим
(рис. 2.11, а), производится растачивание отверстия в тяжелой
корпусной заготовке. Под действием силы Р заготовка - стол
станка - направляющие станка будут деформироваться сущест-
венно меньше, чем оправка с резцом под действием той же силы,
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 117
Рис. 2.11. Схемы для оценки жесткостных факторов при
растачивании и обтачивании
но другого направления. Поэтому все расчеты целесообразно све-
сти к расчету деформации оправки, а определение деформации
заготовки и элементов станка следует производить в особых слу-
чаях. Аналогично (рис. 2.11, б), существенное смещение Z резца
относительно оси заготовки вызывает весьма малое приращение
AD. Оно составляет AD « 0,02Z, и во многих случаях этой величи-
ной можно пренебречь. Однако каждый раз особенности расчета
следует анализировать особо.
В правильно построенном технологическом процессе упругие
отжатия технологической системы на каждом последующем пере-
ходе должны обеспечивать более высокую точность, чем на пре-
дыдущем. Но это условие может быть обеспечено лишь при со-
блюдении определенных требований к жесткости технологической
системы. Эти требования можно установить на основе следующих
рассуждений.
Коэффициент уточнения = Ау / Аа, где Аа - погрешность,
оставшаяся от предшествующего перехода. Очевидно, что < 1.
Введем понятие податливости Wтехнологической системы:
Р
J
Податливость - обратная величина J.
118 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Разность упругих деформаций
Ду = р w -P W
‘-ьу 2^maxrrmax ^тшггmin •
Эта формула пригодна как для единичной детали, так и для
партии деталей. Для конкретного сечения детали W = const, а зна-
чение Ру изменяется, в основном, из-за колебаний глубины резания
t. Для такого сечения
Ay = PF(Pjmax-Pymin).
Учитывая, что Cpj,’v(HB)" = С, имеем Рутйк = Ctx, а
^min =	- Да)v • Тогда
_W[Ctx-C(t-\a)x]
Лур	< 1 .
Да
Для того чтобы происходило уточнение, необходимо условие
CIV[tx-(I - Ла)х] < Ла. Поэтому и технологическая система
должна удовлетворять условию
C[tx -(1-Да)х]
Если это условие соблюдаться не будет, точность заготовки на
каждом переходе будет снижаться.
Расчет и анализ упругих деформаций технологических систем
благодаря серии разработанных методик оказываются достаточно
простым и уже применяются на практике. Вместе с этим следует
иметь в виду, что полное определение деформационной картины в
каждый момент времени обработки оказывается весьма сложным и
при еще более глубоком анализе позволяет анализировать условия
возникновения и протекания вибраций технологических систем.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 119
Уже обычное перемещение в процессе резания исполнитель-
ных органов технологических систем приводит к необходимости
учета переменной жесткости. Так, при обтачивании заготовок на
токарных станках (рис. 2.12, а) режущий инструмент обычно пе-
ремещается на длину I от правого торца к левому. При крайнем
правом положении упругая деформация у будет определяться же-
сткостью задней бабки, а передняя бабка не оказывает сопротив-
ления действию силы резания. При крайнем левом положении ин-
струмента - наоборот. Когда инструмент находится в средней зоне
заготовки, на ее упругую деформацию влияют жесткости как пе-
редней Ja б, так и задней Узб бабок. Поскольку жесткости бабок от-
личаются друг от друга, графики деформации при различных со-
отношениях жесткостей будут иметь также различный вид. Если
принять заготовку абсолютно жесткой, а Уп.б = Лб, то график де-
формаций имеет вид по рис. 2.12, б. Если Уп б < Л& график дефор-
маций имеет вид по рис. 2.12, в. Если Jn,6 > Л.б, график деформаций
соответствует рис. 2.12, г.
Рис. 2.12. Графики переменных упругих деформаций при
обтачивании валов
120 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Заготовки практически всегда имеют конечную жесткость, и
их деформациями пренебрегать нельзя. Кроме этого, следует учи-
тывать, что они имеют, как правило, ступенчатую форму. Поэтому
деформации таких валов следует рассматривать как деформации
ступенчатых балок на основе формул сопротивления материалов.
Для упрощения расчетов можно пользоваться значениями приве-
денных диаметров <7пр, значения которых можно определять по
формулам. Для деталей типа валов с односторонним расположени-
ем ступеней (рис. 2.13, а)
^пр
п
Хи
J
п
1
а для валов с двусторонним расположением ступеней (рис. 2.13, б)
^пр
где п - число ступеней вала.
Рис. 2.13. Размеры валов для их схематизации по
балочной схеме
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 121
Решение более сложных технологических задач с учетом пе-
ременной жесткости технологической системы стало возможным
при широком использовании компьютеров. В этих случаях стано-
вится возможной увязка различных факторов, одновременно уча-
ствующих в процессе изготовления детали. При этом удается оп-
ределить не только точностные параметры размера, но и отклоне-
ния формы обрабатываемых поверхностей.
В качестве примера рассмотрим процесс растачивания на вер-
тикально-расточном станке отверстия корпусной детали (рис. 2.14).
Известно, что расточное отверстие будет иметь как отклонение от
прямолинейности образующих, так и отклонение от круглости.
В решении задач о минимизации таких отклонений решающую
роль играет проблема жесткости.
На технологическую систему действуют изменяющиеся во
времени факторы:
1)	жесткость шпиндельного узла по углу поворота шпинделя
оказывается переменной (см. эпюру жесткости на рис. 2.14);
2)	глубина резания t постоянно меняется из-за неравномерно-
сти припуска;
Эпюра 7
меткости J
Профиль
после растачивания
Профиль до
растачивания
Профиль
настройки
Рис. 2.14. Схема для определения отклонений формы
отверстий при растачивании
122 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
3)	ось отверстия заготовки не совпадает (а) с осью вращения
шпинделя;
4)	вылет шпинделя при растачивании постоянно изменяется.
Действует также ряд других причин, которые по малости в
данной методике отсутствуют. Для удобства последующего анали-
за принят упрощенный вариант функционирования системы, когда
условно вращается не шпиндель, а заготовка (со).
Представим предлагаемую методику в общем виде только с
указанием этапов расчета. На первом этапе представляется физи-
ческая картина явления. Она в общем виде сводится к констатации
того, что все параметры процесса переменны.
На втором этапе предпринимается попытка увязать воедино
все параметры, которые снижают точность обработки, прежде все-
го по параметру отклонений формы отверстия. Сравнительно час-
то такая задача выполняется на основе дифференциальных урав-
нений движения, когда действие всех причин, определяющих точ-
ность, приводится к резцу, перемещающемуся вдоль оси у.
Допуская, что в шпиндельном узле станка имеется жидкост-
ное трение, уравнение движения резца записывается в виде
my + py + F + Py=09	(2.8)
где т - приведенная масса подвижной системы; F - реакция
шпиндельного узла; ц - коэффициент демпфирования; Ру - ради-
альная составляющая силы резания.
Эти факторы необходимо выразить через значения технологи-
ческих параметров системы процесса резания. При этом
F = J у + J — <7q + J (т).
Здесь Jq - постоянная часть значения жесткости; У(т) - пере-
менная часть, зависящая от угла поворота шпинделя.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 123
В итоге
F = [J0 + J(r)](yo-y).	(2.9)
Значение Ру является функцией глубины резания t = у - р;
р = Ро + р(т), где ро - постоянная величина; р(т) - значение р, зави-
сящее от времени.
В итоге
* = .У-Ро+Р(т)-
Промежуточный вид дифференциального уравнения
ту + ру + [Jo + J(т)](у0 -у) + f[y - р0 + р(т)] = 0. (2.10)
На третьем этапе целесообразно провести целый ряд уточне-
ний, если такие уточнения существенно влияют на ожидаемую
точность. Одновременно уточнения превращают дифференциаль-
ное уравнение в рабочее. Так,
Ру = C/a?(HB)Y; Py=xta, где зе = С?(НВ)т = const.
Далее,
J(> = /max +/min .	дт) = /max+./mm.Со5(Ю1Т _ ф()).
Здесь CD1 - циклическая частота изменения жесткости шпин-
дельного узла; со 1 = £со, где к - целое число; фо - угол сдвига мак-
симального значения жесткости.
Аналогичные преобразования приводят к окончательному ви-
ду дифференциального уравнения, оно в данном случае учитывает
все преобразования, а также значение смещения а (см. рис. 2.14).
На четвертом этапе строят математическую модель процесса обра-
ботки. Сложность итоговых математических выражений при со-
временном развитии вычислительной техники не является препят-
124 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
ствием для анализа. В результате должны быть определены техно-
логические параметры, позволяющие на практике резко повысить
точность обработки. Примечательно, что для повышения точности
не требуются дополнительные средства или мероприятия. Речь
идет о рациональной компоновке и взаимодействии уже имею-
щихся технических факторов. Так, для одного из случаев растачи-
вания отверстия в корпусе, проведенный анализ позволил повы-
сить точность формы в 12 раз.
Еще одна элементарная погрешность обработки связана с из-
носом режущего инструмента. В научном плане интерес пред-
ставляет такая компоновка технологической системы, когда в нее
включаются элементы долговечности, которые отличаются в де-
сятки и сотни раз. Так, работоспособное состояние металлорежу-
щего станка, способного обеспечивать заданную точность, может
сохраняться в течение нескольких лет. Расчет приспособлений
часто предусматривает их функционирование до двух лет. Долго-
вечность же работы - стойкость - режущих инструментов исчис-
ляется минутами. Тем не менее эти элементы функционируют в
одной и той же технологической системе.
Для принятой методики анализа рассмотрим обособленно
влияние изнашивания режущих инструментов на точность обра-
ботки. Здесь важно различать понятия износа инструмента и точ-
ности обработки, связанной с этим износом. В данном случае
нельзя говорить, что значение износа точно равно погрешности
обработки. Следует говорить о явной связи этих величин. Такой
анализ оправдан, тем более что, как установлено, в общем балансе
суммарной погрешности обработки влияние изнашивания инстру-
мента играет главную роль.
Процесс резания материалов происходит в условиях повы-
шенных температур и существенных давлений в зоне резания. При
этом инструмент изнашивается, а его режущая кромка занимает
новое положение, вызывая погрешности обработки. В зависимости
от конкретных условий режущая кромка может скругляться, вы-
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 125
крашиваться, скалываться. Этот процесс протекает непрерывно за
весь период стойкости инструмента.
Для анализа элементарных погрешностей необходимо знать
величину Ди, т.е. погрешности^обработки, соответствующей опре-
деленному износу инструмента. В очень многих случаях зависи-
мость износа U от пути / резания в первом приближении представ-
ляется кривой по рис. 2.15. Такая кривая имеет три участка. При
прохождении в относительном движении сравнительно небольшо-
го пути 7] инструмент изнашивается наиболее интенсивно (зона Г).
Это происходит в связи с быстрым износом микронеровностей ин-
струмента, оставшихся после затачивания. На пути резания Z2 из-
нос изменяется по линейному закону (зона II), а по истечении не-
которого времени режущая кромка накапливает очень много по-
вреждений, что приводит к катастрофическому изнашиванию (зо-
на III), если продолжать процесс резания (путь lj).
Интенсивность размерного износа Uo рассматривают в основ-
ном на участке пути резания Z2, мкм
где Ui - износ инструмента, соответствующий пути /2.
Рис. 2.15. График изнашивания режущего инструмента
126 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Интенсивность размерного износа называют относительным
износом.
Для того чтобы учесть износ инструмента в зоне I принимают
следующее положение. Линейный участок кривой изнашивания
(зона II) условно увеличивают, проводя линию а-а. Тогда на оси
ординат отсекается участок U„, называемый начальным износом,
который также оценивается в микрометрах. Размерный износ с
достаточной степенью точности для пути резания I можно опреде-
лить по формуле
UJ
^u=U^^.	(2.11)
Формула может быть трансформирована для различных мето-
дов обработки. Для продольного точения
UnndL
<2Л2)
1 V О
где d - диаметр заготовки; L - длина обрабатываемой поверхно-
сти; s - подача.
Для строгания
UnLB
(213)
10 5
где L и В - длина и ширина обрабатываемой прямоугольной по-
верхности.
Для протягивания
(214)
где L - длина протягиваемого отверстия; п - число обработанных
заготовок.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ j 27
Чтобы можно было пользоваться данными формулами, необ-
ходимо иметь значения t/H и Uo для различных инструментов и об-
рабатываемых материалов. Такие данные характеризуют относи-
тельный износ, определенный для пути резания 1000 м = 1 км. Ка-
ждый метод обработки сопровождается различными значениями
износов. Последние существенно зависят также от жесткости тех-
нологической системы.
Постоянное изменение положения режущей кромки инстру-
ментов в ходе механической обработки приводит к появлению от-
клонений формы. Так, если обтачивается длинная заготовка и путь
резания оказывается достаточно большим, износ инструмента
приводит к образованию конусности. Если этот износ равномерно
распределяется на размеры деталей в партии (как это было показа-
но в предыдущем примере), то диаметры деталей будут постоянно
и равномерно увеличиваться. Эти же положения следует отнести и
к операции растачивания. Пользуясь формулами, можно опреде-
лить и отклонение от плоскостности для случая строгания, если
принять жесткость технологической системы постоянной. При
фрезеровании процесс определения погрешностей формы не-
сколько затрудняется, поскольку инструмент изнашивается по бо-
лее сложным законам, определяемым условиями входа и выхода
инструмента из заготовки.
Как правило, износ режущего инструмента влияет на точность
обработки более существенно, чем другие элементарные погреш-
ности. Поэтому во многих случаях инструмент регулируют в ходе
его эксплуатации за период стойкости. Регулировку применяют
для резцов, фрез, разверток и других инструментов, допускающих
перемещение режущей кромки относительно заготовки.
При работе на предварительно настроенных станках компен-
сация износа полнее всего обеспечивается с помощью специаль-
ных подналадчиков. Схема работы таких подналадчиков дана на
128 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
рис. 2.16. Инструмент изнашивается по закону, выраженному из-
вестной кривой ОаЬ. Однако в точке а происходит подналадка ин-
струмента, и его режущая кромка переходит в положение, соответ-
ствующее начальному. Затем этот процесс может быть автомати-
чески многократно повторен. Подналадчик настраивает так, чтобы
линия ас отстояла от оси абсцисс на величину, соответствующую
части допуска IT. Коэффициент 5 < 1.
При шлифовании абразивный инструмент постоянно изменяет
свои свойства. Круги большого диаметра правят периодически,
исходя из условия восстановления режущих свойств круга. Круги
малого диаметра изнашиваются более интенсивно, и их автомати-
чески правят перед каждым чистовым ходом.
Рассеяние показателей свойств режущих инструментов всегда
имеет место и учитывается специальными методиками.
В ходе обычных технологических процессов режущий инст-
румент периодически меняется после исчерпания своей стойкости.
При этом не удается установить инструмент абсолютно точно в
прежнее положение. Возникает погрешность настройки. Суть
этой погрешности состоит в том, что наблюдается рассеяние по-
ложений инструмента при установке его на одну и ту же опорную
поверхность станка. Кроме этого, положение инструмента допол-
нительно изменяется при его закреплении. Возникающая погреш-
ность настройки входит составной частью в величину ожидаемой
Рис. 2.16. Схема работы подналадчиков
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 129
точности. Таким образом, погрешностью настройки Дн следует
назвать величину поля рассеяния, или расстояние между макси-
мальным и минимальным настроечными размерами при установке
инструмента на станок. Установление настроечного размера пред-
ставляет собой особую задачу и связано с характером обрабаты-
ваемой поверхности (наружная или внутренняя поверхность), же-
сткостью технологической системы и погрешности установки ин-
струмента.
Вне зависимости от того, какими техническими средствами
пользуется настройщик инструмента, можно отметить два прин-
ципиально разных метода настройки. По первому методу точность
настройки определяется по результатам измерений при обработке
пробных деталей. Настройщику становится ясно, в каком направ-
лении и на сколько нужно перемещать инструмент при настройке.
При этом методе часть пробных деталей может перейти в брак. По
второму методу инструмент устанавливают на неработающем
станке по эталону или другим средствам в соответствии с заранее
рассчитанными настроечными размерами. Настройка производит-
ся также вне станка. Этот метод требует особого конструктивного
исполнения инструментов или устройств для удержания инстру-
ментов, поскольку эти элементы технологической системы явля-
ются съемными.
При настройке по пробным деталям центр группирования
размеров партии считают средним арифметическим полученных
размеров. В процессе настройки центр группирования необходимо
совместить с положением инструмента, соответствующим настро-
ечному размеру. Такое совмещение производят по лимбу или дру-
гому устройству станка. Однако полного совмещения добиться не
удается. Возникающая при этом погрешность Дн будет опреде-
ляться погрешностью измерения Дизм полученных деталей и по-
грешностью регулировки Дрег. Поскольку две последние погреш-
ности имеют случайный характер, их сложение следует произво-
дить по правилу квадратного корня:
5 — 6780
130 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Дн=2/ф2изм+Д2рег ,	(2.15)
где К - коэффициент, учитывающий закон рассеяния значений Дизм
И Дрег*
Для нормального закона К = 1 ... 1,2. Поскольку Дизм и ДреГ
имеют различную сущность, возможно использование аналогич-
ной, но более точной формулы, в которой коэффициенты при этих
погрешностях могут иметь другие значения:
I 2 Г д Y
Дн = J(KperAper)2+^mM^J ;	(2.16)
Ярег = 1,73; *изм = 1,0.
Значения Дизм и ДреГ следует брать из справочной литературы.
В последней формуле величины Дн и ДреГ относятся к радиусу, а
Дизм - к диаметру.
Расчет среднего арифметического размеров пробных деталей
может быть выполнен с погрешностью в том смысле, что число
пробных деталей может быть ограниченным по экономическим
соображениям. Это число деталей может составлять 5 ... 10 шт.
При большей выборке среднее арифметическое может изменяться.
В соответствии с неточностями метода расчета возникает еще одна
погрешность - Драсч - погрешность расчета. С учетом Драсч
Дн = 2Х’^ДИЗМ + Дрег + Драсч •	(2.17)
Значение Драсч = ±о/7й, где п - число пробных деталей
(и = 5 ... 10); о - среднее квадратическое отклонение размеров.
Приближенно можно считать, что о = IT/g.
Для приближенных технологических расчетов точности дета-
лей, изготовляемых по 8 ... 12 квалитетам, можно принять по-
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 131
грешность настройки Дн = 0,1 (IT). В случае настройки станка при
многоинструментальной обработке значение Дн определяют для
наиболее точного элемента детали, а для менее точных элементов
величина Дн может быть увеличена в 1,5 ... 2 раза или принята
равной 0,1 (IT).
Настройка по второму методу производится на неработающем
станке. Вместо заготовки устанавливают эталон, элементы которо-
го могут быть выполнены в соответствии с настроечными разме-
рами. Чаще всего эталоны устанавливают на токарных и фрезер-
ных станках. Размеры эталона определяют с учетом возможных
упругих деформаций технологической системы. Между поверхно-
стью установленного на станке эталона и резцом или зубом фрезы
размещают щуп. Изменяя размеры щупа, можно пользоваться од-
ними и теми же эталонами при настройке инструмента на разные
установочные размеры. В условиях многоинструментальной обра-
ботки удобно пользоваться эталоном по форме обработанной де-
тали. Тогда каждый инструмент может быть установлен как в ра-
диальном, так и в осевом направлениях, т.е. по двум координатам.
Такая настройка производится сравнительно быстро доведением
режущих кромок до соприкосновения с эталоном.
При настройке по эталону возникает ряд погрешностей, кото-
рые являются составными частями Дн. Сюда относятся погреш-
ность Ди э изготовления эталона, погрешность Ду э установки этало-
на на станок, погрешность Ду и установки инструмента,
Дн =А?^Д2 Э+Ду Э+Ду и .	(2.18)
Значения этих величин для различных случаев даны в спра-
вочной литературе. Определение момента касания режущей кром-
ки инструмента и эталона или щупа требует навыка у настройщи-
ка. Для уточнения этого момента часто пользуются тонкой бума-
гой, расположенной в виде полоски в месте касания. Подводя ин-
струмент к эталону, настройщик перемещает полоску по поверх-
5*
132 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
ности эталона. Затруднение в перемещении или прекращение пе-
ремещения означает момент касания, так как бумага прижимается
инструментом к эталону.
Настройка инструментов производится также по жестким
упорам или упорам, снабженным индикаторными устройствами.
Такая система используется, например, на токарно-револьверных
станках, когда инструмент периодически отводится в исходное
положение, а при обработке каждой следующей заготовки уста-
навливается на размер.
Настройка инструментов вне станка производится с помощью
специальных приспособлений. На них инструмент устанавливает-
ся с помощью измерительных устройств, производится его регу-
лировка. Распространенная конструкция приспособления для то-
карных резцов приведена на рис. 2.17, а. Резец 4 с режущей пла-
стинкой упирается в пластинку 5 приспособления. Необходимая
длина L устанавливается с помощью винта 3. Регулировка винта
производится по индикатору 7, ножка которого связана с винтом
через вставку 2. После регулировки переточенного резца винт 3
законтривается. Расточные резцы (рис. 2.17, б) могут настраиваться
Рис. 2.17. Устройства для регулировки резцов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 133
в аналогичных приспособлениях по двум координатам с выдержи-
ванием размеров LhH. Они могут иметь один или два индикатора.
Точность настройки резцов лежит в пределах 0,015 - 0,02 мм.
Дисковые фрезы настраивают вне станка с помощью мерных
колец, которые располагаются между торцовыми поверхностями.
Для более тонкой настройки наборов фрез целесообразно исполь-
зовать регулировочные кольца.
Осевые инструменты (сверла, зенкеры и др.) устанавливают в
одно- и многоместные приспособления, самое простое из которых
приведено на рис. 2.18. Сверло
3 должно быть связано с пере-
ходной втулкой; положение
втулки определяется гайками 2.
Хвостовик втулки и, следова-
тельно, сверла устанавливают в
вертикальном положении в
приспособлении 1. Вращением
гайки 2 перемещают сверло так,
чтобы его перемычка коснулась
торца винта 4. После установки
сверла вместе с переходной
втулкой вторая гайка 2 закон-
тривает конструкцию. После
поворота верхней части приспо-
собления вокруг своей оси
сверло может быть удалено для
установки на станок.
Итак, погрешность настрой-
ки Дн является типичной элемен-
тарной погрешностью, которая
может рассматриваться как само-
стоятельно, так и в качестве со-
ставной части ожидаемой сум-
марной погрешности обработки.
Рис. 2.18. Устройство для
регулировки сверл
134 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Кроме размерной настройки инструмента практикуется и раз-
мерная настройка остальных элементов технологической системы.
Погрешности настройки таких элементов каждый раз должны рас-
сматриваться особо.
Одна из элементарных погрешностей связана с состояни-
ем металлорежущего оборудования и прежде всего с геометри-
ческой точностью. В течение продолжительного времени точно-
стные расчеты в технологии машиностроения связывали в основ-
ном с погрешностью оборудования. При этом не только игнориро-
вались другие элементарные погрешности, но и не принимался в
расчет тот факт, что технологическая система изменяется во вре-
мени и, следовательно, изменяется и точность обработки.
Оборудование, на котором реализуется технологический про-
цесс, всегда имеет погрешности собственного изготовления. Это
положение очевидно, поскольку детали оборудования в свое время
изготавливались с помощью станков, которые, в свою очередь,
имели собственные погрешности. Погрешности оборудования час-
тично или полностью в суммарном виде переносятся на готовую
продукцию и представляют собой систематические ошибки гео-
метрического характера. Каждая из единичных погрешностей обо-
рудования - Дст - биения шпинделей, отклонения от параллельно-
сти и др. - представляет особую область исследования и вызывает
определенный научный интерес. Но при оценке ожидаемой точно-
сти обработки все единичные погрешности действуют одновре-
менно, и исследователя интересует их совокупное действие, по-
скольку в технологических расчетах принято рассматривать сум-
марное действие всех единичных погрешностей ЕДст.
У каждого типа станка и даже модели геометрические по-
грешности проявляются специфически. Так, например, отклонение
от перпендикулярности оси шпинделя вертикально-фрезерного
станка к поверхности стола этого станка проявится в виде вогну-
тости на обработанной поверхности, а также в виде отклонения от
параллельности технологической базы и обработанной поверхно-
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 135
сти. Такие отклонения будут одинаковыми для всей партии дета-
лей. Они могут влиять и на точность размера, и на точность формы
деталей.
В течение продолжительного времени и особенно в первой
половине XX века практиковался метод оценки геометрических
погрешностей оборудования без нагружения его силами резания
(метод Шлезингера). При этом ряд перемещений производили
вручную. Такая методика не является прогрессивной. Она дает
весьма большое рассеяние измеряемых параметров, поскольку
многие части оборудования могут занимать в зазорах самые про-
извольные положения, которые при последующих ходах могут и
не повторяться. Современная оценка оборудования предусматри-
вает его оценку на ходу при обработке заготовок в виде образцов
определенной формы и размеров. Необходимые данные приводят-
ся в современной справочной литературе.
Отличительной особенностью геометрических погрешностей
является их проявление без нагружения оборудования, т.е. в со-
стоянии, близком к статическому. Все проверки на геометриче-
скую точность проводятся вне рабочего процесса (без резания).
Вращательные и поступательные перемещения частей станков в
ходе проверок осуществляются вручную, а сам металлорежущий
станок в этом случае должен иметь расположение подвижных час-
тей, соответствующее рабочему состоянию станка. Вопросы жест-
кости в ходе проверок не рассматривают.
Геометрические погрешности станков одного и того же на-
значения зависят от их класса точности. С ужесточением показа-
телей точности особенно резко увеличивается стоимость станков.
Процесс образования геометрической погрешности в виде ко-
нусности рассмотрен на примере токарного станка. Схема образо-
вания погрешности представлена на рис. 2.19, а. Предположим,
что возникло отклонение центра задней бабки в горизонтальной
плоскости XOY на величину O1O2 = е. Тогда ось вращения заготов-
ки будет не 00], а ООг- Резец, перемещаясь в горизонтальной
136 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
а)
Рис. 2.19. Схемы образования погрешностей формы,
создаваемых геометрическими погрешностями оборудования
плоскости XOY параллельно оси <%>], образует коническую по-
верхность. Конусность полученной детали i =2eJLo-
Если отклонение <91С?2 пронормировано, то оно должно быть
отнесено к пронормированной длине Lq. Поэтому становится воз-
можным определить из пропорции отклонение е для любой длины
L заготовки:
L
Такое определение е возможно при условии, что при каждой
новой установке задней бабки она перемещается вдоль оси OOi-
Рассмотрим случай (рис. 2.19, б), когда на станках токарного
типа центр задней бабки смещен на величину во в вертикальной
плоскости ZOX. Заготовка вращается вокруг оси ООг, а резец пе-
ремещается в горизонтальной плоскости параллельно оси ОО\.
Тогда на заготовке возникает гиперболоид tg р = во/£о, а радиус г
обработанной поверхности составит для любого значения х
r = ylrQ+tg2$.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 137
Найдем сечение детали для значения Lo / 2 и поместим на ее
оси начало О' координат, пренебрегая по малости углом р. Тогда,
при х = 0 получим г = го- Значения х отсчитываются от точки О'.
В окончательном виде
г =
2 go
%
(2.19)
Образование геометрических погрешностей для круглошли-
фовальных станков может быть проанализировано по аналогии с
погрешностями токарных станков.
Возникновение конусности возможно и при обработке торцо-
вых поверхностей. Если траектория перемещения резца имеет в
ходе токарной обработки отклонение от перпендикулярности к оси
вращения заготовки, то возникает коническая поверхность с
большим углом при вершине. При этом возможно возникновение
как вогнутых, так и выпуклых конических поверхностей. Если же
при этом резец был установлен выше или ниже оси вращения заго-
товки, возникает гиперболоид.
Биение шпинделей станков является типичной геометриче-
ской погрешностью. Оно вызывается чаще всего несовершенством
шпиндельных опор. Биение центров токарных станков не вызыва-
ет отклонения детали от круглости, но ось заготовки (рис. 2.20, а)
при биении на величину 2е занимает положение О1О2 с углом а.
Поэтому при вращении заготовки центровая линия O1O2 описыва-
ет коническую поверхность с вершиной у заднего центра в точке
О2. После обработки заготовки получается цилиндрическая по-
верхность, ось которой смещена под углом а по отношению к ли-
нии центров. Если обработка производится за два установа, то
возникает деталь по форме рис. 2.20, б. Она состоит из двух участ-
ков, у каждого из которых имеется своя ось. Смещение е по
рис. 2.20, а вызывается кроме биения шпинделей геометрическими
погрешностями собственно центров, конических отверстий шпин-
делей, погрешностями различных переходных втулок и др.
138 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Рис. 2.20. Схемы образования погрешностей из-за биения
шпинделей
Геометрические погрешности возникают также в результате
кривизны направляющих элементов станков. Так, если, например,
суппорт перемешается по криволинейным направляющим, то тра-
ектория перемещения инструмента также будет криволинейной.
Какую именно погрешность образует такой инструмент на детали,
необходимо определять для каждого конкретного случая. Анало-
гичные задачи решаются также в связи с износом элементов ме-
таллорежущих станков. Величины износов являются функцией
времени. Поэтому для каждого периода или момента времени экс-
плуатации станка представляется возможным внести в расчет свои
коррективы регулировкой станков, а в отдельных случаях - с по-
мощью корректирующей программы. Однако такие расчеты ус-
ложняются в связи с неравномерностью износов по длине направ-
ляющих.
К геометрическим погрешностям относят также деформации
металлорежущих станков в связи с их установкой на фундаменты,
а также деформации из-за проседания фундаментов.
В ходе эксплуатации технологическая система подвержена
воздействию тепла. Оно выделяется в зоне резания, а также в
местах, где возникает трение перемещающихся частей. Локальный
нагрев системы порождает тепловые деформации, части системы
занимают в пространстве новые положения, которые зависят от
степени нагрева. Так возникает еще одна элементарная погреш-
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 139
ность - Дт. Неравномерный нагрев различных зон технологической
системы приводит к деформациям, которые снижают точность об-
работки. Каждая из местных тепловых деформаций действует на
систему одновременно с другими тепловыми деформациями. По-
этому в расчетах учитывают их суммарное воздействие ЕАТ. Так
обозначают не собственно тепловые деформации, а вызываемые
ими погрешности обработки, входящие составной частью в значе-
ние суммарной погрешности.
Следует различать стационарное и нестационарное состояния
технологической системы. В первом случае система работает в
условиях теплового равновесия, когда подвод тепла от какого-
либо источника соответствует отводу тепла. Температура системы
в случае теплового равновесия практически не меняется. При не-
стационарном состоянии температура системы в различные мо-
менты времени в различных ее зонах изменяется.
При нагревании технологической системы до наступления
момента теплового равновесия состояние ее в каждый момент
времени оказывается различным и компенсировать его практиче-
ски не удается. В среднем время, затрачиваемое на достижение
теплового равновесия, исчисляется часами и составляет ощутимую
часть производственной смены.
Замечено, что тепловые деформации изменяются чаще всего
по экспоненциальному закону. По достижении момента теплового
равновесия перемещения от воздействия тепла практически пре-
кращаются.
Значение ЕАТ в общем балансе погрешностей ощутимо воз-
росло в связи с возрастанием требований к точности обработки.
В ряде случаев тепловые деформации уже нельзя игнорировать,
как это было ранее. Для ряда металлорежущих станков с про-
граммным управлением режим работы устанавливают с учетом
пауз времени для восстановления состояния, при котором про-
граммы не дают сбоев по причинам перегрева.
140 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Аналитические расчеты температурных деформаций станков
оказываются сложными и малопригодными для практического
применения. Поэтому чаще всего используют экспериментальные
данные, являющиеся результатом большого числа измерений, про-
веденных в одинаковых условиях. Наиболее интенсивно нагрева-
ются бабки металлорежущих станков в районе передних подшип-
ников. Если в бабке достаточно масла для смазки трущихся час-
тей, то нагретое масло способствует некоторому выравниванию
температуры всей корпусной детали. В этом случае можно сделать
прикидочные расчеты деформации AZ по формуле
AL=aL(A/),
где a - относительный температурный коэффициент линейного
расширения; L - линейный размер элемента станка; А/ - разность
температур между корпусом и окружающей средой.
Такую же формулу можно, например, использовать для опре-
деления удлинения нагретого шпинделя станка. Если перемещение
заднего подшипника в осевом направлении запрещено, перемещение
переднего конца может существенно повлиять на точность детали
при эксплуатации предварительно настроенного станка. Так, при
длине шпинделя L = 800 мм, AZ =10 °C и a = 0,000012 1/°С АТ со-
ставляет 0,1 мм.
На станках токарной группы температурные деформации
шпинделей наиболее ощутимы в вертикальном направлении. Они
могут достигать нескольких сотых миллиметра. Если инструмент
расположен по отношению к заготовке в горизонтальной плоско-
сти, то вертикальные перемещения шпинделя почти не скажутся
на выдерживаемом размере. Если же тело резца расположено вер-
тикально, то температурная деформация целиком переносится на
размер детали. С изменением частоты п вращения шпинделя де-
формация оказывается пропорциональной -jn .
Существенное влияние на точность размеров и формы оказы-
вает тепловая деформация заготовок. Это хорошо известно из
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ 141
практики. Стараются не производить чистовую обработку нагре-
той заготовки, не измерять ее в нагретом состоянии, а также пра-
вильно закреплять исходя из возможности ее температурных де-
формаций в ходе обработки. Последнее обстоятельство особенно
важно учитывать при обработке длинных заготовок (рис. 2.21, а) с
закреплением с одной стороны. Плита с размерами L и S, обраба-
тываемая на продольно-строгальном станке, получает температур-
ные деформации из-за различных температур 01 и 02 на верхней и
нижней поверхностях. Если плита будет закреплена с двух сторон,
то она прогнется (рис. 2.21, б) так, что возникнет стрела прогибах,
л.= /За(0р-02)	(2.20)
85
Эта стрела оказывается пропорциональной квадрату длины.
Средняя температура t нагрева заготовок в ходе механической об-
работки определяется по формуле
где Q - тепло от процесса резания, полученное заготовкой, ккал;
С - удельная теплоемкость материала заготовки, ккал/(кг • °C); р -
плотность материла заготовки, кг/м3; К- объем заготовки, м3.
Рис. 2.21. Схемы тепловых деформаций при обработке
длинных заготовок
142 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Рассматривая распространение тепловых потоков, полезно
иметь в виду следующий тепловой баланс. При токарной обработ-
ке в стружку уходят 50 - 85 % тепла, а при высоких скоростях ре-
зания до 90 %; 10 - 40 % тепла переходит в резец, 3 - 9 % остается
в заготовке и около 1 % рассеивается в окружающую среду. При
сверлении в стружку в среднем уходит 28 % тепла, 14 % переходит
в сверло, 55 % остается в заготовке и около 3 % рассеивается в ок-
ружающую среду.
Несмотря на сравнительно малое количество тепла, перехо-
дящего в инструмент, во многих случаях учитывают его темпера-
турные деформации. Удлинение от нагревания консольной части
резцов может быть особенно ощутимо. Величина этого удлинения
может достигать нескольких сотых миллиметра и зависит прежде
всего от скорости резания, подачи, глубины резания и механиче-
ских характеристик материала обрабатываемой заготовки. Для оп-
ределения состояния теплового равновесия консольно закреплен-
ных резцов их удлинение можно определять по эмпирической
формуле
Д/ = С^а(Г5)°>7\0’5,	(2.22)
F
где С - постоянная (при глубине резания t < 1,5 мм; подаче
s < 0,2 мм/об, скорости резания v = 100 ... 200 м/мин, С - 4,5); £р -
вылет резца, мм; F- площадь поперечного сечения резца, мм2.
В итоге анализа тепловых деформаций технологических сис-
тем можно утверждать, что значение £ДТ является важной состав-
ляющей частью ожидаемой точности обработки.
2.6.	СУММИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ
ПОГРЕШНОСТЕЙ
В п. 2.5 рассмотрены элементарные погрешности механиче-
ской обработки резанием и даны необходимые расчеты для опре-
деления числовых значений этих погрешностей. Оценка каждой из
СУММИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ
143
элементарных погрешностей имеет важное значение и может быть
рассмотрена самостоятельно. Однако главным является вопрос о
нахождении суммарной погрешности обработки. Действительно,
разработанный в ходе подготовки производства технологический
процесс изготовления деталей или сборки изделия до передачи
технологической документации в цех представляет собой вариант
технологических решений, которые еще будут реализованы на
практике. Но для этого необходимо приобрести оборудование и
инструменты, изготовить приспособления, создать службу контро-
ля и провести ряд организационных мероприятий. Все сказанное
требует больших материальных затрат. Поэтому разработчик тех-
нологического процесса должен быть уверен, что его вариант даст
однозначно положительный результат. Такой результат определя-
ется на основе погрешности, представляющей собой сумму ранее
найденных элементарных погрешностей. Задача о суммировании
решается особо для каждого случая обработки и в зависимости от
того, какую сущность в данном процессе имеет каждая погреш-
ность. Несмотря на то что на ожидаемую точность оказывают
влияние многие факторы, суммирование в большинстве случаев
можно приводить по шести элементарным погрешностям, рас-
смотренным выше.
Рассмотрим вопрос суммирования для случая обработки заго-
товок на предварительно настроенных станках с использованием
приспособлений. Предположим, что имеется такой случай обра-
ботки, когда каждая из элементарных погрешностей представляет
собой звено размерной цепи. Тогда ожидаемую точность Д можно
представить как замыкающее звено и суммирование элементарных
погрешностей следует производить алгебраически:
Д = £ + Ду + Дн + Ди + ЕДТ + ЕД^ .	(2.23)
Задача решается по принципу «максимум - минимум». При
этом следует сделать ряд оговорок. Все элементарные погрешно-
144 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
сти здесь отнесены к направлению выдерживаемого размера. Сла-
гаемое ЕАСТ чаще всего связно с погрешностями формы изготов-
ляемой детали. В аналогичных формулах это слагаемое представ-
ляют как ЕАф и суммирование ведут по соответствующим прави-
лам. Обязателен учет взаимной компенсации геометрических по-
грешностей технологической системы. При обработке тел враще-
ния А для диаметральных размеров нужно определять без учета 8.
Анализ конкретного технологического процесса может при-
вести к выводу, что в отдельных случаях следует пренебречь и
другими слагаемыми. Однако для этого нужны научные обоснова-
ния. Расчет значения А является достаточно простым. Вместе с тем
точность расчета оказывается низкой, а результат почти всегда
завышенным. Даже для случаев обработки большой партии заго-
товок рассчитанное значение А встречается редко, что характерно
для расчетов по максимуму - минимуму.
Возможен и другой метод расчета. Каждую первичную по-
грешность можно представить как вектор, модуль которого пред-
ставляет собой поле рассеяния погрешности или (что менее точно)
разность предельных значений погрешности. Тогда значение А
следует определять в векторной форме:
А = е + Ау + Ан + Аи + SAT + ЕАф.	(2.24)
Этот метод лишь в исключительных случаях может приме-
няться на практике, поскольку необходимо знать направление, в
котором проявляется данная погрешность, что связано с трудно-
стями в практической работе технолога. Если каждый вектор
спроектирован на направление выдерживаемого размера, то задача
сложения упростится, так как приходится иметь дело с коллинеар-
ными векторами:
А = 8q + АУ() + АНо + АИо + SATq + ЕАфо.	(2.25)
СУММИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ
145
Здесь индекс «ноль» означает проекцию вектора элементар-
ной погрешности. Последняя формула по своей сути соответствует
основной структурной формуле при условии направления выдер-
живаемого размера. Из сказанного следует, что каждый из пред-
ложенных выше методов суммирования имеет существенные не-
достатки. Эти недостатки могут быть в значительной степени ос-
лаблены, если элементарные погрешности рассматривать как слу-
чайные величины. Такой подход вполне соответствует сути рас-
сматриваемого метода исследования погрешностей, который на-
зывают расчетно-статистическим.
Как правило, первые пять членов приведенных выше формул
представляют собой случайные величины. Поэтому их суммиро-
вание необходимо проводить под знаком квадратного корня:
А = tyjXfi2 + Х2Д2 + Х3Д2 + Х4Д2 + X5SA2 .	(2.26)
Здесь X] ... Х5 - коэффициенты, характеризующие законы рас-
пределения каждой из элементарных погрешностей; t - коэффици-
ент, определяющий процент риска получения брака при обработке.
Риск возникает в связи с тем, что нельзя утверждать с полной оп-
ределенностью, что рассеяние данной первичной погрешности со-
ответствует данному закону распределения. При t = 1 вероятность
возникновения брака соответствует 32 %: при t = 2 она снижается
до 4,5 %; при t = 3 вероятность доходит до 0,27 %.
Коэффициенты X имеют вполне определенное значение для
каждого закона распределения. Так, для закона нормального рас-
пределения X = 1/9, для распределения Симпсона X = 1/6. Для за-
кона равной вероятности, а также для случаев, когда о законе рас-
пределения данной элементарной погрешности ничего неизвестно
(либо мало известно) X =1/3.
Из практики известно, что величины Ау, £ и Ан имеют распре-
деление, близкое к нормальному. Поэтому X] = Х2 = Х3 = 1/9. Рас-
146 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
пределение Ди близко к закону равной вероятности. Поэтому
Х4 = 1/3. Характер распределения величин А- мало изучен. Для
случаев, когда о законе распределения данной первичной погреш-
ности ничего неизвестно (либо мало известно), X = 1/3. Поэтому
Х5 = 1/3. Если принять I = 3, рабочая формула для определения
ожидаемой точности имеет вид
А = Г^е2 + Ду + Д2 + ЗД2И + у ЕД2 + ЕДф.	(2.27)
Величина ЕДф не является случайной и не суммируется под
знаком корня. Элементарные погрешности представляют собой
поля рассеяния этих величин.
Погрешность формы ЕДф, вызываемая различными причинами
(геометрические погрешности станков, деформации заготовок под
действием сил закрепления и др.), входит в состав Д, так как до-
пуск на размер, как правило, охватывает и отклонение формы.
Размер же с учетом отклонений формы измеряется в различных
сечениях детали. Предположим, что обработка заготовок произво-
дится на нескольких станках. Тогда геометрические погрешности
станков будут иметь рассеяние и величина ЕДф из систематической
превратится в случайную. В этом случае ЕДф должна суммиро-
ваться под знаком корня.
В другом случае может оказаться, что партия заготовок неве-
лика и может быть обработана при постоянной настройке системы.
Тогда погрешность настройки Дн должна рассматриваться как сис-
тематическая и не может суммироваться под знаком корня. Ее
нужно исключить из состава Д.
При обработке малых партий заготовок может проявиться и
размерный износ инструмента. Этот же эффект может наблюдать-
ся и при малых колебаниях припусков или твердости заготовок.
Следовательно, это повлияет и на значение Ду. Таким образом, при
малых партиях заготовок фактическая суммарная погрешность
может оказаться меньше рассчитанной, что следует иметь в виду.
СУММИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ
147
Если обрабатывается единичная заготовка или всего несколь-
ко штук, используют метод пробных ходов и измерений. В этом
случае необходимо пользоваться формулой
А-Ау+£п+£3+АИ+АТ+ АСТ,	(2.28)
где Ду - погрешность формы обрабатываемой поверхности из-за
копирования первичных погрешностей заготовки; £п - погреш-
ность установки режущего инструмента, т.е. погрешность провер-
ки; £3 - погрешность формы обработанной поверхности или по-
грешность ее положения относительно измерительной базы; А„ -
погрешность формы поверхности в результате износа режущего
инструмента; Дт - погрешность формы одной детали из-за тепло-
вых деформаций системы; Аст - погрешности формы обрабатывае-
мой поверхности из-за геометрических погрешностей станка.
Даже при сравнительно низкой точности расчетов представ-
ленные формулы обладают тем неоспоримым преимуществом, что
позволяют определить ожидаемую точность механической обра-
ботки еще до ее проведения, при подготовке производства. Естест-
венно, что при этом возможны сравнение различных вариантов
обработки и отыскание такого технологического решения, которое
обеспечивает наивысшую точность.
Рассмотренные методы суммирования элементарных погреш-
ностей основаны на использовании принципа суперпозиции, когда
действие каждой из погрешностей рассматривается независимо от
других. Однако возникновение каждой из элементарных погреш-
ностей неизбежно приводит к изменению других погрешностей.
Например, погрешность, связанная с упругими деформациями,
дополнительно влияет на износ режущего инструмента, тепловые
явления и т.д. Погрешность настройки, изменяющая глубину реза-
ния, может оказать влияние на погрешности, вызываемые упруги-
ми деформациями технологической системы, а также тепловыми
деформациями. Поскольку технологическая система по своей сути
148 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
является физической системой, любое состояние которой характе-
ризуется сбалансированной совокупностью параметров взаимо-
действия ее элементов, то любое изменение любого из указанных
параметров взаимодействия, в принципе, может вызвать измене-
ние иных параметров взаимодействия. Степень взаимного влияния
погрешности оценивается особо. При расчетах точности изготов-
ления деталей, точность которых не превышает IT8 - 9, суммарная
погрешность может быть оценена на основе действия принципа
суперпозиции. Во многих же случаях рост требований к показате-
лям качества машин также приводит к необходимости суммирова-
ния элементарных погрешностей с учетом их взаимного влияния.
В первую очередь этого требует прецизионное машиностроение.
Значение i показателя точности изделия (в частности, детали)
после выполнения j-го этапа (операции) технологического процес-
са (Kj)j может быть представлено в виде
(2.29)
где Mj - слагаемое, характеризующее влияние на результирующие
значения показателя качества (например, точности) собственно
технологического метода и условий его реализации; Hj - слагае-
мое, характеризующее влияние на формируемый показатель каче-
ства иных, ранее сформированных показателей качества. Отметим,
что Mj - слагаемое, характеризующее механизм текущей опера-
тивной трансформации свойств изделия, a.Hj- слагаемое, характе-
ризующее влияние технологической предыстории (наследственно-
сти) на формирование свойства (показателя) (X,);. Приведенное
выражение в самом общем виде описывает механизм трансформа-
ции и сохранения свойств изделия в процессе его изготовления.
На рис. 2.22 показано соотношение указанных составляющих,
определяющих значение показателей точности для деталей раз-
личных уровней последней. Для деталей, уровень точности кото-
рых характеризуется точностью основного размера, соответст-
СУММИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ
149
вующей IT3, доля наследственной составляющей в значении пока-
зателя качества не менее 40 - 50 %. В этих условиях игнорирова-
ние наследственных связей, взаимного влияния и взаимной обу-
словленности погрешностей как в отдельно взятой технологиче-
ской операции, так и в сквозном процессе изготовления изделия
становится недопустимым. В тех же случаях, когда точность дета-
лей грубее IT7, соотношение слагаемых изменяется менее интен-
сивно, чем в случае высокой точности.
Механизм формирования элементарных погрешностей для
последующего суммирования требует особого анализа. Некоторые
из элементарных погрешностей обработки, например Ду, Ди, £ДТ,
влияют как на величину погрешности размера, так и на погреш-
ность формы, представляемую членом ЕДф. Однако разделение
Рис. 2.22. График для определения составляющих точности
150 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
оказанного влияния при обычном подходе весьма затруднительно.
При выполнении практических расчетов для деталей, точность ве-
дущих размеров которых не превышает IT7, в ряде случаев вели-
чиной ЕДф пренебрегают. Доля же каждой составляющей в сум-
марной погрешности обработки обычно оценивается путем со-
ставления баланса погрешностей. Так, например, при обработке на
токарно-копировальных полуавтоматах в общем балансе суммар-
ной погрешности на долю составляющих приходится: Ду « 30 %;
Ди « 30 %; Дн » 15 %; ЕДФ « 25 %. Обычно отклонения формы и
взаимного расположения поверхностей указывают в процентах от
допуска на размер. Полезно ввести понятие уровня точности: для
первого уровня отклонения формы и расположения составляют не
более 60 % от допуска на размер; для второго - 40 %; для третье-
го - 25 %. Таким образом, оценив влияние составляющих непо-
средственно на погрешность размера и оценив характер форми-
рующей среды и уровень точности, можно определить полную ве-
личину Д£.
Взаимное влияние элементарных погрешностей не может рас-
сматриваться только на основе шести указанных выше. В конкрет-
ных случаях вполне весомыми могут оказаться погрешности, не
рассмотренные выше. Часто необходим учет динамических по-
грешностей обработки. Доля этих погрешностей в обычном балан-
се точности грубее IT7 относительно мала. Однако она существен-
но увеличивается с ужесточением допуска, а в ряде случаев преци-
зионной обработки становится доминирующей.
Значение погрешности Р после выполнения операции j опре-
деляют как
(^)7=(^со)7+(^сп)7>	(2.30)
где (Рсо)/ - составляющая i погрешности, возникшая вследствие
взаимодействия с заготовкой технологической среды уровня опе-
рации у; (Рсп), - составляющая i погрешности, возникшая вследст-
СУММИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ
151
вие взаимодействия с заготовкой технологической среды уровня
процесса, проявляющаяся в операции у,
(Рсо)У=(Рд)У+(Рв).р
(231)
где (Рд); - детерминированная составляющая погрешности (Рсо)/
(Pb)j ~ составляющая погрешности, возникающая вследствие вза-
имного влияния различных погрешностей (Pco)j, возникающих при
взаимодействии заготовки с технологической средой уровня опе-
рации.
Тогда
(Р/ ),- = (Рд ) 7. + (Рв ) 7. + (Рсп )7..	(2.32)
Значение (Р,); определяется по общетехнологическим зависи-
мостям. В известном смысле величина Рд тождественна величине
соответствующей погрешности в традиционном расчетно-
аналитическом методе определения суммарной погрешности. Счи-
тают, что значение (Рд)7 является математическим ожиданием зна-
чения соответствующей погрешности. Количество рассматривае-
мых элементарных погрешностей не регламентируется и, в прин-
ципе, может быть любым, но конечным. Значение (Рв)7 для /-ой
составляющей погрешности (Р,)7 определяется как
А=1
(2.33)
где к - индекс элементарной погрешности, к Ф z; I - общее число
составляющих погрешностей; (РдЭд^. - детерминированное зна-
чение погрешности Рк в операции у; (ай)7 - коэффициент транс-
формации погрешности Рк в составляющую погрешности Р, в опе-
рации j.
Иллюстрацией последнего выражения с учетом приведенных
выше зависимостей является система:
152 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Ау - (Ау)д + йду|Е(е)д +аАу,Дн(Ди)д +аДу,Ди(АИ)д + аДу,Дт(Дт)д‘>
дт =йдт,ду(Ау)д +йдт>е(е)д +йдт,дн(Ан)д +йдт,дн(Аи)д +(Ат)д-
(2.34)
Каждый из коэффициентов трансформации показывает сте-
пень взаимного влияния элементарных погрешностей при взаимо-
действии заготовки с технологической средой уровня операции.
Так, например, коэффициент е показывает степень влияния
погрешности £ на величину погрешности Ду.
Представленную систему удобно объединить в матричной
формуле
И1,=[о,»1У[Л]дг	(235)
где [РД/ - матрица-столбец полных значений составляющих сум-
марной погрешности после выполнения операции J; [а,*], - матрица
коэффициентов трансформации; i, к = 1, Z; [7/]д^. - матрица-
столбец детерминированных значений составляющих суммарной
погрешности после выполнения операции j.
Матрица коэффициентов трансформации обладает следую-
щими свойствами:
1)	она является квадратной;
2)	диагональные элементы матрицы равны 1 при i = к, а* = V,
3)	в общем случае матрица не является симметричной относи-
тельно главной диагонали:	alk (прямое влияние нетождествен-
но обратному);
4)	коэффициенты трансформации могут быть положительны-
ми (одна погрешность усиливает другую), отрицательными (про-
исходит частичная взаимная компенсация погрешностей) или рав-
ными нулю (отсутствует влияние одной погрешности на другую).
СУММИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ
153
так:
Используя принятые обозначения.
матрицу можно записать
ДУ		1	% ,е	аду,дн	аду,дн	%,Дт		Ду	
£		ЯДу,Е	1	Яе,Дн	Яе,Ди	^е,Дт		£	
Ан	=	аАнДу	аД„,е	1	ад„,ди	ЧА		Ан	. (2.36)
Аи		ади,ду	аД„,е	аДн,Дн	1	адн,дт		Аи	
Ат	./	_адт,ду	^AT,g	«ДТ,ДН	^Д-Г’^и	1	J	Ат	Д;
Размер матриц может быть принципиально любым. Многие
элементы матрицы [а,у] будут равны нулю или близки к нулю в
силу объективного отсутствия или недостаточности влияния соот-
ветствующих погрешностей, а также в силу полного отсутствия
информации о таком влиянии, что может быть оправдано в от-
дельных случаях. Это обстоятельство может оказаться очень важ-
ным для практического использования.
Значение [/}]у также представляется в матричной форме:
tf],	]д,.	[^]д-,	(2.37)
где [Да-]7 - матрица коэффициентов трансформации погрешно-
стей, приобретенных в предыстории детали, в составляющие по-
грешностей на этапе у; [7/]д* - матрица-столбец детерминирован-
ных значений погрешностей, сформированных в предыстории дета-
ли, а проявляющихся на этапе (операции)/.
Слагаемое [/}]_. характеризует влияние технологиче-
Aj
ской среды уровня процесса на формирование погрешностей при
реализации операции j и показывает, как погрешность, сформиро-
ванная на любом из предшествующих этапов предыстории (*),
проявляется на этапе у. По сравнению с элементами матрицы
154 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
для элементов главной диагонали матрицы [£>(А.]7- снимается
условие равенства единице.
Выражение наиболее полно описывает механизм фор-
мирования элементарных погрешностей с учетом сложных зако-
номерностей трансформации и сохранения свойств деталей. Вме-
сте с тем использование матриц в практических расчетах требует
создания нетривиальной информационной базы коэффициентов
трансформации.
Случайный характер элементарных погрешностей может быть
учтен при расчете суммарной погрешности также в матричной
форме. При известном итоговом столбце элементарных погрешно-
стей [7>] определим вектор-столбец
(2.38)
где
- диагональная матрица коэффициентов, завися-
щих от формы кривой распределения погрешности Р,;	* О,
= 0 при i к.
Квадрат итогового значения суммарной погрешности можно
представить в форме
4 =[M]Ttf-b	(2.39)
где Т - символ транспонирования.
Сказанное позволяет получить значение Д^.
Значения как элементарных, так и суммарной погрешности
обработки при наличии развитого информационного обеспечения
могут быть с достаточной точностью определены с помощью дан-
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ
155
ного математического аппарата, ориентированного на автоматизи-
рованное выполнение необходимых расчетов.
В период зарождения технологии машиностроения как науки
суммирование элементарных погрешностей при их взаимном
влиянии не только не было возможно, но даже не формулирова-
лось как проблема исследования. Принцип суперпозиций вполне
удовлетворял исследователей. В этом случае для оценки шести
элементарных погрешностей производили шесть обособленных
исследований. Но если необходимо произвести оценку взаимного
влияния п погрешностей, то надо исследовать п(п - 1) связей. По-
этому, когда каждая связь реализуется или отсутствует число со-
стояний технологической системы, составляют фантастическое
число 2Л(Л" =230. Теперь, при широком внедрении компьютеров в
практику исследований создаются благоприятные предпосылки
для более глубоких и полных исследований в технике и в том чис-
ле - в технологии машиностроения.
2.7.	ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХ
ДЕТАЛЕЙ. НАНОТЕХНОЛОГИЯ
Ужесточение параметров точности деталей машиностроения
уже стало нормой. Такое ужесточение, по прогнозам, будет харак-
терно и для XXI века. Постоянно увеличивается номенклатура
прецизионных изделий. Одновременно увеличиваются объемы их
годового выпуска. Допуски на различные геометрические пара-
метры изделий назначают в микрометрах и долях микрометра, что
становится обычной практикой при конструировании прецизион-
ных деталей. Ужесточение параметров деталей связано с обеспе-
чением их служебного назначения.
На рис. 2.23 представлены примеры прецизионных деталей.
Так, деталь № 1 представляет собой золотник с допустимым от-
клонением основной поверхности до 0,001 мм. Регламентируется
также и отклонение от цилиндричности. Нарушение таких допусков
156 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Рис. 2.23. Примеры прецизионных деталей
ведет к недопустимому перетеканию жидкостной или газообраз-
ной среды через образовавшиеся зазоры. Аналогичные допусти-
мые отклонения приведены и для другого золотника - деталь
№ 2. Для ротора - деталь № 3 - регламентируется отклонение от
перпендикулярности осей шеек к торцу А. Этим обеспечивается
допустимое торцовое биение поверхностей. Важную роль играет
соосность шеек ротора, что также регламентируется допуском.
Для подпятников (деталь № 4) исключительно большое влияние на
работу всего изделия оказывает отклонение от параллельности
опорных торцов. Аналогичные требования предъявляются и к от-
клонениям от плоскостности для других конструкций подпятников
(детали № 5 и 6). Для детали № 7 регламентируется отклонение от
сферичности. Такая деталь выполняет в изделии функции ролика.
Установление требований к параметрам прецизионных изде-
лий производят в связи с проявлениями особенностей изделия при
эксплуатации физическими и химическими законами, возникаю-
щими при эксплуатации.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ
157
На рис. 2.24 в сильно утрированном виде представлена шейка
3 вала, вращающегося в смазочной среде 2 подшипника скольже-
ния, размещенного в корпусе 1. При больших частотах п вращения
валов смазочный слой - жидкость или газ - уже теряет свои пер-
воначальные свойства так, что затрачиваемая мощность на вращение
существенно возрастает. Для некоторых шеек изделий, например
турбодетандеров, отклонение формы шеек, т.е. их овальность, не
должна превосходить 0,002 мм. При частоте вращения 100 000 ...
200 000 об/мин такой вал можно уподобить валу с двумя лопастя-
ми, перемешивающими газовую или жидкостную среду. Наруше-
ние допусков в сторону увеличения вообще делает недопустимым
запуск изделий. Этот и аналогичные примеры показывают, что
изготовление прецизионных деталей вполне оправдано и в боль-
шинстве случаев не имеет альтернативы.
Проблема изготовления прецизионных деталей настоятельно
требует более глубокого подхода к выбору материалов, изменению
их свойств в ходе технологических процессов. Становится более
необходимым учет физико-механических характеристик материа-
лов, инструментов и технологической системы вообще.
Рис. 2.24. Схема вала, вращающегося в смазочном слое
подшипника скольжения
158 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
На рис. 2.25 представлены результаты обработки заготовок с
определением отклонений от круглости для различных материа-
лов. Обтачивание заготовок производилось на одном и том же то-
карном станке, одним и тем же режущим инструментом из алмаза,
с одинаковой глубиной резания и одинаковыми режимами обра-
ботки. Все прочие особенности (факторы) работы технологической
системы старались во всех случаях оставить без изменений. Таким
образом, изменяли только материал заготовок. Оказывается, что
при прочих равных условиях отклонение от круглости латунных
заготовок оказалось почти в 5 раз больше, чем у стальных, и более
чем в 2 раза больше, чем у чугунных. Результаты таких экспери-
ментов играют особенно важную роль для изготовления прецизи-
онных деталей. Отыскание причин наблюдаемых явлений требует
особого подхода. Можно только утверждать, что объяснение
причин возникновения различных некруглостей нельзя объяснять
Рис. 2.25. Влияние свойств материала на отклонение от
круглости деталей
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ
159
различными по величине модулями упругости материалов. Если мо-
дули упругости для стали и латуни различаются на порядок, то для
латуни и чугуна различие оказывается весьма малым.
В настоящее время заданную точность в машиностроении в
основном обеспечивает метод резания. Однако он находится в яв-
ном противоречии с возрастающим ужесточением всех параметров
деталей машин и изделий в целом. Дело в том, что режущий клин
инструмента, как лезвийного, так и абразивного, имеет скругление
режущей кромки. Такое скругление, характеризуемое соответст-
вующим радиусом, не может характеризоваться даже десятыми
долями микрометра. Такие радиусы исчисляются единицами и де-
сятками микрометров. Поэтому сам слой материала, удаляемый с
помощью метода резания, как бы разделяется на две части: верх-
няя часть уходит в стружку, а нижняя как бы прикатывается в уп-
ругопластическом режиме к обработанной поверхности.
Органические недостатки режущего инструмента приводят к
выводу, что в определенные моменты развития технологии маши-
ностроения применительно к изготовлению прецизионных деталей
придется отказаться от метода резания. Необходимая точность
размера, формы и расположения будет обеспечиваться не удалени-
ем материала, а его наращиванием. Уже сейчас имеются установ-
ки, позволяющие осуществлять прямое выращивание деталей. В
ряде случаев геометрическая точность таких деталей не является
пока высокой, но очевидно, что проблема точности при таком
подходе к изготовлению прецизионных деталей может быть ус-
пешно решена.
Одним из безусловных преимуществ нового метода изготов-
ления деталей является отсутствие технологической оснастки в
обычном понимании. При этом детали изготовляют из композитов,
а поверхностный слой, состоящий из различных более тонких сло-
ев, буквально конструируется так, как обычно конструируется
деталь.
160 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
В одном случае на подложку наносится тонкий слой жидкого
материала и затвердевает, в другом - наносимый слой порошка
преобразуется в монолит под действием лазерного излучения. Ска-
занное выполняется по соответствующей программе для поверх-
ностей пока еще малой протяженности, тем не менее термин «вы-
ращивание» уже применяют в основном для сложных конфигура-
ций. При этом возможны непрерывная подача порошка и приме-
нение сканирующего лазерного устройства.
Проблема размерной точности уже сейчас может успешно
решаться с помощью ионной обработки, напыление на деталь тон-
чайших слоев изменяет размер, исчисляемый с точностью до мил-
лиардной доли метра. Именно такие процессы составляют суть
нанотехнологии.
Обеспечение точности прецизионных деталей имеет ту явно
выраженную особенность, что каждая погрешность должна рас-
сматриваться состоящей из двух частей: первая характерна собст-
венно для процесса обработки, вторая имеет наследственную при-
роду. Именно вторая составляющая очень устойчива и с трудом
поддается как ликвидации, так и уменьшению. Если при изготов-
лении деталей нормальной точности наследственная составляю-
щая представляет собой весьма малую часть допуска, то при изго-
товлении прецизионных деталей (микрометрическая и долемикро-
метрическая точность) она составляет его основную часть, а в не-
которых случаях и превосходит допуск. Так, если производят
шлифование в центрах, возникает наследственный перенос по-
грешностей центровых отверстий на обработанную поверхность.
Ликвидировать такие погрешности оказывается весьма трудно.
К настоящему времени уже имеется теория технологического на-
следования в машиностроительном производстве. В соответствии
со сказанным можно утверждать, что учение о технологической
наследственности представляет собой основу достижения точно-
сти при производстве прецизионных деталей.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ
161
При достижении наивысшей точности размеров и формы на-
блюдается очень тесная связь с параметрами шероховатости по-
верхностей. Действительно, значения параметров Ra и Rz могут
выражаться числовыми значениями, существенно превосходящи-
ми допуски размеров и формы. В случаях прецизионной обработки
такие связи оговаривают особо. Научный интерес вызывает ут-
верждение о том, что в разных зонах одной и той же поверхности
физико-механические и химические характеристики оказываются
различными. Детальному анализу подвергается положение о том,
что единичный микровыступ поверхности по высоте имеет раз-
личную энергию, а энергетические особенности всего поверхност-
ного слоя в суммарном выражении используются для получения
благоприятных коэффициентов трения сопрягаемых деталей.
В случае прецизионной обработки и нанотехнологии иногда
становится затруднительным оценивать шероховатость поверхно-
сти по шести известным параметрам. Например, в случаях обеспе-
чения отражающих поверхностей металлических зеркал шерохо-
ватость оценивают энергией выхода электронов отраженного по-
тока света.
Практика современного прецизионного машиностроения
предполагает использование для изготовления деталей аттесто-
ванных технологических систем и сред. Особые требования
предъявляют к точности металлорежущих станков и термостати-
рованию производственных помещений. Во многих случаях и точ-
ные станки оказываются сравнительно грубыми. Тогда стараются
исключить из технологического процесса элементы станков, сни-
жающие точность. Так, шпиндели круглошлифовальных станков
вносят существенные погрешности в обработку. Поэтому изделие
вращается на неподвижных центрах, а крутящий момент передает-
ся поводковым устройствам.
Аналогичный подход наблюдается и при шлифовании загото-
вок на призмах (рис. 2.26). Заготовка 1 скользит по неподвижным
поверхностям призм 3. При этом возможно как наружное, так и
6 — 6780
162 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Рис. 2.26. Схемы изготовления прецизионных деталей на призмах
внутреннее шлифование. Движение круговой подачи Ds^ выби-
рается в соответствии с главным движением Dr шлифовального
круга 2. Вращательное движение заготовок производится магнит-
ными приводами по торцовой поверхности заготовки. На практике
призму 3 (см. рис. 2.26, а) заменяют обособленными опорами -
башмаками 3 (рис. 2.26, б), которые изготовляют из твердых спла-
вов. Если шлифуют наружную поверхность заготовки (рис. 2.26, в),
то башмаки располагают внутри отверстия.
Рассматриваемый метод шлифования на жестких опорах
обеспечивает очень высокие результаты даже в массовом произ-
водстве при изготовлении подшипниковых колец, которые явля-
ются прецизионными изделиями.
Поверхности контакта заготовки с башмаками являются тех-
нологическими базами. Они имеют соответствующие погрешно-
сти, перенесенные от предыдущих технологических операций.
При безотрывном контакте заготовки и опор (башмаков) ее центр
совершает сложные движения, а обрабатываемая поверхность на-
следует погрешности формы, но в трансформированном виде, на
рис. 2.27 представлена траектория одной из точек заготовки, шли-
фуемой на призмах.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ
163
К настоящему времени разра-
ботана стройная теория переноса
погрешностей технологических
баз на обрабатываемую поверх-
ность тел вращения в случае обра-
ботки рассматриваемым методом.
Установлено, что можно еще бо-
лее уменьшить погрешность обра-
ботки путем правильного выбора
угла призмы и координат центра
шлифовального круга. Такой вы-
бор делают в зависимости от ха-
рактеристик погрешности техно-
логической, номинально цилинд-
рической базы.
Принципиальная схема уни-
версального устройства для шли-
фования заготовок с различными
исходными погрешностями пред-
ставлена на рис. 2.28. Для настройки
Рис. 2.27. Повторяющаяся
траектория одной из точек
заготовки, шлифуемой на
призме
устройства на новый диаметр шлифования опоры 2 передвигают в
радиальном направлении на одинаковую величину в направляю-
щих 1. При этом используют винт 3 и неподвижную в осевом на-
правлении гайку 4, Изменение угла призмы производят перемеще-
нием опор по круговым направляющим.
При использовании указанных устройств необходимо партию
заготовок, аттестованную на кругломерах, разбить на группы по
виду отклонений технологической базы. Затем для шлифования
каждой группы приспособление должно быть настроено по соот-
ветствующей методике. Так, можно, имея ощутимые для прецизи-
онных деталей погрешности, практически снизить их до долемик-
рометрического уровня (детали средних размеров).
6*
164 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Рис. 2.28. Схема устройства для шлифования на призмах
Правомерным является стремление технологов отыскивать
новые методы увеличения точности прецизионных деталей. Боль-
шинство технологических решений связано с уменьшением откло-
нений формы цилиндрических поверхностей. Основной при этом
остается технологическая система, созданная на базе шлифоваль-
ного станка. Распространена правка центровых отверстий у дета-
лей типа валов. За цикл обработки вала - от начальных операций
точения до шлифования - центровые отверстия правят несколько
раз. Правка же после термической обработки является обязатель-
ной. Операцию правки производят на специальных центрошлифо-
вальных станках.
На цилиндрических поверхностях прецизионных деталей часто
наблюдаются волны. Увеличение точности формы и снижение высот
волн производят шлифованием. Одно из технологических решений
предусматривает помещение на планшайбу, связанную с заготовкой,
нескольких маятников в виде колец, свободно висящих на штырях.
При вращении заготовки вместе с планшайбой (круговая подача)
создается ее возвратно-вращательное движение тем, что в момент
срезания волны круговая подача замедляется, и наоборот. Частоты
вращения и параметры маятников рассчитывают особо.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ
165
Эта же идея переменной круговой подачи лежит в основе по-
водкового устройства, которое позволяет путем принудительного
переменного движения круговой подачи существенно снижать по-
грешности формы. Упомянутые устройства являются лаборатор-
ными макетами для отработки самой идеи практического сниже-
ния погрешностей формы.
Промышленная установка, основанная на переменных круго-
вых и продольных подачах, представлена на рис. 2.29. Основная
мысль сводится к введению электромагнитных связей в приводе
стола шлифовального станка и в приводе вращательного движения
заготовки, В этом случае обычные жесткие связи отсутствуют, а
взаимодействие частей осуществляется с помощью магнитных по-
лей, которые условно можно назвать «магнитными пружинами».
Поля создаются специальными муфтами.
Заготовка 1, установленная в центра станка и имеющая при-
вод круговой подачи, постоянно контактирует со шлифовальным
Рис. 2.29. Схема установки для снижения погрешностей
формы цилиндрических деталей
166 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
кругом 2. Эти элементы системы имеют упругие связи с другими
элементами системы. Упругие связи показаны змейками. В приво-
де изделия имеется барабан 7 с продольными канавками. Барабан
жестко связан с изделием и размещен в отверстии муфты 6,
имеющей электрическую обмотку 8, находящуюся под напряже-
нием U. Между барабаном и муфтой всегда имеется воздушный
зазор 80.
Аналогичное устройство размещено и в приводе стола станка.
Винт 3 (условно показан плоским) жестко связан со столом. Винт
охватывается гайкой 4 (также показана плоской). Между винтом и
гайкой также имеется воздушный зазор 8о, гайка имеет обмотку 5
(напряжение U\). На рис. 2.29 внизу слева представлено взаимо-
действие выступов сопряженных через воздушный зазор элемен-
тов привода.
В исходном состоянии витки винта и гайки, барабана и муфты
находятся друг против друга, что соответствует положению рав-
новесия. Когда к шлифовальному кругу подходит, например, вол-
на (высота несколько микрометров), то движение элемента, несу-
щего заготовку, замедляется, а магнитное поле «деформируется»,
как это показано на рисунке. Замедление движения позволяет сни-
мать с заготовки местный припуск (волну) более интенсивно, чем
во впадине, между волнами. Так, переменная жесткость К9 позво-
ляет автоматически увеличивать точность как в продольном, так и
в поперечном направлениях заготовки. Причиной, которая управ-
ляет системой, является сама сила резания. В итоге такая техноло-
гическая система позволяет уменьшить исходную погрешность в
1,7 ... 2 раза. Отклонение от прямолинейности образующей в пре-
делах 0,2 ... 0,06 мкм и шероховатости по Ra 0,05 ... 0,06 мкм. Та-
кая система показывает вполне удовлетворительные результаты
даже и вне термостатированного помещения.
Производство прецизионных деталей требует особой органи-
зации производства и существенных материальных затрат. Каждая
основная прецизионная деталь обязательно имеет паспорт по об-
разцу рис. 2.30. В паспортах указывают не допуски, а фактические
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ
167
Чертеж 400007
Группа 400
Рис. 2.30. Пример паспорта прецизионной детали
Паспорт детали
Элемент детали	Фактическое отклонение, мм
Диаметр отверстия корпуса (0 105 мм): конусообразность	0,003
овальность	0,003
Прямолинейность направляющих: в горизонталь- ной плоскости	0,003
в вертикальной	
плоскости	0,003
отклонения размера, формы и т.д. Сопрягаемая с отверстием де-
таль - пиноль - также имеет паспорт. Все это облегчает операцию
сборки.
Работа с прецизионными изделиями производится в термоста-
тированных помещениях со среднегодовыми колебаниями темпе-
ратуры 20 ± 0,5 °C. В таких помещениях отсутствует дневное ос-
вещение, поскольку наличие окон нарушает тепловой режим.
В помещениях поддерживается заданная влажность. В термостати-
рованных помещениях не должно устанавливаться оборудование,
выделяющее пыль, токсичные вещества и тепло. Колеры окраски
помещений должны обеспечивать отражательную способность стен
и потолков не менее 50 %. Специальными нормами регламентиру-
ется допустимое отклонение от температуры 20 °C в зависимости от
массы изделия. При этом указывается время, по истечении которого
температура детали выравнивается с температурой цеха.
168 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
В термостатированных цехах регламентируются чистота воз-
духа и скорость его движения, например, для операции доводки
поверхностей деталей с Ra 0,04 ... 0,01 мкм наибольший размер
частичек пыли не должен превосходить 1,0 мкм, а их появление за
1 ч не должно превосходить 40 шт.
Фундаменты в термостатированных цехах аттестуются по
частоте собственных колебаний. Такая частота для отдельных кон-
струкций фундаментов может регулироваться. Для точных работ,
производимых с операциями сборки, собственная частота состав-
ляет 6 ... 15 Гц, для высокоточной работы 2,5 ... 6,0 Гц.
Освещенность рабочих мест оговаривается в соответствии с
размерами объектов, контрастом объекта с фоном, видом освеще-
ния (общее, местное, смешанное) и видом ламп освещения.
Существует также ряд регламентов по транспортировке изде-
лий, их закреплению на подъемно-транспортных устройствах, кон-
сервации, хранению. Установлено, что при игнорировании требова-
ний к производству прецизионные детали изготовить нельзя.
2.8.	ЭВОЛЮЦИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ
ФОРМИРОВАНИИ СОЕДИНЕНИЙ
Соединение представляет собой совокупность двух или не-
скольких деталей. Точность деталей и точность соединения или
всей машины тесно связаны между собой. При сборке машин воз-
никают погрешности взаимного положения деталей, некачест-
венные сопряжения, а также деформации деталей. Эти обстоя-
тельства снижают служебные характеристики машины и прежде
всего надежность.
Точностные характеристики соединений и машины в целом
могут изменяться в соответствии с условиями технологической
среды (сборка, подготовка поверхностей деталей к сопряжению и
пр.). Таких погрешностей очень много, однако представляется
возможным выделить основные.
ЭВОЛЮЦИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
169
1.	Изменения зазоров и натягов в соединениях приводят к из-
менению характера посадки. Причиной этого является отклонение
размеров, формы и расположения поверхностей собранных дета-
лей. Эти же причины вызывают радиальные и торцовые биения,
отклонения от параллельности, соосности, перпендикулярности
и др.
2.	Характер контактирования сопрягаемых поверхностей мо-
жет привести к изменению жесткости стыков, потере герметично-
сти, чрезмерным давлением. Снижение таких характеристик вызы-
вается отклонениями формы, отклонениями от плоскостности,
прямолинейности и др.
3.	Погрешности взаимного расположения деталей и элементов
машин вызываются также погрешностями их фиксации относи-
тельно друг друга.
4.	Ряд соединений требует в ходе сборки пригонки и регули-
ровки, которые могут быть выполнены с погрешностями из-за от-
сутствия соответствующей технологической оснастки и измери-
тельных средств.
5.	Характер контактирования деталей на разных участках со-
прягаемых поверхностей может оказаться существенно различным
из-за нарушения порядка затяжки резьбовых соединений, чрез-
мерной деформации деталей от сил закрепления. Такие погрешно-
сти приводят к перекосам, кромочным контактам, пластическим
деформациям деталей.
6.	Сборочные приспособления, инструмент, оборудование
имеют собственные погрешности, которые в ходе сборки перено-
сятся на соединение, вызывая снижение служебных характеристик
машины в целом. Такие погрешности могут быть перенесены на
соединение машины целиком или частично, что оценивается спе-
циальным технологическим анализом.
7.	Сборочное оборудование часто настраивается на изготов-
ление конкретного соединения. Погрешности настройки перено-
сятся на соединение, снижая его точностные характеристики.
170 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
8.	Сборка соединений производится в определенных темпера-
турных условиях, колебание которых отражается на точности со-
единения. Температурные погрешности сборки учитываются, как
правило, на основе экспериментальных данных. Особенно этот
факт учитывают при сборке прецизионных соединений методами
охлаждения или нагревания.
9.	Деформации, возникающие в ходе сборки, вызывают на-
пряжения собственно деталей и их поверхностных слоев. Релакса-
ция напряжений в последующем (возможно, в ходе эксплуатации)
вызывает деформации деталей уже в собранной машине, что сни-
жает ее точностные характеристики.
10.	Нетехнологичные конструкции деталей и машин вызыва-
ют обычно большие погрешности, чем технологичные, снижая
общую надежность конструкции. Технологичные конструкции
создаются на основе опыта, экспериментов и расчетов.
Анализ причин, порождающих погрешности при формирова-
нии соединений, позволяет условно разбить их на две группы.
Первая группа охватывает случаи, когда погрешность зависит от
того, как удачно созданы условия для получения соединений с
благоприятными характеристиками точности. Сюда относится
оборудование, оснастка, измерительные средства и пр. Возникаю-
щие погрешности, безусловно, связаны с субъективными фактора-
ми. Достаточно полно разработаны методы обеспечения точности
на сборке (метод полной взаимозаменяемости, метод пригонки и
т.д.). Подробно исследованы условия расчетов размерных цепей и
ряд других вопросов формирования соединений.
Вторая группа погрешностей связана с действием физических
законов при компоновке деталей в соединения. Такие законы ут-
верждают, что если действуют силовые факторы, то будет возни-
кать деформация (как упругая, так и пластическая). Деформации
представляют собой погрешности формирования соединений. На-
личие таких погрешностей объективно. Их можно уменьшить,
скомпоновать соединение так, чтобы погрешности не влияли ре-
ЭВОЛЮЦИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
171
тающим образом на функционирование изделия, но их нельзя ли-
квидировать, поскольку компонуемые детали имеют конечную
упругость. Ряд рассматриваемых погрешностей имеет наследст-
венную природу и будет рассмотрен в гл. 5.
Следует сделать одну важную оговорку относительно вреда
упругих деформаций. В ряде случаев деформации, возникающие
при формировании соединений деталей, увеличивают точность.
Поэтому такие деформации не следует называть погрешностями.
Примером могут служить соединения по рис. 2.31, а\ необходимо
обеспечить плотный контакт деталей по двум поверхностям. По-
скольку эти детали - оправка с инструментом и шпиндель станка -
образуют точное разборное соединение, прессовая посадка исклю-
чается. Точность соединений (шпиндель и различные оправки)
обеспечивается центрированием по конической поверхности и
фиксацией осевого положения. Во всех случаях необходимо обес-
печить отсутствие зазора, чтобы Хо = 0. Для этого нужно прило-
жить осевую силу Q. Шпиндель (или пиноль) деформируется в
радиальном направлении, и обеспечивается точное положение оп-
равки по осям X и X}. Размеры шпинделя или пиноли рассчитыва-
ются исходя из допустимых деформаций, которые в данном случае
играют положительную роль.
В аналогичном случае (рис. 2.31, б) зазор Хо гасится между
двумя цилиндрическими поверхностями соединения. Положение
вводимой в отверстие детали по оси Y обеспечивается прилега-
ниями торцов, а по оси X деформированием этой детали, если при-
ложен распределенный момент М. Схожая деформационная кар-
тина возникает при приложении распределенного момента для
случая рис. 2.31, в.
Типичными для сопряжений случаями являются возникнове-
ния деформаций в виде погрешностей, снижающих точность.
В этом случае предполагается, что возможная деформация оцени-
вается расчетным или экспериментальным методом, что позволяет
регламентировать величину силовых факторов или размеров
172 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Рис. 2.31. Примеры деформаций, увеличивающие точность
соединений
компонуемых деталей. Примером такого подхода к решению тех-
нологических задач является случай уменьшения диаметра втулки,
запрессовываемой в корпус. Величина деформации является
функцией натяга, размеров, модуля упругости собираемых дета-
лей. В ряде случаев в расчет вводят коэффициенты, зависящие от
шероховатости сопрягаемых поверхностей. При определении де-
формации деталей, собираемых с помощью теплового воздейст-
вия, учитывают и фазовые превращения в материале деталей, под-
вергающихся охлаждению. Такие превращения ведут к изменению
объемов и, следовательно, размеров собираемых деталей, а также
изменению характера посадок.
ЭВОЛЮЦИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
173
Реальная картина потери точности деталей при сопряжении
втулки и корпуса представлена на рис. 2.32. На профилограмме
отверстия можно сравнить размеры и профиль отверстия для двух
зон: контакта втулки с корпусом и свободной, консольной части.
В той части, где втулка и корпус не контактируют, в отверстии
втулки наблюдается раструб, величина которого связана с натягом.
Общие и местные деформации деталей приводят к необходимости
дополнительной обработки отверстий после сборки. Все измене-
ния размеров и иногда формы определяются расчетами, что дает
вполне удовлетворительные результаты для сопрягаемых деталей
относительно простых форм. К таким деталям относятся втулки,
штанги, клинья, планки, гильзы, валы и корпуса простых форм. Во
всех случаях формирования соединений приходится с сожалением
констатировать, что точность отдельных деталей, иногда очень
высокая, из-за возникающих деформаций резко снижается, а ранее
затраченный труд обесценивается.
Рассмотрим более сложные случаи деформирования деталей
на сборке. В качестве примера взята гильза координатно-расточ-
ного станка 2А450, расположенная с микрометрическими зазо-
рами в корпусной детали по рис. 2.30. В гильзе собран шпиндель-
ный узел по рис. 2.33, а. Отклонение формы и размера для гильзы
Рис. 2.32. Профилограмма образующих отверстия
запрессованной втулки
174 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИИ
W,mkm
Рис. 2.33. Шпиндельный узел, расположенный в гильзе
металлорежущего станка и графики деформации
диаметра 105 мм регламентируется допуском 0,002 мм. При закре-
плении деталей 3, 4 и 5 гайкой 1 гильза 2 получает погрешности,
показанные на рис. 2.33, б и зависящие от силы Р. Так, сила Р в 15
ООО Н дает увеличение диаметрального размера п у торца гильзы
на 1,2 мкм, что уже составляет более половины указанного допус-
ка. Сама же гильза получает отклонение формы в виде раструба
(показано внизу справа). Деформация возникла при полном отсут-
ствии наследственных погрешностей собираемых деталей. Оче-
видно, что при определенных силовых факторах перемещение
гильзы в корпусе станет невозможным.
ЭВОЛЮЦИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
175
Деформации таких гильз ведут на основе осесимметричного
нагружения оболочек. Если в гильзы запрессованы другие детали
(установлены, например, подшипниковые кольца), их следует рас-
сматривать как одно целое с гильзой. Методика расчета сводится к
следующему. Определяют распределенную осевую нагрузку, вы-
деляют отдельные участки гильзы, когда эти участки имеют раз-
личные диаметры отверстий (резьба, расточки под кольца, под-
шипники и пр.), делая ряд допущений, определяют радиальные
деформации гильзы для любого участка. Радиальные деформации
гильзы для левого (в рассматриваемом случае) участка, примы-
кающего к торцу гильзы, определяют в функциях Крылова. Так
можно определить точность соединения по параметру отклонения
формы ответственной поверхности детали.
В других случаях исследователя может интересовать другой
параметр точности, например угол поворота образующей гильзы
или угол поворота дорожки качения подшипника, установленного
в гильзе. В частности, такой угол непосредственно влияет на дол-
говечность подшипников. Соответствующим расчетом такой угол
определяется в радианной мере. График на рис. 2.34 показывает
изменение угла по длине гильзы в зависимости от силы на гайке.
В нижней части рисунка деформированная моментами М\ и М2
гильза показана в утрированном виде.
Оценка точности соединений исключительно важна и для
случая, когда эти соединения регулируют в процессе эксплуатации
машины. Такую регулировку производят, в частности, для ком-
пенсации износа подшипников скольжения. Так, биметаллические
подшипники регулируют путем их осевого перемещения. При
этом в подшипнике возникает плоское деформированное состоя-
ние, что позволяет свести расчет оболочки к расчету кругового
кольца с переменной жесткостью на изгиб в окружном направлении.
Деформации подшипника могут определяться расчетом с тем, что-
бы они были известны регулировщику в виде данных для осевого
перемещения подшипников. Здесь основная методика расчета
сводится к следующему (рис. 2.35, а). Осевое сечение подшипника
176 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИИ
Рис. 2.34. Графики угловых перемещений гильзы
Рис. 2.35. Схема нагружения и график деформирования
биметаллического подшипника
ЭВОЛЮЦИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
177
представляет собой двухслойный прямоугольник. Жесткость на
изгиб определяют на основе гипотезы плоских сечений. Исполь-
зуя, далее, условие симметричности задачи, из уравнений статики
определяют нормальную и поперечную силы в различных сечени-
ях, а также изгибающий момент. Так как симметрично нагружен-
ная симметричная система деформируется симметрично, любая
точка рабочей поверхности подшипника, лежащая в радиальном
сечении, будет иметь одно и то же радиальное смещение. На
рис. 2.35, б приведен расчетный профиль участка подшипника
резьбошлифовального станка после регулирования с различными
силами нагружения.
В очень многих случаях расчеты деформаций оказываются
очень сложными по своей методике, количество допущений -
большим. Если использовать для расчетов метод конечных эле-
ментов, то необходимо для составления новых программ идти на
большие материальные издержки. Вполне приемлемым оказывает-
ся экспериментальный путь определения точности соединений.
В экспериментах основным моментом является определение
погрешностей ответственных поверхностей деталей, входящих в
соединение. Такими поверхностями оказываются цилиндрические
элементы отверстий или плоскости. Чаще всего исследования про-
водят на корпусных деталях. Определение деформаций и оценка
их величин в общем балансе погрешностей наиболее целесообраз-
ны с использованием тензометрирования. Датчики сопротивления
наклеивают непосредственно на ответственные элементы соеди-
нения и монтируют в измерительные мосты. Естественно, что ог-
раниченное число датчиков не дает исчерпывающей картины воз-
никновения погрешностей формы, но позволяет составить о них
общее представление.
Рассмотрим результаты осциллографирования процесса сбор-
ки шпиндельной бабки координатно-расточного станка мод.
2А450. Датчики наклеены в главном отверстии 0 105 мм, в кото-
ром перемещается прецизионная шпиндельная сборочная единица.
178 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Отклонения формы отверстия и искривление его оси приводят к
искажению траектории сборочной единицы и погрешности обра-
ботки на этом станке. Процесс сборки осциллографирован много-
кратно, при этом получена удовлетворительная сходимость резуль-
татов.
На корпус устанавливали сборочные единицы и детали в сле-
дующем порядке: подшипники сборочной единицы; сборочную
единицу; сборочную единицу барабанной пружины; червяк с под-
шипниками, крышкой и винтами; рейку подъема сборочной еди-
ницы. Расшифровка осциллограмм позволила определить упругие
перемещения стенок главного отверстия после каждого перехода
сборочной операции. На рис. 2.36 даны эскизы технологических
переходов сборки и погрешности формы отверстий в поперечном
и продольном сечениях. На эскизах устанавливаемый элемент пока-
зан жирными линиями. Графики погрешности формы носят услов-
ный характер, так как по показаниям датчика, наклеенного в данной
точке, нельзя судить об искажениях всего сечения. Например, ус-
ловно показано, что образующая главного отверстия после прило-
жения к корпусу сил на сборке остается прямолинейной. В действи-
тельности же образующие должны иметь криволинейные формы.
Это же замечание относится и к поперечному сечению. Вместе с
тем проведение таких экспериментов наглядно показывает, что сбо-
рочные силы, безусловно, искажают форму главного отверстия.
Анализируя данные рис. 2.36, можно видеть, что переходы 4 и
5 почти не вызывают никаких деформаций исследуемой поверхно-
сти, переходы же 7 и 8 приводят к возникновению существенных
искажений. Общая оценка влияния сборочных переходов на точ-
ность главного отверстия возможна после составления баланса
упругих перемещений под определенным датчиком. Балансы для
мест наклейки датчиков показывают, что переходы 7 и 8 вызывают
наибольшие деформации. Поэтому при назначении маршрута
сборки основное внимание должно быть обращено на особенности
проведения работы именно на этих переходах.
Рис. 2.36. Погрешности главного отверстия корпуса координатно-расточного станка,
возникающие в процессе сборки:
1 - установка подшипников; 2 - установка сборочной единицы подъема;
3 - закрепление сборочной единицы подъема; 4 - установка лимба; 5 - установка серьги;
6 - установка гайки; 7 - установка сборочной единицы барабанных пружин;
8 - установка сборочной единицы червяка; 9 - установка крышки; 10 - закрепление крышки
ЭВОЛЮЦИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

180 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Окончательно собранные сборочные единицы устанавливают
на базовые детали и закрепляют на них в различных положениях в
зависимости от конструкции изделия. Силы закрепления сбороч-
ных узлов также влияют на точность основных элементов (поло-
жение направляющих, формы основных отверстий, положение их
осей), что определяется с помощью соответствующих датчиков.
Например, экспериментами установлено влияние процесса закреп-
ления собранной шпиндельной бабки координатно-расточного
станка в трех положениях (верхнем, среднем и нижнем) на по-
грешность формы главного отверстия. Наихудшие результаты
оценивают количественно и намечают пути уменьшения погреш-
ностей. Так, в одном из случаев закрепление бабки в верхнем по-
ложении неизменно приводит к наибольшему искажению формы
главного отверстия. Причины этого - особенности прилегания на-
правляющих бабки и базовой детали.
Эксперименты по определению сборочных деформаций еще
раз показали, что в машиностроении корпусные детали, обрабо-
танные с весьма высокой точностью, могут получить на сборке
такие упругие перемещения, которые сделают их полностью не-
пригодными к работе. Поэтому технологический процесс сборки
сложных корпусных деталей следует отрабатывать на макетах или
готовых корпусах, связанных с датчиками перемещений.
В частности, простое изменение порядка переходов на сборке
шпиндельных бабок станка мод. 2А450 привело к резкому сокра-
щению погрешностей формы главного отверстия. В отличие от
изложенного ранее порядка сборки детали устанавливали в такой
последовательности: сборочную единицу червяка подачи, стакан,
малый подшипник сборочной единицы подъема, большой под-
шипник. При этом погрешности формы главных отверстий
уменьшились в 1,5-2 раза. Таким образом можно наметить пра-
вильный маршрут сборки, корректировать посадки отдельных де-
талей, а также существенно улучшить конструкцию.
ЭВОЛЮЦИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
181
Развитие и внедрение в заводскую практику эксперименталь-
ных методов оценки качества сборки изделий вполне оправданы.
С постоянным ростом точности изделий и ужесточением их вы-
ходных параметров нельзя полагаться только на производствен-
ный опыт отдельных работников или ориентироваться на показа-
ния универсальных измерительных приборов - необходимо даль-
нейшие внедрение различных, более совершенных измерительных
устройств для объективной оценки качества сборки.
Кроме определения экспериментальными методами упругих
перемещений на сборке определяют еще ряд выходных парамет-
ров изделий.
Большое распространение получили методы проверки траек-
тории движения сборочных единиц с использованием измеритель-
ных головок с ценой деления порядка 0,001 мм. Однако при таких
методах измерений могут возникнуть погрешности, связанные с
установкой вспомогательных и измерительных устройств, и не-
точность их. Кроме того, становится, как правило, невозможной
проверка изделий в работе.
Указанные недостатки вызывают необходимость разработки
новых методов проверки - с использованием электроники и опти-
ки. В частности, широкое распространение находит использование
автоколлимационных устройств.
Оптическая система автоколлиматора создает параллельный
ход лучей в двух взаимно противоположных направлениях (между
объективом и зеркалом) и предназначена для измерения углового
отклонения зеркала по положению изображения светящейся марки
в фокальной плоскости объектива. Если зеркало, установленное на
измеряемом узле, повернуто на малый угол ф/2 к направлению па-
раллельного пучка лучей, выходящего из объектива, то отражен-
ные от зеркала лучи отклоняются на угол ф и собираются объекти-
вом в его фокальной плоскости. Наблюдаемое смещение изобра-
жения увеличивается в оптической системе и измеряется с помо-
щью оптического или оптико-механического микрометра.
182 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
При проверке прямолинейности направляющих элементов ав-
токоллиматор устанавливают на них неподвижно, а узел с зерка-
лом перемещают по ним. Судят о траектории на основе последова-
тельных замеров положения сборочной единицы. Началом отсчета
служит оптическая ось, образуемая автоколлиматором и зеркалом,
установленным по концам направляющей так, что отраженное и
действительное изображения перекрестий совпадают.
Положительно зарекомендовал себя метод измерения траек-
тории (рис. 2.37, а), который может быть использован для оценки
качества сборки вращающихся и поступательно перемещающихся
объектов. Автоколлиматор 1 устанавливают так, чтобы автокол-
лимационное изображение сетки коллиматора располагалось вбли-
зи центра зрения. Луч света преломляется под прямым углом на-
клонным зеркалом, установленным на изделии или в насадке авто-
коллиматора.
Рис. 2.37. Схема определения траектории поступательно
перемещающихся объектов
ЭВОЛЮЦИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
183
Показания снимают с помощью винтового окуляра-микро-
метра 2, который первоначально разворачивают и закрепляют так,
чтобы при вращении отсчетного барабанчика подвижная сетка
окуляра-микрометра перемещалась горизонтально. Далее произво-
дят два измерения - в верхнем и нижнем положениях объекта. На
рис 2.40, б обозначено: I - начальное положение зеркала; II - по-
ложение оси перемещающегося объекта после его выдвижения на
величину I. Далее производят два измерения - в верхнем и нижнем
положениях (уо и у^). Аналогичную работу выполняют после пово-
рота окуляра-микрометра на 90°.
В случае увода оси объекта на некоторую величину х
(рис. 2.37, б) торец перемещающегося объекта и зеркала повернут-
ся на угол
х
а = —.
I
Траектории перемещения объекта характеризуются, как пра-
вило, кривыми линиями. Более того, при движении узлов вниз и
вверх траектории имеют различные формы. Очевидно, такие тра-
ектории нельзя получить при сборке узлов и их направляющих
элементов, если последние имеют прямолинейные направляющие.
Искривление образующих есть результат погрешностей изготов-
ления и особенно проявления сил на сборке.
Однако в этих случаях нельзя утверждать, что полученная
траектория является результатом действия какой-то одной, доми-
нирующей наследственной погрешности. Этот результат возник от
совокупного действия многих погрешностей и влияния технологи-
ческой среды. Такое утверждение вполне сочетается с результата-
ми экспериментов по определению траектории прецизионных объ-
ектов в виде гильз, в которых вращаются детали типа валов. Сте-
пень различия зависит от того, каковы наследственные погрешно-
184 Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
сти собственно валов, колец, гаек, подшипников и других деталей,
находящихся в гильзе, а также от силового нагружения траектории
поступательного перемещения гильз. Так, в одном из эксперимен-
тов этой серии отклонение от прямолинейности траектории коле-
балось от 6 до 40 мм.
К сожалению, не представляется возможным указать точно
метод и последовательность сборки деталей для наиболее благо-
приятной компоновки их наследственных параметров. Приходится
использовать метод проб, что особенно характерно для прецизи-
онных изделий.
В итоге отметим, что в настоящее время нельзя производить
оценку точности соединений умозрительными методами. Необхо-
дима объективная оценка качества с предоставлением соответст-
вующего документа.
Глава 3
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
3.1.	ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ
ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
ДЕТАЛЕЙ МАШИН С УСЛОВИЯМИ ИХ ОБРАБОТКИ
Параметры шероховатости
Развитие технологии машиностроения как науки за последние
30 лет позволило сделать вывод, что в общем случае на образова-
ние шероховатости при всех методах механической обработки
(лезвийная, абразивная и отделочно-упрочняющая обработка по-
верхностным пластическим деформированием - ОУО ППД) ока-
зывают влияние следующие факторы:
1)	геометрия рабочей части инструмента (резца, зерна, шари-
ка, ролика, алмазного индентора и т.п.) и кинематика его рабочего
движения относительно обрабатываемой поверхности;
2)	колебательные перемещения инструмента относительно
обрабатываемой поверхности;
3)	упругие и пластические деформации обрабатываемого ма-
териала заготовки в зоне контакта с рабочим инструментом;
4)	шероховатость рабочей части инструмента;
5)	вырывы частиц обрабатываемого материала.
В зависимости от условий обработки степень влияния каждо-
го из этих факторов на образование шероховатости поверхности
будет различной. Первые четыре фактора вызывают образование
систематической составляющей профиля шероховатости, которая
может быть описана математически. Пятый фактор вызывает обра-
зование случайной составляющей профиля и определяет разброс
или дисперсию параметров шероховатости.
Исходная схема для расчета систематической составляющей
высоты профиля шероховатости поверхности при механической
обработке приведена на рис. 3.1.
186
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Рис. 3.1. Исходная схема для расчета высоты профиля
шероховатости поверхности при механической обработке
Средняя высота профиля шероховатости в общем случае при
всех методах механической обработки определяется равенством
Rz = Л| + Л2 + + й4,	(3.1)
где h\, h2, h-i, Л4 - составляющие профиля шероховатости, соответ-
ственно обусловленные геометрией и кинематикой перемещения
рабочей части инструмента, колебаниями инструмента относи-
тельно обрабатываемой поверхности, пластическими деформа-
циями в зоне контакта инструмента и заготовки, шероховатостью
рабочих поверхностей инструмента.
Взаимосвязь параметров шероховатости деталей и режи-
мов при лезвийной обработке
Из геометрического построения величина /г, при лезвийной
обработке определяется по следующим зависимостям:
1)	при qxarcsin— и <р| <arcsin —
2г	2г
-r(sin<p + sincp])]-rtg<p(cos<p| -cos<p)
tgcp + tgq»]
,	..	. tg(ptg<p,[5
th = r(l - COStp) +
(3.2)
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 187
2)	при ф > arcsin — и ф| > arcsin — полученная зависимость
2г	2г
преобразуется в уравнение Чебышева
й,=?/8г;	(3.3)
3)	при наиболее распространенных случаях, когда
(р > arcsin — и ф| < arcsin —,
2г	2г
hx =r(l-cos(p1) + sin(p1[5,cos(p1 - sin cpj (2г - 5* sin cpj)); (3.4)
4)	при наименее характерных случаях, когда ср < arcsin — и
2г
Ф| > arcsin— ,
2г
hx = г(1 - cosф) + sin ф^cosф - Jssinф(2г - sin ф)),	(3.5)
где ф и ф] - главный и вспомогательный углы режущего инстру-
мента в плане; г - радиус при вершине режущей части инструмента.
Составляющая профиля шероховатости Л2 при лезвийной об-
работке определяется амплитудой колебаний вершины инструмен-
та относительно обрабатываемой поверхности при его прохожде-
нии по выступу или впадине исходной шероховатости и неравно-
мерностью твердости заготовки на различных участках обрабаты-
ваемой поверхности:
h1= —--------------------------------
(3.6)
где су, уру, zpy, п, хРу - коэффициенты; v - скорость резания; t - глу-
бина резания; Rzum - исходная средняя высота профиля шерохова-
188
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
тости обрабатываемой поверхности; НВтт и НВтт - колебания
твердости заготовки; утс - жесткость технологической системы.
Пластическое оттеснение обрабатываемого материала в зоне
резания приводит к увеличению высоты образующейся шерохова-
тости на величину А3, которая рассчитывается по следующим фор-
мулам:
1)	при qxarcsin— и <р( <arcsin —
2г	2г
Л3=..^да ;	(3,7)
----1----
tg(p tg(P|
2)	при <p>arcsin— и ср] >arcsin —
2г	2г
.	Д.™» (2s + Д.™ )
, _ _cotV---еда/	(3 8)
3	32г
3)	при <p>arcsin— и ф] <arcsin—
2г	2г
----+ —
tg<Pl S
4)	при 9<arcsin— и ф| >arcsin—
2г	2г
Лз=-р^г7-	(ЗЛО)
----1--
tg9 s
Величина пластического оттеснения Ьсю при лезвийной обра-
ботке определяется по формуле
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 189
^сдв
= 0,5р 1-
(З.П)

