После сравнительной оценки марок перечня, удовлетворяющих предъявляемым требованиям, по свойствам и стоимости следует провести аналогичную оценку материалов по технологичности, поскольку она в значительной степени влияет на трудоемкость (производительность) и в этом смысле будет дополнять оценку по стоимости.

Применительно к сталям и сплавам технологичность характеризуют возможные методы их обработки. В связи с этим она оценивается по обрабатываемости резанием и давлением, свариваемости и литейности.

Прежде всего надо иметь в виду, что наименьшая трудоемкость достигается при изготовлении деталей машиностроения литьем. Поэтому в случае возможности обеспечения требуемых эксплуатационных свойств металла этот способ изготовления является предпочтительным; при этом должны использоваться литейные стали и сплавы (см. группу 134 по классификации).

Достаточно экономичным по соображениям трудоемкости и предпочтительным может оказаться метод изготовления сваркой: в этом случае надо ориентироваться на свариваемые стали и сплавы (см. группу 133 по классификации).

В машиностроении, однако, чаще всего используются более трудоемкие методы обработки давлением и резанием; выбор более технологичного материала, а также его предвари­тельной обработки при этом имеет большое значение (см. группу 132). Особенно важной представляется оценка обрабатываемости сталей и сплавов резанием, поскольку без этого трудно обойтись даже при изготовлении деталей другими способами.

     Обрабатываемость сталей и сплавов резанием определяется в условиях точения резцами, оснащенными твердыми сплавами Т5К10, ВК8 (для аустенитных сталей и сплавов) и резцами из быстрорежущей стали Р18, Р12, Р6М5 (для углеродистых и легированных сталей) при постоянных значениях глубины резания 1,5 мм, подачи 0,2 мм/об и главного угла в плане резца 60°. Оценка производится по коэффициентам обрабатываемости для условий точения твердосплавными резцами K _{о. т.с} = V ₆₀ /145,

 а резцами из быстрорежущей стали K _{о. б.ст} = V ₆₀ /70

где V ₆₀, - скорость резания, соответствующая 60-минутной стойкости при точении оцениваемой стали; 145 и 70 — скорости резания, соответствующие 60-минутной стойкости твердосплавленных резцов и резцов из быстрорежущей стали при точении эталонной стали 45 с пределом прочности 650 МПа и твердостью 179 НВ.

Коэффициенты обрабатываемости сталей и сплавов можно найти в справочной литературе.

При оценке технологичности сталей и сплавов следует при необходимости принимать во внимание склонность их к деформации и короблению при термическое обработке, к отпускной хрупкости, а также флокеночувствительность. Что касается прокаливаемости сталей, то она учитывается при формировании перечня марок, удовлетворяющих заданным требованиям.

Применительно к неметаллическим материалам при оценке технологичности важно учитывать, что они часто выбираются как материал для данной детали с присущим ей распределением нагрузок в процессе эксплуатации. Поэтому решающее значение приобретает выбор способа изготовления детали. В связи с этим нередко возникает необходимость проведения предварительных исследований сущности процессов формования, результаты которых используются при выборе технологических параметров и оборудования. Особое внимание уделяется технологическим свойствам исходных материалов (вязкостные свойства связующего, деформационные и фильтрационные характеристики наполнителя). Оценка технологичности должна проводиться применительно к детали (изделию).

В целом же следует иметь в виду, что многие из неметаллических материалов более технологичны, чем стали и сплавы. Это относится прежде всего к полимерным материалам, которые в процессе переработки превращаются в детали (изделия) с заранее заданными эксплуатационными свойствами, вследствие чего энергетические затраты на производство сокращаются. Трудоемкость изготовления деталей при этом понижается в 1,5-3,0, а иногда в 10-20 раз; производительность же увеличивается до 15 раз. Вот почему изготовление деталей из таких материалов, несмотря на их сравнительно высокую стоимость, как правило, представляется экономически более оправданным.

С использованием данных, полученных на этапе сравнительной оценки, уже представляется возможность принять решение о выборе материала для многих деталей без дополнительного ана­лиза их работы в условиях эксплуатации путем математического моделирования, о чем речь пойдет позже.

Проиллюстрируем это на примерах.

    Пример 1. Выбрать материал и упрочняющую обработку для силовых болтов шатунного механизма газового компрессора, если известно, что напряжение в нем не превышает 700 МПа, а разогрев при работе может достигать 300°С.

Прежде всего надо уяснить задачу (если потребуется, с привлечением конструктора). Из характера взаимодействия деталей вытекает, что пластическая деформация болтов недопустима, поэтому в качестве оценочной характеристики будем использовать предел текучести. Поскольку болты работают на растяжение, необходимо обеспечить равнопрочность материала по всему сечению не менее 35 мм. Динамичность нагружения не должна приводить к хрупкому разрушению и потере работоспособности такого сложного изделия, как компрессор. По опыту эксплуатации деталей-аналогов известно, что это достигается при ударной вязкости не менее 50 Дж/см².

