Lib.ru : Луговский Виктор Васильевич. Управление качеством поверхности

Управление качеством поверхностей технических изделий .

к.т.н. В.В. Луговский

Обеспечение качества поверхностей технических изделий всегда является особой заботой их разработчиков, так как качество изделий в большинстве случаев определяется свойствами поверхностей используемых материалов, к которым предъявляются различные эксплуатационные требования. Так, например, технические поверхности должны надежно передавать нагрузки, обеспечивать герметичность соединений, обладать устойчивостью к воздействию внешней среды (коррозия, адгезия) и кроме того, иметь привлекательный внешний вид. Примерно 50% повреждений деталей машин вызваны их некачественной поверхностью. Внешний вид изделий, в частности из нержавеющих сталей, всегда был серьезной проблемой для производства. Достаточно было посетить

выставки оборудования для тонких биохимических технологий, чтобы увидеть значительно худшее качество отделки нашего оборудования по сравнению с зарубежными аналогами.

В аппаратах и установках, используемых в атомной энергетике, космосе, биотехнологии, химической промышленности качество поверхности определяет ресурс оборудования и качество выполняемых процессов.

В космических аппаратах плохое качество обработки поверхностей приводит к коррозионному растрескиванию деталей, а в биотехнологии - к недопустимому загрязнению получаемого продукта и разрушению поверхностей вследствие локальной коррозии.

Во всех развитых странах разрабатываются методы отделочной обработки поверхностей. Аэрокосмическая промышленность США является лидером в развитии методов для лучшего качества отделки металлических поверхностей. Затраты на проведение отделочных операций часто составляют более 5% от стоимости изготовления изделий, а при изготовлении аппаратов для тонких технологий затраты превышают 10%.

Основные усилия разработчиков отделочных технологий сводятся к автоматизации и повышению производительности процесса уменьшения шероховатости поверхности до величины микронеровностей в десятые и сотые доли микрона. Наибольшее распространение имеют процессы многоступенчатого шлифования и полирования деталей. Однако, как все процессы резания, данные отделочные операции вызывают неоднородную пластическую деформацию, а также не устраняют физико-химические неоднородности от предыдущей обработки (точение, сварка). Широко распространенное

электрохимическое полирование также не устраняет неблагоприятную технологическую

наследственность от предварительной механической обработки и сварки, но придает поверхностям характерный блеск, сохраняя при этом довольно развитый микрорельеф.

Наиболее распространенные физико-химические неоднородности при механической обработке и сварке связаны с неравномерным распределением дислокаций на поверхности, выпадением карбидов металлов (соединение типа MemCn) по границам зерен в виде сплошной цепочки и их неоднородного распределения по зерну в структуре металла.

Современные исследования влияния качества поверхностей на сопротивление воздействию окружающей среды выявили решающее значение физико-химического состояния поверхностного слоя в этом процессе и вторичность влияния микрогеометрических характеристик, в частности высотных параметров шероховатости поверхности. Какая бы корреляция между шероховатостью поверхности и ее эксплутационными свойствами не рассматривалась, эта корреляция справедлива в большинстве практических случаев лишь в той мере в какой изменение шероховатости сопутствует соответствующему изменению физико-химического состояния поверхностного слоя в данном технологическом процессе. Позитивным процессом во всех случаях эксплуатации является повышение степени физико-химической однородности поверхностного слоя.

В деталях американского космического корабля многоразового использования в качестве мер защиты от коррозионного растрескивания применяются методы снижения шероховатости и понижения остаточных растягивающих напряжений в поверхностном слое. Снижение шероховатости сопровождается некоторым уменьшением физико-химической неоднородности поверхности, а понижение уровня растягивающих напряжений далеко не радикальный путь, так как очевидно,что лучше иметь в поверхностном слое сжимающие напряжения. В данном случае не применяются какие либо методы контроля упорядочивания физико-химического состояния поверхностного слоя. Такая ситуация характерна для технологии производства многих ответственных технических изделий различного назначения.

В большинстве случаев отделочные технологии имеют целый ряд серьезных недостатков : высокая трудоемкость получения низкой шероховатости поверхности, ограниченные возможности управления физико-химическим состоянием поверхностного слоя, неблагоприятное воздействие процесса обработки на человека .