где тсдв - прочность обрабатываемого материала на сдвиг; стт -
предел текучести обрабатываемого материала; р - радиус вспомо-
гательной режущей кромки.
Составляющая высоты шероховатости /ц при лезвийной обра-
ботке определяется средней высотой профиля шероховатости на
вершине резца, т.е. = Rztp и зависит от технологии заточки и
режимов резания. Остальные параметры шероховатости при лез-
вийной обработке рассчитываются по формулам
Ra = 02Rz;	(3.12)
Ятах =URz; Sm=S = s;	(3.13)
tp = 0,006p2'2 при p < 60 %;	(3.14)
tp = 100-0,055(100-p)1’8 при p>60 %.	(3.15)
Анализ приведенных зависимостей и имеющихся результатов
исследований показывает, что высотные параметры шероховато-
сти поверхности деталей при лезвийной обработке зависят от ре-
жимов обработки, геометрии режущей части инструмента, его за-
точки, определяющей шероховатость режущей кромки, жесткости
технологической системы, физико-механических свойств обраба-
тываемого материала и исходной шероховатости обрабатываемой
поверхности. Наибольшее влияние на образование шероховатости
оказывает подача при ее значениях s > 0,08 мм/об. При меньших
значениях (s < 0,08 мм/об) изменение подачи практически уже не
сказывается на изменении шероховатости обработанной поверхно-
190
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
сти. При 5 < 0,08 мм/об высота формируемой шероховатости опре-
деляется в основном радиусом при вершине резца, его шерохова-
тостью, радиусом вспомогательной режущей кромки и физико-
механическими свойствами обрабатываемого материала и мате-
риала режущего инструмента. Увеличение предела текучести и
уменьшения сдвиговой прочности обрабатываемого материала
приводит к увеличению минимально достигаемой шероховатости
при лезвийной обработке.
Шаговые параметры шероховатости поверхности при лезвий-
ной обработке в основном определяются подачей. Относительная
опорная длина профиля шероховатости является стабильной и
практически не зависящей от режимов лезвийной обработки. Рас-
четы по формулам (3.14) и (3.15) позволяют определить их чис-
ленные величины:
р, %		5	10	20	30	40
1р,°/о		.... 0,1-0,3	1-2	3-5	10-12	18-22
р,%		50	60	70	80	90
tp, %		.... 30-35	48-52	73-77	86-90	95-98
Таким образом, лезвийная обработка обладает достаточно
широкими возможностями в управлении высотными и шаговыми
параметрами шероховатости поверхностей деталей машин.
Взаимосвязь параметров шероховатости поверхностей
деталей машин с условиями их абразивной обработки
При абразивной обработке, в частности шлифовании, профиль
шероховатости, как правило, формируется многократным прохож-
дением режущих зерен в одном и том же мгновенном сечении
(рис. 3.2). Составляющая профиля шероховатости поверхности,
обусловленная геометрией режущих зерен и кинематикой их пе-
ремещения при абразивной обработке определяется по формуле
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 191
Рис. 3.2. Схема формирования составляющей профиля
шероховатости при четырехкратном (п = 4) прохождении
режущих зерен через мгновенное поперечное сечение:
7 - исходный профиль шероховатости;
2 - профиль шероховатости после четырехкратного
прохождения режущих зерен инструмента
.Нг' р ^[£2<1-н?)+£|(1-нЬ]
h = ь_____JZ_22__±1P_________________
1 Ю3 I Уте	пЕ1Е2
(3.16)
2nE}E2(D + d) V 60vKp J
9[Е2(1-И12) + Д(1-Ц22)]+ 4 103Z>
где £ - коэффициент, зависящий от концентрации абразивных зе-
рен, значения которого приведены ниже.
Концентрация зерен, %....	50	100	150	200	250	300
£...................... 0,96	0,9	0,86	0,82	0,78	0,75
192
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
N - число выхаживаний; В - ширина шлифовального круга; 5пр -
продольная подача; t - глубина шлифования; Ру - нормальная со-
ставляющая силы резания; утс - жесткость технологической систе-
мы; Е\, Ц| и Е2, М-2 - модуль упругости и коэффициент Пуассона
связки круга и заготовки; q = /у$пр - нагрузка на единицу длины
активной линии контакта;Dad- соответственно диаметры шли-
фовального круга и детали; vfl - скорость детали, м/мин; - ско-
рость круга, м/с; I - средний шаг между зернами инструмента;
«+» - для наружного шлифования; «-» - для внутреннего шлифо-
вания.
При шлифовании колебательные перемещения шлифовально-
го круга относительно обрабатываемой поверхности вызывают
образование волнистости. Однако на составляющую профиля ше-
роховатости при шлифовании оказывают влияние упругие колеба-
тельные контактные перемещения единичных зерен шлифовально-
го круга, обусловленные разностью сил, действующих на них. Эта
разность определяется зависимостью
(3.17)
a3/47tgy x2V1-e V1000
где сру, хРу, уру, Zpy, kyj, р, к - коэффициенты; х - средняя величина
зерна; со - удельная производительность; a - коэффициент формы
зерна.
Отсюда
ДРД£2(1-1Ч2) + £1(1-14)]
(3.18)

"Д2
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 193
Составляющая для абразивной обработки определяется из
уравнения
2s + г
32
й3 -
Тсдв
2	2
Z 4- (э
СДВ '“’Т
(3-19)
где г - средний радиус режущих зерен.
Анализ составляющей высоты профиля шероховатости h2 по
уравнению (3.18) показывает, что она на порядок меньше, чем h\ и
Лз, и для наиболее распространенных случаев составляет 0,0015 ...
0,0017 мкм. Естественно, что такой малой величиной при расчете
высоты профиля шероховатости можно пренебречь. Таким обра-
зом, подставив выражения (3.16) и (3.19) в формулу (3.1), получим
общее уравнение взаимосвязи средней высоты профиля шерохова-
тости поверхности с условиями ее абразивной обработки
2nEiE2(D + d) I 60vKp J
4£>'103
5ПП
2s + г
Тсдв
2	2
4- СУ
СДВ	т
32
7 - 6780
194
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Математическое описание распределения выступов и впадин
профиля шероховатости при абразивной обработке позволяет ус-
тановить связь ее высотных параметров между собой:
Ra = ОД 8 Rz,	Ятах = \$5Rz.
Шаговые параметры шероховатости при абразивной обработ-
ке описываются уравнениями
1 с	pv—-1
5w = _^_EpA S"p
В '
s	N~~'
s — дпр ‘$пр
о
(3.21)
(3.22)
Приняв для абразивной обработки случайное распределение
профиля шероховатости, получили уравнения для расчета относи-
тельной длины опорной линии:
tp = 0,02p2 при р<,50 %;	(3.23)
# = 100- 0,02(100 - р)2 при р > 50 %.	(3.24)
Анализ приведенных зависимостей показывает, что высотные
и шаговые параметры профиля шероховатости поверхностей при
абразивной обработке зависят от режимов, характеристик шлифо-
вального круга (зернистости, концентрации и материала зерен, ма-
териала связки), жесткости технологической системы, физико-
механических свойств обрабатываемого материала и СОТС. При
шлифовании без выхаживаний основное влияние на образование
шероховатости оказывают зернистость, продольная подача, кон-
центрация зерен и глубина шлифования. Увеличение числа выха-
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 195
живаний приводит к снижению степени влияния перечисленных
факторов на параметры профиля шероховатости и увеличению
влияния физико-механических свойств обрабатываемого материа-
ла и материала зерен.
Уравнение (3.20) позволяет определить минимальную шеро-
ховатость, которая может быть получена при абразивной обработ-
ке. Так, при г = 20 мкм, от = 600 МПа, тсдв = 290 МПа получим
Azinin = 0,23 мкм. Таким образом, для получения минимальной ше-
роховатости при шлифовании необходимо подбирать круги с ма-
лым размером зерна.
Относительная длина опорной линии tp не зависит от режи-
мов абразивной обработки и имеет конкретные значения:
р, %		5	10	20	30	40
tp, %		... 0,4 - 0,6	1 -3	6-10	16-20	30-35
р, %		50	60	70	80	90
tp, %		...	48-52	65-70	80-83	90-95	97-99
Взаимосвязь параметров шероховатости поверхностей
деталей машин с условиями ОУ О ППД
Составляющая профиля шероховатости h\, обусловленная
геометрией и кинематикой перемещения рабочего элемента инст-
румента при ОУО ППД (шарика, ролика, индентора) относительно
обрабатываемой поверхности, определяется по следующим фор-
мулам:
1) при ОУО ППД шариками и роликами кругового профиля
й,=?/(8г),
где s - подача, мм/об; г - радиус шарика или поперечный радиус
ролика, мм;
2) при ОУО ППД с каплевидным отпечатком
7*
196
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
й| =2(l-cos(pa) + ssin<po costpa -sin(paA/ssincpa(2r-.ssin(pa),
(3.25)
где г - профильный радиус ролика; <ра - задний угол вдавливания.
Анализ показывает, что колебательные перемещения рабочего
элемента инструмента при ОУ О ППД относительно обрабатывае-
мой поверхности, обусловленные неоднородностью ее исходной
шероховатости и твердости, не оказывают влияния на образование
шероховатости. Составляющая профиля шероховатости h3 при
ОУ О ППД определяется как разность исходной высоты шерохова-
тости RzHCX и двойной величины ее пластических деформаций йпл
(рис. 3.3):
йз = 7?гисх — 2йпл .	(3.26)
Величина пластической деформации исходной шероховатости
определяется формированием фактической площади контакта ин-
струмента с обрабатываемой поверхностью, способной восприни-
мать рабочую нагрузку от инструмента (шарика, ролика) при его
качении или скольжении.
Фактическая площадь контакта инструмента с заготовкой с
учетом шероховатости исходной поверхности определяется сле-
дующей зависимостью:
Рис. 3.3. Исходная схема для расчета составляющей h3 при
ОУОППД
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 197
Аг=Аа- 0,5
3-КЯисх >
(3.27)
где Аа - номинальная площадь контакта инструмента с заготовкой,
слагающаяся из фронтальной площади контакта Аа фР и площади
упругого последствия Аа упр:
А — А 4- А
фр а упр •
(3.28)
При контактировании шарика с заготовкой составляющие но-
минальной площади определяются по рис. 3.4:
^афр = я-^кин ’	(3.29)
4упр=яЛЛупр/4-	О-30)
При накатывании роликом
R = ArD!2.
Рис. 3.4. Исходная схема для расчета Аа при ОУО ППД шариком
198
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Глубина внедрения инструмента в обрабатываемую поверх-
ность при качении или скольжении определяется по формуле
nRjitPHB^5 _ 2Р(1 + /2)0,5 ~|]‘/3
2	пКНВисх J
(3.31)
Упругое восстановление определяется по формуле
11(лЯВисх)0,5
упр 32Е
(3.32)
Подставив зависимости (3.29), (3.30) в (3.28), а полученное
уравнение в (3.27) и затем в (3.26), получим формулу для расчета
остаточной высоты исходной шероховатости при ОУО ППД:
h3
— ^2ИСХ"
1-12
1200Р(1 + /2)0'5
nRHB„cx (	— йупр )
0,5
(3.33)
Составляющая профиля шероховатости Л4 при ОУО ППД оп-
ределяется шероховатостью рабочей поверхности инструмента
(шарика, ролика, индентора) - /2zHHC. При дорновании, если учиты-
вать многократное прохождение поперечного профиля шерохова-
тости калибрующей поверхности инструмента по одному и тому
же участку, составляющая й4 будет бесконечно мала, т.е. й4 =0.
Остальные параметры шероховатости при ОУО ППД опреде-
ляются из равенств
Ra = 025Rz-,
^max = U 5RZ >
Sm = Smncx;
tp = l$p при p<40 %;	(3.34)
<р = 100-0,012(100-р)2 при p>40 %.	(3.35)
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 199
Приведенные выше теоретические зависимости и результаты
экспериментальных исследований показывают, что основное
влияние на образование шероховатости при ОУ О ППД оказывают
усилие накатывания и исходная шероховатость. Это говорит о том,
что технологическая наследственность особенно ярко проявляется
при ОУО ППД. ОУО ППД позволяет в значительной мере повы-
сить несущую способность шероховатости поверхности.
Значения относительной опорной длины профиля шерохова-
тости поверхности при ОУО ППД приведены ниже.
р, %		5	10	20	30	40
tp,°/o		5-10	15-20	30-35	45-50	60-65
р,%		50	60	70	80	90
tp,%		...	70-75	80-85	88-92	94-96	98-99
При электрофизических и электрохимических методах об-
работки картина формирования шероховатости будет другой. При
отсутствии контакта рабочей части инструмента с обрабатываемой
поверхностью удаление припуска, а следовательно, и образование
шероховатости определяются тепловым или химическим воздей-
ствием. Так, при электроэрозионной обработке объем материала,
расплавляемый и удаляемый за один импульс, определяется по
формуле
Ж= /6ГтиПи ,	(3.36)
Рс^пл
где I- сила тока, A; U- напряжение, В; ти - длительность импуль-
са, мкс; т|и - КПД импульса; рис - плотность и удельная теплоем-
кость обрабатываемого материала; 7™ - температура плавления
обрабатываемого материала.
А так как форма удаляемого объема материала за один им-
пульс представляет из себя лунку радиусом R и шириной йл, гео-
метрический объем которой рассчитывается по формуле
200
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
^л=1Л^(37?-йл),	(3.37)
то, приравнивая эти объемы и учитывая нормальный закон пере-
крытия формируемых лунок, получим уравнения для определения
параметров шероховатости при электроэрозионной обработке:
Кг = 0,5зГ^Т—- ;	(3.38)
V РС^ПЛ
Ra = 0,32 Rz;	(3.39)
/<nax=1.737?z;	(3.40)
tp = 100-l0yll00-p;	(3.41)
Sm*4,5Rz.	(3.42)
Параметры волнистости
В процессе механической обработки заготовок наряду с необ-
ходимыми движениями, обеспечивающими скорость резания и
подачу, непременно происходят нежелательные взаимные пере-
мещения инструмента и заготовки, приводящие к образованию
волнистости поверхности. Например, если при обработке наруж-
ной цилиндрической поверхности помимо главного вращательного
движения и поступательного движения подачи инструмента имеют
место линейные гармонические колебания последнего в радиаль-
ном направлении, на поверхности детали будут образованы про-
дольные (совпадающие с направлением главного движения) и
поперечные (перпендикулярные ему) волны (рис. 3.5). Обозначив
циклическую частоту главного движения со = пп /30 («-частота
вращения заготовки, об/мин) и циклическую частоту колебаний
инструмента v = 2nf (f - частота колебаний инструмента, Гц),
можно представить отношение этих частот в виде
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 201
Рис. 3.5. Образование продольной и поперечной волн
v/co = z±X,
где i = 1, 2, 3,... - целое число; X < 0,5 - дробное число.
Число i равно количеству полных волн в продольном направ-
лении, дробное число X характеризует наклон волн относительно
оси детали.
В реальных условиях привод вращения заготовки обычно об-
ладает большим запасом мощности и достаточной крутильной же-
сткостью, в силу чего циклическую частоту со можно принять по-
стоянной. Движение инструмента относительно заготовки в ради-
альном направлении представляет собой совокупность колебаний
с широким спектром частот. Влияние этих колебаний на качест-
венные характеристики обработанной детали различно, как разли-
чен и механизм возникновения самих колебаний. Высокочастот-
ные колебания (с частотой до 5000 Гц и выше) оказывают влияние
на шероховатость поверхности, колебания со средними частотами
приводят к возникновению волнистости, низкочастотные колеба-
ния (с частотой менее 300 Гц) вызывают погрешности формы эле-
ментарных поверхностей детали.
202
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Установлено, что на финишных операциях обработки, в част-
ности при шлифовании, тонком точении и растачивании, алмазном
выглаживании, главную роль в образовании динамических по-
грешностей играют вынужденные колебания.
Рассмотрим в качестве примера образование динамических
погрешностей при наружном круглом шлифовании заготовок, ус-
танавливаемых в жестких неподвижных центрах. Установочными
базами при этом служат центровые отверстия заготовки. В качест-
ве допущений примем, что жесткость шлифовальной бабки абсо-
лютна, а шлифовальный круг не имеет отклонений формы. Начало
координат совместим с осью вращения заготовки в том ее положе-
нии, когда она не нагружена силой резания (рис. 3.6).
Учитывая, что в системе имеет место жидкостное трение,
уравнение движения заготовки можно записать в виде
ту + цу + F + Ру = 0,	(3.43)
где т - приведенная масса подвижной системы; ц - коэффициент
демпфирования; F- радиальная составляющая реакции со стороны
центров; Ру - радиальная составляющая силы резания.
Рис. 3.6. Расчетная схема для круглого наружного
шлифования
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 203
Если обработка производится вблизи одного из центров, реак-
ция может быть представлена как
F = Jy,	(3.44)
где J- жесткость сопряжения центр - заготовка.
Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что
отжатия заготовки, измеряемые в радиальных направлениях, непо-
стоянны по углу ее поворота. Они существенно зависят от формы
поперечных сечений центровых отверстий. Наибольшие отжатия
имеют место, когда направление усилия нагрузки приходится про-
тив впадины на поперечном сечении центрового отверстия и на-
оборот. В подавляющем большинстве случаев имеет смысл учиты-
вать только одну гармонику некруглости центрового отверстия,
что позволяет представить жесткость в виде
J = Jq + 7max~7min COsfaoT ,	(3.45)
1 2п
где Jq =— jj(q>)J(p - постоянная составляющая жесткости; <р -
2л 0
текущий центральный угол поворота заготовки; Jmax и Jmjn - соот-
ветственно максимальная и минимальная жесткости; к - число
предельных волн на центровом отверстии заготовки; т - время.
Радиальная составляющая силы резания Ру практически прямо
пропорциональна фактической глубине резания и при прочих
равных условиях может быть представлена как
РУ=Щ,	(3.46)
где % - коэффициент, зависящий от конкретных условий об-
работки.
Из приведенной на рис. 3.6 расчетной схемы следует, что фак-
тическая глубина резания равна
204
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
'ф=>>+р-я>
(3.47)
где р - текущий радиус шлифуемой шейки; Л - настроечный ради-
ус обработки.
Представим текущий радиус заготовки в виде
р = р0+р(т),	(3.48)
1 2я
где р0 - — |р(ф)<7ф - среднее значение радиуса заготовки; р(т) -
2я 0
переменная составляющая радиуса.
Переменная составляющая радиуса р(т) может быть представ-
лена рядом Фурье, причем первая гармоника характеризует собой
эксцентриситет профиля относительно номинального центра, а
последующие - форму дополнительных замкнутых кривых, сим-
метричных относительно этого центра. Обычно удается выделить
лишь одну гармонику, соответствующую погрешности, которую
имела шейка перед шлифованием. В таких случаях можно записать
р(т) = 7/cos(p®T-8),	(3.49)
где Н - амплитуда волны; р - число продольных волн на поверх-
ности шейки; 8 - сдвиг по фазе относительно эпюры жесткости.
С учетом соотношений (3.45) - (3.49) уравнение (3.43) прини-
мает вид
ту + цу + JQ +
max u min
2
cos(Jt®Z) у +
+ X[y + Po +#cos(po)T-8)-/?]=0.	(3.50)
Обозначим символом y0 координату центра заготовки, в кото-
рой он находился бы при идеальных, квазистатических условиях
обработки, имеющих место, когда р = р0 = const, J = Jo = const и
средняя глубина резания i = у0 + р0 - R.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 205
В этом случае, согласно уравнению (3.50), запишем
•A)To+X(Jo + Po-*) = °>
(3-51)
откуда получим
Jo=y--	(3.52)
•'о
На точности формы обработанной поверхности будет отра-
жаться не само смещение оси заготовки у, а непостоянство этого
смещения относительно координаты у0 квазистатического равно-
весия. Обозначим = тогда = j и ^ = у. Подставив при-
нятые обозначения и выражения (3.51) и (3.52) в уравнение (3.50),
после преобразований получим
cos(^mT) £ =
_ Лпах Лит ртх _ yj]	_ §)	(3.53)
Так как при шлифовании явление параметрического резонанса
практически не наблюдается, можно пренебречь находящимся в
левой части уравнения (3.53) произведением %^max^ ^П1|Пcos(A'cot).
Тогда из-за величины трения р4 в установившемся режиме рабо-
ты будет иметь место только вынужденное движение системы, вы-
зываемое периодическими силами, расположенными в правой час-
ти этого уравнения.
Решение уравнения (3.53) для установившегося движения
представляет собой сумму частных решений:
где $4 = Л| cos(к(£>х - ) ; £,2 = ^2 COS(fc©T - 5 - Ф2 ).
206
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Амплитуды Ai и А2 и фазы cpi и <р2 определяют обычным путем:
Jo 7^0 + X-m^2co2)2 +ц2к2о)2
икса
ф1=агсгё};+’х--^;
а2 = ^==L===H;
7<7о + X - тр2(а2 )2 + ц2/®2
„	М-Р®
Фг =arctg--=1—
Jo+X-mp со
Исходный угол сдвига 8 (рис. 3.7) может иметь любое значе-
ние, поэтому для наименее благоприятных случаев максимальная
погрешность формы Аф, обусловленная динамикой обработки,
равна суммарному размаху колебаний, т.е. Аф = 2(At + А2 ).
Совершенно очевиден наследственный характер возникнове-
ния динамической погрешности. Действительно, размах 2А\ пред-
ставляет собой волнистость поперечного сечения детали, связан-
ную с непостоянством жесткости сопряжения центр - заготовка,
т.е. свидетельствует о том, что обработанная поверхность детали
наследует волнистость ее центровых отверстий.
Специально обособленный первый сомножитель в формуле
(3.54) для расчета амплитуды А\ является коэффициентом наслед-
ственной передачи, он весьма существенно зависит от параметров,
характеризующих конкретные условия обработки. То же самое
можно сказать и о первом сомножителе в формуле (3.54)для расче-
та амплитуды А2, которая наследует амплитуду Н некруглости ис-
ходной поверхности заготовки.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 207
Рис. 3.7. Схема формирования динамической волнистости:
1 - эпюра жесткости сопряжения центр - центровое отверстие;
2 - профиль центрового отверстия; 3 - исходный профиль
заготовки; 4 - профиль обработанной поверхности
В некоторых случаях чистовой обработки при использовании
нежесткого или плавающего инструмента наряду с вынужденным
движением колебания могут быть вызваны влиянием некруглости,
полученной на предшествующем обороте. Подобное явление на-
блюдается при сверлении пушечными сверлами, растачивании
глубоких отверстий, алмазном выглаживании и пр. При анализе
динамики этих процессов уместно принять, что абсолютной жест-
костью обладает заготовка, а инструмент имеет в радиальном на-
правлении существенную податливость, и его перемещения отно-
сительно квазистатического равновесия будем обозначать также
символом
Если предположить, что на одном из оборотов заготовки по
каким-либо причинам (изменение твердости материала, случайное
силовое воздействие на инструмент и пр.) возникла продольная
волна, то вследствие меньшей подачи инструмента по сравнению с
208
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
шириной оставляемой им канавки (следа) на последующем оборо-
те эта продольная волна в определенной степени принудительно
переместит инструмент в радиальном направлении. При отсутст-
вии иных воздействий уравнение движения инструмента приобре-
тает вид
( 2п 1
m£, + ^ + (J0+X)^-a£, *----=0-
I со J
(3.55)
Здесь Jo - жесткость инструмента; а - коэффициент пропор-
циональности, имеющий размерность и физический смысл жест-
кости, значение которого в общем случае обусловлено геометрией
инструмента, материалом заготовки и режимными факторами об-
работки; 5,(т - 2л / со) - смещение инструмента на предыдущем
обороте.
Аналитически уравнение (3.55) с постоянными коэффициен-
тами и постоянным запаздыванием аргумента решается методом
последовательных приближений. В зависимости от величины ко-
эффициента жидкостного трения ц возможны четыре варианта
решения: колебание инструмента с возрастающей амплитудой,
колебание с постоянной амплитудой, затухающие колебания и
апериодическое движение инструмента, когда колебания не разви-
ваются вообще. Естественно, что последние два варианта являются
наиболее предпочтительными. Следовательно, для уменьшения и
ликвидации этой составляющей динамической погрешности, кото-
рая образуется из-за обработки «по следу», необходимо в техноло-
гическую систему вводить элементы конструкции, обладающие
эффективными диссипативными свойствами.
Если при обработке наружной цилиндрической поверхности
имеет место биение относительно оси вращения или при обработ-
ке отверстия его ось не совпадает с осью вращения шпинделя, то в
правых частях уравнений (3.53) и (3.55) появится дополнительное
возмущающее воздействие e%cosсот, где е - эксцентриситет.
В установившемся режиме это приведет к частному решению
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 209
= А3 cos(<ot - фз),
где
А3 = .-------------------=г е; фз = arctg-----—----у. (3.56)
•^(Jo +Х-та>2)2 + ц2(о2	Л) + Х-пко
Суммировать решение ^з с решениями и не следует, хотя
формально это допустимо. Амплитуда А3, относясь к колебаниям
первой гармоники с частотой со, представляет собой биение шейки
после обработки или смещение оси обработанного отверстия отно-
сительно оси вращения шпинделя. Угол ф3 характеризует направ-
ление этого смещения. Первый сомножитель в формуле для расче-
та амплитуды Аз также может быть интерпретирован в качестве
коэффициента наследственной передачи первоначального эксцен-
триситета е. Таким образом, возмущающее воздействие с частотой
о приводит к динамической погрешности Д' = Аз, представляющей
собой отклонение элементарной поверхности от ее номинального
положения.
Представляется уместным обратить внимание на ошибочность
широко распространенного мнения о характере влияния дисбалан-
са заготовки на волнистость обработанной поверхности. При по-
стоянстве жесткости упругой технологической системы возмуще-
ния, создаваемые центробежной силой с частотой вращения заго-
товки, не могут вызвать погрешности поперечных сечений детали.
Основной вред от этого возмущения обусловлен тем, что оно соз-
дает или усиливает колебания с другими частотами, не равными
частоте вращения заготовки.
При предварительных, а иногда и чистовых работах лезвий-
ным инструментом могут возникать низкочастотные самовозбуж-
дающиеся автоколебания элементов технологической системы,
приводящие, например, при токарной обработке к эллипсообраз-
ности траекторий движения вершины резца и центра поперечного
сечения обтачиваемой детали. Объяснение происхождения этих
210
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
колебаний основывается на зависимости силы резания от толщины
срезаемого слоя. Неоднозначность силы резания по перемещению,
или, иными словами, наличие между ними сдвига по фазе, являет-
ся следствием неоднозначности изменения толщины срезаемого
слоя при сложном относительном движении инструмента и заго-
товки как упругой системы со многими степенями свободы. Осо-
бенность траектории движения, объясняемая указанными выше
свойствами технологической системы, приводит к тому, что при
движении в направлении силы резания инструмент врезается в об-
рабатываемый материал, т.е. снимает толстую стружку, а при дви-
жении навстречу силе резания инструмент отходит и снимает тон-
кую стружку. Соответствующим образом изменяется и сила реза-
ния. Волнистость поверхности детали в этом случае будет пред-
ставлять сумму размахов колебаний инструмента и заготовки в
нормальном к ней направлении, т.е. сумму измеренных в том же
направлении диаметров их эллиптических траекторий.
При черновой и получистовой обработке на относительно ма-
лых скоростях резания могут возникать автоколебания, вызывае-
мые несоблюдением зависимости (3.46), неоднозначностью функ-
ции Ру = f(Q, что, в свою очередь, обусловлено различием сопро-
тивления пластическому деформированйю при врезании резца в
свежий металл и при оттеснении им наклепанного слоя стружки.
Движение инструмента в этом случае хорошо описывается урав-
нением
и	(аВ V ЬВ сВ „1 -
^+(J0+x)^-——Н-°-	(3-57)
I v 7 v vj
Здесь а, b и с - положительные постоянные величины, зави-
сящие от обрабатываемого материала и геометрии инструмента;
В - ширина срезаемого слоя; v - скорость резания.
Решение уравнения (3.57) может быть найдено в виде
£ = y4sinvr,
(3.58)
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 211
где
А 2 v I pv Мо+Х
A = ~=r— а-— ; v = ——- .
у13с vn В V т
Волнистость поперечного сечения Д'ф = 2 А . Полученные ам-
плитуда А и частота v могут служить исходными данными для оп-
ределения динамических погрешностей при последующих перехо-
дах обработки. Так, если иметь в виду дальнейшее шлифование,
то, возвращаясь к уравнению (3.53), следует в нем положить Н = А
и рю = v.
Расчет динамической волнистости всегда сопряжен с необхо-
димостью выбора соответствующей расчетной схемы. Во всех рас-
смотренных выше примерах расчетные схемы были плоскими и
параметры, их характеризующие, являлись приведенными к дан-
ному конкретному сечению. Для перехода к объемной картине
можно воспользоваться методом «замороженных» коэффициентов,
решив ряд аналогичных задач при значениях параметров, прису-
щих иным сечениям, и определить максимальные погрешности;
можно также изменить расчетную схему с учетом третьего изме-
рения. С целью повышения точности расчета часто приходится,
сохраняя общность методического подхода, увеличивать число
степеней свободы и у плоских моделей. Например, при круглом
наружном шлифовании учитывать податливость не только заготов-
ки, но и шлифовального круга; при бесцентровом шлифовании -
двух кругов и заготовки и т.д.
В настоящее время существует широкий набор программ для
ЭВМ, позволяющих решать почти любые дифференциальные
уравнения, описывающие движения механических систем. Однако
для практических целей технологии машиностроения в большин-
стве случаев можно ограничиться решением задач в первом при-
ближении или только качественной оценкой явления. Целесооб-
разность построения высших приближений вообще сомнительна,
212
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
ибо определяемые экспериментально параметры, входящие в
уравнение движения, известны лишь с некоторой весьма ограни-
ченной точностью. Логично строить приближения лишь до того
уровня точности, который соответствует точности задания пара-
метров.
В общем случае на образование волнистости поверхностей
деталей машин при механических методах обработки оказывают
влияние следующие факторы:
1)	исходное состояние поверхностного слоя обрабатываемой
заготовки Н\,
2)	биение заготовки и инструмента Н^,
3)	геометрия инструмента и кинематика его перемещения от-
носительно обрабатываемой поверхности Ну.
В зависимости от методов и режимов обработки степень
влияния перечисленных факторов на образование волнистости бу-
дет различной. Таким образом, средняя высота волнистости, обра-
зуемой на поверхности детали при механических методах обра-
ботки, слагается из всех перечисленных составляющих в соответ-
ствии с правилами суммирования случайных величин
Wz = Ц^Н?+Н1+Н1 .	(3.59)
Составляющая высоты волнистости Hi, обусловленная исход-
ным состоянием поверхностного слоя обрабатываемой заготовки
при лезвийной обработке, исходя из разности действующих на ин-
струмент сил, вызываемой разнородностью состояния поверхно-
стного слоя заготовки и динамикой процесса, может быть опреде-
лена по формуле
cpvsypy v2" [HB"tXpy - HB"in (t - WzMC. - Rz^)Xpy ]
yy _ py	L Шал	1П1П v	HvX nvA ' J	60)
7tc
где ИЪисх - исходная высота волн.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 213
При абразивной обработке, в частности шлифовании, диспер-
сия исходного состояния поверхностного слоя приводит к динами-
ческому изменению нормальной силы резания, а следовательно, и
к вынужденным колебаниям круга относительно обрабатываемой
поверхности заготовки (рис. 3.8)
Я!=Дук+Д(у3+уи),
(3.61)
где Дук - колебания, обусловленные изменением контактных де-
формаций; Д(у3 4- уи) - вынужденные упругие колебания осей заго-
товки и инструмента.
В общем случае разность контактных деформаций может быть
рассчитана по формуле
д =	j	2пВЕ{Е2(Р + (1)
Ук~ пВЕ{Е2	ПАРДЕ2(1-И?) + £,(1-ц2)]'
(3.62)
Разность упругих отжатий осей заготовки и круга определяет-
ся по формуле
Рис. 3.8. Исходная схема для расчета Н\ при шлифовании
214
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Д(Тз + Ун ) ~	! jЧС •
(3.63)
В этих уравнениях Д/\ определяется из условия изменения
припуска на величину WzKm и твердости (НВтак - НВпиП).
При ОУО ППД составляющая Н\ определяется как уменьше-
ние исходной волнистости за счет пластических деформаций:
х 1/4

= Wz -2
'' zhcx
nRHBHCK j
(3.64)
Составляющая волнистости Нг, обусловленная колебаниями
заготовки и инструмента при лезвийной обработке, определяется
по формуле
Н2
,	/	,J80
= 2С0( 1 + cos (га-1)—
га
(3.65)
где Акр - амплитуда главного колебания вдоль оси у, определяемая
из равенства Со = Hi/ 2;т- знаменатель рациональной дроби.
При абразивной обработке биение поверхности шлифовально-
го круга и его волнистость будут вызывать колебания оси круга.
Составляющая от этих колебаний определяется по уравнению
VD
Н, = Anl 1-cos	— I — + -
2 кр d
(3.66)
где JKp - амплитуда биения шпинделя станка;/, - частота биения.
Изменение радиальной силы резания при шлифовании одно-
временно приводит к неравномерному износу круга и появлению
на его поверхности волнистости. С появлением волнистости на
круге усиливаются колебания и процесс резания становится более
неравномерным, что приводит к увеличению высоты волн на
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 215
шлифуемой поверхности. Для предотвращения этого необходимо
производить своевременную правку шлифовальных кругов, кото-
рая одновременно освобождает инструмент от «засаливания» и
затупившихся зерен, что способствует улучшению процесса реза-
ния и уменьшению сил резания.
При ОУО ППД составляющая волнистости Н2 от биения ра-
бочей поверхности ролика и ее волнистости может быть описана
уравнением
0,5
Н2= 1,4(1 + /2)Др
ТС
лЯЯВисх(Лкин +йуПр)
(3.67)
где Др - биение поверхностного ролика.
Геометрия инструмента и кинематика его перемещения при
лезвийной обработке оказывают влияние на образование волни-
стости через составляющие Н\ и Н2.
При абразивной обработке составляющая Нз особенно ярко
проявляется при прерывистом шлифовании в виде так называемой
кинематической волнистости (рис. 3.9). Исходя из геометрических
построений имеем
и Z>(l-cos5)
“ч =------------
2 cos 5
g_ 180/BtlvD
(3.68)
(3.69)
где /вп - длина впадины прерывистого круга.
При ОУО ППД составляющая волнистости Нз определяется
толщиной слоя металла, приводящего к образованию наплыва в
направлении движения деформирующего элемента, обусловленно-
го кинематикой перемещения и геометрией инструмента.
216
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Рис. 3.9. Исходная схема для расчета кинематической
волнистости Н3 (а) и характерная волнистость поверхности
после прерывистого шлифования (б)
В процессе обработки перед рабочим роликом движется на-
плыв обрабатываемого материала. Высота наплыва постепенно
увеличивается, приводя к увеличению площади контакта дефор-
мирующего элемента с обрабатываемой деталью, следовательно, к
их упругому отжатию. При достижении критической величины
наплыва ролик проскальзывает его, вызывая образование состав-
ляющей Нз, и под действием радиальной силы занимает свое ис-
ходное положение. Затем этот процесс повторяется. Величина со-
ставляющей волнистости при этом может быть рассчитана по
формуле
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 217
+ 1
^3 ~ ^кин
+11(1 + /2)
(3.70)
Для уменьшения этой составляющей применяют ролики с ка-
плевидным контактом.
Анализ приведенных зависимостей показывает, что основное
влияние на волнистость при точении оказывают жесткость техно-
логической системы, скорость, подача и глубина резания. При
шлифовании формирование волнистости поверхности определяет-
ся жесткостью технологической системы, скоростью вращения
детали, ее биением и условиями правки круга. Как и для шерохо-
ватости, явление технологической наследственности особенно яр-
ко проявляется при ОУО ППД. Высота образующейся волнистости
зависит от ее исходного значения, усилия накатывания и геомет-
рии инструмента.
Остальные высотные параметры волнистости поверхности
при механической обработке рассчитываются по формулам
^ = 1,2^,
Wp = 0,5 Wz - при лезвийной обработке,
Wp - 0,6Wz - при абразивной обработке,
Wp = 0,4 Wz - при ОУО ППД.
Макроотклонение
Макроотклонение поверхности при механических методах
обработки определяется четырьмя факторами:
1)	геометрической неточностью станка Ну,
2)	разностью упругих деформаций технологической системы
при обработке поверхностей Ну,
3)	температурными деформациями технологической системы
в процессе обработки поверхности Ну,
218
Глава 3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
4)	износом режущего инструмента при обработке поверх-
ности Яд.
Сложение этих составляющих макроотклонений по длине,
ширине или диаметру поверхности при определении Нтах произво-
дится геометрически:
Ятах=Я1±Я2±Я3±Я4.	(3.71)
Так, при обработке наружной цилиндрической поверхности
вала, сбазированного в центрах, макроотклонение определяется по
рис. 3.10.
В зависимости от соотношения составляющих макроотклоне-
ния Н3 и (Н{±Н2+Н4) ее максимальная величина будет в сече-
нии I-1, т.е. у левого торца обрабатываемой поверхности вала или
в сечении II- II, т.е. на расстоянии /2 - /| / 2 от левого торца обра-
батываемой поверхности.
Рис. 3.10. Исходная схема для определения максимальной
величины макроотклонения при механической обработке
наружной поверхности вала, сбазированного в центрах
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 219
Составляющая Н\ при этом рассчитывается по формуле, мкм
Д/2
1000’
(3.72)
где Д - непараллельность направляющих относительно оси цен-
тров на длине 1000 мм; /2 - длина обрабатываемой поверхности.
Составляющая Н2 рассчитывается по формулам сопротивле-
ния материалов.
н _Pyx\lx+l2-x)2
2	ЗЕЩ+12)
(3.73)
(3.74)
где Ру - радиальная составляющая силы резания; Е - модуль упру-
гости обрабатываемого материала; J - момент инерции сечения
детали (J = 0,05J4); х - расстояние от переднего центра до рас-
сматриваемого сечения.
При х = li (сечение I- Г)
н2-	.
2 ЗЕЩ+12)
При х = 2	(сечение И ~ Н)
Н'1 = W 
Для консольно закрепленного вала в патроне
(3-75)
(3-76)
Составляющая макроотклонения Н2 будет значимой только
при достаточно большом машинном времени (Т > 10 мин) обра-
ботки поверхности и при точении и расточке рассчитывается по
формуле
220
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Яз=4а>(к»”'75у“-5-
г
(3.77)
где с - коэффициент (при v = 100 ... 200 м/мин, t < 1,0 мм и
s < 0,2 мм/об с = 4,5); /р - вылет резца, мм; F - площадь поперечно-
го сечения резца, мм2; ов - предел прочности обрабатываемого ма-
териала.
Составляющая макроотклонения Н4 при точении и расточке
рассчитывается по формуле, мкм
Н4=^,
4 1000
(3.78)
где и0 - величина относительного износа инструмента, мкм/км;
Lp - длина пути резания при обработке поверхности, м
L -- nDl2
р 1000л-
(3.79)
(/2 - длина обрабатываемой поверхности).
При торцовом фрезеровании плоской поверхности величина
относительного износа определяется из уравнения
“офр-“о[1+10/1]>
(3.80)
где и0 - относительный износ для аналогичных материалов при
точении; 1\ - путь резания резца фрезы за один ее оборот, м
1 1000-360’
(3.81)
здесь е/фр - диаметр торцовой фрезы, мм; - угол контакта зуба
фрезы с обрабатываемой поверхностью, определяемый из равенства
(рис. 3.11)
sin у/2 = B!dfyv.
(3.82)
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 221
Рис. 3.11. Исходная схема для расчета угла контакта зуба
торцовой фрезы с заготовкой
При шлифовании составляющая макроотклонения Н4 опреде-
ляется из равенства, мм
я4 =
Ft
20FK
(3.83)
где t - глубина резания; F - площадь шлифуемой поверхности;
FK - рабочая площадь шлифовального круга, мм2
= я-^кр-® ’
где £>кр и В - диаметр и ширина шлифовального круга соответст-
венно.
Анализ полученных зависимостей показывает, что макроот-
клонение поверхности при лезвийной и абразивной обработке в
основном определяется геометрической неточностью станка и же-
сткостью заготовки и инструмента; при ОУО ППД исходная вели-
чина макроотклонения практически не изменяется.
Упрочнение поверхностного слоя
При всех методах механической обработки деталей машин на
степень упрочнения поверхности будут оказывать влияние сило-
вой и температурный факторы. Учитывая, что почти все инстру-
222
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
менты (резцы, абразивные зерна, шарики, ролики), применяемые
при механической обработке, имеют скругленный рабочий участок
с заданными поперечными и продольными радиусами, для опреде-
ления упрочнения поверхностного слоя от силового фактора про-
изводится моделирование рабочей части инструмента сфериче-
ским индентором. При вдавливании сферического индентора в по-
верхность материала усилие, действующее на него, связано с диа-
метром отпечатка по формуле Мейера
Р = md”,
(3.84)
где d0 - диаметр отпечатка; т и п - коэффициенты, зависящие от
свойств обрабатываемого материала.
Выразив диаметр через фактическую площадь пластического
отпечатка Аг, получим
Р (4Аг}П12
Р-т —-
I л )
(3.85)
Усилие деформирования в соответствии с теорией контактно-
го взаимодействия определяется из равенства
Р = НВжкиАг.
(3.86)
Подставив выражение (3.86) в равенство (3.85), получим
уравнение для определения степени упрочнения
/ л \п/2
т 4)	л(л/2_|)
0,6ЯБисх J г
(3.87)
где коэффициент 0,6 учитывает переход пластических деформаций
на основание выступов шероховатости.
Уравнение (3.87) является исходным для расчета степени уп-
рочнения при механических методах обработки без учета темпера-
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 223
турных изменений, влияние которых на степень упрочнения пока
не представляется возможным описать математически.
Площадь Аг в каждом конкретном случае определяется усло-
виями обработки. Коэффициенты т и п легко найти из испытаний
на твердость по Бринеллю при различных нагрузках. Так, для не-
которых материалов значения этих коэффициентов, по данным
Ю.Г. Шнейдера, приведены ниже:
Марка
стали..	20	45	40Х38Х1Н	18ХНЗА	34ХМ	20X13	12Х18Н9Г
т......	44	56	63	135	75	61	40
п .......	2,32	2,31	2,32	2,31	2,29	2,31	2,26
При лезвийной обработке площадь контакта инструмента с за-
готовкой, определяющая степень упрочнения, рассчитывается по
формуле
ДЛ
гп
t-Rz
Ar = arccos 1---+ й, +
sinaHsincp
л	( .
+ 4arccos 1------
I г
р у
(3.88)
где Дй - упругопластический оттесняемый слой обрабатываемого
материала, который можно рассчитать по формуле
Дй = 0,5р 1-
т
сдв
(3.89)
h3 - износ по задней грани; Дйуп - величина упругого восстановле-
ния, рассчитываемая по формуле
Дйуп = 2,4(1
\ & J
(3.90)
a - задний угол резца.
224
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Подставив (3.89) и (3.90) в (3.88), получим уравнение для рас-
чета площади фактического контакта инструмента с заготовкой
при лезвийной обработке
arccos 0,5-
+А wiV)
sin а
0,5тСДв
У ^сдв ,
t-Rz
sin ср
(3.91)
При алмазно-абразивной обработке площадь контакта зерна с
заготовкой определяется по формуле
Ar -< arccos 0,5 -
А
О’^СДВ
П .„2
V ХСДВ + <*Т у
ярarccos[l - 2,4(1 - р2)] | ——
I Е
90
(3.92)
( 1 Rz
яр arccos 1---
х________
90
При отделочно-упрочняющей обработке площадь фактическо-
го контакта инструмента с заготовкой определяется уравнением
t™
1Л_
100
исх
X
х<
180 - arccos -—--
h _____________L_5hl_
«кИН	180
180 - arccos
s апл
апл
'пр
180
(3.93)
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 225
Подставляя (3.91) в (3.87), получаем уравнение для расчета
степени упрочнения при лезвийной обработке от силового фактора
/ л \п/2
т I 4 )
и =-------- — х
0,6С'от л )
х<
arccos 0,5-
0>^ТСДВ
—2	,„2
^СДВ +
2,4p(l-p.2)f ЯЛ?
Е J
3 sin а
х
t-Rz
sincp
х
Г 7?zYI1("/2-I)
+ 4arccos 1------>
V r J
(3.94)
Учитывая, что упругое восстановление на порядок меньше
пластически-деформируемого слоя и высота образующейся шеро-
ховатости значительно меньше глубины резания, получаем
т 4
и------— —
0,6С Ст <71
тсдв +
t
sin<p
(л/2-1)
+ hj
(3.95)
Аналогично получено уравнение для расчета степени упроч-
нения от силового фактора при алмазно-абразивной обработке
/ л \п/2
т [ 4 ]
и =-------- —
0,6С'от	)
arccos 0,5-
0,5т сдв
~2	.„2
^СДВ +
НВ
Е
7rparccos[l-2,4(1 -ц2)] ~
90
li Rz
тгр arccos 1----
_________I P ,
90
(л/2-l)
.(3.96)
« - 6780
226
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Пренебрегая влиянием упругого восстановления на фактиче-
скую площадь контакта, получаем
0,6С'ат v л )
arccos 0,5-
0>5тсдв
у ^сдв стт
>	11 Rz I
) яр arccos 1----
I Р J
90
(л/2-1)
(3.97)
Подставив выражение (3.93) в формулу (3.87), получим урав-
нение для расчета степени упрочнения от силового фактора при
отделочно-упрочняющей обработке
и =
/ .\п/2 t
т	, лД '^сх
о,бС'оДл; I юо
X
(3.98)
Учитывая, что йупр на порядок меньше /?кин, а также принимая
tm исх= 50 %, КрИСХ = 3Ra; vHCX = 2, получаем
х-|(л/2-1)
/ . \л/2
т 4
0,6С'сгт ^я,
^ПЛ	L
П г,	Л,КИН
2 I^PhcxJ
arccos
(3.99)
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ 227
Учтя, что для стали п = 2,3, подставим
в формулу (3.99) и получим
и = О,91^-г°'5(Смйкин)0'5
стт
выражение
(3.100)
Значение коэффициента См, по данным П.Г. Алексеева, может
изменяться от 1,5 до 2.
При накатывании шариками или роликами с г < 10 мм на уп-
рочняющих режимах можно воспользоваться приближенной фор-
мулой
шр°.15
1,1 i
MHCXQT
(3.101)
Результаты экспериментальной проверки полученных теорети-
ческих данных при отделочно-упрочняющей обработке стали 40Х
(г = 2,6 ... 5 мм; s = 0,25 ... 0,044 мм/об; v = 2,4 ...3 м/с; Р = 1244 ...
2670 Н) приведены ниже:
Экспериментальные данные....... 1,79	1,57	1,44	1,49	1,39
Данные расчетов по формулам:
(3.99)	 1,73	1,48	1,52	1,48	1,25
(3.100)	 1,73	1,40	1,50	1,32	1,24
(3.101)	 1,71	1,34	1,34	1,71	1,35
Анализ полученных результатов показывает, что степень уп-
рочнения в значительной мере определяется физико-механичес-
кими свойствами обрабатываемого материала и молекулярным
взаимодействием материала инструмента с заготовкой.
Глубина упрочнения определяется из условия равномерности
распространения пластических деформаций в объеме обрабаты-
ваемого материала под рабочей частью инструмента (рис. 3.12).
228
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Рис. 3.12. Распространение упрочнения под
рабочей частью инструмента
В соответствии с представленной картиной распространения
пластических деформаций глубина упрочнения определяется ра-
венством
— ^пл ^пл ’
(3.102)
где <?пл - приведенный диаметр фактической площадки контакта
рабочей части инструмента с обрабатываемой поверхностью; -
величина пластических контактных деформаций при обработке.
Приведенный диаметр фактической площадки контакта инст-
румента с обрабатываемой деталью с достаточной степенью точ-
ности определяется по формуле
пНВи
(3.103)
где Р - нормальная сила, действующая на обрабатываемую по-
верхность (рассчитывается по формулам теории резания или опре-
деляется экспериментально); НВ - твердость обрабатываемого ма-
териала; и - степень его упрочнения, рассчитанная по формулам
(3.99)-(3.101).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ 229
Пластические контактные деформации рассчитываются по
приближенной формуле
й„л » г' - .г'2--,
пл V пНВи
(3.104)
где г' - приведенный радиус рабочей части инструмента.
Так при лезвийной обработке г' = ^г2 + р2 (г - радиус при
вершине резца; р - радиус скругления режущей кромки).
Подставив (3.103) и (3.104) в (3.102), получим уравнение для
расчета глубины упрочнения при механической обработке деталей

= 2.1—^— + г' - Jr'2-—
У пНВи V	кН Ви
(3.105)
Анализ приведенной формулы показывает, что глубина уп-
рочнения зависит от нормальной силы, режимов обработки, гео-
метрии рабочей части инструмента и физико-механических
свойств обрабатываемого материала.
3.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ
ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
С УСЛОВИЯМИ ИХ ОБРАБОТКИ
Если теоретические уравнения носят общий характер и прак-
тически не имеют ограничений, то эмпирические зависимости
имеют узкое конкретное применение и достаточно точно описы-
вают процесс в заданных условиях проведения эксперимента.
Ниже приводятся экспериментальные уравнения, полученные
для различных технологических методов обработки деталей из
разных материалов.
Плоские поверхности
Торцовое фрезерование (сталь ШХ15):
230
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
„1,69.0,15 = 4830 ,1,23/,!4у0,46’	(3.106)
?’15 Rp - 8730 27 24 о,б2 ’ уфр'	1	(3.107)
„1,01.0,46 0,16 0,54 Wz = 5500	——I— . уфр	(3.108)
Строгание (сталь ШХ15):	
/93 0,27 Ra-Xl$ у0 ,,^12^8 ,	(3.109)
„2,04 0,15 Rp-131,42^013^02^076 9	(3.110)
„0,38.0,9 0,35 Ж? = 91—	-	-	 v°’97y0’15 '	(ЗЛИ)
Торцовое точение (сталь 1ПХ15):	
„1,65 0,69 Ra = 10,88^-/т—; г'3	(3.112)
„1,49 0,39 *Р = 58,8°Д .	(3.113)
В этих уравнениях sz - подача на зуб (0,06 ... 0,5 мм); s - пода-
ча на двойной ход (0,25 ... 0,5 мм на двойной ход); s0 - подача на
оборот (0,1 ... 0,5 мм/об); УфР - скорость резания при фрезеровании
(18 ... 44 м/мин); v - скорость резания при строгании (5,6 ...
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ	231
22 м/мин); t — глубина резания (0,3 ... 1,8 мм); г - радиус при вер-
шине резца (0,5 ... 2 мм); у - передний угол резца (5 ... 20°).
Чистовое шлифование (сталь ШХ15):
Z°’48V°’27J
/?а = 0,27-—”	;	(3.114)
и0,
0,46 0,34	.0,12
Ra = 2,28-—ст ,поп —;	(3.115)
nvli
0,27 1,09.0,37
Wz = 0,5----=-------;	(3.116)
0,12 0,91.0,32
Wz ---------5поп‘---	/3 11'7'.
пр 0,26 0,16 ’	'
VCT п
где z - зернистость круга (46 ... 100); vCT - скорость перемещения
стола станка (0,021 ... 0,17 м/с); 5ПОП - поперечная подача стола
(3 ... 6 мм/ход); / — глубина шлифования (0,01 ... 0,04 мм); п - число
выхаживаний (1 ... 5).
Данные уравнения получены для следующих условий правки
абразивного круга: алмаз с R = 2 мм; подача s = 0,3 мм/об.
В зависимости от условий шлифования наибольшая волни-
стость может наблюдаться в поперечном или продольном направ-
лении. Поэтому ее необходимо вычислить по формулам (3.116) и
(3.117) и взять наибольшее значение.
Отделочное шлифование абразивными и алмазными кругами
yi=bck0zk'v^s(:itk4,	(3.118)
где b - характеризует твердость связки абразивного круга; если
твердость связки С2, то b = 2, если СМ2, то b = 1.
Значения коэффициентов с, к\, кг, к$, к^, ко при шлифовании
абразивными и алмазными кругами приведены в табл. 3.1.
3.1. Значения коэффициентов k0 - к$ и с при шлифовании абразивными и
алмазными кругами
Марка обрабатываемой стали	Шлифоваль- ный круг	Исследуемый параметр У/	ко	ki	кг	кз	л4	С
		Ra	0,01	0,46	0,1	0,54	-0,07	-0,42
	Абразивный	Rp	0,06	0,32	0,1	0,62	-0,11	0,06
20Х		Sm	7 • 10"6	0,26	0,01	0,22	-0,12	0,87
(HRC 54 - 60)		Ra	0,07	1,08	0,21	0,4	-0,15	0
	Алмазный	Rp	0,008	1,16	0,42	0,36	0,06	0
		Sm	4- 10-6	0,73	0,01	0,27	-0,01	0
		Ra	0,17	0,08	0,27	0,17	0,06	-0,16
	Абразивный	Rp	1,3	-0,02	0,22	0,14	0,05	-0,25
12ХНЗА		Sm	0,028	0,22	0,16	0,04	0,18	0,03
(HRC60-64)		Ra	0,5	0,01	0,01	0,01	-0,01	0
	Алмазный	Rp	1,58	0,01	0,01	0,01	-0,01	0
		Sm	1040	0,02	-0,01	-0,01	-0,01	0
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ	233
Уравнение (3.118) адекватно описывает процесс шлифования
при z = 46 ... 100; vCT = 0,021 ... 0,17 м/с; s = 3 ... 6 мм/ход;
/ = 0,01 ... 0,04 мм.
Накатывание торцовыми головками:
Я«исх4п Ra = k(i-1^^- ркгпкЧк5	(3.119)
ЯРисх4о У)	у	X Пил нр RP = k0 к к к ;	(3.120)
П/7 _ ц исх ПР .	(3.121)
WP= к к А- ’ /2„A4VA5	(3.122)
да’2па'4 Ян0 =10^0—7-4^’	(3.123)
где 5пр - продольная подача (13 ... 42 мм/мин на один шар); р -
удельная нагрузка (200 ... 600 МПа); п - число проходов (1 ... 3);
,v - окружная скорость шариковой головки (при D = 90 мм
v = 14 ... 70 м/мин).
Значения коэффициентов ко - к5 приведены в табл. 3.2.
Вибронакатывание
Ra = к0
Rak'skl
мил пр
рк*пк*
Rp = k(j
ДРисх^пр .
ркгпк*
(3.124)
(3.125)
3.2. Значения коэффициентов ко — к$ характеристик качества
накатанных поверхностей
Характеристика качества поверхности	Исследуемый материал	ко	ki	ki	кз	ki	k$
	СЧ21	3,4	0,986	0,896	0,202	0,023	-0,004
Ra	40Х (HRC 30)	8,0	0,765	0,651	0,103	0,206	0,090
	40Х (HRC 40)	12,1	0,796	0,752	0,028	0,034	0,019
	СЧ21	3,1	0,927	0,969	0,257	0,027	-0,017
Rp	40X (HRC 30-32)	17,4	0,640	0,809	0,103	0,206	0,090
	40X (HRC 40-42)	17,8	0,772	0,890	0,064	0,071	0,026
	СЧ21	35	0,112	0,427	0,063	-0,076	-0,066
Wz	40X (HRC 30 - 32)	51,6	1,037	1,123	0,087	0,134	0,058
	40X (HRC 40-42)	6,4	0,907	0,538	0,014	0,016	0
	СЧ21	0,1	0,086	0,727	-0,009	0,017	-0,006
Wp	40X (HRC 30 - 32)	114,2	1,125	1,369	0,106	0,208	0,087
	40X (HRC 40 - 42)	5,9	0,940	0,492	0,015	0,022	0
	СЧ21	102,3	0,042	0,312	0,024	0,013	0,018
^0	40X (HRC 30-32)	120,6	0,033	0,266	0,014	0,025	-0,013
	40X (HRC 40-42)	236,0	0,008	0,180	0,038	0,008	0,005
234 Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ 235
phlnh*
(3.126)
ph2nh*
(3.127)
И =k.-^r
(3.128)
Значения коэффициентов ко - Л4 для исследуемых параметров
состояния поверхностного слоя деталей машин из различных ма-
териалов приведены в табл. 3.3.
Эти уравнения адекватно описывают процесс вибронакатыва-
ния плоских поверхностей деталей при snp = 200 ... 600 мм/мин;
р = 200 ... 600 МПа; п = 1 ... 3 и Ra„cx = 0,5 ...1,6 мкм.
Наружные поверхности вращения
Получистовое и чистовое точение, мкм
y*3
(3.129)
где s - подача (0,05 ... 0,43 мм/об); г - радиус при вершине резца
(0,5 ... 2 м); v - скорость резания (0,47 ... 1,2 м/с); у - передний угол
резца (4... 40°).
Значения коэффициентов ко - к^ для различных обрабатывае-
мых сталей приведены в табл. 3.4.
Результаты экспериментальных исследований показали, что
наряду с режимами и геометрией инструмента значительное влия-
ние на шероховатость поверхности оказывает жесткость оборудо-
вания, на котором обрабатывается деталь. Так, при обтачивании
деталей из стали 40Х получены следующие уравнения с учетом
статической жесткости оборудования:
3.3. Значения коэффициентов к0 - к4 характеристик качества
вибронакатанных поверхностей
Характеристика качества поверхности	Исследуемый материал	ко	k\	ki	кз	kt
	СЧ21-40	8,7	1,013	0,717	-0,289	0,190
Ra	40Х (HRC 30-32)	6,6	0,871	0,987	0,230	0,087
	40Х (HRC 40-42)	7,0	0,901	0,819	0,166	0,090
	СЧ21-40	0,6	0,904	0,783	0,406	0,163
Rp	40X (HRC 30-32)	1,8	0,819	0,897	0,411	0,139
	40X (HRC 40-42)	8,5	0,922	1,025	0,240	0,102
	СЧ21-40	0,30	0,675	0,733	-0,013	0,029
Wz	40X (HRC 30-32)	0,34	0,690	-0,753	0,140	-0,130
	40X (HRC 40 - 42)	53,0	0,787	0,980	0,074	0,050
	СЧ21-40	3 • 103	0,677	1,501	0,100	0,047
Wp	40X (HRC 30 - 32)	6- 103	0,733	-1,459	-0,131	-0,201
	40X (HRC 40-42)	7,0	0,881	0,686	0,092	0,053
	СЧ21-40	18,2	-0,073	0,454	0,169	0,129
Mo	40X (HRC 30-32)	155,3	0,026	0,262	0,035	0,009
	40X (HRC 40-42)	288,8	0,000	0,200	0,021	0,006
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ 237
3.4. Значения коэффициентов в уравнении (3.129)
Марка стали	^0	к\	кг	кз	
СтЗ	0,01	0,65	0,6	0,5	1,9
20	41,8	0,75	0,55	1,38	0,25
45	7,0	0,85	0,65	0,36	0,15
70	5,8	1,1	0,68	0,15	0,16
У1 = fcovV2ZAV4(5O + y)A'5aA'6jA’,	(3.130)
где v - скорость резания (0,83 ... 2,5 м/с); s - подача (0,05 ...
0,5 мм/об); t - глубина резания (0,15 ... 0,9 мм); г - радиус при
вершине резца (0,5 ... 2 мм); у - передний угол резца (4 ... 40°); a -
задний угол резца (3 ... 70°); j„ - статическая жесткость станка по
ГОСТ 7895-86 (19,6 ... 34,3 кН/мм).
Значения коэффициентов ко - кг для различных параметров
состояния поверхностного слоя деталей приведены в табл. 3.5.
3.5. Значения коэффициентов формулы (3.130)
Исследуемый параметру	*0	к\	кг	кз	Ад	кз	кв	кг
Ra, мкм	416,6	-0,45	0,36	-0,1	0,12	0,005	-0,10	-0,22
Rp, мкм	1158,6	-0,32	0,1	-0,07	-0,04	0,035	-0,15	-0,36
Sm, мкм	1,79	20,18	0,58	-0,25	0,15	0,21	0	-0,31
Wz, мкм	1,55	-0,5	0,24	-0,25	0,21	0,07	0,26	0,33
Wp, мкм	16,6	-0,55	0,15	-0,12	0,18	0,09	0,33	0,04
Smv, мкм	1,59	0,47	0,27	0,04	0,05	-0,08	-0,44	0,1
, МПа	1636	0,084	0,005	0,09	0,08	-0,064	0,069	0,11
238
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Тонкое (алмазное) точение:
Ra = k§	/'(90 +у)*4 .	(3.131)
		
Rp = kQ	/'(90 +у/'4 . ГА2уА'3	(3.132)
Sm-k^	/(90 +у/'4	(3.133)
		
Значения коэффициентов, входящих в эти уравнения, приве-
дены в табл. 3.6. Уравнения адекватно описывают процесс точения
при следующем диапазоне изменения входных факторов:
s = 0,05 ... 0,5 мм/об; v = 0,83 ... 2,5 м/с; t - 0,5 ... 2 мм; у =4 ... 40°.
3.6. Значения коэффициентов формул (3.131) - (3.133)
Марка обрабатываемого материала	Параметр шероховатости	ко	kt	k2	кз	*4
Сталь 45	Ra	0,16	0,59	0,29	0,19	0,66
(HRC 48)	Rp	0,82	0,59	0,33	0,08	0,52
	Sm	0,81	1,34	-0,19	0	0,1
Сталь У10А	Ra	0,68	0,77	0,28	0,24	0,56
(HRC 62)	Rp	0,77	0,75	0,24	0,09	0,62
	Sm	0,74	1,2	0,12	0	0,08
	Ra	0,43	0,54	0,19	0,33	0,49
СНГТ	Rp	0,65	0,69	0,29	0,07	0,47
	Sm	0,96	0,96	0,32	0	0,22
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ 239
Продолжение табл. 3.6
Марка обрабатываемого материала	Параметр шероховатости	ко	k\	ki	кз	Л4
	Ra	0,39	0,64	0,33	0,19	0,44
ВК15	Rp	0,59	0,78	0,31	0,14	0,76
	Sm	0,68	1,32	0,21	0	0,19
	Ra	6,0	0,28	0,2	0,21	0
Высокопрочный	Rp	8,36	0,24	0,2	0,12	0
чугун	Sm	0,063	0,01	0,03	-0,04	0
Примечание. Параметры Ra, Rp-в мкм; Sm - в мм.
Шлифование (40Х, HRC 30 — 35)
yi =k0vk'sknl>s^Hkizk6j^,	(3.134)
где v - окружная скорость детали (v = 0,33 ... 0,83 м/с); snp - про-
дольная подача, в долях ширины круга (0,3 ... 0,85); 5рад - ради-
альная подача (0,01 ... 0,05 мм/дв.ход); п - число выхаживаний
(5 ... 10); Н — твердость круга (СТ2; СМ1); z - зернистость круга
(16 ... 40);уст - статическая жесткость станка (9,8 ... 29,4 мН/м).
Значения коэффициентов ко - Л7 приведены в табл. 3.7.
Алмазное суперфиниширование после предварительной тер-
мообработки ТВЧ и прерывистого шлифования (сталь 45 и 40Х):
„0,19 „0,05 0,58 0,22
^рад1^рад2гб Р(5
Rn = 11 107___________Рад> Рад2 ° * °___________•	1
^^(HRC,)4'02^24^24/0’32^'29^29’ и ;
jl 0,18 0,72 0,4
<3136>
240
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
3.7. Значения коэффициентов формулы (3.134)
Исследуемый параметр	ко	ki	кг	кз	л4	£5	кб	кг
Ra, мкм	0,47	-0,06	0,36	-0,009	-0,024	0,29	0,08	0,34
Rp, мкм	1,08	-0,02	0,16	0,033	0,008	0,71	0,033	0,24
Sm, мкм	0,02	-0,22	0,34	-0,15	0,04	0,24	0,055	0,13
Wz, мкм	4,3	0,006	0,25	0,08	-0,06	0,51	0,087	-0,25
Wp, мкм	0,70	-0,06	0,46	-0,01	-0,064	0,54	0,173	-0,07
Smw, мм	0,14	-0,027	0,36	-0,12	-0,060	0,40	0,184	0,096
/А, МПа Но ’	2253	0,03	-0,04	0,003	0,02	0,008	0,020	-0,01
5Л.-17 10зМНКС,)|Яг»
где Spaji - радиальная подача при получисто.вом шлифовании
(0,065 ... 0,015 мм/об); 5раД2 - радиальная подача при чистовом
шлифовании (0,003 ... 0,013 мм/об); - зернистость алмазного
бруска АСМ (20 ... 40); ро - давление бруска (200 ... 500 кПа);
HRC, - твердость обрабатываемого материала (HRC 48 ... 60); N\ и
Аг - число впадин прерывистого круга при получистовом и чисто-
вом шлифовании (12 ... 13); t - припуск на суперфиниш (5 ...
35 мкм); «б - скорость осцилляции бруска (17 ... 30 Гц); п3 - ско-
рость вращения заготовки (0,63 ... 3,17 об/с); км - коэффициент,
зависящий от марки обрабатываемого материала; £а - коэффици-
ент, зависящий от концентрации алмазов в суперфинишных бру-
сках; кс - коэффициент, зависящий от метода подачи СОЖ при су-
перфинишировании.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ
241
Значения коэффициентов км, ка, кс приведены в табл. 3.8. Зна-
чения некоторых параметров шероховатости при суперфиниширо-
вании сталей ШХ15 и 30X13 брусками из эльбора на оптимальных
режимах (частота колебания брусков /= 2800 дв.ход./мин; ампли-
туда колебаний брусков А = 3 мм; давление брусков - 0,2 МПа;
скорость вращения детали уд = 0,53 м/с, продольная подача
$Пр = 0,011 м/с) приведены в табл. 3.9.
Полирование конечными лентами
Rak} гкг Ra=k^ к ;	(3.138)
Rak] zkl KP~kQ k "j. "i. , pk>v<T’’	(3.139)
n 1 Sm =	, k0 + k\Ra исх + k2z + 3p + k^v + k5T	(3.140)
где Rawm - исходное значение среднего арифметического отклоне-
ния профиля шероховатости поверхности (0,32 ... 0,80 мкм); z- зер-
нистость (63/50 ... 80/63); р - давление (98/588 кПа); v - окружная
скорость детали (0,17 ... 0,61 м/с); Т- время полирования (25 ... 60 с).
3.8. Значения коэффициентов формул (3.135) - (3.137)
Исследуемый параметр	км для стали		ка для концен- трации алмазов		кс при подаче СОЖ	
	45	40X	100	50	под давле- нием	поли- вом
Ra, мкм	1,93	1,39	—	—	1,23	1,11
Rp, мкм	2,04	1,43	2,42	2,12	1,65	1,29
Sm, мм	1,16	1,08	1,54	1,44	—	—
3.9. Параметры шероховатости при суперфинишировании
Условия обработки				Параметры шероховатости			
Связка	СОЖ	Зернистость брусков	Время обработки, мин	Ra, мкм	-^тах> мкм	МКМ	Sm, мм
Сталь ШХ15							
	Жидкость ПТОБ	50/40	5	0,32	2,2	1,10	0,023
		М29/20	2	0,057	0,32	0,18	0,076
Металли-		М29/20	5	0,025	0,12	0,068	0,015
ческая		50/40	5	0,22	1,4	0,62	0,015
	Керосин	М28/20	2	0,062	0,48	0,20	0,007
	80%-ный и веретенное	М28/20	5	0,043	0,33	0,11	0,008
							
	масло 20%-ное	50/40	5	0,0057	0,42	0,16	0,09
		М28/20	5	0,05	0,33	0,095	0,010
Бакелитовая	Жидкость ПТОБ	50/40	5	0,05	0,26	0,15	0,010
		М28/20	2	0,04	0,17	0,10	0,019
		М28/20	5	0,032	0,11	0,084	0,019
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Продолжение табл. 3.9
Условия обработки				Параметры шероховатости			
Связка	СОЖ	Зернистость брусков	Время обработки, мин	Ra, мкм	^maxj МКМ	Rp, МКМ	Sm, мм
Сталь 30X13							
Металли-		50/40	5	0,31	1,5	0,80	0,016
	Керосин	М28/20	2	0,072	0,52	0,18	0,010
ческая	80%-ный и веретенное	М28/20	5	0,087	0,8	0,24	0,023
							