Рассмотрим два возможных варианта.

1) Стационарно работающий компрессор

Основой для решения любой задачи выбора материалов, как указывалось ранее, является их классификация по назначению. В данном случае по очевидным причинам речь должна идти о сталях и сплавах (см. подразд. 4.2.1).

Рассматриваемая деталь является составной частью установки, испытывающей механические воздействия, поэтому надо рассматривать класс 1, подклассы 11 и 12. Применительно к сталям, вследствие динамичности нагружения и необходимости по­лучения структуры сорбита отпуска, будем ориентироваться на Из приведенной таблицы видно, что по удельной прочности выбранные стали уступают титановому сплаву, но для рассматриваемого компрессора ограничения по массе не выдвигались. Следовательно, при этом оценку надо проводить по другим критериям. По стоимостным показателям применение сталей значительно выгоднее. К тому же они не уступают титановому сплаву по технологичности (горячая штамповка и обработка резанием). Сопоставление же сталей между собой по удельной стоимости и коэффициентам обрабатываемости позволяет сделать окончательное заключение о целесообразности изготовления силовых болтов стационарного компрессора из стали ЗОХГСА с улучшающей термической обработкой.

2) Компрессор для летательного аппарата Проведенный выше анализ относится и к этому случаю. Однако определяющим является требование об обеспечении рабо­тоспособности при минимальной массе. Сопоставление сталей и титанового сплава по удельной прочности показывает, что в этом случае предпочтительным является изготовление болтов из титанового сплава ВТ20 (с двойным отжигом) несмотря на значительно более высокую удельную стоимость при несколько меньшей технологичности.

После рассмотрения примера, заметим, что в зависимости от специфики и сложности поставленной задачи и приобретенных навыков отдельные этапы решения могут проводиться мысленно или даже опускаться.

    Пример 2. Выбрать материал и упрочняющую обработку для силовой тяги летательного аппарата, обеспечивающий надежность (безотказность) работы 0,999 при минимальной массе; температурный интервал эксплуатации летательного аппарата от -60 до 80°С.

Уясняем задачу. Требование минимума массы означает, что сечение тяги не ограничивается, и расчетная масса может быть отнесена к единице длины. Но при любой конкретно взятой нагрузке тяга, будучи наиболее легкой, должна обеспечивать требуемую безотказность. Пластическая деформация нарушает структуру конструкции и поэтому недопустима, из чего следует, что при решении задачи в качестве оценочной характеристики прочности надо принимать предел текучести. Из этого же вытекает, что конструкционные полимерные материалы из рассмотрения исключаются.

С учетом предъявляемых требований и указанных уточнений ориентируемся на класс 1, мысленно проходим подклассы 11, 12, группы 113, 121, 123 и по условиям задачи сосредотачиваемся на подгруппах 1132, 1212 и 1232, т.е. на высокопрочных сталях и сплавах.

В рамках выбранных подгрупп с помощью справочных источников [7,14] формируем перечень и систематизируем свойства конкурирующих марок сталей и сплавов .

В этом же перечне приведены расчетные значения характеристик удельной прочности с учетом надежности ; параметр нормированной функции в соответствии с требуемой безотказностью 0,999 был принят равным 3 (см. П 3.1).

Сопоставление данных указанного перечня показывает, что минимальная масса тяги будет обеспечиваться при изготовлении ее из высоколегированной высокопрочной стали Н13К16М10, которая, однако, пока не получила распространения в промышленности. В связи с этим более приемлемым может оказаться применение высокопрочного титанового сплава ВТ22.

Обратим внимание, что по условиям задачи влияние фактора стоимости, в отличие от предыдущего примера, здесь не рассматривалось, и поэтому оставлен без внимания вариант изготовления тяги из среднеуглеродистой высокопрочной стали 30ХГСН2А с применением НТМО. В этой связи заметим, что одновременный учет ограничения по массе и влияния стоимости материала потребует принятия компромиссного решения, допустимость которого определяется конструктором.

Ниже проведем решение задачи выбора материала в предположении, что оптимальным видом упрочняющей обработки является нитроцементация.

Основываясь на сформулированных выше требованиях, ориентируемся на класс 1, подкласс 11 и выбираем группы 111 и 113; перечень же конкурирующих марок формируем в рамках подгрупп 1112 и 1131. Основные свойства сталей конкурирующих марок представлены в табл. 12.