Производства, где применяются отделочные обработки полированием, шлифованием

весьма неблагоприятны в экологическом отношении, они загрязнены пылью и характеризуются повышенным шумом. Электрохимические методы отделки также

характеризуются высокой вредностью и опасностью для человека.

Давно известен метод отделочной обработки практически свободный от указанных недостатков. Метод поверхностного пластического деформирования (ППД) был известен

еще в начале века, но развитие получил лишь в шестидесятых годах. В это время он начинает применяться в автомобилестроении, тракторостроении, авиастроении. Срок службы деталей, обработанных ППД, возрастал на порядок, а их прочность- на 50-200%.

В ряде случаев была установлена высокая термическая устойчивость упрочненного слоя,

что позволяло сохранять его усталостную прочность при повышенных температурах.

Технология ППД позволяет улучшить 32 свойства металлической поверхности, в том числе коррозионную стойкость, очищаемость от технологических загрязнений при мойке, очищаемость при вакуумировании, гидроплотность.

Однако широкого внедрения прогрессивного метода обработки в нашей стране в различных отраслях промышленности так и не произошло. Значительную роль в этом играли экономические причины, но в ряде отраслей (космическое, биологическое, химическое, энергетическое машиностроение) отсутствовали научно-обоснованные рекомендации заводским технологам и разработчикам оборудования по применению технологии ППД. Научные исследования влияния ППД на физико-химическое состояние

поверхностного слоя, развивавшиеся в восьмидесятых годах, по понятным причинам сейчас существенно сократились.

В то же время тенденции к расширению использования ППД во всем мире сохранилась. Наибольшее практическое использование методов ППД имеет место в Германии, где традиционно уделяется серьезное внимание повышению надежности и ресурса деталей. с помощью внедрения новых технологий. Например, хорошо известны разработки фирмы Hegensheidt, которая выпускает широкую гамму инструмента и оборудования для обработки ППД в автомобильной промышленности. Инструмент для комбинированной обработки резанием и ППД производит фирма Boehringer, а в США -- фирма Madison . В то же время можно твердо утверждать, что возможности метода по управлению качеством поверхностного слоя использованы далеко не полностью.

Сущность метода ППД поверхностного слоя заключается в подавлении исходной шероховатости с помощью деформирующего элемента (шара, алмазного наконечника),

прижимаемого к поверхности с помощью силового элемента ( пружина, гидропласт). На рис. 1 схематично представлен процесс поверхностного пластического деформирования.

Деталь вращается, установленная, например, в патрон токарного станка, а деформирующий инструмент движется с малой подачей вдоль поверхности детали. За один проход высота микронеровностей снижается в десятки раз по Ra (средне-арифметическая высота микронеровностей). На значительную глубину (свыше 0,5 мм)

наводятся сжимающие напряжения, которые затем переходят в растягивающие.

Как установлено автором, для снижения воздействия внешней среды на поверхность, несущую какую либо эксплуатационную нагрузку, в большинстве случаев необходимо при обработке ППД установить режимы, которые обеспечивают достижение высокой микротвердости и высокие степени однородностей по микротвердости и твердости. Высокая микротвердость характеризует выпадение упрочняющей фазы в поверхностном слое, однородность микротвердости -- равномерность распределения упрочняющей фазы по зерну металла, например распределение карбидов. Контроль однородности по твердости обеспечивает устранение неблагоприятной технологической наследственности от предыдущей обработки точением или сварки в виде скоплений дислокаций, а также

однородность пластической деформации при обработке ППД.

Установлено что, поверхности легированных сталей, обработанные ППД и имеющие высокую степень однородности по данным параметрам имеют более низкую вероятность возникновения локальной коррозии, чем полированные поверхности.

Однородное распределение карбидов в поверхностном слое металла сварного шва, возникающее при соответствующей оптимизации режимов обработки, устраняет склонность металла к межкристаллитной коррозии (коррозия по границам зерен металла в случае выпадения на них карбидов в виде сплошной цепочки при сварке). На рис.2 изображено распределение критерия склонности стали к межкристаллитной коррозии

(Кр) вблизи сварного шва после обработки шлифованием (а) и ППД (b). Металл, находящийся в области, где Кр>К1, является склонным к коррозии. Данная склонность устраняется полностью при обработки поверхности сварного шва ППД, что отражается

соответствующими величинами Кр в области сварного шва. Подобный эффект не может

быть получен при обработке сварных швов шлифованием или электрополированием, хотя именно эти технологии чаще всего применяются в качестве заключительных операций.