Бакелитовая	масло 20%-ное	50/40	5	0,064	0,39	0,16	0,011
		М28/20	5	0,061	0,4	0,15	0,013
Металли-		50/40	5	0,34	3,3	1,00	0,022
		М28/20	2	0,063	0,49	0,17	0,015
ческая	Жидкость	М28/20	2,03	0,03	0,3	0,077	0,015
	ПТОБ	50/40	5	0,052	0,2	0,14	0,009
Бакелитовая		М28/20	2	0,05	0,25-	0,13	0,006
		М28/20	5	0,04	0,2	0,106	0,006
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ
244
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Значения коэффициентов ко - Л5 приведены в табл. 3.10.
Полирование титана ВТ-4 лентой АСО 50/40-Р9-100 % при
7?аисх =1,8 мкм,/? = 39,2 • 104 Па и v = 0,61 м/с позволяет получить
через 20 с Ra = 0,13 мкм.
Значения параметров шероховатости при полировании беско-
нечными лентами стали ШХ15 (HRC 58 - 62) с Ranm = 0,8 ...
1,0 мкм; ул = 34 м/с; уд = 0,33 м/с; р = 235 кПа; Т- 30 с приведены
в табл. 3.11.
Зависимости получены применительно к доводочным станкам
для обработки калибров из стали У10А (HRC 60 - 65):
р 0,36 0,79 0,1
_ Л 1 л **аисх 2 v
Ra 0,14 а0,2Т0’21
р 0,22 0,72 0,15 0,06
Rp^0,08Ra^z а
(3.141)
(3.142)
3.10. Значения коэффициентов при полировании
конечными лентами
Параметр шероховатости		к\	кг	кз	kt	ks
Ra	1,01* 0,49	0.81 1,17	-0,01 0,47	0.33 0,66	0.1 0,14	0.2 0,42
Rz	1.07 3,4	0.75 1,8	0.37 0,12	0.41 0,46	-0.01 0,34	0.24 0,27
Rp	0.45 2,31	0.52 1,14	0.34 0,25	0.33 0,44	0.11 0,25	0.2 0,2
Sm * В числител	56.3 34,8 ie - для ci	-41.3 -28,4 гали 45, а	-0.15 0 в знамен;	5.1 0,81 ателе - да	0 0 [я стали 3	-0.17 0,18 0ГСА. '
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ 245
3.11. Значение параметров шероховатости при
полировании бесконечными лентами
Марка ленты	Параметры шероховатости		
	Ra, мкм	Rp, мкм	Sm, мм
АСО 80/630Р14	0,29	1,12	0,036
АСО 80/63-Р9	0,27	0,90	0,036
АСО 80/63-Р1	0,14	0,39	0,028
АСО 63/50-Р9	0,14	0,42	0,030
ACM 40/28-Р9	0,09	0,21	0,025
КО 80/63-Р14	0,52	1,40	0,040
КО 80/63-Р9	0,46	1,26	0,032
КО80/63-Р1	0,30	1,39	0,030
39 (водостойкая)	0,45	1,20	0,050
АСО 80/63-Р9	0,27	0,90	0,036
ACM 40/28-Р9	0,03	0,07	0,022
ACM 40/29-Р9	0,012	0,036	0,014
ACM 10/7-Р9	0,011	0,030	0,010
v°>19
0’07	0,07^0,2 >	<3-143)
Z OL 1
где а - угол атаки (10 ... 24°); /?аисх - исходная шероховатость
(0,24 ... 0,8 мкм); v - скорость притирки (0,67 ... 2,5 м/с); z - зерни-
стость порошка АСМ (2,8 ... 10); Т- время притирки (120 ... 300 с).
При обкатывании роликами после обтачивания с учетом тех-
нологической наследственности параметры шероховатости можно
определить из уравнения
у,. = kQvk'sk2rkykir^Pk,'Dkls^v^,
(3.144)
246
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
где v и s — соответственно скорость резания и подача при точении
(v = 1,2 ... 4,7 м/с, s = 0,05 ... 0,4 мм/об); г - радиус при вершине
резца (0,5 ... 2,0 мм); у - передний угол резца (4 ... 40°); гр - забор-
ный радиус ролика (0,5 ... 1 мм); Р - усилие на ролик (294 ... 784 Н);
D - диаметр ролика (23 ... 42 мм); хд и va - соответственно подача
инструмента и окружная скорость детали при обкатывании
(уд = 0,5 ... 1,33 м/с, 5Д = 0,07... 0,15 мм/об).
Значения коэффициентов, входящих в уравнение (3.144), для
различных материалов приведены в табл. 3.12.
Средний шаг неровностей по средней линии Sm при малых
усилиях обкатывания определяется подачей при точении s, а при
больших усилиях обкатывания - подачей при обкатывании 5Д.
Характеристики шероховатости при ЭМО деталей из стали 45
можно определить из следующих уравнений:
для предварительно обточенных поверхностей (7?аНсх = 1,6 ...
6,2 мкм):
Ra = 0,006/?a^3Z"O’o3P"o’4v0'37j0135rp°’35(tg(pa )-1’03; (3.145)
Rp = 0,026^9x6Z"0’04p-°’34v0'26s0'4,rp0’4,(tg(pJ-0'68; (3.146)
для предварительно отшлифованных поверхностей (Яаисх =
= 0,35 ... 1,6 мкм):
7ia = O,18Ji<iS/’“MP‘4‘"vM6sft2’r’'2(tg<pa)’0'28; (3.147)
Rp = 021й4’6/-“03/>-“37у1351°\ (tg<p„ Г0'35, (3.148)
где I- сила тока (1 ... 500 А); <р0 - задний угол вдавливания (0,3 ...
0,7°); Р - усилие на ролик (294 ... 588 Н); v - скорость накатывания
(0,5 ... 1,33 м/с); гр - заборный радиус ролика (0,5 ... 1,5 мм); s -
подача (0,07 ... 0,15 мм/об).
3.12. Значения коэффициентов, входящих в уравнение (3.144)
Марка обраба- тываемой стали	Исследуемый параметр У,	ко		кг	кз	Л4	кз	кб	^7	кг	кд
	Ra	139,4	-0,18	0,3	0,5	-0,28	-0,18	-1,15	0,97	0,38	0
20	V	7,6	20,20	-0,28	0,32	-0,51	-0,58	-0,44	0,46	0,6	0,40
	ь	0,02	0,24	-0,08	1,13	0,19	0	0,46	-0,42	-0,19	-0,05
	Ra	228,6	-0,11	0,47	-0,78	-0,22	-0,26	-1,15	0,86	0,27	0
45	V	0,4	-0,07	-0,12	0,31	-0,3	0,27	-0,29	0,66	0,02	0,27
	b	0,04	0,16	-0,08	0,12	0,12	0	0,58	-0,62	-0,11	-0,04
	Ra	287,0	0	0,5	-0,75	-0,38	-0,21	-1,27	1,05	0,39	0
70	V	0,21	-0,08	-0,11	0,30	-0,11	0,75	-0,33	0,77	0,07	0,23
	b	0,08	0,06	-0,11	0,11	0,17	0	-0,61	-0,72	-0,16	-0,06
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ
248
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Зависимость параметров шероховатости от условий магнитно-
абразивной обработки определяется следующими уравнениями
(сталь 45, HRC, 48 - 52):
р 0,55 0,15о0,3
= °-58 го,52X5 0,08 »,26-	<3149>
1 о v vo
n 0,23с0,05
^ = 1-08rb,39^05v0>.v0,13>	<3150>
где Кажк - исходный параметр шероховатости (0,3 - 1,5 мкм); z -
зернистость порошка ЭБН (160/80 - 400/315); Т - время обработки
(20 - 60 с), 8 - зазор между полюсниками и деталью (0,8 ... 2 мм);
В - магнитная индукция в зазоре (0,3 ... 1,1 Тл); v0 - скорость ос-
цилляции (0,05 ... 0,15 м/с); v - скорость вращения детали (84 -
169 м/мин).
Исходные параметры волнистости ИЪисх и Wp^ для всех этих
методов уменьшаются в 1,1 - 1,5 раза.
Внутренние поверхности вращения
Сверление (сталь 40Х):
7?a = 0,63t/°’25v0’1250’41;	(3.151)
J0.17 0,52
/?р = 52,4	;	(3.152)
Sm = 02 А0'32?62 .	(3.153)
Зенкерование (сталь 40Х):
0,16 0,76
/to=5,6	;	(3.154)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ 249
„0,53
^=254’8ТЗмлГ’	<3-155>
„0,25
=	<3156>
Развертывание (сталь 40Х):
^°,25 °,69
7?а = 0,1-OF”;	(3.157)
s '
у0'36
ftp = 0,85	6.|8	;	(3.158)
VO.I3
5"=мда'	<3159>
a s
В этих уравнениях d - диаметр обрабатываемого отверстия
(12 ... 25 мм); v - скорость резания: для сверления 12 ... 20 м/мин,
для зенкерования 25 ... 40 м/мин, для развертывания 5 ... 10 м/мин;
s - подача: при сверлении 0,06 ... 0,14 мм/об, при зенкеровании
0,3 ... 0,6 мм/об, при развертывании 0,6 ... 1,6 мм/об.
Растачивание (сталь 40Х, HRC 30 - 35):
Ra = 76^50’57v0’33j^04r0’08r-0’2a_0'34(50 + у)-0’35; (3.160)
Rp = 228^550’66^05Г0’02г_0’16а_°’54(50 + у)-0’23;	(3.161)
Sm = 6 • 103 v°’035°’46rод 2 (50 + у)0101 a-0’19;	(3.162)
Wz = 29/0’0850'37г0’|(50 + у)0’62у_0’56а_0'127ст0'05;	(3.163)
Wp = 7,6z0,l50'3lr°’08(50 + y)1’08 V-°’38a-0’48 j’0’22;	(3.164)
=30v0'25a0'35_0’09<0’08(50 + y)_0Jljc_T°’07;	(3.165)
250
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
ЯИ0 = 961,6z0’03J0’02v0’0lr0’0l(50 + y)"0’llj’0’09,	(3.166)
где t - глубина резания (0,15 ... 0,8 мм); s - подача (0,05 ...
0,5 мм/об); v - скорость резания (50 ... 150 м/мин); г - радиус при
вершине резца (0,5 ... 2 мм); у - передний угол (4 ...45°); а - задний
угол (3 ... 7°); Уст - статическая жесткость станка по ГОСТ 18097-93
(9,8 ... 39,2 кН/мм).
Внутреннее шлифование (сталь 40Х, HRC 30 - 35):
Яа = 9,25яПр ярадл z v Н ,	(3.167)
7?p = 76,6Jnp8Jp^n_0'06v'0'l6/f_0’53y^6z"0’08;	(3.168)
Sm = 5.10-3v»2,s»n»M//0'’z0‘2Sn-p»02 ;-»33;	(3.169)
Wz = ЗЗу-0385М'1р-Лп-»-42Я“-322»да7^3’;	(3.170)
PKp = 34,62v ^рад п Н z ;ст’ ;	(3.171)
Smw =1,09у0-075^3^^04Я-°-,720’03^18 ;	(3.172)
= 243,4v0’05j^03n0’01^0’01z"0’02y^)’03,	(3.173)
где v - скорость вращения детали (0,33 ... 0,83 м/с); snp - продоль-
ная подача, в долях ширины круга В (0,3 ... 0,8В); 5рад - радиаль-
ная подача (0,01 ... 0,05 мм/дв.ход); п - число выхаживаний
(1 ... 5); Н—твердость круга (для стали Я = 5); z - зернистость кру-
га (16 ... 40);у’ст - жесткость станка (7,84 ... 29,4 кН/мм).
Хонингование (сталь ШХ15) отверстий, предварительно про-
шлифованных с /?аИСх = 0,5 мкм брусками из электрокорунда
зернистостью 50/40 на керамической связке с СОЖ на основе ке-
росина:
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ 251
Яа = 0,26
7-0,16 „0,03 „0,24 /-0,4 л0,09
Ti Р\ Pi / А
„0,04, 0,03^0,11
V1 v2 '2
7-0,19т-0,04 „0,04 „0,34 /-0,43 0,08
Яп - О Q747» Г2 A Pl J А
Rp -0,024	0,05v0,23
V1 v2
5m = 0,17
7-0,11 „0,18 /0,37 j0,13
T\ Pi f A
„0,367-0,17
v2 *2
y-0,25 л 0,22
Wz - 2.1_______________-_____-__________________
0,04 0,147-0,347-0,53 „0,22 „0,09 ’
vl v2 T\ T2 P\ Pi
(3.174)
(3.175)
(3.176)
(3.177)
где V] и v2 - окружная скорость инструмента соответственно при
черновом и чистовом хонинговании (0,43 ... 1,25 и 0,83 ... 2,5 м/с),
pi и р2 - давление брусков на обрабатываемую поверхность соот-
ветственно при черновом и чистовом хонинговании (0,5 ... 1,5 и
3 ... 10 МПа);/- частота колебаний инструмента (22 ... 32 Гц); А -
амплитуда колебаний (1 ... 2 мм); Т\ и Г2 - время обработки соответ-
ственно при черновом и чистовом хонинговании(Т\ = Т2~5 ... 10 с).
Параметры шероховатости при алмазном хонинговании раз-
личными брусками деталей из чугуна и стали приведены в
табл. 3.13.
Результаты экспериментальных исследований подтверждают
теоретические предпосылки о широких возможностях механических
методов обработки в технологическом обеспечении системы пара-
метров поверхностного слоя деталей машин. Условия обработки
оказывают различное влияние на параметры шероховатости, волни-
стости и степень наклепа. Это указывает на то, что определение оп-
тимальных условий обработки только по шероховатости является
односторонним, так как эти условия могут неблагоприятно сказы-
ваться на образовании волнистости и наклепа, которые оказывают
большое влияние на эксплуатационные свойства деталей машин.
252
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
3.13.	Значение параметров шероховатости при
алмазном хонинговании
Марка брусков	Ra, мкм	Rp, мкм	Sm, мм	/10, %
АСО 80/63 Pl 1/Р9 - 50 %	0.103*	0.32	0.31	5
	0,109	0,3	0,29	4
АСМ 40/28 Pl 1/Р9 - 50 %	0.06	0.2	0.24	5
	0,075	0,24	0,23	5
АСМ 20/4 Pl 1/Р9 - 50 %	0.06	0.2	0.18	7
	0,068	0,2	0,16	6
АСМ 10/7 Pl 1/Р9 - 50 %	0.048	0.16	0.14	9
	0,045	0,14	0,11	8
АСМ 5/3 Р11/Р9 - 50 %	0.081	0.25	0.04	4
	0,052	0,16	0,02	3
АСМ 28/20 Ml - 100 %	0.39	1.2	0.12	4
	0,126	0,4	0,1	2
АСМ 20/14 Р1-50 %	0.055	0.16	0.26	9
	0,06	0,2	0,26	7
* В числителе - чугун СЧ21, в знаменателе - сталь 45.				
Значительное влияние на параметры качества обрабатывае-
мых поверхностей деталей машин оказывает технологическая на-
следственность. Это указывает на широкие возможности управле-
ния системой параметров обрабатываемых поверхностей деталей
машин на всем протяжении технологического процесса. Большими
возможностями в повышении эксплуатационных свойств деталей
машин обладают плосковершинные и отделочно-упрочняющие
методы обработки.
Поверхности зубьев, шлицев и резьб
Зубофрезерование (сталь 40Х):
1)	встречное зубофрезерование фрезами с обычной схемой
резания, мкм
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ	253
Rz = 21w1’OI50’23z"0’23v’0’22JtIf3H,	(3.178)
с прогрессивной схемой резания, мкм
Rz = 25™0’9?’2,z’0’27v-0’22A:II3H ;	(3.179)
2)	попутное фрезерование фрезами с обычной схемой реза-
ния, мкм
7?z = 24w0’8350’2z-0’28v“0’22A:h3H,	(3.180)
с прогрессивной схемой резания, мкм
Rz =29w0’7450’16z’0'I6z_0’31v“0’22A:H3H .	(3.181)
Физико-механические свойства поверхностного слоя зубьев
имеют следующую связь с режимами зубофрезерования:
1)	поверхностная микротвердость:
для стали 40Х, МПа
=3208-40v + 50j-0^vj + 0,9v2 +5?,	(3.182)
для стали 25ХГТ, МПа
ЯИо = 2085 - 12v +255-0J 3v.y + 0,03v2+1,25?, (3.183)
для стали 20ХНЗА, МПа
ЯЦо =1995-10v + 25j-041vj + 0,02v2 + 1,35?; (3.184)
2)	поверхностные остаточные напряжения первого рода:
для стали 40Х, МПа
<*ост =-7,26 + 67,4v + 63,95 +1,11V5 —1,3 v2 -68,5?, (3.185)
254
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
для стали 25ХГТ, МПа
^ост = "956 + 83,5v + 79,9s + Ц5vs - l,4v2 - 82,8s2, (3.186)
для стали 20ХНЗА, МПа
а'ост = -928 + 84,9v + 80,9s +1,2vs -1,35v2 - 83,8s2; (3.187)
3)	поверхностные остаточные напряжения второго рода:
для стали 40Х, МПа
о*ст = 590,4-9,5v-0,2s-0,05vs + 0,14v2 +0,28s2, (3.188)
для стали 25ХГТ, МПа
о;ст = 502,4-17,7v-4,9s-0,07vs + 03 v 2 + 0,7s2, (3.189)
для стали 20XH3A, МПа
а* ст = 550 -18v - 5s - ОД vs + 03 v2 + 0,8s2.	(3.190)
Эти уравнения адекватно описывают процесс при т = 2 ...
6 мм, z = 23 ... 51, v = 25 ... 40 м/мин, s = 2,5 ... 10 мм/об.
Значения параметров шероховатости боковых поверхностей
зубьев при зубошлифовании на станке мод. 5831 колес из стали
18ХГТ (HRC 61) приведены в табл. 3.14.
Первому режиму Р1 соответствуют скорость резания v = 30 м/с,
скорость обката $0 = 52 мм/мин, глубина шлифования t = 0,1 мм,
продольная подача п = 140 дв.ход/мин;
второму режиму Р2 соответствуют t = 0,02 мин, остальные ус-
ловия без изменения.
Зависимость шероховатости (параметр Ra) поверхности зубь-
ев (сталь 45, HRC3 52) от ее исходного значения и условий обра-
ботки ППД на станке-полуавтомате приведена на рис. 3.13.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ 255
3.14.	Параметры шероховатости при различных условиях
зубошлифования
Абразив (связка круга)	Режим обработки	Ra, мкм	^тах> МКМ	Rp, МКМ	Sm, мм	tm, %
24 А25СМ2(К5)	Р1 Р2	1,44 0,74	9,67 5,06	4,40 2,27	0,063 0,078	52 47
КРС,160/125 (Б11)	Р1 Р2	1,39 0,90	9,10 6,11	4,37 2,83	0,072 0,090	49 48
КРС 160/125 (МП)	Р1 Р2	1,81 1,23	13,23 6,57	5,43 3,14	0,055 0,059	48 46
ГАС 250/200 (Б 11)	Р1 Р2	1,60 0,95	10,34 7,38	5,11 3,89	0,052 0,084	47 49
Рис. 3.13. Зависимость Ra от Яаисх при обработке ППД зубьев:
1-4- при радиальной подаче sr = 15 мкм/ход;
5-8- при sr = 60 мкм/ход
256
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
При обработке резьб качество поверхностного слоя, как пра-
вило, характеризуют параметром Ra или Rz и степенью упрочне-
ния. Так, при обработке внутренних резьб гаек из стали 40Х
(НВ 280 ... 320) многониточными резцами Г.И. Добровольским
приводится зависимость параметра Rz от числа рабочих ходов
(рис. 3.14) и заднего угла (рис. 3.15). Режуще-деформирующая об-
работка резьб с крупным шагом (р > 3 мм) позволяет получить в
гайках из стали 45 шероховатость боковых сторон профиля резьбы
Ra = 0,5 ... 0,67 мкм и глубину упрочненного слоя 0,2 ... 0,35 мм.
При комбинированной обработке внутренних резьб в алюминиево-
кремнистых сплавах могут быть достигнуты шероховатость
Ra = 0,7 ... 0,95 мкм, степень упрочнения wH = 1,3 ... 1,6 и глубина
упрочнения Ан = 0,25... 0,35 мм.
Для раскатывания резьб твердосплавными раскатниками
А.И. Максимовым получено следующее эмпирическое уравнение
для определения параметра шероховатости Rz'.
(3.191)
Rz = dvk.
Рис. 3.14. Зависимость шероховатости от числа рабочих ходов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ 257
Рис. 3.15. Влияние заднего угла на шероховатость
боковых сторон профиля резьбы
Значения коэффициентов для различных обрабатываемых ма-
териалов приведены в табл. 3.15.
Значительное влияние на формирование шероховатости при
обработке резьб оказывает СОТС. Так, при раскатывании внут-
ренней резьбы Мб при v = 8,7 м/мин это влияние для различных
материалов приведено в табл. 3.16.
3.15. Значение эмпирических коэффициентов
Обрабатываемый материал	С	к
Д1	12,5	0,66
АЛ6	47,1	0,69
М3	10,1	0,82
Д16Т	10,1	0,69
12Х18Н9Т	8,8	0,61
20Х	15,5	0,64
9 — 6780
258
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
3.16. Значение параметра шероховатости Rz при
раскатывании резьб
Материал обрабатываемой детали	СОТС			
	Касторовое масло	Олифа	Сульфо- фрезол	Эмульсия (8 -10 %)
Сталь: 12X18Н9Т 20	5,0 4,5	7,1 6,7	6,0 6,2	14,8 13,0
Алюминиевые сплавы: АЛ99 Д1	3,7 1,1	4,2 1,5	4,2 1,5	9,7 6,2
Медь М3	3,0	3,9	3,8	9,4
Латунь ЛС59-1	1,9	2,9	2,4	7,5
3.3. МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО
СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя
деталей машин сводится к выбору методов обработки и расчету
режимов, обеспечивающих получение заданных параметров с
наименьшей технологической себестоимостью и их корректировке
в производственных условиях.
Структурная схема решения первой задачи для условий суще-
ствующего производства показана на рис. 3.16.
В блок 1 вводится информация, взятая из чертежа и техниче-
ских требований на конкретную деталь, на которую разрабатыва-
ется технологический процесс.
МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА 259
Рис. 3.16. Структурная схема задачи технолога
9*
260
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
В блоке 2 заложены условия существующего производства:
имеющееся оборудование и его загрузка, наличие технологической
оснастки и т.д. Следует отметить, что если технологический про-
цесс разрабатывается для вновь создаваемого производства, то на-
добность в блоке 2 отпадает.
В блоке 3 осуществляется выбор возможных методов обра-
ботки. Для этого используется свободная информация о возмож-
ностях методов обработки в обеспечении точности размеров и па-
раметров качества различных поверхностей (табл. 3.17 - 3.22).
Значения остальных стандартизованных параметров шероховато-
сти определяются по следующим формулам:
1)	для лезвийной обработки
Rz = 5Ra, Rmw = 6Ra, tp = 0,006p2,2 при p < 60 %;
2)	для абразивной обработки
Rz = 5,5 Ra, Rmw =7Ra, tp = 0,02p2 при p < 50 %;
3)	для ОУО ППД
Rz = 4Ra, /?max = 4,6/ta, tp = \$p при p<40%.
Выбор предшествующих методов обработки осуществляется
из условия, что каждый последующий переход или операция по-
вышает точность размера на 1 - 2 квалитета и снижает высотные
параметры шероховатости в 3 - 5 раз.
В блоке 4 заложены теоретические и эмпирические зависимо-
сти параметров качества поверхностного слоя деталей машин с
условиями их обработки, которые приведены в предшествующих
двух разделах данной главы.
МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА 261
Расчет условий обработки для каждого из выбранных мето-
дов, которые обеспечивают назначенные конструктором парамет-
ры состояния поверхности и точность размеров, производится в
блоке 5. На данном этапе заданные конструктором параметры со-
стояния поверхностного слоя деталей являются функцией, а иско-
мые условия обработки - аргументом. Таким образом, стоит зада-
ча описания аргумента по заданной функции. В общем случае од-
ни и те же значения аргумента должны удовлетворять нескольким
функциям, так как стоит задача технологического обеспечения
системы параметров состояния поверхностного слоя. Конечно, ес-
ли требуется обеспечить только один параметр состояния поверх-
ности (например, Ra), то задача существенно упрощается.
Эту задачу можно упростить, если использовать уравнения
взаимной связи параметров состояния поверхности, основанной на
их коррелированности для каждого метода обработки и привести
их к одной характеристике или применить комплексный параметр,
в частности Сх. Возможности некоторых методов обработки в
обеспечении этого параметра приведены в табл. 3.23. Осложнения
при решении возникают и в связи с тем, что условия обработки
могут изменяться только в заданной области изменения факторов,
которая выбирается вместе с соответствующими зависимостями в
блоке 4. Это указывает на то, что совместное решение системы
уравнений, связывающих требуемые параметры качества поверх-
ностного слоя и точность размеров с условиями конкретного ме-
тода обработки, из-за ряда ограничений представляет определен-
ную трудность, а в некоторых случаях такого решения может и не
быть. Поиск совместного решения существенно облегчается тем,
что требуемые параметры качества поверхностей и размеры дета-
лей машин задаются конструктором вместе с допустимыми грани-
цами их изменения, которые рассчитываются в блоке 6 структур-
ной схемы на рис. 3.16. Чем шире эти границы, тем легче техноло-
гу решить свою задачу.
262
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
3.17.	Возможности методов обработки в обеспечении точности
деталей
Метод обработки	Ква- литет	Параметры качества поверхностного			
		#m.x, МКМ, 1000 мм	Wz, мкм	Sw», мм	Ra, мкм
1. Торцовое фрезерование:					
черновое	12-14	100-250	8/25	2,5 -10,0	4,0-16,0
чистовое	9-11	50-140	1,6-10,0	08-4,0	1,0-4,0
тонкое	6-8	20-60	0,40-5,0	0,8-2,5	0,32-1,25
2. Цилиндри- ческое фрезе- рование:					
черновое	12-14	120-300	12,5-60,0	2,5-12,0	3,2-10,0
чистовое	9-11	60-150	3,0-16,0	0,8-3,2	0,8-3,2
тонкое	6-8	25-70	0,80-8,0	0,20-1,6	0,20-1,6
3. Строгание:					
черновое	12-14	100-200	12,5-40,0	2,5-15,0	6,4-40,0
чистовое	9-11	40-120	3,0-16,0	0,8-8,0	1,0-6,3
тонкое	6-8	15-50	0,32-10,0	0,4-2,5	0,32-1,6
4. Торцовое точение:					
черновое	12- 13	110-200	8,0-24,0	5,0-12,0	6,4-32
чистовое	9-11	50-120	2,5-10,0	1,0-5,0	1,6-6,4
тонкое	6-8	15-50	0,8-3,0	0,8-2,5	0,32-1,6
5. Шлифова- ние:					
черновое	8-9	25-120	5,0-12,5	1,0-3,5	1,6-4,0
чистовое	6-7	16-40	1,6-5,0	0,8-2,5	0,32-1,6
тонкое	5-6	6-25	0,63-2,0	0,3-1,5	0,08-0,32
плоско-	6-8	20-100	2,0-16,0	0,8-10,0	0,32-2,5
вершинное					
МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА 263
размеров и параметров качества плоских поверхностей
машин
слоя детали
ф, мкм	Sm, мм	S, мм	i^OCT, МПа	Ч ММ	«н, %	^н» мм
10,0-50,0	0,16-0,50	0,16-0,50	250-300	0,1-0,2	20-30	0,2-0,5
3,20-16,0	0,08-0,20	0,063-0,20	200-250	0,1-0,2	10-40	0,08-0,15
0,80-4,0	0,25-0,10	0,016-0,08	100-200	0,05-0,10	0-20	0,05-0,10
10,0-30,0	1,25-5,0	1,25-5,0	300-350	0,015-0,25	10-30	0,15-0,25
2,5-12,5	0,50-2,0	0,32-2,0	200-300	0,10-0,20	0-40	0,1-0,15
0,63-3,2	0,16-0,63	0,10-0,63	100-200	0,06-0,15	10-20	0,08-0,12
16,0-125	0,20-1,6	0,20-1,6	250-350	0,15-0,22	20-40	0,25-0,6
3,2-20	0,08-0,25	0,063-0,25	200-250	0,10-0,15	10-30	0,15-0,30
1,0-5,0	0,025-0,125	0,0125-0,10	150-200	0,06-0,11	10-20	0,05-0,15
16,0-100	0,2-1,25	0,2-1,25	200-300	0,10-0,18	10-40	0,2-0,45
4,0-20	0,08-0,25	0,063-0,25	150-200	0,06-0,12	10-30	0,05-0,20
1,0-5,0	0,025-0,125	0,0125-0,10	100-150	0,04-0,1	0,20	0,02-0,05
5,0-12,0	0,10-0,32	0,063-0,25	200-400	0,15-0,20	10-40	0,03-0,05
1,0-5,0	0,025-0,125	0,0125-0,08	300-400	0,1-0,18	10-30	0,015-0,03
0,25-1,0	0,01 -0,032	0,005 - 0,025	200-500	0,06-0,12	0-20	0,01 -0,02
0,5-6,3	0,25-5,0	0,008-0,20	100-200	0,05-0,10	0-10	0,01-0,015
264
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Метод обработки	Ква- литет	Параметры качества поверхностного			
		//щах> МКМ, 1000 мм	Wz, мкм	Sot», мм	Ra, мкм
6. Протягива- ние: черновое чистовое	7-8 5-6	20-60 5-30	1,25—4,0 0,40-2,5	1,0-3,2 0,8-1,5	1,0-3,2 0,32-1,25
7. Шабрение: черновое чистовое тонкое	7-8 5-6 4-5	20-50 10-30 5-20	12,5-20,0 3,0-16,0 1,6-5,0	6,0-10,0 4,0-8,0 3,0-6,0	2,5-8,0 0,63-2,5 0,10-0,8
8. Накатыва- ние роликами и шариковыми головками: черновое чистовое	8-10 5-7	40-120 15-60	5,0-20 1,25-6,0	1,5-8,0 0,8-2,0	0,63-2,5 0,1-0,83
9. Виброна- катывание	5-10	20-120	1,25-4,0	0,25-15,0	0,16-2,5
10. Суперфи- ниширование: обычное плоско- вершинное	5-6 6-8	6-50 20-100	0,3-6,0 1,6-16,0	0,25-2,5 0,08-8,0	0,05-0,32 0,1-1,25
11. Притирка: обычная плоско- вершинная	4-6 5-7	4-10 10-50	0,4-0,8 0,6-1,6	0,3-1,5 0,3-1,5	0,02-0,1 0,02-0,4
Примечания. 1. Данные относятся к деталям из конструкционных
2. Для деталей из чугуна параметры шероховатости Ra,
3. Характеристики физико-механических свойств для
МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА 265
Продолжение табл. 3.17
слоя детали
Rp, МКМ	Sm, мм	мм	i^OCTJ МПа	ho, ММ	«н, %	мм
2,5-10,0	0,16-2,0	0,125-2,0	300-350	0,2-0,3	10-30	0,2-0,6
0,8-4,0	0,05-0,50	0,032-0,50	200-300	0,1-0,2	10-20	0,1-0,3
6,3-32	0,25-1,0	0,125-1,0	100-200	0,05-0,12	0-20	0,05-0,1
2,0-8,0	0,063-0,25	0,032 - 0,20	60-150	0,05-0,10	0-10	0,05-0,1
0,25-2,5	0,02-0,10	0,008-0,05	60-120	0,04-0,08	0-10	0,04-0,1
1,5-10,0	0,2-5,0	0,2-5,0	200-450	0,4 -1,5	30-70	0,5-4,0
0,2-2,0	0,025-0,25	0,02-0,25	100-300	0,2-0,5	20-60	0,2-0,6
0,25-10,0	0,025-12,5	0,02-5,0	100-400	0,2-1,5	10-60	0,04-2,0
0,125-1,25	0,01-0,032	0,04 - 0,025	100-200	0,06-0,08	0-20	0,005-0,01
0,16-3,2	0,025-1,6	0,006-0,040	100-110	0,04-0,06	0-10	0,005-0,01
0,04-0,32	0,008-0,04	0,004-0,032	100-250	0,06-0,08	0-20	0,005-0,01
0,032-1,0	0,02-0,25	0,008-0,25	100-150	0,04-0,06	0-10	0,005-0,008
сталей.
Rz можно принимать в 1,5 раза большими табличных.
деталей из чугуна следует принимать в 1,5 раза меньшими табличных.
266
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
3.18.	Возможности методов обработки в обеспечении точности
вращения деталей
Метод обработки	Ква- литет	Параметры качества поверхностного			
		Нщах, мкм, 1000 мм	Wz, мкм	мм	Ra, мкм
Обтачивание: черновое получистовое чистовое	12-14 10-12 8-19	160-500 80-200 40-100	6,25-13,0 3,2-10,0 1,6-4,0	2,5-10,0 0,12-8,0 0,8-8,0	12-40 2,0-16 0,8-2,5
Шлифование: черновое чистовое тонкое плоско- вершинное	8-9 6-7 5-6 6-8	25-100 10-40 6-20 10-100	3,2-10,0 0,5-4,0 0,16-0,8 0,5-10,0	0,8-4,0 0,4-1,5 0,25-0,6 0,8-8,0	1,0-2,5 0,2-1,25 0,05-0,25 0,32-2,5
Суперфини- ширование: обычное плоско- вершинное	4-6 6-8	5-20 20-80	0,08-0,5 0,75-2,5	0,25-1,5 0,8-8,0	0,032 - 0,25 0,25-2,0
Полирование: обычное плоско- вершинное	5-6 6-8	6-40 30-100	0,16-0,75 0,4-0,9	0,4 -1,5 0,8-8,0	0,008-0,08 0,10-0,80
Притирка: обычная плоско- вершинная	4-6 5-7	4-15 15-60	0,08-0,1 0,4-0,8	0,25-1,5 0,25-2,5	0,01-0,10 0,10-0,80
Обкатывание: черновое чистовое	8-10 5-7	24-100 6-40	2,5-12,5 0,4-2,5	0,8-8,0 0,3-6,0	0,8-2,5 0,05 -1,00
Выглаживание	5-9	6-80	0,4-10,0	0,3-8,0	0,05-2,0
Вибронакаты- вание	5-9	6-100	0,5 -13,2	0,25 -15,0	0,063-1,6
Электромеха- нический	5-7	6-40	0,4-0,8	0,3-0,8	0,02-1,6
Магнитно- абразивный	5-9	6-70	0,5-12,5	0,4-8,0	0,02-1,6
Примечания см. к табл. 3.17.					
МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА 267
размеров и параметров качества наружных поверхностей
машин
слоя детали
Rp, МКМ	Sm, мм	S, мм	iHoCT, МПа	Ао, ММ	«н, %	мм
32-120	0,32-1,25	0,32-1,25	200-300	0,10-0,20	10-50	0,2-0,5
5,0-50	0,16-0,40	0,12-0,40	150-250	0,08-0,15	10-40	0,15-0,30
2,0-8,0	0,08-0,16	0,05-0,16	150-200	0,6-0,12	20-40	0,05-0,20
2,5 -10,0	0,63-0,2	0,032-0,16	200-400	0,15-0,25	10-40	0,05-0,08
0,5-4,0	0,025-0,1	0,01-0,08	300-400	0,10-0,20	10-30	0,02-0,05
0,125-0,8	0,008 - 0,025	0,003 - 0,016	200-500	0,08-0,15	0-20	0,01 -0,02
0,5-3,2	0,063 -1,25	0,008-0,16	100-200	0,006-0,12	0-10	0,01-0,015
0,08-0,8	0,006 - 0,02	0,003 - 0,016	150-200	0,06-0,12	0-20	0,02-0,06
0,32-2,5	0,05-1,25	0,006-1,16	100-150	0,05-0,10	0-10	0,01-0,02
0,016-0,16	0,008-0,025	0,002-0,008	100-400	0,03-0,10	0-20	0,01-0,02
0,125-1,0	0,032-0,20	0,016-0,20	100-200	0,02-0,05	0-10	0,005-0,01
0,02-0,25	0,006-0,04	0,002-0,032	150-250	0,05-0,10	0-20	0,005-0,01
0,10-1,25	0,032 - 0,2	0,032-0,2	100-200	0,02-0,05	0-10	0,005-0,008
1,5-6,3	0,2-1,25	0,2-1,25	200-500	0,5-2,0	30-80	0,8-5,0
0,063-2,0	0,025-0,2	0,025-0,2	100 - 400	0,2-0,8	20-70	0,3-2,0
0,063-6,0	0,025-1,25	0,025-1,25	100-400	0,2-1,5	20-70	0,3-3,0
0,08-5,0	0,01 -10,5	0,008-0,8	100-450	0,15-1,5	10-70	0,1-3,0
0,2-3,2	0,025-1,25	0,025-1,25	200-400	0,1-1,5	40-80	0,05 -1,5
0,04-5,0	0,008-1,25	0,003 -1,0	200-600	0,005-0,010	0-10	0,01-0,03
268
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
3.19.	Возможности методов обработки в обеспечении точности
вращения деталей
Метод обработки	Ква- литет	Параметры качества поверхностного			
		Ятю, МКМ, 1000 мм	Wz, мкм	Sm*, мм	Ra, мкм
1. Сверление и рассверлива-	10-13	40-160	5,0-32	1,2-8,0	3,2-12
ние					
2. Зенкерова-					
ние:					
черновое	10-12	10-120	5,0-16	2,0-6,0	2,5-8,0
чистовое	8-9	10-50	3,6-8,0	0,8-3,2	1,25-3,2
3. Разверты-					
вание:					
черновое	10-11	25-100	2,5-6,25	0,8-4,0	1,25-2,5
чистовое	7-9	6-40	1,25-4,0	0,5-2,0	0,63 -1,25
тонкое	5-6	2-10	0,5-1,6	0,3-1,0	0,32-0,63
4. Протягива-					
ние:					
черновое	9-11	10-80	1,25-5,0	1,0-4,0	1,25-3,2
чистовое	6-8	3-30	0,4-1,6	0,5-2,0	0,32-1,25
5. Растачива-					
ние:					
черновое	11-13	100-600	8,0-40	2,5-10	8-16
получистовое	9-10	40-160	4,0-12,5	1,25-5,0	2,5-8
чистовое	7-8	20-80	2,5-6,25	0,8-2,5	0,8-2,0
тонкое	5-6	6-40	0,5-4,0	0,4-1,0	0,2-0,8
6. Шлифова-					
ние:					
черновое	8-9	20-100	4,0-16	0,8-3,2	1,6 -3,2
чистовое	6-7	10-40	1,25-6,25	0,4-1,2	0,32-1,6
тонкое	5-6	6-20	0,32-1,6	0,25-0,5	0,08-0,32
плоско-	6-8	15-90	0,5 -10,0	0,18-8,0	0,32-2,5
вершинное					
МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА 269
размеров и параметров качества внутренних поверхностей
машин
слоя детали
Rp, МКМ	Sm, мм	S, мм	^^осп МПа	Йо. мм	“н, %	мм
8,0-40	0,16-0,8	0,08-0,63	200-300	0,2-0,3	10-30	0,2-0,5
6,3-25	0,16-0,8	0,063 - 0,4	100-200	0,2-0,25	20-40	0,15-0,4
3,2-10	0,8-0,25	0,05-0,16	100-200	0,08-0,15	10-40	0,1-0,2
3,2-8,0	0,08-0,2	0,04-0,16	100-300	0,08-0,15	10-40	0,2-0,4
1,6-4,0	0,032-0,1	0,0125-0,063	100-400	0,06-0,12	20-40	0,15-0,3
0,8-2,0	0,0125-0,04	0,008 - 0,02	100-450	0,03-0,1	10-30	0,05-0,2
0,2-1,0	0,08-0,25	0,04-0,2	200-300	0,10-0,40	20-40	0,2-0,8
0,8-4,0	0,02-0,10	0,008-0,08	200-300	0,05-0,15	10-50	0,1-0,5
20-50	0,25-1,0	0,25-1,0	200-300	0,1-0,2	10-50	0,2-0,5
6,3-25	0,125-0,32	0,08-0,32	150-250	0,08-0,15	10-40	0,15-0,3
2,0-6,3	0,08-0,16	0,032-0,16	150-200	0,06-0,12	20-40	0,05-0,2
0,5-3,2	0,02-0,10	0,01-0,08	100-150	0,04-0,1	0-30	0,02-0,08
4,0-10,0	0,63-0,2	0,032-0,16	200-300	0,1-0,2	10-40	0,04-0,06
0,8-4,0	0,025-0,1	0,01-0,08	300-400	0,08-0,15	10-30	0,02-0,05
0,2-1,0	0,008 - 0,025	0,003-0,016	200-300	0,08-0,15	0-20	0,01-0,02
0,32-5,0	0,063-1,0	0,006 - 0,16	100-150	0,06-0,1	0-10	0,01-0,015
270
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Метод обработки	Ква- литет	Параметры качества поверхностного			
		#т.х, МКМ, 1000 мм	Wz, мкм	мм	Ra, мкм
7. Хонингова- ние:					
черновое	6-7	15-40	1,25-5,0	0,8-4,0	1,25-3,2
чистовое	5-6	5-16	0,4-1,6	0,8-2,5	0,25-1,25
тонкое	4	2-10	0,4-0,9	0,25-1,0	0,04-0,25
плоско- вершинное	5-8	5-80	0,5-10	0,8-8,0	0,25-2,0
8. Притирка:					
обычная	4-5	2-10	0,125-0,63	0,25-1,5	0,02-0,16
плоско- вершинная	5-7	5-50	0,4-1,25	0,25-2,5	0,10-0,80
9. Раскатыва- ние:					
черновое	8-9	40-100	3,2-12	0,5-8,0	0,32-2,0
чистовое	5-7	5-40	1,6-5,0	0,3-6,0	0,05-0,32
10. Выглажи- вание	5-8	5-60	3,2-10	0,3-8,0	0,05-2,0
11. Виброна- катывание	5-8	5-60	0,5-32	0,25 -15,0	0,062-1,6
12. Дорнова- ние	5-8	4-30	0,25-3,2	0,25 -15,0	0,1-1,6
Примечания см. ктабл. 3.17.
МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА 271
Продолжение табл. 3.19
слоя детали
Др, мкм	Sm, мм	мм	МПа	ho, мм	и», %	мм
3,2-8,0	0,063-0,35	0,025-0,16	300-400	0,05-0,30	10-30	0,05-0,10
0,63-3,2	0,02-0,2	0,008-0,08	300-350	0,10-0,20	10-40	0,03-0,06
0,1-0,8	0,006-0,2	0,003-0,16	300-400	0,08-0,15	10-30	0,01 -0,03
0,25-4,0	0,04-1,0	0,008-0,20	100-200	0,06-0,12	0-20	0,01-0,015
0,04-0,40	0,005-0,04	0,002-0,02	150-250	0,05-0,1	0-20	0,005-0,01
0,125-1,6	0,032-0,2	0,003-0,20	100-200	0,02-0,05	0-10	0,005-0,008
0,63-5,0	0,1-1,0	0,1-1,0	200-500	0,3-2,0	30-70	0,5-3,0
0,05-0,8	0,025-0,2	0,025-0,2	150-400	0,15-1,0	20-60	0,2-1,0
0,05-5,0	0,025- 1,0	0,025-1,0	100 - 400	0,15-2,0	20-70	0,3-2,0
0,1-4,0	0,01 -12,5	0,008-0,5	100-450	0,1 -1,5	10-70	0,1 -1,5
0,1-3,2	0,025-1,0	0,016-1,0	100-500	0,15-2,0	50-80	0,2-3,0
272
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
3.20.	Возможности методов обработки по обеспечению
рабочих
Метод обработки	Степень точно- сти	Параметры качества поверхностного			
		^Апах> МКМ, 1000 ММ	Wz, мкм	Smv, ММ	Ra, МКМ
Зубонареза- ние:					
модульными фрезами	9-11	20-100	10-50	2,5-10	8,0-16
червячными фрезами	8-9	15-60	5-50	0,8-5,0	3,2-8,0
долбяками	7-8	10-40	5-30	0,8-3,0	20-4,0
Протягивание	6-7	5-20	31-20	0,8-4,0	0,8-1,6
Накатывание	8-9	10-80	10-50	0,8-8,0	0,8-2,0
Шевингование	5-6	5-15	2-10	0,8-4,0	0,6-1,25
Шлифование	5-6	3-10	1,5-10	0,8-3,0	0,32-1,25
Обкатывание	5-6	3-8	3-10	0,8-5,0	0,32-1,0
Притирка	5	2-5	2-3	0,3-2,0	0,1-0,25
Примечания см. к табл. 3.17.					
МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА 273
точности обработки зубьев и параметров качества их
поверхностей
слоя детали
Rp, МКМ	Sm, мм	S, мм	±^ост> МПа	мм	%	^н> ММ
20-50	1,25-5,0	1,0-5,0	100-300	0,02-0,2	10-40	0,1-0,2
8,0-25	0,32-1,6	0,2-1,6	150-200	0,02-0,1	10-40	0,05-0,15
5,0-12	0,2-1,25	0,125-1,25	150-350	0,4-0,3	20-50	0,1-0,25
2,0-5,0	0,08-20	0,05-2,0	200-300	0,1-0,3	10-40	0,1-0,6
1,8-6,0	0,08-5,0	0,063-5,0	250-500	0,5-2,0	50-70	0,5-4,0
1,5-3,6	0,125-0,5	0,08-0,5	150-250	0,01-0,1	10-40	0,05-0,15
0,9-4,0	0,04-0,1	0,026-0,063	200-400	0,1-0,2	0-30	0,03-0,05
0,63-3,0	0,063-2,0	0,032-2,0	200-400	0,1-1,0	30-70	0,3-2,0
0,15-0,6	0,032-0,5	0,02-0,5	100-150	0,02-0,1	10-20	0,05-0,1
274
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
3.21.	Возможности методов обработки по обеспечению
рабочих
Метод обработки	Параметры качества поверхностного			
	Яшах, МКМ, 1000 мм	Wz, мкм	мм	Ra, мкм
Шлицефрезерование: черновое чистовое	30-100 10-40	15-60 5-20	2,0-10 0,8-6,0	4-10 1,25-4,0
Шлицестрогание	10-30	5-20	0,8-3,0	1,0-2,5
Шлицепротягивание	5-20	3-15	0,8-4,0	0,8-1,6
Шлифование шлицев: черновое чистовое	8-12 4-10	5-20 1,5-6	0,8-5,0 0,8-3,0	1,6-3,2 0,4-1,25
Накатывание шлицев	10-80	10-85	0,8-8,0	0,8-1,0
Обкатывание шлицев	3-80	3-10	0,8-5,0	0,32-1,0
Примечания см. к табл. 3.17.				
3.22.	Возможности методов обработки по обеспечению
рабочих
Метод обработки	Степень точно- сти	Параметры качества поверхностного			
		^Апах, МКМ, 1000 мм •	Wz, мкм	ММ	Ra, мкм
Нарезание рез- цами, гребен- ками, резцовы- ми головками	2,3	3-10	3-20	0,8-3,0	1,6-4,0
Нарезание метчиками, плашками	3	4-12	2-15	0,8-2,5	1,25-3,2
Шлифование резьбы	1,2	2-8	2-12	0,8-5,0	0,63 -1,25
Накатывание, раскатывание	1,2	2-6	4-12	0,8-6,0	0,8-2,5
Примечания см. к табл. 3.17.					
МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА 275
точности шлицев и параметров качества их
поверхностей
слоя детали
Rp, МКМ	Sm, мм	S, мм	^^ост, МПа	ho, мм	^н> %	^н» ММ
10-50	1,0-5,0	1,0-5,0	150-300	0,02-0,2	10-40	0,1-0,2
3,0-12,0	0,1-2,0	0,05-2,0	100-250	0,02-0,1	10-30	0,05-0,15
2,5-8,0	0,08-2,5	0,05-2,5	150-250	0,04-0,2	20-40	0,1-0,2
2,5-5,0	0,08-2,0	0,05-2,0	200-300	0,1-0,3	10-40	0,1-0,6
4,0-10	0,1-0,32	0,063-0,25	200-400	0,1-0,2	0-30	0,03-0,05
1,0-4,0	0,032-0,10	0,016-0,063	200-300	0,05-0,1	0-20	0,02-0,04
2,0-3,0	0,08-5,0	0,063-5,0	250-500	0,5-2,0	50-80	0,5-4,0
0,8-3,0	0,063-2,0	0,032-1,25	200-400	0,1-1,0	30-70	0,3-2,0
точности резьбы и параметров качества ее
поверхностей
слоя детали
Rp, МКМ	Sm, мм	мм	МПа	ho, ММ	^н» %	^н> мм
4,0-12	0,08-0,25	0,032-0,16	150-250	0,02-0,1	10-30	0,05-0,15
3,0-10	0,063-0,2	0,025-0,125	200-300	0,02-0,15	10-40	0,05-0,2
1,5-4,0	0,02-0,1	0,01 -0,08	150-200	0,02-0,08	0-30	0,05-0,15
1,6-7,0	0,063-0,15	0,025-0,1	200-400	0,04-0,2	50-80	0,1-1,0
276
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
3.23.	Значения параметра Сх для различных методов
чистовой обработки
Метод обработки	сх
Торцовое фрезерование: чистовое тонкое	2,4-0,80 1,3-0,55
Плоское шлифование: чистовое тонкое	2,3-0,70 1,2-0,40
Накатывание	0,9-0,08
Обтачивание: чистовое тонкое	2,1-0,68 1,0-0,45
Круглое шлифование: чистовое тонкое	2,2-0,75 1,2-0,50
Суперфиниширование	1,0-0,30
Полирование	0,9-0,10
Накатывание	0,8-0,07
Растачивание: чистовое тонкое	2,2-0,71 1,2-0,65
Внутреннее шлифование: чистовое тонкое	2,3-0,80 1,4-0,60
Хонингование	1,2-0,40
Раскатывание	0,8-0,08
МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА 277
Экономически целесообразнее применить метод обработки,
имеющий наименьшую технологическую себестоимость, поэтому
в блоке 7 рассчитывается технологическая себестоимость методов
обработки, которые обеспечивают заданные параметры состояния
поверхностного слоя и точность размеров деталей при рассчитан-
ных условиях обработки.
После проведения расчетов для всех возможных методов об-
работки, выбранных в блоке 3, в блоке 8 осуществляется оконча-
тельный выбор метода обработки конкретной поверхности, обес-
печивающего получение параметров ее состояния и точность раз-
мера в допустимых пределах и имеющего минимальную себестои-
мость.
Необходимо отметить, что технологические расчеты, начиная
с блока 3, являются формализованными и могут осуществляться на
ЭВМ после выбора соответствующих вычислительных методов и
разработки программы.
Выбранные условия обработки вследствие воздействия слу-
чайных факторов (колебания твердости и припуска заготовки, из-
нос инструмента и др.) зачастую требуют своей корректировки в
производственных условиях. Эта корректировка может осуществ-
ляться вручную и автоматически с использованием адаптивных
систем.
При ручной корректировке после изготовления первой детали
и измерении параметров качества ее поверхности производят со-
ответствующее изменение одного или нескольких условий обра-
ботки. Для этого необходимо хорошо знать характер взаимосвязи
технологически обеспечиваемых и контролируемых параметров
поверхности с условиями ее обработки. Такие данные для различ-
ных методов механической обработки деталей приведены в
табл. 3.24-3.26.
Их анализ показывает, что точностью и макроотклонением в
наилучшей степени можно управлять при обработке резанием;
3.24. Взаимосвязь параметров качества поверхностного слоя деталей машин
с условиями их лезвийной обработки
Параметр	Точ- ность	^Апах	Wz	Smw	Ra	Rp	Sm	5	iQocr	Ао	WH	Ан
Подача: s < 0,07 мм/об s > 0,07 мм/об	0	0 +	0 +	0 +	4\ о	+*	4- +*	4-	4- * 4-	4- +*	+ +*	4- * +
Скорость резания: v < 30 м/мин v > 30 м/мин	0 0	0 0	4-	—	4-	4-	0 0	4-	* *	* *	* *	* *
Глубина резания t	*	+‘	+*	* 4-	4-	4-	0	0	* 4-	* 4-	+*	+*
Углы в плане: Ф Ф1	0	+ 0	0	0 0	+‘ 0	+’ 0	0 0	+ 0	0	0	0	0
Передний угол: у > 0 у<0	* *	+* • 4-	• • 4-	0 +	4- 4-	4- 4-	0 0	+‘	+‘	• 4-	• 4-	• 4-
278	Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Продолжение табл. 3.24
Параметр	Точ- ность	Нтах	Wz	Smyv	Ra	Лр	Sm	s	iO’ocT	Ao	WH	Ah
Радиус вершины г	—	4-	+*	0	•	—	0	—	* 4-	* 4-	+‘	+‘
Радиус скругления режущей кромки р	—	4-	4-	0	4-	4-	0	—	* 4-			+‘
Шероховатость ре- жущей кромки Rzm	0	0	0	0	+*	* 4-	—	—	—	—	—	—
Жесткость технологической системы утс	* 4-	•	*	*	—	—	4-	4-	4-	4-	4-	4-
Точность станка	+’	*	*	*	—	—	0	0	0	0	0	0
Неравномерные твер- дости заготовки \НВ	—	4-	4-	4-	4-	4-	0	0	0	0	0	0
Предел текучести ма- териала заготовки от	—	4-	+’	* 4-	—	—	0	—	—	—	—	—
МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА 279
Продолжение табл. 3.24
Параметр	Точ- ность	Нтах	Wz	Smw	Ra	Rp	Sm	5	iO’oCT	Ao		Ah
Молекулярное срод- ство материала ре- жущей части ин- струмента с мате- риалом заготовки та	*	+*	+	0	—	—	—	—	+	+	+	+
СОТС V	+	—	—	0	—	—	—	—	+*		* 4-	* 4-
Исходные парамет- ры заготовки:												
точность	* +	*	—	—	0	0	0	0	0	0	0	0
волнистость	—	4-	+*	+*	0	0	0	0	0	0	0	0
шероховатость	0	0'	4-	4-	+	+	+	+	0	0	0	0
Примечания. 1. Знак «+» означает, что увеличение или уменьшение данного параметра способствует увеличению или уменьшению соответствующего параметра качества детали. 2. Знак «-» означает, что увеличение или уменьшение данного параметра способствует уменьшению или увеличению соответствующего параметра качества детали. 3. Знак «*»означает, что данный параметр оказывает основное влияние на соответствующий параметр качества детали.												
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
3.25. Взаимосвязь параметров качества поверхностного слоя деталей машин
с условиями их алмазно-абразивной обработки
Параметр	Точ- ность	Нтах	Wz	Smw	Ra	Rp	Sm	s	iOocr	Ao		AH
Круговая или линей- ная скорость детали Va	—	+	4-	+	+	+	+	+	+	+	+	4-
Подача s	—	+	4-	4-	+*	* 4-	4-*	* +	4-	+	+	+
Глубина резания t	*	+*		+‘	+’	+’		* 4-	+*	+’	+‘	+‘
Число выхаживаний N		*	*	*	*	*	*	*				
Зернистость	4-	—	—	4-	* 4-	* 4-	♦ 4-	* 4-	+*	+‘		* 4-
Концентрация	4-	—	4-	—	*	*		*	4-	+	+	4-
Молекулярное срод- ство материала зерен с материалом заго- товки	—	4-	4-	4-	—	—	—	—	4-	4-	4-	4-
Правка круга	4-		*	*	*	*	*	*	*	*	•	*
МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА
Продолжение табл. 3.25
Параметр	Точ- ность	^Апах	Wz	Smw	Ra	Яр	Sm	s	i^ocr	Ao	WH	AH
Жесткость технологической системы jTC	+*	♦	♦	♦	—	—	0	0	+	4-	4-	+
Предел текучести материала заготовки от	—	4-	4-	+	—	—	0	—	—	—	*	*
Неравномерные твер- дости заготовки A/ZB	—	4-	4-	4-	4-	4-	0	0	0	0	0	0
СОТС	4-	—	—	—	—	—	—	—	* +	+‘	* 4-	* +
Точность станка	+*	*	*	*	—	—	—	—	0	0	0	0
Исходные парамет- ры заготовки: точность волнистость шероховатость степень наклепа	+’ 0 *	’ 1 + о ’+	1 ‘+ + +	+ + +. 1	0 0 + 0	0 0 + 0	0 0 + 0	0 0 0 0	0 0 0 * 4-	0 0 0 +*	0 0 0 * 4-	0 0 0 +*
См. примечания к табл. 3.24.												
282 Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
3.26. Взаимосвязь параметров качества поверхностного слоя деталей машин
с условиями их ОУО 1ШД
Параметр	Точ- ность	^4пах	Wz	Smw	Ra	Rp	Sm	s	iOoc-r	ho	WH	Ah
Скорость V	0	0	—	—	4-	4-	0	0	*	*	•	*
Подача s	0	0	4-	4-	* 4-	+*	+’	• 4-	*	*	•	*
Рабочая нагрузка Р	4-	*	+*	* 4-	* +	* +	0	—	+*	* 4-	* 4-	+*
Число рабочих ходов	4-	*	*	*	*	*	*	*	* 4-	+‘	+‘	* 4-
Радиус рабочего ша- рика и индентора R	0	0	*	+‘	*	—	0	0	*	+*	*	+’
Диаметр рабочего ролика D	0	0	—	4-	—	—	0	0	—	4-	—	4-
Профильный радиус ролика г	0	0	*	* 4-	*	*	0	0	*	+*	*	4-*
Задний угол вдавли- вания фо	0	0	* 4-	*	4-	4-	0	0	*	• 4-	*	• 4-
Волнистость и экс- центриситет ролика	—	4-	+*	* 4-	4-	4-	0	0	—	—	—	—
Шероховатость ра- бочей поверхности инструмента	0	0	0	0	4-	4-	—	—	0	0	0	0
МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА 283
Продолжение табл. 3.26
Параметр	Точ- ность	^Апах	Wz	Smw	Ra	Rp	Sm	5	iQocT	Ao	WH	AH
Молекулярное срод- ство материала вы- глаживающего ин- дентора с материа- лом заготовки	—	4-	0	0	4-	4-	4-	4-	—	—	—	—
Предел текучести												
материала заготовки От	—	+*	4-*	4-*	4-*	4-	0	0	—	—	—	—
Жесткость техноло- гической системы	4-	—	—	—	0	0	0	0	0	0	0	0
Исходные парамет- ры заготовки: точность	* +	*	*	+»	0	0	0	0	0	0	0	0
волнистость шероховатость	0	+ 0	4-* 4-	+*	0 * 4-	0 +‘	0 +*	0 +‘	0 0	0 0	0 0	0 0
сотс	4-	—	—	4-	—	—	0	0	* 4-	+‘	+*	• 4-
Точность станка	4-	—	—	4-	0	0	0	0	0	0	0	0
См. примечания к табл. 3.24.												
284 Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА 285
волнистостью - при алмазно-абразивной и отделочно-упрочняющей
обработках; параметрами шероховатости (за исключением tp) - при
всех методах обработки; физико-механическими свойствами по-
верхностного слоя - при ОУО ППД.
При лезвийной обработке основное влияние оказывают на
точность размеров и формы деталей - точность станка, жесткость
технологической системы и материал режущего инструмента; на
волнистость - жесткость системы и точность станка; на параметры
шероховатости - подача (при s > 0,1 мм/об); на физико-механичес-
кие свойства - СОТС, геометрия режущей части инструмента и
режимы (последовательность перечисления условий обработки
определяется уменьшением степени их влияния).
При алмазно-абразивной обработке оказывают влияние на
точность размеров и формы деталей - точность станка, жесткость
технологической системы, глубина резания и число выхаживаний;
на волнистость - жесткость технологической системы, точность
станка, число выхаживаний; на шероховатость - зернистость, чис-
ло выхаживаний, концентрация и подача; на физико-механические
свойства - глубина резания, зернистость и СОТС.
При ОУО ППД точность размеров и формы деталей зависят в
основном от исходного значения, частично от рабочего усилия,
числа рабочих ходов и предела текучести обрабатываемого мате-
риала; волнистость кроме перечисленных факторов зависит от фор-
мы рабочего инструмента; шероховатость - от ее исходного значе-
ния, рабочего давления, подачи и предела текучести обрабатываемо-
го материала. Анализ табл. 3.26 показывает, что при ОУО ППД в
наибольшей мере можно управлять физико-механическими свойст-
вами, которые значительно зависят от рабочего давления, числа ра-
бочих ходов, подачи, формы инструмента, предела текучести обра-
батываемого материала и СОТС.
Для автоматизированной корректировки режимов обработки
используются различные адаптивные системы активного контроля
с обратной связью.
286
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
В Рыбинской авиационной технологической академии под ру-
ководством проф. В.Ф. Безъязычного разработана адаптивная сис-
тема, базирующаяся на косвенном контроле параметров качества
обрабатываемой поверхности через силу и температуру резания.
В ФРГ под руководством проф. X. Салье разработана прямая
система адаптивного управления качеством обрабатываемой дета-
ли, в том числе и параметром шероховатости Ra, при шлифовании
(рис. 3.17).
Диаметр D, шероховатость Ra заготовки и радиальная сила
шлифования Ру в форме электрических сигналов поступают в
электронные преобразующие устройства ЭПУ, откуда их значения
поступают на аналоговый вход вычислительной машины. Сигнал
работы шлифования А определяется по скорости изменения изме-
ряемого диаметра заготовки. Вычислительная машина, в зависимо-
сти от измеренных и вычисленных параметров Ra, Ру, В и А, опти-
мизирует значение поперечной подачи 5П0П, передаваемой в управ-
ляющее устройство УУ, где она кодируется и поступает в виде
электрического сигнала на шаговый электродвигатель ШЭ. Сигнал
радиальной силы шлифования Ру также поступает на управляющее
устройство для своевременного переключения быстрого подвода
Рис. 3.17. Система адаптивного управления качеством
обрабатываемой детали при шлифовании:
/ - деталь; 2 - шлифовальный круг
МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА 287
круга на рабочую подачу при соприкосновении круга с заготовкой
и останова станка, если радиальная сила шлифования превысит
допустимую.
Для адаптивного управления микротвердостью и остаточными
напряжениями поверхностного слоя обрабатываемой детали необ-
ходимо дополнительно измерять ее температуру. Аналогичный
принцип адаптивного управления качеством обрабатываемой по-
верхности деталей машин может быть применен и при других ме-
тодах обработки. Так, общий вид аналогичной системы адаптивно-
го управления качеством обрабатываемой детали при хонингова-
нии цилиндра приведен на рис. 3.18. Диаметр D, шероховатость Ra
заготовки и давление брусков р, измеряемые в процессе хонинго-
вания специальными датчиками, в виде электрических сигналов
поступают в электронные преобразующие устройства ЭПУ, откуда
их значения передаются в аналоговый вход вычислительной маши-
ны ВМ. Вычислительная машина, по запрограммированной страте-
гии и в зависимости от величины измеренных и вычисленных D,
Рис. 3.18. Система адаптивного управления качеством
обрабатываемой детали при хонинговании:
1 - деталь; 2 - хон
288
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Каир, оптимизирует значение подачи s или давление брусков р по
диаметру при чистовом и по шероховатости Ra при отделочном
хонинговании, обеспечивая максимальную производительность.
Значение этой подачи или давление брусков передается в управ-
ляющее устройство УУ, где оно кодируется и поступает в виде
электрического сигнала на шаговый электродвигатель ШЭ, осуще-
ствляющий регулирование радиальной подачи или давления бру-
сков.
В Брянском государственном техническом университете раз-
работана и реализована система адаптивного управления парамет-
ром шероховатости Ra при точении наружных поверхностей вра-
щения.
Для активного контроля параметра шероховатости использу-
ется датчик цехового профилометра мод. 296 с усовершенствован-
ной опорой и ощупывающей иглой с радиусом г = 80 мкм, кото-
рый рассчитан из условий полного ощупывания профиля шерохо-
ватости и отсутствия пластических деформаций шероховатости
при ее измерении. Доработка опоры и ощупывающей иглы объяс-
няется еще и необходимостью устранить их касательные колеба-
ния, обусловленные вращением контактирующей измеряемой де-
тали. Поэтому специально изготовленная ощупывающая алмазная
игла вставлена в торец штока, который вертикально перемещается
в бронзовой прецизионной направляющей. Обратный торец штока
находится в постоянном контакте с иглой датчика профилометра.
В качестве воздействующего фактора на возможность опера-
тивного изменения шероховатости поверхности в процессе обра-
ботки было проанализировано теоретическое уравнение по расчету
параметра шероховатости при лезвийной обработке. Этот анализ
показал, что изменение подачи в 5 - 20 раз оказывает большее
влияние на изменение шероховатости, чем изменение скорости
резания. Поэтому в качестве воздействующего фактора была вы-
брана подача. Общая принципиальная схема разработанной систе-
мы автоматизированного управления качеством обрабатываемой
поверхности детали представлена на рис. 3.19.
МЕТОДОЛОГИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА 289
Рис. 3.19. Принципиальная схема САУ параметрами качества
поверхности детали при обработке
Принцип действия САУ следующий. В ПЭВМ вводится необ-
ходимая информация: требуемая шероховатость обрабатываемой
поверхности и допустимый диапазон ее изменения; диаметр, длина
и физико-механические характеристики материала обрабатывае-
мой заготовки, режимы резания, геометрия режущего инструмента
и динамическая жесткость металлорежущего станка.
По введенным данным, используя теоретические формулы,
приведенные в этой главе, производят расчет начальной величины
подачи s, обеспечивающий заданный параметр шероховатости Ra
(Ra - 0,2Rz). После этого начинается обработка заготовки. При
достижении длины обрабатываемого участка I > 10 мм на заготов-
ку устанавливаются опора и ощупывающая игла датчика профи-
лометра и запускается профилометр. После измерения шерохова-
тости и ее сравнения с заданной при необходимости производятся
расчет и корректировка величины подачи через цифроаналоговый
преобразователь (ЦАП), систему управления электроприводом по-
дачи (СУЭП) и электропривод подачи (ЭП). Изменение подачи
происходит в процессе обработки. После корректировки подачи
снова производится измерение шероховатости обработанного уча-
стка с измененной подачей и весь цикл работы САУ повторяется.
Общий алгоритм функционирования САУ приведен на рис. 3.20.
Данная САУ с успехом может быть использована и для обес-
печения закономерного изменения параметра шероховатости по-
верхности по длине обрабатываемой детали.
10 — 6780
290
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Рис. 3.20. Общий алгоритм функционирования САУ
ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
291
3.4. ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ
СТАНКОВ НА ПАРАМЕТРЫ КАЧЕСТВА
ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ И
НАДЕЖНОСТЬ ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Оценка состояния металлорежущих станков в настоящее вре-
мя производится по статической жесткости, амплитудно-фазочас-
тотным характеристикам и динамической жесткости. В технологии
машиностроения в качестве основной характеристики металлоре-
жущих станков может быть принята их динамическая жесткость,
которая достаточно легко может быть проконтролирована в произ-
водственных условиях и оказывает значительное влияние на каче-
ство обрабатываемых деталей.
Под динамической жесткостью станка понимается его спо-
собность сопротивляться упругим деформациям под действием
сил резания. Зная величины изменений составляющих сил резания
(АР,) и соответствующих сил смещений лезвия инструмента отно-
сительно обрабатываемой детали (А/), можно определить динами-
ческую жесткость станка
АР
(3-192)
Az
Производственный метод определения динамической жестко-
сти станков предложен еще проф. В. А. Скраганом. Сущность это-
го метода заключается в обработке поверхности жесткого образца
со ступенчато-изменяющейся глубиной резания, последующем
измерении разности получаемого размера А/ и определении изме-
нения силы АР, за счет изменения глубины резания А/.
Причем изменение силы резания может быть измерено или
определено по формуле
ДР* = СрХр/ру2рНВлАГХр ,	(3.193)
10*
292
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
где Ср, Кр, ур, Zp, п и хр - коэффициенты.
Для аналитического определения степени влияния динамиче-
ской жесткости технологической системы, одной из составляющих
которой является и динамическая жесткость металлорежущего
станка, на высотные параметры шероховатости и волнистости был
проведен математический анализ теоретических уравнений:
Rz = r(l - costp)+sinф|[scoscp] -	sin ф| (2j - 5 sin ф|) ] +
HB" axZ " -нв"1п(/-лгисх)^
+7?z4HCT,
2r
tgq> 5

(3.194)
Wz^^JhI+hI ;	(3.195)
lOC^W
я,=----
n py НВЛ t py -НВ" (t-Wz -Rz )py
v nr>max4 nDmmV "‘исх 2XZhcx /
A.cHB£,
(3.196)
„	„ t .	,.180
ZZ2=#iy + cos (w-1)—
m
(3.197)
Минимальная и максимальная степени влияния динамической
жесткости технологической системы на параметры Rz и Wz рас-
считывалась по формулам
^min/Cv,) = J'min/(x<l"“)	100 о/о.	(3.198)
•^max ~ ^‘min
ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
293
о	^тахЛ^п,,,) -У|'тах/(х rmin) 1 лл О/ /о 1 qq\
Вуi max /(.v,) =---------------------100 /о, (3.199)
-^тах -У» min
где ^min/(.v/roax) и ^imin/(.vfmin) " значения параметров Rz или Wz
при условиях обработки, обеспечивающих их минимальную вели-
чину при соответствующих значениях максимальной (х; щах) и ми-
нимальной (х( min) динамической жесткости технологической сис-
темы; У1тах/(Л(тах) и У(тах/(Л(п.п) - значения параметров Rz или
Wz при условиях обработки, обеспечивающих их максимальную
величину при соответствующих значениях максимальной (х, щах) и
минимальной (х, min) динамической жесткости технологической
системы; у, таХ и у, min - максимальные и минимальные значения
параметров Rz или Wz при всем диапазоне изменения условий об-
работки.
Результаты расчетов приведены на рис. 3.21.
Степень влияния динамической жесткости станка на парамет-
ры Rz или Wz будет определяться ее удельным весом в общей ди-
намической жесткости технологической системы:
-l-	= X + _L + _Lj	(3.200)
Jr.с	J ст 7заг Jr.о
где /заг - жесткость заготовки; ут 0 - жесткость технологической ос-
настки (приспособления и инструмента).
Экспериментальные исследования по изучению влияния ди-
намической жесткости металлорежущих станков на качество об-
работанных поверхностей позволили получить следующие зави-
симости:
1)	обработка на токарно-винторезных станках
„0,74
Ла=119°-дайш;	<3-201)
v 7стд
294
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Параметр шероховатости поверхности Rz
Яг, %
□ при наименьших значениях исходных параметров
 при наибольших значениях исходных параметров
30 л
20 -
10 
0 -•
чистовое точение	получистовое
черновое точение
точение
Параметр волнистости поверхности Wz

□ при наименьших значениях исходных параметров
 при наибольших значениях исходных параметров
чистовое точение получистовое черновое точение
точение
Рис. 3.21. Степень влияния жесткости технологической
системы на формируемые параметры качества
поверхностного слоя деталей при лезвийной обработке
ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
295
«0,26 0,7
^г = 2548ЖГ’	<3-202)
v -/отд
где s - подача (0,1 - 0,25 мм/об); v - скорость резания (56 -
112 м/мин); t - глубина резания (0,5 - 2,0 мм);
2)	обработка на универсально-фрезерных станках
0,63
Ла = 1534>Ж’	<3-203)
v -'СТД
<0,19 0,21
^г=3047Л>’	<3-204>
v Jcra
где sz - подача на зуб фрезы (0,02 - 0,04 мм/зуб); v - скорость ре-
зания (62 - 124 м/мин); / -глубинафрезерования (0,3 - 1,0 мм)
Анализ полученных зависимостей показывает, что динамиче-
ская жесткость металлорежущих станков при чистовой обработке
деталей оказывает основное влияние на волнистость поверхности
и значительное влияние наряду с подачей на шероховатость.
Влияние случайных факторов на формирование качества об-
рабатываемой поверхности приводит к различной надежности при
его технологическом обеспечении. Высокая надежность в обеспе-
чении параметров качества поверхностного слоя необходима при
изготовлении ответственных деталей, а также при малых допусках
на эти параметры, например, при изготовлении образцов шерохо-
ватости.
В.П. Федоровым разработан программный метод исследова-
ний параметрической надежности технологического обеспечения
параметров качества поверхностного слоя деталей машин. В каче-
стве показателя выбора того или иного метода обработки по кри-
терию параметрической надежности предлагается максимум веро-
ятности Р выполнения задания по одному из параметров качества
поверхностного слоя Y в заданном интервале
296
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
р{Уе(У + 8У;У-8У))=тах,	(3.205)
где Y - средняя величина регламентированного параметра каче-
ства поверхностного слоя, например Ra; 8 У - допустимая вели-
чина изменения регламентированного параметра.
Для различных технологических методов при различных Y и
8 У величина Р определяется путем имитационного моделирования,
которое осуществлялось в виде аддитивных моделей (3.206) или
моделей Кобба - Дугласа (3.207):
У = Ро + Р1*1 +... + Р,-^. +... + $кХк ;	(3.206)
У =	1 yf2 ...X..Х[к .	(3.207)
Здесь Xi - j-ый фактор технологического метода; ро, Pi,..., р* -
истинные значения коэффициентов, которые являются случайны-
ми нормальнораспределенными величинами.
В основу построения имитационных моделей положен физи-
ко-статистический подход, концепция которого заключается в том,
что структура модели технологического метода формируется на
основе анализа причинно-следственных связей факторов обработ-
ки и внешней среды, а выходные параметры определяются стати-
стическими методами.
Если в моделях (3.206) и (3.207) величины X, являются слу-
чайными, то для математического ожидания и дисперсии парамет-
ра качества поверхностного слоя по модели Кобба - Дугласа полу-
чим
(	к	}
m{y(}=^ 1пл/{р0}+£1пх(.л/{Р(} ;
52{У;} = exp InS2{р0} + £(1пУ, )2S2{p,}
(3.208)
(3.209)
ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
297
Если в моделях (3.206) и (3.207) случаен один или несколько
факторов Xi, то М{У,} и 5{У} определяются путем обработки ре-
зультатов машинного эксперимента над имитационными моделя-
ми на ЭВМ по схеме Монте-Карло, блок-схема которой представ-
лена на рис. 3.22.
В качестве исходных данных используются результаты по-
строения имитационных моделей, конструкторские и технологиче-
ские ограничения.
1.	Имитационная модель для параметра У*
K = /(P0,Pz,yz).
,2	. Имитационная модель скорости изменения параметра У в
процессе функционирования технологической системы
Y = f(^i>Xi).
3.	Математические ожидания и средние квадратические от-
клонения коэффициентов и случайных факторов обработки:
м{^}, эд), м{^}, s&}, мт, sm.
4.	Допустимые пределы изменения параметра качества по-
верхностного слоя детали У (например, Ла), заложенные в конст-
рукторской документации, и время безотказного его обеспечения,
Т.е. Ущах» Уmin» У
5.	Допустимые пределы варьирования технологических ре-
жимов обработки Xj max, X min-
6.	Доверительная вероятность а и допустимые абсолютные
ошибки определения оценки А/{У} и 52{У,} (величины а и d).
Далее определяются номинальные значения технологических
факторов Xt, обеспечивающих получение оптимального значения
требуемого параметра качества поверхностного слоя У01ГГ и макси-
мальную величину запаса технологического метода т] по этому
параметру. При этом в соответствующих имитационных моделях
используются коэффициенты 2>( = Л/{р,}.
]----------
Исходные
данные
2 ----1--------
Расчет условий
обработки
l.y-ftpo.P.X;)
2.W(^0.^Xi)
3. S{ft}
M{Xi}, S{X|}
4.УТО;У«„,Т
5. Ximax, Xfanio
6. a, a, d
РасчетN
Г« I

Г 5--------------
Генерация
Хь Pop Pij, £мД1
Датчик
псевдослучайных
чисел
Расчет Уь у,	—I-
У1,У2,... У>..Ун
Yi№ .. Уь ...Yn
Г7ТнТ
Рис. 3.22. Блок-схема расчета надежности ТС методом Монте-Карло
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
299
В дальнейшем осуществляется тактическое планирование, ко-
торое связано с вопросами эффективного использования машин-
ных ресурсов и ряда других проблем, среди которых важнейшее
значение имеет обеспечение точности и достоверности результа-
тов моделирования. В частности, важное значение имеет вопрос о
выборе количества прогонов модели N в ходе машинного экспе-
римента. Количество прогонов N должно удовлетворять заданной
точности оценки величины M{Y,} и S2{У} по результатам машин-
ных экспериментов.
Для этого по уравнениям, приведенным в данной главе, вы-
числяется N раз значение функции:
(3.210)
чтобы выполнялось условие
(3.211)
1=0
где Ьо, ..., Ьк - математические ожидания коэффициентов имитаци-
онных моделей; RNDN, - нормально распределенное случайное
число с параметрами распределения (Ь, и 5’{р)}).
Результаты расчетов надежности технологического обеспече-
ния параметров качества поверхностного слоя деталей машин по
данной методике приведены в табл. 3.27 и 3.28.
Их анализ показывает, что высокой надежностью в обеспече-
нии параметров шероховатости и волнистости обладает тонкое
точение, в обеспечении макроотклонения - шлифование, физико-
механических свойств - методы ОУО ППД.
3.27. Надежность технологического обеспечения параметров качества поверхностного слоя
прн обработке наружных цилиндрических поверхностей деталей
из конструкционных сталей
Метод обработки	Относи- тельное отклонение ±8У	Ra	Rz	^max	Лр	Sm	tm	Wz	Sm„	^max	Яц0	Ац	^ост	Ae
Круглое шлифова-	0,1	0,15	0,10	0,07	0,08	0,05	0,12	0,07	0,03	0,15	0,15	0,10	0,25	0,18
ние	0,25	0,35	0,25	0,12	0,12	0,15	0,30	0,18	0,10	0,30	0,35	0,30	0,45	0,40
	0,5	0,55	0,40	0,22	0,22	0,28	0,60	0,35	0,18	0,50	0,55	0,55	0,65	0,62
	0,7	0,75	0,55	0,35	0,35	0,70	0,95	0,60	0,35	0,75	0,75	0,75	0,85	0,80
	0,9	0,85	0,75	0,55	0,65	0,95	1,00	0,85	0,55	0,90	0,95	0,90	0,98	0,94
Тонкое точение	0,1	0,55	0,50	0,45	0,45	0,45	0,92	0,18	0,20	0,10	0,10	0,08	0,30	0,20
	0,25	0,85	0,82	0,80	0,80	0,80	0,99	0,40	0,40	0,30	0,30	0,25	0,55	0,40
	0,5	0,98	0,96	0,95	0,95	0,98	1,00	0,80	0,80	0,30	0,55	0,50	0,75	0,68
	0,7	1,00	0,99	0,98	0,98	1,00	1,00	0,90	0,88	0,50	0,75	0,75	0,90	0,85
	0,9	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	0,95	0,92	0,75	0,90	0,88	0,99	0,95
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Продолжение табл. 3.27
Метод обработки	Относи- тельное отклонение ±8У	Ra	Rz	^max	Rp	Sm	tm	Wz	SmK	^Zmax	Яц0	Ац	^ост	Ao
Алмазное	о,1	0,22	0,20	0,18	0,18	0,28	0,66	0,10	0,12	0,12	0,25	0,20	0,60	0,35
выглажи-	0,25	0,50	0,45	0,35	0,35	0,65	0,95	0,25	0,28	0,25	0,50	0,45	0,80	0,60
ванне	0,5	0,80	0,78	0,75	0,75	0,90	1,00	0,45	0,55	0,45	0,72	0,70	0,90	0,80
	0,7	0,90	0,90	0,85	0,90	0,95	1,00	0,85	0,90	0,55	0,90	0,90	0,98	0,97
	0,9	0,95	0,95	0,9	0,95	0,99	1,00	0,90	0,92	0,70	0,99	0,98	1,00	1,00
Электро-	0,1	0,40	0,36	0,25	0,35	0,50	0,90	0,20	0,22	0,10	0,16	0,05	0,50	0,30
механичес-	0,25	0,80	0,78	0,55	0,75	0,75	0,96	0,50	0,48	0,35	0,55	0,25	0,95	0,70
кая обра-														
ботка:	0,5	0,90	0,88	0,75	0,85	0,98	0,90	0,70	0,68	0,52	0,90	0,70	0,99	0,95
после	0,7	0,99	0,98	0,90	0,95	1,00	1,00	0,85	0,84	0,66	0,95	0,80	1,00	0,98
точения	0,9	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	0,98	0,95	.0,76	0,98	0,90	1,00	0,99
после	0,1	0,25	0,24	0,15	0,24	0,10	0,20	0,12	0,08	0,16	0,30	0,10	0,70	0,35
шлифо-	0,25	0,60	0,58	0,45	0,58	0,40	0,50	0,45	0,25	0,45	0,75	0,35	0,96	0,75
вания														
	0,5	0,90	0,86	0,65	0,85	0,70	0,75	0,68	0,45	0,65	0,95	0,80	0,99	0,95
	0,7	0,99	0,96	0,80	0,95	0,92	0,98	0,82	0,62	0,80	0,98	0,90	1,00	0,99
	0,9	1,00	1,00	0,90	1,00	0,98	1,00	0,92	0,75	0,90	0,99	0,95	1,00	1,00
ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
3.28. Надежность технологического обеспечения параметров качества поверхностного слоя
при обработке плоских поверхностей деталей из различных материалов
Метод обработки	Материал детали	Относи- тельное отклонение ±8У	Ra	Rz	^max	Др	Sm	tm	Wz	SmK	^Anax	Ямо	Лц	Фост	ha
Круглое	20Х	о,1	0,35	0,30	0,18	0,20	0,12	0,60	0,15	0,05	0,18	0,14	0,12	0,22	0,16
шлифова-		0,25	0,78	0,60	0,38	0,45	0,48	0,96	0,30	0,15	0,30	0,25	0,24	0,40	0,35
ние		0,5	0,98	0,90	0,67	0,75	0,80	0,99	0,55	0,32	0,65	0,55	0,50	0,64	0,60
	12ХНЗА	0,1	0,20	0,18	0,12	0,15	0,39	0,77	0,14	0,04	0,15	0,12	0,10	0,20	0,14
		0,25	0,52	0,40	0,33	0,35	0,80	0,99	0,28	0,15	0,30	0,22	0,22	0,36	0,35
		0,5	0,84	0,78	0,66	0,70	0,98	1,00	0,52	0,30	0,60	0,50	0,48	0,60	0,55
Накатыва-	СЧ20	0,1	0,30	0,20	0,15	0,24	0,20	0,35	0,50	0,10	0,08	0,05	0,05	—	—
ние		0,25	0,68	0,45	0,35	0,55	0,45	0,60	0,90	0,25	0,18	0,13	0,10	—	—
		0,5	0,94	0,80	0,70	0,86	0,75	0,95	0,99	0,54	0,40	0,25	0,22	—	—
	40Х	0,1	0,65	0,28	0,20	0,29	0,28	0,65	0,50	0,14	0,10	0,80	0,35	0,45	0,30
		0,25	0,97	0,48	0,45	0,66	0,55	0,95	0,90	0,30	0,25	0,95	0,50	0,60	0,50
		0,5	1,00	0,85	0,80	0,92	0,95	1,00	1,00	0,60	0,45	1,00	0,85	0,86	0,80
Виброна-	СЧ20	0,1	0,19	0,16	0,10	0,15	0,25	0,45	0,15	0,10	0,08	0,10	0,08	—	—
катывание		0,25	0,45	0,40	0,25	0,38	0,45	0,60	0,37	0,25	0,20	0,15	0,14	—	—
		0,5	0,78	0,76	0,55	0,75	0,80	0,95	0,68	0,55	0,42	0,30	0,28	—	—
	40Х	0,1	0,22	0,21	0,15	0,21	0,30	0,68	0,16	0,15	0,12	0,90	0,25	0,40	0,35
		0,25	0,51	0,50	0,35	0,50	0,50	0,75	0,37	0,30	0,20	0,96	0,45	0,55	0,50
		0,5	0,83	0,82	0,65	0,82	0,96	1,00	0,70	0,60	0,45	1,00	0,88	0,88	0,85
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ СОЗДАНИЕ ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ КАЧЕСТВА 303
3.5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ СОЗДАНИЕ ЗАКОНОМЕРНО
ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ КАЧЕСТВА
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
Некоторые детали машин (чашки дифференциалов, кулачки
распредвалов, гильзы, цилиндры, направляющие станков, желез-
нодорожные колеса и др.) исходя из своего функционального на-
значения должны иметь закономерное изменение качества рабочих
поверхностей.
Широкими возможностями в закономерном изменении мак-
роотклонения, волнистости и шероховатости обрабатываемой по-
верхности обладают станки с ЧПУ, на которых достаточно просто
обеспечивается запрограммированное изменение режимов.
Из методов обработки следует выделить ОУО ППД.
Так, В.П. Федоровым предложен программный метод образо-
вания микрорельефа при вибронакатывании на станках с ЧПУ. Его
сущность заключается в программировании траектории движения
центра инструмента с единичным индентором. Этот метод позво-
ляет реализовать как новые типы микрорельефов, так и любой за-
кон их изменения.
Например, для создания синусоидального регулярного микро-
рельефа (рис. 3.23, а) программно обеспечивается следующая тра-
ектория движения индентора относительно обрабатываемой по-
верхности:
Y = Ai sin
—У1+0-1)ДФ
7i
+ ДУ;
(3.212)
У = Л| sin sin — У| + (; - 1)Дф +ДУ.
(3.213)
Параметры At, Т, ДУ, входящие в уравнения (3.212) и (3.213),
рассчитываются системой ЧПУ в процессе обработки по исход-
ным данным L, В, I, N, к, к\, i, г, Дф (см. рис. 3.23), которые вводят-
ся при обработке.
304
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Рис. 3.23. Регулярный синусоидальный (а) и квазирегулярный
синусоидальный (б) микрорельеф при
вибронакатывании на станках с ЧПУ
Данный метод позволяет реализовать принципиально новый
класс микрорельефа - стохастический и любой закон его измене-
ния. Кроме того, имеется возможность в узких пределах управлять
и параметрами физико-механических свойств обрабатываемой по-
верхности.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ СОЗДАНИЕ ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ КАЧЕСТВА 305
Более широкими возможностями в управлении закономерным
изменением физико-механических свойств поверхностного слоя
обрабатываемой детали обладает электромеханическая обработка
(ЭМО) за счет возможности автоматизированного изменения силы
тока. При решении этой задачи положение рабочего ролика отно-
сительно обрабатываемой поверхности контролируется датчиком.
Сигнал от этого датчика в зависимости от заданного закона изме-
нения силы тока преобразуется в сигнал управления и подается на
установку ЭМО (рис. 3.24). Данная автоматизированная система
закономерного изменения силы тока может быть жесткой, быстро-
перенастраиваемой и гибкой. В жесткой системе в качестве про-
граммоносителя может быть использован копир (рис. 3.25), в быс-
троперенастраиваемой - постоянное запоминающее устройство
(ПЗУ) (рис. 3.26). При использовании ПЗУ функции разработки
управляющей программы и ее реализации в управляющие напря-
жения в процессе обработки детали разделены.
На первом этапе на ЭВМ разрабатывается управляющая про-
грамма на конкретную деталь или группу деталей, имеющих оди-
наковый профиль и закон изменения качества поверхностного
слоя. Эта программа записывается в ПЗУ. Таким образом, ПЗУ
Рис. 3.24. Автоматизированная система с закономерным
изменением силы тока при ЭМО
306
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Рис. 3.25. Жесткая автоматизированная система ЭМО
с копиром
Рис. 3.26. Быстроперенастраиваемая автоматизированная
система ЭМО с ПЗУ
хранит в себе закон изменения силы тока в зависимости от пере-
мещения инструмента, т.е. по каждому адресу ПЗУ хранится кон-
кретное значение силы тока.
На втором этапе при ЭМО детали используется ПЗУ. Сигнал
от датчиков движения или (и) таймера поступает в блок формиро-
вания сигнала управления, который запрашивает в ПЗУ значение
силы тока, соответствующее данному положению рабочего ролика
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ СОЗДАНИЕ ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ КАЧЕСТВА 307
относительно обрабатываемой поверхности. Это значение с помо-
щью микроконтроллера преобразуется в управляющее напряжение
для установки ЭМО.
Для обработки детали по другому закону изменения силы тока
необходимо заменить ПЗУ.
Использование копира может оказаться эффективным в круп-
носерийном и массовом производствах, ПЗУ - в средне- и крупно-
серийном производствах. При использовании копира датчики
движения в зависимости от его положения вырабатывают сигнал,
по которому микроконтроллер подает сигнал на установку ЭМО и
через напряжение изменяет рабочую силу тока.
Схема гибкой автоматизированной системы управления силой
тока при ЭМО приведена на рис. 3.27. Управление в этой системе
осуществляется через ЭВМ.
Система датчиков представляет набор контрольных датчиков,
позволяющих формировать сигнал положения инструмента отно-
сительно обрабатываемой поверхности детали. Это могут быть
датчики линейного перемещения обрабатывающего ролика, дат-
чик начальной точки обработки, датчик запуска ЭМО, датчик час-
тоты вращения шпинделя и др.
Система датчиков может отсутствовать. Тогда положение ин-
струмента относительно обрабатываемой поверхности будет опре-
деляться его первоначальным положением, подачей и временем.
В этом случае сигнал управления является функцией времени.
Рис. 3.27. Гибкая автоматизированная система
308
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
Аналого-цифровой преобразователь АЦП предназначен для
приема сигналов от датчиков и аналогового преобразования в
цифровую форму и передачи в ЭВМ. ЭВМ обрабатывает цифро-
вые сигналы и в соответствии с программой определяет значение
рабочей силы тока, которое в цифровом виде подается на цифро-
аналоговый преобразователь ЦАП, преобразующий цифровой сиг-
нал в сигнал управления стойкой ЭМО, т.е. ЦАП формирует
управляющее напряжение, соответствующее заданной силе тока.
Установка ЭМО обеспечивает рабочую силу тока, необходи-
мую для данного участка обрабатываемой поверхности детали.
Закон изменения силы тока в зависимости от участков обрабаты-
ваемой поверхности детали может быть заранее задан и храниться
в ЭВМ или вычисляться по соответствующей заданной программе.
Во втором случае в ЭВМ должна вводиться информация о детали,
для которой расчетный модуль в соответствии с программой уста-
новит зависимость силы тока от местоположения инструмента от-
носительно обрабатываемой поверхности детали.
Данная система является универсальной, быстропереналажи-
ваемой и с успехом может использоваться в мелкосерийном и се-
рийном производствах.
Это говорит о том, что в настоящее время имеются широкие
возможности для повышения долговечности деталей машин за
счет автоматизированного технологического обеспечения законо-
мерно изменяющегося качества обрабатываемой поверхности
детали.
Таким образом, результаты, приведенные в данной главе, убе-
дительно показывают, что наука о технологии машиностроения
накопила богатейший материал по повышению качества поверх-
ностного слоя деталей машин как с помощью существующих тра-
диционных механических методов обработки, так и за счет их со-
вершенствования и целенаправленной разработки новых техноло-
гических методов.
Глава 4
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ
ДЕТАЛЕЙ МАШИН И ИХ СОЕДИНЕНИЙ
4.1. ИЗМЕНЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
ДЕТАЛЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
В процессе эксплуатации рабочие поверхности деталей ма-
шин, так же как и при изготовлении, испытывают воздействие ок-
ружающей среды, силовых и температурных факторов. Если это
воздействие значительно отличается от их воздействия при фи-
нишной обработке, то совершенно очевидно, что будет происхо-
дить изменение качества поверхностного слоя деталей, т.е. по-
верхность будет адаптироваться к условиям эксплуатации, что
может привести к значительному уменьшению долговечности.
Так, технологические остаточные напряжения растяжения при
растяжении деталей будут налагаться на действующие эксплуата-
ционные напряжения и уменьшать их допустимую величину.
Сжимающие же остаточные напряжения наоборот будут увеличи-
вать допустимые эксплуатационные напряжения растяжения.
Значительные изменения качества поверхностного слоя дета-
лей происходят при их контактном взаимодействии. Так, при нор-
мальном нагружении контактирующих поверхностей выступы ше-
роховатости, первыми вступившие в контакт, пластически сде-
формируются на величину, которая может быть рассчитана по
формуле
Г 100#	Л
Упл .в.ш "" АРисх I , . о
\ ^с^тиск *мисх®т 7
(4.1)
где /?рисх - высота сглаживания исходной шероховатости, всту-
310 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
пившей в контакт; N - нагрузка на контактирующие поверхности;
Ас - контурная площадь контактирующих деталей; Лиисх - относи-
тельная длина опорной поверхности на уровне средней линии для
исходной шероховатости; мисх - исходная степень наклепа контак-
тирующей поверхности; от - предел текучести контактирующей
детали; vHCX - параметр кривой опорной поверхности исходной ше-
роховатости.
Объем металла при пластическом деформировании неизмен-
ный, поэтому перед исследователями вставал вопрос, куда исчеза-
ет металл при пластических контактных деформациях микроне-
ровностей. Специально проведенные исследования по этому во-
просу позволили выдвинуть гипотезу, что пластически сдеформи-
рованный металл вершин микронеровностей по мере увеличения
фактического давления течет к их основанию и впадинам. Встре-
чаясь с аналогичными волнами пластически сдеформированного
металла соседних микронеровностей, они приподнимают их впа-
дины (рис. 4.1). Тщательно проведенные эксперименты по измене-
нию профиля шероховатости до и после пластических деформаций
Рис. 4.1. Схема переформирования шероховатости при ее
пластическом деформировании:
1 - исходная шероховатость; 2 - шероховатость после пластического
деформирования
ИЗМЕНЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ 311
Рис. 4.2. Изменение профиля шероховатости
при пластическом деформировании:
а - исходный профиль; б - профиль после пластического деформирова-
ния (Я?исх = 20 мкм, Rz-жп = 14 мкм, у|1Л.в.ш = 3 мкм, вертикальное увеличе-
ние ВУ = 1000, горизонтальное увеличение ГУ = 50)
(рис. 4.2) убедительно подтвердили эту гипотезу. Эти исследова-
ния одновременно дали ответ на вопросы: куда исчезает металл и
почему высота микронеровностей при их пластической деформа-
ции уменьшается на большую величину, чем у„л в ш. Исходя из ра-
венства объема металла до и после пластического деформирования
это уменьшение будет Зупл в ш (см. рис. 4.1):
^Rz 2уплвш.
Шероховатость поверхности, не вступившей в контакт, есте-
ственно, остается без изменения. Таким образом, шероховатость
контактирующих поверхностей будет находиться в диапазоне от
•^^эксп ~ R^wx 2упл в ш ДО RzmK.
Зависимость изменения шероховатости от давления за счет
пластических деформаций при контактировании наглядно прояв-
ляется при вдавливании сферического индентора (d = 6 мм) в ше-
роховатую поверхность (рис. 4.3). Наряду с шероховатостью та-
ким же изменениям будет подвержена и волнистость контакти-
312 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
I	и
а)	а)
б)	б)
Рис. 4.3. Изменение шероховатости при
пластическом деформировании:
I-RaMX = 1,0 мкм; II- Ramx = 2,0 мкм;
а-Р= 10 Н; б-Р= 100 Н;в-Р = 250Н
рующих поверхностей. Дальнейшее увеличение контактных дав-
лений приводит к распространению зоны пластических деформа-
ций на волны и к их основанию, а следовательно, и к уменьшению
их высоты на 2упл.в.в-
Величина Зупяд., может быть рассчитана по формуле
Упл.в.в
XWNRp^Wz^
6Аа(тИсхиИСХ<Уг
1
Vhcx+2
(4.2)
где WzHai - исходная средняя высота волн; Аа - номинальная пло-
щадь контакта.
Аналогично шероховатости высота волн контактирующих по-
верхностей будет находиться в диапазоне от Wz3KC„ = WzHCX - 2упл.в.в
до Wz^.
ИЗМЕНЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ 313