Таблица 12

Свойства сталей конкурирующих марок

Примечание. Охлаждающие среды: (в) — вода, (м) — масло.

Таким образом, оптимальным, применительно к условиям данного примера, будет изготовление шестерни из стали 18ХГТ.

Сопоставление приведенных данных с требованиями показывает, что стали только двух последних марок можно считать пригодными для изготовления шестерни. Для окончательного выбора проведем их сравнительную оценку. Без каких-либо расчетов ясно, что по стоимости и дефицитности легирующих элементов преимущество за сталью 18ХГТ. Особенно важной является оценка по обрабатываемости резанием, поскольку основные расходы по изготовлению шестерни падают на механическую обработку. Сталь 18ХГТ в нормализованном состоянии характеризуется такой же обрабатываемостью инструментом из быстрорежущей стали, как и эталонная сталь 45, а твердосплавным инструментом даже несколько лучшей. По стали 20ХН такая информация отсутствует, но, судя по данным, относящимся к близкой по составу стали 40ХН, обрабатываемость у нее несколько ниже, чем у стали 18ХГТ. К этому надо добавить, что сталь 18ХГТ выгодно отличается от стали 20ХН по чувствительности к отпускной хрупкости и не содержит дефицитного никеля.

Лекция 11 . Моделирование исследуемого объекта.

Основы моделирования объектов исследования.

    При моделировании технологических систем решаются поэтапно следующие задачи:

1. изучение объекта;

2. описательное моделирование, т.е. установление основных связей между отдельными характеристиками;

3. моделирование, т.е. перевод описательной модели на формальный математический язык;

4. выбор метода решения задачи;

5. составление блок-схемы, алгоритма и программы расчета на компьютере ( если требуется);

6. решение задачи с использованием технических средств;

7. анализ результатов.

Постановка задачи. Процесс любого исследования начинается с постановки задачи. Ее решение должно быть получено наиболее коротким путем. Любой объект исследования, в принципе, неисчерпаем в своих свойствах и отношениях. Исследователь должен выделять те свойства и те отношения, которые должны привести к решению поставленной задачи.

Выбор моделей исследуемого объекта. Модель – заменитель оригинала, поэтому поиск заменителя основан на интуиции исследователя и на его логических основах. Аналогия объекта исследования является особенно ценной, когда условия ее сформулированы достаточно четко и определенно.

Типы моделей. Все модели объектов можно разделить на два класса:

1) реальные (материальные);                        2) идеальные

        геометрические

        физические

        математические

И реальные и материальные модели создаются человеком и выбраны им из материальной действительности, в любом случае это продут деятельности человека. Различие между реальными и идеальными моделями заключается в природе их функционирования. Характерной особенностью реальных моделей является то, что они функционируют по естественным законам, независимо от деятельности человека. Идеальные модели, напротив, существуют лишь в деятельности человека, но функционируют по законам логики. Эти модели объективны только по своему содержанию, но субъективны по форме и не могут существовать вне этой субъективной формы.

Материальные модели можно разделить на геометрические, физические, математические.

Геометрические модели не играют существенной роли в развитии научного познания, в основном они используются в демонстрационных целях, конструкторской практике и архитектуре.

Физические модели имеют математическое описание закономерностей объекта, т.е. математическое описание действующей физической модели соответствует математическому описанию закономерностей исследования (физические формулы).

Пример: создание новых лекарственных препаратов требует исследование влияния их на организм человека. Как правило эти исследования проводят на животных (растениях), которые и являются моделью человеческого организма.

Т.О. физическое моделирование может осуществляться в двух формах:

- при наличии математического описания оригинала и модели;

- при качественной оценке аналогии между моделью и объектом.

Физическое моделирование выполняет свои функции познавательные в том случае, если количественные характеристики модели могут быть использованы для количественного исследования оригинала.

Физическая модель объекта исследования представлена системой дифференциальных уравнений с достаточно большим количеством независимых переменных. Связь между этими переменными установить аналитическим путем очень трудно или вообще не возможно ( т.е. нет возможности совместного решения уравнений).

Математическая модель, как и физическая представляют собой материальное устройство, продукт деятельности человека, функционирующее по своим законам. Математическое моделирование имеет значительные преимущества – теоретико- познавательные, что делает его незаменимым средством научного познания. Если объект исследования трудно доступен или вообще не доступен для исследования, это совсем не означает принципиальную невозможность его исследования. Последнее относится к таким сложным объектам, какими являются процессы обработки деталей, упрочняющие технологии, технологии получения изделий в машиностроении и другие. В отличии от физических моделей, математические позволяют исследовать только те факторы, которые входят в систему уравнений. Математические модели используются для исследования количественных характеристик и количественной взаимосвязи различных параметров объекта.

Лекция 12.