Имеются также экспериментальные данные, свидетельствующие о диффузии легирующих элементов (Cr, Ti, Mo) к поверхности в процессе обработки ППД, что приводит к устранению в поверхностном слое зон, обедненных легирующими элементами вследствие сварки или интенсивного нагрева металла при шлифовании.

Наряду с повышением химической однородности поверхностного слоя металла в зоне сварного шва , в результате обработки ППД в нем устраняются растягивающие напряжения, сформированные в результате сварки. Возникающие при этом сжимающие напряжения увеличивают коррозионно-механическую прочность соединения.

Таким образом обработка ППД позволяет создавать поверхностные слои с весьма полезными свойствами для аппаратов и установок, используемых во многих современных технологиях.

Условие оптимизации для процесса обработки аппаратов и установок различного назначения может быть следующим:

H ----> max ; H - величина микротвердости

DH = < const1; DH - величина однородности по микротвердости

DHV =< const2; DHV - величина однородности по твердости

const1,const2 - устанавливаются в результате исследований .

По значениям данных параметров можно оценить вероятность локальной коррозии металлических поверхностей при прочих равных условиях.

Закономерно, что установление порядка в структурно-фазовом состоянии поверхностного слоя металла вместо хаотического расположения его компонентов обеспечивает возрастание сопротивления поверхности детали к воздействию внешних влияний.

Преимуществом технологии ППД по сравнению с технологиями, основанными на резании или травлении металла, является наличие 6--8 технологических факторов, изменяя которые можно создавать поверхностные слои с различными характеристиками как по микрогеометрии (регулярные микрорельефы) так и по физико-химическому состоянию (активные и пассивные поверхности).

Решение задачи оптимизации эксплуатационных свойств достигается при использовании компьютерных программ для обработки экспериментальных данных, полученных в процессе варьирования технологических факторов ППД.

Одним из наиболее значимых технологических факторов, влияющих на экплуатационные характеристики поверхностного слоя , является усилие деформирования. В частности, на рис.3 представлена зависимость критерия сопротивления поверхностного слоя локальной коррозии (Е) от усилия деформирования. Оптимальное усилие деформирования (Р opt) можно установить экспериментально для различных сталей. Однако следует отметить, что прочие технологические факторы (подача инструмента, скорость обработки, диаметр деформирующего элемента и др.) также оказывают при определенных условиях существенное влияние на достигаемые эксплуатационные характеристики.

Преимуществом данной отделочной технологии является простота, экологическая чистота, низкие затраты на инструмент, стабильность качества получаемой поверхности,

высокая производительность обработки (в 5-10 раз выше чем при шлифовании). Обработка ППД хорошо встраивается в общий технологический процесс изготовления детали на универсальном оборудовании. Существенным достоинством является отсутствие необходимости контролировать качество поверхности деталей с помощью приборов, достаточно лишь установить правильный режим работы оборудования и стабильность качества будет обеспечена.

Несмотря на бесспорные достоинства обработки ППД , информация о научно-технических разработках в данной области является доступной лишь узкому кругу специалистов, и в настоящее время большинство разработчиков различных технических изделий и технологов не имеют какого-либо представления о технологии ППД.

Некоторые технические проблемы в применение метода ППД возникают при обработке мелких отверстий и крупногабаритных деталей аппаратов и установок.

В первом случае инструмент должен состоять из деталей небольшого размера для работы внутри канала, например диаметром 4 мм. Во втором случае возникает проблема высоких скоростей обработки для ведения процесса с приемлемой производительностью,

а также необходимость стабилизации усилия деформирования из-за отклонения формы деталей от правильной геометрической формы. Для решения этих вопросов разработана схема инструмента, когда деформирующий элемент (оправка с шаром) свободно перемещается в потоке смазочно-охлаждающей жидкости. Инструмент обладает универсальностью и большими возможностями , что снимает большую часть вопросов по широкому применению обработки ППД на производстве. Данный инструмент достаточно прост для реализации в условиях любой ремонтной мастерской .