Рис. 4.4. Изменение профиля единичной волны в процессе
пластических деформаций (RB = 9 мм; Р = 450 Н; ВУ = 500х;
ГУ = 100х): 1 - исходный профиль волны;
2 - пластически ^сформированный профиль волны
Экспериментально уменьшение высоты волн за счет не только
пластических деформаций шероховатости, но и собственных пла-
стических деформаций наглядно обнаруживается при контактиро-
вании единичной сферической шероховатой волны с гладкой по-
верхностью (рис. 4.4).
Уменьшение макроотклонения контактирующей поверхности
составит
1
Упл.м
100Wz2 я* исх
ИСА IlVA UldAnvA
VHCX “*"4
-^^исх^исх^
(4.3)
где А - геометрическая площадь контакта; Исх - исходная ве-
личина макроотклонения.
При одновременном приложении нормальной и касательной
нагрузок к контактирующим поверхностям величина пластических
деформаций шероховатости, волнистости и макроотклонения мо-
жет быть рассчитана по формуле:
У пл.ш.ск
(у ПЛ.В.СК ’ У пл.м.ск
) ^2^/1 + f 1^Упл.ш(УпЛ.В’УпЛ.м)> (4.4)
где f- коэффициент трения контактирующих поверхностей.
Приложение дополнительной вибрационной нагрузки к кон-
тактирующим поверхностям вызывает дополнительное уменьше-
314 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
ние их исходной шероховатости, волнистости и макроотклонения
на величину
/ т x"h/k
Упл=кт- .	(4.5)
\J НВ 7
где Т - текущее время с момента действия вибраций; Т!1Н - время
испытания на твердость по Бринеллю; т\ определяется по форму-
ле (3.35); к = vHCX - для шероховатости; к = vHCX + 2 - для волнисто-
сти; к = уисх + 4 - для макроотклонения.
Так как фактическая площадь контакта составляет малую
часть по сравнению с геометрической, то на ее участках возника-
ют высокие давления, вызывающие их пластические деформации
и упрочнение. Вследствие этого, очевидно, микротвердость кон-
тактирующих поверхностей будет изменяться от ее исходного зна-
чения Яцисх (для участков, не вступивших в контакт) до пластиче-
ской твердости HD, при которой выступы неровностей, первыми
вступившие в контакт, достигают своего пластического насыще-
ния. Особенно сильно проявляется изменение качества поверхно-
стного слоя деталей при трении и изнашивании.
Исследователи, занимающиеся вопросами трения и изнаши-
вания, установили, что в период приработки шероховатость по-
верхности трения претерпевает значительные изменения. Одним
из основных условий завершения процесса приработки было при-
нято считать переход исходной технологической шероховатости к
эксплуатационной. М.М. Хрущев и П.Е. Дьяченко эксперимен-
тально показали, что по окончании приработки на поверхности
трения формируется шероховатость, не зависящая от исходной,
полученной при механической обработке, а зависящая только от
условий изнашивания. Эта шероховатость является оптимальной
для данной пары и условий трения и обеспечивает минимальное
изнашивание. Она может быть как меньше, так и больше исходной
(рис. 4.5). И.В. Крагельский и В.С. Комбалов для шероховатости,
сформировавшейся в процессе приработки, ввели понятие «равно-
ИЗМЕНЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ 315
Рис. 4.5. Изменение шероховатости поверхности трения
при изнашивании:
1 - 7?гисх = 5,4 мкм; 2 - 7?гисх = 0,5 мкм
весная шероховатость» и предложили безразмерный комплексный
параметр ее оценки
Ь = R^l(rb'lv\	(4.6)
где 7?тах - максимальная высота шероховатости; г - радиус скруг-
ления вершин микронеровностей; vh Ь- параметры опорной кри-
вой.
Процесс формирования равновесной шероховатости поверх-
ности трения схематически представлен на рис. 4.6. Слева показан
износ идеально гладкой поверхности, приводящей к схватыванию
и вырыву частиц материала, возникновению шероховатости и по-
степенному ее переходу к равновесной; справа - износ поверхно-
сти трения, имеющей большую шероховатость, приводящую к
микрорезанию, ее уменьшению и переходу к равновесной; посере-
дине - износ поверхности с исходной шероховатостью, близкой к
равновесной.
316 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Рис. 4.6. Схематическое представление формирования равновесной
шероховатости:
/-зона схватывания; //-зона преимущественно молекулярного износа;
///- оптимальная зона молекулярно-кинетического износа; IV - зона
преимущественно механического износа; V- зона микрорезания
Среднее арифметическое значение профиля равновесной ше-
роховатости, сформировавшейся на поверхности трения после
приработки, можно рассчитать по формуле (при v = 2):
Ra = 32
\5/4
О.,. ,
чл/ р /
-1/2
03/4p-V2
(4.7)
где та - адгезионное свойство материала поверхности трения; аг -
коэффициент гистерезисных потерь при скольжении, аг = 2,2а,
(а - коэффициент гистерезисных потерь для материала при одно-
ИЗМЕНЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ 317
осном растяжении-сжатии); ® - постоянная физико-механических
свойств материала, 0 = (1 - ц2 )/е ; рс - контурное давление.
Безразмерный комплексный параметр равновесной шерохова-
тости определяется из уравнения
/	\5/4
д=1б -Ь. 03/4р;|/2.	(4.8)
J
В период стационарного изнашивания равновесная шерохова-
тость воспроизводится на всем последующем процессе нормаль-
ной работы пары тренця. Все это позволило некоторым исследова-
телям сделать вывод, что технология обработки поверхности тре-
ния не оказывает влияния на ее долговечность. Но совершенно
очевидно, что чем больше исходная шероховатость поверхности
трения отличается от оптимальной, тем больше будет износ в пе-
риод приработки, а следовательно, тем меньше долговечность па-
ры трения (рис. 4.7). Это говорит о том, что технология обработки
поверхности трения оказывает значительное влияние на ее долго-
вечность, а также указывает на необоснованность стремления кон-
структоров к завышению требований к шероховатости рабочих
поверхностей трения деталей машин.
Рис. 4.7. Взаимосвязь долговечности поверхности трения
с ее исходной шероховатостью
318 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Наряду с шероховатостью в процессе приработки претерпе-
вают изменения и другие параметры поверхности трения: макро-
отклонение, волнистость и физико-механические свойства. Вели-
чина макроотклонения при изнашивании будет постоянно умень-
шаться за счет износа контактирующих участков. Волнистость по-
верхности трения в зависимости от условий изнашивания и ее ис-
ходного значения в процессе приработки будет изменяться анало-
гично шероховатости. Малые волны при больших нагрузках могут
вызвать «пленочное голодание», схватывание и вырывы значи-
тельных объемов, т.е. их увеличение. К увеличению волн приводят
вибрации в узлах трения. При большой исходной волнистости
происходит ее вершинный износ и уменьшение.
Изменению физико-механических свойств поверхностных
слоев при трении посвящены работы Б.И. Костецкого, И.М. Лю-
барского, Н.А. Буше.
Анализ физико-химических процессов, протекающих на по-
верхностях трения в период приработки, позволил Б.И. Костецко-
му установить, что происходит образование вторичных структур.
И.М. Любарский показал, что для сталей, имеющих гетерогенное
строение, структурные изменения в процессе приработки приводят
к образованию особого слоя, определяющего износостойкость ма-
териала. Н.А. Буше в своих работах также подтверждает процесс
структурных изменений в поверхностном слое деталей при тре-
нии. Эти структурные изменения зависят как от материалов кон-
тактирующих деталей, так и от условий трения. Это позволило ему
научно подойти к выбору материала деталей для различных узлов
трения.
Следует отметить, что процесс изменения макроотклонения,
волнистости, шероховатости и физико-механических свойств по-
верхностей трения в процессе приработки будет взаимосвязанным.
Уменьшение макроотклонения и волнистости будет приводить к
увеличению номинальной и контурной площадей контакта и числа
контактирующих микронеровностей и постепенному переходу
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 319
контактных пластических деформаций к упругим, т.е. к измене-
нию физико-механических свойств поверхностей трения. Очевид-
но, что значение формируемой равновесной шероховатости будет
зависеть от других параметров поверхности трения, в частности
макроотклонения, волнистости и физико-механических свойств.
Все это позволило сформулировать понятие «равновесное состоя-
ние поверхности трения» и предложить комплексный параметр
для его оценки.
Уравнение для расчета оптимального значения этого ком-
плексного параметра поверхности трения имеет следующий вид:
MdaV)1''2'
(4.9)
где I - допустимая интенсивность изнашивания поверхностного
слоя детали; % - коэффициент; п - число циклов воздействия, ко-
торое приводит к разрушению материала; р - нормальное давле-
ние на поверхности трения.
Все это говорит о том, что в процессе эксплуатации происхо-
дит взаимосвязанное изменение параметров качества поверхност-
ного слоя деталей машин и только технологическое обеспечение
оптимального значения комплексного параметра позволяет в зна-
чительной мере повысить их долговечность.
4.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ
ДЕТАЛЕЙ МАШИН И ИХ СОЕДИНЕНИЙ
В настоящее время решение проблемы обеспечения эксплуа-
тационных свойств деталей машин и соединений сводится к реше-
нию двух задач:
1) задачи конструктора по выбору материала деталей, опреде-
лению их размеров, точности и параметров качества поверхност-
ного слоя, обеспечивающих необходимые эксплуатационные
свойства исходя из их функционального назначения;
320 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
2) задачи технолога по технологическому обеспечению точно-
сти размеров и параметров качества поверхностного слоя деталей,
назначенных конструктором.
Структурные схемы решения задач конструктора и технолога
приведены соответственно на рис. 4.8 и 3.16. Их анализ убеди-
тельно показывает на необходимость объединения этих задач.
ЭВМ
Рис. 4.8. Структурная схема выбора конструктором материалов,
размеров, точности и параметров состояния рабочих поверхностей
деталей машин
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
321
ЭВМ
Рис. 4.9. Структурная схема одноступенчатого решения задачи
обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин и
их соединений
11 — 6780
322 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Конструктор практически не может определить оптимальное соче-
тание параметров качества поверхностного слоя деталей, в частно-
сти параметров шероховатости Ra, Sm и tp при необходимости
обеспечения износостойкости, так как десятки вариантов могут
обеспечивать одинаковую интенсивность изнашивания. Опти-
мальным будет то сочетание, которое обеспечивается с наимень-
шей технической себестоимостью (блок 6 на рис. 4.8), что является
уже задачей технолога (см. рис. 3.16). Это привело к появлению но-
вого научного направления в технологии машиностроения - техно-
логическому обеспечению эксплуатационных свойств деталей ма-
шин и их соединений.
Соответствующая ему структурная схема решения проблемы
приведена на рис. 4.9.
Возможность реализации данной схемы сдерживается из-за
отсутствия базы данных по блоку 4. В настоящее время имеются
экспериментальные данные взаимосвязи эксплуатационных
свойств деталей машин непосредственно с условиями их обработ-
ки и предпринимаются попытки теоретически описать эту взаимо-
связь. Эти попытки реализуются по двум направлениям:
1) методом подстановки теоретических зависимостей по рас-
чету параметров качества поверхностного слоя деталей с условия-
ми их обработки в теоретические уравнения эксплуатационных
свойств;
2) на основе единства процессов силового, температурного и
химического воздействий на деталь как при ее изготовлении, так и
при эксплуатации.
Технологическое обеспечение контактной жесткости1
Возможности самых распространенных методов обработки в
обеспечении контактной жесткости наружных и внутренних по-
верхностей вращения приведены в табл. 4.1.
1 По результатам исследований А.Е. Захарова.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
323
4.1. Возможности методов обработки в обеспечении
нормальной контактной жесткости поверхностей
Методы обработки	Контактная жесткость поверхности			
	с учетом только шероховатости		с учетом шероховатости и волнистости	
	у’ь Па/мкм	уп, Па/мкм	у‘ь Па/мкм	уп, Па/мкм
Наружные поверхности вращения				
Точение:				
черновое	0,24-19,74	0,43-41,1	0,15-11,6	0,38-27,63
получистое	1,79-35,38	4,98-63,18	0,67-27,93	1,5-54,42
чистовое	4,41-41,6	17,18-78,51	1,72-32,76	9,01-58,98
Круглое шлифование:				
черновое	17,35-51,91	42,35-103,55	13,32-45,35	33,78-89,79
получистое	22,4-57,37	59,73-122,91	17,15-48,73	45,63-100,34
чистовое	33,73-65,89	78,08-137,94	24,35-58,94	63,18-125,74
Внутренние поверхности вращения				
Растачивание:				
черновое	0,11-12,97	0,27-29,43	0,05-9,94	0,17-22,79
получистое	1,58-43,78	4,97-81,92	0,79-33,49	1,91-65,91
чистовое	5,09-51,04	19,06-101,72	4,1-38,96	13,25-83,85
Внутреннее шлифование:				
черновое	18,17-50,29	45,19-103,89	14,21-44,73	37,72-89,11
получистое	26,94-53,74	65,5-116,34	19,17-45,78	41,42-97,52
чистовое	35,93-61,67	76,01-129,25	28,45-56,76	70,52-116,16
Взаимосвязь контактной жесткости деталей с режимами обра-
ботки описывается следующими эмпирическими уравнениями:
и*
324 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Чистовое наружное точение:
1)	с учетом только шероховатости
.,0,29 rrnl,2
у, = 0,004—^
.	яв°>82.
гп 0,3 5 0 33 ,
О
2)	с учетом шероховатости и волнистости
„0,34 MR Г45
,•=0.00041-™-;
Л*
V0’39 /7Л1’02
А =0.0121™
Данные уравнения адекватно описывают
ср = 45°, ф1 = 45°, t = I мм, Т15К6, г0 = I мм, s -
v = 80 ... 180 м/мин,НВ= 105 ... 290.
Круглое чистовое шлифование:
3)	с учетом только шероховатости
ЯД0’37 .
h 1 1,4 „0,18-0,24 ’
S Z
. =	яд0,35 .
Уп ZJ’/ 0,130,17 ’
s z
4)	с учетом шероховатости и волнистости
/ -718 Я2?0’41 
/,1в 0,36 0,32 ’
о %
(4.Ю)
(4.И)
(4-12)
(4-13)
взаимосвязь при
0,1 ... 0,4 мм/об,
(4.14)
(4.15)
(4.16)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
325
17^0,34
Jn = 18’4 0 27 0,19 •	(4-17)
5 Z
Эти зависимости адекватны при s = (0,2 ... 0,3)2?, z = 10 ... 25,
НВ= 105 ... 290,/ = 0,005 mm,v = 30 ... 35 м/сек.
Аналогичный характер имеют и эмпирические уравнения для
расчета контактной жесткости при растачивании, фрезеровании,
внутреннем и плоском шлифовании поверхностей деталей.
Их анализ показал, что условия обработки обладают доста-
точно широкими возможностями в управлении контактной жест-
костью деталей машин.
Технологическое обеспечение износостойкости
Вопросам технологического обеспечения износостойкости де-
талей машин посвящено большое число научных работ. Почти ка-
ждая из них имеет свою методику испытаний, что затрудняет их
систематизацию и практически не позволяет равнозначно устано-
вить возможности различных методов обработки деталей в обес-
печении их износостойкости. Ниже приводятся эксперименталь-
ные данные о взаимосвязи износостойкости образцов, поверхности
трения которых обработаны различными методами.
Так, на рис. 4.10 приведена зависимость износа образцов из
закаленной стали от пути трения для различных методов их окон-
чательной обработки.
Для образцов из серого чугуна СЧ21, обработанных различ-
ными методами, кривые износа имеют различный характер.
Кривые 1 — 3 соответствуют трению по чугуну СЧ21, а 4 - 6 -
трению по молибденовому покрытию.
Наряду с методами обработки значительное влияние на изно-
состойкость поверхности трения деталей оказывают условия обра-
ботки внутри каждого метода. Так, на рис. 4.12-4.14 приведены
кривые износа плунжерных бронзовых втулок при различных ус-
ловиях хонингования.
326 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Рис. 4.10. Зависимость износа образцов от пути трения
в процессе приработки для различных методов окончательной
обработки для закаленной стали:
1 - алмазное шлифование; 2 - притирка алмазными пастами; 3 - накатка;
Рис. 4.11. Зависимость величины износа чугунных образцов
в процессе приработки от пути трения и метода их обработки:
1,4- шлифование периферией круга; 2,5- шлифование торцом эльборо-
вого круга; 3, 6 - суперфиниш алмазным бруском
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
327
Рис. 4.12. Зависимость износа от продолжительности
испытаний втулок:
I- = 4,5 м/мин; //- уд = 9,1 м/мин;
III— уд = 16 м/мин; IV- уд = 56,5 м/мин
Рис. 4.13. Зависимость износа бронзовых втулок от
продолжительности испытаний при различном времени финишной
обработки брусками АСМ28/20-Р11/Р9:
I - i = 2 дв.хода; II -i = 4 дв.хода; III -i = 6 дв.ходов; IV- i = 8 дв.ходов;
328 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Рис. 4.14. Зависимость износа плунжерных пар (втулки) ротора,
обработанных брусками АСМ28/20-Р11/Р9 (/, II, IV),
АС450/40-Р11/Р9 (II) и АС480/63- Р11/Р9 (IV, V, VII, VIII)
от продолжительности испытаний:
1-1= 10 дв.ходов; II-уд = 56,5 м/мин; III-1= 8 дв.ходов;
IV- vA = 4,5 м/мин; V-1 = 6 дв.ходов; VI-1=4 дв.хода;
И//- уд = 36 м/мин; VIII-уд = 16 м/мин
Анализ этих рисунков показывает, что условия обработки по-
зволяют в 2 - 5 раз изменять износ деталей в процессе их прира-
ботки. Эмпирические уравнения, описывающие взаимосвязь весо-
вого износа плунжерных втулок (БрАЖ9-4) с режимами их хонин-
гования брусками (АС480/63-Р11/Р9), имеют следующий вид:
U = 48,42 - 1,2уд - 590,3v - 95,35 • 0,23/ - 2,83удv - 0,89уд -
-1,98 • 10~2 уд/ - 22,1уд5 + 4,75v/ + 2,35/ + 9,7 • 10^ v J +1971,Ov2 +
+ 146,25'2 + 0,62-IO"2/2,	(4.18)
Данное уравнение адекватно описывает процесс при уд =
= 4,55 ... 56,6 м/мин, v = 0,5 ... 6 м/мин, / = 20 ... 30 с, S= 0,05 ...
0,25 мкм/дв.ход.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
329
Зависимость скорости износа кулачков распредвалов от ре-
жимов их электромеханической обработки описывается следую-
щим эмпирическим уравнением:
U = 5,6 + 1,2v - 10'2 (0,32/ + 94р) мкм/ч (4.19)
где v - скорость обработки (1-5 м/мин); i - плотность тока (250 -
1000 А/мм2); р - рабочее давление (7,5 - 12,5 МПа).
Коррозионная стойкость
Результаты экспериментальных исследований коррозионной
стойкости образцов при различных методах их механической об-
работки приведены на рис. 4.15 и в табл. 4.2.
Рис. 4.15. Коррозионная стойкость образцов (сталь 45 HRC 30)
при различных методах их обработки:
1 - точение (Ra - 14,1 мкм; Sm = 0,5 мм; ми = 1>27); 2 - точение
(Ra = 3,9 мкм; Sm = 0,33 мм; ия = 1,24); 3 - точение (Ra = 2,2 мкм;
Sm = 0,15 мм; м„ = 1,17); 4 - точение (Ra = 1,2 мкм; Sm = 0,08 мм; «„ =
= 1,12); 5 - шлифование (Ra = 2,0 мкм; Sm = 0,05 мм; wH = 1,15); 6 - шли-
фование (Ra = 0,8 мкм; Sm = 0,05 мм; и„ = 1,18); 7- полирование после
точения (обр. 4) (Ra = 0,4 мкм; Sm = 0,08 мм; и„ = 1,12); 8 - полирование
после шлифования (обр. 6) (Ra = 0,33 мкм; Sm = 0,05 мм; ии = 1,18);
9 - полирование (Ra = 0,2 мкм; Sm = 0,05 мм; и„ = 1,02)
4.2. Коррозионная стойкость образцов (сталь 45, HRC 30 - 35)
Метод обработки	Параметры шероховатости по ГОСТ 2789-73					Степень наклепа Ин	Потеря в массе к, г/м2	Требования по ГОСТ 5212-74		
	Ra, мкм	Rp, МКМ	^шах> МКМ	tm, %	Sm, мм			Прони- цаемость, мм/год	Группа стойкости	Балл
Точение	12,5	46,0	81,0	40	0,150	1,12	6,25	0,00975	Весьма стойкие	3
	1,36	2,6	6,6	47	0,055	1,08	3,0	0,00468	Тоже	2
Шлифование	2,0	4,5	9,4	52	0,08	1,15	2,685	0,00419	Весьма стойкие	2
	0,24	0,6	1,18	54	0,033	1,18	2,312	0,00361	Тоже	2
Накатывание	1,05	3,96	8,6	53	0,061	1,40	7,375	0,0115	Стойкие	4
после	1,12	1,6	6,2	63	0,064	1,50	38,12	0,05947	Тоже	5
точения	6,2	11,2	25,3	55	0,151	1,45	9,0	0,01403	» »	5
	3,54	5,1	17,1	65	0,140	1,58	6,25	0,0975	Весьма стойкие	3
330 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.2
Метод обработки	Параметры шероховатости по ГОСТ 2789-73					Степень наклепа ын	Потеря в массе к, г/м2	Требования по ГОСТ 5212-74		
	Ra, мкм	&Р, МКМ	^тах, МКМ	tm, %	Sm, мм			Прони- цаемость, мм/год	Группа стойкости	Балл
Накатывание после	2,1	3,03	10,4	59	0,133	1,35	2,437	0,00380	Весьма стойкие	2
шлифования	1,25	4,1	7,6	52	0,144	1,63	7,625	0,01189	Стойкие	4
	0,17	0,28	0,82	65	0,036	1,30	7,437	0,01160	То же	4
	0,25	0,5	1,4	57	0,042	1,52	3,562	0,00556	Весьма стойкие	3
Магнитоаб- разивная	0,17	0,51	1,2	56	0,030	1,10	2,437	0,00380	Весьма стойкие	2
обработка	0,058	0,164	0,27	57	0,028	1,12	0,562	0,00088	Совер- шенно стойкие	1
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 33
332 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Анализ приведенных результатов убедительно показывает,
что за счет выбора только методов механической обработки можно
в значительной мере управлять коррозионной стойкостью деталей
машин.
Предел прочности
Прочность деталей машин, работающих при переменных на-
грузках, в значительной степени зависит от условий их обработки.
Так, на рис. 4.16 и в табл. 4.3 приведены данные проф. М.А. Ели-
заветина, убедительно подтверждающие это.
4.3. Влияние режимов резания и износа по задней поверхности
резца при обработке точением на выносливость
титанового сплава ВТ-2
Режимы резания и величина износа Л3 по задней грани резца	0.1 в кгс/мм2 при температуре, °C	
	20	400
Подача s в мм/об (при v = 30 м/мин, t - 1,5 мм,		
йз = 0):		
0,8	42	38
0,2	25	28
0,4	18	18,5
Глубина резания в мм (при v = 30 м/мин,		
5 = 0,2 мм/об, Л3 = 0):		
0,5	33	31
1,5	25	28
3,0	—	22
Износ по задней поверхности резца Д, в мкм		
(при v = 30 м/мин, s = 0,2 мм/об, t - 1,5 мм):		
0	25	28
0,2	33	30
0,5	33	32
0,8	30	33
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
333
Рис. 4.16. Влияние метода окончательной обработки поверхности
на предел выносливости стали различной прочности:
1 - полирование; 2 - шлифование; 3 - тонкое точение;
4 - грубое точение; 5 - наличие окалины
На рис. 4.16 по оси ординат отложены значения коэффициента
Р, характеризующие влияние метода обработки на предел вынос-
ливости в зависимости от предела прочности:
ст-1
где ctL] - предел выносливости образцов, обработанных данным
методом; а_( - предел выносливости тщательно отполированных
образцов.
Прочность посадок с натягом
Прочность посадок с натягом напрямую зависит от коэффи-
циента трения в соединении, который в значительной мере опре-
деляется по технологии сборки и обработки сопрягаемых поверх-
ностей (табл. 4.4)
334 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
4.4. Коэффициенты трения в соединении
Диаметр соедине- ния, мм	Материал, метод обработки		Коэффициент трения f
	втулки	вала	
Сборка с нагревом			
18	Стали 35,40 (220 НВ), развертывание	Стали 36,40(190/75), шлифование	0,37
30	Сталь 38ХС, улучшение (340 НВ)	Сталь 18Х2Н4МА, цементация и закалка (58-59 НЯСэ), шлифование Сталь 18Х2Н4МА (220 НВ), шлифование	0,30 0,45
48	Сталь 45, расточка	Сталь 45, накатка с последующим шлифованием	При t = 50°С /=0,31, при t = 20°С /=0,34
80	Сталь 40(190/75), шлифование	Чугун СЧ28 (210/75)	0,28
100	Сталь 30 (175 НВ), шлифование	Стали 30 (175 НВ), шлифование	0,23
140	Сталь 30 (175 НВ), шлифование	Сталь 30 (175 НВ), шлифование	0,35
150	Сталь 40, чистовое растачивание	Сталь 40, шлифование	0,25
Сборка с охлаждением			
18	Стали 35, 40 (220 НВ), развертыва- ние	Стали 35, 40(140/75), шлифование	0,25
40	Сталь 40 (190 Я»), шлифование	Бронза БрАЖ9-4 (140 НВ), шлифование	0,28
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
335
Продолжение табл. 4.4
Диаметр соедине- ния, мм	Материал, метод обработки		Коэффициент трения/
	втулки	вала	
50	Сталь 50, нормализация, развертывание	Сталь 50, чистое точение	0,35
50	Сталь 50, нормализация, шлифование	Бронза БрАЖ9-4 (140 НВ), шлифование	0,24
60	Сталь 40 (Ra = 5 мкм) Сталь 40 (Ra = 1,25 мкм)	Сталь 40 (Ra = 5 мкм) Сталь 40 (Ra = 2,5 мкм)	0,41 0,31
80	Сталь 40 (190 НВ)	Чугун СЧ28 (210 НВ)	0,21
90	Сталь 40, чистовое растачивание	Сталь 40, чистовое точение	0,42
100	Сталь 30, шлифование	Сталь 30, шлифование	0,29
140	Сталь 30, шлифование	Сталь 30, шлифование	0,37
Анализ этой таблицы показывает, что даже при одинаковой
точности соединений с натягом технологически можно изменять
их прочность почти в 2 раза.
Влияние условий механической обработки на эксплуатацион-
ные свойства деталей машин и их соединений приведено в
табл. 4.5 - 4.7.
Их анализ показывает, что при лезвийной обработке основ-
ными технологическими факторами, оказывающими влияние на
все эксплуатационные свойства, являются подача и жесткость тех-
нологической системы, при алмазно-абразивной обработке - пода-
ча и зернистость, при ОУО ППД - рабочее давление и приведен-
ный радиус инструмента.
336 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
4.5.	Влияние условий лезвийной обработки
на эксплуатационные свойства деталей машин и
их соединений
Технологиче- ские факторы	Контактная жесткость		Износостойкость	Коррозионная стойкость	Герметичность соединений	Статическая и усталостная прочность	Прочность посадок
	Первое нагружение	Повторное нагружение					
Подача	_*	_*	_*	_*	_ *	_*	_*
Скорость резания	+	4-	4-	4-	4-	4-	4-
Глубина резания	+	—	4-	_ *	—	+*	—
Углы в пла- не	—	—	—*	—	—	—	4-
Передний угол	4-	—	4-	_*	0	+*	0
Задний угол	—	4-	—	4-	0	—	0
Угол накло- на режущей кромки	4-	—	4-	_ *	0	4-	0
Радиус вер- шины	4-	4-	4-	—	4-	+*	0
Радиус скругления режущей кромки	4-	—	4-	_*	0	+♦	0
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
337
Продолжение табл. 4.5
Технологиче- ские факторы	Контактная жесткость		Износостойкость	Коррозионная стойкость	Герметичность соединений	Статическая и усталостная прочность	Прочность посадок
	Первое нагружение	Повторное нагружение					
Жесткость технологи- ческой сис- темы	+*	+*	+*	4-	4-*	4-	4-
сотс	+	+	4-	+*	4-	4-	0
Примечания. 1. Знак «+» означает, что увеличение или уменьше- ние данного технологического фактора (при неиз- менности остальных технологических факторов) способствует увеличению или уменьшению соот- ветствующего эксплуатационного свойства. 2.	Знак «-» означает, что увеличение или уменьше- ние данного технологического фактора (при неиз- менности остальных технологических факторов) способствует уменьшению или увеличению соот- ветствующего эксплуатационного свойства. 3.	Знак «0» означает, что увеличение или уменьше- ние данного технологического фактора (при неиз- менности остальных технологических факторов) не оказывает влияния на соответствующее эксплуата- ционное свойство. 4.	Знак «*» означает, что данный технологический фактор оказывает основное влияние на соответст- вующее эксплуатационное свойство.							
338 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
4.6.	Влияние условий алмазно-абразивной обработки
на эксплуатационные свойства деталей машин и
их соединений
Технологиче- ские факторы	Контактная жесткость		Износостойкость	Коррозионная стойкость	Герметичность соединений	Статическая и усталостная прочность	Прочность посадок
	Первое нагружение	Повторное нагружение					
Скорость резания	+	+	+	+	+	+	+
Круговая или линей- ная ско- рость дета- ли							
Подача							
Глубина резания	+	—	+	_♦ .	—	+	—
Зернистость			—♦			+♦	—
Концентра- ция	+	+	+♦	—	+	+	+
Число вы- хаживаний	+*		+*	+*	+♦	+	+
Жесткость технологи- ческой сис- темы						+	+
СОТС	+	+	+	+♦	+	+	0
Примечания. См. табл. 4.5.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
339
4.7.	Влияние условий ОУО Ш1Д
на эксплуатационные свойства деталей машин и
их соединений
Технологиче- ские факторы	Контактная жесткость		Износостойкость	Коррозионная стойкость	Герметичность соединений	Статическая и усталостная прочность	Прочность посадок
	Первое нагружение	Повторное нагружение					
Скорость	—	—	—	+	—		—
Подача	_♦		—♦	—	—		—
Рабочее давление	+*	+♦	+*	_♦	_♦	+♦	_ ♦
Число рабо- чих ходов	+	+	+♦	—	—	+*	+
Радиус ра- бочего ша- рика и ин- дентора	+♦	+*	+♦	+		+*	+
Диаметр рабочего ролика	+♦	+*	+*	+	+	+♦	+
Профиль- ный радиус ролика	+*	+*		+	+*	+♦	+
Задний угол вдавливания ролика	—	—	—	—	—	—	—
Жесткость технологи- ческой сис- темы	+	+	+	+	+	+	+
СОТС	+	+	+	+♦	+	+	0
Примечания. См, табл. 4.5.
340 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
4.3.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ
ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Широкими возможностями в повышении долговечности изде-
лий машиностроения обладает обработка пластическим деформи-
рованием. В зависимости от назначения методы пластического
деформирования можно разделить на три класса (рис. 4.17):
1)	ОУО ППД;
2)	формообразующая обработка пластическим деформирова-
нием;
3)	ОУО ПД.
К первому классу относятся все методы обработки заготовок,
связанные с пластическим деформированием только их поверхно-
стных слоев и практически не изменяющие исходную точность
размеров. Это накатывание, обкатывание, раскатывание, выглажи-
вание, виброобработка, динамическое упрочнение, электромеха-
ническая и комбинированная обработка различных поверхностей
деталей машин. Причем в зависимости от функционального назна-
чения изделия за счет изменения рабочего давления обработку
можно производить на отделочных, упрочняющих и промежуточ-
ных отделочно-упрочняющих режимах.
Отделочная обработка осуществляется при небольших рабо-
чих давлениях р < 1,5огт и позволяет улучшить несущую способ-
ность исходной шероховатости поверхности (увеличить Ло с 1 -
2 до 15-20 %). При этом особенно ярко проявляется технологиче-
ская наследственность. Упрочняющую обработку производят при
р > Зет, при этом значительно повышается степень (С7„ = 180 %) и
глубина упрочнения.
Обработка на промежуточных отделочно-упрочняющих ре-
жимах (1,5ат <р < Зстт) позволяет улучшить несущую способность
параметров шероховатости и волнистости и повысить исходную
поверхностную микротвердость на небольшую глубину, т.е. ком-
Рис. 4.17. Классификация методов обработки заготовок пластическим деформированием
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 34
342 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
плексно повысить несущую способность поверхностного слоя
(уменьшить комплексный параметр Сх в 10 - 20 раз).
Во втором классе предусмотрены методы обработки загото-
вок, формирующие форму и размеры отдельных их элементов пла-
стическим деформированием (накатывание зубьев, шлицев, резьб,
фасонных поверхностей). Дальнейшим их развитием является соз-
дание так называемых гладкорезьбовых соединений (резьбовая
шпилька вворачивается в гладкое отверстие). Эта обработка осу-
ществляется при р > Зот, и ее можно применять для заготовок из
материалов, обладающих достаточной пластичностью.
К третьему классу относятся методы, осуществляющие ОУО
поверхности без изменения ее формы при пластическом деформи-
ровании практически всей заготовки (калибрование наружных и
внутренних поверхностей вращения и дернование). Дальнейшим
развитием этих методов является одновременная обработка с за-
прессовкой. Достоинством этих методов обработки является то, что
они наряду с улучшением состояния поверхностного слоя позволяют
повысить точность размера.
Все методы обработки заготовок пластическим деформирова-
нием имеют широкие возможности в управлении параметрами со-
стояния поверхностного слоя деталей машин, а следовательно, и
их эксплуатационными свойствами. Однако их применение для
этих целей требует научно обоснованного подхода, так как каж-
дый из этих методов имеет вполне определенные экономически
целесообразные области применения (табл. 4.8).
Сущность методов обработки пластическим деформиро-
ванием
Накатывание, обкатывание и раскатывание осуществляют
специальным инструментом, рабочим элементом которого являет-
ся шарик (шарики) или ролик (ролики) от подшипников или спе-
циально изготовленный. При давлении рабочего элемента на
обрабатываемую поверхность детали происходит ее локальное
4.8. Области применения методов обработки заготовок
пластическим деформированием
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые эксплуатацион- ные свойства
Плоские поверхности			
Накатывание ролика- ми и шариками	Прямолинейные направляющие и торцо- вые поверхности (направляющие тяже- лых станков и металлургического обо- рудования, медные плиты кристаллиза- торов установок непрерывного разлива стали)	Отделка	Износостой- кость, кон- тактная жест- кость
Обкатывание много- шариковыми торцо- выми жесткими и уп- ругими головками	Прямолинейные направляющие тяжелых станков и металлургического оборудо- вания, накладные отделочные рейки в строительстве		Износостой- кость, кон- тактная жест- кость, внеш- ний вид
Вибронакатывание одно- и многошарико- выми головками	Прямолинейные направляющие станков и оборудования, накладные отделочные планки в строительстве, торцовые по- верхности дисков, подпятников		
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 343
Продолжение табл. 4.8
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые эксплуатацион- ные свойства
Дробеструйная	Направляющие станков и оборудования, рессоры	Предваритель- ная обработка	Износостой- кость, короб- ление, устало- стная проч- ность
Инструментом цен- тробежно-ударного действия	Прямолинейные и торцовые поверхности станков, оборудования, авиационной тех- ники, рессоры и др.	Упрочнение	Износостой- кость, устало- стная проч- ность
Алмазное выглажива- ние и вибровыглажи- вание	Торцовые поверхности фланцев, распре- делителей и блоков гидромашин, дисков компрессора ГТД, деталей запорной ар- матуры и др.	Отделка, уп- рочнение	Износостой- кость, герме- тичность, кон- тактная жест- кость и проч- ность, фрет- тинг-стойкость
Электромеханический роликами и многоша- риковыми и ролико- выми торцовыми го- ловками	Прямолинейные направляющие качения станков и оборудования, торцовые рабочие поверхности фланцев, вырубных пуансо- нов, матриц, колец упорных конических подшипников		
344 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.8
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые эксплуатацион- ные свойства
Формообразование обкатыванием жест- ким многороликовым обкатником	Кольцевые торцовые пазы	Отделка, уп- рочнение, ка- либрование	Износостой- кость, герме- тичность, контактная жесткость
Комбинированный фрезами и накатками	Прямолинейные направляющие станков и оборудования, платформы швейных машин и др.	Отделка	Износостой- кость, внеш- ний вид
Наружные поверхности вращения			
Обкатывание одноро- ликовым обкатником	Жесткие оси, валы гладкие и ступенчатые, штоки, шейки коленчатых валов судовых дизелей, вал дробящего конуса конусной дробилки, опасная зона штока штамповоч- ного молота, рабочие поверхности осей вагонных и локомотивных колесных пар и др.	Отделка, уп- рочнение	Износостой- кость, проч- ность поса- док, устало- стная проч- ность
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 345
Продолжение табл. 4.8
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые эксплуатацион- ные свойства
Обкатывание двухро- ликовым обкатником	Маложесткие оси, валы и штоки (вытяж- ной инструмент, шток гидроамортизатора, вал ротора нагнетателя, ось центрифуги, шестерня привода, крестовина карданного вала, кулачковые валы)	Отделка, упрочнение	Износостой- кость, уста- лостная прочность
Обкатывание трехро- ликовыми упругими обкатниками	Жесткие и маложесткие оси, валы, трубы и штоки гладкие и ступенчатые (торсионные и фланцевые валы автомобилей, штоки гидроцилиндров дорожных машин, оси колесных пар вагонов и локомотивов, трансмиссионные валы прокатных станов)		Износостой- кость, уста- лостная прочность, прочность посадок
Обкатывание многоша- риковыми обкатниками	Нежесткие гладкие оси, валы, штоки и трубы, ось центрифуги	Отделка, упрочнение, калибрование	Износостой- кость, уста- лостная прочность
Обкатывание жестки- ми и дифференциаль- ными многоролико- выми обкатниками	Нежесткие оси, штоки, валы гладкие и ступенчатые, длинные штоки гидроци- линдров	Упрочнение, калибрование	Усталостная прочность, износостой- кость, кон- тактная проч- ность
346 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.8
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые эксплуатационные свойства
Обкатывание между роликами	Небольшие маложесткие оси и ва- лики	Калибрование, упрочнение	Износостойкость, фретгинг- стойкость, кон- тактная и устало- стная прочность
Виброобкатывание	Оси, штоки, валы и трубы гладкие и ступенчатые (шток гидроцилиндра, прецизионные цилиндрические на- правляющие, плунжер, направляю- щая барабана видеомагнитофона, прокатные валки, каретка направ- ляющая, калибр-пробка, поверхно- сти валов под уплотнения, поршни, шарниры, вальцы и др.)	Отделка, в том числе декора- тивная, упроч- нение	Износостойкость, контактная и уста- лостная прочность, внешний вид, от- ражательная спо- собность
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 347
Продолжение табл. 4.8
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые эксплуатационные свойства
Алмазное выглажива- ние и вибровыглажи- вание	Маложесткие оси, валы, штоки и трубы гладкие и ступенчатые (што- ки гидроцилиндров и амортизато- ров, поверхности валов под уплот- нения, золотники распределитель- ных устройств, плунжеры гидросис- тем, кулачковый вал, поршневые кольца, поршни, прокатные валки, ролики подшипников качения, ша- ровые опоры и крестовины кардан- ных валов, вал водяного насоса и ротора нагнетателя, шарнирные пальцы, пробки, штоки бурового насоса и др.)	Отделка, в том числе декора- тивная, упроч- нение	Износостойкость, контактная проч- ность, фретгинг- стойкость, внеш- ний вид, отража- тельная способ- ность
Дробеструйный	Крупногабаритные валы и оси	Предваритель- ная обработка, снятие остаточ- ных напряже- ний	Износостойкость, коробление, уста- лостная прочность
348 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.8
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые эксплуатационные свойства
Инструментом цен- тробежно-ударного действия	Жесткие оси, валы гладкие и сту- пенчатые (крестовины, пальцы тра- ков, штоки амортизаторов и оси шасси самолетов и вертолетов, крупногабаритные	поршневые кольца)	Отделка, уп- рочнение и снятие оста- точных напря- жений	Усталостная прочность
Электромеханический	Маложесткие оси, валы, трубы и штоки, штоки гидроцилиндров, по- воротные кулаки автомобиля, вы- тяжные пуансоны, поршневые паль- цы, опорные шейки валов под под- шипники, крестовины, валики рес- сорных подвесок, втулки и пальцы траков, поршневые кольца	Отделка, уп- рочнение	Износостойкость
Формообразующий калибрующий	Малогабаритные цилиндрические детали (поршневые пальцы)	Упрочнение, калибрование	Износостойкость, усталостная проч- ность
Комбинированный	Оси, валы и штоки (поршни тор- мозного цилиндра и валов комбай- нов, штоки гидроцилиндров, плун- жеры, оси колесных пар)	Отделка, уп- рочнение	Износостойкость, усталостная проч- ность посадок
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 349
Продолжение табл. 4.8
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые эксплуатационные свойства
Внутренние поверхности вращения			
Раскатывание одноша- риковым раскатным устройством	Для отверстий большого диаметра, малой и средней длин (втулки под- шипников скольжения, корпус пневмопривода)	Отделка, упрочнение	Износостойкость
Раскатывание много- шариковым раскатни- ком упругого действия	Для отверстий средних диаметра и длины (цилиндры поршневых насо- сов и гидрозажимов)		
Раскатывание много- шариковым жестким раскатником	Для отверстий d > 20 мм средней длины (гидравлические цилиндры автопогрузчиков)	Упрочнение, калибрование	Износостойкость, герметичность
Раскатывание одноро- ликовым раскатным устройством	Для отверстий -большого диаметра, средней и большой длин (станина рабочей клети промывочного стана трубопрокатного агрегата)	Отделка	Износостойкость
Раскатывание много- роликовым раскатни- ком упругого действия	Для отверстий среднего диаметра и неограниченной длины (гидроци- линдры, гильзы двигателей)		
350 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.8
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые эксплуатационные свойства
Раскатывание много- роликовым жестким раскатником	Для отверстий d > 20 мм и неогра- ниченной длины (гидроцилиндры, гильзы)	Отделка, уп- рочнение	Износостойкость, герметичность
Раскатывание с за- прессовкой	Для тонкостенных втулок	Упрочнение, запрессовка, калибрование	Износостойкость, прочность посадок
Калибрование шари- ками	Для отверстий малого диаметра и малой длины (отверстия проушин)	Упрочнение, калибрование	Износостойкость, контактная проч- ность
Прошивка выглажи- вающими прошивками	Для отверстий d < 100 мм и малой длины (Z < 50 мм) (втулки подшип- ников скольжения, поршневые пальцы, корпуса распылителя, гиль- зы плунжера, седла нагнетательного клапана)		Износостойкость
Продолжение табл. 4.8
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые эксплуатационные свойства
Дорнование	Для отверстий d < 200 мм и неогра- ниченной длины (гильзы гидроци- линдров, пневмоцилиндров и двига- телей, втулки накатных роликов, ва- риаторов и траков, цилиндры грязе- вых насосов, амортизаторов, волно- воды, несущая труба трактора К-70, крышка чугунного корпуса шприца и т.д.)	Отделка, уп- рочнение, ка- либрование	Износостойкость, герметичность
Дернование с запрес- совкой	Для запрессованных втулок под- шипников скольжения	Упрочнение, запрессовка, калибрование	
Алмазное выглажива- ние и вибровыглажи- вание	Для отверстий различных диамет- ров и небольшой длины (втулки и вкладыши подшипников скольже- ния, крышка маслонасоса, шестерня промежуточная, крышка лабиринта корпуса подшипника, отверстие ша- туна, передний гидроцилиндр, диск компрессора)	Отделка, уп- рочнение	Износостойкость, герметичность, прочность посадок
352 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.8
6780
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые эксплуатационные свойства
Виброраскатывание	Для отверстий d > 20 мм и неогра- ниченной длины (гильзы двигателей МЧ12, ЗИЛ-130, M3-236, корпус пневмопривода, станок арматуры, втулки гидропередачи, втулки шар- нирных соединений)	Отделка, упрочнение	Износостойкость, герметичность, прочность посадок
Инструментом цен- тробежно-ударного действия	Для отверстий d > 70 мм и неогра- ниченной длины (барабаны, гидро- цилиндры летательных аппаратов, втулки лонжеронов)	Упрочнение	Износостойкость, контактная и ус- талостная проч- ность
Электромеханическое раскатывание	Для отверстий d > 50 мм и неогра- ниченной длины (цилиндры двига- телей внутреннего сгорания УД-2, гильзы гидроцилиндров, блок ци- линдров автомобиля ГАЗ-51 )	Отделка, уп- рочнение	Износостойкость
Комбинированный протяжками-дорнами	Для отверстий d < 200 мм и неогра- ниченной длины (гидроцилиндры, волноводы втулки траков, цилинд- ровые гильзы и кольца, шестерни, звездочки, ступицы)	Формообразо- вание, отделка, упрочнение	
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 353
Продолжение табл. 4.8
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые эксплуатационные свойства
Комбинированный (растачивание + раска- тывание)	Для отверстий d > 50 мм и неогра- ниченной длины (корпус редуктора, цилиндры, гидроцилиндры, отвер- стия под поворотный кулак)	Формообразо- вание, отделка, упрочнение	Износостойкость
Комбинированный ротационным инстру- ментом	Для отверстий d > 100 мм и неогра- ниченной длины (гидроцилиндры)		
Фасонные поверхности			
Обкатывание, выгла- живание, ЭМО галте- лей и сферических ка- навок	Галтели г > 1 мм (валы, штоки, плунжеры, торсионы, оси колесных пар)	Отделка, уп- рочнение	Усталостная прочность, изно- состойкость
Дробеструйная цен- тробежно-ударная об- работка галтелей и сферических канавок	Галтели валов г > 2 мм (валы, плун- жеры, лонжероны, оси шасси верто- летов и самолетов)	Упрочнение	Усталостная прочность
354 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.8
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые эксплуатационные свойства
Обкатывание, вибро- обкатывание, выгла- живание, дробеструй- ная и центробежно- ударная обработка, ЭМО: сферических и фа- сонных поверхно- стей вращения	Сферические и фасонные поверхно- сти тел вращения d > 10 мм и неог- раниченной длины (сфера шарнир- ного пальца и дифференциалы, сфе- рическая опора гироскопов, стаби- лизаторов, пружины)	Отделка, уп- рочнение	Износостойкость, контактная проч- ность
неосесимметрич- ных фасонных по- верхностей	Лопатки и сопла турбин, лопасти вертолетов, самолетов, траки	Отделка, уп- рочнение, сня- тие остаточных напряжений	Износостойкость, усталостная проч- ность
Формообразующее обкатывание	Сферические и фасонные поверхно- сти вращения d < 50 мм и d < 80 мм	Формообразо- вание, упроч- нение, отделка	
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 355
Продолжение табл. 4.8
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые эксплуатационные свойства
Формообразующее раскатывание	Детали типа тонкостенных втулок d < 200 мм и Z < 100 мм	Формообразо- вание, упроч- нение, отделка	Износостойкость, усталостная прочность
Комбинированная об- работка	Шаровой палец, чашка дифферен- циала		Износостойкость
Червяки и наружные резьбы			
Обкатывание и ЭМО роликом	Крупномодульные червяки	Отделка, уп- рочнение	Износостойкость и уменьшение трения
Обдувка дробью и об- работка инструментом центробежно-ударного действия	Червяки и наружная резьба авиаци- онной техники	Упрочнение	Прочность
Формообразующее накатывание плоскими плашками	Мелкие резьбы на деталях d < 20 мм (шпильки, болты)	Формообразо- вание, упроч- нение	Статическая, ди- намическая и уста- лостная прочность
Формообразующее радиальное накатыва- ние резьбовыми роли- ками	Резьбы шагом Р < 2 мм на деталях с d> 10 мм и </<20 мм		
356 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.8
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые эксплуатационные свойства
Формообразующее продольное накатыва- ние резьб	Резьбы шага Р < 2 мм на деталях d > 5 мм и неограниченной длины	Формообразо- вание, упроч- нение	Статическая, динамическая и усталостная прочность
Внутренние резьбы			
Раскатывание резьб	Крупные резьбы и гайки ходовых механизмов	Калибрование, отделка, уп- рочнение	Статическая, динамическая и усталостная прочность, износостойкость
Формообразующее раскатывание резьб раскатниками	Отверстия d < 50 мм в деталях из алюминиевых, латунных и медных сплавов, титана, пластичных сталей, ковкого чугуна	Формообразо- вание, упроч- нение, отделка	
Зубья зубчатых колес			
Накатывание ролика- ми	Впадины зубьев тяжелонагружен- ных зубчатых колес	Упрочнение	Усталостная прочность
Обкатывание и ЭМО червячно-роликовыми обкатниками	Боковые поверхности крупномо- дульных т > 3 мм зубчатых колес	Отделка, уп- рочнение	Износостойкость, контактная проч- ность
Продолжение табл. 4.8
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые экс- плуатационные свойства
Обкатывание и ЭМО червяками	Боковые поверхности мелко- и среднемодульных зубчатых колес	Отделка	Износостойкость
Обдувка дробью и об- работка инструментом центробежно-ударного действия	Впадины и боковые поверхности средне- и крупномодульных зубча- тых колес	Упрочнение, снятие оста- точных напря- жений	Усталостная и контактная проч- ность
Формообразующее радиальное накатыва- ние зубьев зубчатыми роликами: радиальное	Для накатывания зубьев мелкомо- дульных зубчатых колес (т < 3 мм) (цапфа трамвайного вагона)	Формообразо- вание, упроч- нение	Усталостная и контактная проч- ность, износо- стойкость
продольное	Для накатывания зубьев с т > 2 мм		
Шлицы			
Обдувка дробью и об- работка инструментом центробежно-ударного действия	Шлицевые валы авиационной тех- ники	Упрочнение, снятие оста- точных напря- жений	Усталостная прочность
358 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.8
Метод обработки	Область применения	Назначение	Улучшаемые эксплуатационные свойства
Формообразующее накатывание шлицев	Шлицы небольших размеров	Формообразо- вание, упроч- нение	Усталостная прочность
Формообразующее раскатывание резьб роликовыми резьбо- раскатными головками	Отверстия d > 50 мм в деталях из алюминиевых, медных и титановых сплавов	Формообразо- вание, упроч- нение, отделка	Статическая, ди- намическая и ус- талостная проч- ность, износо- стойкость
Комбинированная об- работка резьб	Отверстия d < 50 мм и резьбой ша- гом Р > 1 мм в деталях из материа- лов с невысокой пластичностью		
Сборка гладкорезьбо- вых соединений	Шпильки d < 20 мм и гладкие от- верстия в деталях из алюминиевых и медных сплавов	Сборка	Прочность соединения
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 359
360 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
пластическое деформирование в месте контакта. Наличие различ-
ных вращательных и поступательных движений позволяет обраба-
тывать различные поверхности (плоские, цилиндрические, фасон-
ные). Инструменты бывают упругими, когда сила, действующая на
рабочий элемент, передается упруго (пружина, торсион), или же-
сткими, когда сила, действующая на рабочий элемент, передается
жестко.
Обработку ведут на универсальных и специальных станках,
станках с ЧПУ, полуавтоматах и автоматах.
Выглаживание производят инструментом, рабочим элемен-
том которого является твердосплавный или алмазный индентор,
скользящий по обрабатываемой поверхности. Этим методом мож-
но обрабатывать все виды поверхностей - от плоской до фасон-
ной, так как и при накатывании инструмент может быть упругим
или жестким.
Виброобработка - это процесс накатывания, обкатывания,
раскатывания шариком (шариками) или алмазное выглаживание
при наличии дополнительного осциллирующего движения рабоче-
го элемента параллельно обрабатываемой поверхности. Варьиро-
вание амплитуды и частоты осцилляций рабочего элемента наряду
с изменением других режимов обработки позволяет создавать на
поверхности различные регулярные микрорельефы или системы
канавок. Систему канавок на обрабатываемой поверхности, как
правило, создают при необходимости увеличения объема масла на
поверхностях трения, склонных к схватыванию.
Динамическое упрочнение можно производить рабочими
элементами в свободном состоянии или при их фиксированном
положении. В качестве рабочих элементов при свободной обра-
ботке применяют дробь и шарики стальные или стеклянные, при
фиксированном положении - шарики и ролики подшипников или
специальные, в зависимости от обрабатываемой поверхности.
При свободной динамической обработке рабочие элементы
направляются на обрабатываемую поверхность воздушной струей
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 361
с помощью специальных устройств под действием центробежных
сил или в вибробункерах. Фиксированное динамическое упрочне-
ние осуществляют специальными инструментами центробежно-
ударного действия. При этом рабочие элементы находятся на пе-
риферии вращающегося инструмента и удерживаются специаль-
ными сепараторами (рис. 4.18). Выбор рабочих элементов опреде-
ленной массы, их взаимного расположения в сепараторе, диаметра
инструмента и скорости его вращения позволяет обеспечить необ-
ходимое количество ударов заданной силы на 1 мм2. Это позволяет
в широких пределах надежно управлять качеством обрабатывае-
мой поверхности. Данный метод применяют для обработки ППД
всех поверхностей, в том числе и резьбы.
Электромеханическая обработка - это процесс накатыва-
ния, обкатывания, раскатывания, выглаживания с наложением
электрического тока большой силы и низкого напряжения. Повы-
шенное сопротивление в месте контакта рабочего элемента обра-
батывающего инструмента и детали создает локальный нагрев и
облегчает деформирование металла поверхностного слоя и его
структурные изменения. При этом требуются значительно мень-
шие рабочие силы. Обработку производят на универсальных спе-
циально оборудованных станках.
Рис. 4.18. Инструмент центробежно-ударного действия для
динамического упрочнения:
1 - рабочий шарик; 2 - корпус; 3 - сепаратор
362 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
1	2
Рис. 4.19. Комбинированный
инструмент для обработки
отверстия:
/ - режущий элемент (резец);
2 - деформирующий элемент
(ролик)
Комбинированная обработ-
ка совмещает резание и ППД. Это
совмещение осуществляется с по-
мощью специального комбиниро-
ванного инструмента, объеди-
няющего режущие и деформи-
рующие рабочие элементы
(рис. 4.19). Благодаря такому со-
вмещению она переходит в разряд
размерных обработок, так как по-
зволяет повысить исходную точ-
ность.
Калибрование применяют для обработки наружных и внут-
ренних поверхностей вращения заготовок; оно позволяет повысить
исходную точность за счет объемных пластических деформаций
материала. При небольших натягах пластические деформации мо-
гут носить локальный характер, т.е. распространяться только в по-
верхностном слое. Рабочим инструментом является шарик, де-
формирующая прошивка или пуансон, калибрующие фильтры
или вогнутые эллипсообразные ролики. Процесс осуществляется
на оборудовании для обработки давлением.
Дорнование применяют для обработки различных отверстий,
в том числе и шлицевых. Процесс дорнования заключается в том,
что инструмент (дорн) определенной формы протягивается через
обрабатываемое отверстие, имеющее меньшие размеры по сравне-
нию с размерами дорна. При этом вследствие пластического де-
формирования диаметр отверстия увеличивается, поверхностный
слой металла в отверстии упрочняется, а неровности поверхности
сглаживаются, причем в зависимости от натяга пластические де-
формации могут носить локальный поверхностный характер или
распространяться на весь объем заготовки, изменяя ее диамет-
ральные и линейные размеры. Дорны могут быть комбинирован-
ными - с режущими и деформирующими рабочими элементами.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 363
Для уменьшения трения при дорновании применяют различные
смазочные материалы и СОЖ. Процесс осуществляется на про-
тяжных станках.
Дорнование с запрессовкой осуществляется при натягах,
обеспечивающих распространение пластического деформирования
на весь объем запрессовываемой и обрабатываемой втулки. Это
приводит к увеличению ее наружного диаметра, ликвидации зазо-
ра и созданию натяга в соединении для обеспечения требуемой
прочности.
Накатывание зубьев модулем до 2 мм может осуществляться
в холодном состоянии. Все основные схемы накатывания зубьев
основаны на принципе обкатывания. Обработка может осуществ-
ляться одним или несколькими зубчатыми роликами при радиаль-
ной или осевой подачах. При этом может происходить накатыва-
ние с одновременным калиброванием. Кроме того, накатывать
можно и зубчатыми рейками. Для этого используют специальные
гидравлические зубонакатные станки, работающие в автоматиче-
ском режиме.
Рис. 4.20. Накатывание
зубьев двумя прокатными
роликами с радиальной
подачей:
1 - заготовка; 2 - накатные
ролики; 3 - калибрующие
ролики; 4 - ведомая
шестерня; 5 - ведущая
шестерня
364 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Накатывание зубьев роликами, как правило, осуществляют на
универсальных токарных, револьверных, горизонтально-фрезер-
ных, резьбонакатных и других станках с использованием специ-
альных приспособлений. Схема накатывания зубьев двумя роли-
ками с радиальной подачей приведена на рис. 4.20.
Накатывание шлицев можно производить как методом об-
катки (мелкие шлицы), так и методом копирования (средние и
крупные шлицы) с продольным перемещением роликов относи-
тельно оси обрабатываемой заготовки (рис. 4.21). Такое продоль-
8)	г)
Рис. 4.21. Продольное накатывание шлицев:
а - без деления; б - с маятниковым делением; в - с круговым делением;
г - охватывающими роликами
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 365
ное накатывание шлицев может осуществляться путем накатыва-
ния двух (или трех) противоположных впадин шлица или одно-
временного действия всех накатных роликов, образующих впади-
ны всех шлицев (шлицы средних размеров). Накатывание может
производиться за один или несколько рабочих ходов. Методом
обкатки шлицы формообразуют плоскими и круглыми зубчатыми
рейками, круглыми профильными роликами, червяками и т.д.
Шлицы накатывают на универсальных станках, прессах и
специальных шлиценакатных станках.
Накатывание и раскатывание резьб осуществляют методом
пластического выдавливания материала заготовки, имеющей оп-
ределенный диаметр, с помощью специального резьбового инст-
румента. Наружные резьбы накатывают резьбовыми рейками или
роликами. Накатывание рейками (рис. 4.22) производят на специ-
альных резьбонакатных станках, работающих в автоматическом
режиме. Резьбу роликами (одним или несколькими) накатывают
как на универсальных токарных станках, так и на специальных
резьбонакатных станках. Внутренние резьбы раскатывают, как
правило, бесстружечными метчиками-раскатниками на обычных
универсальных станках (токарных, токарно-револьверных, свер-
лильных, станках с ЧПУ, болторезных и резьбонарезных автома-
тах и др.).
Рис. 4.22. Накатывание резьб рейками:
1 - заготовка; 2 - резьбонакатные рейки
366 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Крупные резьбы в отверстиях деталей из малопластичных ма-
териалов можно обрабатывать комбинированными метчиками-
раскатниками.
Формирование гладкорезьбовых соединений осуществляют
путем вворачивания резьбовой шпильки в гладкое отверстие опре-
деленного диаметра. Пластически выдавливаемый материал за-
полняет впадины резьбы шпильки, формируя достаточно прочное
резьбовое соединение. Для улучшения пластического течения ма-
териала и уменьшения момента ввинчивания, как правило, приме-
няют шпильки специальной конструкции. Процесс осуществляют
на универсальных токарных и сверлильных станках, станках с
ЧПУ, а также с использованием шпильковертов (при малых диа-
метрах).
В последние годы для повышения долговечности деталей ма-
шин все шире применяют ионную и лазерную обработку.
Ионная имплантация
Ионная имплантация заключается во внедрении в поверхность
ионизированных атомов легирующего вещества, ускоренных элек-
трическим полем до нужной энергии. При этом наблюдаются на-
рушения исходной структуры поверхности - от образования в ней
радиационных дефектов до распыления, а также взаимодействия
внедряемой примеси с атомами исходной кристаллической решет-
ки, в результате чего могут образоваться твердые растворы, хими-
ческие соединения и выделены новые фазы.
Важнейшими параметрами ионной имплантации с приклад-
ной точки зрения являются распределение легирующей примеси и
радиационных дефектов по глубине, максимально достижимая до-
за легирования, ограниченная распылением поверхности, состав и
структура модифицированного поверхностного слоя.
При легировании ионами средних масс с энергией в сотни ки-
лоэлектронвольт максимум концентрации легирующей примеси
находится на глубине в десятые доли микрометра. Высокоэнерге-
тическая имплантация с энергией ионов в несколько мегаэлек-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 367
тронвольт обеспечивает легирование на глубину, исчисляемую
микрометрами. Но при этом токи пучков не достигают высокой
интенсивности (до 10 мА/см2), как при низкоэнергетической им-
плантации, что увеличивает время обработки.
Распыление поверхности изменяет гауссовый профиль рас-
пределения примеси по глубине на плитообразный с максимумом
концентрации на поверхности. Распыление наиболее велико при
имплантации низкоэнергетических ионов (около 10 кэВ; 1 эВ =
= 1,6 ... 10'19 Дж) и при косом падении пучка ионов на поверхность
(под углом 70 - 80°).
Ионную имплантацию можно использовать как способ изме-
нения механических и химических свойств поверхности детали в
нужном направлении. К ее преимуществам относится то, что им-
плантация приводит к образованию таких сплавов, которые невоз-
можно получить в обычных условиях из-за ограниченной раство-
римости или диффузии компонентов. Состав получаемых сплавов
управляем, причем объемные свойства материала не затрагивают-
ся из-за малой глубины проникновения пучка ионов. Имплантация
может быть финишной операцией технологической обработки,
поскольку осуществляется в широком диапазоне температур
(вплоть до отрицательных) и без заметного изменения размеров
детали. Чтобы время обработки было не слишком большим
(до 30 с/см2), необходимо обеспечивать силу тока пучков ионов
примерно 1 мА. Так как не существует явно выраженной границы
раздела между получаемым поверхностным сплавом и основным
материалом, то явление адгезии не играет большой роли.
Имплантацией можно обеспечить нужный профиль залегания
примеси по глубине, причем процесс является высокопроизводи-
тельным. Этот метод вакуумночист и экологически безвреден. Ос-
новными недостатками ионной имплантации являются высокая
стоимость оборудования и отсутствие мощных источников сред-
неэнергетических ионов. Малая глубина проникновения ионов
368 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
сужает область применения имплантации, однако во многих слу-
чаях действие имплантированных ионов распространяется гораздо
глубже, чем их первоначальное проникновение.
Ионная имплантация и ее влияние на трение, изнашива-
ние, твердость. Легкие атомы внедрения N, С, В обладают свой-
ствами сегрегации к дислокациям, что блокирует движение по-
следних и упрочняет поверхностный слой. Износостойкость при
этом растет, а возникновение и развитие усталостных трещин ог-
раничивается малой подвижностью дислокаций. Простое эквива-
лентное нарушение структуры, например, атомами Аг, не обладаю-
щими такими свойствами взаимодействия с дислокациями, как вы-
шеуказанные атомы, не приводит к повышению износостойкости.
Влияние имплантации в условиях изнашивания при трении на
слой, намного больший глубины проникновения ионов, объясня-
ется увлечением их в глубь материала плотной сеткой дислокаций,
постоянно возникающей под изнашиваемой поверхностью, а так-
же диффузией вдоль линий леса дислокаций вследствие больших
температурных градиентов, возникающих из-за локального разо-
грева микронеровностей. Коэффициент трения под действием
ионной имплантации снижается также благодаря охрупченности
мостиков сварки в контакте поверхностей из-за заторможенности
движения дислокаций и более стойкой оксидной пленки, которая
уменьшает адгезию.
Свойства азота способствовать переходу мартенсита в аусте-
нит может привести к потере твердости аустенитных сталей при
имплантации. Это было обнаружено при обработке заготовок из
коррозионно-стойкой стали. Нестабильность образовавшихся при
имплантации нитридов из-за высоких температур на режущих
кромках делает неэффективной имплантацию азота для повыше-
ния износостойкости инструментальных сталей при обработке
черных металлов.
Использование для повышения износостойкости малоуглеро-
дистых сталей имплантации ионов титана оправдано при нагрузке
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 369
Р меньше предела прочности на сжатие <тсж, а твердых сталей при
Р < 1,56осж. Легирование азотом повышает износостойкость мало-
углеродистых или отпущенных высокоуглеродистых сталей при
Р < 1,56осж. Особенно эффективна ионная имплантация азота в
стали с содержанием хрома более 12 %.
Рис. 4.23. Зависимость объемного износа от пути трения:
1 - имплантация В+; 2 - без имплантации; 3 - имплантация Ti+
Рис. 4.24. Зависимость коэффициента износа от нагрузки:
1 - без имплантации; 2 - имплантация Nj
370 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Рис. 4.25. Зависимость износа от времени испытания:
1 - необработанная поверхность; 2 - имплантация Аг+, 2 • 1017 см"2;
3 - имплантация (Аг+, 2 • 1017 + N+, 5 • 1016) см"2;
4 - имплантация N+, 2 • 1017 см"2
Рис. 4.26. Зависимость линейного износа от пути трения:
1 - необработанная поверхность; 2 - имплантация Nj через пленку Sn
на поверхности
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 371
В табл. 4.9 и на рис. 4.23 - 4.26 приведены примеры повыше-
ния износостойкости деталей машин ионной имплантацией по
данным проф. В. В. Ковалевского.
Влияние имплантации на усталостную долговечность
Имплантация азота приводит к заметному повышению долго-
вечности низкоуглеродистой стали. Усталостная долговечность
коррозионно-стойкой стали, титана и мартенситно-стареющей
стали повышается после имплантации азотом в 8 - 10 раз.
Имплантация азота с энергией 150 кэВ в сталь с содержанием
0,18 % С при дозе 2 • 1017 см’2 приводит к повышению предела ус-
талостной долговечности. Наилучшие результаты получены при
дополнительном старении образцов (рис. 4.27).
Ионная имплантация скорее воздействует на зарождение тре-
щин, чем на процесс их развития. Содержащиеся в имплантиро-
ванной азотом стали мелкие кристаллы Fe)6N2 одновременно уп-
рочняют ферритную фазу и облегчают движение дислокаций, со-
ответственно и выход полос скольжения на поверхность более од-
нороден. Усталостная долговечность повышается.
Рис. 4.27. Влияние имплантации на усталостную долговечность:
1 - без имплантации; 2 - после имплантации
372 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Рис. 4.28. Усталостные кривые для сплава на основе титана:
/ - без имплантации; 2 - после имплантации N|;
3 - после имплантации С+
Имплантация 2 • 1017 см'2 ионов азота и углерода в сплав на
основе Tic6%Al и 4 % V положительно влияет на его усталост-
ную долговечность (рис. 4.28). Наибольшее количество трещин
зарождается на расстоянии 25 - 150 мкм от поверхности. Подпо-
верхностные трещины с позиций сопротивления усталости счита-
ются менее опасными для данного материала в противополож-
ность трещинам, зарождающимся на поверхности. Поскольку ион-
ная имплантация на глубине 1 мкм не способствует зарождению
трещин, то естественно, что имплантация тормозит рост трещин к
поверхности.
Это положение подтверждается исследованиями испытанных
на усталость медных образцов, в которых отсутствие зон экстру-
зии и интрузии свидетельствует о блокировании движения дисло-
каций через имплантированную поверхность и ограничении обра-
зования устойчивых полос скольжения. Увеличение долговечно-
сти было отмечено при имплантации ионов бора, хлора, гелия, ни-
келя, азота и неона.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 373
4.9. Эффективность обработки деталей ионной имплантацией
Материал заготовки	Имплантируемые ионы и параметры имплантации	Оказанное влияние
Цементированная сталь	Доза имплантации 1016-1017 см’2: Кг+ РЬ+ Sn+ Мо+ +2S+	Испытание при трении с шариком из карбида вольфрама при давлении 10 Мпа: не влияет на силу трения сила трения возрастает сила трения снижается в 2 раза сила трения снижается значи- тельно, причем образование ди- сульфида молибдена M0S2 (хо- рошего смазочного материала) не наблюдалось
Подшипниковая сталь	Большая доза им- плантации Ti+ или ТГ + С+	Снижение коэффициента трения. Увеличение износостойкости (см. рис. 4.23). Имплантированный титан захватывается углеродом и образует аморфную фазу Ti - С - Fe в поверх- ностном слое. Износ уменьшается, так как износостойкость такого ква- зитугоплавкого карбида в 6 - 7 раз превышает износостойкость мартен- ситной стали. Имплантация сущест- венно удлиняет инкубационный пе- риод изнашивания
	В+ илиЬГ	Испытания по схеме палец (из той же стали) - диск показали, что по- ложительного эффекта не обнару- жено
	Hf	Предполагается	положительное влияние из-за большей жаропрочно- сти карбида гафния, чем жаропроч- ность карбида титана
	Аг+ или Fe+	Износостойкость возрастает
374 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.9
Материал заготовки	Имплантируемые ионы и параметры имплантации	Оказанное влияние
Среднеуглеродистая сталь с HV 230	N+ при дозе ИМ; плантации 1018 cm'j и напряжении 35 кВ	Испытания по схеме палец - диск при смазывании уайт-спиритом. Снижение коэффициента износа по Арчарду от 5 до 10 раз при увеличе- нии нагрузки на палец от 10 до 40 Н (см. рис. 4.24)
	С+, N+ или В+ при дозе имплантации 1017 см'2	Эффективное снижение изнашива- ния, причем повышенной износо- стойкостью обладают слои, толщина которых в 2 - 3 раза больше длины пробега иона
	Ne+ или Аг+	Создаются напряжения сжатия в поверхностном слое, хотя снижение изнашивания не происходит
Коррози- онно-стой- кая сталь	Большая доза им- плантации ионов N+, В+, С+, Ti+, Ti+ + В+ или Ti+ + + В+ при напряже- нии 10- 100 кВ	Трение со сталью того же класса в воде показало снижение износа в 10—100 раз. Микротвердость воз- растает в 1,3—2 раза при импланта- ции В+, N+
Сталь, со- держащая 0,35 % С, 0,82 % Ni, 0,72 % Сг, 0,2 % Мо, 0,73 % Мп, 0,2 % Si	N+ при напряжении 30 кВ и силе тока 80 мкА при дозе имплантации: менее 1017 см'2 2 • 1017 см'2	Вибрационное трение без смазочно- го материала с цементированной сталью: износостойкость не изменилась (см. рис. 4.25) износ снизился в 3 раза, обнару- жено присутствие 20 % имплан- тированных атомов азота в под- поверхностном слое после удале- ния изношенного слоя толщиной 5 мкм, что на несколько порядков больше глубины имплантации
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 375
Продолжение табл. 4.9
Материал заготовки	Имплантируемые ионы и параметры имплантации	Оказанное влияние
Сталь, со- держащая 0,35 % С, 0,82 % Ni, 0,72 % Сг, 0,2 % Мо, 0,73 % Мп, 0,2 % Si	ЬГ при дозе имплан- тации 5 • 1016 см'2 после Аг+ при дозе 2- 1017см'2	Обнаружено незначительное сниже- ние износа
Сплав Ti + 6 % А1 + 4 %V с поверхностным слоем Sn 700 А	(1 А = 104 мкм)	При напряжении 150 кВ импланти- ровался N+	Коэффициент трения и износ снизи- лись в 5 - 10 раз (см. рис. 4.26). Олово обнаружено на глубине 3 - 5 мкм, хотя глубина проникновения ионов азота составляла доли микро- метра. Обнаружена диффузия обра- зующихся пар из имплантированных атомов азота и олова в ассоциации их с вакансиями, образовавшимися в результате бомбардировки. Имплан- тация отдельно ионами азота или оло- ва не оказывает заметного влияния на фрикционные характеристики
ВТ18У	В+ при дозе 1017cm'2 + N+ при дозе З Ю17 см , плотность тока 20 мкА/см2 при на- пряжении 40 кВ В+илиЫ+ при дозе 3 • 10,7см'2	Испытания на усталостную долго- вечность при амплитуде напряжения 370 МПа и частоте 3300 Гц. Долговечность возрастает в 4 раза Долговечность возрастает в 8 раз
Низкоугле- родистая сталь, зака- ленная и отпущенная	N+ при дозе им- плантации 1017 см'2 и напряжении 40 кВ	Возрастает абразивная износостой- кость в 1,5 - 2 раза. Микротвердость возрастает в 1,5 раза
376 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.9
Материал заготовки	Имплантируемые ионы и параметры имплантации	Оказанное влияние
Сталь Ст2	С+ при напряжении 100 кВ	Износостойкость возрастает
Сталь 17-4РН	N+ при напряжении 100 кВ	Возрастание износостойкости до двух порядков
Сплав WC-Co	N+ при напряжении 40 кВ	Возрастание износостойкости, микротвердость увеличивается в 1,5 раза
Инструмен- тальная сталь, содержащая 1 % С	При дозе импланта- ции 2 • 10*7 см’2 N+	Возрастание абразивной изно- состойкости. Микротвердость увеличивает- ся в 1,5 раза
Сталь 38ХМЮА	N+	Микротвердость увеличивает- ся в 1,8 раза
Сталь 40Х или сталь ХВГ	N+	Микротвердость увеличивает- ся в 2 раза
Сталь ЗОХГСНА	N+ или С+	Микротвердость увеличивает- ся в 5 раз
Сталь Fe+18%W + + 4%Сг+ 1 %V	В+	Микротвердость увеличивает- ся в 1,8 раза
Титан	N+ или В+	
Титановый сплав ВТ1-0	С+ при напряжении 100 кВ	Износостойкость увеличива- ется в 5 раз
Сплав Ti+6%AI+4%V	N+, С+, Аи+ или Rf1" при напряжении от 40 до 200 кВ Ве+ и В+ при напряже- нии от 25 до 200 кВ А1+ и Си+ при напря- жении 300 кВ	Износостойкость возрастает То же Возрастание износостойкости в 3 раза
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 377
Продолжение табл. 4.9
Материал заготовки	Имплантируемые ионы и параметры имплан- тации	Оказанное влияние
Пермаллой	В+ при дозе имплан- тации 1015 см'2	Возрастание износостойкости
Сталь, со- держащая: 1 % С, 6 % Сг 4%Ni, 1	%Сг 2	% С, 12 % Сг	N* при дозе 8-1017см'2 Со+ при дозе 4 • 1017 см'2 N+ при дозе 4 -1017 см'2	Увеличение долговечности ре- жущей кромки ножа для бумаги в 2 раза Снижение налипания на штампе в 3 раза Снижение адгезионного износа формообразующего штампа
Быстроре- жущая сталь	N+ при дозе 8 • 1017 см'2	Увеличение долговечности сверл и метчиков при обработке пла- стиков в 5 раз
Сталь Р18	N+ при дозе 8 • 1017 см'2	Возрастание стойкости резцов в 3 раза
Высокоуг- леродистая сталь с хромовым покрытием	N+ при дозе 4,5-1017 см'2	Снижение интенсивности изна- шивания пресс-формы для пласт- масс в 4 раза. Улучшение качест- ва продукции при штамповании ацетатной целлюлозы
Сплав Т5К10	N+ при дозе 8 • 1017 см'2	Возрастание стойкости резцов в 7,5 раза
Твердый сплав ВК6	N+ при дозе 8-1017см'2 С+ или N+ при дозе 5-Ю17 см'2	Увеличение долговечности ре- жущей кромки для искусствен- ной резины в 2 раза Повышение долговечности воло- чильной фильеры для медных прутков в 5 раз
378 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.9
Материал заготовки	Имплантируемые ионы и параметры имплантации	Оказанное влияние
Твердый сплав ВК6	Со+ или N+ при дозе 2 • 1017 см'2 Со+ или N+ при дозе 3 • 1017 см'2	Повышение долговечности вы- тяжного штампа Снижение интенсивности изна- шивания волочильной фильеры для стальной проволоки в 3 раза. Износостойкость штампа для вырубки пластин ротора элек- тродвигателя из углеродистой стали повышена в 6 раз
При фреттинг-усталости в отличие от усталости отмечено за-
рождение трещин в титановых сплавах с поверхности. Положи-
тельный результат дала имплантация ионов Ва+ при дозе 1016 см2
на нагартованный сплав Ti + 6 % А1 + 4 % V, что обеспечило 55 %
долговечности от ее уровня без фреттинга.
Причиной усталостного разрушения титановых сплавов в ус-
ловиях высоких температур является охрупчивание поверхности
из-за перехода P-фазы в a-фазу под действием кислорода. Устало-
стные трещины зарождаются у дефектов хрупкого поверхностного
слоя. Положительное влияние на стойкость к окислению и высо-
котемпературную усталость сплава Ti с 6 % А1, 2 % Sn, 4 % Zn и
2 % Мо оказала имплантация платины с дозой (1 ... 2) 1016 см '2 и
энергией 150 кэВ, а также имплантация бария с дозой 2 - 1016 см"2
и энергией 125 кэВ.
Повышение коррозионной стойкости имплантированных
материалов
При имплантации с целью повышения коррозионной стойко-
сти следует уделять внимание снижению загрязнения поверхности
углеродом, который может внедряться в подповерхностный слой
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИИ 379
сплава в результате вторичной имплантации после столкновения с
ионным пучком. Загрязнение углеродом способствует образова-
нию коррозионно-ингибирующего слоя на поверхности металла,
что подавляет пассивацию и инициирует локальную коррозию с
образованием инертных карбидных включений, которые проявля-
ют тенденцию снижать стойкость поверхностных сплавов к пит-
тингу.
Хотя при высоких дозах ионной имплантации возникает
большое количество дефектов, предварительно установлено, что
дефекты не оказывают существенного влияния на электрохимиче-
ское поведение поверхностных сплавов, образованных при им-
плантации. Значительно ббльшую роль играют различия между
другими характеристиками сплавов. Так как многофазные сплавы
имеют тенденцию к проявлению очаговой гальванической корро-
зии между фазами с различной химической реакционной способ-
ностью, то желательным является получение однофазных сплавов
с наибольшей химической однородностью. Использование им-
плантации для получения однофазных твердых растворов, далеких
от равновесного состава, определяет перспективность импланта-
ции как метода поверхностного легирования. Аморфные поверх-
ностные сплавы представляют собой особый случай, в котором
отсутствие межзеренных границ и других дефектов может оказать
значительное воздействие на общее сопротивление коррозии по-
верхностного слоя.
При имплантации низкоэнергетических (20 - 25 кэВ) ионов
хрома в железо с дозой (1,25 ... 2)1016 см'2 достигается общая пас-
сивация, аналогичная характеристикам обычных двойных сплавов.
Однако поведение поверхностных сплавов в отношении питтинга
было сходным с их поведением в чистом железе. Среднеэнергети-
ческие (150 кэВ) ионы Сг+ также дают наиболее инертные поверх-
ностные сплавы на чистом железе по сравнению с ионами 1п+, Аг+,
N+, Ni\ Cu+.
380 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Для увеличения износостойкости в коррозионной среде осо-
бое значение приобретает возможность получать в поверхностном
слое метастабильные соединения со специфическими свойствами
и осуществлять экономное легирование дорогими элементами.
Также является благоприятным создание аморфных поверхност-
ных слоев металлов при ионном легировании. Так, при облучении
ионами диспрозия происходит аморфизация монокристаллическо-
го никеля; при облучении ионами Ва+ аморфный слой возникает
на поверхности стали 40X13, а при легировании фосфором и бо-
ром - на поверхности коррозионно-стойкой стали. Легирование
поликристаллического железа ионами Ni+ с энергией 25 кэВ и до-
зой 1016 см*2 значительно повышает стойкость материала к окисле-
нию.
Имплантация ионов Ва+ в сплав Ti - 6 %А1 - 4 %V с энергией
40 кэВ несколько повысила его коррозионную стойкость. Это объ-
ясняется возникновением преципитатов ВаТЮз, образующих ко-
герентную границу с ТЮ и эффективно препятствующих диффу-
зии кислорода.
Ионная имплантация N+ и В+, которую часто применяют для
упрочнения поверхности, в целом снижает скорость коррозии в
кислой и кислотно-хлоридной среде. Имплантирование тантала
при энергии 20 кэВ с дозой (0,5 ... 2) 10п см*2 способно благопри-
ятно изменить пассивацию железа преимущественно за счет вклю-
чения в пассивирующую пленку.
Существенное повышение, по данным Хирвонена и Клайтона,
акгивационно-пассивационного состояния и стойкости к питтингу
было достигнуто для сталей, относящихся к мартенситному клас-
су, например для сплава М50 (0,8 % С, 0,1 - 0,35 % Мп, 0,1 -
0,25 % Si, 4,0 - 4,5 % Мо, 0,9 - 1,1 % V) и подшипниковой стали
52100 (0,9 % С, 0,36 % Мп, 1,36 % Сг), приведенным в табл. 4.10.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 381
4.10. Рекомендуемые режимы имплантации
Материал	Ионы	Доза • 1017, см'2	Напряжение, кэВ
М50	Сг+	1,5	150
	Мо+	0,5	100
Сталь 52100	Сг+	2	150
	Р+	5	40
	Та+	1	150
Сочетание имплантации с другими методами
Одним из вариантов сочетания ионной имплантации с тради-
ционными методами упрочнения поверхности является легирова-
ние низкоэнергетическими ионами (Е < 1 кэВ) при температурах,
вызывающих эффективное перераспределение примеси диффузи-
онным путем. Такое сочетание легирования и диффузионного от-
жига позволяет получить модифицированные слои толщиной в
десятки микрометров, что значительно превосходит этот параметр
при ионной имплантации. В отличие от традиционного азотирова-
ния обеспечиваются отсутствие примесных атомов загрязнения и
варьирование структуры и свойств легированного слоя. Износо-
стойкость повышается за счет радиационных дефектов структуры,
образования твердых растворов и новых фаз при высоких дозах
легирования, изменения кинетики зарождения и движения дисло-
каций, создания сжимающих напряжений.
При такой обработке быстрорежущих сталей Р6М5 с твердо-
стью HRC3 64 - 65, полученной закалкой и двукратным отпуском
при 560 °C, повышены износостойкость в 3 раза, микротвердость в
1,8 раза (рис. 4.29). Процесс проходил при U- 500 В, t = 350 °C в
течение 0,5 - 1,5 ч. Выделения новых фаз в поверхности не обна-
ружено. Возникающие в поверхностном слое остаточные сжи-
мающие макронапряжения возрастают с увеличением легирования
до предела текучести около 700 МПа.
382 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Рис. 4.29. Зависимость твердости Нц и относительной
износостойкости 1/1а от времени облучения:
1 - твердость HV 5; 2 - твердость HV 20; 3 - твердость (0,2 Н);
1,2,4- отношение износостойкости легированных и исходных образцов
Испытания на износостойкость проводили по схеме цилиндр -
плоскость при максимальном контактном давлении 550 МПа.
Ионная обработка не сказывается на начальном и установившемся
коэффициентах трения, а существенно понижает его лишь в пери-
од приработки. Статистически значимых изменений топографии
поверхности не обнаружено.
Весьма перспективным для получения тонкопленочных
структур, защищающих от изнашивания и коррозии, является со-
четание воздействия ионных пучков с традиционными методами
нанесения покрытий. Использование метода осаждения с актива-
цией ионным пучком обеспечивает регулирование состава и сцеп-
ления с подложкой без каких-либо ограничений на толщину плен-
ки, имеющихся при прямой ионной имплантации.
Ионное азотирование
Процесс ионного азотирования осуществляется в тлеющем
разряде на поверхности детали (катод) в атмосфере аммиака, азота
или смеси водорода и азота при разрежении 133 - 665 Па и рабо-
чем напряжении 350 - 550 В. Процесс ионного азотирования мож-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 383
но рассматривать как двухстадийный: 1) очистка поверхности ка-
тодным распылением, обеспечивающая активацию поверхности и
разрушения оксидных пленок; 2) нагрев поверхности до темпера-
туры диффузии с насыщением ее азотом. При этом энергия иона
азота в 3000 раз превосходит энергию атома азота, получаемого в
условиях печного азотирования. Под действием ионной бомбарди-
ровки нитридный слой образует низкие нитриды железа
(FeN —> Fe3N —> Fe4N), азотистый aN - твердый раствор железа
(аы -> FeN), который, частично диссоциируя, диффундирует в бо-
лее глубокие поверхностные слои, образуя зону внутреннего азо-
тирования.
Азотированный слой на сплавах железа состоит из двух зон:
поверхностной нитридной (карбонитридной), развитой сравни-
тельно слабо, и диффузионного подслоя - зоны внутреннего азо-
тирования.
Структура поверхностной нитридной зоны зависит от потен-
циала насыщающей среды при азотировании и состава азотируе-
мого сплава. Для металлов, образующих один нитрид (молибден,
ванадий), нитридная зона состоит из этого нитрида. Для металлов,
образующих два и более нитридов, нитридное покрытие состоит
из последовательно расположенных нитридных слоев.
При азотировании железа и его сплавов в среде с высоким азот-
ным потенциалом нитридная зона состоит из последовательно рас-
положенных нитридных слоев: Fe2N (£-фаза) -> Fe2.3N (е-фаза) ->
Fe4N (у-фаза) - и нередко содержит большое количество пор,
что приводит к снижению твердости и контактного сопротивления
усталости. Для устранения пор в диффузионном слое нужно сни-
зить концентрацию азота в 8-фазе уменьшением активности насы-
щающей атмосферы.
Кроме того, покрытия высокоазотистого нитрида Fe2N
(£-фаза) имеют низкую пластичность по сравнению с высокой
пластичностью малоазотистых нитридных фаз Fe3N, Fe4N.
384 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
В процессе азотирования в среде, содержащей источники ки-
слорода, нитридная зона приобретает оксикарбонитридный харак-
тер. При азотировании железа и его сплавов в жидких средах или
аммиаке с добавлением углеродсодержащих газов образуется нит-
рид Fe3(N, С) или Fe3(N, С, О), что ведет к повышению пластично-
сти.
Зона внутреннего азотирования состоит из азотистого твердо-
го раствора основного металла, его нитридов и нитридов леги-
рующих элементов. По азотной активности легирующего элемента
различают зоны внутреннего азотирования первого и второго ро-
да. Для первого рода характерно выделение нитридов основного
металла, а для второго рода - нитридов легирующих элементов.
Зона внутреннего азотирования повышает предел прочности и
контактную выносливость. Однако зона внутреннего азотирования
содержит и множество пор, что снижает сопротивляемость элек-
трохимической коррозии. Фазовые и структурные различия по-
верхностных слоев достигаются за счет варьирования скорости
катодного распыления, которая изменяется в зависимости от на-
пряжения и давления газа, а также за счет состава фазовой среды.
Легирующие элементы уменьшают толщину азотированного
слоя, резко повышают твердость поверхности по сечению диффу-
зионного слоя. По степени повышения твердости при азотирова-
нии легирующие элементы можно расположить в ряд: Мо, Сг, Мп,
Si, Ni.
При содержании титана более 0,6 %, ванадия более 1 % и
хрома более 2 % образуются нитриды легирующих элементов.
Легирование железа большинством нитрообразующих элементов
(Ti, V, Сг, Mo, W, Nb, Zn) увеличивает растворимость азота в же-
лезе, при легировании А1 и Si она снижается. Сильно повышают
растворимость азота в феррите хром и ванадий, растворимость
азота при этом может достигнуть 2 - 3 %. Ниобий и цирконий за-
держивают развитие нитридной зоны, измельчают зерно, снижают
хрупкость азотированного слоя и повышают твердость.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 385
Применение азотирования для поверхностного упрочнения
Азотированный слой можно рекомендовать для:
упрочнения спеченных металлокерамических сплавов;
деталей, работающих на изнашивание в коррозионной среде
при малых контактных нагрузках;
упрочнения углеродистых и легированных сталей, не содер-
жащих алюминия (азотированный слой с нитридной зоной);
деталей, работающих при знакопеременных нагрузках в усло-
виях изнашивания при высоких давлениях (азотированный слой с
развитой зоной внутреннего азотирования);
режущего и штампового инструмента (азотированный слой
без нитридной зоны);
сталей, содержащих алюминий (38Х2МЮА), работающих в
режимах динамического изнашивания и при ударных нагрузках
(азотированный слой без нитридной зоны).
Варьируя параметры технологического процесса ионного азо-
тирования (давление, температуру, продолжительность, состав
газовой смеси), можно решать вопросы структуры и свойств по-
верхностного слоя. Лучшей износостойкостью обладают нитрид-
ные поверхностные зоны с максимальной пластичностью. Образо-
вание в слое большого количества высокоазотистого малопла-
стичного нитрида Fe2N и перенасыщенность слоя азотом ухудша-
ют износостойкость материала. Хорошей износостойкостью обла-
дают материалы, азотированные в смеси 75 % N2 + 25 % Аг. Чем
выше температура азотирования, тем больше глубина азотирован-
ного слоя (рис. 4.30). Глубина азотированного слоя изменяется в
зависимости от содержания аргона в смеси для различных сталей
по-разному. Разбавление азота аргоном в насыщенной среде влия-
ет на пластические характеристики (рис. 4.31).
Распределение азота по толщине диффузионного слоя пока-
зывает, что характер концентрационных кривых низколегирован-
ных сталей одинаков при всех способах азотирования. При высо-
ком содержании азота на поверхности (6 - 7 %) имеет место его
13 — 6780
386 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Рис. 4.30. Влияние температуры на глубину азотирования
(по данным В. Г. Каплуна):
1 - сталь 20Х; 2 - сталь 40Х; 3 - сталь 38ХМЮА;
4 - сталь 45Х (среда 100 % N2, р = 265 Па, т = 6 ч)
Рис. 4.31. Распределение аргона по толщине азотированного слоя:
1 - сталь 20Х; 2 - сталь 40Х; 3 - сталь 38ХМЮА;
4 - сталь 45Х (среда 100 % N2, р = 265 Па, т = 6 ч)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 387
М,7.
«)

