Общие требования к деталям машин, конструкций и инструментов

 При разработке или производстве изделий машиностроения конструктор должен ориентироваться на его соответствие современному уровню качества.

Под качеством изделий понимается совокупность свойств, обусловливающих пригодность изделий удовлетворять определённые потребности в соответствии с их назначением (ГОСТ 15467–79).

Показатели качества могут быть единичными (относятся к одному из свойств) и комплексными (относятся к нескольким свойствам). К изделиям в целом могут применяться и интегральные показатели качества (комплексные показатели, отражающие соотношение эффективности использования изделия и затрат на его создание и эксплуатацию). Перечень требуемых показателей качества зависит от назначения изделий.

При производстве изделий машиностроения требования по качеству предъявляются и контролируются на стадиях исследования и проектирования, изготовления и эксплуатации. При этом под эксплуатацией понимается совокупность всех периодов существования изделия от времени его изготовления до прекращения практического применения. Естественно, что главной характеристикой деталей или узлов машины является то, насколько качественно они выполняют рабочий режим, т.е. насколько показатели их свойств соответствуют параметрам рабочих нагрузок в процессе непосредственного использования по назначению этих деталей.

Требования к изделию в целом обычно задаются заказчиком (потребителем). Однако они могут формулироваться и самим разработчиком на основе всестороннего изучения и анализа условий реализации создаваемых изделий (конъюнктуры рынка). В том и другом случаях требования излагаются в виде технического задания на разработку изделия. В задании указываются лишь те показатели качества, которые предопределяют полезный эффект, получаемый при использовании изделия по назначению (эффективность). К таким показателям прежде всего относятся требования к надёжности изделия.

Заданные на изделие количественные характеристики надёжности в ходе проектирования на основе соответствующих расчётов распределяются между элементами изделия (узлами и блоками). Ориентируясь на последние, с учетом условий их функционирования определяются требуемые показатели качества материала, обеспечивающие надёжную работу изделия.

Отработка требований к материалу обычно включает в себя:

– определение характера нагружения (статическое, динамическое) и схемы напряжённо-деформированного состояния;

– расчет действующих нагрузок (перегрузок) и напряжений, способных вызывать разрушение детали или затупление инструмента;

– определение возникающих деформаций и оценку их допустимых значений;

– оценку возможности и степени нагрева детали при эксплуатации;

– обоснование допустимой величины снижения прочности (режущей способности инструмента), ползучести, длительной прочности;

– учёт возможности охрупчивания металла в условиях эксплуатации изделия и определение требуемого значения вязкости, допустимого порога хладноломкости;

– регистрацию характера знакопеременных нагрузок и необходимость обеспечения определённого уровня сопротивления усталостному разрушению;

– оценку наличия истирающих нагрузок и необходимость обеспечения определенного уровня износостойкости;

– определение возможности и характера агрессивных воздействий рабочей (внешней) среды и необходимости обеспечения коррозионной стойкости, склонности к старению;

– оценку возможности появления каких-либо физических воздействий и определение их допустимого уровня (магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, коэффициент теплового расширения).

В соответствии с этими условиями и с учётом характера дефектов (при производстве) или отказов (при эксплуатации изделий-аналогов) должны быть установлены количественные характеристики свойств, предъявляемых к материалу и гарантирующих такое качество детали, которое обеспечит получение требуемой надёжности изделий из конструкционных материалов.

Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов или конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Они могут работать при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых эксплуатационные, технологические и экономические.

Основные механические свойства материалов оцениваются характеристиками, определёнными при испытании на растяжение: условным пределом текучести, временным сопротивлением разрыву (часто его называют условным пределом прочности), относительным удлинением, относительным сужением.

Эти характеристики входят во все справочники конструкторов и металловедов. Они являются исходными при предварительном выборе материала для деталей и конструкций. Однако они недостаточны для оценки работы ответственных деталей в условиях эксплуатации. Поэтому было введено понятие конструкционной прочности как комплекса механических характеристик, которые обеспечивают надёжную и длительную работу материала в сложно напряжённом состоянии, это – комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, жёсткости, надёжности и долговечности. Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

Требуемые значения механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов, но и от воздействия на него рабочей среды и температуры.

Среда – жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, в которой работает материал, оказывает существенное и преимущественно отрицательное влияние на его механические свойства, снижая работоспособность деталей. В частности, рабочая среда может вызывать повреждение поверхности вследствие коррозионного растрескивания, окисления и образования окалины, а также изменение химического состава поверхностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами (например, водородом, вызывающим охрупчивание).

Кроме того, возможны разбухание и местное разрушение материала под действием ионизационного и радиационного облучения. Для того чтобы противостоять рабочей среде, материал должен обладать не только механическими, но и определёнными физико-химическими свойствами: стойкостью к электрохимической коррозии, жаростойкостью (окалиностойкостью), радиационной стойкостью, влагостойкостью, способностью работать в условиях вакуума и др.

Температурный диапазон работы современных материалов очень широк –от –269 до 1000 °С, а в отдельных случаях до 2500 °С. Для обеспечения работоспособности при высокой температуре от материала требуется жаропрочность, а при низкой температуре – хладостойкость.

В некоторых случаях важно также требование определённых магнитных, электрических, тепловых свойств, высокой стабильности размеров деталей (особенно высокоточных деталей приборов).

Технологические требования (технологичность материала) направлены на обеспечение наименьшей трудоёмкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, литейными свойствами, а также прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от неё зависят производительность и качество изготовления деталей.

Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Стали и сплавы по возможности должны содержать минимальное количество легирующих элементов. Использование материалов, содержащих легирующие элементы, должно быть обосновано повышением эксплуатационных свойств деталей.

Экономические требования, так же, как и технологические, приобретают особое значение при массовом масштабе производства.

Таким образом, качественный конструкционный материал должен удовлетворять комплексу требований.

Требования по качеству материала должны выбираться по возможности из числа характеристик, получаемых при стандартных испытаниях материалов. В случае же отсутствия уверенности в их достаточно строгой корреляции с работой детали в изделии устанавливаемые требования считаются предварительными и уточняются при разработке изделия по результатам испытания натурных образцов или соответствующих физических моделей.

В любом случае изготовленная из выбранного материала деталь или конструкция должна быть прочной, надёжной и долговечной.