Применение такого инструмента создает реальную возможность управления качеством поверхностного слоя деталей аппаратов и установок, предназначенных для современных технологий, применяемых в энергетике, космосе, биотехнологии. Возможность использования технологии ППД для обработки всех поверхностей изделия была доказана при серийном производстве биотехнологического оборудования . В данном случае было реализовано управление физико-химическим состоянием и микрогеометрией поверхностного слоя деталей. В частности в 1990--1992 г.г. серийно выпускалась установка стерилизующей фильтрации, опытный образец которой показал более высокую коррозионную стойкость, удобство санитарной обработки и лучший внешний вид по сравнению с аналогичной установкой, поверхности которой подвергали шлифованию (рис.4). Опытный образец установки был разработан специально созданным для данной цели творческим коллективом, состоящим из конструкторов и технологов, что позволило в полной мере использовать возможности технологии ППД.

Результаты исследований направленного формирования поверхностного слоя наряду с последними изобретениями устройств для высокоскоростной обработки ППД позволяют расширить применение этой отделочной операции при производстве различных технических изделий и таким образом повысить их конкурентноспособность.

Весьма многообещающими для получения полезных эффектов в поверхностных слоях являются дальнейшие исследования в области ППД. В настоящее время установлен целый ряд физико-химических состояний поверхностного слоя, возникающих при различных условиях ППД. Так например, возможно выпадение значительного количества мелкодисперсных карбидов в поверхностном слое толщиной 40-120 мкм, что приводит

во время взаимодействия с агрессивной средой к возникновению на поверхности защитной фазовой пленки, тормозящей процесс растворения металла. Данное состояние обеспечивает также снижение вероятности возникновения локальной коррозии. Можно создать состояние ,когда поверхностный слой обеднен дислокациями и карбидами, и тогда он имеет повышенное сопротивление травлению.

Дальнейшее улучшение качества поверхностного слоя необходимо вести в направлении создания сверхмелкозернистых структур и структур с высокой дисперсностью упрочняющих фаз. Как известно такие структуры уже получены с помощью лазерной обработки металлической поверхности (лазерное глазурирование). На поверхности в условиях быстрых нагрева и охлаждения создается аморфный (стеклообразный слой), обладающий высокой твердостью и повышенными эксплуатационными свойствами. Скорость охлаждения поверхностного слоя при этом превышает 100000 град/сек.

По некоторым данным скорости охлаждения при обработки ППД могут быть близки также к 100000 град/сек, что указывает на потенциальные возможности ППД для получения сверхмелкозернистых структур в поверхностном слое.

Температура нагрева поверхностного слоя может достигаться с помощью увеличения скорости обработки и усилия деформирования.

Таким образом можно предположить возможность дальнейшего измельчения зерна металла и повышение дисперсности фаз внедрения, что обеспечит повышение эксплутационных свойств.

Технология ППД, имея в основе простой принцип, содержит широкие возможности влияния на эксплуатационные свойства деталей, которые будут реализованы в полной мере только в следующем столетии. Потребность в применении этой технологии прежде всего будет основана на возрастающих требованиях к внешнему виду, экономичности производства и эксплуатации изделий, экологии.

усилие деформирования

Ra=3,2 мкм Ra=0,06 мкм

-- 1

подача инструмента -- 2

вращение детали 1 - деформирующий шар

2 - эпюра остаточных напряжений

Рис.1. Схема процесса ППД.

Кр <---- сварной шов

К1

-- a

--- b

< ------- расстояние от сварного шва------>

Рис.2. Распределение критерия склонности стали к межкристаллитной

коррозии по длине сварного образца: а - для поверхности после

шлифования, b - для поверхности после ППД.

--- a

--- b

P opt P

Рис.3. Зависимость критерия сопротивления локальной коррозии Е

от усилия деформирования Р. а -- после обработки ППД,

b -- после обработки полированием.

Рис.4.

Оставить комментарий © Copyright Луговский Виктор Васильевич (lugovsky@inbox.ru) Размещен: 15/02/2012, изменен: 13/10/2015. 25k. Статистика. Статья: Техника Технология Иллюстрации/приложения: 4 шт.	Ваша оценка:
Аннотация: Технология поверхностно-пластической обработки деталей биотехнологического оборудования из нержавеющей стали с целью повышения коррозионной стойкости.

Луговский Виктор Васильевич Управление качеством поверхности

Луговский Виктор Васильевич
Управление качеством поверхности