9}
Рис. 4.32. Распределение азота по толщине диффузионного слоя
в заготовке из сталей 38ХС (а) и 13Х11Н2В2МФ (б):
h - расстояние от поверхности; 1 - вакуумное азотирование;
2 - ионное азотирование; 3 - газовое азотирование
резкое уменьшение в тонком слое (0,02 - 0,03 мм), насыщенном
нитридами. В зоне твердого раствора с меньшим содержанием
нитридов концентрация азота практически не изменяется (рис.
4.32). Для высокохромистой стали 13Х11Н2В2МФ различие в на-
сыщении азотом максимально при ионном азотировании, что кор-
релирует с данными табл. 4.11 и характером распределения твер-
дости по толщине диффузионного слоя (рис. 4.33).
Рис. 4.33. Распределение твердости
по толщине диффузионного слоя
в заготовке из стали 13Х11Н2В2МФ:
1 - газовое азотирование;
2 - ионное азотирование;
3 - вакуумное азотирование
13*
388 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Рис. 4.34. Влияние давления на глубину азотирования:
1 - сталь 40Х; 2 - сталь 38ХМЮА;
3 - сталь 20Х (среда 75 % N2 + 25 % Аг, Т= 520 °C, т = 4 ч)
Максимальная глубина азотированного слоя и нитридной зо-
ны получается при давлении 267 Па (рис. 4.34).
Зависимость глубины азотированного слоя от времени вы-
держки имеет параболический характер независимо от марки ста-
ли и параметров азотирования, они влияют только на абсолютное
значение глубины азотированного слоя.
4.11. Твердость азотированного слоя
Материал заготовки	Температура азотирования, °C	Скорость насыщения, мм/ч, при азотировании		
		газовом	ИОННОМ	вакуумном
Сталь 38ХС	500-600	0,010	0,020 - 0,045	0,02-0,04
Сталь 13Х11Н2В2МФ	560-600	0,002 0,008	0,019 0,025	0,02 0,01
Материал заготовки	Температура азотирования, °C	HV после азотирования		
		газового	ИОННОГО	вакуумного
Сталь 38ХС	500-600	600-800	600-800	520-890
Сталь 13Х11Н2В2МФ	560-600	800-950	560-1100	720-1100
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 389
Рис. 4.35. Изменение твердости в зависимости от продолжительности
процесса азотирования поверхности заготовки из стали 40Х:
1 -/ = 500°C;2-/ = 550°C;3-/ = 600°C; 4- / = 650°C
(среда 75 % N2 + 25 % Аг, р = 250 Па)
С увеличением продолжительности азотирования твердость
увеличивается незначительно. Наиболее интенсивное повышение
твердости имеет место в первоначальный период (первые 1 - 3 ч),
а после т = 6 ч процесса твердость практически не увеличивается.
С повышением температуры азотирования твердость конструкци-
онных сталей уменьшается. Распределение твердости по толщине
диффузионного слоя в заготовке из стали 13Х11Н2В2МФ пред-
ставлено на рис. 4.35. При ионном азотировании кривая изменения
твердости по глубине азотированного слоя падает менее круто, что
свидетельствует о более равномерном распределении микротвер-
дости по глубине слоя, а также неоднородности его фазового со-
става.
Основным фактором, влияющим на твердость азотированного
слоя сталей Р6М5, Р18, является состав твердого раствора, прежде
всего содержание W, Mo, V. Высокая концентрация легирующих
элементов и большое количество дисперсных карбидов в стали
Р6М5 уменьшают глубину диффузионного слоя. Повышение тем-
пературы и продолжительности азотирования приводит к росту
нитридной и диффузионной зон азотированного слоя. Нитриды,
390 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
осаждающиеся в азотированном слое, обладают повышенной дис-
персностью, твердостью и устойчивостью против коагуляции при
нагреве. При более высоких температурах и выдержках на поверх-
ности быстрорежущей стали образуется е-фаза, обогащенная леги-
рующими элементами и обладающая повышенной хрупкостью.
Диффузионная зона имеет высокую твердость и вязкость и обес-
печивает повышение сопротивления усталости. Диффузионная
зона и зона соединений имеет также высокую теплостойкость (до
500-600 °C).
Для повышения вязкости диффузионного слоя и износостой-
кости инструмента, работающего в условиях знакопеременных
изгибающих нагрузок (сверла, развертки, зенкера), рекомендуется
отпуск при 300 °C в течение 1 ч в камере азотирования.
При азотировании конструкционной стали ШХ15 сопротивле-
ние контактной усталости (питтингообразование) их невелико.
Сопротивление контактной усталости может быть повышено соз-
данием азотсодержащих слоев толщиной не менее 0,1 - 0,5 мм и
проведением после азотирования закалки и отпуска. При азотиро-
вании в тлеющем разряде следует учитывать, что при температу-
рах, близких к 600 °C, растворимость азота в a-железе повышается
до 0,42 %. Микротвердость (700 - 800 ГПа) и толщину (0,4 -
0,5 мм) обеспечивает режим ионного азотирования (содержание
компонентов в смеси 25 % Nj + 75 % Аг, температура насыщения
580 °C, давление при насыщении 665 Па, длительность процесса
4 ч) и термической обработки (закалка при 860 °C в течение
25 мин, отпуск при 160 °C в течение 30 мин). Возникающие при
таких режимах азотирования сжимающие напряжения могут быть
понижены варьированием состава насыщающей среды. С увеличе-
нием содержания аргона устойчивость у-фазы возрастает.
На рис. 4.36 приведена диаграмма рекомендуемых режимов
азотирования поверхности заготовки из стали ШХ15 в зависимо-
сти от температурно-временнбго фактора, позволяющего опреде-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 391
Рис. 4.36. Диаграмма режимов ионно-плазменного азотирования
поверхностей заготовок из стали ШХ15:
1 - область рекомендуемых режимов; 2 - область режимов,
при которых образуется тонкий и непрозрачный подслой
лить качество деталей. Для использования температур насыщения
достаточно выдержки 4 ч, чтобы получить покрытие со стабиль-
ными качественными параметрами.
Для упрочнения поверхностей заготовок из сталей ШХ15,
30X13 применяют сверхнауглероживание до 3,5 - 5,5 % с после-
дующим азотированием Азотирование науглероженных деталей
рекомендуется проводить в безводородной или водородсодержа-
щей среде в плазме тлеющего разряда при 650 °C в течение 1 - 3 ч
при давлении 1 - 8 ГПа, напряжении 300 - 700 В и плотности тока
5-20 А/см2. Обработанные детали подвергают закалке (при
830 °C - из ШХ15; при 980 °C - из 30X13) и отпуску в масле (тем-
пература 180 °C для ШХ15 и 250 °C для 30X13). Толщина азоти-
рованного слоя 0,5 - 0,6 мм. Ударная вязкость азотированных по-
верхностей в безводородной плазме на 40 - 50 % выше ударной
вязкости поверхностей, азотированных в водородсодержащей ам-
миачной плазме. Твердость HRC, 67. Абразивная стойкость диф-
фузионного слоя увеличивается в 1,6 раза. Стойкость штампов из
стали ШХ15 увеличивается в 2,9 - 3,2 раза по сравнению со стой-
костью штампов, упрочненных глубинной закалкой.
392 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Износостойкость распространенной стали 45Х5В2ФС с
твердостью HRC3 48 - 50 может быть повышена в 2 раза.
Поверхность, подлежащая азотированию, очищается от ок-
сидов и загрязнения катодным распылением в среде водорода при
давлении 13,3 Па и напряжении 1000 В в течение 0,5 ч. Азотиро-
вание рекомендуется выполнять в смеси азота с водородом при
давлении 665 Па. Рабочая смесь, нагретая до 600 - 700 °C, должна
быть очищена от влаги и кислорода пропусканием через адсор-
бенты.
Температура азотирования 500 °C, длительность процесса
12 ч. Деталь охлаждают в рабочей камере.
На коррозионную стойкость стали 45Х влияют температура
азотирования, состав и давление насыщающей среды. С пониже-
нием температуры азотирования и повышением азотного потен-
циала насыщающей плазмы коррозионная стойкость стали в ки-
слом буферном растворе двухзамещенного фосфорнокислого на-
трия (10 г/л) и лимонной кислоты (5 г/л) повышается. С увеличе-
нием процентного содержания аргона в азотоаргонной смеси
уменьшается процентное содержание Е-фазы в нитридной зоне и
увеличивается скорость коррозии. Увеличение давления насы-
щающей среды при повышении азотного потенциала приводит к
уменьшению скорости коррозии.
При температуре азотирования 570 °C, насыщающей среде с
объемным содержанием 75 % N2 + 25 % Аг, давлении 265 Па сле-
дует корректировать время выдержки для образования стойкой
пленки оксидного характера. Этот способ повышает износостой-
кость в 2 - 7 раз, циклическую усталость в 1,4 раза.
Лазерная обработка
Лазерный луч - это мощный и концентрированный поток
электромагнитного излучения, отличающийся от других энергети-
ческих методов воздействия на вещество особо упорядоченным
состоянием. Промышленные лазерные системы делят на три ос-
новные группы: твердотельные; газовые, среди которых наиболее
распространен СО2-лазер; полупроводниковые. В настоящее время
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 393
осваивают перестраиваемые лазеры на кристаллах, твердотельные
лазеры на кристалле иттрий-литиевого флюорита, легированного
эрбием, длина волны излучения которого 1,73 мкм.
Лазерный луч отличается высокой плотностью энергии. По-
глощение металлами лазерного излучения приводит к мгновенно-
му увеличению энергии свободных и связанных электронов. Воз-
бужденные электроны сталкиваются с атомами решетки, время их
релаксации равно 10'12 с. Энергия лазерного излучения трансфор-
мируется в движение атомов, и температура поверхностного слоя
резко повышается. Этот тонкий поверхностный слой становится
интенсивным источником теплоты.
Быстрый теплоотвод в глубь металла приводит к возникнове-
нию закалочных структур в поверхностном слое. Преимуществом
лазерного термоупрочнения металлов является хорошая управляе-
мость процессом. По сравнению с другими источниками теплоты
геометрия лазерного луча легко изменяется оптическими приспо-
соблениями, что позволяет достичь труднодоступных местах дета-
лей, включая внутренние поверхности полых валов и отверстий.
После лазерной обработки упрочняется тонкий поверхност-
ный слой. При этом нет необходимости тратить энергию на про-
грев всей основы, предотвращается коробление обрабатываемой
заготовки. Искажение поверхности при лазерной обработке мини-
мально. Варьируя параметрами лазерного излучения, можно легко
управлять тепловыми полями поверхностной зоны, уменьшая тем-
пературные напряжения.
Режим лазерной обработки с оплавлением является средством
внедрения сторонних элементов в материал заготовки и получения
в ней наперед заданных свойств.
Лазерный луч используют для аморфизации поверхности, ла-
зерной наплавки, отжига, шокового упрочнения. Применение ла-
зерной обработки в комбинации с другими методами позволяет
либо улучшить качество уже нанесенного покрытия либо получить
новое комплексное покрытие (табл. 4.12).
394 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
4.12. Комбинированные методы улучшения качества
поверхности с помощью лазерной обработки
Метод	Материал заготовки	Ожидаемый результат
Лазерное легиро- вание легкими элементами и кар- бонитридами	Стали 40Х, 45, 65Г	Под слоем карбонитридов (15 - 20 мкм) создается слой азотисто- го мартенсита толщиной 150 - 200 мкм, далее - зона углероди- стого мартенсита до 2 - 3 мм
Легирование при лазерном нагреве с последующим азотированием	Стали 20 и 35	Микротвердость при легирова- нии алюминия составляет 18 000 - 20 000 МПа. Износо- стойкость увеличивается в 15 раз по сравнению с износостойко- стью при азотировании
Последовательные ионное и лазерное воздействия	Стали 95X18 и 45	Уменьшение размеров зерен и дробление блоков. Микротвер- дость возрастает на 15 - 20 % по сравнению с микротвердостью при отдельной имплантации азо- та или лазерной закалке
Термопластиче- ская обработка при лазерном оп- лавлении	Углероди- стые стали	Рост дисперсности структуры и сжимающих напряжений, что ведет к увеличению микротвер- дости
Цементация + ла- зерная обработка	Стали 20 и 20Х43Л	Повышение временного сопро- тивления и износостойкости
Нанесение интер- металлидных по- крытий + лазерное оплавление	Порошок системы Ni-Al	70 %-ное насыщение материала подложки при толщине слоя 0,3 - 0,4 мм. Высота неровностей не превышает 160 мкм. Микро- твердость 4500 - 5000 МПа. Гид- роабразивная стойкость увеличи- вается в 1,6 - 2 раза
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИИ 395
Продолжение табл. 4.12
Метод	Материал заготовки	Ожидаемый результат
Лазерное облуче- ние и последую- щая электродуго- вая ОУО	Стали 45 и 40Х	Уменьшаются параметры шеро- ховатости и волнистости
Борохромирова- ние + лазерная обработка	Сталь 40Х	Микротвердость возрастает до 2340 МПа
Предварительная закалка в масле, отпуск при 625 °C и последующая лазерная обработка	Низколегиро- ванная сталь	Микротвердость увеличивается от 620 до 730 МПа
Никелирование и оплавление при лазерном облуче- нии	Сплав А1 с 5 % Si и 3 % Си	Толщина покрытия 250 мкм. Структура - тонкодисперсные дендриты Al3Ni и Al в межденд- ритных участках, 500 - 600 HV, зона термического влияния 10-30 мкм
Гальваническое покрытие Ml - В+ + лазерная обра- ботка		Микротвердость 6400 - 7510 МПа
Электроэрозион- ное покрытие электродом из ВК8 + лазерное оплавление	Среднеугле- родистая сталь	Формируется зона термического влияния большой толщины, уменьшаются параметры шеро- ховатости, высота микронеров- ностей 20 мкм, низкая порис- тость и значительная микротвер- дость
396 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.12
Метод	Материал заготовки	Ожидаемый результат
Лазерная обработ- ка + электроис- кровое легирова- ние	Стали XI2М иХВГ	Лазерная закалка приводит к соз- данию твердой подложки, кото- рая препятствует продавливанию предварительно нанесенного слоя. Стойкость штампов увели- чивается в 2,5 раза
Лазерная обработ- ка + ППД	Чугун	Изменяет значение и характер распределения остаточных на- пряжений с целью увеличения сопротивления усталости
Борирование + + лазерное облу- чение	Инструмен- тальные стали	Микротвердость увеличивается от 14 000 до 18 000 МПа. Устра- няется скол боридного слоя с режущей кромки
Комплексное ла- зерное и криоген- ное упрочнение	Стали XI2, ХВГ, Р6М5	Твердость увеличивается от 730 - 830 после закалки и отпус- ка до 1100 HV
Комплексное ла- зерное и ультра- звуковое упрочне- ние		Уменьшение параметров шеро- ховатости при исходной Ra = 0,63 мкм после совмещен- ной обработки Ra = 0,25 мкм. Твердость HVioo 1200 - 1600 при исходной HVioo 250
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 397
Упрочнение штампов инструмента лазерной закалкой с циа-
нированием дало положительные результаты (табл. 4.13). Реко-
мендуемые состав и режимы обработки: обмазка - 25 % желези-
стосинеродистого калия (K.4Fe(CN6)), связующее - клей БФ6, раз-
веденный ацетоном (20 - 25 % по массе), энергия излучения 12 -
16 Дж.
Лазерная обработка заготовок из сталей и чугунов значитель-
но увеличивает износостойкость. В условиях трения скольжения
стали 45 по твердому сплаву коэффициент трения после лазерной
закалки непрерывным лазером уменьшается на 10 % по сравнению
с коэффициентом трения при нормальном или улучшенном со-
стоянии. Лазерную обработку нормализованных или отожженных
сталей рекомендуется проводить при малых скоростях (менее
15 м/с) сканирования лазерным лучом. Такие же результаты полу-
чаются при лазерной обработке заготовок из сталей после их за-
калки и высокого отпуска.
По данным проф. А. Г. Григорьянца, обработка непрерывным
излучением заготовок из сталей 09Г2, 35, 45, 40Х, 75Г приводит к
повышению предела выносливости до 520 МПа (в исходном со-
стоянии 200 - 300 МПа). Повышение предела выносливости и
контактной прочности обеспечивается за счет образования высоко-
4.13. Износ, мкм, поверхности заготовки после
различных ввдов обработки
Материал заготовки, сталь	После термооб- работки (ТО)	ТО + лазерная за- калка	ТО + лазерная закалка с циани- рованием
40Х	56,2	41,4	35,1
У8А	44,2	37,0	23,2
У10А	42,0	34,1	22,4
ХВГ	30,6	25,6	19,3
Х12М	27,1	22,0	15,6
398 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Ивриайиая подврхиоапь
Рис. 4.37. Схема упрочнения галтелей валов
Рис. 4.38. Кривые усталости ступенчатых образцов из стали 45
в зависимости от вида упрочнения переходной поверхности вала:
I - без упрочняющей обработки; 2 - упрочнение роликом;
3 - электромеханическое упрочнение; 4 - лазерное упрочнение
твердой мартенситной структуры. Сравнительные испытания по
упрочнению переходных поверхностей валов показали эффектив-
ность лазерного упрочнения (рис. 4.37,4.38).
Для обеспечения глубины упрочнения до 300 мкм заготовки
из чугуна СЧ18 оптимальная плотность энергии лазерного облуче-
ния должна быть 8 - 104 Вт/см2. Структура поверхностного слоя
состоит из ледебуритных участков, которые придают поверхности
противозадирные и износостойкие свойства. Оптимальные режи-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИИ 399
мы без оплавления поверхности чугуна достигаются при обработ-
ке заготовки с плотностью энергии 2 • 104 Вт/см2. Получаемая
твердость по Виккерсу HV 666 ... 677, до упрочнения HV 262.
В общей проблеме трения и изнашивания фреттинг занимает
особое место в связи с широким комплексом физико-химических
явлений. Лазерная обработка может эффективно повысить фрет-
тинго-стойкость мест сопряжений деталей машины.
В табл. 4.14 приведены результаты влияния лазерного облу-
чения на фреттинг-износ заготовок из сталей с различным содер-
жанием углерода. Термоупрочнение проводили на установке
«Квант-16». Режим обработки: энергия луча в импульсе 19 Дж,
длительность импульса 7 - 103 с, частота следования импульсов
1 Гц. Лазерная обработка во всех случаях приводит к уменьшению
глубины повреждения, причем чем больше процентное содержа-
ние углерода в стали, тем больше эффект. Глубина фреттинг-
повреждения заготовки из стали 30 уменьшалась в 2,4 раза, из ста-
ли 50 - в 1,5 раза, из стали 70 - в 3,6 раза, из стали У10 - в 4,6 раза.
4.14. Фреттинг-износ, мкм, после лазерной
обработки (ЛО) заготовки из стали
Материал заготовки, сталь	А = 34 мкм, о = 35 МПа		А = 34 мкм, п = 113 МПа		А = 112 мкм, 0 = 35 МПа		А = 112 мкм, 0=113 МПа	
	до ЛО	после ЛО	до ЛО	после ЛО	до ЛО	после ЛО	до ЛО	после ЛО
10	12	8,25	7,5	3,75	22	14,5	33	20,5
30	15	9,5	10	5,5	21,5	8,5	38,0	13,5
50	88	25	5	2,5	16	6,5	21	17
70	7,5	10,5	5,25	15	6	4,5	22	6
У10	15	3,25	18	6,25	6	7,5	23,5	10
400 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
CottpxtHus yuepeia, У.
Рис. 4.39. Зависимость минимальной глубины фреттинг-
повреждений от содержания углерода в стали:
А - 112 мкм; Р = 1,0 Н; ст = 35 МПа; 1 - до ЛО; 2 - после ЛО
Увеличение амплитуды микроперемещений приводит к пара-
болической зависимости износа от содержания углерода в стали.
Для исходной поверхности оптимум соответствует стали с содер-
жанием углерода 0,7 %. Лазерная обработка несколько смещает
точку, соответствующую минимальному износу, в сторону умень-
Рис. 4.40. Зависимость максимальной глубины фреттинг-
повреждений от содержания углерода в стали:
А - 112 мкм; Р = 3,3 Н; ст = 113 МПа; 1 - до ЛО; 2 - после ЛО
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 401
Лазерная обработка наиболее эффективна для сталей с содержани-
ем углерода от 0,3 до 0,5 %. Износостойкость в этом случае воз-
растает в 4 - 5 раз. С ростом нагрузки в месте контакта повышение
износостойкости проявляется еще существеннее для всех рассмат-
риваемых сталей (рис. 4.40).
В условиях жесткой конкуренции одним из направлений в по-
вышении долговечности изделий машиностроения без их удоро-
жания является использование различных покрытий.
Гальванические способы нанесения покрытий
Для улучшения эксплуатационных свойств рабочих поверхно-
стей деталей машин, в основном износостойкости, коррозионной и
эрозионной стойкости, применяют различные способы нанесения
металлических и неметаллических покрытий. Основные способы
нанесения гальванических покрытий приведены в табл. 4.15.
4.15. Основные виды гальванических покрытий и
области их применения
Способ нанесения покрытия	Толщина покрытия, мкм	Область применения
Хромиро- вание	Многослойное: 15 в легких усло- виях, 30 в сред- них условиях, 45 в тяжелых усло- виях	Хромовое покрытие стойко против действия окружающей среды, азотной и щелочной кислот, боль- шинства газов и органических кислот; горячая концентрирован- ная серная кислота и галоидные кислоты растворяют хром; хромо- вое покрытие хорошо выдержива- ет равномерно распределенную динамическую нагрузку, но раз- рушается при сосредоточенном ударе
402 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.15
Способ нанесения покрытия	Толщина покрытия, мкм	Область применения
Цинкова- ние	7 - 12 в легких условиях, 13-20 в средних усло- виях, 25 - 30 в тяжелых услови- ях	Для защиты от коррозии деталей, работающих во влажной окру- жающей среде, главным образом деталей из стали и чугуна; детали машин, стальные листы, детали ширпотреба, работающие на от- крытом воздухе, для повышения защитных свойств подвергают фосфатированию
Кадмиро- вание	7 - 10 в легких условиях, 10-15 в средних усло- виях, 20 - 50 в тяжелых услови- ях, 35 - 45 в спе- циальных усло- виях	Для защиты от коррозии конст- рукций, работающих в контакте с морской водой; защиты от корро- зии пружин, резьбовых и крепеж- ных деталей, работающих в легких условиях
Меднение	5-35	Медное покрытие не может слу- жить защитой от коррозии для железа, поэтому применяют как подслой при никелевом и хромо- вом покрытиях
Свинцева- ние	75 - 100 в сред- них условиях, 10 - 200 и даже 400 в тяжелых условиях	Защита от коррозии металличе- ских конструкций, работающих в условиях контакта с серной ки- слотой, растворами солей серной кислоты и сернистыми газами. Свинцеванию подвергают детали из стали, чугуна, меди, медных сплавов, алюминия и его сплавов. Для надежности защиты не долж- но быть пор
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 403
Продолжение табл. 4.15
Способ нанесения покрытия	Толщина покрытия, мкм	Область применения
Никели- рование	Никель без под- слоя: 12 в легких условиях, 24 в средних услови- ях, 36 в тяжелых условиях	Для защиты от коррозии и получе- ния декоративной поверхности; как подслой при хромировании никелем покрывают также детали приборов, аппаратов, автомобилей
Лужение	3-5 консервная тара, 20 - 25 пи- щевые котлы и посуда, 1 - 2 кон- такты приборов	Лужению подвергают детали из железа, стали, чугуна, меди, лату- ни, широко применяют в пищевой промышленности для покрытия контактов приборов, для защиты медных кабелей от серы, находя- щейся в резине, для защиты дета- лей специальной аппаратуры. За- щитные свойства покрытия на деталях из стали, железа, чугуна надежны только при отсутствии пор, беспористость достигается увеличением толщины покрытия
Латуниро- вание	3-5	Латунные покрытия хорошо сцеп- ляются с различными покрытиями, обладают хорошей сцепляемостью с каучуком, применяют как под- слой при серебрении, никелирова- нии, лужении и других покрытиях
Гальваническое хромирование может быть декоративным или
служить средством повышения коррозионной стойкости и износо-
стойкости деталей. Если хромирование применяют для защиты от
коррозии, то стальные детали предварительно покрывают слоем
404 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
меди толщиной 0,03 - 0,04 мм и слоем никеля толщиной 0,015 -
0,02 мм или только слоем никеля, после чего наносят слой хрома
толщиной 0,01 - 0,2 мм. Подслои необходимы также, когда детали
работают на износ в коррозионных средах.
Для повышения износостойкости деталей слой хрома толщи-
ной до 0,1 - 0,2 мм наносят непосредственно на стальную поверх-
ность. В этих случаях часто применяют электролитическое хроми-
рование. Электролитический хром обладает высокой коррозион-
ной стойкостью, низким коэффициентом трения, высокой твердо-
стью (НВ 1000 - 1100) и жаростойкостью. Хромовые покрытия
снижают коэффициент трения сопряженных пар, что уменьшает
тепловыделение при трении. Износостойкость хромированных де-
талей возрастает в 5 - 15 раз. При тщательной подготовке поверх-
ности прочность сцепления хрома со сталью, чугуном, никелем,
медью и латунью при испытании на сдвиг достигает 300 МПа. Од-
нако стали с высоким содержанием вольфрама и кобальта, а также
высокоуглеродистые стали и высококремнистые чугуны хромиро-
вать нельзя. Трудно получить хорошее сцепление хрома с поверх-
ностью деталей, испытывающих значительные внутренние напря-
жения (например, в результате неправильной закалки).
В качестве электролита для хромирования обычно применяют
хромовый ангидрид с добавками серной кислоты (табл. 4.16). Не-
растворимые аноды изготовляют из свинца или сплава с сурьмой.
Электролиты с более низкой концентрацией хромового ангидрида
позволяют получить повышенную твердость хромового слоя. Од-
нако при работе с ними нужно чаще корректировать состав ванны
и применять более высокое напряжение.
Физико-механические свойства электролитических осадков
хрома зависят от режима хромирования и толщины покрытия. Раз-
личают три основных типа хромовых покрытий: молочные, бле-
стящие и матовые. Для декоративных целей применяют хромиро-
вание при плотности тока 10-50 А/дм2 и температуре электролита
45 - 50 °C. При этом получают гладкие блестящие поверхности.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 405
4.16. Состав хромовых электролитов
Концентрация хромового ангидрида	Содержание, г/л		Основное назначение
	СгОз	H2SO4	
Низкая	150	1,5	Повышение износостойко- сти деталей
Высокая	300-400	3,0-4,0	Декоративные цели
Средняя	200-250	2,0-2,5	Повышение износостойко- сти и декоративные цели
Молочные хромовые покрытия получают при температуре
электролита 65 - 72 °C и плотности тока более 15 А/дм2. Их при-
меняют главным образом для защиты деталей от коррозии. Для
повышения износостойкости деталей используют матово-
блестящие, молочно-блестящие осадки хрома, имеющие высокую
твердость. Их получают при плотностях тока 30 - 100 А/дм2 и
температуре электролита 55 - 65 °C.
Для повышения износостойкости деталей применяют также
пористое хромирование, отличающееся от твердого введением
операций травления (анодной обработки) после наращивания бле-
стящего, матово-блестящего или молочно-блестящего хрома,
дающего сетку тончайших трещин. Травление ведут в той же ван-
не, что и хромирование, причем анодом служат обрабатываемые
детали, а катодом - свинец. Глубина пор может быть 0,5 - 1,0 мм,
а их площадь 20 - 50 %.
Оптимальная плотность тока для получения покрытий с тон-
чайшими первичными трещинами 40 - 60 А/дм2 при температуре
электролита 50 - 75 °C. С повышением температуры пористость
уменьшается, а ширина каналов (пор) увеличивается (сетка пор
становится редкой).
В зависимости от режимов обработки пористость может быть
канальчатой (с сечением каналов примерно 0,05 х 0,05 мм) или
точечной. При плотности тока 40 А/дм2 и температуре электролита
406 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
45 - 60 °C для получения канальчатого пористого покрытия анод-
ную обработку ведут в течение 7-8 мин, для получения точечного
покрытия 11-12 мин. В первом случае травят молочные и молоч-
но-блестящие осадки, во втором - матовые и матово-блестящие с
последующей притиркой. Точечная пористость обладает большей
маслоемкостью, поэтому ее применяют для упрочнения деталей,
работающих в особо тяжелых условиях, например для верхних
компрессионных поршневых колец двигателей. Точечная порис-
тость характеризуется быстрой прирабатываемостью, но износо-
стойкость покрытия с точечной пористостью несколько ниже из-
носостойкости канальчатого покрытия. Канальчатое покрытие
применяют для гильз цилиндров. Износ пористохромированных
гильз и поршневых колец меньше нехромированных в 4 - 7 раз,
причем износ сопряженных стальных деталей уменьшается в
3-5 раз.
Наряду с пористыми покрытиями для повышения износостой-
кости деталей применяют плотные покрытия, наносимые по на-
катке. Срок службы их в 1,5-2 раза больше пористых покрытий, а
расход хрома меньше (30 - 50 % от расхода при канальчатом хро-
мировании).
После хромирования детали часто подвергают шлифованию и
доводке. При снятии большого слоя хрома для сохранения порис-
тости после механической обработки шлифование иногда выпол-
няют в два этапа: предварительное после хромирования и оконча-
тельное после анодной обработки. Шлифование хромированных
деталей рекомендуется выполнять шлифовальными кругами
СМ1-С2 зернистостью 36 - 46 или СМ1-С1 зернистостью 60 - 80
при скорости вращения круга 20-35 м/с, скорости вращения дета-
ли не менее 10 м/мин, глубине резания 0,005 - 0,015 мм/дв. ход,
подаче 0,2 - 0,5 (в долях круга) и расходе охлаждающей жидкости
15 л/мин. При обработке, особенно анодной, у выхода из каналов
появляются бугорки высотой до 0,8 мкм, поэтому отделочное
шлифование, хонингование или доводку рекомендуется выполнять
после анодной обработки.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 407
Качество хромового покрытия контролируют дважды: после
хромирования и после шлифования. При предварительном кон-
троле наружным осмотром выявляют наросты, непокрытые места,
отслаивание, чешуйчатость, раковины, следы шелушения и другие
дефекты.
Упрочнение хромированием широко применяют в машино-
строении и приборостроении для повышения износостойкости ци-
линдров и двигателей, поршневых колец, плунжерных пар топ-
ливных насосов дизелей и других деталей, а также при изготовле-
нии и ремонте режущего, измерительного инструмента и штампов.
При хромировании калибров, пробок, скоб, крепежных дета-
лей, арматуры толщина слоя хрома 3-10 мкм; деталей, работаю-
щих при давлении выше 2,5 МПа с динамическими нагрузками и
нагревом [пресс-форм для литья под давлением, пуансонов, мат-
риц для алюминия, режущего инструмента (развертки, фрезы,
прошивки, зенкеры)], 15 мкм; деталей, у которых хромированная
поверхность соприкасается с металлом, парами и газами под дав-
лением и покрытие подвергается нагреву (пресс-форм для пласт-
массы, формовочных штампов, сопел), 30 - 50 мкм; деталей, рабо-
тающих при средних давлениях (0,5 - 2,5 МПа), например шеек
роторов, шпинделей, пальцев и валиков в шарнирах, соединитель-
ных пальцев, поверхностей шеек и кулис, 50 - 60 мкм; деталей,
работающих на изнашивание поверхности при давлении 0,5 МПа,
например измерительных инструментов (калибров, пробок, скоб,
направляющих валиков и втулок), до 80 мкм; деталей, работающих
без динамических нагрузок и без перемещений хромированной
поверхности (гнезд подшипников; деталей, требующих доводки),
до 100 мкм; трущихся деталей станков, машин и механизмов (шеек
валов и зубчатых колес, соединительных пальцев, валиков, щек
кулис, шпинделей, шеек осей, реек, червяков) - 10 - 15 мкм; дета-
лей, требующих восстановления размеров, прессовых и плотных
соединений, гнезд шарикоподшипников - до 1000 мкм; цилиндров
двигателей внутреннего сгорания - 20 - 50 мкм; вытяжных и об-
408 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
рубных штампов - 3 - 10 мкм; пресс-форм для пластмасс, резины
и стекла - 40 - 60 мкм; пресс-форм для литья металла под давле-
нием - 10 - 20 мкм.
Качество хромирования зависит от выбора подвесного уст-
ройства, расположения анодов по отношению к покрываемой по-
верхности и защиты мест, не подлежащих покрытию. Подвесные
устройства нужно конструировать так, чтобы между анодом и ка-
тодом (покрываемой поверхностью) было одинаковое расстояние
по всему объему ванны, а электролит был ограничен непроводя-
щими ток поверхностями, предотвращающими отклонение сило-
вых линий. Утечка устраняется полной изоляцией одного из элек-
тродов. Для выхода газов, образующихся между анодом и като-
дом, можно делать отверстия в аноде. Равномерности отложения
хрома, особенно при размерном хромировании, способствует ус-
тановка в ванне экранов. Нехромируемые места обычно изолиру-
ют листовым целлулоидом, целлулоидными лаками (цапонлак,
эмалит), полихлорвиниловым пластикатом.
Для покрытия небольших участков крупных деталей (напри-
мер, шеек длиной до 200 мм трансмиссионных и других валов
длиной 5 - 10 м) целесообразно применять местное хромирование,
без погружения в ванну всей детали.
Большой интерес представляет хромирование деталей, рабо-
тающих в условиях кавитационного разрушения. Стойкость мо-
лочного хромового осадка к кавитационному разрушению не зави-
сит от основного материала детали. Кавитационное разрушение
молочного хрома в 13 раз меньше износа стали 45; в этом отноше-
нии он не уступает высокохромистым сталям 9X13, Х9С2, а также
сталям У 8, ШХ15, ХВГ, обработанным на высокую твердость.
Твердое никелирование
Для повышения износостойкости трущихся поверхностей де-
талей и восстановления их размеров часто применяют твердое ни-
келирование. Никелевые покрытия имеют меньшую твердость,
чем хромовые, и обладают следующими преимуществами: они
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИИ 409
сравнительно легко обрабатываются, имеют большую вязкость
при толщине слоя до 2 мм; коэффициент линейного расширения
никеля близок к коэффициенту линейного расширения стали, в то
время как у хрома он в несколько раз выше.
При твердом никелировании требуется в 3 - 4 раза меньше
мощность источников постоянного тока, чем при хромировании, а
расход энергии примерно в 20 раз меньше.
Электролиты твердого никелирования имеют различные со-
ставы. На приборостроительных заводах рекомендуется использо-
вать электролит следующего состава: 140 г/л сернокислого никеля
и 300 г/л щавелевокислого аммония с кислотностью Н 7,5 - 8 при
плотности тока 10 А/дм2 и температуре электролита 75 - 80 °C.
Скорость осаждения никеля в таком электролите 50 - 60 мкм/ч;
получаемые осадки имеют микротвердость 5500 - 6500 МПа.
Для повышения твердости и улучшения сцепляемости с ос-
новным металлом детали, покрытые твердым никелем, желательно
в течение 1 ч подвергать термической обработке в муфельных пе-
чах при температуре 300 - 400 °C. Это на 2000 - 2500 МПа увели-
чивает микротвердость покрытия и повышает коррозионную стой-
кость деталей.
Технологический процесс твердого никелирования обычно
включает следующие операции: механическую обработку для
придания точности формы; устранение дефектов с поверхности,
подлежащей покрытию, и получение необходимой чистоты; изо-
ляцию мест, не подлежащих покрытию; обезжиривание деталей
венской известью; промывку в холодной воде; электролитическое
травление в серно-фосфорном электролите; промывку в горячей
воде; осаждение на рабочую поверхность сплава никель - фосфор;
термическую обработку при температуре 400 °C в течение 1 ч (она
увеличивает твердость слоя и прочность его сцепления с основа-
нием на 20 - 30 %); механическую обработку и окончательный
контроль.
410 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Травление ведут в электролите, состоящем из одной части
H2SO4 и четырех частей Н3РО4, при плотности тока 20 А/дм2 в те-
чение 2,0 - 2,5 мин. При выборе твердого никелирования как спо-
соба восстановления размеров и повышения износостойкости де-
талей следует учитывать, что в зависимости от состава электроли-
та и режимов обработки физико-механические свойства осажден-
ного сплава никель - фосфор резко изменяются. Так, с увеличени-
ем содержания фосфора в покрытии его твердость возрастает: при
отсутствии фосфора она составляет HRC, 32, а при содержании
1,5 % фосфора HRC3 57. Количество фосфора в сплаве регулируют
путем изменения концентрации гипофосфита в электролите; уве-
личение концентрации от 0,08 до 10 г/л повышает содержание
фосфора в покрытии.
Коррозионная стойкость фосфористо-никелевых покрытий в
условиях окружающей среды и в водопроводной воде выше хро-
мовых и обычных никелевых покрытий. Прочность сцепления с
мало- и среднеуглеродистыми сталями 120 - 140 МПа, с легиро-
ванными 70 - 90 МПа. Коэффициент трения стали по чугуну на
30 % ниже коэффициента трения стали по хрому; коэффициент
трения хрома по бронзе несколько выше. При трении без смазоч-
ного материала износостойкость покрытия в 2,5 - 3 раза выше, чем
износостойкость закаленной стали 45, и на 10 - 20 % ниже, чем
износостойкость хрома. Покрытия из фосфористого никеля мень-
ше снижают усталостную прочность, чем хромовые и обычные
никелевые. Изнашиваемость сопряженных деталей из различных
металлов при работе по фосфористо-никелевым покрытиям в 4 - 5
раз меньше, чем при работе по стали, и на 20 - 40 % меньше, чем
при работе по хрому.
Упрочнять и восстанавливать твердым никелированием мож-
но детали типа коленчатых валов, шпинделей металлорежущих
станков, поршневых пальцев, гильз цилиндров, поршней гидрав-
лических машин, направляющих втулок. Твердое никелирование
можно применять также при ремонте неподвижных посадок и де-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 411
талей приборов. При восстановлении таких деталей, как шпиндели
металлорежущих станков, шейки коленчатых валов, гильзы ци-
линдров, осаждают слой твердого никеля толщиной 0,75 - 1,25 мм.
Борирование
Электролитическое борирование заключается в том, что в ре-
зультате электролиза расплавленной буры Na2B4O7 создается эле-
ментарный бор, который в момент выделения диффундирует в ме-
талл, образуя на его поверхности бориды железа, а при наличии
углерода - карбиды бора. При электролитическом борировании
плотность тока 0,20 - 0,25 А/дм2. Температуру электролита регу-
лируют с помощью реле и контактного терморегулятора. Питается
установка постоянным током:
Основные технологические факторы, влияющие на физико-
механические и эксплуатационные свойства борированного слоя:
температура электролита, время выдержки и химический состав
материала обрабатываемых деталей.
Толщина борированного слоя на низколегированных сталях
при температуре до 950 °C составляет около 0,3 мм. При дальней-
шем повышении температуры она увеличивается мало, но значи-
тельно возрастает хрупкость слоя. С увеличением времени вы-
держки t толщина слоя возрастает по параболическому закону:
У1 =2Pt,
где 2Р - параметр, характеризующий скорость роста слоя.
Среднее значение параметра 2Р можно определить как тан-
генс угла наклона параболических кривых, построенных в коорди-
натах у2 = /. При выдержке более 8 ч сильно увеличивается хруп-
кость слоя. Твердость борированного слоя HV 2000 - 2500. Наи-
большую твердость имеет борированная поверхность деталей из
сталей 55С2А и 30ХГСА, несколько меньшую - из сталей 12ХН2А
и 12ХНЗА, еще меньшую - из сталей 40Х и 35.
412 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
При любой температуре (прочие условия одинаковые) макси-
мальная толщина борированного слоя получается на деталях из
стали ЗОХГСА и последовательно уменьшается на деталях, изго-
товленных из сталей 50С2А, 12ХНЗА, 12ХН2А, 35 и 40Х. Реко-
мендуется детали из указанных сталей борировать при температу-
ре 950 °C и выдержке 6 ч. При этих условиях получается слой наи-
лучшего качества и достигается высокая износостойкость бориро-
ванных деталей. Из сталей, подвергнутых сравнительным испыта-
ниям, после борирования наиболее износостойкой оказалась сталь
12ХН2А, а затем стали 12ХНЗА и 40Х.
Слой бора не изменяет своих свойств при нагреве до темпера-
туры 950 °C и обладает повышенными кислотостойкостью и жаро-
стойкостью при температуре до 800 °C. Прочность его сцепления с
основным металлом такая же, как и прочность цементованного
слоя. Высокая твердость слоя бора сообщает поверхности деталей
хорошую износостойкость. Вот почему борированием упрочняют
детали машин, работающие в тяжелых условиях (при наличии аб-
разивной среды и ударных нагрузок); к таким деталям можно от-
нести втулки буровых насосов. Как показал опыт, борирование
рабочей поверхности втулок позволяет увеличить их износостой-
кость почти в 4 раза по сравнению с износостойкостью втулок,
закаленных ТВЧ.
Оксидирование и фосфатирование
Все металлы на воздухе покрыты оксидной пленкой, которая
защищает их от воздействия окружающей среды, но толщина
пленки очень мала. Для получения оксидных пленок значительной
толщины прибегают к специальной химической, термической или
электрохимической обработке поверхности заготовки. Наиболее
широкое применение получили глубокое оксидирование и эмата-
лирование.
Глубокое оксидирование - процесс получения оксидных пле-
нок толщиной более 60 мкм с высокими микротвердостью (4000 -
4500 МПа), износостойкостью и хорошими электроизоляционны-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 413
ми свойствами. Этот процесс применяют для повышения износо-
стойкости зубчатых колес, деталей двигателей, текстильных ма-
шин и других деталей из алюминия и его сплавов с содержанием
не более 4,5 % Си и не более 7 % Si.
Износостойкость перечисленных деталей после оксидирова-
ния при работе со смазочным материалом повышается в 5 - 10 раз.
Для глубокого оксидирования используют электролит, содержа-
щий 180 - 200 г/л химически чистой или аккумуляторной серной
кислоты, не более 30 г/л алюминия и 0,5 г/л меди. При упрочнении
сплавов АМг, АМц, АЛ2 и АЛ4 анодная плотность тока поддер-
живается равной 2,5 - 5 А/дм2, а температура электролита 0 - 5 °C.
Начальное напряжение обычно составляет 20 - 24 В. При обработ-
ке вторичных сплавов температуру электролита рекомендуется
снижать до - 10 °C. Образование толстых оксидных пленок связа-
но с выделением большого количества теплоты в зоне оксида, ра-
зогревающего электролит у анода (покрываемой детали). Это при-
водит к разрыхлению пленки и травлению обрабатываемой по-
верхности. Для устранения местного разогрева поверхность детали
непрерывно охлаждают или интенсивно перемешивают электро-
лит. Применяют различные способы охлаждения. Можно охлаж-
дать внутренние поверхности льдом или пропускать охлаждающие
жидкости через отверстия или полости деталей с такой скоростью,
чтобы разница температуры жидкости на входе и выходе не пре-
вышала 1 °C. Часто для охлаждения используют специальные при-
способления.
Процесс глубокого оксидирования имеет некоторые техноло-
гические трудности, вызываемые нарушением режима охлажде-
ния, отклонением состава электролита от нормы, недостаточной
подготовкой поверхности, наличием на деталях острых углов и
граней. Для повышения стойкости деталей против коррозии их
после оксидирования и тщательной промывки в воде подвергают
специальной обработке для уплотнения оксидной пленки, чтобы
предотвратить влияние окружающей среды на металл через поры
414 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
пленки. Это делают пропиткой деталей в распыленном парафине
или воске, покрытием их олифой, лаками, осаждением в парах не-
растворимых солей, наполнением пор хроматами.
Эматалирование заключается в получении электролитическим
путем непрозрачных эмалевидных пленок толщиной 10-12 мкм с
микротвердостью 6000 - 7000 МПа, обладающих красивым деко-
ративным видом, а при использовании щавелевокислых электро-
литов - хорошими износостойкостью и диэлектрическими свойст-
вами. Пленки могут быть блестящими, матовыми, окрашенными.
По внешнему виду они напоминают фарфор, пластмассу, мрамор,
эмаль. Эматалевый слой стоек в органических растворителях, ми-
неральных и животных маслах, мылах, пищевых продуктах, орга-
нических кислотах, не трескается при ударных и сжимающих на-
грузках, выдерживает нагрев до 300 °C. Эти качества пленки ис-
пользуют для защиты от коррозии и отделки медицинских аппара-
тов, приборов, мебели, а также для повышения износостойкости
деталей машин из алюминиевых сплавов, в которых содержание
легирующих добавок не должно превышать 2 % Си, 1 % Fe,
1 % Ni, 8 % Zn, 8 % Mg и 1 % Мп. Для уплотнения эматалевой
пленки детали после обработки кипятят в дистиллированной воде.
В результате фосфатирования на поверхности деталей из уг-
леродистых и низколегированных сталей, чугуна и некоторых
цветных металлов (алюминий, магний, цинк, кадмий) получают
пленки нерастворимых солей марганца, железа и цинка толщиной
2-15 мкм. Фосфатный слой устойчив в воздухе, керосине, толуоле,
смазочных маслах и легко разрушается в щелочах и кислотах. Фос-
фатные пленки прочно удерживают масла, лаки, краски и обладают
хорошей адгезионной способностью. Они имеют невысокую меха-
ническую прочность и плохо сопротивляются истиранию. Фосфат-
ные пленки жаростойки при температуре 500 - 600 °C.
Фосфатирование применяют главным образом для защиты де-
талей от коррозии. Защитная способность пленок значительно по-
вышается после пропитки их смазочными материалами или мас-
лами.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 415
Химические способы нанесения покрытий
В промышленности применяют различные химические спосо-
бы нанесения никелевых, хромовых, кобальтовых, никель-
кобальтовых и других упрочняющих покрытий. Процесс химиче-
ского нанесения покрытий включает следующие операции: подго-
товку деталей к покрытию, нанесение покрытия на рабочие по-
верхности; термическую обработку, механическую обработку для
придания деталям необходимых размеров и чистоты поверхности.
Готовят детали к химическому покрытию так же, как и к гальвани-
ческому.
Примерный состав ванн и режимы нанесения покрытия хими-
ческим способом приведены в табл. 4.17.
4.17.	Состав ванны и режимы нанесения
химических покрытий
Состав ванны и режим обработки	Покрытие			
	никелевое	хромовое	кобальто- вое	никелько- бальтовое
Состав ванны, г/л:				
хлористый никель	21-30	—	—	30
хлористый кобальт	—	—	30	30
гипофосфит натрия	10-30	8,5	20	20
соль Рошеля	—	—	—	200
оксиацетат натрия	15-20	•—	—	—
хлористый алюминий	—	—	50	50
фтористый хром	—	—	50	50
хлористый хром	—	17	—	—
уксусная кислота (ледяная)	—	11 • 10'3	—	—
Скорость осаждения, мкм/ч	15-25	2,5-3	15	15
Оптимальная температура, 0 С	90-93	71-78	90-99	90-100
Количество щелочи для нейтрализации, г/л	4-6	10-11	9-10	8-10
416 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
После термической обработки покрытий при температуре
350 - 400 °C прочность их сцепления с основным металлом дета-
ли, твердость и износостойкость возрастают в 1,5 раза и более.
Прочность сцепления покрытия с основным металлом высокая,
например, со сталью 10 свыше 300 МПа. Слой, наносимый хими-
ческим путем, сцепляется с углеродистыми сталями прочнее, чем с
легированными или быстрорежущими.
Скорость осаждения упрочняющего металла зависит в основ-
ном от температуры ванны: с повышением температуры никелевой
ванны от 50 до 90 °C скорость осаждения никеля возрастает при-
мерно в 7 раз.
Химическое хромирование возможно только по подслою ни-
келя толщиной более 1 мкм. Для нормальной работы в ванну через
каждый час добавляют до 3 г/л гипофосфита и до 3 мг/л уксусной
кислоты и едкого натра. Катализаторами служат пластинки из же-
леза, алюминия или других металлов, которые контактируют с об-
рабатываемыми деталями. Для придания слою хрома более высо-
кой твердости детали нагревают до температуры 600 - 800 °C, а
затем механически обрабатывают (обычно полируют).
Усталостная прочность деталей, покрытых никелем и про-
шедших отпуск при температуре 400 °C, снижается на 30 - 45 %, а
износостойкость их повышается в 2 - 3 раза. Несмотря на значи-
тельно больший расход реактивов, чем при гальваническом спосо-
бе, химическое упрочнение никелем применяют для деталей топ-
ливной аппаратуры, силуминовых корпусов гидравлических насо-
сов, золотников и поршней гидравлических агрегатов из дуралю-
мина Д1. Химическое никелирование рекомендуется использовать
для защиты деталей, работающих в условиях среднего и повышен-
ного коррозионного воздействия, вместо многослойных гальвани-
ческих покрытий никель - хром и медь - никель - хром; это эко-
номит цветные металлы. Химический способ успешно применяют
при покрытии никелем керамики, пластмассы и других диэлектри-
ков для создания металлически проводящей поверхности. Такое
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 417
никелирование применяют также для деталей из алюминия и его
сплавов, титана и керамики, чтобы получить возможность паять их
мягкими припоями.
На некоторых предприятиях химическое никелирование по-
зволило заменить дорогие высоколегированные стали, работаю-
щие при температуре до 600 °C, менее легированными. Термиче-
ски обработанные никелевые покрытия вследствие их большой
твердости, хорошей прирабатываемости, высокой износостойко-
сти, возможности нанесения на различные детали сложного про-
филя должны найти широкое применение в машиностроении для
повышения надежности и долговечности деталей машин.
Химическое хромирование применяют для упрочнения дета-
лей машин и инструментов. Таким путем целесообразно упрочнять
режущие инструменты, предназначенные для работы с малыми
стружками и повышенными скоростями резания, а также измери-
тельные инструменты сложного профиля. Последние перед хро-
мированием обезжиривают и декапируют в 50 %-ном растворе со-
ляной кислоты. Хромированные химическим способом и затем
нитроцементованные резцы не уступают по качеству алмазным
расточным резцам. Химическое упрочнение особенно эффективно
для деталей сложных форм, так как стоимость его не зависит от
формы деталей.
Лакокрасочные покрытия
Применяют разнообразные лакокрасочные материалы, разли-
чающиеся по химическому составу, назначению и свойствам. На-
дежная и длительная защита металла от коррозии и дерева от
гниения достигается в том случае, если покрытие сплошное, газо-
и водонепроницаемое, обладает хорошей сцепляемостью с покры-
ваемой поверхностью, достаточной сопротивляемостью к механи-
ческим деформациям и химическим воздействиям, сопротивляе-
мостью истиранию, действию тепла, холода, солнечного света;
часто к лакокрасочным покрытиям предъявляются требования по-
вышенной стойкости против действия кислот, масла, бензина.
14 — 6780
418 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Для удовлетворения всех этих требований в машиностроении
применяют многослойные покрытия, каждый слой которых имеет
свое назначение. Непосредственно на поверхность заготовки нано-
сят слой грунта толщиной 15-25 мкм. Он хорошо сцепляется с
поверхностью и защищает ее от коррозии. На грунт наносят до
четырех слоев шпаклевки, которая выравнивает дефекты поверх-
ности (поры, царапины, углубления). Шпаклевка должна быть
твердой, хорошо сцепляться с грунтом и поддаваться механиче-
ской обработке (обычно шлифованию). На шпаклевку наносят
краску или слой эмали, которые улучшают внешний вид изделий,
а также повышают его твердость и сопротивляемость различным
воздействиям. При отсутствии дефектов поверхности краску или
эмаль можно наносить непосредственно на грунт. Число слоев
краски или эмали от двух до шести, толщина слоя 30 - 80 мкм.
Технологический процесс окраски включает операции подго-
товки поверхности, нанесения грунта, шпаклевки, краски или эма-
ли, сушки и обработки покрытия. Все операции, связанные с под-
готовкой к окраске и окраской детали, механизированы или авто-
матизированы. Трудоемкий и длительный процесс естественной
или конвекционной сушки заменяют терморадиационной сушкой.
Окраску кистью, окунанием или механическим распылением за-
меняют окраской распылением в электростатическом поле. Все это
позволяет получать прочные слои краски, хорошо защищающие
рабочие поверхности деталей от внешних воздействий, повышает
срок службы деталей, особенно из тонколистовых материалов. Ис-
пытания показывают, что при окраске в электрическом поле и
сушке в терморадиационной камере детали и узлы более коррози-
онностойки, чем при обычных окраске и сушке.
Лакокрасочные покрытия постоянно совершенствуют, и об-
ласть их применения расширяется. Например, в машиностроении
их используют для защиты материалов, изделий и оборудования,
эксплуатируемых в условиях тропического климата. НИИтрактор-
сельхозмаш г. Москва установил, что лучшими защитными свой-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 419
ствами для сельскохозяйственных машин, работающих в этих ус-
ловиях, обладают алкидно-меламиновые эмали, синтетические ав-
тоэмали и эмали О-ГФ-МЛ-4-2 зеленого цвета. Применение фос-
фатирующего грунта ВЛ-08 в сочетании с грунтом В-329 значи-
тельно улучшает стойкость покрытий. Внедрение указанных эма-
лей и грунтов позволяет улучшить товарный вид машин, повысить
их защитные свойства и в 2 раза удлинить срок службы покрытий
по сравнению с глифталиевыми эмалями.
Покрытие деталей пластмассами
Пластмассовые покрытия применяют для защиты от коррозии
химической аппаратуры и других изделий, а также для выравнива-
ния неровностей их поверхностей. По химической стойкости к
действию самых агрессивных сред, таких как концентрированные
кислоты и окислители, многие пластмассы превосходят даже бла-
городные металлы (золото и платину). Пленки пластмассы наносят
на поверхности деталей машин вихревым или газопламенным на-
пылением или облицовкой листовыми материалами. Для покрытия
деталей газопламенным и вихревым методами пригодны только
термопластичные материалы в виде мелкодисперсного порошка,
который при нагреве переходит в вязкотекучее состояние без су-
щественного разложения, а необходимые физико-механические и
химические свойства приобретает после охлаждения.
Ниже указаны материалы, применяемые для покрытия дета-
лей, и температура, °C, заготовки перед напылением.
Полиэтилен:
высокого давления.............................. 180 -	200
низкого давления...............................200 -	220
Полипропилен.....................................220 -	240
Фторопласт-3.....................................260 -	270
Фторопласт-4.....................................280 -	300
Процесс нанесения напылением пластмасс аналогичен про-
цессу металлизации напылением, отличаясь от него лишь нагре-
вом заготовок до указанной температуры.
14*
420 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Защитные покрытия обычно делают многослойными. Толщи-
на покрытия зависит от назначения детали и напыляемого мате-
риала. При использовании полиэтилена хорошую защиту от кор-
розии дает покрытие толщиной 0,25 - 0,35 мм, при использовании
фторопласта-3 - покрытие толщиной 0,18 - 0,25 мм. Чтобы при-
дать поверхности шероховатость, необходимую для лучшего сце-
пления с покрытием, и очистить ее от окалины, поверхность под-
вергают дробеструйной обработке, после чего очищают от пыли,
масляных пятен и других загрязнений, а затем фосфатируют. По-
верхности заготовки, не подлежащие покрытию, защищают метал-
лической фольгой, жестью и другими материалами, а отверстия
закрывают пробками. Перед напылением заготовки нагревают (до
температуры на 30 - 50 °C выше температуры плавления пласт-
массы) в шкафу, обогреваемом газом или электричеством, до тем-
пературы 400 °C. Сильный перегрев заготовки приводит к разру-
шению пластмасс.
Влажность порошка для напыления должна быть не более
0,3 %, размер зерна не более 0,2 мм. Для окраски порошком поли-
этилена в него добавляют 1 - 1,5 % пигмента и 1,5 - 4,0 % диокси-
да и титана и перемешивают в шаровой мельнице до получения
однородного цвета (в течение 40 - 60 мин). Методом вихревого
напыления можно наносить и многослойные покрытия. Для этого
рядом с нагревательным шкафом располагают две установки для
напыления, содержащие соответствующие порошки, и напыляют
слой сначала одного, а затем другого порошка. Оплавление и ох-
лаждение обычные.
Вихревым и эжекционным напылением можно покрывать де-
тали из различных металлов и их сплавов (сталь, чугун, алюми-
ний), из керамики и других материалов, выдерживающих нагрев
до температуры 300 - 500 °C (табл. 4.18).
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 421
4.18.	Пластмассы для покрытия деталей вихревым и
эжекционным способами
Пластмасса	Температура, °C		Область применения
	плавления	растекания	
Полиэтилен низ- кого давления	120	160-170	Антикоррозионное по- крытие, пригодное для контакта с пищевыми продуктами и химически активными средами
Полиамид	220	250	Антикоррозионное по- крытие для деталей, ра- ботающих на трение
Поликапролактам	215	250	Антикоррозионное де- коративное покрытие
Поливиниль- бутираль (бутвар)	160-167	260-270	
Ацетобутират- целлюлоза	120- 125	—	
Полиуретан	180	190	Антифрикционное по- крытие
Полипропилен	140-150	160-170	Антикоррозионное по- крытие
Наплавка материала
В последнее время для повышения надежности и долговечно-
сти деталей машин все более широко применяют наплавку на ра-
бочие поверхности деталей из металла с высокими эксплуатаци-
онными свойствами.
Газовой наплавкой упрочняют детали автомобилей, тракторов
и других машин, изготовленные из сталей 35, 40 и 45 (стартерные
шестерни маховика, распределительные валики). Рекомендуется
также упрочнять и восстанавливать этим способом детали из низ-
ко- и среднелегированных сталей 20Х, 20X3, 18ХГТ, ЗОХ, 35Х,
422 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
40Х (хромистых), 20ХН, 40ХН, 12ХНЗ (хромоникелевых) и 15ХФ
(хромованадиевой): зубчатые колеса, валы коробок передач и
трансмиссий, детали рулевого механизма. Детали из этих сталей в
процессе изготовления, как правило, проходят полную термиче-
скую обработку и при ремонте теряют начальные свойства в ре-
зультате нагрева при наплавке. Если повторная после наплавки
термическая обработка невозможна или нежелательна, наплавку
металла на такие детали проводят с охлаждением, опуская всю де-
таль, за исключением места, подвергаемого наплавке, в ванну с
водой. При упрочнении наплавкой присадочный материал выби-
рают более износостойкий, чем основной, для повышения износо-
стойкости деталей.
Наиболее широко применяют газовую наплавку на рабочие
поверхности инструментов из твердого сплава сормайт, дающего
возможность получать наплавленные слои толщиной 0,5 мм и бо-
лее. Сормайт часто наплавляют с помощью ацетиленокислого
пламени. В качестве основного металла для наплавки сормайта
рекомендуются углеродистые стали, особенно У8А. Его можно
наплавлять на легированные инструментальные (5ХНМ, ЗХВ8,
4ХВС) и низколегированные конструкционные (40ХН, 40Х) стали.
При наплавке деталей углеродистыми и низколегированными
сталями допускается значительное проплавление основного ме-
талла детали, а при наплавке сормайтом допустимо расплавление
лишь на глубину в несколько десятых долей миллиметра, иначе
происходят смешение основного и наплавляемого металлов, изме-
нение химического состава и ухудшение свойств наплавленного
слоя.
Толщину наплавленного слоя устанавливают в зависимости от
условий работы детали и глубины износа поверхности. По данным
отдела сварки ЦНИИТМаша, для деталей, работающих на истира-
ние, толщина слоя не должна превышать 2,5 - 4 мм; для режущих
кромок инструмента 1,5-3 мм; для деталей инструмента, испыты-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 423
вающих небольшую ударную нагрузку, 2 мм. При ручной наплавке
колебание толщины слоя может быть в пределах 0,25 - 0,5 мм.
Сормайтом № 1 чаще наплавляют слой толщиной 0,5 - 5 мм и
лишь иногда (например, для ножей бесцентрово-шлифовальных
станков и линеек прокатных станов при ширине поверхности не
менее 10 мм) толщиной 12 - 16 мм. Толщина слоя сормайта № 2
обычно 1,5 - 3,5 мм, а в отдельных случаях 7-10 мм. Покрытие
толщиной больше 1,5 мм обычно получают из нескольких слоев,
так как при покрытии в один слой сплав перемешивается с основ-
ным металлом. Если износ детали больше допустимой толщины
наплавки сормайтом, на поверхность предварительно наплавляют
присадочный материал, близкий по свойствам к основному метал-
лу детали, и только после этого - слой сормайта.
Для уменьшения деформирования детали при наплавке при-
меняют различные приспособления, в частности пластины из
красной меди, подкладываемые под деталь для отвода тепла. Для
получения наплавленной поверхности с ровной кромкой по бокам
детали устанавливают угольные или графитовые пластины, а для
предохранения отверстий от затекания сплава вставляют графито-
вые или угольные стержни. Чтобы сохранить основные размеры
детали, часто приходится снимать с поверхности, подлежащей на-
плавке, по всей ее ширине фаски толщиной, равной толщине слоя
наносимого сплава. При наплавке металла на режущие кромки
нельзя делать выточку или снимать фаску под углом 45°, так как
это приводит к непровару в прямых и острых углах, а также к вы-
крашиванию.
Наплавку сормайтом деталей строительных и дорожных ма-
шин, где требуется высокая износостойкость, можно производить
электродуговым способом на постоянном и переменном токе.
В этом случае производительность выше, но качество покрытия
хуже. Кроме того, присадочный материал (пруток сплава диаметром
5-6 мм) должен быть покрыт обмазкой толщиной 1,4 - 1,9 мм.
Обычный состав обмазки: 40 - 46 % мрамора, 27 - 33 % плавико-
424 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
вого шпата, 4 % металлического марганца, 10 % алюминия, 2 %
серебристого графита, 5 % феррохрома, 3,0 - 3,5 % стекла (от мас-
сы сухой смеси), 1,5 % бентонита (от массы сухой смеси).
Повышение износостойкости деталей машин в значительной
степени зависит от соответствия присадочного материала материалу
детали, а также отточного выполнения технологии наплавки.
Повышение износостойкости наплавленных слоев достигается
различными способами. Легирование металла, наплавленного под
флюсом, можно производить легированной проволокой при обыч-
ном флюсе; специальной проволокой (с легирующим порошком
внутри), специальным флюсом; покрытием поверхности пастой и
порошком.
Электродные материалы и флюсы, наиболее часто применяе-
мые при механизированной наплавке, указаны в табл. 4.19. Металл
с высокой износостойкостью часто наплавляют, используя высо-
колегированную проволоку, изготовляемую из листовой стали 08,
свернутую в трубку и заполненную порошковой шихтой, пред-
ставляющей собой смесь ферросплавов и других материалов.
4.19.	Электродные материалы и флюсы, применяемые при
механизированной наплавке
Назначение наплавки	Материал электрода (марка стали)	Флюс
Защита от коррозии и эрозии деталей гидротехнических сооружений	12X18Н9Т	АН-26
Облицовка деталей (из закаливающихся сталей) перед наплавкой	08	АН-348
Восстановление изношенных деталей	65Г	АН-60
Восстановление изношенных поверхно- стей деталей из стали 40Х с твердостью НВ 300 - 400 до твердости НВ 320 - 377	30ХГСА	АН-348-А
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИИ 425
Продолжение табл. 4.19
Назначение наплавки	Материал электрода (марка стали)	Флюс
Восстановление размеров изношенных валков прокатных станов перед износо- стойкой наплавкой	08, 08Г, 10Г2,15, 15Г, 10ГС	АН-348-Ш, ОСЦ-45, АН-348-А, ОСЦ-45
Восстановление размеров изношенных валков перед наплавкой износостойкого слоя; наплавка поверхности буртов и менее нагруженных калибров без повы- шения износостойкости	18ГСА, 30ХГСА, 40Г, 45, 60, 60Г	АН-348-А, ОСЦ-45
Восстановление размеров, повышение износостойкости и коррозионной стой- кости	20X13, Х20	АН-20, АН-22
Покрытие деталей подпятников и под- шипников крупных турбогенераторов перед заливкой баббитом	Медь 2	АН-20
Широко распространена полуавтоматическая и автоматиче-
ская наплавка с применением порошковой проволоки. Механизи-
рованной наплавкой упрочняют детали из мало-, среднеуглероди-
стых и низколегированных сталей, а также некоторые детали из
серого чугуна. Наплавку под слоем флюса применяют для деталей,
подвергающихся и не подвергающихся последующей термической
обработке. Закаленные детали перед наплавкой не требуют терми-
ческой обработки.
Износостойкость прокатных валков из стали 60ХГ, покрытых
сталью ЗХ2В8, в 2 - 4 раза выше износостойкости закаленных
валков без наплавки. Износостойкость наплавленного под флюсом
ЖС-320 металла валков из стали 55Х составляет 180 - 200 % изно-
состойкости основного металла. Стойкость опорных катков, на-
плавленных проволокой 30ХГСА под флюсом АН-348-А, в 5 раз
426 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
выше, чем стойкость катков, наплавленных электродом с меловой
обмазкой. Поверхностная закалка позволяет увеличить стойкость
еще в 2 раза.
Электрошлаковая наплавка основана на выделении теплоты в
расплавленном флюсе под действием электрического тока. Про-
цесс обычно сочетается с принудительным формированием по-
верхности металлической ванны кокилем, подкладкой или ползу-
ном. Высоколегированный наплавленный слой получают главным
образом за счет присадочного металла (проволоки, проката, отли-
вок, порошковой и электродной проволоки). Электрошлаковая на-
плавка имеет следующие преимущества перед дуговой: уменьша-
ется (с 30 - 40 до 10 - 15 %) доля основного металла в наплавлен-
ном слое; снижается расход флюса; лучше используется электро-
энергия; увеличивается коэффициент наплавки (до 20 - 25 г/(А -ч));
не приходится удалять шлаковую корку, так как наплавку обычно
ведут в один проход. Принудительное формирование наплавлен-
ного слоя позволяет сокращать припуски на механическую обра-
ботку; уменьшается вероятность образования пор и шлаковых
включений (легче удаляются газы и всплывают примеси). Мень-
шие скорости охлаждения и лучшие условия кристаллизации спо-
собствуют понижению склонности металла к образованию горячих
трещин, так что иногда удается наплавлять высококачественные слои
при содержании углерода в наплавленном металле до 1,5 - 2 %.
В большинстве случаев отпадает надобность в предварительном
подогреве металла, так как в процессе наплавки он достаточно на-
гревается.
Этот способ наплавки целесообразен там, где необходимо на-
плавлять большое количество металла, и при больших партиях де-
талей. Поверхности деталей могут быть плоские и цилиндриче-
ские.
Напыление материала
Металлизация напылением заключается в том, что на заранее
подготовленную поверхность любой формы наносят металличе-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 427
ское покрытие путем распыления жидкого металла струей сжатого
воздуха. Для этого используют специальные аппараты - металли-
заторы. В зависимости от источника теплоты, используемого для
расплавления металла, различают газовую, электрическую и плаз-
менную металлизацию. Первая (источник теплоты - газовое пла-
мя) широко распространена за рубежом. В нашей стране чаще
применяют электрическую металлизацию (источник теплоты -
электрическая дуга). Металл может подаваться в аппарат в виде
проволоки, порошка или ленты.
Наряду с газовой металлизацией и электрометаллизацией на-
чинают применять плазменное напыление металлов. Ввиду высо-
кой температуры плазмы становится возможным напыление туго-
плавких металлов и керамики. В промышленности используют
следующие установки для нанесения материалов на внутренние и
наружные поверхности деталей машин: электрометаллизаторы
ЭМ-3, ЭМ-6, ЭМ-9 для распыления проволоки; МНП-1-57 - для
напыления оксида алюминия в виде специальных стержней;
УПН-5-60 - для напыления порошкового материала; УПР-1-59 -
для напыления тугоплавких и высокодисперсных материалов (ок-
сида алюминия, дисилицида молибдена); УПМ-1-61 - для плаз-
менного напыления.
Подробно оборудование, технологические процессы и приме-
нение металлизации напылением для повышения долговечности и
надежности машин описаны во многих работах. При назначении
способа металлизации следует учитывать его достоинства и недос-
татки.
К достоинствам металлизации относят возможность наращи-
вать на шейки валов машин, станины станков и другие детали слои
стали толщиной 1,5 мм и более с требуемыми физико-
механическими свойствами. Нанося слои металлов со специаль-
ными свойствами, можно повысить не только износостойкость де-
талей, но и другие эксплуатационные свойства, например жаро- и
коррозионную стойкость. Первоначальные свойства основного
428 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
металла вследствие незначительного нагрева в процессе напыле-
ния не изменяются. К достоинствам металлизации следует также
отнести сравнительную простоту и малую стоимость этого спосо-
ба упрочнения.
Основные недостатки металлизации: хрупкость нанесенного
слоя; не всегда достаточная прочность сцепления с основным ме-
таллом; снижение механической и особенно усталостной прочно-
сти деталей из-за уменьшения размеров и нарушения целости их
рабочей поверхности при подготовке к металлизации и трудность
последующей механической обработки. Данные о применении и
режимах газовой металлизации приведены в табл. 4.20.
Каждый класс деталей должен отвечать определенным усло-
виям работы. Исходя из этих условий они, как правило, имеют оп-
ределенные виды повреждений, для предотвращения которых
применяют способы, указанные в табл. 4.21.
При этом решение проблемы повышения долговечности каж-
дого конкретного изделия экономически выгодно решать ком-
плексно - от проектирования и получения заготовки до ее финиш-
ной обработки и эксплуатации. А так как практически все разру-
шения начинаются с поверхности, то это привело к появлению но-
вого учения об инженерии поверхности. Сущность этого учения
заключается в разработке теории научно обоснованного определе-
ния формы рабочих поверхностей, их геометрических параметров
(макроотклонения, волнистости, шероховатости и физико-хими-
ческих свойств), обеспечивающих экономически целесообразную
долговечность и безотказность деталей машин и их соединений, а
также технологического создания таких поверхностей, их контро-
ля, наследования И изменения при работе.
Так, научный подход к инженерии поверхности пленкообра-
зующих барабанов и валков определяется необходимостью полу-
чения высококачественных полимерных пленок. Качество пленок
регламентируется по толщине и малой однородной шероховато-
стью их поверхностей. В начале эксплуатации барабанов качество
пленки зависит от исходного состояния их поверхностного слоя и
4.20. Применение и режимы газовой металлизации
Область применения покрытия	Распыляемый материал	Расстояние до напы- ляемой поверхности, мм		Пламя	Давление сжатого воздуха*	Примечание
		ручными аппарата- ми	механизи- рованными аппаратами			
Защита от корро- зии	Алюминий, цинк и спла- вы алюминия	80-150	150-250	Слегка вос- становитель- ное или ней- тральное	Высокое	Для коррозионно- стойкой стали ней- тральное пламя
Металлизация: валов для под- вижных поса- док валов, для неподвижных посадок дву- слойных под- шипников скольжения для уплотне- ния стальных деталей	Сталь 0,5-1%С Сталь 0,2-1%С Бронза и сплавы алю- миния Сталь 0,6-1 %С	180-200 120-150 100-150 200-220	250-300 200-250 180-250 300-350	Нейтральное Нейтральное или окисли- тельное Нейтральное	Среднее до высокого Низкое до высокого Среднее Высокое	Для бронзы слегка окислительное пла- мя, для сплавов слегка восстанови- тельное пламя Избегать термиче- ских напряжений, для чего прерывать металлизацию полых деталей
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 429
Продолжение табл. 4.20
Область применения покрытия	Распыляемый материал	Расстояние до напы- ляемой поверхности, мм		Пламя	Давление сжатого воздуха*	Примечание
		ручными аппарата- ми	механизи- рованными аппаратами			
деталей из де- рева, картона, материи, стек- ла, фарфора, пластмасс для заделки рако- вин в сером чугуне	Алюминий, цинк, олово Сталь	280-350 100-150	400-500 200-250	Нейтральное или окисли- тельное	Низкое до высокого	Учитывать длину факела пламени; стекло подогревать, полые фарфоровые детали охлаждать Для чугунных дета- лей, чувствительных к напряжениям, большее расстояние при распылении
Нанесение слоя молибдена	Молибден	80-130	200-300	10%-ное окислительное	Низкое	-
* Высокое - выше 0,3 - 0,4 МПа, низкое - ниже 0,3 МПа.
430 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
4.21. Выбор способов повышения долговечности деталей машин
Наименование детали	Характер работы	Основной вид повреждения при эксплуатации	Способ повышения долговечности
Болты и шпильки резьбовых соеди- нений, собираемых с предварительной затяжкой и нагру- жаемых силами, вызывающими переменные на- пряжения	Статические напряже- ния от предваритель- ной затяжки и пере- менные напряжения от изменяющихся во время работы нагру- зок	Усталостные изломы, де- формации	Повышение прочности стали, уменьшение концен- трации напряжений, уменьшение жесткости болта, уменьшение высот- ных параметров шерохова- тости поверхности резьбы болта, накатка резьбы бол- та и шпильки роликами
Гайки и крепежные отверстия под бол- ты и шпильки в корпусных деталях		Срез резьбы и самоотвинчи- вание	Раскатывание резьб и соз- дание гладкорезьбовых соединений
Колеса зубчатых передач	Изгиб зубьев, дефор- мирование контактно- го сжатия и сдвига рабочих поверхностей зубьев, трение и удары торцов зубьев зубча- тых колес коробок передач при включе- нии скорости	Излом зуба (усталостный или из-за кратковременной перегрузки), осповидное выкрашивание, изнашивание или пластическое деформи- рование рабочих поверхно- стей зубьев, торцовое изна- шивание зубьев зубчатых колес коробок передач, за- едание зубьев	Корригирование, улучше- ние, сплошная или поверх- ностная закалка зубьев, цементация, азотирование, нитроцементация рабочих поверхностей зубьев (стальных зубчатых колес), накатывание, электромеха- ническая обработка
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 43
Продолжение табл. 4.21
Наименование детали	Характер работы	Основной вид повреждения при эксплуатации	Способ повышения долговечности
Червяк и червячное колесо червячной подачи	Скольжение витков червяка по рабочим поверхностям зубьев червячного колеса, изгиб зубьев червяч- ного колеса	Заедание, изнашивание рабочих поверхностей, пластическое деформи- рование и излом зубьев червячного колеса	Корригирование зубьев червяч- ного колеса, уменьшение шеро- ховатости, закалка или цемента- ция рабочих поверхностей вит- ков червяка, накатывание, элек- тромеханическая обработка
Звездочки цепных передач	Удары и трение рабо- чих	поверхностей звездочек об элементы цепи	Изнашивание рабочих поверхностей зубьев	Проектирование звездочек с во- гнутым профилем зубьев, уменьшение	шероховатости, закалка или цементация рабочих поверхностей зубьев, накатыва- ние
Валы и оси	Деформация изгиба и кручения,	трение скольжения между цапфой и опорой	Усталостные изломы, изломы, изнашивание и задиры цапф, заедание	Уменьшение влияния концентра- торов напряжений (увеличение радиусов галтелей, исполнение шпоночных канавок с плавным выходом и т.п.), шлифование цапф (тяжелонагруженных валов по всей длине), поверхностный наклеп переходных поверхностей, поверх- ностная закалка, азотирование, накатывание, вибронакатывание
432 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.21
Наименование детали	Характер работы	Основной вид повреждения при эксплуатации	Способ повышения долговечности
Опоры скольжения (подшипники	и подпятники)	Трение скольжения между цапфой и опо- рой	Изнашивание, заедание, ус- талостные разрушения по- верхности трения	Обеспечение условий жид- костного трения, увеличе- ние жесткости опоры, высо- кая точность изготовления и малые значения высотных параметров шероховатости рабочей поверхности цап- фы, нанесение на поверхно- сти опор специальных по- крытий для улучшения при- работки, виброраскатыва- ние, создание избирательно- го переноса
Подшипники каче- ния	Качение шариков (или роликов) по наружно- му и внутреннему кольцам	Излом кольца, разрушение тел качения, изнашивание тел качения и рабочих по- верхностей колец, усталост- ное выкрашиваше (осповид- ное изнашивание) рабочих поверхностей	элементов подшипника, заедание дета- лей подшипника	Обеспечение податливости корпуса в нагруженной час- ти подшипника, раскатыва- ние шариком, алмазное вы- глаживание
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 433
Продолжение табл. 4.21
Наименование детали	Характер работы	Основной вид повреждения при эксплуатации	Способ повышения долговечности
Гильза цилиндра поршневого двига- теля внутреннего сгорания	Механические нагрузки от переменного давления газов, тепловое и корро- зионное воздействия га- зов, трение о поршневые кольца и поршень, корро- зионное воздействие ох- лаждающей жидкости	Изнашивание внутренней поверхности (зеркала), появление рисок, задиров, овальность в результате изнашивания при нерав- номерном	давлении поршня, трещины, корро- зия наружной поверхно- сти гильз и кавитацион- ное разрушение	Поверхностная (или объем- ная) закалка и отпуск; по- крытие внутренней поверх- ности тонким слоем порис- того хрома или азотирова- ние внутренней поверхно- сти для улучшения прираба- тываемости, виброраскаты- вание, триботехнология. Освинцовывание, оцинко- вывание лаком наружной поверхности, омываемой водой (для предохранения от коррозии)
Поршень двигателя внутреннего сгора- ния	Механические нагрузки от переменного давления газов и инерционных сил возвратно-поступатель- ного движения поршня, тепловое	воздействие газов на днище, трение боковой поверхности о зеркало гильзы	Изнашивание цилиндри- ческой поверхности, из- нашивание и пластиче- ское деформирование кольцевых канавок, из- нашивание отверстий в бобышках, прогар голов- ки	Покрытие боковой поверх- ности легкоплавкими ме- таллами (свинцом или оло- вом),	фосфатирование, травление кислотой, суль- фидирование, закалка с последующим старением поршней из алюминиевого сплава
434 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.21
Наименование детали	Характер работы	Основной вид повреждения при эксплуатации	Способ повышения долговечности
Диски борон и лу- щильников	Абразивное воздейст- вие почвы, силовые воздействия препятст- вий	Затупление лезвия в результа- те изнашивания, разработка квадратных отверстий	Закалка и отпуск до твердо- сти НВ 321-415, плакиро- вание лезвия износостойки- ми материалами
Лапы культивато- ров	Абразивное воздейст- вие и давление почвы	Затупление режущей кромки лезвия в результате изнаши- вания	Закалка и отпуск лезвия, наплавка на лезвие твердого сплава
Лопасти рабочего колеса гидротурби- ны	Кавитационное и кор- розионное воздействия среды, изгиб, действие пульсирующего потока вызывающего вибра- цию	Кавитационное разрушение поверхности детали	Применение материалов или облицовок, стойких против кавитационного разрушения
Пальцы звеньев гусениц гусенично- го трактора	Трение без смазочного материала при высоких давлениях и ударных нагрузках при наличии абразивного материала и влаги	Изнашивание в местах трения о проушины (или втулки звеньев гусениц)	Закалка поверхности при нагреве ТВЧ, борирование
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 435
Продолжение табл. 4.21
Наименование детали	Характер работы	Основной вид повреждения при эксплуатации	Способ повышения долговечности
Втулки звеньев гу- сениц гусеничного трактора	Трение без смазочного материала при высоких давлениях и ударных нагрузках при наличии абразивного материала и влаги	Изнашивание в местах трения о палец	Цементация с последующи- ми закалкой и отпуском, дорнование
Лемеха плугов	Давление пласта поч- вы, воздействие абра- зивной среды	Затупление режущей кромки, затупление носка, образова- ние фаски с тыльной стороны лезвия в результате изнаши- вания	Закалка с последующим от- пуском лезвия, наплавка на лезвие твердого сплава (сормайта)
Отвалы плугов		Поломка крыла и его изнаши- вание в месте схода пласта почвы	Цементация и последующая закалка с самоотпуском
Зубчатые колеса коробки передач трактора	Удары торцов зубьев при включении переда- чи, изгиб зубьев, кон- тактное сжатие и сдвиг объемов металла, при- лежащих к эвольвент- ным поверхностям	Торцовое изнашивание зубь- ев, поломка зубьев, изнаши- вание эвольвентных поверх- ностей зубьев	Изготовление шестерен с наиболее	рациональной (бочкообразной) формой торцов зубьев; цементация или нитроцементация рабо- чих поверхностей зубьев с последующими закалкой и отпуском
436 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.21
Наименование детали	Характер работы	Основной вид повреждения при эксплуатации	Способ повышения долговечности
Звенья гусениц гу- сеничных тракторов	Контактные нагрузки, трение качения с про- скальзыванием о бего- вую дорожку и боко- вые поверхности опор- ных катков, наличие абразивного материала и влаги в зоне трения	Изнашивание проушин, из- нашивание цевок в месте за- цепления с ведущим колесом, изнашивание беговой дорож- ки, усталостные разрушения	Закалка и отпуск, нормали- зация или закалка в электро- лите беговых дорожек, на- плавка почвозацепа вольф- рамовым чугуном
Коленчатый вал	Периодические нагруз- ки от давления газов и сил инерции движу- щихся масс, вызываю- щие переменные на- пряжения в элементах вала; трение шеек о заливку вкладышей подшипников	Уменьшение	диаметра, овальность и конусность шеек в результате изнашивания, прогиб или усталостный из- лом в результате несоосности или большого износа корен- ных подшипников	Создание овальной формы, поверхностная закалка, азо- тирование,	полирование коренных и шатунных шеек для повышения износостой- кости, накатка роликами или обдувка дробью переходных поверхностей (для увеличе- ния выносливости)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Продолжение табл. 4.21
Наименование детали	Характер работы	Основной вид повреждения при эксплуатации	Способ повышения долговечности
Клапаны двигателя внутреннего сгора- ния	Динамические нагруз- ки от переменного дав- ления газов и сил упру- гости пружины; омы- вание головок выпуск- ных клапанов горячими газами, движущимися с большими скоростями	Изнашивание и пригорание фаски тарелки клапана, изна- шивание стержня, деформи- рование	Заполнение внутренней по- лости головки пустотелого выпускного клапана на 50 - 60 % металлическим натри- ем (для охлаждения клапа- на); наплавка фаски и голов- ки выпускного клапана со стороны цилиндра твердым сплавом ВКЗ или сормайтом (для повышения износо- стойкости и коррозионной стойкости); объемная закал- ка и отпуск
Поршневое кольцо двигателя внутрен- него сгорания	Нагрев от соприкосно- вения с горячими газа- ми; трение о внутрен- нюю поверхность гиль- зы при возвратно- поступательном дви- жении	Изнашивание по наружным цилиндрической и торцовой поверхностям, снижение уп- ругости, пригорание	Оптимизация формы, по- ристое хромирование одно- го или двух верхних ком- прессионных колец; элек- тролитическое лужение или фосфатирование колец (для улучшения прирабатывае- мости и повышения корро- зионной стойкости)
438 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Продолжение табл. 4.21
Наименование детали	Характер работы	Основной вид повреждения при эксплуатации	Способ повышения долговечности
Вкладыш шатунных и коренных под- шипников коленча- того вала двигателя внутреннего сгора- ния	Переменные по значе- нию давления газов и давления от сил инер- ции	поступательно движущихся и вра- щающихся масс	Изнашивание, усталостное выкрашивание или подплав- ление заливки	Оптимизация формы, по- крытие рабочей поверхно- сти оловом или припоем ПОС-18, виброраскатывание
Лопатки газовых турбин	Растяжение, изгиб и кручение профильной части и хвостовика под действием центробеж- ных сил и давления газового потока; пере- менное напряжение от вибрационных нагру- зок, термические на- пряжения, коррозион- ное и эрозионное дей- ствия газовой среды	Разрушение по профильной части пера или елочному профилю хвостовика, вызван- ное действием статических и переменных напряжений от термической усталости	Полирование профиля пера лопатки (корыта, спинки, кромок и радиусов); обкатка роликом, наклепывание лег- кими ударами поверхност- ного слоя хвостовика; али- тирование или эмалирова- ние поверхностных слоев для защиты от коррозии
Зубья ковшей экс- каваторов	Трение об абразивные частицы грунта, дина- мические нагрузки при ударах о грунт	Затупление режущей кромки в результате изнашивания	Закалка, наплавка твердого сплава (сормайта)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 439
440 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
процесса трения при контакте с расплавом и пленкой. В процессе
эксплуатации на качество пленки наряду с перечисленными фак-
торами все большее влияние будут оказывать износ и коррозия
рабочих поверхностей барабана, причем не столько величина из-
носа, сколько его неоднородность. Процесс трения, износа и кор-
розии определяется контактным взаимодействием поверхностных
слоев барабана с полимером и окружающей средой
При столкновении двух тел происходит их молекулярное
взаимодействие, которое в зависимости от материалов этих тел, их
состояния (твердое, вязкотекучее) и качества твердых поверхно-
стей может носить различный характер - от схватывания до оттал-
кивания. Полимерный материал вначале контактирует с рабочей
поверхностью барабана в вязкотекучем состоянии, охлаждаясь, он
переходит в аморфное состояние, и при сходе с барабана и на под-
держивающих валках имеет место контакт отвердевшего полимера
с рабочими поверхностями барабана и валков. Для условий каче-
ственного формирования тонких пленок текучесть полимера при
его соприкосновении с поверхностью барабана должна быть опти-
мальной. Эта текучесть будет зависеть от скорости скольжения
молекулярных слоев полимера, определяемой его составом и мо-
лекулярным взаимодействием полимера с поверхностью барабана.
Молекулярное (адгезионное) взаимодействие полимера с бараба-
ном определяется как свойством полимера, так и качеством по-
верхностного слоя барабана и зависит от силы прижима, регули-
руемой устройством нагружения. Вследствие этого управлять те-
кучестью полимера на барабане в определенной мере можно за
счет материала поверхностного слоя и его подготовки. Для нор-
мального съема полимерной ленты с барабана необходимо, чтобы
силы молекулярного взаимодействия были как можно меньше, так
как их увеличение приводит к износу барабана. Причем при опре-
деленных условиях, когда адгезионное взаимодействие полимера с
поверхностью барабана выше молекулярного взаимодействия ме-
жду слоями полимера, может происходить перенос полимера на
барабан.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 441
Таким образом, для процесса качественного образования и
съема полимерной пленки с барабана должно иметь место некото-
рое оптимальное значение молекулярного взаимодействия поли-
мера с поверхностью барабана. Охлажденная аморфная пленка в
последующем взаимодействует с тремя группами валков: тихо-
ходными, ориентирующими и быстроходными. При этом контакт-
ное взаимодействие пленки с тихоходными валками происходит в
нагретом состоянии, с ориентирующими валками - при различной
температуре нагрева и различном состоянии пленки, с быстроход-
ными - от температуры стеклования до обычной температуры.
Наряду с молекулярным взаимодействием пленки с валками
вследствие проскальзывания имеет место фрикционный контакт,
Таким образом, молекулярное и фрикционное взаимодействие
пленки с валками также будет определять ее качество. Совершен-
но очевидно, что при работе линии вследствие взаимодействия с
полимером и окружающей средой происходит изменение поверх-
ностных слоев барабана и валков. Это изменение обусловлено из-
носом и коррозией поверхностных слоев, причем изменение может
быть разнородным по отдельным участкам поверхности. В целом
изменение будет определяться свойством материала барабана,
валков и состоянием их рабочих поверхностей. Неоднородность
изменения будет зависеть от однородности структуры и состояния
поверхностного слоя барабана и валков. Для установления пара-
метров состояния поверхностного слоя барабана и валков, опреде-
ляющих качественное формирование пленки, целесообразно уста-
новить математическую связь ее молекулярного и фрикционного
взаимодействия с их рабочими поверхностями.
Контактное взаимодействие пленки с барабаном может быть
охарактеризовано удельной силой трения:
т = А	(4-20)
Аг
vrq F- сила трения; Аг - фактическая площадь контакта.
442 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Фактическая площадь контакта расплава полимера с рабочей
поверхностью барабана зависит от ее геометрической площади
соприкосновения с окружающей средой, которая определяется
макроотклонением, волнистостью и шероховатостью. Фактическая
поверхность соприкосновения с окружающей средой в основном
определяется шероховатостью, шаг которой на несколько поряд-
ков меньше шага макроотклонения и волнистости. Таким образом,
фактическую поверхность соприкосновения можно определить
через длину профиля шероховатости. Если аппроксимировать
профиль шероховатости параболической зависимостью, то путем
элементарных математических вычислений получим следующее
уравнение для расчета его длины:
, Sml . (24Ra	1 fZ 2 nzr> 2^1 1 /77 2 л„ 2
/_ =---In ----+ — -JSm +96Ra + -y/Sm+96Ra .
p 48Яа V Sm Sm	) 2
(4.21)
В частных случаях для микронеровностей в виде сфер имеем
L = — ylSm2+32Ra2 .	(4.22)
р Sm
Для треугольного профиля
L = — 4sm2 + 24Ra2 .	(4.23)
р Sm
Фактическая площадь контакта отвердевшей полимерной
пленки с барабаном и валками будет определяться упругими свой-
ствами материалов пленки, барабана и валков и геометрическими
параметрами их рабочих поверхностей: высотой волн - Wz, средним
арифметическим отклонением профиля шероховатости - Ra и отно-
сительной длиной опорной линии профиля шероховатости - tp.
Сила трения при контакте расплава полимера с рабочей по-
верхностью барабана, как было показано выше, определяется их
молекулярным взаимодействием. Если прочность связи пропор-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 443
циональна времени ее жизни (времени соприкосновения полимера
с барабаном), то удельная сдвиговая прочность молекулярных свя-
зей полимера и металла может быть рассчитана по формуле
та=^- - —1п^-.	(4.24)
у у s
Энергия активации при контактировании полимера с метал-
лом, может быть рассчитана по уравнению
м0 = ал32о ph.	(4.25)
Подставив (4.25) в (4.24) и полученное выражение в уравне-
ние (4.26)
найдем
ал52о h кТ. ё0 226,3а	..
та =-----£-----in — р.	(421)
Y Y е yNA
В этих уравнениях а - коэффициент; 8 - диаметр частицы те-
чения полимера; - предел прочности полимера; h - граница раз-
дела полимера и барабана; у - активационный объем; к - постоян-
ная Больцмана; Т - температура; е0 - скорость деформации плен-
ки в контакте с барабаном; s - скорость деформации пленки; WA -
число Авогадро; р - фактическое давление.
Скорость движения частиц полимера, находящихся на рас-
стоянии от поверхности барабана, можно определить из уравнения
h оЗ цо
V=[—-^-ekTdx.	(4.28)
444 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
На границе раздела, когда h = 0, скорость движения частиц
полимера, а при отсутствии проскальзывания и скорость вращения
барабана рассчитываются по формуле
^гр ^шах
<*а
(4.29)

Скорость Vq, является характеристикой пары трения полимер-
ная пленка - барабан и определяет условие перехода от внутрен-
него трения к внешнему: если скорость вращения барабана < уф,
то реализуется внутреннее трение полимера и распределение ско-
ростей перемещения частиц полимера по толщине имеет вид
Л _«о
v = vT |е kTdx.
о
(4.30)
Если vT > Уф, имеет место растекание полимера, что является
нежелательным.
Таким образом, контактное воздействие расплава полимера с
барабаном, а следовательно, качество пленки зависят от темпера-
туры, адгезионной прочности полимера и металла и скорости вра-
щения барабана.
Как было отмечено выше, при контакте пленки с валками,
имеет место как молекулярное, так и фрикционное взаимодейст-
вие. Согласно молекулярно-механической теории И.В. Крагель-
ского, коэффициент трения определяется как сумма молекулярной
и деформационной составляющих:
у = 2д. + р+0,4аг
Рг
(4.31)
где Р - коэффициент; аг - коэффициент гистерезисных потерь; йу -
величина упругих деформаций.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 445
Радиус вершин микронеровностей можно определить через
стандартизованные параметры шероховатости:
_ Sm2tm2
Pw” 6-103/?а
(4.32)
Величина упругих деформаций может быть рассчитана по
уравнению
2
йу = 2л2 ^-Яц2/3 -^з (2pWzHmax).	(4.33)
Подставив уравнения (4.32) и (4.33) в (4.31), получим
8тг(Яц0)и 30(1
Яц0	tm N	ESmtm
(4.34)
Таким образом, контактное взаимодействие полимерной
пленки с рабочими поверхностями валков в значительной мере
зависит от свойств поверхностных слоев этих валков, а именно:
микротвердости, остаточных напряжений и структуры, которые
определяют т0 и аг, модуля упругости, коэффициента Пуассона и
геометрических характеристик: макроотклонения - Я^, волни-
стости и шероховатости - Ra, Sm, tm.
Изменение качества поверхности барабанов и валков, как бы-
ло отмечено выше, в значительной мере определяется их корроди-
рованием, которое можно рассчитать как произведение удельной
коррозионной активности (q) на фактическую площадь соприкос-
новения с окружающей средой (Аг):
к = qAr.
(4.35)
446 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
Удельная активность к корродированию определяется
физико-химическим состоянием поверхностного слоя барабана и
валков, температурой и окружающей средой. Поверхность сопри-
косновения с окружающей средой без учета макроотклонения и
при tmw = 50 % можно определить по формуле
Аг =---7.-----
9 106SmwSm
4 [7(20Sw/w)2 + Rz1 +
yl[20Sm(l00-tm)f +Rz2 -lOOOSmlx
(436)
x^8jlO6Sm2-1 OOOStonJ.
Таким образом, корродирование барабана и валков зависит от
температуры окружающей среды, физико-химического состояния
поверхностного слоя и параметров волнистости и шероховатости.
Экспериментальные исследования убедительно показывают,
что основное влияние на процесс корродирования оказывают фи-
зико-химические характеристики поверхностного слоя деталей, в
частности микротвердость, остаточные напряжения и структура.
Вышеприведенная физическая картина взаимодействия поли-
мера с барабаном и валками и ее математическое описание позво-
ляет выработать требования к материалу этих деталей, качеству
рабочих поверхностей и технологии их изготовления. Материал
барабана и валков должен обладать оптимальным молекулярным
взаимодействием с полимером, высокой однородностью и доста-
точно высокой коррозионной стойкостью. Как известно, всеми
этими свойствами обладают хромоникелевые покрытия. В опреде-
ленной мере этим свойствам отвечают и легированные хромистые
стали, однородность структуры которых может быть обеспечена
при получении заготовок электрошлаковым переплавом.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 447
Известно, что прочность связи хромоникелевых покрытий с
подложкой, особенно при повышенных температурах, желает быть
лучшей. Это объясняется тем, что материал вследствие своей не-
однородности и технологического воздействия имеет внутренние
остаточные напряжения, которые в процессе эксплуатации начи-
нают меняться и, выходя на поверхность, приводят к разрушению
покрытий. Чтобы избежать данного явления, необходимо стре-
миться к улучшению однородности материала и уменьшению по-
верхностных остаточных напряжений при технологической подго-
товке подложки. Наилучшая однородность получается при элек-
трошлаковом переплаве. Таким образом, в качестве материала для
барабанов и валков должны быть взяты не хромоникелевые стали,
а заготовки, полученные элекгрошлаковым переплавом. Учитывая,
что с расплавом полимера взаимодействует барабан, то он должен
обладать наивысшей коррозионной стойкостью, следовательно,
его целесообразно хромировать.
Рабочие поверхности валков и барабана должны обладать как
можно меньшими волнистостью и шероховатостью. Однако при
Ra < 0,05 мкм на поверхности могут иметь место отдельные риски
Ктах > 0,5 мкм, что, естественно, будет сказываться на качестве
поверхности изготавливаемой пленки. Поэтому целесообразно
нормировать высоту шероховатости не по параметру Ra, а по пара-
метру 7?тах, величина которого не должна превышать R^ < 0,3 мкм.
Причем для однородности шероховатости поверхности необходи-
мо нормировать и ее шаг Sm = 0,01 ... 0,03 мм. Для увеличения
коррозионной стойкости поверхностный слой должен иметь ми-
нимальную величину степени упрочнения и минимальные оста-
точные напряжения. Что касается поверхности под хромирование,
то она должна иметь следующие параметры шероховатости:
Rz = 1,0 мкм, Sm = 0,02 ... 0,05 мм. С точки зрения технологии, ми-
нимума наклепа и остаточных напряжений, а также параметров
шероховатости Rmm < 0,3 мкм и Sm = 0,01 ... 0,03 мм в лучшей сте-
448 Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ
пени позволяют получить магнитно-абразивная обработка, поли-
рование и доводка. Причем магнитно-абразивная обработка позво-
ляет получить эти параметры шероховатости при исходном значе-
нии Rz„cx = 1,5 ••• 2,5 мкм, полученном шлифованием торцом или
периферией круга. Что касается подготовки поверхности под хро-
мирование (Rz = 1,0 мкм, Sm = 0,02 ... 0,05 мм), то ее можно осу-
ществлять магнитно-абразивной обработкой при Ягисх = 2,0 ...
5,0 мкм, полученном шлифованием или тонким точением, шлифо-
ванием торцом круга, бесконечной лентой или лепестковым кру-
гом.
При производстве химически неактивных пленок или изго-
товлении барабанов и валков из материалов, обладающих повы-
шенной коррозионной стойкостью, для обеспечения требуемых
параметров шероховатости рабочих поверхностей, их доводка мо-
жет быть осуществлена электромеханической обработкой.
Таким образом, технология машиностроения в настоящее
время имеет широкие возможности как в обеспечении необходи-
мой долговечности изделий машиностроения, так и в ее повыше-
нии.
Глава 5
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
В МАШИНОСТРОЕНИИ
5.1.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
КАК БАЗА ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Все объекты машиностроения - детали и изделия в целом -
имеют соответствующие показатели качества. Эти показатели ус-
танавливают исходя из служебного назначения объектов. Для од-
них главными являются размеры, для других - шероховатость по-
верхности или форма, напряжения поверхностных слоев, взаимное
расположение поверхностей и т.п. Погрешности обработки и
сборки возникают всегда. Изделий без отклонений от номинально-
го значения показателей качества не бывает. Однако любое откло-
нение должно находиться в допустимых пределах - допусках.
Причем важно не только определить качественно и количественно
данное отклонение, но и установить, почему оно возникло, какие
условия способствовали его возникновению, как это отклонение
формировалось в процессе изготовления изделия во времени, на-
чиная с выбора материала для заготовки конкретной детали, ее
обработки и т.д. Информация о причинах возникновения каждого
отклонения предоставляет возможность влиять на величину от-
клонения и тем самым повышать показатели качества машино-
строительных изделий.
Проблемы обеспечения и повышения качества изделий осно-
вываются на рассмотрении физических причин их отказов в работе
и связаны с развитием исследовательского аппарата, способного
описать всю сложную эволюцию условий и следствий, приводя-
щих к отказам. Любой объект производства, находясь в многооб-
разных связях и взаимодействиях с окружающими его объектами,
15 — 6780
450
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
участвуя одновременно в нескольких формах движения, представ-
ляет собой концентрат условий, в которых он (объект производст-
ва) формировался во времени. По утверждениям гениального ма-
тематика В. Вольтерра, состояние объекта определяется не только
теми силами, которые действуют на него в данный момент време-
ни, но и историей воздействия сил, имевших место в прошлом. Так
был сформулирован «эффект последействия».
Чаще всего проявление этого эффекта связывается с релакса-
цией напряжений материала заготовок. Л. Больцманом была пред-
ложена зависимость деформаций £ от напряжений о,
t
s(Z)=
-00
где К - функция релаксации; t - время; х - независимая перемен-
ная.
Согласно указанной зависимости состояние тела (сплошной
среды, заготовки и т.д.) в любой момент времени отличается от
состояния в другой момент времени. Началом рассмотрения про-
цесса релаксации может быть любой момент времени в прошлом
вне зависимости от того, как далеко он отстоит от времени t. Зави-
симость, предложенная Л. Больцманом, была экспериментально
подтверждена Д. Максвеллом. Для функции релаксации Ф. Коль-
рауш предложил зависимость
/-т
А>е х ,
где А. = const > 0.
Такое выражение хорошо подтверждается практикой.
Идеи, высказанные В. Вольтерром, охватывают всю неживую
природу.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ КАК БАЗА
451
В машиностроительном производстве изготовление деталей
машин осуществляется, как правило, на основе технологических
процессов обработки резанием, в ходе которых заготовки превра-
щаются в детали машин. Таким образом, совокупность свойств,
показателей и погрешностей, представляющих качество деталей в
общем виде, появляется в ходе изготовления детали. Замечено, что
отдельные погрешности, возникающие в ходе изготовления дета-
ли, оказываются очень устойчивыми. Они могут появиться на на-
чальных технологических операциях и сохраняться вплоть до эта-
па эксплуатации изделия, например наличие внутренней трещины
или другого дефекта в материале заготовки. Пороки исходных за-
готовок и их материалов возникают еще в металлургическом про-
изводстве и связаны с особенностями заготовительного производ-
ства и свойствами материалов.
Рис. 5.1. Характерные виды пороков заготовок и деталей
15*
452
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Основные виды пороков представлены на рис. 5.1. Вредные
примеси располагаются по всему объему материала заготовки
(рис. 5.1, а). Раковины на поверхности (рис. 5.1, б) и внутри
(рис. 5.1, в) характерны для литых заготовок. Трещины на поверх-
ности (рис. 5.1, г) и в материале заготовки (рис. 5.1, д) возникают
после сварки и отдельных видов обработки резанием. При прокат-
ке возникают закаты (рис. 5.1, е), которые на поверхности пред-
ставляются в виде волосовин (рис. 5.1, ж). Если эти и аналогичные
пороки не удаляются со стружкой в ходе механической обработки
резанием, то они остаются в готовом изделии, иногда с видоизме-
нениями. К сожалению, обнаружение некоторых видов пороков
происходит только на финишных операциях, когда уже поздно
что-либо предпринимать.
На металлургических заводах дефекты на поверхности загото-
вок иногда удаляют, нагревая их газовым пламенем перед прокат-
кой. Для этих же целей иногда проводят строгание заготовок. На-
ружные поверхности круглого проката и внутренние поверхности
труб большого диаметра в ответственных случаях обрабатывают
крупнозернистыми абразивами, абразивными лентами или обду-
вают абразивным порошком.
В зависимости от воздействия на материал технологической
среды в разных участках заготовки при ее получении возникают
различные по величине, а иногда и по знаку напряжения. Такие
напряжения также имеют наследственную природу. Установлено,
что, если материал заготовки деформирован на какой-либо пред-
шествующей технологической операции хотя бы с малой, но ко-
нечной скоростью, в нем возникают неравновесные состояния,
приводящие к ползучести. Последняя может проявляться и в гото-
вом изделии, что особенно ощутимо для прецизионных деталей.
Современное металлургическое производство представляет
собой замкнутый цикл таких стадий технологического процесса,
как выплавка чугуна из руды, переплавка чугуна в сталь, перера-
ботка стальных слитков в прокатную продукцию (рис. 5.2). Соеди-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ КАК БАЗА
453
нение доменного, сталеплавильного и прокатного производств в
единый комплекс позволяет добиться очень высокой производи-
тельности по выпуску передельных марок чугуна и стали и осо-
бенно различных видов проката.
Однако высокая производительность не является самоцелью
металлургического производства. Большая часть металлургиче-
454
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
ских изделий предназначена для изготовления деталей и конст-
рукций ответственного назначения, и поэтому главная задача ме-
таллургов состоит в обеспечении высокого качества металла.
Легирующие элементы существенно влияют на механические
свойства сталей, изменяют параметр кристаллической решетки.
В табл. 5.1 приведены данные о параметре решетки и механиче-
ских свойствах феррита при содержании различных легирующих
элементов в растворе, равном 3 %.
В свою очередь, применяя те или иные технологические
приемы, можно существенно воздействовать на свойства изделия,
изменяя структуру металла. Таким образом, совокупность перво-
родных свойств исходной шихты и имеющийся набор технологи-
ческих воздействий представляют собой основу для целенаправ-
ленного формирования требуемых свойств в машиностроительных
изделиях.
Трудновыполнимой задачей является достижение требуемого
качества металла в производственных условиях. Прежде всего это
относится к обеспечению однородного химического состава в
5.1. Влияние легирующих элементов на свойства сталей
Параметр	Химический элемент				
	W	Сг	Мп	Si	Ni
Параметр решетки, А	2,872	2,862	2,861	2,858	2,853
Предел прочности, кг/мм2	42	37	59	62	50
Предел текучести, кг/мм2	25	24	50	42	30
Твердость, НВ	105	85	170	170	145
Ударная вязкость, кг/см2	5	27	7	1	32
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ КАК БАЗА
455
слитках большого объема, так как отсутствие надлежащих элемен-
тов в правильных соотношениях может оказать чрезвычайно вред-
ное влияние на свойства стали. Наличие однородности в строении
зерен металла, отсутствие анормальной сегрегации, заданная ве-
личина зерна - все это необходимые признаки высокого качества
стали. Чрезвычайно важной является степень физических дефек-
тов в слитке, обозначаемая в производстве термином «здоровая
сталь», который указывает на отсутствие в металле усадочной ра-
ковины, пористости, газовых пузырей, неметаллических включе-
ний и т.д.
Для получения доброкачественной, здоровой отливки необхо-
димо особое внимание уделять тщательному ведению всего техно-
логического процесса. Факторы, которые влияют на качество ста-
ли в процессе ее производства, можно сгруппировать в три основ-
ные раздела.
1.	Исходное сырье. Сюда относятся скрап, чугун, ферроспла-
вы, легирующие элементы, известняк, кокс, каменный уголь, дре-
весный уголь, железная руда, хромовая руда, шлаки. Непростыми
на этом этапе являются такие операции, как сортировка исходных
материалов, а также отбор проб и их анализ в процессе выплавки.
2.	Способы выплавки и доводки плавки. При прочих равных
условиях они могут изменить состав стали, повлиять на доброка-
чественность и однородность металла. Так, большое значение
приобретает тип футеровки печей - кислый или основной. В слу-
чае выплавки сталей инструментальных и специальных марок в
дуговых электропечах с основной футеровкой главной операцией
становится доводка под восстановительным шлаком, которая за-
ключается в раскислении и регулировании состава металла и тем-
пературы. В современном конверторном производстве доводка
стали осуществляется добавками в ковше.
3.	Технологические и технические возможности конкретно-
го металлургического предприятия, которые влияют на больший-
456
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
ство физических дефектов в слитке, однородность и структуру
зерна стали. Например, величина слитков и способ их розлива
(сифоном или сверху) определяют структуру слитка, величину
усадочной раковины, качество поверхностного слоя. На механиче-
ские и служебные свойства стали самым непосредственным обра-
зом влияют способы обработки слитков (ковка, прокатка, прессо-
вание), возможности термического оборудования при выборе ре-
жимов термообработки, наличие специального вспомогательного
оборудования (машины огневой зачистки слитков и т.п.), органи-
зация технического контроля на всех стадиях техпроцесса.
Регулирование процесса плавки заключается в удалении из
металла продуктов окисления отдельных элементов металличе-
ской шихты, предотвращении чрезмерного образования продуктов
раскисления и удалении их для получения здоровых отливок.
Раскисление является наиболее ответственной операцией, так
как на качество металла одинаково вредные воздействия оказывает
как «перевосстановление», так и недостаточное восстановление.
Начинают восстановление обычно в печи, раскисляя металл фер-
ромарганцем и силикомарганцем, а затем проводят дополнитель-
ное раскисление в ковше алюминием, цирконием, силикокальци-
ем, ферротитаном. Требуемый состав стали обеспечивается введе-
нием добавок из сплавов и чистых металлов. При этом очень важ-
ны такие параметры, как температура и жидкотекучесть стали, ко-
торые обеспечивают тот или иной тип отливок.
Для получения легированных прецизионных марок сталей
традиционные способы введения в жидкий металл необходимых
элементов в виде кусков неприемлемы. В этом случае невозможно
добиться полноты протекания металлургических процессов и, как
следствие, равномерности химсостава в объеме слитка. По этой
причине получили развитие технологии вдувания порошкообраз-
ных реагентов в жидкий металл на стадии доводки в ковше. Одна-
ко, несмотря на высокую эффективность этого способа, техниче-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ КАК БАЗА
457
ские возможности установок для вдувания порошков ограничены
нижним пределом: они не способны обеспечить точную дозировку
элементов в небольших количествах. А это чрезвычайно важно
именно на последнем этапе приготовления стали, так как ничтож-
ные количества нужных элементов могут или существенно изме-
нить свойства стали в требуемом направлении, или безнадежно
испортить всю плавку. Поэтому получили развитие технологии,
позволяющие осуществлять тонкое дозирование порошкообразных
реагентов при доводке стали в ковше. Быстрая доставка порошка
на дно ковша с металлом способствует полному усвоению реаген-
тов по всему объему за счет хорошего перемешивания. Для пре-
дотвращения немедленного реагирования порошков с жидкой ста-
лью они защищены тонкостенной металлической оболочкой.
Прецизионная металлургия сегодня в основном ориентируется
на применение порошковой проволоки по технологической схеме,
изображенной на рис. 5.3.
Особенно эффективен этот способ для следующих легирую-
щих элементов, ввод которых затруднен в связи с такими физиче-
скими и химическими свойствами, как:
низкая плотность Са, Mg, С, В, Si, S, Se;
низкая растворимость в жидкой стали РЬ, Са, Mg;
низкая температура плавления S, Se, Pb, Bi, Mg, Al, Са;
низкая температура кипения S, Se, Mg, Са;
Рис. 5.3. Схема подачи порошковой проволоки
в ковш с жидкой сталью
458
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
высокая упругость пара Mg, Са, Se, Те;
высокое сродство к кислороду Са, Mg, Se, Zn, Al, Ti, Si, Nb.
Современное машиностроение характеризуется обилием ме-
тодов получения заготовок, форма которых близка к форме гото-
вых деталей. Эти методы отличаются высокой производительно-
стью, возможностью направленного формирования заданных фи-
зико-химических свойств поверхностных слоев. Вместе с тем та-
кие заготовки в своей массе не могут играть роль деталей машин,
так как не обладают необходимой геометрической точностью, их
поверхности не могут образовывать качественные сопряжения
двух объектов, а качество поверхностных слоев не обеспечивает
заданные эксплуатационные требования.
Таким образом, качество детали, выраженное через опреде-
ленные показатели, представляет собой совокупный результат ус-
ловий как формирования заготовок, так и обработки их резанием.
Генная инженерия в технике, рассматривая изменения и пре-
вращения, происходящие с заготовкой в процессе изготовления
детали, во многом заимствует и использует понятийный аппарат и
подходы биологической генетики. В частности, понятие «ген»
трактуется как «химико-структурированная единица (элемент
структуры), несущая набор (комплекс) наследственной информа-
ции - от шихтового материала через жидкую фазу к литому из-
делию и, далее, через все переделы, вплоть до эксплуатации дета-
лей в машине и их рециклирования».
Современные исследования показывают, что жидкий сплав -
это не однородная смесь атомов, он имеет микронеоднородное
кластерное строение. Кластерами называют зоны с повышенной
концентрацией примесного компонента, образующего скопление
атомов в решетке матрицы твердого раствора; группа растворен-
ных атомов удерживается рядом друг с другом силами атомного
взаимодействия. Между структурами жидких и твердых сплавов
существует наследственная связь: расплавы способны существо-
вать десятки часов в неравновесном состоянии, генетически со-
храняя элементы структуры, близкие к исходной твердой фазе
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ КАК БАЗА
459
шихтовых материалов. Например, в системе Fe - С могут сущест-
вовать в расплаве и претерпевать температурные превращения у- и
5-железо, цементит. Свойства сплава определяются свойствами
входящих в его состав химических элементов (генов) и зависят от
температурных, временных и физических параметров обработки.
Используя терминологию в области живой природы, можно
считать, что в технологии машиностроительного производства
многие показатели имеют наследственную природу. Поэтому ис-
пользование понятия «технологическая наследственность в маши-
ностроительном производстве» вполне оправдано.
Рассмотрение производственных процессов изготовления из-
делий во времени, начиная с выбора материала для заготовки, об-
работки заготовок, сборки деталей, позволяет установить причины
явлений и условий регулирования параметров технологических
процессов, в ходе которых формируются свойства изделий. При
этом и появляются понятия о технологическом наследовании, тех-
нологической наследственности и наследственной информации в
машиностроительном производстве.
Технологическим наследованием называется явление пере-
носа свойств объектов от предшествующих технологических опе-
раций к последующим. Эти свойства могут быть как полезные, так
и вредные. Сохранение же этих свойств у объектов называют тех-
нологической наследственностью. Такие термины являются дос-
таточно емкими. С их помощью и по соответствующим методикам
можно проследить за состоянием объекта производства в любой
момент времени с учетом всех предшествующих технологических
воздействий, имевших место в прошлом. В процессе передачи
свойств важную роль играет так называемая наследственная ин-
формация. Она заключается в материале деталей и поверхност-
ных слоях этих деталей. Информация представляет собой большой
перечень показателей качества.
Очень существенными являются установление общих законо-
мерностей технологического наследования, определение количе-
ственной стороны технологического наследования таких парамет-
460
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
ров, как конструктивные формы заготовок и деталей, погрешности
технологических баз, погрешности формы и пространственные
отклонения заготовки, их волнистость, физико-механические
свойства поверхностных слоев и др. Исключительно большое зна-
чение имеют наследственные погрешности при сборке.
Технологическая наследственность предусматривает взаимо-
связь отдельных элементов системы. Под системой можно пони-
мать как технологический процесс, так и сам объект обработки.
В последнем случае систему могут составлять микроэлементы ма-
териала, определенным образом расположенные на поверхности и
в глубинных слоях, геометрические параметры поверхностей, их
размеры и т.д. Однако во всех случаях система представляет собой
замкнутое целое. Поэтому для описания поведения системы воз-
можно использование принципов кибернетики, которая является
главным инструментом исследования систем. Система, рассматри-
ваемая с позиций технологической наследственности, представля-
ет собой не разрозненное скопление отдельных элементов, а проч-
но связанную информационную сеть. Поэтому не имеет смысла
рассматривать отдельно взятые, обособленные состояний обраба-
тываемого объекта. Такой подход не позволяет установить связи
внутри системы.
Отметим также, что рассматриваемые системы находятся в
динамическом режиме, т.е. функционируют, переходят из одного
состояния в другое за определенное время. Это делает решение
задач по выявлению наследственных связей еще более сложным.
Такие системы очень разнообразны, а следовательно, характери-
зуются большой неопределенностью. Однако наличие наследст-
венной информации, являющееся важнейшей особенностью таких
систем, уменьшает разнообразие, упрощает систему. Более того,
становится возможным прогнозировать поведение системы.
Носителями наследственной информации является собственно
материал изготавливаемой детали, а также ее поверхности с мно-
гообразием параметров, описывающих состояние этих поверхно-
стей. Носители информации активно участвуют в технологиче-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ КАК БАЗА
461
ском процессе, проходя, по выражению П. И. Ящерицына, через
различные «барьеры» либо задерживаясь на них частично или
полностью. Самым существенным барьером являются термиче-
ские операции. Отклонения фактической формы заготовок от иде-
альных вполне определенным образом передаются от одной опе-
рации к другой. В частном случае это явление может быть названо
копированием. В ходе процесса различные пороки поверхностей
деталей, в частности микротрещины, могут развиваться или «зале-
чиваться» и т.д. Во всех этих и аналогичных случаях возникнове-
ние, изменение, ликвидация параметров детали характеризуются
наследственной информацией.
Наследование свойств в ходе технологического процесса ха-
рактерно как для детерминированных, так и для вероятностных
систем. В первом случае не возникает никакой неопределенности в
передаче свойств. Если известны предыдущее состояние системы
и способ обработки информации, то можно предсказать ее после-
дующее состояние, как, например, для случаев технологического
наследования конструктивных форм заготовок. Для вероятностной
системы нельзя точно, детально что-то предсказать. Можно лишь с
большой степенью вероятности определить, каковы будут наслед-
ственные свойства системы. Однако признание того, что данная
система является детерминированной или вероятностной, не мо-
жет оказать решающего влияния на понимание сущности техноло-
гической наследственности. Рассматриваемое явление непременно
связано с состоянием системы и ее изменениями во времени.
Из сказанного следует, что процессом технологического на-
следования можно управлять с тем, чтобы свойства, положительно
влияющие на качество детали, сохранять в течение всего техноло-
гического процесса, а свойства, влияющие отрицательно, ликви-
дировать в его начале. Следовательно, в общем виде нельзя одно-
значно ответить на вопрос о том, служит технологическая наслед-
ственность положительным или отрицательным явлением. На та-
кой вопрос можно дать четкий ответ лишь применительно к кон-
кретному технологическому процессу.
462
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Перед технологией машиностроения как наукой стоит весьма
трудная задача детального и комплексного анализа условий произ-
водства и установления количественной стороны технологическо-
го наследования. На практике это означает, что свойства машино-
строительных изделий, снижающие их качество, должны быть ли-
квидированы в первую очередь на заготовительных или начальных
операциях механической обработки, а свойства, обеспечивающие
повышение качества, - сохранены и развиты до конечной стадии
производства - сборки.
Применительно же к машиностроению на основе сказанного
термин «технологическая наследственность» позволил сформули-
ровать учение о наследственных связях с целью повышения каче-
ства изделий. В наше время состояние сплошной среды может
быть описано в виде
/>(/) +J ft = О,
где fix, у, z, I) - вектор-функция состояния среды; D - дифферен-
циальный оператор; J ft - интегральный оператор, описывающий
-00
предысторию системы за период от -оо до /.
Однако на пути аналитического описания явления наследова-
ния стоят большие трудности, поскольку еще в должной мере не
накоплен научный материал, описывающий изменения объектов
во времени при действии на них технологических сред. Для опи-
сания процессов наследования наибольшее распространение полу-
чил метод графов.
Своеобразным мерилом полезности учения о технологической
наследственности является степень использования научных ре-
зультатов на практике, непосредственно на производстве. Для та-
кого использования возможно применение появляющихся анали-
тических зависимостей, графических представлений, производст-
венного опыта.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ КАК БАЗА
463
Определенные трудности решения проблемы технологическо-
го наследования связаны с необходимостью рассмотрения явлений
с позиций системного анализа. За элемент системы принимается
технологическая операция, а объектом, претерпевающим различ-
ные изменения в ходе технологического процесса, являются опре-
деленные свойства изделия.
Вполне естественно, что представление процесса наследова-
ния, особенно в первый период исследований, воспринимается как
процесс детерминированный. Это означает, что при одном и том
же комплексе исходных параметров при каждом последующем
повторении операций будет получаться один и тот же результат.
Если известны предыдущие состояния и способ обработки инфор-
мации, то можно установить конкретное состояние объекта обра-
ботки на любой технологической операции, включая заключи-
тельную.
Вместе с тем становится очевидным, что детерминированный
подход к явлению несколько обедняет его представление. Более
полным должен быть учет случайного фактора. Действительно,
любой технологический процесс характеризуется целым рядом
параметров, которые имеют случайный характер (свойством мате-
риала и заготовок, режимом обработки, износом инструментов и
пр.). Все эти параметры случайным образом суммируются в ходе
технологического процесса. Поэтому и результат процесса пред-
ставляется случайной величиной.
Для уже разработанных и реализованных технологических
процессов явления технологического наследования можно описать
на основе теории планирования эксперимента, т.е. необходимо
сначала разработать технологический процесс, а затем совершен-
ствовать его. Однако для широкого использования на производст-
ве такой подход не оправдан. Поэтому важным этапом должно
стать высокодостоверное прогнозирование качества изделий с
учетом технологического наследования еще на стадии разработки
технологического процесса. При таком подходе к делу необходи-
мость учета случайных факторов еще более очевидна.
464
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
5.2.	ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
НАСЛЕДОВАНИЯ
Элементы системы и связи между этими элементами доста-
точно полно могут быть описаны с помощью теории графов. Осо-
бенность таких графов заключается в том, что они должны быть
ориентированными и ациклическими. Вершины графов представ-
ляют собой свойства объектов, а ребра характеризуют передачу -
наследование - свойств. На рис. 5.4 вершина Ji графа представля-
ет собой совокупность свойств заготовки, а вершина А2 - те свой-
ства, которые создаются на определенной операции обработки за-
готовки. Ориентированные ребра А\С и А2С показывают передачу
(наследование) свойства в процессе обработки. Таким образом,
возникает объект С со свойствами, характерными для Л, и Л2. Если
процесс обработки на этом не заканчивается, применяют еще ряд
операций, каждая из которых создает на обрабатываемом объекте
дополнительные свойства. Такой технологический процесс пред-
ставлен графом на рис. 5.5, а.
Действительно, свойства объекта С, а также те свойства, кото-
рые создает операция А3, передаются объекту D и т. д. Объект G
является готовой деталью, которая сочетает в себе свойства А\, С,
D, Е, F. Ребра А3С, A3D, А^Е и т.д. являются непременно ориенти-
рованными, т.е. показывающими изменение свойств. Это объясня-
объекта
ется тем, что операции А2С, A3D и
другие оказывают воздействие на
объекты, после которого измене-
ние свойств обязательно. Ребра же
А\С, CD, DE и т.д. могут быть и
не ориентированными, т.е. нельзя
утверждать, что свойства Ai, С, D
Рис. 5.4. Граф формирования и ПР- непременно перенесе-
ны в дальнейшем ходе технологи-
ческого процесса.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ 465
Рис. 5.5. Граф технологического
наследования:
а - ориентированный; б - содер-
жащий неориентированные ребра
Рис. 5.6. Граф технологического
наследования, показывающий
влияние технологических
операций
Операции технологического процесса могут ликвидировать
некоторые свойства объектов и создать новые. В этом случае на-
следование определенных свойств представляется смешанным
графом (рис. 5.5, б), у которого некоторые ребра не являются ори-
ентированными. Свойства С, Z), ... , G, создаваемые в ходе техно-
логических операций, формируются в соответствии с особенно-
стями проведения этих операций. Например, лезвийным инстру-
ментом можно вести обработку, применяя ту или иную охлаж-
дающую жидкость, специальный подогрев или охлаждение заго-
товки и пр. Аналогично процесс шлифования может сопровож-
даться специально осуществляемыми колебаниями инструмента
или заготовки, особыми условиями ее закрепления и др. В соот-
466
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
ветствии с этим технологическое наследование представляется
графом по рис. 5.6. Здесь под индексами Л3(2) следует пони-
мать те свойства объекта D, которые создаются за счет особенно-
стей проведения технологических операций, что может обеспечи-
вать синэргетический эффект.
Графы на рис. 5.5 и 5.6 представляют собой изображение про-
цесса технологического наследования в самом общем виде. На-
пример, D на рис. 5.6 характеризует все и всякие свойства объекта
на данном этапе технологического процесса. Однако и такое сме-
шение свойств иногда затрудняет представление о технологиче-
ском наследовании.
С точки зрения технологического обеспечения качества наи-
больший интерес представляют такие параметры заготовок дета-
лей, как точность размеров, форма сечений, напряжения поверхно-
стных слоев и др. Поэтому целесообразно механизм технологиче-
Рис. 5.7. Развернутый граф технологического наследования
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ 467
ского наследования представлять графами в более полном виде
(рис. 5.7). Здесь комплекс свойств At заготовки представляется ее
конкретными свойствами В, С, D,..., N, каждое из которых претер-
певает изменения в ходе технологического процесса. Пусть С -
отклонение формы заготовки. За счет свойств Сщ) и других осо-
бенностей Сц2), ..., С](р) операции чернового точения эта погреш-
ность превращается в Ci и т.д. В конце технологического процесса
наследственное отклонение формы составит С4. Это отклонение
явится одним из параметров, определяющих качество F готовой
детали. Естественно, что должны учитываться только те наследст-
венные свойства, которые решающим образом влияют на функ-
ционирование изделия. Так как рассматриваемые графы являются
ориентированными, общее число наследуемых свойств определит-
ся одной из сумм:
м = р(л,)+р(л2)+...+р(л„)+р* (4)+р*(л2)+-+р* (4), (5.1)
где р(Л]),..., р(4) ~ число ребер, выходящих из вершин А\,..., Ап
графа; p*(At), ...,р*(А„) - число ребер, входящих в эти вершины;
п - число вершин графа.
Например, для рис. 5.5, а
р(4) = р(4) = р(С) = р(4) = p(D) = р(4) = р(Е) =
= р(4) = р(Е) = р(4) = 1;
р*(4) = р‘(4) = р*(4) = р*(4) = р*(4) = р*(4) = 0;
р*(С) = р* (D) = р‘(Е) = p\F) = p*(G) = 2.
В обоих случаях сумма равна 10. Следовательно, свойства го-
товой детали G представляют собой совокупность десяти свойств,
полученных в ходе технологического процесса. Однако, естест-
венно, удельное значение их в формировании конечных свойств
детали будет различным.
468
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Графы, характеризующие технологическую наследственность,
по своей сущности сходны с графами, именуемыми генеалогиче-
скими. Последние же показывают влияние наследственной ин-
формации, передаваемой от двух объектов к третьему, свойства
которого формируются в зависимости от свойств этих двух объек-
тов. В отличие от генеалогических графов, которые не могут быть
замкнутыми, циклическими, графы, отражающие процесс техноло-
гического наследования, в отдельных случаях могут представлять-
ся циклами. Это возможно, в частности, в прецизионном станко-
строении, когда речь идет о ремонте дорогостоящих частей станка.
Соответствующий граф представлен на рис. 5.8. Граф, рассматри-
ваемый от А до F в направлении стрелок, представляет собой про-
цесс изготовления детали, свойства которой характеризуются зна-
чением F. Однако, когда эта деталь нуждается в ремонте, она мо-
жет быть использована в качестве заготовки для изготовления но-
вой детали, но, естественно, иных размеров. Ребро FA указывает
на перенос отдельных свойств готовой детали на заготовку. Так, в
частности, иногда поступают при ремонте шпинделей, работаю-
щих на подшипниках скольжения. Создание нового шпинделя из
указанной заготовки будет иллюстрироваться дополнительным
графом, который явится ответвлением от цикла.
Рис. 5.8. Циклический граф технологического наследования
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ 469
4,
Рис. 5.9. Граф, имеющий
перешеек
Из рис. 5.7 видно, что графы,
характеризующие технологиче-
скую наследственность, состоят из
отдельных цепочек, внутри кото-
рых стрелки направлены в одну
сторону. Это единство направле-
ний символизирует течение тех-
нологического процесса и перенос
свойств обрабатываемого объекта
от операции к операции. Слож-
ность технологического наследо-
вания вместе с тем состоит в том,
что не всегда удается рассматри-
вать цепочки графа обособленно.
На рис. 5.9 представлен более сложный случай наследования,
когда изменение одного качества обрабатываемого объекта вызы-
вает изменение другого. Если цепочка свойств С-С1-С2-С3 ха-
рактеризует, например, изменение погрешностей формы детали в
процессе обработки, а цепочка D - D\ - D2 - D3 - изменение на-
пряжений, то перешеек графа указывает на взаимное влияние этих
свойств. Истинную картину технологического наследования опи-
сывают аналогичные графы с большим числом перешейков. Одна-
ко такие графы являются весьма сложными и не позволяют отде-
лить главные связи от второстепенных. Поэтому для практических
целей удобнее пользоваться графами, построенными на основе
упрощающих допущений.
Вместе с тем нельзя не заметить, что именно графы по рис. 5.9
показывают важнейшее свойство кибернетических сис-тем - нали-
чие обратной связи. Всякая система, рассматриваемая с позиций
технологического наследования, содержит в себе большое число
регуляторов с обратной связью. Эти регуляторы присущи системе,
их работа не всегда четко может быть осознана исследователями,
детально описана и тем более использована для управления свой-
470
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
ствами обрабатываемых объектов. В основе графа, показывающего
технологическое наследование, лежит ориентированное ребро, ус-
ловно снабженное стрелкой. Именно оно указывает на передачу
свойств. Отсутствие хотя бы одного ориентированного ребра сни-
мает вопрос о технологическом наследовании, так как вся предыс-
тория изготовления данного объекта оказывается не связанной с
дальнейшей обработкой.
Наряду с методом графов для иллюстрации явлений техноло-
гической наследственности может быть использован корреляци-
онный анализ. Получаемая с помощью расчетов автокорреляцион-
ная функция показывает степень наследования двух случайных
величин. Например, при алмазном выглаживании можно опреде-
лить влияние исходного профиля на шероховатость выглаженной
поверхности. Такая задача решается на основе экспериментальных
данных с использованием нормированной взаимно корреляци-
онной функции связи:
Ча<д') =

(5.2)
где KR^R^ (А/) - взаимная корреляционная функция связи шлифо-
ванного и выглаженного профилей; М[уш(li+m)] - матема-
тическое ожидание произведения центрированных профилей;
уш(О ~ текущее центрированное значение координаты точки
профиля шлифованной поверхности на участке yB(Zi+m) - теку-
щее центрированное значение координаты точки профиля выгла-
женной поверхности на участке (ти - 0, 1, 2, 3, ...); сш(/г) -
среднее квадратическое отклонение координат шлифованного
профиля для любого участка поверхности Z,; ов(/() - среднее
квадратическое отклонение координат выглаженного профиля для
любого участка поверхности 1(.
Анализ экспериментальных данных показывает, что профиль
выглаженной поверхности имеет наследственную связь с профи-
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ 471
лем исходной (шлифованной) поверхности. С помощью анализа, в
частности, удалось установить, что для определенных условий
шлифования и последующего выглаживания образца в 54 случаях
из 100 на месте вершины микропрофиля шлифованной поверхно-
сти будет вершина микропрофиля выглаженной поверхности. Бо-
лее того, представляется возможным установить влияние неровно-
сти на образование соседних неровностей. Корреляционный ана-
лиз удобен для описания количественной стороны технологиче-
ского наследования таких, например, высокоточных деталей, как
ходовые винты прецизионных металлорежущих станков. Он по-
зволяет выделить в ошибке шага винта наследственную часть,
оценить ее и сделать необходимые выводы о правильности по-
строения предыдущих операций. Использование метода корреля-
ционного анализа требует большого количества наблюдений (за-
меров), что иногда представляет существенные трудности, осо-
бенно для оценки высокоточных деталей. Кроме приведенных
возможны и другие методы описания явления. Однако во всех
случаях нужно при выборе метода отдавать предпочтение тем, ко-
торые позволяют дать количественную оценку.
Анализируя графы различных видов, можно заметить, что они
дают в основном общее представление о процессе наследования и
не отвечают на вопрос о количественной стороне дела. В отдель-
ных случаях графы оказываются громоздкими и малоупотреби-
мыми в производственных условиях. На рис. 5.10 представлен
граф технологического наследования отклонений формы ролико-
вой дорожки наружного кольца подшипника 32417М. Всего анали-
зу подвергали 12 технологических операций. Отклонения формы
обозначены у. Так, уо представляет собой отклонение формы заго-
товки, а У12 - отклонение формы готового изделия, т.е. кольца, по-
даваемого на сборку. Через А обозначены различные факторы,
влияющие на каждой операции на отклонение формы и, следова-
тельно, формирующие процесс технологического наследования.
К таким факторам относятся параметры закрепления объектов об-
работки, температура (в том числе в ходе термической обработки),
472
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ


а 01П10ж 0 э а	00000
Рис. 5.10. Граф технологического наследования отклонений формы
роликовой дорожки
режимные условия, характеристики обрабатываемого материала,
состояние инструмента и т.д. Эти параметры обозначены соответ-
ствующими индексами при А (расшифровку индексов не приво-
дим). Несмотря на явную громоздкость таких графов, они дают
возможность описывать механизм технологического наследования -
моделировать процесс на ЭВМ.
На практике возникают и более сложные случаи технологиче-
ского наследования, когда изменение одного свойства обрабаты-
ваемого объекта вызывает изменение другого свойства такого же
объекта. Так, например, как было указано выше, изменение формы
объекта приводит к изменениям его напряженного состояния, и
наоборот. Тогда на графах изображают соответствующие пере-
шейки (ребра), связывающие свойства друг с другом.
Научный интерес представляет еще один вид графов - кас-
кадный. В этом случае сравнительно просто и наглядно установить
связи между отдельными и необязательно смежными операциями.
Общий вид таких графов имеет дополнительные ребра. Не только
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ 473
свойства изделия передаются от операции к операции, но и выде-
ляются непосредственные связи, например, второй и пятой опера-
ций, третьей и восьмой, первой и девятой и т.д. Именно такие гра-
фы позволяют наилучшим образом представить механизм техно-
логического наследования в виде системы уравнений.
Наибольшей наглядностью отличаются графы, описывающие
изменение свойства изделий в ходе технологического процесса.
Такой ход целесообразно представлять в виде последовательности
операций. Соответствующий граф приведен на рис. 5.11. Он пока-
зывает не только влияние отдельных параметров детали на качество
сборки, но и изменение этих параметров в процессе эксплуатации
собранного изделия. Для удобства пользования графами введена
соответствующая система кодирования. Свойства заготовки (на-
пример, точность размеров, отклонения формы сечения, шерохо-
ватость и пр.) занумерованы так же, как и операции технологиче-
ского процесса.
Рис. 5.11. Граф, связывающий показатели свойств прецизионных
изделий с процессом их изготовления
474
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Представленный граф показывает, что, например, точность
размеров заготовки вследствие явлений наследственности опреде-
ленным образом сказывается на детали, поступающей на сборку.
Естественно, операции технологического процесса существенным
образом влияют на точность размеров, последовательно увеличи-
вая ее, однако рассеяние размеров готовых деталей оказывается
связанным с рассеянием размеров заготовки. Аналогично отклоне-
ния формы заготовок могут наследоваться и проявляться на сборке.
Технологическая последовательность изготовления деталей
может быть дополнена этапом «эксплуатация деталей в машине».
Тогда становится возможным оценить наследственную связь па-
раметров, характеризующих надежность эксплуатируемой детали
с аналогичными параметрами на любой операции технологическо-
го процесса. Более того, последний этап может быть разбит на оп-
ределенные периоды времени.
Для количественной оценки явлений технологического насле-
дования следует ввести дополнительные обозначения.
Важно установить не только качественные, но и количествен-
ные связи технологического наследования. Именно количествен-
ные связи позволяют определить, насколько велико влияние тех-
нологического наследования данного свойства на надежность ра-
боты детали в собранной машине. Каждое ребро графа, а прежде
всего ориентированное, характеризуется передачей ребра к. Свой-
ство х0, выраженное любой вершиной графа, изменяется в ходе
технологического процесса и характеризуется величиной хь Таким
образом, х(=—х0. Отсюда следует, что передача представляет
к
собой коэффициент, показывающий количественное изменение
свойства.
Для рассматриваемого графа (см. рис. 5.11) имеем:
g
к\ = —— - коэффициент изменения точности размеров (5 -
допуск на размер; i - номер текущей операции или перехода; п -
число операций или переходов сверх i, после проведения которых
количественно определяется величина данного свойства);
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ 475
к2 = —!--коэффициент изменения формы сечения заготов-
ки
ки или детали (Д - отклонение формы);
Rat
к2 =----- - коэффициент изменения шероховатости (Ra -
&а1+п
среднее арифметическое отклонение профиля);
к$ = СТ| - коэффициент изменения напряжений поверхно-
стных слоев (о - напряжения в поверхностных слоях);
. (НВ\ ,,
к5 = —------коэффициент изменения твердости материала;
WB)i+n
Wz-
kf.=---— - коэффициент изменения волнистости (Wz -
W^n
средняя высота волн);
к2 -
HWi
HWi+n
- коэффициент изменения структуры поверхно-
стных слоев.
Таким образом, приведенные коэффициенты являются про-
стыми дробями, у которых числитель указывает на количествен-
ное выражение величины, отражающей данное свойство до прове-
дения соответствующей операции, а знаменатель - то же, но после
ее проведения. Индекс каждой передачи представляет собой трех-
значную цифру. Поскольку все свойства заготовки или детали за-
нумерованы, равно как и операции технологического маршрута,
индексы расшифровываются следующим образом: первая цифра -
характеристика определенного свойства заготовки или детали (на-
пример, точность, волнистость и пр.); вторая цифра - наименова-
ние (номер) предыдущей операции, включая заготовительную;
третья цифра - наименование (номер) последующей операции, на
которой проявляется наследование свойств. Следовательно, выра-
476
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
,	500
жение передачи к107 03начает> что точность «1» заготовки
«0» наследуется на детали, поступающей на сборку «7». Точность
заготовки характеризовалась допуском 500 мкм, а погрешность
детали, пришедшей на сборку, - 10 мкм. Естественно, что уста-
новление коэффициентов передачи может иметь смысл только в
том случае, если выявлена наследственная природа явления. Ины-
ми словами, отклонение размера детали в 10 мкм возникло именно
из-за отклонения размеров заготовки в 500 мкм. Для более слож-
ных случаев технологического наследования индексы передач мо-
гут состоять из четырех цифр. Так, передача означает, что
форма «2» сечения заготовки «О» на операции «1» определяется
напряжениями поверхностных слоев «4».
Свойства, получаемые в ходе технологического процесса,
обозначены через х. Двузначные индексы расшифровываются сле-
дующим образом: первая цифра - характеристика определенного
свойства заготовки или детали; вторая цифра - наименование (но-
мер) операции, на которой или после которой определяется данное
свойство. Например, *26 - форма (2) после вылеживания (6); х37 -
шероховатость (3) детали на сборке (7); Хбз - волнистость (6) после
термической обработки (3) и т.д.
Поскольку на надежность работы детали решающее влияние
оказывают не все, а отдельные ее свойства, для выявления карти-
ны технологического наследования этих свойств целесообразно
строить обособленные, каскадные графы. На основании рис. 5.11
можно построить граф для установления наследственных связей
по любому параметру детали. На рис. 5.12, а представлен каскад-
ный граф, показывающий в общем виде наследование отклонений
формы поперечного сечения одной из деталей. В соответствии с
изображением этого графа технологическое наследование откло-
нений формы представляется следующей системой уравнений:
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ 477
1 1 1
*21 “7-----*20 + 7	*40 ’ *22 “7	*21’
*201	L*2014 J *212
1	Г 1	"I 1
*23 “7-----*22 + 7-------*42 ’*24 ~ 7------*23’
*223	L*2234	J	*234
1 1 1
*25 =7—*24+7—*2Ь *26 = 7—*25i
*245	*215	*256
(53)
1	1	1	Г 1
*27“7—*26 + 7—*23+7—*20 + 7------*45 ’
*267	*237	*207	|_*2574
1 1
*28 “7----*27 + 7------*47 •
*278	1*2784
Естественно, что вид графа, а следовательно, и соответст-
вующая система уравнений целиком определяются принятым тех-
нологическим процессом со всеми его особенностями. Решение
таких уравнений не представляет труда, необходимо сделать толь-
ко ряд подстановок. Значительно большие трудности возникают с
получением соответствующей информации, т.е. с определением
значений коэффициентов наследования.
В общем виде отношения и взаимная зависимость свойств из-
делий на различных, в том числе и смежных, технологических
операциях выражается уравнением х,- = axh(i -1). При этом харак-
тер наследования выражается через показатель степени h, а основ-
ные условия обработки определяются коэффициентом а. Послед-
нее уравнение можно привести к линейному виду
InX] =lna + Alnx(i-l). Величина 1пх,- характеризует значение
наследуемого свойства после обработки, ftlnx(i-l) - до обработ-
ки, тогда логарифм показывает влияние метода обработки. Поэто-
му такое уравнение достаточно полно раскрывает механизм техно-
логического наследования.
478
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Коэффициент а как коэффициент регрессии может быть раз-
ложен в ряд Тейлора. Тогда в целом параметр наследуемого свой-
ства после обработки раскладывается в следующий ряд:
In У] = Л1пу1_1 + lnfc0 + fc1lnA1 + /с21пД2 + &з1пА3 + ... + fcylnAy.
(5.4)
Он представляет собой некоторую поверхность в (/ + 2)-
мерном логарифмическом факторном пространстве. Коэффициен-
ты регрессии в данном полиноме есть коэффициенты
h, 1п^0, к\, к2, к3,kj.
Таким образом, дискретную наследственную связь можно
описать уравнением у( =у^к^^ ..Л], где у0 и yi - величины
наследуемого свойства на входе и выходе наследственной связи;
Д15 Д2, Д3,..., Ау - некоторые технологические факторы, прису-
щие данной наследственной связи.
Каждую наследственную связь необходимо представить урав-
нениями указанного вида, а затем эти уравнения связать в систему.
Тогда весь процесс технологического наследования некоторого
свойства у опишем следующей системой:
= Уо^оАцД^А-}! ...Дур
У2 = У\ ^0^12^22^32—^J2’
y3^y^k0^3^3...^C	(5-5)
Далее необходимо решить задачу формирования массива тех-
нологических факторов таким образом, чтобы число разноимен-
ных технологических факторов, вносимых в систему, обеспечива-
ло следующее равенство:
7 = i-2,
(5.6)
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ 479
где i = 1, 2, 3,... - число наследственных связей, соответствующее
числу уравнений в системе; J = 1, 2, 3, ... - число анализируемых
разноименных технологических факторов.
Становится очевидным, что рассматривать все технологиче-
ские факторы в большинстве случаев не имеет смысла. Необходи-
мо сосредоточить свое внимание на главных, определяющих фак-
торах. Однако следует учитывать, что при исключении из анализа
факторов, кажущихся второстепенными, четкость наследственных
связей может нарушиться.
Наиболее целесообразно внести в массив все технологические
факторы, полученные из производственного опыта, литературных
источников, мнения специалистов-экспертов. Далее все факторы
расставляют в порядке значимости и им присваивают необходи-
мые номера. Соответствующая обработка массива позволяет об-
легчить решение ряда технологических задач, к которым относят-
ся выбор оптимальных значений технологических факторов в со-
ответствии с заданным изменением величины наследуемого свой-
ства; прогнозирование параметров наследуемого свойства готовой
детали по его значениям у заготовки; выбор заготовки, обеспечи-
вающей заданное качество изделия.
Более простой случай технологического наследования по-
грешностей формы представлен на рис. 5.12, б. Приведенному
графу соответствует система уравнений (5.5), в которой отсутст-
вуют слагаемые, заключенные в квадратные скобки. Определен-
ный интерес представляет нахождение значений xi+n в функции
от . Для этого воспользуемся первыми (г + и) уравнениями.
Простой граф, называемый приведенным, дающий xi+n в функции
от X;, показан на рис. 5.12, в. Искомая передача определяется
методом подстановки:
x27 = х0 ]--------------------------------
[*212 ^2011_^256 \^223 ^234 ^245
1 |.1 1
^237 ^223
+77-, (5-7)
*207
480
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
откуда передача приведенного графа
^207 - ^212^2011^256 (^223^234^245) +^237^223 ]+^207-	(5-8)
Очевидно, что при заданных значениях х( и х,+„ можно найти
передачу любой технологической операции, если известны пере-
дачи остальных операций.
В системе, имеющей обратную связь (рис. 5.13), передачу
можно найти на основе следующих рассуждений:
%, х3
Х2=Т- + ~Г’
к\ к3
(5-9)
х2
но хз= ,
^2
Рис. 5.12. Каскадные графы
Рис. 5.13. Граф системы с обратной связью

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ 481
Поэтому
X. Х2
х2= — + ——
к\ к2к3
и передача оказывается равной
А = Л1 i__L_
х2 V к2к3
(5.10)
(5.Н)
Величина 1-------
I к2к3 J
представляет собой коэффициент обрат-
ной связи, т.е. коэффициент, на который нужно умножить переда-
чу, чтобы выявить полное влияние технологического процесса на
формирование свойства. Выражение процесса технологического
наследования с помощью системы уравнений облегчает задачу
количественного определения свойств (значения х для многих слу-
чаев в литературе пока представлены слабо).
В сложном явлении наследования в ходе технологического
процесса важнейшую роль играет передача и ее количественное
значение. В одном случае, на смежных операциях процесса, значе-
ние передачи может быть таково, что свойство детали переносится
полностью либо даже становится более четко выраженным. Для
другой пары смежных операций того же процесса передача оказы-
вается едва заметной или отсутствует вовсе. В последнем случае
очень важно установить ту точность, которой характеризуется на-
следственный перенос данного свойства. Например, часто прини-
мают, что отдельные термические операции способны полностью
устранить те напряжения, которые были получены ранее. Во мно-
гих случаях такое утверждение вполне допустимо. В действитель-
ности же после указанной термической обработки напряжения в
материале объекта производства могут остаться, хотя и имеют
весьма невысокий уровень. Поэтому ответить на вопрос о том,
произошел или не произошел наследственный перенос напряже-
16 — 6780
482
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
ний, можно в зависимости от того, насколько существенно влия-
ние оставшихся напряжений на выходной параметр детали.
Аналогичный подход следует применить и для оценки пере-
даваемых отклонений формы деталей. Эти отклонения могут быть
такими, что их по малости не принимают в расчет в одном случае,
но считают большими - в другом. Однако, очевидно, малость та-
ких отклонений не может явиться объяснением того, что процесс
технологического наследования отсутствует. Аналогично исполь-
зование относительно грубых измерительных средств не дает ос-
нования утверждать, что определенный процесс или явление не
имеет места, так как не регистрируется этими средствами.
В противовес детерминированным системам вероятностная
модель содержит характеристики случайного изменения свойств
обрабатываемой заготовки и характеристики рассеяния погрешно-
стей ее обработки как внутри одной партии, так и в совокупности
нескольких партий. Погрешности обработки на отдельно взятом
переходе могут быть представлены в виде последовательности
случайных величин аь а2, а3,..., а„ заданных функций распреде-
ления /(а) = Р(а < 5), где 5 - некоторое предельное значение а.
Во многих случаях представление механизма технологическо-
го наследования становится более удобным с помощью системы
уравнений. Это тем более оправдано, что можно использовать
компьютеры, полагая, что число параметров, участвующих в про-
цессе технологического наследования, оказывается во многих слу-
чаях очень большим.
5.3.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Технологическое наследование проявляется всегда как объек-
тивная реальность функционирования технологических систем.
Если анализировать процесс наследования именно по всем показа-
телям, то такой анализ не только потребует огромного времени, но
и окажется во многих случаях лишенным практической целесооб-
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 483
разности. На практике ограничиваются, как правило, несколькими
основными показателями качества, которые определяют служеб-
ное назначение изделия. В тех же случаях, когда это необходимо,
анализируют особые наследственные связи.
В большинстве случаев обращают первостепенное внимание
на материал деталей с рассмотрением эволюции его свойств, на-
следование конструктивных форм деталей в основном материале и
в поверхностных слоях, шероховатость поверхности и др. Однако
во всех случаях методический подход к определению наследст-
венных связей оказывается единым.
Развитие науки о природе материалов и методах изготовления
из них заготовок и деталей машин позволяет изготовлять машино-
строительные изделия высокого качества. Вместе с тем в этой ра-
боте необходим учет разнообразных наследственных технологиче-
ских связей и прежде всего связей свойств материалов. Если не
предпринимать необходимые меры для ликвидации передачи
вредных наследственных свойств от предшествующих технологи-
ческих операций к последующим, качество изделий неизменно
снижается. Пороки исходных заготовок и их материалов возника-
ют еще в металлургическом производстве, имеют наследственный
характер и, если не ликвидируются там же, проявляются и в ходе
механической обработки, и в готовом изделии. Такие пороки свя-
заны с особенностями заготовительного производства и свойства-
ми материалов.
В науке о технологической наслед-
ственности особый интерес представля-
ет учение о старении материалов, т.е.
изменении свойств материалов во вре-
мени. Старение чаще всего происходит
из-за изменения напряжений е(0 как в
основной массе материала, так и в по-
верхностных слоях заготовок (рис. 5.14).
Материал может деформироваться
не только при изготовлении заготовок,
16*
Рис. 5.14. График
изменения напряжений
материала во времени
484
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
но и в ходе механической обработки резанием, сборки и даже при
испытании изделия. Деформирование заготовок возникает не
только от действия соответствующего инструмента, но также от
действия сил закрепления, сил инерции, а также под действием
собственной массы. Появление неравновесных состояний может
быть объяснено с позиций дислокационной теории строения мате-
риалов.
Неравномерное распределение свойств материала объектов
производства, характерное для всего объема заготовки, дополняет-
ся неравномерностью распределения свойств и по поверхности
детали (рис. 5.15). Такая неравномерность также имеет наследст-
венную природу, так как возникла из-за влияния технологических
факторов, имевших воздействие на материал в прошлом (на пред-
шествующих технологических операциях). На поверхностях дета-
лей имеется бесчисленное множество микродефектов (см.
рис. 5.15).
Кроме того, поверхность гетерогенна, т.е. неоднородна не
только в геометрическом, но и в химическом отношении, что не-
посредственно сказывается на характере контактирования заготов-
ки с технологической средой. На поверхности возникают различ-
ные химические соединения. В большинстве они представляют
собой оксиды.
Рис. 5.15. Микромодель строения поверхностного слоя;
1 - терраса; 2 - адсорбированный атом; 3 - то же на ступеньке;
4 - вакансии на террасе; 5 - одноатомная ступенька; б - петля
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 485
Рис. 5.16. Следы инородных
включений на поверхности
прецизионных деталей
Если вредные примеси не лик-
видировать на предшествующих
операциях тем или иным способом в
металлургическом производстве, то
они остаются в механосборочном
производстве. Но здесь очень важно
классифицировать дальнейшее дей-
ствие вредных примесей. Так, вред-
ная обычно сера в автоматной стали
приводит к увеличению точности
обработки. Детали, полученные из
прутков автоматной стали с содержанием серы 0,16 %, имеют поле
рассеяния, в 5 - 6 раз большее, чем детали из прутков с содержа-
нием серы 0,2 %. Соответственно и шероховатость поверхности
снизилась в Среднем с Ra = 2,5 мкм до Ra = 0,63 мкм. В то же вре-
мя включение наследственных примесей часто приводит к более
интенсивному изменению механических свойств материалов во
времени. Среднеуглеродистая сталь, например, имеющая в струк-
туре неравномерно распределенные включения избыточного гра-
фита, отличается низким пределом упругости и склонностью к по-
вышенному изменению формы детали с течением времени.
Проблема передачи наследственных свойств некоторых мате-
риалов внимательно изучается при получении на деталях ответст-
венных поверхностей с весьма малой шероховатостью (для преци-
зионных кинематических пар). Например, на шейках валов, иг-
рающих роль шпинделей и изготовленных из стали 38ХМЮА,
иногда появляются дефекты в виде сыпи (рис. 5.16). Поскольку
дефекты обнаруживают после финишной обработки (суперфи-
ниш), то и объяснение этого явления связывают с особенностями
протекания финишной обработки. Лишь весьма детальное рас-
смотрение условий проведения суперфиниша приводит к выводу о
наследственной причине появления дефектов на поверхности. Та-
кой причиной явилось возникновение нитридов по границам зерен
486
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
в ходе химико-термической обработки еще задолго до финишной
обработки. Нитриды, будучи чрезвычайно хрупкими, выкрашива-
ются при приложении силы в ходе механической обработки, ос-
тавляя характерные углубления (сыпь). Такие выкрашивания про-
исходят на всех операциях механической обработки, но не заме-
чаются наблюдателем. Они видны отчетливо только на фоне зер-
кальной поверхности, возникающей после суперфиниша. Рентге-
нографический анализ подтвердил высказанную выше гипотезу.
Дефекты на поверхности появляются по двум причинам. Во-
первых, выкрашивание неметаллических включений в азотирован-
ном слое возникает вследствие усиленной диффузии азота и хруп-
кости металла в этих местах, во-вторых, из-за некачественной
предварительной термической обработки заготовок валов до азо-
тирования, а также грубозернистой структуры металла. Вследст-
вие этого при азотировании происходит усиленная диффузия ато-
марного азота по границам зерен, где образуются прослойки нит-
ридов, ослабляющие связи между зернами металла.
Некоторые замеченные недостатки микроструктуры, связан-
ные с технологической наследственностью, можно устранять на-
гревом токами высокой частоты рабочих поверхностей валов с ох-
лаждением на воздухе. Но неметаллические включения все равно
остаются (сернистый марганец). Поэтому необходима организация
входного контроля качества материала.
Важен и другой аспект рассмотрения технологической на-
следственности металлов в связи с работой прецизионных кинема-
тических пар. Например, пары могут заклиниваться из-за изотер-
мического распада аустенита материала заготовок. В результате
такого распада зазоры кинематической пары (прецизионного со-
единения) гасятся. Таким образом, свойства, полученные при тер-
мической обработке сталей определенного класса, не исправляют-
ся на последующих операциях механической обработки. Лишь об-
работка этих заготовок холодом дает удовлетворительные резуль-
таты, и вредные свойства материала ликвидируются на начальных
операциях технологического процесса. Аналогичные процессы,
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 487
происходящие в материале заготовок, приводят к изменению дли-
ны таких прецизионных инструментов, как концевые меры (изме-
рительные плитки). Меры длиной 100 мм, изготовленные из хро-
мистой стали с содержанием аустенита менее 1 %, прошедшие за-
калку в масле при 860 °C и последующий отпуск при 125 °C, через
24 мес эксплуатации увеличиваются в размере в среднем на
0,25 мкм. Меры же, имевшие 7,4 - 7,8 % аустенита, уже через
3 мес увеличиваются в размере на 1,3 - 1,8 мкм. Такие изменения
размеров особенно ощутимы для деталей с большим соотношени-
ем длины заготовки к диаметру (толщине), т.е. более 5-10.
Фазовые превращения, происходящие при термической обра-
ботке, должны учитываться в дальнейшем ходе технологического
процесса, в частности при шлифовании. Если, например, прецизи-
онные ходовые винты нарезают предварительно на токарно-
винторезных станках, то шаг винта должен быть скорректирован в
связи с тем, что при термической обработке винт увеличит свою
длину и, следовательно, на операцию последующего шлифования
будут даны винты с изменившимися шагами. В практике замечены
и такие случаи, когда изменения длины происходят неравномерно
по всему винту. Это, по-видимому, можно объяснить особенно-
стями строения материала данной заготовки, в частности некото-
рым рассеянием физико-механических свойств по всему объему.
Такая точка зрения нашла свое экспериментальное подтверждение.
При анализе механических свойств материала роторов некоторых
машин было обнаружено, что в различных зонах заготовок мате-
риал имеет различный удельный вес. Указанная наследственная
погрешность заготовок приводит к неуравновешенности роторов
даже при их идеальных геометрических параметрах.
Термическая обработка заготовок является наиболее мощным
средством, позволяющим весьма успешно управлять наследствен-
ными явлениями.
Так, например, задавая различные режимы нормализации ста-
лей, можно получить при одинаковых скоростях резания различ-
488
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
ную шероховатость поверхности. При этом существенно изменя-
ется не только определенный параметр шероховатости поверхно-
сти, но и его рассеяние.
Технологический процесс изготовления деталей во многих
случаях должен учитывать волокнистую структуру материала.
Так, износостойкость деталей и характер собственно износа зави-
сят от расположения волокон в заготовке. На рис. 5.17 показано
сечение цапфы зубчатого колеса, полученной методом выдавлива-
ния. Можно себе представить, как в этом случае будут распола-
гаться волокна. На шлифе можно увидеть, что они как бы «следят»
за наружной поверхностью цапфы. Сами условия создания волок-
нистой структуры этого элемента детали уже предполагают фор-
мирование различных свойств материала по поверхности. Харак-
терно расположение твердости по Роквеллу (шкала В) по предпо-
лагаемой поверхности трения. Твердость измерена на осевом се-
чении цапфы на расстоянии 0,15 мм от поверхности. Каждому но-
меру измерения по рис. 5.17, а соответствует определенная твер-
дость на графике рис. 5.17, б. Величина твердости и характер ее
распределения определяются методом получения заготовки и
свойствами материала. Расположение волокон и особенности из-
менения твердости сформированы еще на заготовительном этапе
производства. Другой метод изготовления цапф создает другую,
но также наследственную картину расположения физико-
механических показателей заготовки. Именно эти показатели бу-
дут формировать в готовом изделии картину износа цапфы и со-
прягаемой с ней втулки (подшипника) и прежде всего по форме
образующей контактирующих поверхностей.
Различный износ чугунных деталей при одинаковом химиче-
ском составе может быть объяснен на основе явлений технологи-
ческой наследственности. Установлено, что износ чугунных об-
разцов (3,3 % С; 2,24 % Si; 0,61 % Мп; 0,1 % Р; 0,09 % S) зависит
от расстояний между графитовыми включениями. Эти расстояния
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 489
ПврЗает» м/Mrjuy
Рис. 5.17. Сечение цапфы зубчатого колеса:
а - расположение точек измерения твердости;
б - график распределения твердости
полностью определяются способом получения заготовок и после-
дующей термической обработкой. Таким образом, на деталях с
одинаковым химическим составом и при одном и том же содержа-
нии графита может быть получена гамма структур графитовых
включений, различающихся размерами и формой. Влияние графи-
товых включений на относительный износ показано на рис. 5.18,
где ДК] - изношенный объем испытуемого образца; ДК2 - изно-
шенный объем эталонного образца. Графики указывают на суще-
ствование определенных связей технологии изготовления деталей
и служебных характеристик, проявляющихся в процессе эксплуа-
тации.
Свойства обрабатываемого материала, особенно в тех случа-
ях, когда он не подвергается в ходе технологического процесса
дополнительной термической обработке, существенно влияют на
шероховатость поверхности при механической обработке. Содер-
490
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ

Ю 20	30 4в 30	60	70
Среднее расстояние (Ся между
графитовыми включениями, мкм
Рис. 5.18. Зависимость относительного износа от расстояния
между графитовыми включениями чугуна
жание углерода в сталях является важным фактором изменения
шероховатости. С ростом количества углерода от 0,1 до 0,7 % ше-
роховатость обрабатываемых поверхностей уменьшается, причем
этот эффект становится более ощутимым при больших путях реза-
ния. Так, при пути резания 1000 м средняя величина шероховато-
сти по параметру Ra для сталей с 0,1 и 0,6 % С, обрабатываемых
твердосплавным инструментом со скоростью резания 300 м/мин,
составляет соответственно 5 и 3 мкм. Если же такое сравнение
провести для пути резания 16 000 м и оставить все остальные ус-
ловия прежними, то значение Ra составляет 11 и 7 мкм, т.е. разни-
ца увеличивается вдвое. Аналогичные результаты получаются и
при обработке другими инструментами. Во всех рассматриваемых
случаях материал имел структуру феррит + перлит. Для сталей с
содержанием углерода 0,8 - 1,4 %, обрабатываемых теми же инст-
рументами, но после проведения отжига, характер указанных за-
висимостей сохраняется, хотя значение Ra увеличивается по срав-
нению со значением Ra в первом интервале, что можно объяснить
появлением другой структуры сталей (перлит + вторичный цемен-
тит). Одновременно с изменением шероховатости в рассмотрен-
ных случаях изменяются и механические свойства поверхностных
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 491
Рис. 5.19. Диаграмма влияния
состояния материала на показатель
шероховатости поверхности при
листовой штамповке
стальных деталей:
А - с содержанием 18 % Сг, 10 % Ni и не
менее 0,07 % С; Б - с содержанием
17 % Сг, 5,5 % Ni, 8,5 % Мп и не менее
0,1 % С; 1 - материал перегрет; 2 - нагрет,
не будучи обезжиренным; 3 - нагрет до
температуры ниже установленной; 4 - на-
грет с увеличенной выдержкой в печи; 5 -
нагрет в окислительной атмосфере; 6 -
холоднокатаный, протравленный; 7 - после
№.
мкм
1.»
1.8
».*
1,?
V
0,Г
а»
о.*
0.1
прокатки на отделочном стане
слоев заготовок в связи с фазовыми превращениями в ходе реза-
ния. Таким образом, наследуемое свойство существенно влияет не
на один, а на несколько параметров обрабатываемого объекта од-
новременно.
Наследование свойств материалов и их влияние на шерохова-
тость поверхностей проявляются не только при обработке загото-
вок на металлорежущих станках, но и в других случаях механиче-
ской обработки, в частности при листовой штамповке. Влияние
свойств на шероховатость весьма ощутимо и, в этом случае. Для
того чтобы повлиять на свойства листовых заготовок, приходится
проводить соответствующие термические и химические операции.
На рис. 5.19 приведена диаграмма, из которой видно, что шерохо-
ватость поверхностей существенно увеличивается в случаях пере-
грева в процессе термической обработки, а также проведения ее с
необезжиренным материалом. Одновременно диаграмма показы-
вает резервы уменьшения шероховатости на основе явлений тех-
нологической наследственности.
Термическая обработка является наиболее мощным средством
изменения наследственных свойств материала. Однако не следует
считать, что она всегда позволяет полностью ликвидировать опре-
деленный показатель свойств материала. Например, утверждение о
492
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
том, что отжигом можно полностью ликвидировать остаточные
напряжения, лишено основания. Наличие хотя бы малых по вели-
чине, но всегда имеющихся после отжига остаточных напряжений,
может решающим образом сказаться на работе прецизионных де-
талей. Поэтому судить о наследственной природе материалов и
роли термической обработки в формировании наследственных
свойств нужно на основе количественной оценки показателей раз-
личных технологических операций исходя из служебного назначе-
ния детали. В связи с этим большое значение приобретает такая
операция, как холодное пластическое деформирование заготовок
по поверхности. Так, на свойства сталей влияние холодного пла-
стического деформирования настолько велико, что оно проявляет-
ся и после такой термической обработки, которая предусматривает
фазовую перекристаллизацию. Для некоторых деталей (40ХН и
40Х) предварительный наклеп после улучшения и последующее
проведение двойной фазовой перекристаллизации приводит к то-
му, что пределы прочности и текучести существенно увеличива-
ются.
Холодное пластическое деформирование не позволяет упроч-
нить весь объем материала заготовки, а производится по поверх-
ности. Глубины же упрочненного слоя по сравнению с размерами
сечений деталей могут быть достаточно малыми.
Приведенные выше и другие данные говорят о том, что свой-
ства материалов заготовок и особенности технологических про-
цессов получения заготовок наследуются и должны быть разумно
использованы для повышения качества деталей машин.
Сейчас уже недостаточно рассматривать качество заготовок
только с точки зрения их массы, твердости и пр. Необходимы глу-
бокие исследования всех основных параметров материалов загото-
вок в плане технологической наследственности. Такую работу
должны проводить металловеды, специалисты в области обработ-
ки давлением и литейного производства. Это позволит строить
оптимальный технологический процесс, способный связать воеди-
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 493
но заготовки, их механическую обработку и эксплуатационные
показатели деталей, полученных из этих заготовок.
Явления технологической наследственности необходимо ис-
пользовать для повышения любого параметра качества изделий.
Рассмотрим это положение на примерах.
Предположим, что несколько партий валов изготовлено из
стали ШХ15. В изделии они, вращаясь, контактируют с роликами
по цилиндрической поверхности. Через некоторое время у первой
партии валов возникает осповидный износ. У второй партии валов,
имеющих ту же начальную шероховатость и размеры, что и первая
партия, очагов износа значительно меньше. Третья же партия, ра-
ботавшая в тех же условиях после того же времени эксплуатации,
следов износа не имеет. Так, три партии деталей с одинаковыми
исходными данными имеют совершенно разные эксплуатацион-
ные характеристики. Отыскание причины этого явления представ-
ляет научный и практический интерес.
Обычно причины возникновения погрешностей связывают с
финишными, последними операциями. Но в данном случае - с ва-
лами - все три партии были закалены в одинаковых условиях, а
затем прошлифованы на финишной операции с одинаковыми ре-
жимами резания. Используя принцип технологической наследст-
венности, можно утверждать, что свойства изделий формируются
не только на последней операции, но и на протяжении всего тех-
нологического процесса. Причину отказа (износа) можно найти,
рассмотрев всю технологическую цепочку.
С этих позиций рассмотрим процесс взаимодействия заготов-
ки (валов) с абразивным инструментом (рис. 5.20). Шлифовальный
круг первоначально находится в положении I - I и срезает в пер-
вую очередь микровыступы поверхности заготовки. При этом воз-
никает много очагов теплового воздействия на поверхностный
слой заготовки. Своеобразные тепловые удары создают в поверх-
494
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
ностном слое зоны, в которых происходят фазовые превращения,
приводящие к местному изменению физико-механических свойств
материала вала. Шлифовальный круг продолжает перемещаться и
занимает положение II- II.
Микровыступы сравнительно большой величины образова-
лись не на финишной операции - шлифования, а на начальной то-
карной операции, которая была проведена для первой партии ва-
лов (Ra = 20,0 мкм). Образовавшиеся из-за микровыступов мест-
ные износы с выкрашиванием поверхности детали имеют наслед-
ственную природу, так как условия образования очагов износа
появились еще в начале «рождения» заготовки.
Рис. 5.20. Схема образования тепловых ударов при шлифовании
Рис. 5.21. Схема технологического наследования
конструктивных форм
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 495
Вторая партия валов предварительно была обточена так, что
микровыступы были меньшей (Ra = 5,0 мкм), чем у первой партии,
величины. Поэтому очагов износа было значительно меньше. Тре-
тья же партия валов была предварительно прошлифована
(Ra = 0,32 мкм) вместо обтачивания. Микровыступы в этом случае
были минимальными и не повлияли на механизм образования оча-
гов с фазовыми превращениями. Из рассмотрения рис. 5.20 следу-
ет, что свойства изделий формируются исходя из наследственной
сущности явлений. Поэтому представляется возможным повлиять
на структуру технологического процесса, исключив условия обра-
зования погрешностей различного вида.
В ходе технологических процессов наследуются практически
все свойства материала и поверхностных слоев заготовок и деталей.
Большое значение имеет технологическое наследование кон-
структивных форм деталей. Оно проявляется всегда, но иногда
наследственные погрешности оказываются малыми и их влияние
на служебные характеристики малоощутимы.
Наследования конструктивных форм деталей рассмотрим на
примере рис. 5.21. При изготовлении детали по рис. 5.21, а по-
следняя проходит через ряд технологических операций (точение,
сверление, дорнования отверстия). Однако обнаруживается, что у
всех отверстий партии деталей образующие отверстий имеют от-
клонение от прямолинейности (пунктирная линия). Традиционный
вопрос о том, почему это происходит, не находит быстрого ответа.
Чаще всего ответ ищут на финишных операциях. Если же проана-
лизировать всю технологическую цепочку, можно установить, что
на операции дорнования отверстия силой Q (рис.5.21, б) упругие
радиальные перемещения заготовки от действия инструмента в
различных ее сечениях оказываются различными. Жесткость в се-
чении 1-1 оказывается больше, чем в сечении 2-2. Когда инст-
румент - дорн - выйдет из контакта с заготовкой, последняя, де-
формируясь в зоне упругости, уже не сможет иметь отверстия с
прямолинейными образующими. Форма отверстия оказывается
наследственно связанной с конструктивными элементами детали.
496
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Если же деталь имеет не два, а три бурта (рис. 5.21, в), то и отвер-
стие получит другие наследственные отклонения. Величина таких
отклонений зависит, естественно, от конкретных условий. Жела-
ние устранить наследственную погрешность на финишных опера-
циях вызывает возражения экономического характера и, кроме то-
го, трудноосуществимо, поскольку для реализации такого желания
необходимо иметь технологические системы с особыми свойства-
ми. Решение же данной проблемы следует искать в изменении
технологического процесса и замене операции дорнования на дру-
гую операцию.
Таким образом, технологическое наследование проявляется не
только в сфере производства, но и в процессах конструирования и
эксплуатации изделий. Сущность наследования конструктивных
форм сводится к тому, что заготовки, имея в зависимости от кон-
структивных особенностей различные жесткость или температур-
ную деформацию в разных точках, под действием сил резания или
нагрева получают в ходе технологического процесса или эксплуа-
тации неодинаковые перемещения, вызывающие погрешности
формы готовых деталей. Сюда же относится возникновение по-
грешностей от неравномерной релаксации напряжений, наличие
которых в различных точках заготовки связано с особенностями
конструктивных форм деталей. Особое значение этот вид наследо-
вания имеет для прецизионных деталей, поскольку величины по-
грешностей могут быть соизмеримы с допусками.
Рассматриваемые отклонения можно определять расчетными
методами на основе решения задач сопротивления материалов и
теории упругости, причем для деталей относительно простых гео-
метрических форм достижима весьма высокая точность расчетов.
С внедрением в заводскую и лабораторную практику кругломеров -
приборов для определения отклонений от круглости, прямолиней-
ности и других параметров прецизионных деталей - становится
возможным непосредственное определение отклонений формы и
расположения поверхностей.
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 497
В подавляющем большинстве случаев технологическое насле-
дование конструктивных форм следует рассматривать как вредное
явление. Бороться с ним необходимо с помощью конструктивных
мероприятий, для чего важно определять отклонение формы коли-
чественно. Расчетный метод нахождения погрешностей позволяет
для ряда деталей оценивать упругие перемещения под действием
сил резания и закрепления с весьма высокой точностью. Для круп-
ногабаритных прецизионных деталей использование расчетного
метода особенно желательно, так как такие детали не могут быть
установлены на измерительные приборы, например кругломеры.
Наиболее типичен случай возникновения отклонений формы в
силу переменной жесткости заготовок, обрабатываемых на станках
токарной и шлифовальной групп. В общем случае заготовки не
имеют симметричных поперечных сечений. Для расчетов их сле-
дует схематизировать и заменять балками, состоящими из ряда
участков, каждый из которых имеет свою жесткость.
Переменная жесткость заготовок может стать причиной воз-
никновения колебаний технологической системы. Если на заго-
товке для изготовления вала имеется участок прямоугольного се-
чения, длина которого составляет существенную часть длины вала,
то при вращении вала и постоянной силе резания возникнут коле-
бания, поскольку жесткость заготовки будет изменяться по углу
поворота. В этом случае отклонения формы обрабатываемого ци-
линдрического участка могут описываться весьма сложным зако-
ном, а собственно отклонения следует определять эксперимен-
тальным путем.
Возникновение погрешностей формы при изменении темпера-
туры обрабатываемых заготовок оказывается весьма сложным да-
же для деталей относительно простых конфигураций. Поэтому
можно рекомендовать экспериментальный метод оценки наследо-
вания конструктивных элементов. Например, экспериментами ус-
тановлено, что при шлифовании наружных поверхностей деталей,
имеющих во внутренних полостях различные приливы, ребра же-
498
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
сткости и другие конструктивные элементы, на обрабатываемой
поверхности каждый раз возникают специфические отклонения
формы, вполне определенным образом связанные с этими конст-
руктивными элементами. В этом также заключается технологиче-
ское наследование конструктивных форм, но его природа в данном
случае связана с тепловыми явлениями.
При изготовлении деталей, анализируя тепловые явления, пы-
таются главным образом определить температурные погрешности
размеров. Так, например, при наружном шлифовании цилиндриче-
ских заготовок методом врезания принимают, что величина темпе-
ратурных деформаций пропорциональна средней температуре по
сечению, а теплоотводом от торцов пренебрегают. Такое допуще-
ние нельзя принимать для прецизионных деталей, а для деталей
нормальной точности удовлетворительные результаты расчета да-
ет лишь шлифование шеек, удаленных от торцов вала.
Неправомерность допущения о равномерности нагрева заго-
товок показана на рис. 5.22. Методом шлифования обрабатывают-
ся стальные заготовки диаметром 30 мм и длиной 60 мм со скоро-
стью резания 28 м/с и подачей 0,8 мм/мин. Условия нагрева заго-
товок в разных поперечных сечениях оказались различными. Теп-
лоотвод у торцов заготовок оказался значительно больше, чем в
середине. В результате этого температурные деформации в сере-
дине были больше (см. рис. 5.22, а), чем у торцов. Это проявляется
на остывшей детали в виде прогиба образующей величиной h.
Этот эффект, естественно, зависит от расхода Q охлаждающей
жидкости (см. рис. 5.22, б). Верхняя кривая показывает общее от-
клонение формы Собш, которое учитывает все прочие особенности
проведения процесса. При изоляции торцов заготовки тонкой пла-
стмассовой пленкой теплоотвод по сравнению с первым вариан-
том шлифования был нарушен. Деталь не имела «корсетной» фор-
мы. Таким образом, отклонение формы готовой детали есть функ
ция ее длины, диаметра, конструктивного оформления торцов и
других особенностей конфигурации, а также свойств материала.
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 499
Рис. 5.22. Влияние нагрева заготовок на отклонения их формы
Ряд решений по определению температурных деформаций
имеется для деталей типа пластин. Расчеты проводят приближен-
ными методами для шарнирного опирания, заделки или свободно-
го края.
Наследственные связи не могут быть реализованы вне контак-
тов заготовок как твердых тел с элементами технологических сис-
тем. В первую очередь такими элементами являются технологиче-
ские базы. В условиях, когда используется принцип постоянства
технологических баз, что приводит к повышению точностных ха-
рактеристик, проявление взаимодействия баз с заготовками сказы-
ваются особенно заметно. Базовые поверхности сами имеют по-
грешности. Контактирование заготовок с такими базами непре-
менно влияет на характер наследования.
Технологические базы заготовок всегда имеют отклонения
размера, формы и расположения поверхностей контакта с приспо-
соблением или оборудованием. Эти отклонения наследуются об-
рабатываемыми поверхностями. Так, погрешность, возникшая,
например, в начале технологического процесса, может устойчиво
сохраняться вплоть до стадии эксплуатации детали. Особенно
трудно бороться с малыми по величине отклонениями (погрешно-
стями). Рассмотрим типовой пример по рис. 5.23. Центровое отвер-
стие - «гнездо» на деталях, например, типа валов (рис. 5.23, а) -
500
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Рис. 5.23. Схема наследования технологических баз
имеет номинально коническую форму и контактирует с кониче-
ской формой центра, который играет роль приспособления. Одна-
ко детальное рассмотрение формы технологической базы - цен-
трового отверстия - позволяет убедиться в том, что на его кониче-
ской поверхности имеются характерные выступы (волны). Если
посмотреть на центровое отверстие (рис. 5.23, б), то наличие волн
на уже контактировавшем с центром валу можно обнаружить по
характерным блестящим полоскам. Чаще всего на центровых от-
верстиях наблюдают 2, 3 или 5 волн. Наиболее отчетливо эти вол-
ны можно зафиксировать с помощью кругломера.
Когда происходит обработка наружной поверхности вала ме-
тодом шлифования и на заготовку действует сила постоянного на-
правления, то условия контакта выступов центрового отверстия и
центра постоянно изменяются. Изменяется по углу поворота заго-
товки и жесткость сопряжения центр - отверстие. В результате
этого на наружной обрабатываемой поверхности возникает соот-
ветствующая волнистая поверхность. В этом можно убедиться по
рис. 5.23, в. Если на центровом отверстии были две волны, то и
наружная поверхность детали также будет иметь две волны. При
контакте центра станка с тремя выступами отверстия на обрабаты-
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 501
ваемой поверхности возникнет также три волны и т.д. Высота волн
может быть малой и фиксируется при соответствующем увеличе-
нии на кругломере. Так, на финишной операции возникают по-
грешности, причина которых возникла еще на начальной операции
центрования заготовок. Наследственная погрешность устойчиво
сохранилась на протяжении всего технологического процесса.
Трудно себе представить элемент технологического процесса
или технологическую операцию, где не проявлялось бы техноло-
гическое наследование. Закономерности наследования объектив-
ны. Практическое же их проявление отчетливо видно на стадии
эксплуатации изделия. Это положение покажем на примере
рис. 5.24.
Рис. 5.24. Проявление технологической наследственности
в ходе эксплуатации изделий
502
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
В корпусную деталь изделия поставлен стакан, в котором ус-
тановлен подшипник качения (рис. 5.24, а). Сила Р, действующая
на вал и подшипник, вызывает упругое перемещение всего соеди-
нения. Такое перемещение зависит от величины приложенной си-
лы. Картина нагружения показана на графике 1 (рис. 5.24, б).
Упругое перемещение элементов конструкции растет по мере
возрастания силы Р. При силе Р = 8000 Н характер упругих пере-
мещений изменяется и на графике наблюдается излом. В этом
элементарном эксперименте ничего особенного, казалось бы, нет.
Однако, если повернуть стакан на 90° и собрать снова всю конст-
рукцию с новым положением стакана, величины упругих переме-
щений могут существенно измениться (рис. 5.24, б, график 2). Те-
перь при той же силе нагружения упругие перемещения стали зна-
чительно меньше. Кроме этого, нет и излома на графике 2. Это об-
стоятельство должно найти соответствующее объяснение, по-
скольку решающим образом влияет на показатели качества всего
изделия. При этом речь идет не о данном, конкретном изделии, а о
всей партии изделий. Объяснение может и не быть найдено, если
не использовать закономерности технологического наследования.
Необходимо детально проанализировать всю технологическую
цепочку изготовления деталей и их сборки. Кроме этого, анализу
должна быть подвергнута и производственная среда.
При анализе можно установить, что во время токарной или
шлифовальной обработки стаканов последние закреплялись в
трехкулачковых патронах. Такое закрепление вызывает, естест-
венно, деформирование заготовок стаканов. Следовательно, по-
верхности сопряжений стаканов с другими деталями будут иметь
столько крупных волн, сколько кулачков было у патронов. Эта по-
грешность формы является наследственной. Она зародилась еще
на стадии токарной обработки одной из деталей - стакана - всей
конструкции. Форма контактной поверхности стаканов условно
показана на графике пунктирной линией.
Если причина анализируемого явления установлена, то необ-
ходимо принимать соответствующие меры к устранению ее соот-
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 503
ветствующей технологической операции процесса. Если же обна-
руженная причина положительно сказывается на качественных
показателях детали или изделия, соответствующие условия обра-
ботки необходимо сохранять и способствовать их развитию.
К настоящему времени уже разработаны необходимые для
практики методические положения, позволяющие облегчить ана-
лиз наследственных связей и установить количественные соотно-
шения. Из того факта, что наследственные связи объективно суще-
ствуют, не следует, что во всех случаях их необходимо учитывать.
Если, например, речь идет об изготовлении машиностроительных
изделий нормальной точности, наследственная доля погрешности
может оказаться сравнительно малой. Основными могут стать тра-
диционные погрешности, характерные для большинства техноло-
гических процессов изготовления машин. В тех же случаях, когда
допустимые погрешности должны быть малыми по своей величи-
не и их устранение оказывается весьма сложной технологической
задачей, наследственная доля допуска может не только быть соиз-
меримой с самим допуском, но и превосходить его. Следователь-
но, закономерности технологического наследования необходимо
использовать прежде всего в прецизионном машиностроении.
Конкретные производственные условия решающим образом
влияют на конечный результат в ходе наследования. Из элемен-
тарного графа (см. рис. 5.4) следует, что производственная обста-
новка в виде А2 влияет на свойства изделия С в равной степени со
свойствами Ах объекта производства, передаваемыми от предшест-
вующих операций.
В передаче свойств в равной степени важен как производст-
венный, так и технологический процесс. В большинстве случаев
производственный процесс играет наиболее важную роль потому,
что охватывает многие технологические переделы - от металлур-
гии или других способов получения материалов до сборки готовых
изделий. Технологический же процесс рассматривается чаще в
случаях проявления сравнительно коротких технологических це-
504
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
почек. Но как в первом, так и во втором случае необходимо рас-
смотрение производственной среды и ее объектов.
Производственный процесс, представляющий собой совокуп-
ность действий, в результате которых материалы и полуфабрикаты
превращаются в готовую продукцию, соответствующую своему
служебному назначению, обеспечивает свойства изделий, опреде-
ляющие их эксплуатационные качества.
Свойства изделий формируются в ходе выполнения всей со-
вокупности технологических процессов, на каждом этапе которых
взаимодействуют различные технологические объекты, в резуль-
тате чего происходит определение или изменение состояния пред-
мета производства. Все это осуществляется в определенной среде -
производственной. Среда - это носитель механизма изменения и
сохранения свойств изделий в процессе их изготовления, она не
принадлежит определенному объекту, но связана с ним.
Множество взаимодействующих технологических процессов,
объединяются в технологические системы. Функционирование
любой технологической системы можно представить как взаимо-
действие одного ее элемента со средой, которую образуют техно-
логические процессы, принадлежащие данной или иным техноло-
гическим системам.
Технологическая среда - это совокупность технологических
процессов, взаимодействующих с объектом на отдельном этапе
изготовления изделия. В зависимости от уровня рассмотрения
объектами могут быть, например, заготовка, деталь, сборочная
единица, отдельная технологическая операция или даже техноло-
гический процесс.
Таким образом, среда объединяет все технологические объек-
ты, как внутрисистемные, так и внешние, тем или иным образом
взаимодействующие с ней и формирующие ее технологическую
предысторию и, соответственно, свойства.
В результате развития теории технологического наследования
стало возможным осуществить общий подход к решению задач по
обеспечению показателей качества.
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 505
Пользуясь графом технологического процесса (см. рис. 5.11),
можно проследить, например, что точность размеров заготовки за
счет явлений наследственности определенным образом сказывает-
ся на детали, поступающей на сборку. Операции технологического
процесса существенным образом влияют на точность размеров,
последовательно увеличивая ее, однако рассеяние размеров гото-
вых деталей оказывается связанным с рассеянием размеров заго-
товки. Аналогично отклонения формы заготовок могут наследо-
ваться и проявляться на сборке. Указанные параметры (они отра-
жены графом на рис. 5.11), наследуемые в ходе технологических
процессов, чаще всего используются для оценки надежности. Но
нельзя считать, что из всех указанных параметров всегда лишь
один основной. Как правило, таковыми являются несколько пара-
метров, их сочетание на базе системного подхода к оценке явле-
ний. Сказанное имеет общий характер и распространяется на изго-
товление деталей различного назначения.
Предположим, что при обработке высокоточной детали про-
веден технологический процесс I (рис. 5.25), обеспечивающий
фактический размер Гфь Последний является частью допустимого
значения Г* размера, по достижении которого эксплуатация изде-
лия становится невозможной. Заштрихованное поле показывает
рассеяние размеров. Указанный процесс обеспечивает срок экс-
плуатации детали, равный Ti годам. Технологический процесс II
обеспечивает не только тот же размер Тфь но и такое качество по-
верхностного слоя или иные показатели, что деталь работает Т2
лет. Принципиально новый технологический процесс III изготов-
ления Тфз и сборки деталей дает Тз лет и т.д. Процессы II и III
представляют собой комплексы технологических мероприятий,
которые оцениваются несколькими основными параметрами и мо-
гут привести к существенному увеличению сроков службы (меся-
цы, годы) машиностроительных изделий за счет повышения каче-
ства технологического процесса, использовавшего закономерности
наследования.
506
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Рис. 5.25. Влияние различных технологических процессов на срок
службы изделия
Например, на заводе, выпускающем подшипники качения,
большая партия их помещена на склад для хранения до момента
использования. Внутренние подшипниковые кольца после шлифо-
вания (последней операции технологического процесса механиче-
ской обработки) измерены и признаны, безусловно, годными. От-
верстия внутренних колец подшипников имели отклонения, соот-
ветствующие допуску на размер, в который входит и отклонение
формы отверстий, характеризующееся овальностью, что утриро-
ванно показано на рис. 5.26. Отклонение формы в виде овальности
замечено и по наружной поверхности колец (Z>max и Дтп). Однако и
эти отклонения находятся в поле допуска на размер. Овальность
отверстий колец не является случайной величиной, она характерна
для всех партий изделий, поступивших на склад готовой продук-
ции. В этом нет ничего необычного.
Однако при повторном измерении отверстий колец примерно
через год хранения изделий на складе было отмечено, что откло-
нения формы в виде овальности практически у всех колец пре-
взошли допуск. Так, при хранении изделий (без приложения на-
грузки) они оказались бракованными. Причину возникновения по-
грешностей разного вида стараются отыскивать на финишных
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 507
Umax
Рис. 5.26. Кольцо подшипника с овализованным отверстием
операциях, в данном случае - шлифовании. В большинстве же
случаев изготовления прецизионных деталей погрешности зарож-
даются и устойчиво сохраняются, начиная с более ранних техно-
логических операций.
Для того чтобы отыскать истинную причину, необходимо ис-
пользовать аппарат технологического наследования, детально рас-
смотреть эволюцию определенной погрешности. Проследим за
изменением разности К = <7max - <7min по всем операциям техно-
логического процесса, начиная с первой. Эта разность изменяется
в ходе технологического процесса. При прошивании отверстий
колец из нагретого металла половинки штампа упруго раздвига-
ются, поскольку их привод не обладает бесконечной жесткостью.
Наружная поверхность становится овальной ( 7)max - Dmjn ). В этом
же направлении деформируется и поверхность отверстия, оно так-
же становится овальным, но в меньшей степени, чем наружная по-
верхность. Результат такого анализа для конкретных колец пред-
ставлен на рис. 5.27. Одновременно установлено, что на протяже-
нии всего процесса обработки расположение большой и малой
осей овала остается постоянным.
Овальность отверстий возникает еще на заготовительной опе-
рации (7). На токарной операции (77) овальность отверстия сохра-
508
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
няется на прежнем уровне. При термической обработке (III) она
несколько снижается, что является вполне закономерным. В ожи-
дании операции шлифования в среднем за 7 дней рассматриваемая
погрешность (IV) увеличивается без приложения нагрузки. Это
говорит о том, что в материале заготовок напряжения, созданные
ранее, приводят к деформациям колец. Термическая операция не
может полностью исключить напряжения. При шлифовании (V)
отверстий овальность, естественно, существенно уменьшается, а
затем при хранении в течение 15 дней (VI) и в течение года (VII) ее
отклонения образуются самопроизвольно.
Анализ показал, что причина данного явления - в особенности
проведения заготовительной операции, а погрешность отверстий в
виде овальности имеет наследственную природу. Такой анализ
позволяет принять соответствующие технологические меры, кото-
рые в данном случае могут в первую очередь быть сведены к из-
мерению условий формообразования на заготовительной опера-
Рис. 5.27. Диаграмма изменения показателя точности отверстия
по этапам технологического процесса
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН 509
ции. В рассматриваемом технологическом процессе заготовка
формируется в двух половинах штампа, которые упруго раздвига-
ются в то время, когда жесткий пуансон формирует отверстие, при
этом создается овальность всех поверхностей колец. Важным тех-
нологическим решением является также применение на токарной
операции нового зажимного патрона, что позволяет уменьшить
наследственную погрешность и повысить качество изделий.
Развитие положений технологической наследственности по-
зволяет более широко представить истинное положение дел, а не
ограничиваться только строением материала и описанием его во
времени. Полезным оказывается введение термина «память сре-
ды». Совокупность различных зависимостей, описывающих как
состояние заготовки, так и технологическую среду, может быть
t
представлена функционалом F
.Он
описывает память среды и
_-оо_
называется откликом. В этом же свете оправданным являются и
другие термины:/-история; {/} - множество функций, от которых
зависит/ называемое пространством истории.
При производстве особенно прецизионных изделий одновре-
менно проявляются функция формы, функция размера, функция
напряжений, функция шероховатости и многие другие, которые, в
свою очередь, определяются другими функциями производствен-
ной (технологической) среды. Все эти функции должны быть уч-
тены в задачах, связанных с технологической подготовкой произ-
водства.
Реальная технологическая среда должна формироваться на-
правленно, а технологическая подготовка производства должна
это формирование учитывать.
510
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
5.4.	ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ
ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА
Анализ теоретических уравнений, приведенных в гл. 3 позво-
ляет установить функциональную взаимосвязь формируемых па-
раметров качества поверхностного слоя с предшествующими при
различных методах обработки (рис. 5.28).
Количественно минимальная и максимальная степени влияния
технологического наследования на формируемые параметры каче-
ства поверхностного слоя может быть определена по уравнениям
я г, ч = ^min/Umax) Л min/Umax) t	/5 12)
^min	V- — V-
У /max У i min
я Д у = />тах/Umax) ttmax/Uniax)} 00о/О)	(5 13)
У/тах-Лтт
где ttmin/Umax) и »min/Umin) - значения данного параметра
при условиях обработки, обеспечивающих его минимальную ве-
личину (чистовая обработка), и соответствующем максимальном
Сх/ тах) и минимальном Umin) значениях исходного параметра
качества поверхностного слоя;	и >'imax/Umin) -
значения данного параметра при условиях обработки, обеспечи-
вающих его при максимальном и минимальном значениях исход-
ного параметра качества поверхностного слоя.
Расчеты по вышеприведенным формулам теоретического оп-
ределения степени влияния технологического наследования по
параметрам качества поверхностного слоя деталей машин прове-
дены для лезвийной и ОУО ППД при достаточно широком диапа-
зоне режимов.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ
511
Исходные параметры качества поверхностного слоя
Рис. 5.28. Технологическое наследование основных параметров каче-
ства поверхностного слоя деталей:
а - лезвийная обработка; б - алмазно-абразивная обработка;
в - ОУО ППД;--------------------прямая взаимосвязь;
-----опосредованная взаимосвязь
512
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
1.	Лезвийная обработка
Ф1 - вспомогательный угол в плане (10 - 30°);
s - подача (0,05 - 0,3 мм/об);
г - радиус при вершине резца (0,5 - 2,0 мм);
Су, Ypy,Xpy, п - коэффициенты (соответственно 12; 0,6; 0,9; 0; 1,0);
/-глубина резания (0,1 - 1,0 мм);
v - скорость резания (80-180 м/мин);
р - радиус скругления режущей кромки (30 - 100 мкм);
тсдв - предел прочности обрабатываемого материала на сдвиг
(200 МПа);
ат - предел прочности обрабатываемого материала (500 МПа);
утс - жесткость технологической системы (1500 - 3000);
Rz„ - средняя высота неровностей профиля шероховатости
вершины резца (4 мкм);
Л3 - износ по задней поверхности инструмента (0,05 - 2,0 мм);
а - задний угол резца (2 - 10°);
ср - главный угол в плане (30 - 90°);
ц и Е - коэффициент Пуассона и модуль упругости обрабаты-
ваемого материала соответственно 0,3 и 2 • 104;
Rzw* ~ исходная средняя высота неровностей профиля шеро-
ховатости (20 -100 мкм/
НВтм исх и HBmin исх - исходные значения максимальной и ми-
нимальной твердости обрабатываемой поверхности (200 - 180);
- исходная высота волн (20 - 100 мкм).
2.	ОУО ППД
s - подача (0,05 - 0,5 мм/об);
г - профильный радиус ролика (2-10 мм);
D - диаметр ролика (40 - 60 мм);
Р - рабочее усилие накатывания (100 - 500 Н);
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ
513
Rz„ - средняя высота неровностей профиля шероховатости ра-
бочей поверхности ролика (3-10 мкм);
f - коэффициент трения между роликом и обрабатываемой
поверхностью (0,05 - 0,2);
Ар - биение рабочей поверхности ролика (3-10 мкм);
Rzmx = 5 ... 50мкм;
7й?исх= 150... 300;
1Ггисх = 10 ... 50 мкм.
Результаты расчетов для наглядности представлены на
рис. 5.29 и 5.30. Их анализ показывает, что технологическое на-
следование по качеству поверхностного слоя деталей машин в
значительной мере проявляется при наибольших значениях исход-
ных параметров и особенно при обработке ППД на 58,1 % зависит
от ее исходной величины и на 12,5 % от поверхностной твердости
при максимальных их значениях, в то время как при лезвийной
обработке соответственно на 11,8 и 4,5 %.
Формирование волнистости в основном определяется исход-
ной шероховатостью: при лезвийной обработке от 2,2 до 18,4 %,
при обработке ППД от 35,1 до 43,2 %. Степень упрочнения в зна-
чительной мере зависит от исходной твердости: от 16,8 до 46,2 %
при лезвийной обработке и от 21,2 до 51,5 % при обработке ППД
деталей, имеющих невысокую исходную твердость.
Таким образом, теоретические исследования позволяют уста-
новить степень влияния, она является изменчивой: суммарно от
2,9 % при лезвийной обработке до 81,8 % при обработке ППД. Это
убедительно говорит о сложности явлений в технологическом на-
следовании, которые необходимо учитывать при технологическом
обеспечении качества поверхностного слоя деталей машин.
17 — 6780
514
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Рис. 5.29. Степень влияния исходного качества поверхностного слоя
(ИКПС) и отдельных его параметров на формируемые параметры
качества поверхностного слоя деталей при лезвийной обработке
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДОВАНИЯ
515
Рис. 5.30. Степень влияния ИКПС и его отдельных параметров
на формируемые параметры качества поверхностного слоя деталей
при ОУО ППД
17*
516
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
5.5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
ПРИ СБОРКЕ ИЗДЕЛИЙ
Детали, подаваемые на сборку, могут быть изготовлены с вы-
сокой степенью точности, однако они всегда имеют наследствен-
ную информацию в виде различных отклонений от номинального
значения параметров. В процессе сборки обязателен контакт соби-
раемых деталей. При этом погрешности могут комбинироваться в
самых разнообразных вариантах и одни и те же соединения будут
отличаться показателями качества. Кроме этого, на сборке непре-
менно действуют силовые факторы, т.е. силы (сосредоточенные и
распределенные), а также моменты сил. Силовая картина нагруже-
ния определяется технологической средой. Силовые факторы вы-
зывают деформации собранных деталей (соединений). Поскольку
речь идет о нагружении на сборке деталей в виде упругих тел, де-
формации, т.е. погрешности, возникают непременно. Их нельзя
игнорировать, но можно учесть. Таким образом, на сборке наибо-
лее отчетливо сочетаются свойства соединяемых деталей и осо-
бенности проведения этой технологической операции.
Собираемые детали как бы теряют свои характеристики и вы-
ступают в собранном изделии в новом качестве. Так, шпиндель
одного из прецизионных зуборезных станков до сборки имел бие-
ние порядка 2 мкм, биение этого же шпинделя после сборки соста-
вило 10 мкм. Аналогично обнаруживается искривление образую-
щих на отверстиях в результате сборки втулок с корпусами. На
рис. 5.24 показано, как изменяется качество собранной конструк-
ции по параметру жесткости в связи с наличием наследственной
погрешности стакана. Такая погрешность проявляется только по-
сле сборки.
Искривление осей валов возникает на сборке в связи с компо-
новкой наследственных погрешностей, полученных ранее, на ста-
дии изготовления деталей, форма оси вала на рис. 5.32 (показана
утрированно штрихпунктиром) зависит от силы затягивания гайки
и погрешностей А, которые, в свою очередь, определяются поло-
жением собираемых деталей по углу поворота, который на сборке
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ СБОРКЕ ИЗДЕЛИЙ
517
Рис. 5.31. Схема искривления вала
оказывается случайным. Искривление оси снижает качество рабо-
ты всей конструкции, приводит, в частности, к искривлению до-
рожек качения подшипников, нарушению динамических характе-
ристик движения. Такой случай сборки является типовым, потому
что указанные погрешности всегда присутствуют в виде непарал-
лельности торцов или неперпендикулярности торца гайки к оси
резьбы. Последнее в балансе погрешностей играет, как правило,
решающую роль. Если, например, измерить биение вала, установ-
ленного на центровые отверстия, а затем произвести сборку по
рис. 5.28 (без установки в корпус), то повторный замер покажет
существенное увеличение биения. Это объясняется искривлением
или поворотом концов вала под действием изгибающего момента.
Особенности наследования на операциях сборки проявляются
и тогда, когда собираются «идеальные» детали. Так, внутреннее
кольцо подшипника (рис. 5.32) качения при напрессовке на шпин-
дель вызывает появление погрешности 5), для ликвидации которой
необходима дополнительная механическая обработка; к сожале-
нию, такая обработка часто связана с трудоемкими операциями
доводки. С другой стороны, аналогичные погрешности возникают
на самом кольце, дорожку качения которого также необходимо
доводить.
518
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Рис. 5.32. Погрешность, возникающая при сборке валов
и колец подшипников
Рис. 5.33. Влияние конструктивных и технологических мероприятий
на упругие характеристики соединений
Управление наследственными погрешностями на сборке воз-
можно несколькими путями. При этом конструктивные и техноло-
гические мероприятия следует использовать в равной степени. Эта
мысль иллюстрируется графиками (рис. 5.33) упругих перемеще-
ний сборочной единицы упорного шарикового подшипника под
действием осевой силы Р. На жесткость сборочной единицы ре-
шающее влияние оказывают качество поверхностных слоев и ком-
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ СБОРКЕ ИЗДЕЛИЙ
519
поновка деталей. Величина отжатий определяется состоянием
опорных поверхностей у среднего и нижнего объектов одинаковой
конструкции, но вместе с тем упругое отжатие верхнего объекта с
прошлифованными опорными поверхностями оказывается наи-
большим из-за большего количества сопряжений.
Один из действенных методов уменьшения погрешностей -
создание новых конструкций деталей и их элементов.
Отметим положительную роль некоторых наследственных
деформаций при сборке. Они получили название преднамеренных
искажений. Задача состоит в том, чтобы получить на операциях
механической обработки такие отклонения от правильной геомет-
рической формы и размера, которые при действии сил на сборке,
как и при эксплуатации, ликвидируются или существенно умень-
шаются.
Некоторые станкостроительные зарубежные фирмы и отече-
ственные предприятия выполняют на станках направляющие не-
прямолинейной формы или обрабатывают их в заранее искривлен-
ном состоянии, создаваемом распорками; вертикальные направ-
ляющие стоек координатно-расточных станков специально уста-
навливают с отклонением от вертикали. Во всех случаях сбороч-
ные единицы после сборки занимают тем не менее правильное по-
ложение под действием собственной массы, массы заготовок или
от нагревания в процессе работы. Однако приведенные данные о
положительных наследственных погрешностях охватывают пока
сравнительно небольшое число примеров. Исследования же в об-
ласти преднамеренных искажений являются исключительно пер-
спективными. Они тесно увязываются с технологическим наследо-
ванием на операциях сборки.
Основное внимание на операциях сборки обращают на вели-
чину суммарной деформации, возникшей от влияния шероховато-
сти и отклонений формы, т.е. наследственных погрешностей. Од-
нако определить такую деформацию расчетным путем весьма
520
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
rpj|iOl|lO;ilO’|ie’lrei|iO]lf6i|
гЛХМ fm9. В хххх''	vvxaaxv о	\xxwvK w «*J>.rzz.
Рис. 5.34. Изменение податливости подшипниковых опор
затруднительно. Последнее объясняется сложностью поставлен-
ной задачи. На рис. 5.34, а приведена компоновка одних и тех же
подшипников для выполнения одной и той же функции машины -
поддержания массы. Несмотря на кажущуюся одинаковость кон-
струкции, податливость ее оказывается существенно различной
(рис. 5.34, б). Наилучшей оказывается вторая компоновка деталей.
Ее податливость принята за 100 %.
Наиболее привлекателен расчетный метод определения сум-
марных погрешностей при сборке. Данные расчета, проведенного
на основе наследственной информации и особенностей функцио-
нирования технологической среды, должны четко указать на усло-
вия проведения операции сборки. Эти условия должны быть вне-
сены в технологическую документацию для реализации на практи-
ке. Вместе с этим нельзя с уверенностью сказать о том, когда
предложенная схема может быть реализована.
Для определения сборочных погрешностей расчетным мето-
дом выбирают, как правило, детали сравнительно простых форм.
Такие детали схематизируют, высказав ряд допущений, и опреде-
ляют деформации, т.е. погрешности, на основе теории упругости.
Все сборочные погрешности имеют наследственную природу и
характерны для готового изделия. В ходе эксплуатации изделия
либо его хранения погрешности трансформируются, влияя на по-
казатели качества.
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ СБОРКЕ ИЗДЕЛИЙ
521
В обозримом будущем в плане использования наследственной
информации важную роль будет играть экспериментальный метод
оценки погрешностей. Однако этот метод может потребовать су-
щественных затрат средств и времени. Он применим для уникаль-
ных деталей при выполнении единичных технологических процес-
сов, а также в тех случаях, когда изготовляют большие партии де-
талей. Известно, что экспериментальные данные часто составляют
технологические секреты многих фирм.
Расчетное или экспериментальное определение погрешностей
на сборке необходимо также для прогнозирования многих показа-
телей надежности изделий. Так, например, долговечность некото-
рых пар трения, имеющих определенные наследственные погреш-
ности, может быть оговорена заранее. Это же относится и к дета-
лям, у которых релаксация напряжений приводит к деформациям
ответственных поверхностей и снижению качества изделия.
Проводя расчетные или экспериментальные исследования,
нужно их связывать не со всеми, а прежде всего с ответственными
поверхностями, которые в первую очередь определяют служебное
назначение детали или изделия. Результаты по проведенным ис-
следованиям должны пополнять банк данных для более четкого
формирования направленной технологической среды.
Чтобы определить возникающие на сборке погрешности еще
до проведения сборочных операций, для прогнозирования выход-
ных параметров собранных изделий, сравнения погрешностей с
допустимыми, регламентирования сил и моментов в ходе опера-
ций сборки проводят соответствующие расчеты. Расчеты помога-
ют также указать пути ликвидации вредных наследственных явле-
ний.
Представляется возможным определить расчетным путем по-
грешности формы таких деталей, как валы, гильзы, стаканы, т.е.
деталей сравнительно простых геометрических форм. При этом
возможны приближенные и точные решения. Расчеты же сбороч-
ных погрешностей более сложных деталей и сопряжений вызыва-
522
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
ют существенные трудности. Однако во всех случаях целесообраз-
но предпринять попытку определять и оценивать погрешности
расчетным методом. Уже нельзя мириться с тем, что оценку сбо-
рочных погрешностей и обеспечение их наименьших значений
часто осуществляют работники лишь на основе собственного
большого производственного опыта, - нужны объективные крите-
рии оценки.
На практике известны многочисленные случаи, когда произ-
водится сборка соединений из деталей, имеющих очень малые на-
следственные погрешности. Такими погрешностями часто пренеб-
регают. Однако в этих случаях погрешности возникают из-за де-
формаций в результате силового замыкания. Поскольку погрешно-
сти сохраняются в готовом изделии и возникли именно на опера-
циях сборки, они также являются наследственными.
Наследственные погрешности деталей типа крышек, равно как
и крепежных деталей, часто на практике игнорируют, поскольку
считают их роль второстепенной. Роль деталей типа крышек сво-
дят при этом к необходимости ограничения перемещений под-
шипников качения. Вместе с этим отклонения формы крышек,
возникающие на сборке, могут существенно исказить положение
колец подшипников, снизив их долговечность.
Погрешности определяют по приближенной теории расчета
кольцевых деталей при осесимметричной нагрузке для случаев,
когда число винтов, закрепляющих крышку, достаточно велико.
Погрешности изготовления 8Ь ?>2, §з крепежа и крышки (рис. 5.35)
приводят в процессе сборки к искажению опорной поверхности
Т- она поворачивается на некоторый угол.
Угол <р поворота поперечного сечения определяют по формуле
М
v еГ
(5.14)
Рп
где М- изгибающий момент, А/ = —(Rl-R2) [здесь Р - сила
2л
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ СБОРКЕ ИЗДЕЛИЙ
523
затягивания одного болта; п - число болтов; R\, Ri - расстояния от
оси крышки до линии приложения силы Р]; Е - модуль упругости
,	2 Z
первого рода для материала крышки; I = I—z (гиг - коорди-
J г
F
наты элементарной площади dF сечения в выбранной системе).
Формула для определения <р справедлива и для случая контак-
тов крышки и корпуса, отличных от показанных на рис. 5.35. Ра-
бочая формула для типовой крышки с размерами D\ = 95 мм,
Z>2 = 78 мм, £>з = Z>4 = 62 мм, h\ = 16 мм, hi = 10 мм, имеет вид
<р = 0,1434—пк', k = R\-R2.
Е
Особенно необходимы определения деформаций, возникаю-
щих при сборке подшипников скольжения. Даже малые деформа-
ции, включающие наследственные погрешности, существенно ме-
няют условия вращения валов в опорах. Такие детали имеют
сложные геометрические формы. Подшипники представляются
тонкостенными биметаллическими оболочками, часто с перемен-
ной толщиной стенки. Поверхность отверстия, как правило, дово-
дят. Характерно осевое регулирование зазоров.
Проведенный расчет позволяет не только определить искаже-
ние профиля рабочей поверхности и сделать вывод о толщине
масляного канала, но и произвести необходимый анализ конструк-
ции самого подшипника.
Рис. 5.35. Схема для расчета деталей типа крышек
524
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Не представляется возможным описать все случаи расчетов по
определению сборочных погрешностей. Задача еще больше ус-
ложняется в случае учета наследственных погрешностей. Поэтому
в ответственных случаях необходимо предпринимать попытки
расчетов применительно к конкретным соединениям. Такая работа
проводится по соответствующему плану.
Первым шагом при проведении расчетов является схематиза-
ция детали или соединения. Реальный объект может иметь слож-
ные конструктивные формы, а также представлять собой сочета-
ние нескольких тел. Такие детали упрощают и приводят к схеме
балок, брусьев (в том числе кривых), плит, пластин, оболочек и др.
Плоская фигура, рассматриваемая в поперечном сечении к оси,
называется поперечным сечением. Определение геометрических
характеристик поперечных сечений играет важную роль в расче-
тах. Так, поперечное сечение, перемещаемое вдоль некоторой ли-
нии, создает брус. Кольцо представляет собой кривой брус. Если у
детали одно из измерений (толщина) существенно меньше двух
измерений, расчет проводят на основе деформации оболочек и пр.
При выборе схемы допускают упрощения в системе сил, при-
ложенных на сборке к элементам конструкции. В частности, вво-
дится понятие сосредоточенной силы, т.е. силы, приложенной к
точке. Силы взаимодействия деталей, распределенные по неболь-
шой по сравнению с размерами детали площади (чаще всего по
неизвестному закону), заменяют равномерно распределенными
или сосредоточенными силами.
При рассмотрении силовой схемы пользуются принципом эк-
вивалентности двух нагрузок. Если нагрузки имеют одинаковую
равнодействующую, то различие в их действии оказывается только
в области того порядка точности, что и размеры площадки дейст-
вия нагрузки. Если эта малая зона не интересует расчетчика, то
реальную нагрузку можно заменить нагрузкой, статически ей эк-
вивалентной.
НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ СБОРКЕ ИЗДЕЛИЙ
525
Точность расчетов на основании представленной схемы зави-
сит от принятых допущений. Желание упростить расчеты является
естественным, но в каждом конкретном случае необходимо дать
хотя бы качественную оценку погрешности результата, которая
возникает в связи с этими допущениями.
Поскольку в технических условиях указывают, как правило,
числовые значения допусков на параметры соединения или изде-
лия, необходимо и расчет доводить до числа. Это позволяет делать
необходимые сравнения. Опасения того, что некоторые расчеты
могут казаться громоздкими, не должны приниматься во внима-
ние, так как в практику расчетов прочно вошли ЭВМ, позволяю-
щие производить расчеты с большей скоростью. Одним из популяр-
ных численных методов является метод конечных элементов.
Технологам-сборщикам необходимо в большей степени отка-
зываться от умозрительных заключений, опоры на интуицию. Не-
обходимы точные и конкретные решения, наличие которых оправ-
дывается экономически.
В тех случаях, когда расчетное решение задачи не представля-
ется возможным, используют эксперимент. Это особенно целесо-
образно делать, когда количество допущений оказывается боль-
шим или правомерность допущений сомнительна. Возможны ком-
бинации расчетных и экспериментальных методов исследований.
Одним из основных методов влияния в ходе сборки на вели-
чины возникающих деформаций, т.е. погрешностей, является оп-
ределение величины допустимой силы или силовых факторов во-
обще. Величины силовых параметров на сборке, определенные
расчетом, регламентируются с помощью нагрузочных устройств
(как ручных, так и механизированных). В очень многих случаях
возникающие упругие деформации не могут быть определены
приборами непосредственно на сборочных стендах, так как де-
формируемые детали располагаются внутри других деталей (на-
пример, закрытых корпусов) и вообще в недоступных местах. Ис-
пользование в этих случаях расчетных методов определения по-
грешностей становится особенно целесообразным.
526
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
5.6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕГЛАМЕНТЫ
Управление наследственными характеристиками должно быть
представлено соответствующей системой организационных меро-
приятий, которые должны быть документально оформлены в виде
технологических регламентов.
Под технологическим регламентом понимается директивный
документ, определяющий основные элементы технологического
процесса, технологические требования и требования к технологи-
ческой среде. Все такие требования являются обязательными для
выполнения на определенной группе предприятий. Регламенты
разрабатывают ряд научно-исследовательских учреждений. Каче-
ство отдельных деталей обеспечивается за счет включения в рег-
ламенты следующих данных:
1)	перечня и порядка основных технологических операций;
2)	изложения технологических операций с такими технологи-
ческими указаниями, невыполнение которых не допускается;
3)	указаний о технологическом оборудовании с такой техни-
ческой характеристикой, которая требуется для выполнения тех-
нологических операций, обеспечивающих оптимальные эксплуа-
тационные свойства изделий;
4)	характеристик технологической оснастки, применение ко-
торых обеспечивает высокие эксплуатационные свойства изделий;
5)	методов и характеристик средств контроля, используемых в
процессе изготовления деталей и сборки изделий, а также контро-
ля, испытания и приемки готовых деталей и изделий;
6)	указания основных производственных условий (помеще-
ний, температуры, освещенности, виброизоляции и т.д.);
7)	методов и средств транспортировки, хранения и консерва-
ции полуфабрикатов, упаковки и транспортировки изделий, а так-
же их длительного хранения.
Технологические регламенты являются весьма ценными до-
кументами, которые особенно необходимы для разработки техно-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕГЛАМЕНТЫ
527
логических процессов изготовления прецизионных изделий. Вме-
сте с тем на базе дальнейшего совершенствования технологии
возможно и необходимо уточнение технологических регламентов.
Этому способствуют производственные наблюдения и проведение
научно-исследовательских работ.
В практике отечественного машиностроения технологические
процессы механической обработки разработаны достаточно по-
дробно. Однако наряду с этим в технологических регламентах
должны предусматриваться сведения о параметрах деталей, опре-
деляющих их надежность. В большинстве случаев таковыми яв-
ляются точность формы, точность взаимного расположения по-
верхностей, а также закономерности изменения параметров во
времени.
Общая методика и последовательность разработки процессов
должна предусматривать их многовариантность. Предпочтение
должно отдаваться тем технологическим вариантам, которые
предполагают наряду с эффективностью и рентабельностью пре-
сечение на первых операциях вредных свойств объектов производ-
ства и развитие полезных. Такая работа целесообразна прежде все-
го для типовых деталей прецизионных изделий, что и предусмат-
ривается технологическими регламентами.
Технологический контроль рабочих чертежей и технических
условий целесообразно проводить на базе данных об общих зако-
номерностях технологического наследования. Уже на первых ста-
диях разработки технологического процесса возможны ориентиро-
вочные расчеты упругих перемещений заготовок при механиче-
ской обработке, общая оценка возникающих погрешностей и срав-
нение их с допусками. Эти же расчеты должны быть использованы
для установления режимов обработки исходя из регламентирова-
ния сил резания и закрепления. Особое внимание обращается на
конструктивное оформление элементов деталей, которое может
отрицательно проявиться особенно на операциях сборки. Служеб-
528
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
ное назначение детали должно учитываться при выборе заготовок.
Разрабатываемый технологический процесс предусматривает не
только габаритные размеры и формы заготовок, но и величину
зерна, чистоту материалов, определенное расположение волокон,
величину напряжений и пр. В связи с переносом свойств заготовок
на финишные операции во многих случаях становится целесооб-
разной их дополнительная обработка, предусматривающая полу-
чение рациональных геометрических и физико-механических
свойств до передачи на обработку на металлорежущие станки.
Важным элементом технологических регламентов является
правильный выбор установочных баз и учета явления технологи-
ческого наследования их погрешностей. Для достижения более
высокой точности необходимо предусматривать тщательную и
многократную обработку баз. Процесс должен учитывать, что ис-
кусственные базы в виде бобышек, центровых гнезд, поясков и пр.
имеют существенные по величине геометрические погрешности,
последствия которых проявляются даже после проведения фи-
нишных операций.
В машиностроении принята последовательность обработки
поверхностей, обратная степени их точности. Это правило остает-
ся справедливым и для прецизионного машиностроения, однако
окончательной обработке наиболее ответственных поверхностей в
соответствии с регламентами предшествует их многократная
предварительная обработка в соответствии с прохождением заго-
товки через стадии черновой, чистовой и отделочной обработок.
Расчет припусков на механическую обработку прецизионных
деталей проводится по общепринятой методике с учетом явлений
технологического наследования. Вместе с тем необходимо внести
дополнительное требование о равномерности снимаемого слоя с
азотированных, цементованных заготовок для ликвидации после-
дующих поводок деталей.
При разработке технологических процессов сборки необхо-
димо учитывать неизбежное возникновение упругих перемещений
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕГЛАМЕНТЫ
529
под действием сил, возникающих при взаимном закреплении дета-
лей. Наилучшие результаты способен дать метод отработки мар-
шрута сборки с помощью осциллографирования соответствующих
переходов. При этом в регламентах должны предусматриваться
условия возникновения наименьших по величине сборочных по-
грешностей и регламентирование сил.
Технологические процессы механической обработки и сборки,
созданные с учетом явлений технологической наследственности,
позволяют создать соответствующую технологическую оснастку,
помогающую управлять ходом изменения свойств обрабатывае-
мых деталей, а также наметить те операции, по окончании которых
особенно необходим технологический контроль.
Итак, технологические регламенты являются такими докумен-
тами, которые концентрируют все требования к среде. Они содер-
жат в компактном виде качественные и количественные показате-
ли технологических процессов, выполняемых в определенной тех-
нологической среде.
В приведенной табл. 5.2 в качестве примера показана общая
структура построения технологических регламентов для некото-
рых операций изготовления прецизионных деталей. При этом ис-
пользованы отдельные результаты исследований, проведенных
нами ранее.
5.2. Технологический регламент
Наименование регламента	Содержание регламента
Механическая обработ- ка гильз прецизионных станков	Получистовое шлифование наружной поверхности производить на центровой оправке, оснащенной гофрированными втулками. Обработку вести на режимах в соответ- ствии с материалом обрабатываемой заготовки, вида шлифования, вида шлифовального инструмента (алмаз- ный, эльборовый, электрокорундовый, карбидкремниевый и др.)
530
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Продолжение табл. 5.2
Наименование регламента	Содержание регламента
Кузнечная обработка колец высокоточных подшипников	После штамповки заготовок на горизон- тально-ковочных машинах необходима дополнительная калибровка для умень- шения разностенности
Механическая обработ- ка колец высокоточных подшипников	Черновую токарную обработку произво- дить в зажимных устройствах с закреп- лением заготовок по торцу. Этот же принцип оставить и для операций после- дующей механической обработки
Механическая обра- ботка подшипников скольжения	Окончательную обработку отверстий подшипников производить специальным инструментом типа развертки. Доводка абразивом шаржирует поверхность
Кузнечная обработка поковок для деталей типа шпинделей	При выборе материала заготовок и, в частности, стали 38ХМЮА неметалли- ческие включения должны быть огра- ничены по сумме оксидов, силикатов и др. не более 2 - 2,5 балла по ГОСТ 1778-70 (не считая центральной зоны заготовки)
Механическая обработ- ка корпусов шпиндель- ных бабок	Закрепление заготовок производить при помощи приспособлений, обеспечи- вающих одновременность приложения зажимных сил. Величину сил контроли- ровать с помощью динамометрических устройств
Механическая обработ- ка деталей типа столов	Черновую и чистовую обработку основ- ных поверхностей заготовок произво- дить с установкой на постоянные и под- водимые опоры
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕГЛАМЕНТЫ
531
Продолжение табл. 5.2
Наименование регламента	Содержание регламента
Сборка шпиндельных узлов прецизионных станков	Величины радиальных перемещений наружных поверхностей гильз регла- ментируются по осевой нагрузке либо при помощи специальной установки. При сборке не допускается перемеще- ние наружной поверхности гильз за счет регулирования натяга подшипников бо- лее 0,3 мкм
Сборка шпиндельных узлов прецизионных станков в стаканах	При закреплении стаканов на корпус- ных деталях должна быть обеспечена равномерная затяжка всех винтов. Затя- гивание производить динамометриче- ским инструментом
Сборка механизмов в корпусных деталях	Затягивание крепежных винтов произ- водить динамометрическим инструмен- том
Общая сборка прецизи- онного станка	Правильность траекторий перемещения узлов проверяется в рабочем состоянии их основных элементов посредством специальных установок
Практически каждой прецизионной детали посвящен свой
технологический регламент или несколько технологических рег-
ламентов, которые в отдельности предусматривают заготовитель-
ные операции, термическую обработку. На сборку наиболее ответ-
ственных изделий также предусмотрены регламенты.
Глава 6
САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
СИСТЕМЫ
6.1.	ЯВЛЕНИЯ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМ
Проблема самоорганизации технологических систем рассмат-
ривается в связи с необходимостью возведения барьеров на техно-
логическом наследовании вредных свойств изделий и ликвидации
таких барьеров при передаче свойств положительных.
Каждый этап общего процесса изготовления изделия можно
рассматривать как процесс взаимодействия различных технологи-
ческих объектов, определяющих проявление различных форм и
закономерностей технологического наследования. Множества тех-
нологических объектов, взаимодействующих между собой в про-
цессе изготовления или его элементов, образуют организованные
разными способами технологические системы (ГОСТ 27202-83).
Функционирование любой-технологической системы можно
рассматривать как взаимодействие одного (выделенного) ее эле-
мента со средой. Выделенными объектами могут быть заготовка
(предмет производства), отдельная технологическая операция,
технологический процесс и т.д.
Для процесса сохранения и изменения свойств изделия может
быть определено желаемое направление, наиболее благоприятное
с точки зрения окончательного состава и значений показателей
качества, но очевидно, что для каждого этапа технологического
процесса изготовления изделия может быть сформирована опти-
мальная технологическая среда, которая, в свою очередь, будет
формировать оптимальные фактические свойства.
В последние годы стало очевидным, что существуют специ-
фические области состояния технологических сред. В этих облас-
ЯВЛЕНИЯ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМ
533
тях передача наследственной информации либо отсутствует, либо
не поддается прогнозированию. Для производства это означает,
что управление наследственными погрешностями затрудняется, а
эффект пресечения передачи вредных наследственных свойств или
развития свойств положительных не используется в должной мере.
В первом приближении можно установить месторасположение
указанных областей. В то время, когда на технологическую систе-
му действует определенная сила (чаще всего сила резания), пове-
дение системы оказывается определенным, а сама система также в
первом приближении может считаться линейной. Но по мере
уменьшения припуска силовая картина изменяется существенным
образом. На конечном этапе обработки, когда достигается микро-
метрическая и долемикрометрическая точность, сила резания
уменьшается настолько, что можно ожидать появления новой, уже
нелинейной технологической системы, поскольку организующий
эффект силы резания уже утрачен. Аналогичное состояние систем
возникает в начале и на протяжении всего периода выхаживания.
Новое состояние системы пока еще изучено слабо. Однако именно
это состояние определяет качественные показатели машинострои-
тельного изделия или детали. Сюда прежде всего относятся гео-
метрическая точность размера - формы и взаимного расположения
поверхностей. Наиболее полно для изучения поведения указанных
систем могут быть использованы принципы синергетики.
Синергетика - наука о самоорганизующихся системах. Такие
системы (вообще!) возникают при определенных условиях. Второе
определение синергетики связано с понятием управления. Однако
нам представляется, что второе определение менее удачно, так как
управление предполагает наличие какой-то причины, вызванной
управляемым объектом. Самоорганизация не всегда объективна, и
суть ее связана с фактором случайности.
Как только перестает действовать организующая причина
(или сила), так наблюдается, согласно принципу Бора, саморазви-
тие, или самоорганизация, этой системы. Часто саму причину мы и
534 Глава 6. САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
не знаем. На первый план выступает фактор случайности. В основе
случайности лежат законы физики и химии, но явление не ограни-
чивается действием только этих законов.
Технологические системы относятся к категории динамиче-
ских, т.е. развивающихся во времени. Поведение таких систем ис-
следовал Анри Пуанкаре. Из трудов Пуанкаре следует рассмотре-
ние поведения самоорганизующихся систем во времени. Но осо-
бенно интересным является вывод Л. Эйлера относительно тех же
систем. В переводе на технологический язык и применительно к
технологическим системам это означает, что, например, всякие
изнашивающийся инструмент, сопряжение машины, расконтри-
вающееся соединение и др. в определенный момент времени экс-
плуатации (за период жизненного цикла) испытывают такую на-
грузку (причину), при которой развитие технологической системы
прекращается. Этот момент прекращения развития системы назы-
вается точкой бифуркации, или бифуркацией, т.е. катастрофой.
Из сказанного следуют два важных положения. Во-первых,
бифуркация возникает необязательно при прекращении действия
силы (причины). Эта катастрофа может возникать и при наличии
силы. Во-вторых, развитие технологической системы во времени
происходит в определенном аттракторе, т.е. канале эволюции. Так,
например, износ инструмента проявляется в своем, определенном
аттракторе. По окончании периода стойкости инструмента возни-
кает бифуркация (даже не в переносном, общенаучном смысле
слова, а непосредственно: искрение, оплавление - вплоть до выхо-
да технологической системы из строя). В то время как наблюдает-
ся накопление условий для катастрофы по поводу инструмента, в
других аттракторах ничего подобного не происходит и не возни-
кают условия для бифуркаций.
Аналогично идет раскрутка (запуск) собранного высокообо-
ротного и высокоточного изделия - шпинделя или турбодетандера.
При нарастании частоты вращения динамическая система начинает
колебаться, и по достижении определенной частоты (раскрутка -
ЯВЛЕНИЯ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМ
535
аттрактор) возникает гармоническая неуравновешенность, приво-
дящая к бифуркации даже в прямом смысле. Когда изделие прой-
дет данный момент времени, наступит другой аттрактор, в кото-
ром возникнет при изменении частоты еще одна бифуркация, и т.д.
Значит, при том же выхаживании бифуркация наступит не обяза-
тельно при достижении нулевого значения силы, айв другие мо-
менты времени.
Как показал Л. Эйлер, в момент бифуркации технологическая
система «лишается памяти», т.е. отсекает всю предысторию, всю
наследственность. Следовательно, бифуркация есть барьер, спо-
собный отсечь негативное, т.е. наличие вредных свойств. Это
принципиально важно, поскольку появляется барьер наряду с тер-
мообработкой. Важно еще одно утверждение: в момент бифурка-
ции и постбифуркационный период поведение системы принципи-
ально непредсказуемо и определяется совершенно новыми усло-
виями среды, теми условиями, которые до бифуркации не играли
никакой роли.
Л. Эйлер рассмотрел (для частного случая) ситуацию, когда
бифуркация происходит мгновенно. Эффект мгновенности в тех-
нических системах может означать относительную кратковремен-
ность действия, поскольку каждая причина для своей реализации
на практике (через силу, температуру и др.) требует некоторого
времени. Такие ситуации особенно интересны для технологиче-
ских систем.
После возникновения бифуркации трудно сказать что-либо
определенное о постбифуркационном периоде, поскольку нельзя
прогнозировать поведение технологической системы, но можно
говорить о тенденциях эволюции системы. Последние принципи-
ально важны для технологии машиностроения, так как технологов
интересует не только возведение барьеров для передачи вредных
для качества свойств, но и оценка системы по ее важнейшим пока-
зателям.
536 Глава 6. САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Технологические системы, в свою очередь, являются элемен-
тами других систем. Эти элементы также являются развивающи-
мися системами, и каждая система (элемент) развивается в своем
аттракторе. У каждого аттрактора могут быть свои «цели разви-
тия». Совместное развитие называют коэволюцией. Развитие од-
ной из систем не препятствует развитию всей системы. Так, можно
выделить систему «шлифовальный круг - заготовка» и увидеть,
что при определенных скоростях или подачах возникает бифурка-
ция и заготовка получает ожоги. Но это обстоятельство может ни-
как не влиять, например, на износ направляющих станка - это дру-
гая система (или подсистема). В целом же коэволюция системы
нарушается. Тогда возникает системный кризис. Можно утвер-
ждать, что и, наоборот, - системный кризис приводит к бифурка-
ции, перестройке и смене аттрактора.
Анализ понятий и терминологии синергетики показывает, что
бифуркацию нельзя рассматривать как мгновение. Когда исполь-
зуется термин «точка бифуркации», то из этого не следует, что
бифуркация происходит мгновенно. Собственно бифуркация тре-
бует времени. Такое утверждение должно в полной мере исполь-
зоваться в технологии машиностроения. Понятие теплового удара,
например, может рассматриваться, с одной стороны, как мгнове-
ние, но с другой стороны, - как процесс нарастания теплоты в зоне
удара абразивного зерна о заготовку. И этот процесс требует вре-
мени (см. ниже).
Постбифуркационное состояние системы принципиально не-
предсказуемо. Но мы можем установить определенные запреты на
функционирование технологической системы, однако так, чтобы
коэволюционное состояние не было нарушено. Поэтому целесооб-
разно ввести понятие «технологический императив», то есть за-
прет на нежелательные условия функционирования системы в
постбифуркационном периоде. Запреты (ограничения) должны
быть оговорены в технологических регламентах. Так, технологи-
ческим императивом может быть ограничение температуры, дав-
ления, влажности, скорости и пр. При шлифовании технологиче-
ЯВЛЕНИЯ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМ
537
ским императивом может быть скорость резания (вполне конкрет-
ная), при которой не произойдет ни возникновения ожогов заго-
товки, ни осыпания шлифовального круга. Какой именно импера-
тив установить, решает технолог. Но для этого необходимо отчет-
ливо осознать всю совокупность элементов системы, взаимодейст-
вующих друг с другом. Очевидно, что может быть использована
целая серия запретов (императивов), налагаемых на функциониро-
вание технологических систем. Более того, эти запреты, налагае-
мые на постбифуркационное состояние системы, могут иметь са-
мую различную природу. Так, в случае использования прецизион-
ной технологической системы могут быть одновременно ограни-
чены температура, силы, химические компоненты, их концентра-
ция (например, СОЖ) и пр.
Вполне естественным является желание специалистов в об-
ласти синергетики сформулировать сказанное выше с помощью
компьютеров. Однако это желание реализовано в настоящее время
применительно лишь к биосфере в некоторых ее проявлениях.
Используем, далее, в нашем рассуждении общие понятия си-
нергетики. Специалисты полагают, что если система обладает (в
своем развитии) целью развития или у нее есть потенциал к разви-
тию, то такая система в теории систем называется организмом. И
если в постбифуркационный период, характеризуемый новым ат-
трактором, самоорганизующаяся система такую цель имеет, то она
может называться организмом. Если технологическая система в
данном аттракторе является самоорганизующейся, но на нее дей-
ствуют физические или химические законы, то именно эти законы
обеспечивают появление организма. Сейчас очень трудно сказать,
что именно может дать технологии машиностроения введение но-
вого термина с явной биологической «окраской», но возможно, что
в дальнейшем это окажется полезным, как в свое время оказалось,
безусловно, полезным введение в технологию биологического
термина «наследственность». Надо полагать, что словосочетание
«система имеет цель развития» должно относиться как к живой,
так и к неживой природе.
538 Глава 6. САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Сказанное выше позволяет заключить, что учение о функцио-
нировании и возникновении самоорганизующихся технологиче-
ских систем позволяет сделать очень важные выводы для практики
в области машиностроения. Главный вывод состоит в том, что
имеется способ для возведения барьеров в ходе технологического
наследования. Суть этого способа состоит в создании самооргани-
зующихся систем, которые «теряют память». После установления
барьера или даже барьеров в постбифуркационном периоде можно
управлять поведением технологической системы, совершенствуя с
помощью технологических императивов показатели качества соз-
даваемого объекта.
Итак, новая система называется самоорганизующейся. Пове-
дение ее определяется совокупностью одновременного действия
многих случайных величин, а явление самоорганизации не означа-
ет, что новая нелинейная система гарантирует качество и актив-
ную передачу наследственной информации. Более того, устойчи-
вость технологической системы не гарантируется.
Все эти обстоятельства вызывают определенную озабочен-
ность ученых-технологов, поскольку дальнейший рост точности
изделий машиностроения может быть затруднен, хотя прогнозы
ужесточения многих параметров машин в XXI в. (скоростей, уско-
рений, сил, температур и др.) требуют увеличения именно точно-
сти деталей.
Решение указанной проблемы видится нам на основе замеча-
тельного свойства самоорганизующихся систем - потере «памя-
ти». Такая система не только оказывается непредсказуемой по сво-
ему состоянию, но и утрачивает свои первоначальные свойства.
Поэтому вредные свойства в ходе технологического наследования
могут быть пресечены, положительные развиты. В арсенале барье-
ров, состоящем практически из одной - термической - операции,
оказывается целая серия технологических операций - барьеров.
Такие операции, безусловно, должны быть включены в технологи-
ческий процесс.
САМООРГАНИЗАЦИЯ НА ЭТАПЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА 539
6.2.	САМООРГАНИЗАЦИЯ НА ЭТАПЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
МАТЕРИАЛА
Машиностроительное изделие представляет собой совокуп-
ность деталей, изготовленных из различных материалов. В свою
очередь, и изготовление материалов (например, на этапе металлур-
гии) подчиняется законам синергетики. Последнее должно активно
использоваться для создания изделий с высокими показателями
качества. Проблема изготовления материала деталей затрагивается
также как элемент жизненного цикла изделия.
Рассмотрим случай затвердевания при охлаждении из жидко-
го состояния алюминиевых сплавов. Однозначно установлено, что
при затвердевании сплавов неизменно образуется дендритная
структура материала. Долгое время считалось, что именно такая
структура материала присуща ему органически. Наличие дендри-
тов решающим образом влияет на механические свойства металла.
Однако в плане исследования самоорганизующихся технологиче-
ских систем возникает вопрос об умышленном создании бифурка-
ций для изменения механических свойств сплава, т.е. возведении
барьера против дендритной структуры (если она не устраивает из-
готовителя).
Оказывается, что если производить очень быстрое охлажде-
ние жидкого сплава, то при переходе через линию ликвидус, а
также при интенсивном перемешивании сплава в твердожидком
состоянии создается совершенно новая структура, лишенная денд-
ритов. В результате возникает новый сплав с такими высокими
механическими свойствами, что можно ставить вопрос о замене
стальных деталей автомобилестроения на алюминиевые детали из
нового сплава.
Здесь бифуркация - быстрое охлаждение и перемешивание;
аттрактор - структура; технологический императив - количест-
венные характеристики охлаждения и перемешивания. Правильно
считают, что изготовленный таким образом материал может ис-
пользоваться как исходный для литья и обработки давлением.
540 Глава 6. САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Рассмотрим, далее, другой случай изготовления материала в ус-
ловиях металлургического производства. Из такого материала
(ШХ15) в последующем изготовят валы для быстровращающихся
прецизионных изделий. Особенностью изготовления материала яв-
ляется возникновение зон в его объеме. Каждая зона имеет объем-
ную массу, отличную от массы в другой зоне. Эта особенность изго-
товления материала не играет никакой роли для изготовления дета-
лей. Более того, о такой неоднородности материала большинство
конструкторов даже не осведомлено. При раскрутке (запуске) высо-
кооборотных изделий (рабочая частота вращения 400 000 об/мин)
валы, достигая частоты вращения примерно 60 000 об/мин (наши
опыты на заводе скоростных приводов) начинают сильно вибриро-
вать (первая гармоника) из-за неуравновешенности, которая на-
следственно связана с неоднородностью материала по объему. Ко-
лебания вала могут быть столь велики, что гасится зазор между
валом и подшипником скольжения. Это - авария. Если первая гар-
моника колебаний благополучно преодолевается, наступает вторая
гармоника (примерно 80 000 об/мин). Здесь повторяется та же кар-
тина. И если вал продолжает вращаться, не касаясь стенок под-
шипника, изделие достигает заданной частоты вращения.
Здесь наследственная погрешность в виде неоднородности
массы в различных объемах материала приводит к бифуркации
собранного изделия в аттракторе вибраций. Технологическим им-
перативом - барьером на пути наследования свойств является тре-
бование к однородности материала по объему в разных зонах. Та-
кое требование должно быть оговорено количественно.
Теперь проанализируем особенности создания композицион-
ных материалов. Этот случай особенно характерен тем, что слож-
ные структуры существуют одновременно в сложной технологиче-
ской среде материалов. Все структуры неустойчивы (что в свое
время показал Л. Эйлер). Чтобы они были устойчивыми, необхо-
димо правильно задать начальные условия. В композитах наблю-
дается несколько уровней организации составляющих элементов.
САМООРГАНИЗАЦИЯ НА ЭТАПЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК 541
Если возникла бифуркация (по указанию технологов либо произ-
вольно), то возникает новая структура. В волокнистых композитах
некоторое повреждение волокон и межволоконного пространства
приводит к созданию такого композита, который лишен возмож-
ностей неупругого деформирования ни в докритической, ни в по-
слекритической областях нагружения.
Здесь бифуркация - превращение волокон и межволоконного
пространства. Она наблюдается в аттракторе упругости. Импера-
тивом может быть как создание условий процесса, исключающего
повреждение, так и наоборот. Так можно влиять на наследствен-
ные свойства композитов. Естественно, что для каждого из рас-
смотренных случаев (и для других случаев также) может быть
привлечена соответствующая математическая теория или более
глубокий анализ. Однако эта работа может найти свое стройное
продолжение. В настоящее время главным является накопление
знаний (наличие фактов) в проблеме самоорганизации сложных
технологических сред.
6.3.	САМООРГАНИЗАЦИЯ НА ЭТАПЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЗАГОТОВОК
При изготовлении заготовок методами литья особенно четко
проявляются наследственные связи в технологической цепочке
«шихта - заготовка». Такое наследование представляется вполне
естественным. При этом режимы заливки, т.е. заполнение соответ-
ствующей формы, также наследственно связаны со свойствами
литой заготовки. К таковым относятся скорость заливки, темпера-
тура, скорость охлаждения. Если, например, изменить скорость
заливки при формировании заготовки литьем под давлением, то
появление новой (большой) скорости следует рассматривать как
бифуркацию, которая приводит к новой самоорганизации частиц
заготовки. Это не только появление новых механических свойств,
но и наличие во многих случаях своеобразных пузырей на поверх-
542 Глава 6. САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
ности отливки. Следовательно, в аттракторе прочности (если пре-
следуется создание именно этого свойства) указанная бифуркация
сыграла положительную роль. В аттракторе шероховатости по-
верхностных слоев бифуркация сыграла отрицательную роль.
В зависимости от конструктивных требований должен назначаться
технологический императив, суть которого должна, безусловно,
связываться с действием физических и химических законов.
Введение ультразвуковых колебаний (18 кГц) в заливаемый
металл является новой бифуркацией, вызывающей повышение
прочностных характеристик (аттрактор прочности) не только у
формируемой заготовки, но и у других заготовок до четвертого
поколения, изготавляемых из самоорганизованного материала от
первой заготовки. Заливаемый металл при изготовлении первой
заготовки самоорганизуется под действием ультразвуковых коле-
баний.
В качестве бифуркации следует также рассматривать воздей-
ствие на заливаемый материал магнитного поля. Наследственные
свойства шихты играют, безусловно, решающую роль, но для па-
раметра (свойства) электропроводности отлитого материала, ис-
пользуемого для дальнейшего изготовления фольги, возникшая
(введенная) бифуркация играет решающую роль. Следовательно,
появилось новое благоприятное свойство в аттракторе электро-
проводности. Отметим, как и ранее, что в других аттракторах мо-
жет происходить снижение показателей качества. Сравнительно
часты случаи, когда бифуркация, вызывая «потерю памяти», при-
водит к одновременному появлению целого ряда положительных
свойств. Так, в случае изготовления фольги увеличивается не
только электропроводность, но и коррозионная стойкость.
Самоорганизацию в структуре отливки не следует рассматри-
вать в отрыве от наследственных свойств жидкого металла. Вместе
с тем установлено, что лишь 25 % свойств шихты передается заго-
товке, а 75 % свойств формируются в ходе заливки и затвердева-
ния отливки.
САМООРГАНИЗАЦИЯ НА ЭТАПЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК 543
Анализ эффекта самоорганизации характерен и для изготов-
ления заготовок методами давления. Рассмотрим процесс объем-
ной штамповки в аттракторе структуры материала заготовки. Раз-
мер зерна штампуемой заготовки зависит от температуры рекри-
сталлизации, степени деформации и скорости деформирования.
При критической скорости деформирования размеры зерен резко
увеличиваются, а прочность материала заготовки падает. Если,
например, возникает бифуркация, связанная с нарушением усло-
вия соблюдения критической скорости деформирования, то новая
самоорганизация должна быть оценена отрицательно. Технологи-
ческим императивом должен считаться уход от критической ско-
рости деформирования. Это, в свою очередь, означает, что послед-
ний удар молота не должен вызывать 5 - 7 % степени деформации.
При изготовлении заготовок методами давления из порошков
различных металлов наследственные свойства отдельных частиц и
границ между ними проявляются вполне четко. Прутковые заго-
товки из порошков получают как исходный материал для после-
дующего создания заготовок, изготавливают прессованием и спе-
канием. Однако создание заготовок из пруткового порошкового
материала не является рациональным, поскольку возникают ог-
ромные силы трения между порошковой массой и элементами ос-
настки - пуансонами и матрицами. В большинстве случаев штам-
повая оснастка выходит из строя, а механические свойства сово-
купности частиц порошка остаются практически без изменения.
Если же ввести новый способ деформирования порошковой массы,
то последняя будет самоорганизовываться так, что не только по-
лучается качественная заготовка, но и улучшаются все параметры
штампования. Своеобразной бифуркацией является ситуация, ко-
гда пуансон перемещается вниз, а матрица - одновременно вверх,
но так, что снимаются в значительной степени силы трения между
порошковой массой и оснасткой. Еще одной бифуркацией может
являться введение в порошковую массу своеобразных смазываю-
щих веществ в виде поваренной соли, едкого натра, извести. Са-
544 Глава 6. САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
моорганизация отдельных частиц порошка здесь идет по законо-
мерностям, существенно отличным от закономерностей прессова-
ния без смазки.
Во всех указанных случаях необходимо определять аттрактор
и соответствующий технологический императив.
Отметим, наконец, особенности формирования заготовок ме-
тодом прокатки. На ее примере используем еще один термин,
употребляемый в синергетике. В заготовительных процессах
встречаются случаи, когда в ходе изготовления заготовки не на-
блюдается никакой организующей силы, а у материала нет тен-
денции к изменению своего состояния на уровне самоорганизации
материала. Такая ситуация не характерна для прокатки. Говорят,
что «система имеет цель». Цель состоит в получении заданной
формы проката и его структуры, материала. Возникает новый ат-
трактор существования системы, называемый организмом. Термин
«имеет цель» не связан с волей человека и является условным.
В ряде случаев изделия из металлического порошка также могут
являться организмами. Термин используется в том смысле, что
система оказывается организованной. В настоящем исследовании
данный термин не применяется, но упоминание о нем может быть
полезным в дальнейших разработках по проблеме самооргани-
зующихся систем.
6.4.	САМООРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ И СБОРКЕ
При механической обработке заготовок резанием основная
масса материала заготовки изменений не претерпевает. Такие из-
менения уже произошли на этапе изготовления собственно мате-
риалов и заготовки. При механической обработке заготовок ос-
новные процессы самоорганизации касаются размеров, формы и
взаимного расположения поверхностей, а также поверхностного
слоя заготовок и деталей с рассмотрением его геометрических и
САМООРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
545
физико-механических характеристик. Применительно именно к
этим показателям в разделе рассмотрены эффекты самоорганиза-
ции сред.
Технология машиностроения охватывает знания, связанные с
изготовлением машин. В принятой постановке вопроса не удается
расчленить понятия «изготовление деталей» и «сборка». Эти поня-
тия рассматриваются с проникновением одного в другое.
Основным барьером на пути передачи наследственных
свойств в машиностроении считаются термические операции. Ма-
териал заготовок и деталей представляет собой сплошную среду, в
отдельных участках которой характерны свои геометрическая
форма, напряжения и определенная структура. Своеобразная пере-
стройка в таких участках оказывается столь существенной, что
способна при проведении термических операций как бы ликвиди-
ровать, «забыть» всю предысторию создания изделия. Говоря язы-
ком синергетики, возникает бифуркация, т.е. катастрофа, которая
приводит к созданию новой самоорганизующейся структуры. При
этом многие свойства изделия отсекаются и создаются новые. На-
хождение различных барьеров в технологическом наследовании -
важная задача технологии машиностроения.
Те технологические системы, которые можно рассматривать
как диссипативные, способны переходить при определенных усло-
виях от упорядоченного движения к движению, называемому хао-
тическим. Согласно принципу Бора, такой переход происходит,
когда перестает действовать причина, организующая упорядочен-
ное движение, в качестве которой могут, например, выступать си-
ла и момент силы, действующие на технологическую систему.
Аналогичный эффект может вызвать не исчезновение причины, а
изменение условий нагружения, скорости и т.д.
На рис. 6.1 представлена технологическая система, предна-
значенная для изготовления изделия /, совершающего движение
Dr. Режущий инструмент перемещается (подача Д) вместе с суп-
портом 2. Движение суппорта создается двигателем 5 через меха-
18 — 6780
546 Глава 6. САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Рис. 6.1. Схема технологической системы на основе
металлорежущего станка
низмы 3 и 6, а управляющие сигналы задаются программным уст-
ройством 4. Чем ближе к заданной величине объекта подходит ин-
струмент, тем меньше становятся его перемещения, обеспечиваю-
щие качество (точность размера) изделия. При этом сила резания,
обеспечивающая движение суппорта, становится малой. В этих
условиях суппорт перестает отрабатывать команды программного
устройства и в соответствии с положениями синергетики начинает
совершать хаотические движения. Технологическая система ста-
новится самоорганизующейся, и в общем случае предсказать ее
поведение принципиально невозможно.
В описанной ситуации перемещения суппорта уменьшаются
(рис. 6.2), а в момент времени to возникает бифуркация и начинает
функционировать новая система хаотического движения. Так, хаос
порождает новое свойство. С технологических позиций необходи-
мо, далее, ограничить значение Д, в рамках которого может со-
вершаться движение суппорта. Это связано с достижением пара-
метров качества изделия. При прецизионной обработке геометри-
ческая точность изготовленного изделия может оцениваться мик-
рометрами и их долями. В рассматриваемом случае различные на-
следственные свойства уже перестают играть решающую роль,
поскольку основным становится движение суппорта в новых усло-
виях. Поэтому можно считать, что возник своеобразный барьер на
пути передачи наследственных свойств изделия.
САМООРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
547
Рис. 6.2. График упругого перемещения суппорта
в ходе развития технологический системы
Многие параметры технологических систем развиваются (из-
меняются) также в соответствии с принципами синергетики. Раз-
витие каждого параметра или группы параметров происходит в
своем обособленном канале эволюции, называемом аттрактором.
Если в одном аттракторе развивается свойство, определяющее со-
ответствующий показатель качества изготавливаемого изделия, то
в другом аттракторе развивается (или не развивается) другое свой-
ство. Так, жесткость технологического оборудования (опоры
шпинделя) j (рис. 6.3), представляющая собой отношение силы Р к
соответствующему упругому перемещению элемента оборудова-
ния, например шпинделя станка, зависит от количества п подшип-
ников в опоре. С увеличением количества подшипников жесткость
шпиндельного узла увеличивается, но затем система перестает
реагировать на увеличение числа подшипников и жесткость узла
уже не изменяется. Здесь возникла бифуркация, система перестала
зависеть от управляющей силы и стала самоорганизующейся. За-
ранее определить значение жесткости jo не представляется воз-
можным. Это можно сделать для каждого конкретного случая экс-
периментальным путем.
18*
548 Глава 6. САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
f 2	3 Ч 5	П
Количество подшипников
Рис. 6.3. График изменения жесткости шпиндельного узла с
изменением количества подшипников в опоре
Термин «самоорганизующаяся система» не означает, что па-
раметры ее функционирования стали более благоприятными для
обеспечения качества изделия. Он означает отсутствие зависимо-
сти от организующей причины. Например, качественные парамет-
ры подшипников нивелируются, их наследственные свойства ут-
рачиваются, а отдельные всплески в изменениях параметров -
флуктуации - сглаживаются.
Говоря о геометрической точности обрабатываемых загото-
вок, следует иметь в виду, что размер изделия формирует конечное
положение режущего инструмента и траекторию его перемещения.
В ряде случаев необходимо учитывать и другие параметры систе-
мы. Последнее в весьма сильной степени определяется силами
трения подвижных частей в направляющих, жесткостью привода и
пр. При изготовлении каждой единичной детали возникает своя,
определенная картина трения, а при изготовлении другой детали -
новая картина трения. Процесс достижения точности происходит
при реализации наследственных связей.
Принципы синергетики могут позволить постановку барьера
на пути возникновения неопределенности с колебанием сил тре-
САМООРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
549
ния. Если на суппорте металлорежущего станка установить эле-
ментарный вибратор в виде малого электродвигателя с неуравно-
вешенным грузом и сравнить упругие отжатия до и во время рабо-
ты вибратора, то упругое отжатие в последнем случае возрастет
примерно на 25 %.
Бифуркация в виде налагаемых колебаний создает новую тех-
нологическую систему. В отношении сил трения такая система
является самоорганизующейся и непредсказуемой, так как нельзя
заранее сказать, как в данном случае скомпонуются контактирую-
щие микровыступы подвижной и неподвижной частей системы и
соединений передаточного механизма. Эту ситуацию в аттракторе
жесткости (точности) следует рассматривать как барьер или меро-
приятие для повышения точности. Более точно: барьер ставится на
пути колебаний жесткости за счет переменной силы трения.
Фактор случайности в проблеме функционирования самоор-
ганизующихся технологических систем играет исключительно
важную роль. Их диссипативность уже предполагает случайность,
которая выступает как общая характеристика функционирования
сложной технологической системы, хотя в каждый момент време-
ни поведение системы определяется действием законов физики и
химии.
Проявление случайности отчетливо видно на примере иссле-
дования траекторий перемещения центра шпинделя, вращающего-
ся в газовых опорах (подшипниках скольжения). Центр шпинделя
(частота вращения более 150 000 об/мин) описывает траектории,
указанные на рис. 6.4, так, что они не повторяются. Траектория,
соответствующая каждому обороту, случайна. Шпиндель работает
как самоорганизующаяся система. Совокупность траекторий ха-
рактеризуется средним размером D и полем «размытости» а, оце-
ниваемыми микрометрами и их долями. Для такого хаотического
движения, безусловно, имелась организующая причина - катаст-
рофа (бифуркация), но в явном виде она не известна. В рассматри-
ваемом случае не представляется возможным установить форму
550 Глава 6. САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Рис. 6.4. Совокупность траекторий центра вала,
вращающегося в газовых опорах
траекторий и, следовательно, форму изделия, удерживаемого
шпинделем. Отклонения формы шеек шпинделя и отклонения
формы отверстий газовых подшипников уже не наследуются изде-
лием.
При работе металлорежущего оборудования с жесткими ки-
нематическими связями, т.е. с механизмами, перемещающимися от
кулачковых приводов, используют жесткие упоры. Так, например,
суппорт перемещается в поперечном по отношению к оси заготов-
ки направлении и производит фасонирование (работу фасонным
режущим инструментом). Траектория перемещения суппорта и ко-
нечное положение инструмента определяются особенностями (со-
стоянием) всех соединений передаточного механизма. Последние
представляют собой сочетание рычагов, зубчатых механизмов и пр.
Именно состояние всех соединений, а также режущего инструмента
определяет геометрическую точность обработки.
При работе с жесткими упорами целевой механизм (например,
суппорт, револьверная головка) в конце хода встречает упор. Про-
исходит жесткое замыкание. Контакт суппорта и упора является
бифуркацией. Все соединения передаточного механизма самоор-
ганизуются по-новому. Имеются зоны контактов сопрягаемых по-
верхностей, положения частей передаточных механизмов, напря-
САМООРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
551
жения в элементах конструкции. При неподвижном конечном по-
ложении суппорта передаточный механизм продолжает еще не-
сколько деформироваться, естественно, без поломки. Положение
суппорта стабилизируется. Контакт с жестким упором является
бифуркацией, положение суппорта стабилизируется в аттракторе
геометрической точности, а технологическим императивом явля-
ется ограничение перемещения с помощью упоров.
Из сказанного ясно, что введением жестких упоров может
создаваться барьер против передачи наследственных свойств в ви-
де погрешностей. Свои прежние траектории суппорты как бы «за-
бывают». Однако фактор случайности при этом не исключается.
Рассмотрение технологической системы как самоорганизую-
щейся достаточно полно иллюстрируется процессом выхаживания
на шлифовальных станках. Его механизм состоит в том, что в кон-
це периода шлифования, когда уже почти достигнуты заданный
размер и форма изделия, рабочая подача инструмента выключает-
ся, но абразивный инструмент продолжает вращаться с прежней
частотой. При этом шлифовальный станок продолжает работать, а
процесс резания затухает. Здесь технологическую систему образно
можно представить как постепенно распрямляющуюся пружину, с
которой постепенно снимается нагрузка. В практике шлифования
этот прием распространен достаточно широко. Ряд фирм выхажи-
вают прецизионные детали в течение нескольких часов. Рассмат-
риваемая система схематично показана на рис. 6.5. Шлифовальный
круг 2 (рис. 6.5, а) вместе со шпинделем I, вращающимся в под-
шипниках скольжения, совершает хаотические движения по схеме
рис. 6.4, поскольку организующая причина в виде силы резания
отсутствует. Возможные перемещения условно показаны змейка-
ми. Любое перемещение может представляться либо как измене-
ние положения шпинделя в зазоре, либо в виде упругой деформа-
ции, либо как их сочетание. Опоры шпинделя установлены на са-
лазках 3 (рис. 6.5, б), которые, в свою очередь, также перемещают-
ся хаотично (поперечная подача отсутствует). Возможные пере-
мещения также показаны змейками.
552 Глава 6. САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Рис. 6.5. Схема поведения элементов технологической системы в
различных аттракторах
Контакты шлифовального круга с изделием 4, вращающимся с
круговой подачей /)<?кр (рис. 6.5, в), также имеют хаотический ха-
рактер, поскольку в каждый момент времени ситуация меняется.
Само изделие 4 в своих опорах (центр - центровое отверстие) не
совершает равномерного вращательного движения. Опоры изделия
закреплены на столе 5 (рис. 6.5, г), производящем без нагрузки
возвратно-поступательные движения с продольной подачей DSnp.
Кроме этих движений стол 5 дополнительно совершает хаотиче-
ские движения. Величины хаотических перемещений весьма малы,
а законы движения непредсказуемы.
Описанную картину дополняет взаимодействие круга и изде-
лия. В любой момент времени меняется количество абразивных
зерен, находящихся в контакте с деталью. Часть затупившихся зе-
рен автоматически удаляется возросшими силами взаимодействия,
САМООРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
553
и в следующий момент времени в контакт вступают новые зерна
(см. рис. 6.5, а). Такое взаимодействие усугубляет общую картину
хаотического движения всех элементов сложной технологической
системы. Каждый элемент, показанный на рис. 6.5, развивается в
своем аттракторе вне зависимости от того, как развивается и
функционирует другой элемент системы.
Рассмотренная технологическая система в виде круглошлифо-
вального станка при отсутствии причины, организующей движе-
ние, т.е. при отсутствии силы резания, представляет собой самоор-
ганизующуюся или самонастраивающуюся систему, поведение
которой предсказать в целом невозможно. Однако если данная
система является самоорганизующейся, она согласно принципам
синергетики не наследует свое прошлое, т.е. предысторию изго-
товления изделия. Этот вывод является принципиальным, по-
скольку создание самоорганизующихся систем представляет собой
барьер для передачи свойств изделий от одной технологической
операции к другой. Поэтому можно утверждать, что на практике
представляется возможным ставить препятствия на пути передачи
не всех, а вредных свойств, снижающих качество изделия.
Результаты функционирования самоорганизующейся системы
даны на рис. 6.6. В процессе шлифования должен постоянно
улучшаться параметр качества изготовляемого изделия, например
отклонение С от цилиндричности. Значение этого параметра в
конце периода шлифования стабилизируется и достигает значения
Сш. Уменьшение этого значения не представляется возможным,
так как система уже не отрабатывает управляющие команды. Ана-
логично снижается и показатель шероховатости Ra, достигая зна-
чения Ram. В процессе выхаживания отклонение от цилиндрично-
сти еще более снижается, доходя до значения Св. Однако величину
Св можно установить лишь экспериментальным путем - это ре-
зультат функционирования самоорганизующейся системы (данно-
го станка, инструмента, заготовки). Шероховатость в процессе вы-
хаживания может также снижаться, доходя до значения Ra*
554 Глава 6. САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Рис. 6.6. Графики изменения отклонений от круглости и
изменений шероховатости поверхности вала в процессе
шлифования и выхаживания
Особый научный интерес представляет поведение технологи-
ческих самоорганизующихся систем в постбифуркационный пери-
од. Эти системы необходимо рассматривать как динамические, т.е.
развивающиеся во времени. Бифуркация не является катастрофой,
возникающей мгновенно. Она, как показал Л. Эйлер, развивается
во времени, которое может оказаться достаточно большим. Ката-
строфический износ лезвийного режущего инструмента может
быть уподоблен катастрофе в прямом смысле слова. Износ же со-
пряжений технологической системы происходит за неизмеримо
большее время. И этот износ, и его последствия также рассматри-
ваются как бифуркация. Бифуркации проявляются в своих, опре-
деленных аттракторах.
Важна и относительность понятия времени бифуркации. Мно-
гое зависит от условий решения технологических задач. На рис.
6.7 представлена осциллограмма изменения температуры микро-
зоны обрабатываемого материала в результате воздействия на него
единичного абразивного зерна. Температура 0 нарастает во време-
ни. Возможность использования при этом термина «тепловой удар»
и суждение о малости времени воздействия зерна (всего 0,02 с)
САМООРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
555
Рис. 6.7. Осциллограмма изменения температуры среды при
тепловом ударе абразивного зерна
определяются конкретными условиями решения проблемы. Более
того, вопрос о том, является ли бифуркацией воздействие зерна на
материал, также зависит от постановки задачи.
Отметим еще одно важное обстоятельство, которое непремен-
но нужно учитывать при отыскании барьеров технологического
наследования. Бифуркация возникает не только при исчезновении
организующей причины, например силы, но также при изменении
этой причины, изменении значения силы. Это обстоятельство осо-
бенно важно при построении технологических процессов изготов-
ления качественных изделий. Возводя барьеры на пути передачи
неблагоприятных для качества изделия свойств, необходимо
управлять средой, которая в положительном смысле слова приве-
дет к бифуркации.
В связи с рассмотрением поведения самоорганизующихся
систем в постбифуркационный период возникает вопрос об их ус-
тойчивости. Еще Эйлер показал, что всякая система может нахо-
диться в квазиустойчивом состоянии вне зависимости от того, ка-
кая - внешняя или внутренняя - нагрузка на нее действует. Забыв
свою предысторию, технологическая система как динамическая
может перейти из одного состояния в другое с помощью очеред-
ной бифуркации. При этом скорее всего технологическая система
окажется в определенных границах неустойчивой. Эту ситуацию
специалисты синергетики описывают образно, утверждая, что ни-
кто не видел карандаша, стоящего на острие. Прогнозируя появле-
556 Глава 6. САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
ние барьеров технологического наследования, необходимо пред-
полагать, что самоорганизующаяся технологическая система мо-
жет переходить из одного состояния в другое, и в то время, когда
развитие в одном аттракторе не будет устойчивым, в другом будет
наблюдаться устойчивое развитие.
Анализируя состояние устойчивости в технологических сис-
темах, необходимо заметить, что устойчивость (упорядоченность)
движения проявляется в крупных масштабах, а случайность - в
малых масштабах, на уровне флуктуаций. Если перемещается суп-
порт металлорежущего станка, то, образно говоря, он имеет «цель
развития», т.е. наблюдается его упорядоченное движение, но в ка-
ждый момент времени можно констатировать и случайные контак-
ты микровыступов суппорта и направляющих, контакты опреде-
ленных зон, связанных с отклонениями формы направляющих и
пр. Так проявляется антагонистическое взаимодействие упорядо-
ченности (устойчивости) и случайности.
6.5.	НЕЛИНЕЙНОСТЬ ПРИ САМООРГАНИЗАЦИИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Возникает потребность в математическом описании поведе-
ния самоорганизующихся систем. В этой проблеме синергетика
опирается на понятие нелинейности. Коэффициенты уравнений,
зависящие от свойств среды (в нашем случае в первую очередь
наследственных), оказываются превосходящими единицу. Такой
подход опирается на то, что нелинейные уравнения могут иметь
множество решений, что соответствует множеству путей развития
самоорганизующейся системы. Собственно нелинейность может
быть положена в основу понимания явлений, происходящих в
сложных технологических системах (средах). Действительно, не-
линейная технологическая система не реагирует на внешнее воз-
действие, как это наблюдается в линейных системах. Реакция тех-
нологической системы может быть неадекватной воздействиям на
НЕЛИНЕЙНОСТЬ ПРИ САМООРГАНИЗАЦИИ
557
нее. Она может превосходить или не превосходить ожидаемый
эффект. Именно это является весьма ценным для технологии ма-
шиностроения.
Линейность (рис. 6.8, а) широко используется при разработке
технологических процессов и часто лежит в основе нормативной
базы для решения проблем точности размеров и формы изделий.
Упругое перемещение у линейно зависит от времени t из-за изме-
нения силы:
*=с,
dt
где С - константа, т.е. скорость изменения перемещения у посто-
янна.
Экспоненциальный закон (рис. 6.8, б) очень четко отражает
нелинейность. Упругое перемещение инструмента у сначала рас-
тет интенсивно, а затем этот рост замедляется, поскольку наступа-
ет тепловое равновесие. Возникает самоорганизующаяся система,
и прогнозировать расположение асимптоты не представляется
возможным. Тогда
где к- некоторый коэффициент.
Скорость изменения функции у в каждый момент времени
пропорциональна значению функции. В этом случае говорят, что
скорость имеет линейную зависимость.
Рис. 6.8. Графики законов развития технологических систем
558 Глава 6. САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Для системы, описываемой гиперболическим законом (рис.
6.8, в), также нельзя представить прогноз развития. При опреде-
ленных условиях процесс имеет взрывной характер. Примерами
могут служить затупление режущего инструмента и нарастание
значений радиуса R режущей кромки. Такой износ в конце перио-
да стойкости инструмента называют катастрофическим. Анало-
гичный эффект наблюдается при развитии трещин на нагружен-
ных деталях. В этом случае
dt М’
где М- значение параметра системы.
Приведенные на рис. 6.8 графики служат лишь иллюстрацией
саморазвивающихся систем, а математический аппарат для техно-
логических систем, которые, безусловно, являются весьма слож-
ными (станок - изделие - инструмент - приспособление), еще
только начинает разрабатываться.
Синергетика позволяет разрабатывать правила, по которым
функционируют самоорганизующиеся системы, и, несмотря на
указанную выше непредсказуемость поведения систем, можно оп-
ределить тип поведения системы и тенденции ее развития.
Итак, на основе объективных закономерностей возникают би-
фуркации, которые приводят к тому, что технологическая система
позволяет создать барьер на пути передачи вредных наследствен-
ных свойств изготовляемого изделия. Но, несмотря на непредска-
зуемость в общем виде поведения технологической системы, пред-
ставляется возможным по усмотрению технологов так организо-
вать процесс, что в определенной степени становится возможным
корректировать поведение самоорганизующихся систем. Для этого
необходимо ввести своеобразный технологический императив, т.е.
запрет на функционирование системы, категоричное требование к
нему и пр. При этом самоорганизация системы в целом и в отдель-
ных аттракторах не должна быть нарушена. Прежде всего речь
НЕЛИНЕЙНОСТЬ ПРИ САМООРГАНИЗАЦИИ
559
идет о направленном формировании технологической среды (ус-
тановление температур, давлений, сил, моментов, скоростей, уско-
рений и пр.)- Введение технологических императивов представля-
ет собой управление системами и технологическими средами. Это,
безусловно, целесообразно вводить в практику разработки техно-
логических процессов, несмотря на кажущееся противоречие по-
нятий «непредсказуемость (хаос)» и «управление».
На определенной стадии управления может случиться и так,
что мы не в полной мере будем осознавать, какой именно импера-
тив должен быть введен в процесс. Уточнения в каждом конкрет-
ном случае могут быть введены после более глубокого изучения
поведения системы. Технологические императивы, налагаемые на
постбифуркационный процесс, могут иметь самую различную
природу. Необходимо установить рамки, в которых развивается
самоорганизующаяся система. При шлифовании, например, преци-
зионных изделий нужно ограничить зазоры в суппортных группах,
скорости и подачи, определить требования к фундаментам обору-
дования, к химическому составу охлаждающихся сред и ряд дру-
гих требований - вплоть до технологического регламентирования
поведения исполнителей процесса. Другие технологические рамки
обеспечат постбифуркационный процесс, отличный от первого
лишь количественно, но не качественно. В целом же использова-
ние синергетических эффектов в технологии машиностроения,
безусловно, обеспечивает повышение показателей качества маши-
ностроительной продукции.
Глава 7
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И СНИЖЕНИЕ
ЦЕНЫ ИЗДЕЛИЯ
7.1. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ
СЕБЕСТОИМОСТЬ
Производительностью называется производство продукции в
единицу времени (год, месяц, смену, час, минуту). Производи-
тельность может выражаться как в натуральных изделиях, так и в
денежном выражении, причем в денежном выражении как реали-
зуемой продукции, так и нормативно-чистой (за вычетом цены по-
купных изделий и материалов). При этом она может относиться
как к коллективу в целом, так и к каждому работающему. Исходя
из этого производительность может определяться по следующим
зависимостям:
п = "; F	(7.1)
П =—; Fn	(7-2)
П = ^; F	(7-3)
П = ^; Fn	(7-4)
п Л(Ц-Ц.). F	(7-5)
п Л(Ц-Ц.) Fn '	(7.6)
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ
561
где N - количество изготовленных изделий в год; F - фонд време-
ни (1 год, 12 мес, количество рабочих дней или часов в году); п -
число работающих на предприятии; Ц - цена реализуемых изде-
лий; Цп - цена покупных изделий и материала.
Количество изготовленных изделий в год определяется по
формуле

(7.7)
где Ф - годовой рабочий фонд времени (в ч); Т - такт выпуска из-
делий, определяемый штучно-калькуляционным временем наибо-
лее трудоемкой операции технологического процесса изготовле-
ния изделия,
где К - количество рабочих мест в производстве изделия на самой
трудоемкой операции.
Зачастую перед производителем стоит задача выпуска опре-
деленного количества изделий в заданный период времени. Тогда
такт выпуска изделий определяется по формуле
F-60
N ’
(7-9)
где F - срок, в течение которого должны быть изготовлены все
изделия.
При этом норма времени, или штучно-калькуляционное вре-
мя, каждой из операций должно быть кратно или равно такту вы-
пуска изделий,
ТШТК/=^,	(7.10)
где К, - количество рабочих мест на /-ой операции.
562 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
В свою очередь, штучно-калькуляционное время определяется
по формуле
Т
Тштк =тшт +-2^-,	(7.11)
где Тшт - научнообоснованное штучное время обработки изде-
лия на /-ой операции; Тпл - подготовительно-заключительное
время на партию обрабатываемых заготовок z-ой операции; N' -
количество заготовок в обрабатываемой партии.
Подготовительно-заключительное время на /-ую операцию
Тп 3/ - это норма времени на подготовку рабочих и средств про-
изводства к выполнению /-ой технологической операции и приве-
дение их в первоначальное состояние после ее окончания.
Норма подготовительно-заключительного времени включает в
себя затраты времени на подготовку к заданной работе и выполне-
ние действий, связанных с ее окончанием; оно предусматривает
затраты времени на:
а)	получение материалов, инструментов, приспособлений,
технологической документации и наряда на работу;
б)	ознакомление с работой, технологической документацией,
чертежом, получение необходимого инструктажа;
в)	установку инструментов, приспособлений, наладку обору-
дования на соответствующий режим работы;
г)	снятие приспособлений и инструмента;
д)	сдачу готовой продукции, остатков материала, приспособ-
лений, инструмента, технологической документации и наряда.
Подготовительно-заключительное время затрачивается один
раз на всю партию обрабатываемых изделий, изготовляемых без
перерыва по данному рабочему наряду, и не зависит от числа из-
делий в этой партии. При нормировании величина подготовитель-
но-заключительного времени определяется по нормативам с уче-
том типоразмера станка, приспособления, конструкции и массы
обрабатываемой заготовки и т.п.
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ
563
В условиях массового производства подготовительно-заклю-
чительное время в норму времени не включается, тогда в соответ-
ствии с формулой (7.11) в качестве нормы времени принимается
штучное время, определяемое по формуле
ТШт,- =Т0П/ +ТОбСЛ; *'ТОТД(,	(7.12)
где Т0П( - норма времени на выполнение z-ой операции; ТобсЛ( -
время на обслуживание рабочего места z-ой операции; Тотд. -
время на отдых и естественные потребности рабочего на /-ой опе-
рации.
Время обслуживания рабочего места затрачивается на под-
держание средств технологического оснащения в работоспособ-
ном состоянии и уход за ним и рабочим местом. Оно подразделя-
ется на организационное ТорГ и техническое Ттех обслуживание и в
общем виде может быть определено в процентном отношении от
Топ,> т.е.
Т =Т 4-Т	— Й°РГ' Т । ^Texi -г	/7 1-54
1 обсл, Атех,- ±орг/ 100 оп» ЮО Аоп/’
где аорГ/ - процент времени на организационное обслуживание
/-го рабочего места; Z>TeX j - процент времени на техническое об-
служивание /-го рабочего места.
Время технического обслуживания Ттех - это время, затрачи-
ваемое на уход за рабочим местом (оборудованием) в течение дан-
ной конкретной работы (смена затупившихся инструментов, регу-
лировка инструментов и подналадка оборудования в процессе ра-
боты, сметание стружки и т.п.). Время технического обслуживания
определяется в процентах к основному времени.
Время организационного обслуживания Торг - это время, за-
трачиваемое на уход за рабочим местом в течение рабочей смены
564 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
(время на раскладку и уборку инструмента в начале и конце сме-
ны, время на осмотр и опробование оборудования, время на его
смазку и чистку и т.п.). Время организационного обслуживания
определяется в процентах к оперативному времени.
Время на отдых и естественные надобности, затрачиваемое
человеком на личные потребности и (при утомительных работах)
на дополнительный отдых, предусматривается для всех видов ра-
бот (кроме непрерывных) и определяется в процентах к оператив-
ному времени. Обычно это время не превосходит 2 % от продол-
жительности рабочей смены. На работах физически тяжелых, осо-
бенно утомительных, отличающихся большим грузооборотом или
производимых ускоренным темпом, кроме того, предусматривает-
ся дополнительное время на перерывы для отдыха. Оно берется в
процентном отношении от Топ., т.е.
Т = а°т%- Т	(7 14)
А отд,- 100 on,»
где а0ТД( - процент времени на отдых и естественные надобности
рабочего на i-ой операции.
В связи с тем что в единичном и серийном производствах
время на обслуживание рабочего места на организационное и тех-
ническое не подразделяется и так же, как и время на отдых и лич-
ные потребности рабочего, исчисляется в процентах от оператив-
ного времени, формула для подсчета штучного времени упрощает-
ся и приобретает вид
Тщт =ТОП (1 + —|,	(7.15)
ШТ j	ОП i I J QQ 1 7	X z
где К, - процент оперативного времени на обслуживание рабочего
места (техническое и организационное), отдых и личные потреб-
ности рабочего.
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ
565
Значения коэффициентов «орГ/, аОТД/ , bleKj и К, принимаются
согласно нормативам.
Норма операционного времени Топ - это норма на выполне-
ние z-ой технологической операции, включающая в себя норму
основного времени - То и не перекрываемого или вспомогатель-
ного времени - Тв ., т.е.
Т =Т + Т
*orij о,
(7.16)
Затраты операционного времени на выполнение технологиче-
ской операции повторяются с каждой единицей изделия или через
строго определенное их число.
Норма основного времени То - это норма времени на дости-
жение непосредственной цели данной технологической операции
или перехода по качественному и (или) количественному измене-
ниям предмета труда.
Основное (технологическое) время То представляет собой
время, в течение которого осуществляется изменение размеров и
формы заготовки, внешнего вида и шероховатости поверхности,
состояния поверхностного слоя или взаимного расположения от-
дельных частей сборочной единицы и их крепления и т.п. Основ-
ное время может быть машинным, машинно-ручным, ручным и
аппаратурным.
При всех станочных работах основное время определяется от-
ношением величины пути, пройденного обрабатывающим инстру-
ментом, к его минутной подаче. Для токарных, сверлильных, резь-
бонарезных работ, для зенкерования, развертывания и фрезерова-
ния основное (машинное) время определяется в соответствии с
рис. 7.1 по формулам
L L LZ.
5МИН ПЗ П31 ’
(7-17)
566 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Рис. 7.1. Длина перемещения режущего инструмента:
а - при точении; б, в - при фрезеровании; г - при сверлении;
д - при развертывании
L = I + А + h,
(7-18)
где Ты - машинное время, мин; L - длина пути инструмента, мм; I -
длина обрабатываемой поверхности, мм; 1\ - величина врезания
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ
567
инструмента, мм; Z2 - величина перебега (схода) инструмента, мм;
i - число рабочих ходов; 5МИН - подача, мм/мин (минутная подача);
п - частота вращения шпинделя или фрезы, об/мин; s - подача на
один оборот шпинделя или фрезы, мм/об; t - глубина резания на
сторону, мм; Z - припуск на сторону, мм.
При обработке по методу пробных ходов и промеров длина
пути инструмента L увеличивается с учетом дополнительной дли-
ны на взятие пробных стружек.
Норма вспомогательного времени TBj представляет собой
норму времени на осуществление действий, создающих возмож-
ность выполнения основной работы, являющейся целью /-ой тех-
нологической операции или перехода, и повторяющихся с каждым
изделием или через определенное их число (установка и снятие
изделия, пуск и выключение станка, подвод и отвод инструмента,
перемещение стола или суппорта, промеры изделия, смена инст-
румента или его переустановка, если это производится на каждое
изделие или через определенное число изделий).
Вспомогательное время по преимуществу бывает ручным, но
оно может быть и механизированным (установка и снятие изделия
краном), и машинным (автоматический и обычно ускоренный хо-
лостой обратный ход суппорта или стола станка).
Вспомогательное время определяется суммированием его со-
ставляющих элементов, приведенных в таблицах нормативов по
техническому нормированию. При этом в его состав включаются
затраты времени на установку и снятие заготовки; время, связан-
ное с переходом; время на перемещение частей станка (суппорта,
каретки); время на изменение режима работы станка и смену инст-
румента и время на контрольные измерения.
Время на установку и снятие заготовки дается в нормативных
таблицах на весь комплекс «установить и снять заготовку» в зави-
симости от ее массы, типа приспособления, способа базирования и
закрепления и т.п.
568 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Время, связанное с переходом, включает в себя время на под-
вод инструмента к заготовке, включение и выключение подачи,
отвод инструмента в исходное положение. При этом время на пе-
ремещение суппорта в комплекс времени, связанного с переходом,
не включено и определяется в зависимости от длины перемещения
отдельным слагаемым вспомогательного времени. Также не вклю-
чено в комплекс времени на переход и время, затрачиваемое на
изменение режима работы станка и смену инструмента, которое
учитывается отдельным слагаемым вспомогательного времени.
Время на контрольные измерения устанавливается на процесс
измерения, производимый после выполнения станочником пере-
хода или операции, и включается в норму только в тех случаях,
когда оно не может быть перекрыто машинным временем. Перио-
дичность контрольных измерений зависит от стабильности полу-
чаемых при обработке размеров, допуска и размеров обработки,
конструкции режущего инструмента и способа выполнения обра-
ботки. В нормативных таблицах приводятся соответствующие ре-
комендации.
Наряду с качеством, важнейшим показателем конкурентоспо-
собности предприятия является себестоимость его продукции, ко-
торая определяется затратами в денежном выражении на материа-
лы, средства производства и заработную плату, связанные с изго-
товлением изделия. В общем случае себестоимость продукции
может быть рассчитана по формуле
с=£м+£ О+П+И+Г1+^±^3 +£н„
i=i	i=i L	к 100 j j ,=1
(7.19)
где М - расходы на материалы на единицу продукции за вычетом
стоимости отходов, р.; О - расходы на амортизацию, содержание и
эксплуатацию оборудования, приходящиеся на единицу продук-
ции, р.; П - расходы на амортизацию, содержание и эксплуатацию
приспособлений, приходящиеся на единицу продукции, р.; И -
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ
569
расходы на амортизацию и содержание инструмента, приходящие-
ся на единицу продукции, р.; а\ - начисления на расходы по зара-
ботной плате на социальные нужды, %; аг - накладные расходы,
начисляемые на расходы по заработной плате, %; р - число раз-
личных марок материалов, расходуемых на единицу продукции;
3 - расходы на заработную плату, приходящиеся на единицу про-
дукции, р.; Н, - расходы на налоги, приходящиеся на единицу про-
дукции.
Неполная себестоимость, включающая в себя только затраты,
связанные с выполнением технологического процесса, называется
технологической себестоимостью, которая в общем виде может
быть определена по формуле
Ст = С, + С3 ,н + Сэ + Св + Среж + См + Са + Ср + С„ +
+ Спл + Со + Сзаг + Снал,	(7.20)
где С3 - заработная плата рабочих с начислениями; С3.н - заработ-
ная плата наладчиков с начислениями; Сэ - затраты на силовую
электроэнергию; Св - затраты на вспомогательные материалы
(смазочно-обтирочные материалы и смазочно-охлаждающие жид-
кости); Среж - затраты на амортизацию, заточку и ремонт универ-
сального и специального режущего инструмента; См - затраты на
амортизацию и ремонт универсального и специального меритель-
ного инструмента; Са - затраты на амортизацию оборудования;
Ср - затраты на ремонт и модернизацию оборудования; Сп - затра-
ты на ремонт и амортизацию универсальных и специальных при-
способлений; Сщ, - затраты на амортизацию, ремонт, отопление,
освещение и уборку производственного помещения; Со - затраты
на общие цеховые расходы (заработная плата вспомогательных
рабочих, инженерно-технических работников и служащих цеха с
соответствующими начислениями; расходы на ремонт и амортиза-
цию общего вспомогательного оборудования и инвентаря цеха;
570 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
расходы на охрану труда и др.); C3ar - стоимость исходной заго-
товки (включая себестоимость ее изготовления и материала за вы-
четом стоимости реализуемых отходов - стружек); Снал - затраты
на налоги.
Такой уточненный поэлементный расчет технологической се-
бестоимости применяется в массовом и крупносерийном произ-
водствах.
Для условий единичного, мелко- и среднесерийного произ-
водств технологическая себестоимость может рассчитываться по
формуле
Ус Т
станко-ч/ * шт к,
Ст=-^---------------,	(7.21)
т 60
где Сстанко-ч/ - стоимость 1 станко-ч на z'-ой операции, определенная
по нормативам; п - количество операций.
Общая себестоимость обработки заготовки может быть рас-
считана по формуле
С = Л + -^,	(7.22)
где А - текущие затраты; В - единовременные затраты на всю пар-
тию изделий N'.
Текущие затраты укрупненно рассчитываются по формуле
Л = Сзаг+С3^1 + ^ + Снал,	(7.23)
где Р - сумма всех цеховых расходов, выраженная в процентах от
заработной платы основных рабочих (процент накладных расхо-
дов); она колеблется от 50 до 800 %.
Анализ приведенных выше зависимостей показывает, что
производительность и технологическая себестоимость изготовле-
ния деталей в значительной мере определяются нормой времени
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ
571
на каждой операции, которая зависит от режимов обработки, обес-
печивающих требуемую точность размеров и параметры шерохо-
ватости поверхностей.
Таким образом, производительность и себестоимость обра-
ботки заготовок в значительной степени зависят от предъявляемых
требований к точности и шероховатости поверхности изготовляе-
мых деталей. Как показывают графики, приведенные на рис. 7.2,
уменьшение допусков на обработку и высоты неровностей обрабо-
танных поверхностей повышает трудоемкость и себестоимость
обработки приблизительно по закону гиперболы. Это объясняется
тем, что возрастает основное время в связи с появлением дополни-
тельных рабочих ходов и снижением режимов резания; увеличива-
ется вспомогательное время, связанное с контрольными операция-
ми, установкой, выверкой положения заготовки на станке, уста-
новкой режущего инструмента на размер (при работе по методу
пробных ходов); применяются более сложные и точные, а следова-
тельно, и более дорогие станки; возрастают затраты на режущий
инструмент и в ряде случаев применяются более дорогие способы
обработки.
Диаграммы (рис. 7.3) показывают, что при повышении точно-
сти обработки стальных валиков диаметром 10 - 18 мм на токарно-
револьверных станках с 11-го до 7-го квалитета фактические сум-
марные затраты времени на обработку, установку резца на размер
и на измерение заготовок возрастают в 3 раза. При этом особенно
резко увеличиваются затраты времени на контроль заготовки. Так,
например, если при повышении точности обработки с 10-го до
7-го квалитета машинное время и время установки резца на размер
увеличиваются почти в 2 раза, то время на контрольные измерения
заготовок возрастает в 7 раз. Кроме того, в процессе точной обра-
ботки появляется брак, затраты на который составляют 2 % общей
стоимости обработки заготовок при обработке по 8-му и 17 %
стоимости при обработке по 7-му квалитету. При дальнейшем по-
вышении точности обработки до 6-го квалитета затраты на брак
достигают 32 % стоимости обработки заготовок.
30
28
26
'24
V2
Jho
11в
16
!»
S »
г Шлифование орафияовын круеом
о
Шлифование графитовым круеом
 | Шлифование с тщий пройми
Шлифование грифитовым кругом
Шлифование е тонкой правкой
Шлифование свычкой
Точение скоростное
Точение широким резцом
Точение скоростное
Точение широкими резцами
Точение резцами Колесова
10
б
0Ш6 # J У 19
Рис. 7.2. Зависимость трудоемкости и себестоимости заготовок от
точности и шероховатости поверхности:
а - вал 0 60 х 200 мм из закаленной стали; б - вал 0 60 х 300 мм из сырой стали Т8
(о-о — штучно-калькуляционное время; х-х - технологическая себестоимость)
Точонио скоростное
Точение широкими резцами *
онио резцами Колосова
ТЪченио
резцами
Колесова.
ЙПг,мн
572 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ
573
Рис. 7.3. Зависимость трудоемкости обработки от
требуемой точности:
а - суммарные затраты времени - Т^;
б - отдельные элементы затрат времени;
Тмаш “ машинное (основное время);
Туст. р - время на установку резца; Тизм - время на измерение
574 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Заданная чертежом точность обработки и требуемая шерохо-
ватость поверхности могут быть достигнуты при использовании
различных видов обработки, разных станков, инструментов и при-
способлений. Так, например, отверстие 9-го квалитета точности с
Rz = 6,3 мкм может быть получено в стальной заготовке путем
обычного растачивания быстрорежущими и твердосплавными рез-
цами, развертывания, протягивания и прошивания, алмазного рас-
тачивания, шлифования, хонингования и раскатывания роликами и
шариками.
К основным и наиболее объективным критериям целесообраз-
ности выбора наиболее подходящего для данных конкретных ус-
ловий варианта обработки относятся его производительность и
экономичность. Даже при обработке заготовок определенным спо-
собом необходимо установить экономичность применения того
или другого типоразмера станка или технологической оснастки.
Изменение трудоемкости тонкого растачивания отверстий диамет-
ром 40 х 80 мм по 7-му квалитету с Rz = 6,3 и 10,0 мкм в стальных
заготовках, выполняемого на станках различных типов при наивы-
годнейших режимах резания резцами с пластинками Т15К6, по
данным А. А. Маталина, приведено на рис. 7.4. Из диаграмм вид-
но, что наиболее высокая производительность операции тонкого
растачивания достигается при обработке на специальном алмазно-
расточном станке. Выполнение тех же операций на горизонтально-
фрезерном станке увеличивает трудоемкость на 40 - 50 %, а на
токарных станках на - 65 - 80 %.
Экономичность механической обработки зависит не только от
требуемой точности, применяемых методов обработки и станков.
Она изменяется также в зависимости от применяемых режимов
резания.
На рис. 7.5 показано, что с увеличением скорости резания
трудоемкость и себестоимость обработки сначала снижаются, а
затем, перейдя через некоторые минимальные значения v° и v °,
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ
575
Рис. 7.4. Трудоемкость тонкого растачивания отверстий на
различных станках:
1 - специальный алмазно-расточной; 2 - токарный;
3 - горизонтально-фрезерный
Скорость розания
Рис. 7.5. Зависимость трудоемкости и себестоимости обработки от
скорости резания
576 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
возрастают (в связи с увеличением износа режущего инструмента
и затрат времени на его замену). При этом важно отметить, что
оптимальные скорости резания, соответствующие минимальным
затратам времени Tmjn и минимальной себестоимости Cmjn, не сов-
падают. Скорость резания, оптимальная по себестоимости, всегда
меньше оптимальной скорости по производительности. Чем де-
шевле режущий инструмент и меньше доля затрат на него в общей
себестоимости обработки, тем выше оптимальная скорость реза-
ния по себестоимости обработки и тем ближе она подходит к оп-
тимальной скорости резания по производительности.
Выбор скорости резания по наибольшей производительности
или по наименьшим затратам осуществляется для каждого кон-
кретного случая с учетом сложившейся обстановки (степень сроч-
ности задания, степень загрузки данного станка, возможности ин-
струментального цеха по восполнению повышенного расхода ин-
струмента и т.п.). В любом случае скорость резания не должна вы-
ходить за пределы оптимальных скоростей по производительности
и себестоимости.
Сопоставление эффективности технологических вариантов по
критериям производительности и себестоимости может привести в
отдельных случаях к различным выводам. Так, например, при со-
поставлении растачивания отверстия диаметром 30 х 40 мм по
7-му квалитету с шероховатостью Rz = 6,3 мкм в стальных заго-
товках быстрорежущим резцом Р18 на токарном станке 1К62 и
протягивания в серийном производстве получены приведенные
ниже данные.
Технологическая себестоимость, р.:
при протягивании.................................0,11
при растачивании...........................0,11
Трудоемкость (штучно-калькуляционное время, мин):
при протягивании.................................1,06
при растачивании...........................3,63
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ
577
Приведенный пример показывает, что при сопоставлении эф-
фективности технологических процессов не следует ограничивать-
ся определением только себестоимости обработки, а иногда требу-
ется подсчитать как себестоимость, так и трудоемкость обработки.
В ответственных случаях определения экономической эффек-
тивности технологических процессов необходимо вести расчет по
двум ее основным критериям: производительности (или трудоем-
кости), выражаемой штучно-калькуляционным временем, и себе-
стоимости, представленной в виде технологической себестоимо-
сти. Когда по сравниваемым вариантам технологических процес-
сов затраты на режущий инструмент различаются незначительно,
можно ограничиться сопоставлением эффективности процессов
только по одному из указанных критериев экономичности. Если
один из сравниваемых вариантов связан с применением дорого-
стоящего оборудования или специальной технологической оснаст-
ки, анализ экономичности процессов следует дополнить расчетом
приведенных затрат.
Экономическая эффективность технологических процессов в
большой степени зависит от масштабов годового выпуска изделий
и размеров партии заготовок, запускаемых в производство. Из-
вестно, что приобретение высокопроизводительных, но дорого-
стоящих многошпиндельных автоматов и полуавтоматов окупает-
ся только при достаточно больших количествах выпускаемых из-
делий. С другой стороны, структура и общая сумма затрат на экс-
плуатацию станков различного типа существенно различаются.
На рис 7.6 приведена зависимость составляющих затрат себе-
стоимости от вида оборудования, а также от количества выпускае-
мой продукции. Из рисунка видно, что при использовании про-
стых и дешевых токарных и револьверных станков основная часть
себестоимости обработки приходится на долю заработной платы,
достигающей 80 - 90 %. При переходе к высокопроизводительным
автоматам доля заработной платы в общей себестоимости снижа-
ется до 55 % для одношпиндельного и до 20 % для шестишпин-
19 — 6780
578 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Рис. 7.6. Зависимость составляющих затрат себестоимости от вида
оборудования и количества выпускаемой продукции:
1 - затраты на заработную плату; 2 - затраты на амортизацию;
3 - затраты на освоение станка; 4 - затраты на материалы
дельного автомата. Соответственно возрастает доля затрат на
амортизацию (до 35 %) и освоение (до 20 %) станка. Повышенные
эксплуатационные расходы окупаются за счет высокой производи-
тельности станка при достаточно большом выпуске.
По А. А. Маталину, на рис. 7.7 приведены кривые изменения
себестоимости обработки стальных ступенчатых заготовок сред-
ней сложности, требующих применения сверлильного и расточно-
го инструмента, разверток, фасонных и отрезных резцов в зависи-
мости от размеров партии обрабатываемых заготовок. При расчете
себестоимости принималось, что один рабочий обслуживает один
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ
579
10	100	1000	10000 100000
размер партии за torn обок,щт»
Рис. 7.7. Изменение себестоимости изготовления ступенчатых втулок
на различном оборудовании:
1 - токарный станок; 2 - револьверный станок;
3 - одношпиндельный токарный автомат;
4 - четырехшпиндельный токарный автомат;
5 - шестишпиндельный токарный автомат
токарный или револьверный станок или два одинаковых автомата.
Все затраты на режущий инструмент, электроэнергию, охлаждаю-
щие и смазывающие средства, амортизацию станка и приспособ-
лений, заработную плату основных и вспомогательных рабочих и
на материал относились к единице продукции.
Кривые изменения себестоимости (см. рис. 7.7) имеют вид ги-
пербол и при увеличении количества обрабатываемых заготовок
асимптотически приближаются к прямым, характеризующим наи-
меньшую себестоимость обработки заготовок на данном станке, не
зависящую от размеров партии заготовок. Это означает, что для
каждого станка существует определенная величина партии загото-
19*
580 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
вок данных сложности и размеров, начиная с которой достигается
наиболее экономичная работа станка. Пересечение кривых себе-
стоимости (точки Г, 2', 3', 4') определяет пределы экономичного
использования станков ручных типов. Из рисунка следует, что при
обработке малых партий (зона левее точки Г) наиболее экономич-
ным является применение токарного станка. С увеличением пар-
тии заготовок наиболее экономичной оказывается обработка соот-
ветственно на револьверном, одно-, четырех- и шестишпиндель-
ном токарных автоматах.
Большое влияние методов и режимов обработки, применяе-
мых станков и технологической оснастки на экономичность изго-
товления заготовок, а также зависимость экономичности техноло-
гических процессов от размеров партий обрабатываемых загото-
вок делают актуальной проблему оценки экономичности эффек-
тивности технологических процессов. От правильного и своевре-
менного определения экономической эффективности создания и
применения новой техники и технологии производства в значи-
тельной степени зависят направление и темпы дальнейшего тех-
нического прогресса в машиностроении.
Таким образом, в условиях жесткой рыночной конкуренции
второе направление технологии машиностроения как науки - по-
вышение производительности труда и снижение себестоимости
продукции - требует своего дальнейшего развития.
Рассмотрим некоторые направления по повышению произво-
дительности и снижению себестоимости.
Как видно формул (7.1) - (7.12), производительность может
быть повышена главным образом за счет сокращения Топ, что дос-
тигается уменьшением То и Тв (7.16) и их совмещением.
Сокращение основного времени осуществляется за счет ин-
тенсификации режимов резания, увеличения скорости и подачи.
В последние годы все шире используется высокоскоростная обра-
ботка с v до 800 м/мин при лезвийной и с v до 100 м/с при алмаз-
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ
581
но-абразивной обработке. Увеличение подачи может быть осуще-
ствлено только при использовании широких резцов или двухрез-
цовой обработке (делением подачи).
В значительной мере сократить То позволяет многорезцовая
обработка (рис. 7.8).
Вспомогательное время можно сократить за счет уменьшения
времени на установку и выверку заготовки, увеличения скорости
холостых ходов рабочих органов станка, уменьшения затрат вре-
мени на управление оборудованием и контроль.
Установка с требуемой точностью заготовок на станке может
отнимать много времени. Например, установка и закрепление за-
готовок крупногабаритных деталей иногда занимает 8 - 12 ч. При-
менение специальных, универсальных и других видов приспособ-
лений или нормализованных средств в виде опор, планок, подкла-
док и т.п. обеспечивает базирование деталей по правилу шести
Рис. 7.8. Многорезцовая обработка заготовки блока
зубчатых колес
582 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
точек с меньшими затратами времени. Этому же способствует ис-
пользование быстродействующих пневматических, гидравличе-
ских и электромеханических зажимов, встраиваемых в приспособ-
ления. При закреплении заготовок вручную важно сокращать чис-
ло типоразмеров применяемых крепежных средств, число незави-
симых зажимов и обеспечивать доступность мест закрепления.
Затраты времени на закрепление заготовок вручную сокращает
использование нормализованных крепежных средств в виде бол-
тов, разрезных шайб, прижимных планок, пружин, поддерживаю-
щих прижимные планки, а также автономные пневматические и
гидравлические приводы, устанавливаемые непосредственно на
исполнительные поверхности станка.
Для уменьшения затрат времени на вспомогательные ходы все
современные станки оснащают механизмами ускоренных переме-
щений рабочих органов и автоматическими устройствами, обеспе-
чивающими переход к рабочей подаче.
Скорость вспомогательных перемещений в станках непре-
рывно повышается. Тенденция ее повышения отчетливо просле-
живается на примере многоцелевых станков типа «обрабатываю-
щий центр». Если в 70-е гг. XX в. скорость вспомогательных ходов
составляла 4-5 м/мин, то уже в начале 80-х гг. она достигла 10 -
12 м/мин. Следует ожидать дальнейшего увеличения скорости
вспомогательных ходов, так как в повышении производительности
станков она является одним из главных факторов.
Время, затрачиваемое на управление станком и приспособле-
нием, сокращают в результате концентрации управления в одном
месте. На тяжелых станках пульты управления дублируют, что
позволяет рабочему управлять станком с разных точек рабочего
места. Введение механизмов ускоренных перемещений инстру-
ментов (заготовок) в исходное рабочее положение, устройств для
быстрой смены инструментов, автоматизация управления ходом
операции являются основными мерами по непосредственному со-
кращению вспомогательного времени.
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ
583
Для того чтобы иметь представление о том, как протекает
процесс обработки заготовок, рабочий систематически должен
контролировать точность выдерживаемых размеров, состояние
станка, приспособлений и инструментов. Время, затрачиваемое на
это, может быть сокращено благодаря применению измерительных
средств, встраиваемых в станок и показывающих во время обра-
ботки значения получаемых размеров; устройств цифровой инди-
кации, непрерывно следящих за информацией об относительных
перемещениях рабочих органов станков и выдающих ее; устройств
диагностики состояния станка и инструментов. Решению этой же
задачи содействуют и устройства адаптивного управления, на ко-
торые может быть возложен выбор числа рабочих ходов, измене-
ние режимов обработки в связи с изменением припусков и твердо-
сти заготовок, компенсация тепловых деформаций технологиче-
ской системы и решение других задач.
К уменьшению оперативного времени приводит полное или
частичное совмещение вспомогательных переходов с выполнени-
ем основных переходов. Примером такого совмещения может
служить установка очередной заготовки на одном конце поворот-
ного стола фрезерного станка в то время, как на другом его конце
идет обработка предшествующей заготовки (рис. 7.9). По оконча-
нии обработки стол поворачивается на 180°, начинается обработка
очередной заготовки, а на свободном конце стола обработанная
заготовка заменяется новой.
Рис. 7.9. Двухпозиционный стол станка
584 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Рис. 7.10. Схема «маятниковой» обработки
Совмещение времени установки заготовки с ее обработкой
может быть получено при «маятниковой» обработке (рис. 7.10),
Сущность ее заключается в том, что во время обработки одной за-
готовки, установленной на одном конце стола станка, осуществля-
ется смена другой, установленной на другом конце стола и ранее
обработанной. После окончания обработки заготовки стол с уско-
ренной подачей подводит к инструменту очередную заготовку и
цикл повторяется.
Совмещение затрат времени на установку заготовки и съем
детали с основными переходами возможно при наличии на станке
отдельной установочной позиции. Такие позиции обычно преду-
смотрены на многопозиционных станках, примером которых мо-
жет быть четырехпозиционный агрегатный станок с поворотным
столом (рис. 7.11).
Полное совмещение вспомогательного времени со временем
выполнения основных переходов достигается в непрерывных про-
цессах, характеризуемых непрерывностью перемещения заготовок
с рабочей подачей. Примерами непрерывных процессов могут
быть бесцентровое шлифование поршневых пальцев (рис. 7.12, а)
и непрерывное фрезерование плиток на карусельно-фрезерном
станке (рис. 7.12, б).
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ
585
Поз. Ill
Зенкерование
отверстий
Поз. 1.
Установка (съем)
заготовки
Рис. 7.11. Совмещение с основными переходами установки (съема)
Рис. 7.12. Полное совмещение установки (съема) заготовки и
вспомогательных переходов с основными
586 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Повышению производительности труда во всех ее аспектах в
значительной мере способствует комплексная автоматизация про-
изводства изделий (автоматические и роторные линии, гибкие ав-
томатизированные производственные системы).
Снижение себестоимости изделий машиностроения может
быть достигнуто не только за счет повышения производительности
труда, но и уменьшения значений других ее составляющих.
Так расходы на материалы могут быть определены по форму-
ле
C„=£g,?,-£g„,?c„,	(7.24)
1=1	1=1
где G, - масса /-ой марки материала, расходуемого на изготовле-
ние изделия, кг; q, - стоимость 1 кг материала /-ой марки, р.;
Gn. - масса отходов /-ой марки материала, кг; qnj - стоимость
1 кг отходов /-ой марки материала, р.; р - число марок материалов,
используемых для изготовления изделия.
Анализ уравнения (7.24) показывает, что имеются следующие
пути снижения расходов на материалы:
-	сокращение массы материалов, расходуемых на изготовле-
ние машины;
-	использование по возможности более дешевых материалов;
-	получение отходов материалов в виде, пригодном для по-
следующего использования.
Расход материала на изготовление машины определяется ма-
териалоемкостью ее конструкции и массой отходов, образующих-
ся в процессе изготовления. Так как основными материалами, из
которых изготовляют машины, являются металлы» то именно их
экономии и следует уделить большее внимание.
Металлоемкость конструкции машины полностью зависит от
конструктора. Недостаточное знание свойств материалов, прибли-
женные проверочные методы расчета, а не оптимизационные,
преднамеренное завышение запасов прочности приводят к излиш-
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ
587
нему расходу материалов. К тому же результату может привести
непродуманное конструктивное оформление деталей. Для сужде-
ния о рациональности использования материалов служит коэффи-
циент т|м использования материала, представляющий собой отно-
шение массы 6ИЗД готового изделия к массе G„aT материала, затра-
ченного на его изготовление:
Дм — ^изд I С'мат-
Значительное количество отходов и потерь металла возникает
на машиностроительных заводах при получении заготовок дета-
лей. К такого рода потерям относятся угар металлов при плавке,
сплески, остатки в плавильных агрегатах, окалина, отходы в виде
заусенцев, облоя, обрезков, брака заготовок.
При механической обработке большую долю отходов состав-
ляет стружка. Но помимо нее в отходы идут обрезки проката, из
которого получают заготовки, обрезки при раскрое листового ма-
териала и забракованные детали.
Сокращение потерь и отходов экономит не только материалы,
позволяя увеличить выпуск изделий, но и затраты обоих видов
труда как на данной, так и на всех предшествующих стадиях про-
изводства.
Потери материала сокращаются с уменьшением числа стадий,
которые проходит предмет природы до его превращения в изде-
лие. Идеальным было бы непосредственное превращение предмета
природы в годное изделие. В машиностроении такое стремление
сводится к непосредственному получению деталей из полуфабри-
катов или, если это невозможно, к сокращению до минимума чис-
ла операций, которые должен пройти полуфабрикат до его пре-
вращения в готовую деталь.
Большую экономию материала и снижение трудоемкости ме-
ханической обработки дают переход от литья в землю к литью в
кокиль, оболочковые формы, центробежному литью и другим спо-
собам литья, а также использование сварных заготовок.
588 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Уменьшение отходов листового материала дает рациональный
раскрой листов. К поиску наивыгоднейшего способа раскроя лис-
тов нередко подключается вычислительная техника. Поиск может
сопровождаться изменением конструктивных форм деталей, не
нарушающим их соответствия своему служебному назначению, но
обеспечивающим экономию материала.
Однако при всей экономии материала нельзя недооценивать
рост себестоимости заготовок, приближающихся по конфигурации
и точности размеров к готовой детали. Так, повышение точности
отливок в 2 раза приводит к увеличению их себестоимости на
20 %, в то время как повышение этой же точности черновой меха-
нической обработкой увеличивает их себестоимость только
на 10 %.
Выбору наиболее дешевых материалов при конструировании
деталей способствует точность формулировки их служебного на-
значения и условий, в которых им предстоит работать. Глубокое
осмысление задач, возлагаемых на деталь, и свойств материалов
поможет выбрать, например, углеродистую сталь вместо легиро-
ванной, использовать пластические массы, металлокерамические
сплавы, композиты и прочие более дешевые материалы вместо
дорогих металлов.
Экономию дорогих металлов дает конструкция детали, от-
дельные части которой сделаны из разных материалов. Например,
головка выхлопного клапана двигателей внутреннего сгорания ра-
ботает в потоке горящих газов с высокой температурой, в то время
как стержень клапана работает в нормальных условиях. Стыковая
сварка позволяет сделать стержень клапана из хромистой стали
40Х, а головку клапана из мартенситной стали 40X10С2М (рис.
7.13).
Те же результаты дает применение биметаллов - двухслойных
материалов (сталь - бронза, сталь - алюминиевые сплавы и др.).
Из биметаллических материалов изготовляют втулки, служащие
опорами валов, вкладыши подшипников автомобильных и трак-
торных двигателей и другие детали.
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ
589
Рис. 7.13. Заготовка клапана (а) и готовая деталь (б) из двух
различных материалов, соединенных стыковой сваркой

Значительную экономию дорогостоящих материалов дает на-
несение различных износостойких и коррозионно-стойких покры-
тий. Широкие возможности в экономии металлов создает появле-
ние новых неметаллических материалов с высокими механически-
ми свойствами. Примером такого рода материалов может служить
синтегран - материал, получаемый из крошки гранита и связую-
щей смеси. Обладая высокой прочностью, синтегран не дает усад-
ки, хорошо гасит вибрации, легко схватывается с металлом. Син-
тегран можно использовать для изготовления корпусных деталей,
валов, ступиц зубчатых колес, стержней инструментов и многих
деталей других типов. Примечательно, что применение синтеграна
принципиально изменяет традиционную технологию изготовления
изделий. Отдельные детали или сборочные единицы получают в
окончательном виде заливкой синтеграна в формы. При сборке,
например, редуктора валы с зубчатыми колесами и стальными
подшипниками, изготовленными воедино, ориентируются относи-
590 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
тельно формы корпуса редуктора. При заливке синтеграном фор-
мы корпуса фиксируется положение всех сборочных единиц, на-
ходящихся в нем.
Отходы металла, получаемые при изготовлении деталей, мо-
гут иметь различную стоимость в зависимости от возможностей их
дальнейшего использования.
Отходы в виде стружки, обрезков, облоев, лома и пр., непри-
годные для машиностроительного предприятия, являются ценным
сырьем для металлургических предприятий. Ценность таких отхо-
дов зависит от организации их сбора и хранения. Недопустимы
смешение отходов металла различных марок, их загрязнение и
окисление. Отходы, сдаваемые с паспортом их химического соста-
ва, ценятся вдвое выше отходов без паспорта. На передовых маши-
ностроительных предприятиях создают специальные цеха по сбору,
сортировке, очистке отходов и подготовке к транспортированию.
Если отходы могут быть использованы для получения полно-
ценных заготовок других деталей, их стоимость или не отличается
от первоначальной стоимости материала, или близка к ней. При-
мером полноценного использования отходов может служить полу-
чение четырех заготовок колец и стержня резца из отходов, обра-
зующихся при изготовлении каждой предшествующей заготовки
(рис. 7.14).
Расходы на заработную плату основных производственных
рабочих могут быть снижены за счет использования многостаноч-
ного обслуживания.
Основными путями сокращения расходов на содержание,
амортизацию и эксплуатацию средств труда являются следующие.
1.	Бережное отношение к средствам труда: соблюдение усло-
вий эксплуатации, предусмотренных техническими паспортами,
защита от воздействия факторов (производственной пыли, влаги,
химически активных веществ и др.), ускоряющих изнашивание
оборудования и приспособлений, тщательный уход (чистка, сма-
зывание, хранение и т.п.); систематический контроль состояния,
своевременное техническое обслуживание и ремонт.
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СЕБЕСТОИМОСТЬ
591
Рис. 7.14. Пример полноценного использования отходов
2.	Приобретение оборудования, приспособлений и инструмен-
тов, стоимость которых находится в соответствии с видом, объемом
и длительностью выпуска производимой продукции, что В конечном
счете предопределяет процент амортизационных отчислений.
3.	Повышение коэффициента использования оборудования,
особенно дорогостоящего (уникального и специального). Напри-
мер, эксплуатацию многооперационных станков, гибких производ-
ственных систем и т.п. нередко ведут в три смены и даже в празд-
ничные дни при коэффициенте загрузки 0,9 - 0,95 с тем, чтобы
получить наибольшую отдачу и снизить амортизационные расхо-
ды на единицу продукции.
4.	Снижение затрат на силовую электроэнергию за счет при-
менения оборудования, мощность электродвигателей которого не
завышена и соответствует выполняемой работе. Экономия элек-
троэнергии, расходуемой на нагрев, сварку, обработку заготовок, а
также затрат на пар, газ, сжатый воздух и другие энергоносители.
592 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
5.	Экономически целесообразное приобретение и использова-
ние инструментов. В зависимости от сложности и качества инст-
рументов их стоимость различна, но вместе с тем различны техно-
логические возможности и сроки службы. Например, применение
комбинированного и более дорогого инструмента для обработки
ступенчатого отверстия в заготовке корпусной детали при опреде-
ленном объеме выпуска может оказаться более выгодным, так как
позволяет совместить переходы и сократить затраты времени на
выполнение операции. Это приведет к сокращению времени ис-
пользования станка и расходов на заработную плату. Точно так же
инструмент более дорогой, но имеющий большую стойкость, мо-
жет оказаться выгодным в связи с более длительным периодом его
эксплуатации. Таким образом, целесообразность объема затрат на
приобретение инструментов может быть определена лишь в зави-
симости от расходов по другим статьям себестоимости.
6.	Эксплуатация режущих инструментов с режимами, соответ-
ствующими их экономичной стойкости, своевременный вывод из
работы затупившегося инструмента, снижение стоимости перета-
чивания.
7.	Рациональное использование объема части здания, относя-
щейся к изготовлению данного изделия и используемой для раз-
мещении оборудования, стеллажей, заделов и пр.
Все это говорит о том, что к настоящему времени технология
машиностроения как наука может предложить производителям
много методов, направленных на снижение себестоимости изде-
лий.
7.2.	ЦЕНА ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ С
УЧЕТОМ ИХ КАЧЕСТВА
В предыдущем разделе было показано, что повышение точно-
сти и уменьшение высотных параметров шероховатости обрабаты-
ваемых поверхностей приводит к увеличению операционного вре-
мени, т.е. к снижению производительности. Эта объективная ре-
ЦЕНА ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ С УЧЕТОМ ИХ КАЧЕСТВА 593
альность находится в противоречии с субъективными интересами
сдельщиков, стремящихся к увеличению заработной платы, что
приводит к нарушению технологической дисциплины и к сниже-
нию качества изготавливаемых изделий. Альтернативой этому яв-
ляется повременная оплата всех работников промышленного
предприятия, базирующаяся на учете их профессионального, тру-
дового участия в экономическом благополучии предприятия. Это
благополучие зависит от суммарной выручки при реализации про-
дукции, которая определяется ее конкурентоспособностью.
Такой подход ведет к значительному уменьшению огромного
числа нормировщиков, так как к их функции относится только
прогнозно-плановое, укрупненное нормирование с целью расце-
ховки изделий и определения их предварительной себестоимости.
Основой конкурентоспособности изделий машиностроения
являются качество и цена.
Формирование цены происходит по-разному в разных рыноч-
ных условиях. В одних условиях вмешательство со стороны госу-
дарства в процесс формирования цен не требуется, а в других оно
необходимо.
В нашей стране используются различные методы влияния го-
сударства на цены (методы установления предельного уровня рен-
табельности, предельных цен, коэффициентов изменения цен,
«справедливых» или разрешительных цен). Наиболее интересным
с точки зрения учета качества изделия является метод «справедли-
вой» или разрешительной цены.
Суть метода для предприятий-монополистов состоит в том,
что предприятие, находящееся в Государственном реестре объеди-
нений и предприятий-монополистов Российской Федерации обя-
зано декларировать планируемое повышение цен, сообщать о них
в органы ценообразования с предоставлением необходимых мате-
риалов: калькуляции издержек, сведений о динамике объемов про-
изводства, анализа конъюнктуры рынка, сведений о рентабельно-
сти производства, просьбы о разрешении на повышение цены.
594 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Органы ценообразования совместно с органами власти и
управления и основными потребителями продукции предприятий-
монополистов анализируют как предоставленные материалы, так и
аргументацию потребителей продукции. Они должны в каждом
конкретном случае в присутствии представителей предприятия и
основных потребителей его продукции принять сбалансированное
решение по уровню цены, которое обеспечило бы максимальное
удовлетворение потребностей рынка в сочетании с обоснованным
соблюдением финансовых интересов производителя. «Справедли-
вые» или разрешительные цены утверждаются обычно федераль-
ными или региональными службами (комиссиями) как форма доб-
ровольно-принудительного ценового соглашения между потреби-
телями и производителями. Такое формирование цен обычно при-
меняется:
-	на региональном уровне для социально-значимой продук-
ции, например, предприятий-монополистов, перерабатывающих
сельскохозяйственное сырье;
-	на федеральном уровне для определенных видов стратегиче-
ской продукции, например продукции ВПК.
Применение этого метода целесообразно, когда он является
более эффективным и гибким по сравнению с другими способами
ценового регулирования, работающими, в принципе, автоматиче-
ски, например установлением предельного уровня рентабельности,
предельных цен и коэффициентов изменения цен. Очевидно, что
вышеназванные методы не учитывают качества и уровня свойств
выпускаемых изделий, поскольку отталкиваются от уже имею-
щихся цен и уровня инфляции. При утверждении разрешительной
цены учет качества становится более вероятным, так как потреби-
тели, присутствующие при назначении цены, обязательно обра-
щают внимание на качество продукции.
Наиболее распространенным методом определения цены на
отечественных предприятиях является метод установления пре-
дельного уровня рентабельности. Он сводится к следующему:
ЦЕНА ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ С УЧЕТОМ ИХ КАЧЕСТВА 595
1)	определению себестоимости изделия - С;
2)	определению нормативной прибыли через уровень рента-
бельности (как правило, предельный уровень рентабельности для
предприятий машиностроения ограничивается 20 %, следователь-
но, нормативная прибыль равна 0,20 °C);
3)	определению цены как суммы себестоимости и норматив-
ной прибыли (при таком подходе чем выше себестоимость изде-
лия, тем выше нормативная прибыль и цена на изделие).
Третий подход практически не позволяет учесть мнение потре-
бителя о выпускаемом изделии и, следовательно, качестве изделия.
Взаимосвязь цены с качеством изделия можно представить в
следующем виде (табл. 7.1).
7.1. Взаимосвязь цены и качества изделия
Качество изделия	Цена изделия		
	высокая	средняя	низкая
Высокое	1. Стратегия премиаль- ных наценок	2. Стратегия глубокого про- никновения на рынок	3. Стратегия повы- шенной ценностной значимости
Среднее	4. Стратегия завышенной цены	5. Стратегия среднего уров- ня	6. Стратегия добро- качественности
Низкое	7. Стратегия ограбления	8. Стратегия показного бле- ска	9. Стратегия низкой ценностной значи- мости
При таком распределении, с точки зрения потребителя, пред-
почтительными будут следующие стратегии:
1)	премиальных наценок;
2)	глубокого проникновения на рынок;
3)	повышенной ценностной значимости;
4)	среднего уровня;
596 Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
5)	доброкачественности;
6)	низкой ценностной значимости.
В случаях, когда предприятие желает надолго закрепиться на
рынке, его интересы будут совпадать с интересами потребителя по
вопросу обеспечения качества выпускаемых изделий.
Если предприятие преследует лишь повышение текущей при-
были, оно может использовать стратегии завышенной цены, ог-
рабления или показного блеска, однако несоответствие между це-
ной и качеством предлагаемых потребителям изделий может на-
долго отпугнуть потенциальных покупателей от изделий данного
предприятия.
Особенно важен вопрос качества при оценке марочного изде-
лия (т.е. если потребитель будет узнавать по изделию предпри-
ятие-производитель). В этом случае по качеству отдельного изде-
лия потребитель будет судить о всей продукции, выпускаемой
предприятием.
На отечественных предприятиях мало развит подход к цено-
образованию с учетом качества выпускаемых изделий. Оценить
качество изделия, с точки зрения потребителей, можно через кате-
горию нормы потребительной стоимости (в дальнейшем - НПС).
НПС представляет собой отношение совокупности свойств изде-
лия к совокупности потребностей в этих свойствах со стороны по-
требителей. На качественном уровне НПС можно представить в
виде
НПС = -^-,	(7.25)
Спотр
где Сизд - совокупность свойств изделия; Спотр - совокупность по-
требностей в данных свойствах со стороны потребителей.
НПС позволяет учесть мнения потребителей о выпускаемом
изделии и тем самым оценить качество изделия. Из выражения
(7.25) видно, что НПС может быть больше единицы, равна едини-
це или меньше ее. Это соответствует ситуациям, когда:
ЦЕНА ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ С УЧЕТОМ ИХ КАЧЕСТВА 597
1)	свойства изделия лучше, нежели требуют потребители на
данном этапе;
2)	свойства изделия полностью соответствуют требованиям
потребителей;
3)	свойства изделия не соответствуют требованиям потреби-
телей.
Однако данный подход является субъективным, зависящим от
мнения экспертов, которое может иметь место при эксплуатации
изделий.
Для большей объективности и определения конкурентоспо-
собности изделий еще на стадии проектирования необходимо вве-
сти понятие производственной цены с учетом показателя качества.
Для этого может быть использована следующая зависимость
Ц = СК|1 + — I,	(7.26)
I. 100/
где С - себестоимость изделия; R - рентабельность производства;
К - комплексный показатель качества изделия;
п
Екд
K = i=l---,	(7.27)
п
где К, - показатели отдельных составляющих качества изделий
(долговечности, безотказности, КПД производительности, безо-
пасности, эстетичности, удобства обслуживания и ремонта и т.д.),
определяемые их отношением к аналогичным составляющим на-
учных шаровых образцов; В, - важность отдельных составляющих
качества для данного изделия; п - количество отдельных показате-
лей качества изделия.
Такой подход определения цены изделия стимулирует произ-
водителя к повышению его качества. Это позволит нашей про-
мышленности быстрее выйти на выпуск конкурентоспособных
изделий машиностроения.
Глава 8
МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ТЕХНОЛОГИИ
МАШИНОСТРОЕНИЯ
8.1. МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В
ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
В технологии машиностроения, как и в других областях, ис-
пользуются теоретические, экспериментальные и теоретико-экс-
периментальные исследования.
Теоретические исследования заключаются в установлении
физической картины процесса и ее математическом описании,
Точность математической модели при этом, как правило, зависит
от правильности и достоверности физического представления про-
цесса. Развитие науки в целом, как правило, приводит к уточне-
нию, а иногда и к новому представлению физической картины
процесса, а поэтому и к уточнению и изменению математических
моделей. Хорошим и наглядным примером этого в технологии
машиностроения является теоретическое описание формирования
шероховатости при механической обработке.
В начале XX в. процесс формирования шероховатости при
механической обработке представлялся как микронеровности, ос-
тавляемые на обработанной поверхности радиусной вершиной
резца (рис. 8.1), а следовательно, и для описания формируемой
шероховатости использовали уравнение Чебышева:
Rz = —,	(8.1)
8г
где s - подача, мм/об; г - радиус при вершине резца.
МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
599
Рис. 8.1. Исходная схема для расчета Rz по Чебышеву
(начало XX в.)
Рис. 8.2. Исходная схема для расчета Rz по Исаеву
(середина XX в.)
В середине XX в. проф. А. И. Исаев уточнил процесс форми-
рования микронеровностей поверхности при точении. Он устано-
вил, что в зависимости от значений и соотношений s, г, ф и ф1 на
формирование шероховатости наряду с радиусом при вершине
резца могут оказывать влияние главный и вспомогательный углы в
плане <р и ф] (рис. 8.2). Теоретические уравнения, описывающие
параметр шероховатости Rz при всевозможных соотношениях г, s,
Ф и фь приведены в гл. 3 данной монографии.
600	Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
Научные исследования по контактному взаимодействию твер-
дых тел, интенсивно развиваемые во второй половине XX в., по-
зволили в 70-е гг. XX столетия по-новому взглянуть на процесс
формирования шероховатости поверхности при механической об-
работке. Во-первых, установлено единство процесса формирова-
ния шероховатости поверхности при всех методах механической
обработки (лезвийная, алмазно-абразивная и ОУО). Во-вторых,
дана более полная картина процесса формирования микронеров-
ностей поверхности при ее обработке. Эта картина и ее математи-
ческое описание представлены в гл. 3 данной монографии.
Научные исследования по динамике технологических систем,
интенсивно развиваемые в конце XX в. в Донском государственном
техническом университете проф. В. Л. Заковоротным, Саратовском
государственном техническом университете проф. Б. М. Бржо-
зовским и в Таганрогском государственном радиотехническом
университете проф. А. А. Колесниковым, позволяют значительно
уточнить составляющие профиля шероховатости и волнистости от
динамических автоколебаний.
Аналогичным образом теоретические исследования проводи-
лись и в других направлениях технологии машиностроения, в ча-
стности при расчете погрешности установки цилиндрических де-
талей в призмах от чистой геометрической составляющей в сере-
дине XX в. до учета контактных и собственных деформаций приз-
мы в 70 - 80-е гг. XX в.; в технологической наследственности - от
наследования точности размеров деталей при их последовательной
обработке в середине XX в. до наследования отдельных парамет-
ров шероховатости и структуры поверхности от получения заго-
товки до эксплуатации детали в конце XX в.
Анализ теоретических исследований в области технологии
машиностроения показывает, что физическое представление про-
цессов в основном базируется на использовании физики, химии и
МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
601
механики, а в математическом описании применяются геометрия,
математическая статистика, теория вероятности, дифференциаль-
ные и интегральные исчисления. Наряду с классическим проведе-
нием теоретических исследований в технологии машиностроения
применяется и метод теоретического обобщения результатов экс-
периментальных исследований или накопившегося опыта. Такое
обобщение связей в технологии машиностроения позволило уста-
новить рассеяние размеров обрабатываемых деталей от случайных
погрешностей, использовать математические законы для описания
их рассеяния (нормальное распределение, равновероятности Рэлея,
Симпсона), определив области их приложения, создать технологи-
ческую теорию графов и применить синергетический подход.
Теоретико-экспериментальные исследования заключаются
в экспериментальной проверке и уточнении научных теоретиче-
ских зависимостей и в опытном определении отдельных состав-
ляющих и коэффициентов, которые на данный период времени не
могут быть рассчитаны теоретически, например опытном опреде-
лении коэффициента линейного расширения материала инстру-
мента при расчете погрешности обработки, обусловленной темпе-
ратурными деформациями, или экспериментальном определении
формируемого радиуса режущей кромки резца при точении, ис-
пользуемого в теоретической зависимости для расчета параметров
шероховатости.
Значительное место в технологии машиностроения занимают
экспериментальные исследования. После классических экспери-
ментальных исследований и получения графических и линейных
однофакторных математических зависимостей в начале XX в. тех-
нология машиностроения пришла к математическим методам пла-
нирования экстремальных экспериментов (середина XX в.) и ней-
росетевому моделированию (конец XX в.).
Несмотря на свою неэкономичность, классический экспери-
мент еще не изжил себя в технологии машиностроения. Его при-
602
Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
меняют, когда неизвестна физическая картина процесса. Он позво-
ляет более правильно и точно установить взаимосвязь функции с
аргументом, а следовательно, провести детальный анализ этой
взаимосвязи, например зависимость шероховатости обработанной
поверхности от скорости резания (рис. 8.3). Анализ полученной
взаимосвязи показал, что первоначальное увеличение высотных
параметров шероховатости с увеличением скорости резания обу-
словлено процессом наростообразования на вершине резца, мак-
симальная величина которого достигается при v = 20 ... 40 м/мин.
При дальнейшем увеличении скорости резания наростообразова-
ние снижается и происходит уменьшение высотных параметров
шероховатости обработанной поверхности. При скоростях резания
v > 70 м/мин наростообразование отсутствует и Rz является мини-
мальной для данных условий обработки. Дальнейшее увеличение
скорости резания оказывает незначительное влияние на изменение
высотных параметров шероховатости обработанной поверхности
за счет пластического оттеснения материала в зоне резания. Клас-
сический эксперимент с успехом применяется для проверки досто-
верности теоретических зависимостей.
Рис. 8.3. Зависимость параметра шероховатости поверхности Rz от
скорости резания v
МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
603
При большом числе исследуемых факторов классическое про-
ведение экспериментов требует больших затрат времени и средств,
поэтому во второй половине XX в. при проведении экспериментов
все шире применяются различные математические методы: диспер-
сионный и корреляционно-регрессионный анализы, планирование
экстремальных экспериментов, нейросетевое моделирование и др.
Дисперсионный анализ, как правило, применяется для уста-
новления степени влияния различных факторов на исследуемый
параметр, в частности технологических условий на параметры ка-
чества обработанных поверхностей деталей машин.
Сущность дисперсионного анализа заключается в разложении
суммы квадратов отклонений выходного параметра от среднего на
компоненты, соответствующие предположенным входным факторам.
При однофакторном эксперименте каждому значению входно-
го фактора х соответствует определенное значение выходного па-
раметра у. Для большей достоверности эксперимента на каждом
уровне х проводится несколько повторений (м), т.е. получается
N= iu экспериментов, результаты которых заносятся в табл. 8.1.
8.1. Результаты экспериментальных данных
Характеристика	Уровни входного фактора			
	*1	*2		Xj
Выходной параметр	У12	У2\ У22		Уп У>2
	У1и	У2и	•	Уш
Условные обозначения: уп- значение выходного пара-
метра у при первом уровне входного фактора х в первом повторении;
У12 - значение выходного параметра у при первом уровне входного
фактора х во втором повторении и т.п.
604
Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
Математическую модель однофакторной системы можно
представить следующим образом:
Уш |1 + Xj + Eu(i)’	(8.2)
где ц - генеральное среднее выходного параметра системы, т.е.
величина выходного параметра, не зависящая от изменения вход-
ного фактора; х, - член, учитывающий влияние изменения уровня
входного фактора; е^ - случайная ошибка в w-ом повторении на
z-ом уровне.
Обычно предполагают, что £„(,) не зависит от уровня входного
фактора х.
Вводятся условные обозначения:
у.. - среднее значение выходного параметра по всей таблице;
у,. - среднее значение у в z-ом столбце.
Тогда
Уш-у- = О<--у-) + (Уш-у,-)-	(8.3)
Возведя обе части в квадрат и суммировав по всем i и и, полу-
чим
i и	i и	i и
ЕЖ-уУ=ХЖ -ЖЕШ -л)2-	(s-4)
11	11	11
Член с перекрестным произведением исчезает, поскольку сумма
отклонений любой группы опытов от их среднего равна нулю.
Кратко можно записать
So = Sxi + $от	(8-4)
Сумма квадратов So вычисляется по ЛГ- 1 значениям выходно-
го параметра, т.е. имеет N- 1 = i(u - 1) степеней свободы.
SX( определяется по отклонениям i средних от общего средне-
го, и потому ей соответствует i - 1 степеней свободы.
SOT вычисляется по N отклонениям от i выборочных средних и
потому имеет N- 1 = i(u - 1) степеней свободы.
МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
605
—— = ц, - средний квадрат, характеризующий изменчивость
z-1
выходного параметра системы yiu под влиянием уровней (значе-
ний) фактора х.
i _ СредНИй квадрат, характеризующий изменчи-
вость выходного параметра у1и от случайных влияний.
По критерию Фишера определяется, влияет ли изменение
входного фактора х на выходной параметр у по следующему вы-
ражению:
>^-оф-ф[И-ф
(8-5)
где а - уровень значимости (0,05; 0,01); F- табличное значение.
При двухфакторном эксперименте каждый из входных факто-
ров имеет несколько уровней: Xi - i уровней, х2 - j уровней. На ка-
ждом уровне проводится и испытаний. Таким образом, общее чис-
ло испытаний W= iju. Математическая модель в этом случае
y,JU = ц + х1( + Ху + X], Ху + е^,
(8.6)
где Х|,; ху - члены, учитывающие влияние факторов xi и х2 при из-
менении их уровней; Хц Ху - член, учитывающий совместное влия-
ние факторов (их взаимодействие) и показывающий, насколько
влияние фактора Х\ зависит от уровней фактора х2 и, наоборот, на-
сколько влияние фактора х2 обусловлено уровнем фактора хй -
ошибка в u-ом испытании.
При трехфакторном эксперименте математическая модель
системы имеет вид
606
Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
Ууки = Ц + Ху + Ху + Х3к + Ху Ху + Хи Х3к + Ху Х3к +
+ Xi / Ху Х3к + &ц(ук),
(8.7)
где *!,; ху-, х3к - члены, учитывающие влияние уровней соответст-
вующих входных факторов; л?1лх2у; xitob хгуХз* - парные взаимодей-
ствия (первого порядка), учитывающие совместное влияние двух
факторов; хцХух3к - тройное взаимодействие (взаимодействие вто-
рого порядка), учитывающее, насколько влияние фактора Х\ зави-
сит от влияния факторов х2х3 или насколько совместное влияние
факторов х2х3 зависит от уровней фактора Xi и т.п.
Соответственно для оценки влияния входных факторов на ис-
следуемый параметр используют критерий Фишера.
Иногда проведение испытаний с повторениями затруднено в
силу их трудоемкости и длительности. Достоверность эксперимен-
тов с одним повторением повышается, если они основаны на ре-
зультатах дисперсионного анализа.
Например, при трех входных факторах хь х2, х3 соответствен-
но имеются i,J, к уровней. На каждом уровне проведено по одному
испытанию, общее число испытаний N= ijk.
Математическая модель такого трехфакторного эксперимента
имеет вид
Хук = ц + х1( + Ху + Х3к + Хи Ху + Х3к + Ху Х3к +&(уку (8.8)
Ошибка эксперимента в данном случае смещена со взаимо-
действием второго порядка. Обычно взаимодействия второго и
выше порядков редко бывают значимы.
В технологии машиностроения часто используются строгие
функциональные зависимости, сущность которых заключается в
том, что какая-либо переменная определяется как однозначная
функция одной (у =ЛХ)) или нескольких (у =J(xu х2, ..., х()) пере-
менных, например зависимость между скоростью резания, числом
оборотов и диаметром заготовки	Одновременно в тех-
МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
607
нологической системе между ее выходным параметром (откликом)
у и входными параметрами (независимые переменные) Xi, Хг, ..., х,
существует связь и другого рода, называемая стохастической (ве-
роятностной), когда с изменением х, меняется распределение у.
Стохастические зависимости изучаются методами корреляционно-
регрессионного анализа. Одним из важнейших показателей, оце-
нивающих степень стохастической связи, является коэффициент
корреляции. С помощью корреляционного анализа можно опреде-
лить пределы, в которых с принятой вероятностью будет содер-
жаться исследуемая величина у, если другие связанные с ней вели-
чины х, получают определенные значения. Отыскание количест-
венных зависимостей, характеризующих стохастические связи,
является задачей регрессионного анализа. Зависимость средних
значений у от х, называется регрессией. Точное уравнение регрес-
сии находят, зная истинные значения средних у для всех допусти-
мых значений х,. Поскольку в практических исследованиях от-
дельные значения у не могут быть установлены точно, а допуска-
ют лишь приближенные оценки, связь между у и х, выражают
уравнением приближенной регрессии, оценивая при этом вероят-
ность такого приближения.
В большинстве случаев очень трудно установить существую-
щие функциональные связи, и тогда оказывается удобнее метода-
ми регрессионного анализа аппроксимировать их простыми мате-
матическими функциями, т.е. построить функциональные модели
связи, которые можно использовать для управления выходными
параметрами системы.
Простейшая форма связи между двумя переменными - линей-
ная зависимость. Предположим, имеется определенное число пар
наблюдений (у,, х,), где у, - зависимая переменная или отклик (ис-
следуемый выходной параметр системы) и х, - независимая пере-
менная (или входной параметр системы). По этим парам наблюде-
ний можно построить прямую в виде
608
Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
yi=b0+biXi,
(8-9)
где у обозначает предсказываемое уравнение регрессии значения
отклика.
Значения коэффициентов Ьо и Ь\ можно найти методом наи-
меньших квадратов:
*1 =
(8.10)
b0 = -J-;—!— = у - Ь{х.
I
(8.П)
В качестве меры тесноты связи между х, и у, может быть при-
нято значение коэффициента корреляции R, называемого в случае
исследования связи между двумя переменными коэффициентом
парной корреляции, вычисляемым по формулам:
(8-12)
МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
609
i ____
Хум-у*
r = ~7—;-
(8.13)
где sx и sy - соответственно средние квадратические отклонения
независимой х и зависимой у переменных.
Уравнение связи коэффициента корреляции с угловым коэф-
фициентом Ь\ в уравнении регрессии: b\ = Rsy / sx.
Коэффициент корреляции может находиться в следующих
пределах: -1 < R < +1. Когда коэффициент корреляции положи-
тельный, это значит, что с ростом значения х увеличивается у. Ес-
ли коэффициент корреляции отрицательный, с ростом значения х
уменьшается у (при функциональной связи между х, и у( значение
R = 1; при отсутствии всякой связи R = 0).
Если окажется, что найденный коэффициент корреляции
удовлетворяет неравенству |/?|>F(i_a/2)(i-i)> то его следует при-
знать значимым (на уровне значимости а). Квантили /{-распреде-
ления приведены в соответствии с принятым уровнем значимости
и числом степеней свободы. Кроме проверки значимости коэффи-
циентов регрессии Ьо и bi с помощью F-критерия существует так-
же проверка по /-критерию Стьюдента.
В большинстве случаев нас интересуют доверительные интер-
валы для новых наблюдений ут (предположим, что ут - среднее
из т новых наблюдений, т может быть равно 1, тогда ут - еди-
ничное новое наблюдение) при некоторых фиксированных значе-
ниях хк (независимая переменная или фактор). Доверительный ин-
тервал для таких наблюдений относительно значения ук (значе-
ния, предсказанного уравнением регрессии при х*):
20 — 6780
610
Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
(8.14)
Значимость уравнения регрессии определяется по критерию
Фишера [уравнение (8.5)].
При анализе линейной регрессии типичны следующие ситуа-
ции. Линейная регрессия значима и адекватна, т.е. нет неадекват-
ности - связь между зависимой у и независимой х переменными
выражается уравнением (8.9). Линейная регрессия незначима, но
адекватна - изменение значения х не приводит к изменению вели-
чины у (во всех случаях у = у ). Линейная регрессия значима, но
неадекватна; линейная регрессия незначима и неадекватна - в этих
случаях необходимо исследовать уравнение связи между у и х в
виде
у,=b0 +blxi+b^.	(8.15)
Параметры такой криволинейной зависимости находят из сис-
темы нормальных уравнений
i	i	i
ib0
1	1	1
11 11
йо&2 +61ZX»3 +bzExt = ЦУ)Х1-
1 1 11.
(8.16)
МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
611
Систему можно решить следующим образом. Вначале каждое
уравнение делится на коэффициент при Ьо. Затем, вычитая из
второго уравнения первое и из третьего второе, получаем систему
из двух новых уравнений с двумя неизвестными. Каждое получен-
ное уравнение снова разделим на коэффициент Ь\ и, вычитая одно
уравнение из другого, придем к уравнению с одним неизвестным.
Правильность решения системы уравнений проверяем по уравне-
нию
y = b0+bix + b2(tf,	(8.17)
Ь/ h t*i
где у = ——; х = ——; (х)2 = —-----.
i	i	i
Значимость уравнения регрессии оценивается так же, как и
при линейной регрессии. Сумма квадратов 5реГ определяется как
( ' г
Spec = b0 Y yt + bi Y yfXi + Z>2 £ ytxj - - . -  •	(8.18)
111 1
Такая сумма имеет две степени свободы. Остаточная сумма
квадратов имеет i-З степени свободы. Если для каждого х, имеется
и, повторений, то
/ и
1 1
г i и I
i и	i и I I
+*i Ё Ё xtyltt +z>2 Ё Ё y»ixi -	—- • <8-19)
11	11 Щ
1
Остаточная сумма квадратов = So - Sper- Число степеней
свободы fact также определяется по разнице =f0 - Проверка
адекватности производится, как и в случае линейной регрессии.
20*
612
Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
Теснота связи при криволинейной зависимости оценивается с
Js
—. Значение индекса кор-
реляции, с коэффициентом парной корреляции изменяется в преде-
лах от 0 до 1. Сравнение индекса корреляции с коэффициентом
парной корреляции позволяет оценить, какая форма связи точнее
отражает зависимость между изучаемыми переменными: линейная
или криволинейная.
С увеличением количества входных факторов для экономии
времени и средств на проведение экспериментальных исследова-
ний в технологии машиностроения зачастую используют метод
планирования экстремальных экспериментов. Сущность этого
метода заключается в том, что экспериментальные исследования
проводятся только при экстремальных (наибольших и наимень-
ших) значениях входных факторов. Математически это является
вполне обоснованным решением при линейных зависимостях.
В случаях отсутствия прямой линейной зависимости, например
степенной, прибегают к ее линеаризации с помощью логарифми-
рования, в том числе двойного и тройного. Этот метод нельзя ис-
пользовать, если входной фактор не может иметь фиксированных
независимых минимального и максимального значений при изме-
нении других исследуемых входных факторов.
При этом в зависимости от числа входных факторов и необхо-
димой точности получаемой эмпирической зависимости может
быть поставлен полный факторный эксперимент с числом опытов
N = 2" или неполный факторный эксперимент (дробная реплика) с
числом опытов N = 2" " *. Здесь п - число входных факторов, к -
число частично взаимосвязанных входных факторов. При этом для
проверки адекватности полученной математической модели число
опытов N не должно быть меньше (и + 2). Для проведения иссле-
дований производится кодирование входных факторов и составля-
ется матрица планирования экстремальных экспериментов.
МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
613
Сущность кодирования заключается в том, чтобы при макси-
мальном значении входного фактора его кодировочное значение
было равно +1, а при минимальном -1. Для этого могут быть ис-
пользованы следующие зависимости:
а)	при линейной взаимосвязи
2v — v — v 
—	 max т пип
V — V
’ max min
б)	при степенной взаимосвязи
х = Zlnv-lnv^ -lnvmin
Inv^ -lnvmin
(8.20)
(8-21)
При степенной взаимосвязи для линеаризации при кодирова-
нии могут быть взяты как натуральные, так и десятичные лога-
рифмы, а возможно, и двойное логарифмирование.
Матрица планирования полного факторного эксперимента
представляет собой таблицу с перебором всевозможных сочетаний
кодированных значений входных факторов. При этом написание 1,
как правило, опускается. В правой части матрицы записывают
значения исследуемого параметра.
Для проверки значимости входных факторов предусматрива-
ется повторение каждого опыта не менее 3 раз, для каждого из ко-
торых определяют кодированное значение исследуемого парамет-
ра (Уь У2, Уз), а затем его среднее значение у. При логарифмирова-
нии и кодировании входных факторов у = 1п/?а, где Ra - исследуе-
мый параметр.
Так, для трех входных факторов такая матрица имеет вид,
представленный табл. 8.2.
614
Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
8.2. Матрица планирования полного трехфакторного
эксперимента Л3
№ опыта	Входные факторы			Исследуемые параметры			
	*1	*2		У1	У2	Уз	У
1	+	+	+				
2	+	+	—				
3	+	—	+				
4	—	+	+				
5	+	—	—				
6	—	—	+				
7	—	+	—				
8	—	—	—				
С увеличением числа входных факторов иногда прибегают к
дробным матрицам. Например, если исследуется влияние скоро-
сти - v, подачи - s, глубины резания -1, радиуса при вершине рез-
ца - г, главного угла в плане - ср и жесткости станка - j на пара-
метры шероховатости поверхности при точении, то можно при-
бегнуть к дробной матрице типа N= 26-2 = 16. При этом влияние
главного угла в плане ср(х3) можно рассматривать как взаимосвя-
занное влияние подачи - s(x2) и радиуса при вершине резца г(хд), а
жесткость станка j(x6) - как взаимосвязанное влияние s(x2), Цхз) и
г(х4), т.е. *5 = Х2 хд, ахб~Х2 х3 хд. Тогда матрица планирования экс-
периментов будет иметь вид, соответствующий табл. 8.3.
МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
615
8.3. Матрица планирования неполного факторного
эксперимента типа N- 26-2
616
Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
Правильность составления матрицы проверяется, по условию,
что в каждом столбце количество «+» должно быть равно количе-
ству «-».
Последовательность проведения опытов должна быть случай-
ной.
Коэффициенты эмпирического уравнения определяются по
формулам
N
(8-22)
Xwj
(8-23)
где Ху - кодированное значение j-ого входного фактора в /-ом опыте.
Значимость коэффициентов bj определяется по критерию
Стьюдента
адекватность полученных уравнений - по критерию Фишера.
Решение задач по обеспечению эксплуатационных свойств де-
талей возможно на основе исследования взаимосвязей эксплуата-
ционные свойства - методы и режимы обработки. Для этих целей
наиболее эффективным представляется применение метода нейро-
сетевого моделирования, все чаще приходящего на смену стати-
стическому моделированию и позволяющего осуществлять реше-
ние плохо формализуемых задач с неполной или частично опреде-
ленной информацией при большом объеме исходных данных, от-
сутствии единого подхода к их получению, необходимости исклю-
чения субъективного подхода к созданию модели и значительного
снижения затрат времени на моделирование. На рис. 8.4 представ-
лен сравнительный анализ методов моделирования, применяемых
в трибологических исследованиях.
МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
617
СЛОЖНОСТЬ
......колячестэо данных
Рис. 8.4. Сравнительный анализ методов моделирования
Принципиально новый подход при нейросетевом моделирова-
нии заключается в том, что для создания модели необходим только
набор примеров, опытов (т.е. результатов эксперимента с извест-
ными входными и выходными факторами), по которым проводит-
ся обучение нейронной сети. Обученная нейронная сеть с помо-
щью соответствующего математического аппарата приобретает
способность строить ассоциации между входными и выходными
факторами технической системы и представляет собой модель яв-
ления, а лучше сказать, программу на ЭВМ, с помощью которой
можно проводить целенаправленные исследования.
Модель нейронной сети построена на базе многослойных ней-
ронных сетей и состоит из входного, выходного, нижнего, верхне-
го и общих скрытых слоев.
Архитектура многослойной нейронной сети должна отвечать
следующим требованиям:
-	каждый физический вход Хп должен быть соединен только с
одним нейроном входного слоя;
-	выход каждого нейрона любого из интерфейсных слоев т
подается на каждый нейрон слоя т + 1;
618	Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
-	выход каждого нейрона последнего из общих скрытых слоев
должен быть соединен только с одним нейроном верхнего слоя.
Архитектура нейронной сети, разработанная на базе нейросе-
ти Хемминга, представлена на рис. 8.5.
Функционирование многослойной нейронной сети осуществ-
ляется следующим образом. Нейроны каждого слоя т выполняют
взвешенное суммирование элементов входных сигналов. К сумме
элементов входных сигналов, умноженных на соответствующие
синаптические веса, прибавляется смещение нейрона

(8.25)
где S - выход сумматора; W - вес связи; у - выход нейрона; b -
смещение нейрона; i - номер нейрона, im = 1, 2,..., Nm (Nm - число
нейронов в слое); т -номер слоя, т = 1,2,..., L (L - число слоев).
Результат суммирования (8.25) подвергается нелинейному
преобразованию - функции активации (передаточная функция).
Значение функции активации есть выход нейрона:
Ут Jlfiim)-
(8.26)
Рис. 8.5. Архитектура многослойной нейронной сети
МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
619
В качестве функции активации используются сигмоидальные
передаточные функции типа
=	(8.27)
|5| + а
Сигмоидальные функции являются монотонно возрастающи-
ми и имеют отличные от нуля производные на всей области опре-
деления. Эти характеристики обеспечивают правильное функцио-
нирование и обучение сети.
Число нейронов входного, выходного, нижнего, верхнего и
последнего из общих скрытых слоев определяется заданной обу-
чающей выборкой. Число нейронов в скрытых слоях определяется
исходя из оценки необходимого числа синаптических весов Nm в
многослойной сети с сигмоидальными передаточными функциями:
NVNO	\	\
(8.28)
где Nx, Ny - размерности входного и выходного сигналов; Np - чис-
ло элементов обучающей выборки.
Оценив необходимое число синаптических весов, можно рас-
считать число нейронов в скрытых слоях:
Nm = Nw/(Nx + Ny).	(8.29)
Число скрытых слоев устанавливается исходя из условия дос-
тижения минимальной суммарной ошибки при обучении сети.
Обучение нейронной сети проводится методом обратного
распространения ошибки, представляющим собой итеративный
градиентный алгоритм обучения, который используется с целью
минимизации среднего квадратического отклонения текущих вы-
ходов нейронов и общего выхода многослойных нейронных сетей.
Алгоритм обратного распространения ошибки используется в
многослойных нейронных сетях с последовательными связями для
их обучения и состоит из следующих этапов.
620 Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
1.	Инициализация сети. Весовым коэффициентам и смещени-
ям нейронов присваиваются малые случайные значения из диапа-
зонов [Fmin; JFmax] и Z>max] соответственно.
2.	Определение элементов обучающей выборки Х(Х}, Х2,
Хп) - Y(Y\, Y2, —, Y„) (вход - известный выход).
3.	Масштабирование входных и выходных данных. Оно вы-
полняется для того, чтобы представить все элементы входного и
выходного сигналов числами одного типа данных (двоичными,
целыми или действительными) из одного диапазона их изменений.
Для этого выбирается общий диапазон изменения элементов вход-
ного и выходного сигналов, для каждого элемента сигнала опреде-
ляется его диапазон и выполняется линейное преобразование дан-
ного элемента таким образом, чтобы в результате его значения
принадлежали общему диапазону.
4.	Вычисление текущих выходных значений нейронов у1т в
соответствии со схемой функционирования многослойной ней-
ронной сети.
5.	Настройка синаптических весов.
Для настройки весовых коэффициентов используется рекур-
сивный алгоритм, который сначала применяется к нейронам сети
верхнего слоя, а затем проходит сеть в обратном направлении до
нижнего слоя. Синаптические веса настраиваются в соответствии с
формулой
i(m - I) (/ + 1) ~ Wim; i(m - 1) (0 + tgim У Нт - 1)>	(8.30)
где Wim- цт _ 1) - весовой коэффициент связи нейронов i слоев т и
т - 1 в моменты времени t и t + 1; г - шаг обучения; уцт _ у - выход
нейрона z-ro слоя т - 1; gim - значение ошибки для нейрона z-ro
слоя т.
Для верхнего слоя
gim Ут (1 Ут) (dim ~Ут)>	(8>31)
где dim - требуемый выход нейрона im.
МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
621
Для остальных слоев
Sim = У/(т-1)0 ~	(8.32)
где gNm - значение ошибки для нейрона Nm.
Внешние смещения нейронов Ьт настраиваются аналогичным
образом.
6.	Определение суммарной ошибки.
Если условие es < [е] не выполняется, т.е. суммарная ошибка
Ее больше заданной [е], то процедура обучения повторяется с шага
1. В противном случае происходит переход к следующему шагу
обучения.
7.	Организация модели гетероассоциативной памяти. Для по-
строения модели гетероассоциативной памяти используется ней-
ропарадигма «back propagation».
Нейронная сеть в процессе обучения приобретает способность
строить ассоциации между входным сигналом X и выходным сиг-
налом Y. Размерности входного и выходного векторов, как прави-
ло, различаются. В большинстве задач dim Х> dim У.
После окончания обучения проводится тестирование обучен-
ной нейронной сети с целью определения погрешности расчетов
при ее функционировании. При неудовлетворительных результа-
тах проводится дообучение сети.
Обученная нейронная сеть, успешно прошедшая тестирова-
ние, является готовой нейросетевой моделью, настроенной на ре-
шение конкретной задачи и входящей в состав интегрированной
системы, содержащей, кроме того, модули:
-	подготовки данных;
-	определения параметров нейронной сети;
-	обучения;
-	тестирования;
-	выделения нейросети.
Подготовка данных осуществляется с помощью встроенных
таблиц. Число общих скрытых слоев не превышает 10, число
622
Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
нейронов в слое не более 100, число входов и выходов не более
100.
Алгоритм проведения исследований на нейросетевой модели
представляется в следующем виде.
1.	Локализация задачи, определение числа входов и выходов.
2.	Подготовка результатов исследований в виде таблиц дан-
ных.
3.	Уточнение архитектуры нейронной сети, числа скрытых
слоев, числа нейронов в слоях.
4.	Обучение нейронной сети.
5.	Тестирование сети.
6.	Испытания на нейросетевой модели.
В качестве примера рассмотрим нейросетевую модель про-
цесса формирования эксплуатационных свойств деталей при уп-
рочняющей электромеханической обработке (ЭМО), основанной
на сочетании термического и силового воздействий на поверх-
ность обрабатываемой детали, что приводит к изменению физико-
механических и геометрических показателей поверхностного слоя
деталей и, как следствие, к повышению износостойкости, предела
выносливости и других эксплуатационных свойств. В качестве
входов X рассматриваются режимы ЭМО (плотность тока j, давле-
ние ролика-инструмента на обрабатываемую поверхность детали
р, скорость обработки vo, длительность импульсов тока дли-
тельность пауз тока /п); шероховатость упрочненной поверхности
Ra, условия трения и изнашивания (давление в зоне контакта со-
пряженных деталей q, скорость их относительного скольжения v).
В качестве выходных факторов Y рассматриваются микротвер-
дость упрочненной поверхности HV, скорость изнашивания тру-
щихся деталей Jt, коэффициент изнашивания Kw.
Результаты испытаний на нейросетевой модели, имеющей ар-
хитектуру многослойной нейронной сети (рис. 8.5), представлены
в табл. 8.4.
МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ
623
8.4. Результаты испытаний на нейросетевой модели
Режимы работ	№ опыта	Входные факторы							
		Режимы упрочнения					Ra, мкм	Трение	
		Л А/мм2	А МПа	Vo, м/с	^И» С	^П» С		<1, МПа	V, м/с
Обуче- ние, тести- рование	1	500	12,5	0,03	0,8	о,1	3,2	4,0	0,8
	2	500	12,5	0,08	0,8	0,1	3,2	4,0	0,8
	3	50	25	0,03	0,8	0,1	3,2	4,0	0,8
	4	750	7,5	0,046	0,1	0,02	2,8	2,8	1,1
	5	825	7,5	0,046	0,4	0,02	0,9	2,8	1,1
	6	875	7,5	0,046	2,0	0,02	1,6	1,6	0,6
	7	875	12,5	0,08	0,8	0,1	3,2	4,0	0,8
	8	875	25	0,03	0,8	0,1	3,2	4,0	0,8
	9	875	25	0,08	0,8	0,1	3,2	4,0	0,8
Расчет, тести- рование	10	500	25	0,08	0,8	0,1	3,2	4,0	0,8
	11	750	7,5	0,046	0,4	0,02	0,9	2,8	1,1
	12	825	7,5	0,046	0,1	0,02	2,8	2,8	1,1
	13	875	12,5	0,03	0,8	0,1	3,2	4,0	0,8
Режимы работы	№ опыта	Выходные факторы								
		Микротвердость HV			Скорость изнашивания Jh мкм/ч			Коэффициент изнашивания Kw- 10'2		
		HV3	HVP	е, %	л,	*Лр	Е, %	Кт		Е, %
Обуче- ние, тести- рова- ние	1	630	615	2,36	2,88	2,80	2,95	1,50	1,51	0,67
	2	505	535	5,91	3,59	3,47	3,25	1,87	1,79	4,35
	3	705	706	0,10	2,40	2,46	2,48	1,25	1,22	2,53
	4	735	742	1,01	2,38	2,39	0,63	1,29	1,29	0,36
	5	791	782	1,13	2,16	2,13	1,26	1,17	1,15	1,57
	6	810	822	1,49	0,98	1,08	10,78	0,72	0,72	0,23
	7	770	775	0,72	1,65	1,61	2,15	0,86	0,89	3,01
	8	1010	946	6,31	0,71	0,85	19,64	0,47	0,54	14,14
	9	845	859	1,68	1,22	1,18	3,69	0,64	0,65	1,57
624
Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
Продолжение табл. 8.4
Режимы работы	№ опыта	Выходные факторы								
		Микротвердость HV			Скорость изнашивания Jh мкм/ч			Коэффициент изнашивания К„  10’2		
		HV,	HVP	е, %	Ja	•Лр	е, %			е, %
Рас- чет, тести- рова- ние	10	565	576	2,02	3,20	3,16	1,31	1,67	1,60	4,03
	11	708	754	6,50	2,25	2,29	1,71	1,22	1,24	1,85
	12	715	759	6,26	2,50	2,33	6,83	1,35	1,25	7,62
	13	930 .	931	0,08	1,12	0,93	16,67	0,58	0,57	1,00
Примечание. Индекс “э” относится к экспериментальным, а
индекс “р” - к расчетным данным; е - погрешность расчета.
Сравнительный анализ выявления связей режимов упрочне-
ния с износостойкостью исследуемых деталей представлен на
рис. 8.6.
Опыты проводились при очередном варьировании режимов
ЭМО:
j = 875 А/мм2;
р = 12,5 МПа;
v0 =0,046 м/с;
4 = 0,4 с.
Значения остальных неизменных входных факторов:
tn =0,02 с;
<7 = 4 МПа;
v =0,08 м/с.
В качестве выходного фактора рассматривалась скорость из-
нашивания исследуемых деталей Jt.
Результаты испытаний на нейросетевой модели показывают
коррелированную связь между расчетными и экспериментальными
данными, что подтверждает адекватность модели.
МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
625
Рис. 8.6. Связь режимов упрочнения с износостойкостью
деталей:
а - плотности тока; б - давления ролика-инструмента;
в - скорости обработки; г - длительности импульсов тока;
7 - математико-статистическое моделирование;
2 - нейросетевое моделирование; 3 - экспериментальные данные
Основным ограничением при использовании нейросетевого
моделирования является требование случайности значений для
параметров, не вошедших в конкретную задачу, т.е. неизвестные в
данной задаче параметры должны быть случайными. Основное
применение данного подхода - определение эксплуатационных
показателей деталей триботехнических систем.
Для определения оптимальных условий обработки в техно-
логии машиностроения с успехом применяются математические
методы крутого восхождения по градиенту и симплекс-плани-
рование.
Сущность метода крутого восхождения по градиенту заклю-
чается в следующем.
21 — 6780
626
Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
1.	Определяется нулевой уровень. В качестве нулевого уровня
принимается опыт, в котором исследуемый параметр оказался
наилучшим при проведении экспериментов по математическому
описанию поверхности отклика.
2.	Определяется интервал варьирования входных факторов I,
как полуразность их максимальных и минимальных значений.
3.	Строится таблица расчета шагов и движения по градиенту,
в которую заносятся нулевой уровень, интервал варьирования и
коэффициенты регрессии.
4.	Подсчитывается произведение коэффициентов регрессии на
соответствующие интервалы варьирования, и результаты заносят-
ся в таблицу.
5.	Устанавливается величина а*, на которую будет изменен
один из факторов.
б.	Осуществляется пропорциональный пересчет всех факторов
на изменение данного фактора а*:
at=akbtItlbkIk.	(8.33)
7.	Определяются шаги, т.е. координаты факторного простран-
ства, в которых должны ставиться опыты.
8.	В полученных точках факторного пространства проводятся
эксперименты по определению наилучшего значения оптимизи-
руемого параметра.
9.	Условия наилучшего опыта принимаются за нулевую точку,
в окрестностях которой проводится следующая серия опытов с
меньшими интервалами варьирования.
10.	Из этой серии опытов проверяется значимость входных
факторов и адекватность модели.
11.	Все это повторяется до тех пор, пока линейное приближе-
ние при минимальных интервалах окажется неэффективным. Это
будет означать, что достигнута область оптимума и условия обра-
ботки, на которых проводились эксперименты в этой области, яв-
ляются оптимальными для исследуемого параметра.
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 627
Сущность симплекс-планирования заключается в следующем.
1.	На основании опытов в точках пространства, близких к оп-
тимальным, проводится серия экспериментов.
2.	Из этой серии экспериментов, образующих симплекс, от-
брасывается точка с худшими значениями оптимизируемого пара-
метра.
3.	Эта точка заменяется на новую, симметрично расположен-
ную относительно других точек.
4.	В этой точке ставятся эксперименты и рассматриваются
значения оптимизируемых параметров в точках нового симплекса.
5.	Исследования продолжаются до тех пор, пока применение
пп. 1 - 3 приведет к тому, что система симплексов начнет вра-
щаться вокруг некоторого наиболее высокого значения оптимизи-
руемого параметра. Это означает, что достигнута область оптиму-
ма.
8.2. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НАУЧНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ В ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
В условиях жесткой конкуренции значительно сокращаются
сроки на проведение технологических научных исследований. Это
возможно на базе разработки и использования автоматизирован-
ных систем научных исследований (АСНИ).
В технологических экспериментальных исследованиях зачас-
тую возникает необходимость в измерении различных физических
величин в процессе обработки, например сил резания, температу-
ры в зоне резания, шероховатости и т.д. При этом, как правило,
представляет интерес не мгновенное значение искомой величины,
а ее изменение с течением времени, а также обработка результатов
экспериментов и получение готовых протоколов в виде таблиц,
графиков и эмпирических зависимостей. Для этого с успехом мо-
жет быть использована компьютерная техника как универсальное
средство приема информации от измерительных устройств, ее
преобразования и обработки результатов.
21*
628
Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
Так, для получения эмпирических зависимостей сил резания
от условий обработки внутренних резьб и оптимизации гео-
метрических параметров инструмента с успехом применяется
АСНИ, включающая в себя силоизмерительное устройство, усили-
тель, аналого-цифровой преобразователь и персональный компью-
тер (рис. 8.7).
В зависимости от проводимых исследований система имеет
возможность фиксировать сигналы в диапазонах частот от 10 до
100 кГц, что существенно меньше тактовой частоты современных
компьютеров. Некоторые ограничения могут налагаться про-
граммным обеспечением в связи с необходимостью математиче-
ской обработки результатов измерений.
Рис. 8.7. Общая схема комплекса для измерения сил резания:
Д1... Д4 - датчики каналов; У- усилитель;
АЦП- аналого-цифровой преобразователь;
ПК - персональный компьютер
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 629
Силоизмерительный модуль выполнен на тензометрических
датчиках сопротивления, подключенных по мостовой схеме как
наиболее точной и обеспечивающей максимальное усиление изме-
ряемого сигнала. Применение тензодатчиков оправдано простотой
реализации, наличием промышленных усилителей сигнала, высо-
кой чувствительностью в широком спектре колебаний, возможно-
стью работы в сложных условиях (в частности, в контакте с
СОТС).
Усилительный модуль является важной компонентой при тен-
зометрировании. В разработанной системе дополнительные огра-
ничения накладывались особенностями цифрового способа изме-
рения сигнала. За основу усилительного блока были приняты про-
мышленные усилители.
Связь между усилительным модулем и ПК реализована через
универсальный адаптер NVL03.
Малый сигнал, формируемый силоизмерительным модулем
[не более (2 ... 8)10”' мВ], необходимо усиливать. Приемлемый
уровень усиления обеспечивают усилители переменного тока (ти-
па ТА-5), но обработка модулированного сигнала резко снижает
чувствительность системы. Усиление же приборов, работающих
на постоянном токе, недостаточно. При нарезании внутренней
резьбы усилию 300 Н соответствовал сигнал 0,5 В. Для обеспече-
ния нормальной работы системы был разработан прецизионный
согласующий усилитель, имеющий возможность работы с АЦП.
Такой согласующий усилитель на четыре канала был рассчи-
тан и изготовлен на операционных микросхемах типа К140УД14.
Коэффициент усиления выставлен при тарировке комплекса так,
чтобы выходное напряжение при усилии 1500 Н составило 4,8 В,
т.е. сигнал датчиков дополнительно и без искажения усилился в
80... 100 раз.
630
Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
Базовое программное обеспечение представлено на языках СИ
и ПАСКАЛЬ и частично на АССЕМБЛЕРЕ, что облегчает разра-
ботку прикладных программ.
В прикладных программах реализован программный запуск
платы с контролем наличия сигнала.
Значения сигналов из четырех каналов сохраняются в одном ди-
намически выделенном массиве - буфере. Содержимое массива пе-
редается на отображение и может быть переписано в файл. Запись в
файл выполняется в простейшей форме - в виде двоичной строки.
С целью наглядности и удобства исследований диаграмма
изображается в режиме «осциллограф», т.е. измеряемые значения
тотчас же выводятся на экран. Вывод происходит в координатной
сетке «сила резания - время». По умолчанию так отображается
сила А. Чтобы ускорить процесс, значения записываются непо-
средственно в видеопамять, а не через прерывания DOS или BIOS.
Вторая, временная координата графика формируется считыванием
показаний системного таймера компьютера.
По завершении процесса замера массив-буфер можно исполь-
зовать для всех необходимых манипуляций - просмотра сил Pz, Ру,
Рх, Мкр и суммарной силы (суммирование выполнено по рекомен-
дациям теории резания).
Для удобства обработки полученных диаграмм на них автома-
тически формируется временная сетка, позволяющая легко найти
характерные точки (например, установить момент начала резания
очередным витком резца или метчика).
Временная сетка формируется на основе шага резьбы и часто-
ты вращения шпинделя. Также для удобства анализа диаграмм
служит реперная точка - начало процесса резания, записываемая
на графике при превышении сигнала уровня обычного «шума».
Сама временная сетка не привязана жестко к диаграмме, а может
сдвигаться по оси «время». При этом автоматически осуществля-
ется оцифровка сетки, т.е. выставляются численные значения сил
резания, соответствующие каждому из временных интервалов,
приведенных во временной сетке.
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 631
Программа предусматривает некоторую статистическую об-
работку результатов замеров. В частности, можно усреднить не-
сколько замеров, выполненных для разных деталей.
Предусмотрена возможность сохранения графического образа
экрана средствами операционной системы с последующей обра-
боткой изображения распространенными растровыми графиче-
скими редакторами (типа PhotoFinish).
Программа предусматривает запись результатов измерений на
внешние носители и вывод на печатающее устройство и графопо-
строитель.
Модульное построение программы обеспечивает простое из-
менение конфигурации программы и наращивание ее возможно-
стей. В частности, предусмотрены расширение объема статистиче-
ской обработки и обеспечение связи с САПР круглого резьбового
резца с оптимизацией его геометрии по крутящему моменту рав-
нопрочности всех режущих кромок.
Как было показано в разделе 3.4, значительное влияние на ка-
чество обрабатываемых деталей оказывает состояние металло-
режущих станков, которое может определяться их динамиче-
ской жесткостью. Для ее оперативного измерения с успехом
может быть использована следующая автоматизированная сис-
тема (рис. 8.8).
Рис. 8.8. Автоматизированная система для оперативного
определения динамической жесткости станков
632
Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
С помощью данной системы можно получить составляющие
сил резания Рх, Ру, Р2 при обработке заготовки с неравномерным
припуском (с изменяющейся глубиной резания Z), а также смеще-
ние лезвия инструмента относительно детали и рассчитать дина-
мическую жесткость станка. Форма заготовки (конусность, сту-
пенчатость) копируется на обработанной поверхности детали.
Степень копирования тем больше, чем меньше жесткость системы
станка. Зная величины составляющих сил резания и смещения лез-
вия инструмента относительно детали, можно рассчитать динами-
ческую жесткость оборудования:
J = ^Ptl^t,	(8.34)
где АР, - приращение силы резания (индекс i изменяется в зависи-
мости от испытываемого оборудования, так как изменяется сила
резания, вызывающая отжатие инструмента от детали); А, - при-
ращение отжатия лезвия инструмента относительно детали.
Данная автоматизированная система состоит из двух согласо-
ванных блоков.
Блок I автоматизированной системы предназначен для изме-
рения приращения силы резания ДР,.
Динамометр УДМ-1200 используется для измерения сил реза-
ния при различных видах обработки металла: точении, сверлении,
фрезеровании и др. С помощью динамометра можно одновремен-
но измерять три взаимно перпендикулярные силы Pz, Ру, Рх и кру-
тящий момент Мкр.
Показания динамометра по силам Р:, Ру и Рх не зависят от то-
го, в какой точке будет приложена сила резания. При сверлении
рекомендуется устанавливать динамометр так, чтобы его центр
совпадал с осью шпинделя станка, так как лишь в этом случае ра-
диальные силы не будут влиять на показания динамометра по М^.
С помощью динамометра можно измерять средние значения
сил резания. Мгновенные значения сил резания можно исследо-
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 633
вать в диапазоне частот от 0 до 500 Гц с погрешностью не свыше
10 %, регистрируя показания динамометра на осциллографе.
Значения допустимых максимальных нагрузок, действую-
щих на динамометр: Pzmax =14 000 Н; Рушах = 12 000 Н; Рхтах =
= 12 000 Н.
Габаритные размеры и посадочные места динамометра позво-
ляют устанавливать его без промежуточных прокладок на станки
различных групп.
Для более точного измерения показаний динамометра и пред-
ставления их в цифровом виде был разработан специальный четы-
рехканальный усилитель, реализованный на прецизионном опера-
ционном усилителе К140УД17.
Характеристики усилителя приведены ниже.
Минимальный коэффициент усиления, Ко • 102. 100
Напряжение смещения «нуля» Ucu, мВ........ 0,25
Выходное напряжение t7BUX, В................ -5	... +5
Потребляемый ток 1а, мА.................... 5
Частота единичного усиления /Гц............ 0,4
Частотный диапазон, Гц....................... 0	... 100
Потребляемая мощность от сети 220 В, Вт.... 6,2
Усилитель согласован с ПЭВМ через АЦП.
Блок II автоматизированной системы предназначен для изме-
рения величины смещения лезвия инструмента относительно дета-
ли.
В данном блоке применяется индуктивный датчик линейных
перемещений М-30 завода «Калибр».
Точность измерений датчиком до 0,1 мкм.
Используемый преобразователь представлен на рис. 8.9.
634
Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
Рис. 8.9. Схема преобразователя сигнала
В данной схеме применяется генератор прямолинейных им-
пульсов с частотой следования сигнала 2,2 кГц и амплитудой 12 В.
Частота 2,2 кГц является резонансной для данного датчика, и
поэтому датчик обладает повышенной чувствительностью, а также
имеет линейную характеристику зависимости £7ВЫХ от перемещения
S (мкм) подвижной части датчика.
Генератор реализован на микросхеме К140УД20А - сдвоенно-
го операционного усилителя с внутренней частотной коррекцией.
В качестве детектора использованы аналоговые ключи, вы-
полненные в интегральном исполнении (КР590КМ8А).
Буферный каскад выполнен на операционном усилителе по
схеме неинвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 1,
служит для согласования высокого внутреннего сопротивления
источника сигнала с низким сопротивлением нагрузки.
Предусилитель выполнен на интегральном операционном
усилителе К140УД20А, который широко используется в радио-
электронной аппаратуре благодаря своей универсальности и невы-
сокой стоимости.
Звено коррекции устанавливается на входе оконечного каска-
да усилителя.
Оконечный каскад усиления состоит из операционного усили-
теля, включенного по схеме инвертирующего усилителя.
Преобразователь согласован с ПЭВМ через АЦП.
Преобразование аналогового сигнала в цифровой осуществля-
ется адаптером NVL03. Было разработано программное обеспече-
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 635
ние, позволяющее отображать силовые измерения в реальном вре-
мени, смещения лезвия инструмента относительно детали и рас-
считывать динамическую жесткость станка. Программное обеспе-
чение написано на языке программирования C++.
Для индикации можно применять любую ПЭВМ типа IBM PC
ХТ/АТ с процессором 286 и выше.
Например, для оперативного определения динамической же-
сткости токарного станка на него вместо резцедержателя устанав-
ливают динамометр УДМ-1200 с закрепленным инструментом, в
специальном приспособлении устанавливают индуктивный дат-
чик. Закрепляют образец с проточенными уступами с перепадом
диаметров в 2 - 3 мм. После этого инструмент устанавливают на
размер из расчета обработки «под один размер» диаметром, мень-
шим на 0,4 мм диаметра первого уступа, и проводят обтачивание
обеих ступеней с одной установки резца.
В процессе обработки измеряют силы резания (рис. 8.10), с
помощью индуктивного датчика измеряют перепад диаметров Дг,
оставшийся на образце, и рассчитывают динамическую жесткость
Рис. 8.10. Измерение сил резания на ЭВМ
636 Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
Рис. 8.11. Алгоритм работы программного обеспечения
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 637
Таким образом, разработанная автоматизированная система
позволяет оперативно (в течение 10-15 мин) проконтролировать
состояние станков, причем как новых, так и находящихся в экс-
плуатации.
Значительное место в технологии машиностроения, как было
показано в гл. 4, занимают исследования влияния технологических
методов и условий обработки рабочих поверхностей деталей ма-
шин на их эксплуатационные свойства.
Для экспериментального проведения таких исследований це-
лесообразно создавать автоматизированные системы.
Так, одна из таких автоматизированных систем экспери-
ментальных исследований нормальной контактной жестко-
сти представлена на рис. 8.12.
Рис. 8.12. Автоматизированная система исследований
контактной жесткости нормализованных образцов
638 Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
Данная система состоит из следующих элементов: нагружаю-
щего устройства (до 50 000 Н), датчиков сил и контактных пере-
мещений, усилителя сигналов датчиков и ЭВМ.
Основные характеристики системы
Диапазон прикладываемых нагрузок, Н:
минимальная............................... 0,5
максимальная............................. 50 000
Точность измерения контактных перемещений, мкм ...	0,1
Предельные контактные перемещения, мкм........... 100
Точность измерения прикладываемой нагрузки, Н.. 0,01
Напряжение питания, В.......................... 220
Потребляемая мощность, Вт...................... 220
Схематически данная система изображена на рис. 8.13.
Принцип работы данной системы заключается в следующем:
сигнал с датчиков поступает на усилитель, усиливается, а затем
АЦП преобразует его в цифровой сигнал, удобный для обработки
на ЭВМ. ЭВМ определяет значения контактной жесткости при
первом и повторном нагружениях и формирует протокол, состоя-
щий из исходных данных, восьми опытов с тремя повторениями и
погрешности их определения. По окончании трех повторений про-
Рис. 8.13. Структурная схема работы системы
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 639
водится оценка значений контактной жесткости. Если погреш-
ность при трех повторениях больше 10 %, то предлагается повто-
рить опыт, дающий эту погрешность.
Разработанная система в автоматизированном режиме позво-
ляет провести полнофакторный эксперимент по определению
влияния условий обработки и твердости материала на контактную
жесткость. В ходе эксперимента ведется протокол исследований,
т.е. выводятся дата начала измерений, дата конца измерений, все
исходные данные (вид эксперимента, число опытов, число повто-
рений, шероховатость поверхности и вид образца), эксперимен-
тально полученные данные контактной жесткости при первом и
повторном нагружениях и погрешность определения контактной
жесткости при каждом опыте.
Сформированный протокол выглядит следующим образом:
начало протокола 21.05.2001 8:31
ПРОТОКОЛ
исследования деталей на контактную жесткость,
полнофакторный эксперимент 23
Вид испытываемой поверхности: цилиндрическая наружная
Вид контроля: с учетом шероховатости
Опыт № 1
Скорость резания v = 80 м/мин
Продольная подача s = 0,1 мм/об
Твердость материала НВ =105
Шероховатость поверхности Ra = 3.700 мкм
Максимальная нагрузка = 440.00 (Н)
Минимальная нагрузка = 220.00 (Н)
640	Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
Л Па/мкм	Номер повторения			Jcpj Па/мкм
	1	2	3	
Ji	11.265	11.854	11.456	11.560
Уповт	35.790	35.256	35.621	35.523
Среднее квадратическое отклонение при первом нагружении
о = 0.2945
Среднее квадратическое отклонение при повторном нагруже-
нии Оповт ~ 0.267
Опыт № 2
Скорость резания v = 180 м/мин
Продольная подача s = 0,1 мм/об
Твердость материала НВ = 105
Шероховатость поверхности Ra - 2.200 мкм
Максимальная нагрузка = 1.00 (Н)
Минимальная нагрузка = 2.00 (Н)
j, Па/мкм	Номер повторения			Jcp5 Па/мкм
	1	2	3	
Ji	16.765	17.659	17.096	17.173
Уповт	41.173	40.577	41.712	41.154
Среднее квадратическое отклонение при первом нагружении
о = 0.369
Среднее квадратическое отклонение при повторном нагруже-
нии Оповт = 0.464
Регрессионные модели:
при первичном нагружении
Л =2,547
v 0,289 ЯВ1,292
lOOOs0,470'
(835)
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 641
при повторном нагружении
0,189 ггд0,881
7повт= 0,1065^—^------------.	(8.36)
s ’
Проверка на адекватность уравнения регрессии:
число степеней свободы/1 = 3;У> = 4
дисперсия адекватности 5ад1 = 30.279; San2~ 89.373
Критерии Фишера:
.Fperi = 89.572; Fq _aj; з; 4 = 16.70 на уровне значимости
а =0.01
Fpai = 131.902; F(i _а); з; 4 =16.70 на уровне значимости
а =0.01
Дисперсия опыта:
0.338045
522(у) = 0.677573
Дисперсия коэффициента:
Si(bi) = 0.042256
S%(bi) = 0.084697
Проверка на значимость коэффициентов первого уравнения:
коэффициент Стьюдента = 6.833 > Гтабл = 5.84 на
уровне значимости а =0.01
коэффициент Стьюдента t2 = 11.116 > ?табл = 5.84 на
уровне значимости а =0.01
коэффициент Стьюдента /3 - 30.566 > /табл = 5.84 на
уровне значимости а =0.01
Проверка на значимость коэффициентов второго уравнения:
коэффициент Стьюдента Л = 2.232 < /табл = 3.18 на
уровне значимости а =0.05 [НЕЗНАЧИМЫЙ! так как
коэффициент при v оказался незначащим, то пересчи-
тываем коэффициенты уравнения регрессии. Новое
уравнение будет выглядеть как
НВ^^
7повт = 0,2632-^-.	(8.37)
642 Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
коэффициент Стьюдента h = 3.861 > /табл = 3.18 на
уровне значимости а = 0.05
коэффициент Стьюдента Ц = 10.397 > гтабл = 5.84 на
уровне значимости а = 0.01
8.5. Матрица эксперимента
V	j	HV	Л	Jnom	Ji	JnOBT	Ji	Jnorr	J\r	Jr
80	0.1	105	11.537	35.485	11.959	36.577	12.559	35.952	10.861	33.656
180	0.1	105	16.765	41.173	17.659	40.577	17.096	41.712	13.727	33.656
80	0.4	105	4.409	17.183	5.028	18.532	5.277	17.965	5.663	21.388
180	0.4	105	5.374	18.868	6.150	19.596	6.387	20.165	7.158	21.388
80	0.1	270	30.302	57.731	31.071	60.215	29.741	58.875	36.784	77.311
180	0.1	270	39.632	77.529	41.611	78.511	40.776	76.523	46.489	77.311
80	0.4	270	23.831	51.973	24.040	54.112	24.856	52.891	19.181	49.130
180	0.4	270	26.717	59.635	26.564	60.040	26.374	59.082	24.241	49.130
конец протокола 3.06.2001 11:17
После округления показателей степеней полученных уравне-
ний с погрешностью ±0,02 % при первом и ±0,7 % при повторном
нагружениях будем окончательно иметь:
при первичном нагружении
.	у0’29#/?1’29
7l	’	1000s0,47
при повторном нагружении
.	HB0SS
Уповт V,2o Q .
S '
(8.38)
(8.39)
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 643
Основным преимуществом использования данной системы
является то, что установка практически полностью автоматизиро-
вана: человек действует в роли оператора.
Работа системы начинается с ввода исходных данных. Здесь
это - вид испытываемой поверхности, вид контроля, шерохова-
тость поверхности, число опытов, число повторений, максималь-
ное и минимальное значения входного фактора. Матрица экспери-
мента формируется автоматически, и при проведении следующего
повторения ЭВМ дает рекомендации, какой образец нужно уста-
новить. Установка на ноль не требуется, так как измерение прово-
дится в относительных координатах (нулем считается текущее по-
ложение датчиков). Определение контактной жесткости некото-
рых образцов может занимать много времени (это возникает при
достижении предельных нагрузок динамометров), поэтому в сис-
теме предусмотрено продолжение эксперимента с того места, где
он был прерван.
В ходе эксперимента идет подсчет числа проделанных опытов
и, если все опыты проделаны, выполняется функция определения
регрессионной модели. Затем проверяются на значимость коэффи-
циенты уравнения регрессии, незначимые коэффициенты убира-
ются из уравнения и выполняется перерасчет коэффициентов. Ко-
эффициенты уравнения регрессии являются значимыми, если рас-
четный коэффициент Стьюдента больше табличного на уровне
значимости 0,05 или 0,01. После проверки коэффициентов уравне-
ния регрессии проверяется на адекватность уравнение регрессии
по критерию Фишера.
В конце протокола, после окончания всего цикла измерений,
выводится регрессионная модель контактной жесткости при пер-
вом и повторном нагружениях, оцениваются на значимость коэф-
фициенты и осуществляется проверка модели на адекватность.
ЭВМ в автоматизированном режиме проводит округление показа-
644	Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
•гелей степеней полученных уравнений до 0,01, и при этом опреде-
ляется погрешность такого округления.
Данная система дает возможность быстро создавать банк по
технологическому обеспечению нормализованных знаний коэф-
фициентов контактной жесткости различных поверхностей.
Ее использование позволяет оперативно определять условия
обработки деталей, обеспечивая необходимое значение контактной
жесткости.
Создание аналогичных АСНИ других эксплуатационных
свойств деталей машин и их соединений позволит перейти к одно-
ступенчатому решению проблемы обеспечения надежности ма-
шин.
Глава 9
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ И
СОЗДАНИЯ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
9.1. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ
ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Понятие «метод обработки» включает в себя все элементы
технологической системы, порядок и режимы ее работы.
Практически все методы обработки основаны на механиче-
ском, физическом, химическом или их совместном воздействии на
заготовку при определенной кинематике перемещений инструмен-
та и заготовки (рис. 9.1). В то же время любая изготовленная де-
таль имеет определенное функциональное назначение. Наряду с
Рис. 9.1. Процесс обработки заготовки на любой операции
646
Глава 9. НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
первоначальным позиционированием деталей в сборочной едини-
це, определяемым точностью размеров, в процессе эксплуатации
детали испытывают новое механическое, физическое или химиче-
ское воздействие при определенной кинематике их движений. Это
приводит к изменению взаимного положения собранных деталей,
потере точности, а иногда и к разрушению машин.
Все это говорит об идентичности процессов воздействия на
деталь как при ее изготовлении, так и в процессе эксплуатации
(рис. 9.2). Все эти факторы определяются:
1.1	- формой и размерами рабочей части инструмента;
1.2	- макроотклонением, волнистостью и шероховатостью ра-
бочих поверхностей и инструмента;
1.3	- скоростями и подачами взаимного перемещения заготов-
ки и инструмента;
2.1	- геометрией рабочей части инструмента;
2.2	- силой и жесткостью технологической системы;
2.3	- временем воздействия;
3.1	- величиной снимаемого или пластически деформируемо-
го поверхностного слоя;
3.2	-СОТС;
3.3	- временем воздействия температуры;
4.1	- материалом рабочей части инструмента;
4.2	-СОТС;
4.3	- величиной снимаемого слоя или пластически деформи-
руемого поверхностного слоя;
4.4	- временем протекания химического процесса при обра-
ботке;
5.1	- формой и размерами сопрягаемой поверхности;
5.2	- макроотклонением, волнистостью и шероховатостью со-
прягаемой поверхности;
5.3	- кинематикой и скоростью взаимного перемещения со-
прягаемых поверхностей;
6.1	- формой и размерами сопрягаемой поверхности;
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
647
Рис. 9.2. Структурная схема воздействия различных факторов на
заготовку при обработке и на готовую деталь при
эксплуатации:
7, 2, 3, 4 и 5, б, 7, 8 - соответственно кинематическое,
силовое, температурное, химическое воздействие на
обрабатываемую заготовку при изготовлении и готовую деталь при
эксплуатации
648
Глава 9. НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
6.2	- макроотклонением, волнистостью и шероховатостью со-
прягаемой поверхности;
6.3	- рабочей нагрузкой на деталь при эксплуатации;
7.1	- температурой окружающей среды в процессе сборки и
эксплуатации;
7.2	- промежуточной средой (смазкой);
7.3	- рабочими нагрузками;
8.1	- физико-механическими свойствами поверхностного слоя
сопрягаемой детали;
8.2	- промежуточной средой (смазкой);
8.3	- температурой окружающей среды;
8.4	- временем контактного взаимодействия.
Это говорит о необходимости целенаправленных кинематиче-
ского, силового, температурного и химического воздействий на
детали при изготовлении, исходя из их дальнейшего функцио-
нального назначения.
Подтверждением этой концепции являются поверхности трения
деталей, финишную обработку которых можно рассматривать как
процесс приработки, обеспечивающий их равновесное состояние.
При эксплуатации отдельные участки одной и той же рабочей
поверхности испытывают различные механическое, физическое и
химическое воздействия, что сказывается на их долговечности.
Это относится:
•	к цилиндрическим, сферическим и криволинейным поверх-
ностям трения (подшипники скольжения, чашки дифференциала
заднего моста автомобиля, кулачки распредвалов, рабочие поверх-
ности зубьев и др.);
•	к цилиндрам двигателей, к цилиндрическим и коническим
подшипникам качения;
•	к рабочим поверхностям катания железнодорожных рельсов
и колес;
•	к резьбовым соединениям;
•	к рабочим поверхностям режущих и деформирующих инст-
рументов и т.д.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
649
Большинство деталей машин, их соединений и инструментов
работают при изменяющихся условиях эксплуатации (скорости,
нагрузки, температуры). Рабочие поверхности трения таких дета-
лей и инструментов должны обладать быстрой прирабатываемо-
стью. Естественно, что для повышения долговечности таких дета-
лей, соединений и инструментов необходимо при изготовлении
обеспечить различные эксплуатационные показатели, а в боль-
шинстве случаев создавать новые поверхностные слои, обладаю-
щие быстрой прирабатываемостью. Все это ставит задачу целена-
правленного системного совершенствования существующих и раз-
работки новых методов обработки деталей машин, исходя из их
функционального назначения.
Совершенствование существующих методов обработки, как
правило, происходит случайно, а иногда исходя из поставленной
задачи. Так, придание дополнительно осциллирующего движения
рабочему шарику при накатывании позволило получить новый
метод обработки - вибронакатывание. Пропускание тока через зо-
ну контакта «рабочий ролик - заготовка» при накатывании приве-
ло к открытию электромеханической обработки.
Затруднения с механической обработкой резанием труднооб-
рабатываемых материалов, а также необходимость повышения
производительности труда привели к комбинированным методам
обработки. Совершенствование существующих технологий обра-
ботки деталей зачастую происходит из необходимости повышения
их долговечности. Так, цилиндрические и конические ролики
подшипников качения для предотвращения их разрушения по кра-
ям необходимо обрабатывать с эксплуатационным распределением
давлений вдоль образующей (рис. 9.3). Это позволяет обеспечить
шлифование роликов бесконечной лентой. В результате такого
шлифования ролики приобретают бочкообразную форму, которая
при эксплуатации дает почти равномерное распределение давле-
ния вдоль образующей ролика (рис. 9.3, б).
650
Глава 9. НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Рис. 9.3. Распределение рабочих давлений вдоль образующей при
контакте ролика и поверхности катания:
а - при цилиндрической форме; б - при бочкообразной форме
Правильный расчет условий обработки (ширина и натяжение
ленты, радиальная сила) позволяет получить форму ролика, обес-
печивающую практически равномерное распределение давления
вдоль образующей при его эксплуатации. Аналогично обстоит де-
ло и с подшипниками скольжения, но в данном случае неравно-
мерность давления при эксплуатации возникает как вдоль обра-
зующей, так и по дуге контакта. Избежать этого можно отделочно-
упрочняющей обработкой поверхностным пластическим дефор-
мированием (ППД) поверхности трения подшипника при законо-
мерно изменяющемся рабочем давлении.
Для обеспечения равномерности износа отдельных участков
поверхностей трения чашек дифференциала и кулачков распредва-
лов можно применять электромеханическую обработку (ЭМО) с
закономерно изменяющейся силой тока. Это позволяет получить
поверхности трения с закономерно изменяющейся степенью уп-
рочнения, обеспечивающей равномерный износ / при различных
давлениях и скоростях:
/(ф) = 176 + 3,6НУисхЦф) + 176v - 5,1Р,	(9.1)
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
651
где [7(<р) - степень упрочнения поверхностного слоя; HVHCX - ис-
ходная твердость обрабатываемой заготовки; v - скорость обра-
ботки, м/мин, Р - рабочее усилие при ЭМО, Н.
Из полученного уравнения следует, что воздействие на сте-
пень упрочнения может быть осуществлено не только через силу
тока, но и через скорость и давление, т.е. через те же факторы, ко-
торые при эксплуатации вызывают различную интенсивность из-
носа. Это еще раз подтверждает правильность выдвинутой гипоте-
зы о единстве процессов силового, температурного и других воз-
действий на рабочие поверхности деталей как при их изготовле-
нии, так и эксплуатации.
Так как эти детали работают при постоянно изменяющихся
режимах необходимо, чтобы их поверхности обладали быстрой
прирабатываемостью. Это лучше обеспечивается, если поверхно-
сти имеют чередующиеся мягкие и твердые участки. Получить
такую поверхность можно, если току придать импульсный харак-
тер. Так появилась импульсная ЭМО.
Различные участки рабочих поверхностей зубьев наряду с
тем, что они работают при различных условиях, должны также
обеспечивать совершенно разные эксплуатационные свойства.
Так, у их основания должно обеспечиваться сопротивление уста-
лости, на участке у делительной окружности - контактная проч-
ность, на остальных участках боковой поверхности - износостой-
кость. Это характерно особенно для силовых зубчатых передач.
Очевидно, что принятые технологии обработки боковых поверх-
ностей зубьев (фрезерование и шлифование) не могут обеспечить
выполнение таких условий. Это может быть обеспечено целена-
правленным изменением силового и температурного воздействий
на обрабатываемую поверхность зуба, что реализуется через ком-
бинированную обработку ППД и ЭМО, которая требует целена-
правленной разработки как инструмента, так и оборудования.
Анализ износа цилиндров двигателей показал, что они имеют
наибольший износ в верхней части. Это, очевидно, объясняется
652
Глава 9. НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
повышенными температурами в этой части цилиндров при их экс-
плуатации, которая при недостаточной маслоемкости поверхности
может приводить к явлениям схватывания, особенно в начальный
период приработки. Для избежания этого вредного явления на ци-
линдрах двигателей целесообразно сформировать вибронакатыва-
нием маслоемкие карманы. Величина этих карманов по длине ци-
линдра должна быть различной, что обеспечивается закономерно
изменяющимися режимами обработки: частотой колебаний и уси-
лием рабочего шарика вибронакатного устройства.
Обработка внутренних резьб в алюминиево-кремнистых спла-
вах связана со значительными трудностями. Резание затруднено
вследствие вязких свойств материала, а пластическое деформиро-
вание - его хрупкостью. Все это привело к необходимости комби-
нированной обработки и разработке специального инструмента,
обеспечивающего при обработке благоприятные условия резания и
пластического деформирования, что позволило значительно повы-
сить производительность обработки и качество резьбы.
Рабочие поверхности вырубных пуансонов, как и других ин-
струментов, работают в различных условиях. Основную нагрузку
несет режущая кромка, которая должна обладать повышенной по-
верхностной динамической прочностью и износостойкостью. Для
обеспечения благоприятных условий резания и достаточной по-
верхностной динамической прочности режущая кромка вырубных
пуансонов должна иметь оптимальный радиус округления, что
обеспечивается его виброобработкой. Для повышения поверхност-
ной динамической прочности и износостойкости вырубных пуансо-
нов их рабочая кромка должна быть легирована материалами, обес-
печивающими это, что осуществляется лазерным легированием.
Изучение взаимодействия рабочей части режущего инструмен-
та и обрабатываемой детали показывает на возможность частичного
или полного перевода процесса резания к пластическому деформи-
рованию. Это в значительной мере расширяет возможности совер-
шенствования обычных методов механической обработки.
СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
653
Научно обоснованное определение требуемых величин воз-
действующих факторов или их соответствующего изменения, ис-
ходя из функционального назначения детали позволит создавать
оптимальные технологии их производства, эксплуатации и ремон-
та. В настоящее время это можно делать, используя эмпирические
зависимости, приведенные в гл. 4.
9.2.	НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ НОВЫХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ И
ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Новизна методов обработки определяется всеми компонента-
ми технологической системы, станком, технологической оснаст-
кой, процессом формообразования поверхностного слоя детали.
Каждый из компонентов может иметь собственную новизну или
же создавать новизну системы в целом за счет определенного не-
традиционного сочетания известных компонентов.
При проектировании новых методов обработки и технологи-
ческих процессов необходимо использовать как накопленный
опыт, так и новый системный подход, базирующийся на единстве
технологии проектирования, производства и эксплуатации изделий
машиностроения. Так, накопленный опыт по механической, физи-
ческой и химической обработке позволил создавать комбиниро-
ванные методы обработки: резание - ППД; ППД - резание; ППД -
резание - ППД; резание в химических средах; химико-механичес-
кое полирование; механическая обработка с наложением ультра-
звука и т.д. Необходимость в строгом управлении силой и количе-
ством ударов металлической дроби на единицу площади привела к
созданию нового метода обработки инструментом центробежно-
ударного действия.
Создание новых методов обработки является творческой задачей,
формализация которой возможна лишь в редких частных случаях.
654
Глава 9. НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Однако вполне реально, проанализировав состояние вопроса,
указать основные направления, а также сформулировать отдель-
ные приемы и методы решения данной задачи.
В целом эволюционную систему технологических преобразо-
ваний и создания новых прогрессивных технологий можно пред-
ставить в виде следующей модели (рис. 9.4). Основными объекта-
ми модели являются кадровое обеспечение, техническое обеспече-
ние и технологические среды. Они осуществляют технологическое
воздействие N(tK) материального энергетического £о(4) и
информационного /о(4) типов на предметы обработки (заготовки,
изделия) и реализуют процесс технологических преобразований
заготовок в изделия, которые имеют вход V и выход W. Сам про-
цесс технологических преобразований имеет обратную связь с
обеспечивающими объектами системы. Обратная связь позволяет
Рис. 9.4. Модель системы технологических преобразований
(базовая модель технологии)
СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
655
получать сведения о количественных и качественных параметрах
процессов технологических преобразований, а также дает возмож-
ность многократного использования средств технологического
воздействия, организовать их поточность и непрерывность функ-
ционирования.
Все объекты системы технологических преобразований функ-
ционируют в пространстве и во времени, поэтому между ними
действуют пространственно-временные отношения. Объекты мо-
дели ограничены пространственной границей, определяющей эту
систему как функциональную единицу или объемно-пространст-
венную производственную ячейку.
Воздействия, оказываемые на систему технологических пре-
образований со стороны других систем, могут быть представлены
следующим множеством:
Г ={f/, F‘,..., F;}S5v(rK)u£v(/K)uZvaK),
где F 1 - вектор обобщенного входа; E^tK), Ц1К) - входные
обобщенные воздействия соответственно материального, энерге-
тического и информационного типа; tK - момент времени.
Входные воздействия оказывают различное действие на сис-
тему технологических преобразований.
Основные задачи входных воздействий F' следующие: обес-
печение необходимой структуры объектов; реализация требуемого
поведения объектов; восстановление потоков технологического
воздействия орудий и средств обработки на изделия и др.
Воздействия, реализуемые системой технологических преоб-
разований на другие системы, могут быть описаны следующим
образом:
656
Глава 9. НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
где Ft - вектор обобщенного выхода; 5„,(/к), £и(/к), ЛХ4) - выходные
обобщенные воздействия соответственно материального, энерге-
тического и информационного типа.
Входные и выходные обобщенные воздействия включают как
основные потоки различных типов, направленные на прогрессив-
ное развитие системы, так и побочные (вредные, сопутствующие),
оказывающие отрицательное влияние на качественные показатели
развития.
Проектирование технологии подразумевает учет противоре-
чивых требований, причем продуктами его являются модели, по-
зволяющие понять структуру будущей технологии. Однако разра-
ботка технологии остается до сих пор трудоемким процессом, це-
лями которого являются: обеспечение требуемого алгоритма
функционирования (технологического воздействия); реализация
приемлемой цены; удовлетворение явным и неявным требованиям
по эксплуатационным качествам, ресурсопотреблению и дизайну;
удовлетворение требованиям к стоимости и продолжительности
разработки технологии. При этом процессы проектирования техно-
логий могут выполняться по различным схемам. Этапы традицион-
ного жизненного цикла технологии характеризуются лавинообраз-
ным нарастанием сложности (рис. 9.5). Во многих компаниях и
фирмах такую схему создания технологий рассматривают как не-
зыблемую. Однако, несмотря на силу традиций, анализ жизненного
цикла технологии показывает следующие недостатки этой схемы:
•	непригодность для разработки сложных технологий, со-
стоящих из большого количества подсистем и автономных моду-
лей, образующих сетевые структуры;
•	обязательно последовательное выполнение всех этапов соз-
дания технологии;
•	несовместимость с эволюционным подходом;
•	несовместимость с перспективными методами автоматизи-
рованного проектирования и управления технологиями.
СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
657
Рис. 9.5. Этапы жизненного цикла технологий
Поэтому для создания прогрессивных технологий традицион-
ные методы не подходят.
Начинает развиваться объектно-ориентированное проектиро-
вание, что особенно перспективно для создания новых технологий.
22 — 6780
658
Глава 9. НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
В основе объектно-ориентированного проектирования лежит объ-
ектный подход, главными принципами которого являются: абстра-
гирование, ограничение доступа, модульность, иерархичность, ти-
пизация, параллелизм и устойчивость.
На рис. 9.5 показаны этапы жизненного цикла технологии при
объектно-ориентированном проектировании. Здесь процесс созда-
ния технологии не является отдельным монолитным этапом. Он
представляет собой один из шагов на пути последовательной ите-
ративной разработки технологии; при этом последовательность
шагов может иметь произвольный характер. Частный вариант по-
следовательной итеративной разработки технологии с направлен-
ными шагами через анализ представлен также на рис. 9.5.
Применение описанных моделей позволило определить ос-
новные характеристики прогрессивных технологий нового поко-
ления, которые, дополняя известными данными, можно предста-
вить структурной схемой, изображенной на рис. 9.6. Она имеет
иерархическую структуру и содержит основные признаки, особен-
ности и обеспечение прогрессивных технологий. Основные при-
знаки, характеризующие прогрессивность новых технологий, даны
на структурной схеме (см. рис. 9.6) относительно конечного ре-
зультата их действия - изделий. Эти признаки можно представить
следующими категориями:
•	качественно новая совокупность свойств изделий (причина);
•	качественно новая мера полезности изделий (следствие).
С развитием науки и техники создаются возможности для
улучшения свойств изделий, например, геометрических, кинема-
тических, механических, тепловых, оптических и др., а также реа-
лизуются качественно новые свойства изделий, например, эколо-
гические, манипуляционные, отражения жестких космических лу-
чей, свойства обладания эффектом «магнитная потенциальная
яма» и др. Для обеспечения этого проектируемые технологии не-
прерывно совершенствуются и создаются качественно новые, а это
значит, что они будут постоянно улучшать и создавать качествен-
но новые свойства изделий.
СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
659
® Основные
признана
поколения
особенности
Устойчивость
и надежность
Зколоеическоя
чнс г о га
Наукоемкость
Высокая инрормацмон
моего й компьютера»
лация
Высокий рройемь
електририкоции и
зяереообеспечения
Оптимальный
технолоеический
процесс___________
полиции
Использование
ым
тво
степень
пилации
Omni
к рало*
Обеспечение
бительноетй и
прецизионности
Эстетичность
и эргономичность
Наличие комплекс*
мыл систем йоаеное*
тики, контроля.
Высокая устойчивость
и ноОезюмость
румкциенироОоння
НоВые принципы
работы обрруОеВамия
Н/вые методы
ооойейетоия
ко илйелия
Нетрадиционные
техника-экономи-
ческие аокалатели


Рис. 9.6. Основные характеристики прогрессивных технологий
нового поколения
11*
660
Глава 9. НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Однако только мера этих свойств - полезность этих изделий
или их ценность - имеет решающее значение, так как конечной
целью изготовления любого изделия является обеспечение необ-
ходимой ценности. Создаваемые прогрессивные технологии не-
прерывно повышают ценность изделий и соответственно реализу-
ют качественно новую меру их полезности, обеспечивается воз-
можность использования их в работах и-го поколения, для «гипер-
двигателей» межгалактических кораблей, для марсианского транс-
порта, построенного по принципу мехатроники, и др.
Создаваемые прогрессивные технологии нового поколения
имеют некоторые базовые особенности, основные из которых мо-
гут быть связаны с высокой наукоемкостъю их создания, сложно-
стью реализации и функционирования; при этом необходимы вы-
сокая информационность и компьютеризация, определенный уро-
вень электрификации и энергообеспечения, поэтому проектирова-
ние новых технологий должно базироваться на оптимальных тех-
нологических процессах. При необходимости могут быть исполь-
зованы новые методы преобразования заготовок в изделия. Для
этого должны применяться прогрессивные методы производства.
На всех этапах жизненного цикла (см. рис. 9.5) новых технологий
необходимо обеспечивать высокую степень автоматизации про-
цессов. Созданные технологии должны иметь высокую устойчи-
вость и надежность функционирования по заданному алгоритму.
Все это должно быть тщательно проработано на основе принципов
объектно-ориентированного подхода и обеспечена экологическая
чистота технологий. Вместе с тем создаваемые технологии долж-
ны быть открытыми к развитию и иметь возможность эволюцио-
нировать и модифицироваться в соответствии с изменяющимися
внешними условиями. Кроме того, прогрессивные технологии мо-
гут иметь ряд других особенностей, относящихся к специальным
технологиям или технологиям будущего.
Для создания прогрессивных технологий нового поколения
необходимо нетрадиционное обеспечение, а именно: высококва-
лифицированные кадры, прогрессивные технологические системы
СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
661
и специальные технологические среды. В этом случае проектиро-
вание технологических систем должно прежде всего определяться
конъюнктурой рынка, основываться на новых принципах, свойст-
вах и качестве композиции элементов оборудования, иметь высо-
кие уровни автоматизации, производительности и прецизионности
оборудования, оснастки и инструментов. Созданные технологиче-
ские системы должны быть эстетичны и эргономичны, иметь высо-
кую устойчивость и надежность функционирования. Для этого ши-
роко должны быть использованы комплексные системы диагности-
ки, контроля и управления, а также новые принципы работы обору-
дования и методы воздействия орудий и средств обработки на изде-
лия. Такой комплексный подход в создании прогрессивных техно-
логических систем дает качественно новые нетрадиционные техни-
ко-экономические показатели их создания и функционирования.
Проведенные исследования с использованием разработанных
моделей позволили определить и дополнить известные тенденции
прогрессивного развития технологий новыми, к которым можно
отнести следующие:
•	повышение концентрации и параллелизма технологических
зон обработки, обеспечивающих повышение производительности;
•	создание нетрадиционных прогрессивных пространственных
структур технологических зон обработки (создание многомерных
циклических структур, повышение размерности многообразия и
объектов в каждом многообразии структуры), реализующих по-
вышение технологических возможностей пространства и среды;
•	компоновка технологических зон обработки в линейные, по-
верхностные и объемные структуры, компоновка этих структур в
производственные ячейки,
•	компоновка производственных ячеек в пространственные
структуры и заполнение ими всего объема пространства производ-
ственного цеха с возможностью изменения их пространственного
расположения;
662
Глава 9. НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
•	повышение степени компакгирования структуры за счет
увеличения плотности (линейной, поверхностной, объемной) тех-
нологических зон обработки;
•	организация поточности функционирования технологиче-
ских зон обработки и повышение их интенсивности;
•	повышение непрерывности и устойчивости функционирова-
ния технологических систем в соответствии с заданным алгорит-
мом;
•	повышение информационности технологий, снижение массы
технологических систем и повышение их энергообеспеченности;
•	создание технологий и технологических систем с использо-
ванием принципа механотроники;
•	упрощение функциональной структуры за счет совмещения
различных функций технологических систем; выполнение техно-
логических функций посредством транспортных функций, и на-
оборот;
•	применение комплексных систем диагностики, контроля и
управления процессами.
Анализ этих тенденций позволил сформулировать и разрабо-
тать общий теоретический подход в создании и функционирова-
нии нетрадиционных технологических систем, называемых поточ-
но-пространственными технологическими системами. Эти техно-
логические системы имеют качественно новые свойства и возмож-
ности, а также существенно повышают уровень автоматизации и
интенсификации производственных процессов. Разработанная об-
щая методика синтеза дает возможность создавать поточно-
пространственные технологические системы непрерывного дейст-
вия следующих видов:
•	технологические системы высокой и сверхвысокой произво-
дительности для производства изделий медицинской, радиоэлек-
тронной, пищевой промышленностей, приборостроения и других
отраслей народного хозяйства;
СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
663
•	технологические системы непрерывного действия для дли-
тельных циклов технологического воздействия (термические, хи-
мические, физико-химические методы обработки и др.);
•	технологические системы непрерывного действия для ком-
плексной обработки изделий;
•	гибкие технологические системы непрерывного действия.
Эти технологические системы позволяют значительно повы-
сить производительность производственных процессов, сократить
занимаемые оборудованием производственные площади, умень-
шить длительность производственного цикла, число рабочих, за-
нятых в производстве, и улучшить другие показатели.
Данная методология ориентированная на конечную цель -
создание прогрессивных технологий, дает возможность видеть
взаимосвязи, понимать и применять целостность как принцип про-
ектирования. Создаваемые технологии являются отражением со-
временного развития техники: теория их создания позволяет объ-
яснить и предсказывать закономерности эволюционного процесса
развития прогрессивных технологий.
Методология разработки новых методов обработки базирует-
ся на предложенной концепции нового научного подхода к реше-
нию этой проблемы, основанной на единстве технологии изготов-
ления и эксплуатации деталей машин и их соединений.
Так, для повышения долговечности пар трения необходимо,
как только возможно уменьшить их приработку в процессе экс-
плуатации. Этого добиваются финишной обработкой поверхно-
стей трения, моделирующей ускоренный процесс их приработки.
В соответствии с разработанной теорией трения и износа, процесс
приработки представляет микрорезание и пластические деформа-
ции микронеровностей поверхностей трения.
Обеспечить этот процесс приработки можно на стадии фи-
нишной обработки поверхности трения специальном инструмен-
том с моделированными микронеровностями. Рабочая поверхность
инструментов должна проскальзывать по поверхности трения об-
664
Глава 9. НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
рабатываемой детали, вызывая микрорезание и микродеформиро-
вание ее шероховатости. В качестве такого инструмента могут
быть использованы притирочный абразивный брусок (с опреде-
ленной зернистостью) или иглофреза (с определенным диаметром
рабочих иголок). Усилия прижатия и скорость проскальзывания
инструмента определяются условиями эксплуатации обрабатывае-
мой поверхности трения.
В зубчатых передачах в процессе приработки изменяется
форма эвольвентной поверхности, увеличивается боковой зазор,
что ведет к росту шума, изменению линии контакта и разрушению
зубьев. Избежать этого явления можно, если в процессе изготов-
ления и приработки зубчатых передач смоделировать все эти про-
цессы: при зубонарезании и шлифовке зубьев - обеспечить их экс-
плуатационный профиль, а при обкатке - равновесное состояние
качества поверхности. Для этого должен быть скорректирован ра-
бочий профиль фрезы и шлифовального круга. Это, в свою оче-
редь, говорит о необходимости учета при проектировании инстру-
мента функционального назначения обрабатываемой поверхности.
Для окончательной обработки боковых поверхностей зубчатых
колес может быть использована обкатка или специальная техноло-
гия финишной обработки, обеспечивающая процесс микрорезания и
пластических деформаций микронеровностей. Финишная обработка
обеспечивается алмазным или обычным шевингованием.
Использование теории пластичности и контактного взаимо-
действия позволило создать новый метод обработки деталей, по-
зволяющий значительно увеличить (в десятки раз) их поверхность
соприкосновения с окружающей средой. В частности это и имеет
огромные значения при создании теплообменников.
Используя уравнения пластического оттеснения обрабатывае-
мого материала в зоне резания (3.7) - (3.10) спроектирован и изго-
товлен совершенно новый инструмент (рис. 9.7), который при оп-
ределенном сочетании свойств обрабатываемого материала и ре-
жимов (глубина и подача) позволяет эффективно осуществлять
вытеснение материала и создавать оребренную поверхность,
имеющую высокую теплообменную способность (рис. 9.8).
СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
665
Рис. 9.7. Общий вид резца
Рис. 9.8. Профиль оребренной поверхности
Известно, что тот или иной метод обработки реализуется че-
рез выполнение технологических операций, объединение которых
в одной детали представляет из себя технологический процесс.
В условиях жесткой рыночной экономики создание новых
технологических процессов диктуется необходимостью повыше-
ния качества и снижения себестоимости выпускаемых изделий.
Если классическая типовая технология не позволяет уже произво-
666
Глава 9. НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
дить изделие с качеством и себестоимостью, обеспечивающими ее
конкурентоспособность, то объективно возникает проблема созда-
ние нового технологического процесса. Например, появление но-
вой технологии зубчатых колес с цельнокатанными зубьями.
Экономический эффект от новых технологических процессов
значительно возрастает при принятии предложенной теории един-
ства процесса проектирования, изготовления и эксплуатации.
В процессе эксплуатации железнодорожных рельсов их попе-
речный профиль в зависимости от участка дороги (повороты,
подъемы, подложка, средние температуры и др.) в начальный пе-
риод работы (процессе приработки) претерпевает значительные
изменения, то есть происходит его естественная адаптация к усло-
виям эксплуатации. Однако эксплуатационники железных дорог
при ремонте рельсов стремятся вернуть им исходный поперечный
профиль, что значительно удорожает ремонт и опять приводит к
быстрому и большому их износу в период новой приработки. Все
это в значительной мере сокращает долговечность железнодорож-
ных рельсов.
Учитывая эти обстоятельства, целесообразно при ремонте
рельсов сохранять сформировавшийся поперечный профиль, уби-
рая при этом вредный дефектный поверхностный слой. Обеспе-
чить это могут так называемые упругие технологии (иглофрезеро-
вание, лепестковое шлифование). Вследствие упругих деформаций
рабочих элементов инструмента (проволочек и лепестков) при оп-
ределенном сохранении жесткости они позволяют снимать по-
верхностный дефектный слой и сохранять сформировавшийся по-
перечный профиль. Это приводит к необходимости целенаправ-
ленной разработки инструмента с определенной упругостью его
рабочих элементов.
Для устранения продольной волнистости с высокой произво-
дительностью целесообразно применить шлифование брусками с
поперечной осцелляцией. Объединить все эти операции: иглофре-
зерование, шлифование брусками и лепестковыми кругами в еди-
СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
667
ный технологический процесс текущего ремонта железнодорож-
ных рельсов позволяет специальный рельсообрабытывающий
комплекс.
На поворотных участках в результате большого силового и
температурного воздействия на боковые поверхности головки
рельса от реборды колеса происходит их быстрый износ (практи-
чески срезание), что приводит к необходимости быстрой их заме-
ны. Для избежания этого вредного явления эти воздействия сил и
температур на боковые поверхности рельс на этих участках дорог
целесообразно из эксплуатации перенести в технологический про-
цесс с увеличением температурного и уменьшением силового воз-
действия. Это позволяют обеспечить термомеханическая и элек-
тромеханическая обработка.
Резьбовые соединения имеют различное функциональное на-
значение (рис. 9.9). Кроме этого различные участки резьбовых со-
единений по их длине будут испытывать различные нагрузки: на-
чиная от максимальных (на первых витках) до нулевых (на по-
следних витках). Поэтому технология изготовления резьбовых со-
единений требует своего совершенствования.
Рассмотрим пример. При эксплуатации различных двигателей
обнаружен процесс самоотвинчивания шпилек. Это происходит
из-за уменьшения первоначального натяга, в резьбовом соедине-
нии «шпилька - алюминиевый корпус» в результате пластических
деформаций резьбы корпуса при действии динамических нагрузок.
Избежать этого вредного явления можно, если обеспечить раска-
тывание резьбовых отверстий в корпусе или создание так назы-
ваемых гладкорезьбовых соединений. Для раскатывания резьб не-
обходима целенаправленная разработка инструмента. Сущность
гладкорезьбового соединения заключается в вворачивании шпилек
в гладкие отверстия. Как в первом, так и во втором случаях, в про-
цессе формирования резьбы отверстия происходит пластическое
насыщение материала, что предотвращает возможность ее пласти-
ческих деформаций при эксплуатации.
Рис. 9.9. Структурная схема взаимосвязи функционального назначения резьбовых
соединений с технологией их изготовления
Глава 9. НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
НАУКОЕМКИЕ КОНКУРЕНТОСПОСОБНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ	669
При этом новый технологический процесс создания гладко-
резьбовых соединений позволяет его осуществлять на станках с
ЧПУ в автоматизированном режиме, так как отпадает надобность
осуществлять ручное наживление шпилек.
Концепция объединения технологий производства и эксплуа-
тации позволяет некоторые процессы из производства переносить
в эксплуатацию. Например, для повышения износостойкости пар
трения - скольжения в условиях граничного трения в смазку за-
частую на одну из поверхностей трения при изготовлении наносят
мягкую пленку. Взамен этой операции можно при эксплуатации
ввести глицерин и медный порошок. Это позволит на поверхности
трения аналогичным образом, но уже при эксплуатации сформи-
ровать мягкую антифрикционную пленку, обеспечивающую явле-
ние избирательного переноса.
Конструирование направляющих скольжения металлорежу-
щих станков с бронзовыми вставками и введение в смазку глице-
рина позволяет повысить их износостойкость при эксплуатации в
несколько раз.
Таким образом, научное развитие технологии машинострое-
ния показывает, что она готова решать самые сложные задачи при
производстве изделий машиностроения на рубеже XXI века. Толь-
ко за последние 50 лет наукой о технологии машиностроения раз-
работано более 80 новых методов обработки, повышающих каче-
ство и снижающих себестоимость изготовления машинострои-
тельных изделий.
9.3.	НАУКОЕМКИЕ КОНКУРЕНТОСПОСОБНЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ
Наукоемкими конкурентоспособными считаются такие техно-
логии, которые базируются на последних достижениях науки; сис-
темном построении; моделировании; оптимизации себестоимости
изготовления, эксплуатации и ремонта изделия; новых и комбини-
670
Глава 9. НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
рованных наукоемких методах обработки и техпроцессах; компь-
ютерной технологической среде и комплексной автоматизации
производства, что позволяет им быть конкурентоспособными.
Реализация таких технологий требует соответствующего тех-
нического оснащения (прецизионное высокоточное оборудование,
технологическая оснастка и инструмент для механической, физи-
ко-химической и комбинированной обработки, в том числе и по
нанесению различных покрытий, автоматизированные системы
диагностики и контроля, компьютерные сети) и кадрового обеспе-
чения (высокая квалификация всех работников, научное консуль-
тирование и др.)
Как правило, наукоемкие технологии в машиностроении при-
меняются для повышения функциональных свойств изделий и их
конкурентоспособности.
Структурно это представлено на рис. 9.10.
Основным свойством наукоемких технологий являются ре-
зультаты фундаментальных и прикладных исследований, на кото-
рых они базируются.
Системность предполагает диалектическую взаимосвязь,
взаимодействие всех элементов технологической системы, всех
основных процессов, явлений и составляющих. Системность особо
важна как требование прецизионности и соответствие этим требо-
ваниям всех структурных элементов технологической системы об-
работки и сборки (оборудование, инструмент, обрабатываемый
материал, оснастка, измерения, диагностика, работа исполнитель-
ных органов).
Важнейшим свойством наукоемких технологий, безусловно,
является новый техпроцесс. Он доминирует во всей технологиче-
ской системе и должен отвечать самым разнообразным требовани-
ям, но, главное, быть потенциально способным обеспечить дости-
жение нового уровня функциональных свойств изделия. Здесь бо-
гатыми возможностями обладают те устойчивые и надежные
техпроцессы, в которых эффективно используются физические,
НАУКОЕМКИЕ КОНКУРЕНТОСПОСОБНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ	671
НАУКОЕМКИЕ КОНКУРЕНТО-
СПОСОБНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
СВОЙСТВА НАУКОЕМКИХ
КОНКУРЕНТОСПОСОБНЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ
ТЕХНИЧЕСКОЕ И КАДРОВОЕ ОБЕСПЕ-
ЧЕНИЕ НАУКОЕМКИХ КОНКУРЕНТО-
СПОСОБНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Последние достижения наука
Системность
Прецизионный инструмент
Моделирование
Прецизионная оснастка
Рабочий процесс, потенциально
обеспечивающий функциональные
свойства изделия
Компьютерная интеллектуальная
технологическая среда
Устойчивость к надежность
Системы диагностики и контроля
Рабочая технологическая среда
Обеспечение к повышение качества
Компьютерная сеть управления
Соответствие требованиям экологии
Персонал, имеющий специализированную
подготовку
ОПТИМИЗАЦИЯ НАУКОЕМКИХ КОНКУРЕНТОСПОСОБНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ						
Исследование условий функциони- рования изделия	Исследование физической сущности рабочего процесса	Построение физической модели	Построение математичес- кой модели	Оптимизация технологичес- кого процесса изготовления и ремонта	Разработка маршрутного технологичес- кого процесса изготовления н ремонта	Структурная оптимизация
Рис. 9.10. Структура конкурентоспособных наукоемких
технологий
672 Глава 9. НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
химические, электрохимические и другие явления в сочетании со
специальными свойствами инструмента, технологической среды,
например, криогенное резание, диффузионное формообразование
изделий и т.п. Разработка новых техпроцессов имеет поэтапный
характер:
1.	На этапе маркетинга оценивается изделие как совокупность
потребительских свойств, а затем определяется уровень тех потре-
бительских свойств изделия, которые в состоянии обеспечить его
конкурентоспособность.
2.	Исходя из этого, определяются требования к качеству изде-
лий, узлов, сборке в соответствии с уровнем функциональных,
экологических и эстетических свойств и оптимальной их долго-
вечности.
3.	Выделение из требуемых геометрических, физико-химичес-
ких параметров качества поверхностного слоя деталей тех, дости-
жение которых требует нетрадиционных решений как при изго-
товлении, так и эксплуатации.
4.	Определение традиционных критериев для уровня характе-
ристик нетрадиционного техпроцесса, потенциально способного
обеспечить получение требуемых функциональных, эстетических
и экологических свойств изделия.
5.	Выявление предпосылок создания нового техпроцесса на
базе использования традиционных и нетрадиционных способов
обработки и технического оснащения.
6.	Создание физической и математической модели техпроцес-
са и их виртуальное, теоретическое и экспериментальное исследо-
вание.
7.	Многопараметрическая оптимизация техпроцесса (физиче-
ские, технологические, экономические критерии).
НАУКОЕМКИЕ КОНКУРЕНТОСПОСОБНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
673
8.	Создание систем диагностики техпроцесса и его техниче-
ского оснащения.
9.	Разработка технологического процесса.
10.	Оценка соответствия реального уровня функциональных,
эстетических, экономических свойств изделия требуемому.
Несомненно, существенным признаком наукоемких техноло-
гий, является комплексная автоматизация, базирующаяся на ком-
пьютерном управлении всеми процессами проектирования, изго-
товления и сборки, на физическом, геометрическом и математиче-
ском моделировании, всестороннем анализе моделей процесса или
его составляющих.
Наличие рассматриваемого признака требует системного под-
хода к ее компьютерно-интеллектуальной среде, т.е. перехода к
системам CAD/CAM System. Таким путем обеспечивается сочета-
ние гибкости и автоматизиции, прецизионности и производитель-
ности.
Системный подход предполагает использование не отдельных
математических моделей, а системы взаимосвязанных моделей с
непременной параметрической и структурной оптимизацией. На-
пример, параметрическая оптимизация преследует цель миними-
зации ряда характеристик процесса размерной обработки, прежде
всего энергетических затрат, минимизации толщины срезов, силы
резания и уровня температуры, интенсивности окислительных
процессов и т.д.
Для наукоемкой технологии нужна высокая степень («глуби-
на») оптимальности для сравнительно узкого конкретного диапа-
зона условий и требований. Базой такой оптимальности могут
быть только глубокие специальные исследования в этой области,
разработка автоматизированных систем научного обеспечения,
включая использование мирового опыта, специальных методов
674
Глава 9. НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
оптимизации, методов достижения прецизионности, технологиче-
ского обеспечения функциональных свойств и др.
Важную роль играет техническое обеспечение наукоемких
технологий, в рамках которого в качестве основных условий реа-
лизации выступают прецизионность оборудования, инструмента,
оснастки, системы диагностики и контроля. Все это происходит в
рамках основных направлений развития, например, технологии
размерной обработки (рис. 9.11) прежде всего создания новых
техпроцессов, прецизионного оборудования и средств технологи-
ческого обеспечения, новых форм построения технологических
процессов. Результаты развития каждого из этих направлений в
сочетании с новейшими достижениями науки и смежных областей
техники является естественными источниками наукоемких техно-
логий.
При этом прогресс в создании техпроцессов наукоемких кон-
курентоспособных технологий, как и традиционных технологий,
является определяющим и характеризуется наиболее высокими
темпами повышения производительности и качества.
Важнейшим свойством наукоемких технологий является их
кадровое обеспечение. Разработка и реализация таких технологий
требует высокообразованных специалистов на всех стадиях их
жизненного цикла. Практически все специалисты, включая ста-
ночников и операторов, должны иметь высшее образование. Это
хорошо просматривается на примере многих японских, американ-
ских и западноевропейских фирм.
Таким образом, технология машиностроения подошла к ново-
му этапу своего развития - новым наукоемким технологиям, реа-
лизация которых позволяет машиностроителям создавать конку-
рентоспособные изделия.
НАУКОЕМКИЕ КОНКУРЕНТОСПОСОБНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 675
Создание новых форм
построения
технологических
процессов
изготовления и
ремонта
I
Групповая технология
Технология
модульного
агрегатирования
Переход к гибким
автоматизированным
модулям, участкам,
сегментам, системам,
линиям, производству
Компьютерное
интеллектуальное
технологическое
пространство
Повышение
организационно-
технического уровня
производственных
систем
Основные направления
развития технологии
размерной обработки
I
Создание новых
экологически
ориентированных
рабочих процессов с
учетом функцио-
нального назначения
изделия
Совершенствование
традиционных
процессов за счет
новых
инструментальных
материалов и СОТС,
их совмещения
Совершенствование
конструкции режущих
инструментов
Комбинирование
традиционных
способов с механо-
физико-хим явлениями
Создание процессов
изготовления и
ремонта на базе
использования
физических явлений
Создание процессов на
комплексной основе
новых материалов,
инструмента, СОТС и
механо-физико-хим
явлений
Создание
прогрессивного
оборудования и
средств
технологического
обеспечения
—г~
Увеличение доли
станков-автоматов
ЧПУ, ОЦ, гибких
модулей
Прецизионное
станкостроение
Роторные, роторно-
конвейерные линии
Создание
инструментальных
систем
Диагностические
комплексы, средства
адаптивного
управления
Переналаживаемая
технологическая
оснастка
Рис. 9.11. База наукоемких технологий обработки материалов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Только за последние 3 года (1999 - 2001 гг.) по технологии
машиностроения в Российской Федерации защищено 38 доктор-
ских и 108 кандидатских диссертаций. Анализ этих работ, а также
грантов и научно-технических публикаций по технологии маши-
ностроения, научно-технических проектов по производственным
технологиям показывает, что перспективными направлениями на-
учно-технических исследований в технологии машиностроения
являются:
1)	новые наукоемкие технологии в машиностроении;
2)	комбинированные методы обработки;
3)	технологическое обеспечение и повышение качества изде-
лий машиностроения;
4)	технологическое повышение производительности и сниже-
ние себестоимости изделий машиностроения;
5)	совершенствование существующих и разработка новых
энерго- и материалообеспечивающих технологических процессов
изготовления изделий машиностроения;
6)	технологическое формирование поверхностных слоев дета-
лей машин различными методами: легирования, имплантации и
нанесения покрытий;
7)	объединение проектирования, изготовления, эксплуатации
и ремонта изделий машиностроения в единый технологический
процесс;
8)	технологическое обеспечение закономерно-изменяющегося
качества поверхностного слоя и эксплуатационных свойств дета-
лей машин;
9)	создание банка данных по технологическому обеспечению
непосредственно эксплуатационных свойств деталей машин и их
соединений;
10)	технологическая наследственность от получения материа-
лов до эксплуатации машин;
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
677
11)	новые типовые, групповые и модульные технологические
процессы изделий машиностроения;
12)	создание адаптивных технологических систем;
13)	совершенствование и разработка новых САПР технологи-
ческих процессов;
14)	технологические среды и самоорганизующиеся техноло-
гические системы.
При этом не исключается, а приветствуется открытие новых
научных направлений, которые могут внести вклад в развитие
технологии машиностроения как науки.
Жесткая конкурентная борьба машиностроительных предпри-
ятий в условиях открытой рыночной экономики, несомненно, при-
ведет к востребованности технологической науки в нашей стране.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Адаптивное управление технологическими процессами /
Ю.М. Соломенцев, В. Г. Митрофанов, С. П. Протопопов и др. М.:
Машиностроение, 1980. 536 с.
2.	Артамонов Б. А., Волков Ю. С., Дрожалова В. И. и др.
Электрофизические и электрохимические методы обработки мате-
риалов: Учебн. пособие. В 2-х т. / Под ред. В. П. Смоленцева.
М.: Высш, шк., 1983. Т. 1 - 247 с.; Т. 2 - 208 с.
3.	Базров Б. М. Модульная технология в машиностроении.
М.: Машиностроение, 2001.368 с.
4.	Князева С. Н., Курдюшов С. П. Законы эволюции и само-
организация сложных систем. М.: Наука, 1994. 325 с.
5.	Колесов И. Н. Основы технологии машиностроения: Учеб-
ник для машиностроит. спец, вузов. 2-е изд., испр. М.: Высш, шк.,
1999. 591 с.
6.	Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов:
Справочник / Н. Н. Рыкалин, А. А. Углов, И. В. Зуев, А. Н. Кокора.
М.: Машиностроение, 1989.496 с.
7.	Маталин А.А. Технология машиностроения: Учебник для
машиностроительных вузов по специальности «Технология маши-
ностроения, металлорежущие станки и инструменты». Л.: Маши-
ностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. 496 с.
8.	Машиностроение. Энциклопедия. Т. Ш-3. Технология из-
готовления деталей машин / А. М. Дальский, А. Г. Суслов,
Ю. Ф. Назаров и др.; Под общ. ред. А. Г. Суслова. М.: Машино-
строение, 2000. 840 с.
9.	Машиностроение. Энциклопедия. Т. Ш-4. Сборка машин /
Ю. М. Соломенцев, А. А. Гусев и др.; Под общ. ред. Ю. М. Соло-
менцева. М.: Машиностроение, 2000. 760 с.
10.	Обработка металлов резанием с плазменным нагревом /
Н. А. Резников, М. А. Шатерин, В. С. Кунин, Л. А. Резников.; Под
общ. ред. А. Н. Резникова. М.: Машиностроение, 1986. 232 с.
ЛИТЕРАТУРА
679
11.	Подураев В. Н. Автоматически регулируемые и комбини-
рованные процессы резания. М.: Машиностроение, 1977. 304 с.
12.	Рыжов Э. В. Технологические методы повышения износо-
стойкости деталей машин. Киев: Наукова думка, 1984. 272 с.
13.	Рыжов Э. В., Аверченков В. И. Оптимизация технологи-
ческих процессов механической обработки. Киев: Наукова думка,
1989. 222 с.
14.	Смелянский В. М. Механика упрочнения поверхностного
слоя деталей машин в технологических процессах поверхностного
пластического деформирования. М.: Машмир, 1992. 60 с.
15.	Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 1 /
Под ред. А. М. Дальского, А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова,
А. Г. Суслова. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение-1,
2001.912 с.
16.	Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 2 /
Под ред. А. М. Дальского, А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова,
А. Г. Суслова. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение-1,
2001.905 с.
17.	Старков В. К. Обработка резанием. Управление стабиль-
ностью и качеством в автоматизированном производстве. М.: Ма-
шиностроение, 1989. 296 с.
18.	Сулима А. М., Шулов В. А., Ягодкии Ю. Д. Поверхност-
ный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Ма-
шиностроение, 1988. 240 с.
19.	Суслов А. Г. Качество поверхностного слоя деталей ма-
шин. М.: Машиностроение, 2000. 320 с.
20.	Технологическая наследственность в машиностроитель-
ном производстве / А. М. Дальский, Б. М. Базров, А. С. Васильев и
др.; Под ред. А. М. Дальского. М.: Изд-во МАИ, 2000. 364 с.
21.	Технология машиностроения. В 2-х т. Т. 1. Основы техно-
логии машиностроения: Учебник для вузов / В. М. Бурцев,
А. С. Васильев, А. М. Дальский и др.; Под ред. А. М. Дальского.
М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. Изд. 2-е, перераб. и доп.,
2001.564 с.
680	ЛИТЕРАТУРА
22.	Технология машиностроения. В 2-х т. Т. 2. Производство
машин: Учебник для вузов / В. М. Бурцев, А. С. Васильев,
О. М. Деев и др.; Под ред. Г. И. Мельникова. М.: Изд-во МГТУ
им. Н. Э. Баумана. Изд. 2-е, перераб. и доп., 2001.640 с.
23.	Технологические основы обеспечения качества машин /
К. С. Колесников, Г. Ф. Баландин, А. М. Дальский и др.; Под общ.
ред. К. С. Колесникова. М.: Машиностроение, 1990. 256 с.
24.	Шнейдер Ю. Г. Технология финишной обработки давле-
нием: Справочник. СПб.: Политехника, 1998. 414 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ.................................... 3
Глава 1. ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ИЗДЕЛИЙ МАШИНО-
СТРОЕНИЯ, ИХ ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ И
КАЧЕСТВО......................................... 6
1.1.	Жизненный цикл изделий машиностроения и
его технологическая составляющая......... 6
1.2.	Функциональное назначение изделий машино-
строения ................................ 13
1.3.	Качество изделий машиностроения..... 22
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНО-
СТИ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ...................... 78
2.1.	Современное понятие о точности в машино-
строении ................................ 78
2.2.	Точность заготовок.................. 84
2.3.	Технологический маршрут и расчет припусков	95
2.4.	Погрешность установки............... 104
2.5.	Определение и анализ элементарных погрешно-
стей .................................... 111
2.6.	Суммирование элементарных погрешностей ...	142
2.7.	Обеспечение точности прецизионных деталей.
Нанотехнология........................... 155
2.8.	Эволюция точностных характеристик при фор-
мировании соединений..................... 168
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕ-
СТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ..	185
3.1.	Теоретическое описание взаимосвязи парамет-
ров качества поверхностного слоя деталей машин с
условиями их обработки .................. 185
3.2.	Экспериментальное установление взаимосвязи
параметров качества поверхностного слоя деталей
машин с условиями их обработки........... 229
682
ОГЛАВЛЕНИЕ
3.3.	Методология технологического обеспечения ка-
чества поверхностного слоя деталей машин.... 258
3.4.	Влияние состояния металлорежущих станков на
параметры качества обрабатываемых поверхностей
деталей и надежность их технологического обеспе-
чения ...................................... 291
3.5.	Технологическое создание закономерно изме-
няющегося качества поверхностного слоя деталей	303
Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И ПО-
ВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЕТА-
ЛЕЙ МАШИН И ИХ СОЕДИНЕНИЙ......................... 309
4.1.	Изменение качества поверхностного слоя дета-
лей при эксплуатации........................ 309
4.2.	Технологическое обеспечение эксплуатацион-
ных свойств деталей машин и их соединений...	319
4.3.	Технологическое повышение долговечности из-
делий машиностроения........................ 340
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ В
МАШИНОСТРОЕНИИ.................................... 449
5.1.	Технологическая наследственность как база
обеспечения качества машиностроительных изделий 449
5.2.	Закономерности технологического наследова-
ния 	 464
5.3.	Технологическая наследственность при изго-
товлении деталей машин...................... 482
5.4.	Теоретическое определение технологического
наследования параметров качества............ 510
5.5.	Технологическая наследственность при сборке
изделий..................................... 516
5.6.	Технологические регламенты............. 526
ОГЛАВЛЕНИЕ
683
Глава 6. САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ ТЕХНОЛОГИЧЕ-
СКИЕ СИСТЕМЫ................................. 532
6.1.	Явления самоорганизующихся систем. 532
6.2.	Самоорганизация на этапе изготовления мате-
риала ................................. 539
6.3.	Самоорганизация на этапе изготовления загото-
вок ................................... 541
6.4.	Самоорганизация технологических систем при
механической обработке и сборке........ 544
6.5.	Нелинейность при самоорганизации технологи-
ческих систем.......................... 556
Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗ-
ВОДИТЕЛЬНОСТИ И СНИЖЕНИЕ ЦЕНЫ ИЗДЕЛИЯ .... 560
7.1. Производительность и технологическая себе-
стоимость ............................. 560
7.2. Цена изделий машиностроения с учетом их ка-
чества ................................ 592
Глава 8. МЕТОДЫ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИС-
ТЕМЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ТЕХНОЛОГИИ
МАШИНОСТРОЕНИЯ............................... 598
8.1. Методы научных исследований в технологии
машиностроения......................... 598
8.2. Автоматизированные системы научных иссле-
дований в технологии машиностроения.... 627
Глава 9. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
И СОЗДАНИЯ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И НАУКОЕМКИЕ
ТЕХНОЛОГИИ................................... 645
9.1. Научные основы совершенствования техноло-
гических методов обработки деталей машин. 645
684
ОГЛАВЛЕНИЕ
9.2. Научные основы создания новых технологиче-
ских методов обработки и процессов изготовления
деталей машин.......................... 653
9.3. Наукоемкие конкурентоспособные технологии в
машиностроении......................... 669
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................... 676
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................ 678
НАУЧНАЯ МОНОГРАФИЯ
Суслов Анатолий Григорьевич, Дальский Антон Михайлович
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
МАШИНОСТРОЕНИЯ
Редактор Д.А. Вылегжанин.
Переплет художника Т.Н. Погореловой.
Корректор А.П. Лебедева.
Инженеры по компьютерному моделированию:
ИВ. Евсеева, Г.Ю. Корабельникова, М.А. Филатова
Лицензия ИД № 05672 от 22.08.2001
Сдано в набор 15.07.02. Подписано в печать 13.09.02. Формат 60x88/16
Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать офсетная
Усл. печ. л.42,14. Усл. кр.-отт. 42,14. Уч.-изд. л. 40,21.
Тираж 2000 экз. Заказ 6780
ФГУП «Издательство «Машиностроение»
107076, Москва, Стромынский пер., 4
Отпечатано в ГУП ППП «Типография Наука» РАН
121099, Москва, Шубинский пер., 6
ДЛЯ ЗАМЕТОК
ДЛЯ ЗАМЕТОК
ДЛЯ ЗАМЕТОК