Сравнительная оценка по технологичности

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 (для углеродистых и легированных сталей). Оценка производится по коэффициентам обрабатываемости для условия точения твердосплавными резцами

а резцами из быстрорежущей стали

где V₆₀ - скорость резания, соответствующая 60-минутной стойкости при точении оцениваемой стали; 145 и 70 - скорости резания, соответствующие 60-минутной стойкости твердосплавлен-ных резцов и резцов из быстрорежущей стали при точении, как уже указывалось, эталонной стали 45.

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 термической обработке, к отпускной хрупкости, а также флоеночувствительность. 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 формирования, результаты которых и 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 в ходе сравнительной оценки, уже представляется возможность принять решение о выборе материала для многих деталей без дополнительного анализа их работы в условиях эксплуатации с использованием математического моделирования, о чем речь пойдет позже.

Пример. Выбрать материал для силовых болтов шатунного механизма газового компрессора, если известно, что напряжение 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.

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 группы 111 и 113; перечень марок следует формулировать из тех сталей, которые входят в подгруппы 1112,1131 и 1132. Применительно же к сплавам следует рассмотреть группу 123, а перечень составлять, ориентируясь на подгруппы 1231 и 1232.

Формирование перечня в рамках указанных подгрупп надо начинать с наиболее простых сталей и сплавов с постепенным их усложнением по содержанию вводимых элементов в рамках марочного состава. Одновременно должны систематизироваться необходимые данные по механическим свойствам.

Применительно к сталям такие данные представлены в табл. 6 [28].

Как и следовало ожидать, углеродистые стали не годятся прежде всего из-за малой прокаливаемости. Не удовлетворяют предъявленным требованиям и стали 40Х, 40ХС, также из-за недостаточной прокаливаемости и малой теплостойкости. Сталь 40ХН, хотя и обеспечивает получение свойств, близких к требуемым, все же неприемлема, поскольку она склонна к отпускной хрупкости и для получения нужной ударной вязкости требует после отпуска охлаждения в воде, что сопряжено с увеличением остаточных напряжений и появлением нежелательных деформаций. Полностью отвечающими требованиям можно считать стали 30ХГСА и 30ХН2МА.

Таблица 6.

Механические свойства рассматриваемых сталей

Марка	Термическая обработка	МПа	(при 300 °С), МПа	KCU, Дж/см^2	Дополнительные данные
	Закалка, отпуск 500 °С				D90 = 10-15 мм (вода)
	Закалка, отпуск 500 °С				Сечение 40 мм
40Х	Закалка, отпуск 550 °С				D90 = 6-35 мм (масло)
40ХС	Закалка, отпуск 540 °С (вода) Закалка, отпуск 600 °С (вода)	1080 730		34 108	Сечение 22 мм Сечение 40 мм
40ХН	Закалка, отпуск 500 °С (вода)				D90 = 18-56 мм (масло)
30ХГСА	Закалка, отпуск 560 °С				Сечение 50 мм
30XH2MA	Закалка, отпуск 600 °С				D90 = 75 мм (масло)

- диаметр (критический), при котором после закалки в указанной среде обеспечивается получение 90% мартенсита.

Применительно к сплавам в рамках указанных подгрупп речь может идти о псевдо-β-сплавах и (α + β)-сплавах титана. Проведенный аналогично предыдущему анализ показал, что такими сплавами являются ВТ20 и ВТЗ-1, характеризующиеся пределом текучести (при 300 °С) 730 и 800 МПа и ударной вязкостью при комнатной температуре 40-50 и 30-40 Дж/см2 соответственно. Поскольку последняя у сплава ВТЗ-1 может выходить из установленных пределов, предпочтение следует отдать сплаву ВТ-20.

Таким образом, удовлетворяющими требованиям остались три конкурирующие марки: стали 30ХГСА (закалка, отпуск 560 °С) и 30ХН2МА (закалка, отпуск 600 °С), сплав ВТ20 (двой­ной отжиг 700-850 и 600-650 °С).

Для выбора наилучшего варианта проведем их сравнительную оценку по удельным характеристикам прочности и стоимости, а также обрабатываемости. Данные соответствующих расчетов представлены в табл. 7.

Таблица 7.

Сравнительная оценка конкурирующих

вариантов сталей и сплава

Марка	Удельная прочность (при 300 °С), км	Удельная стоимость	Коэффициент обрабатываемости
	Ко б.с.	K o. т.с.
30ХГСА	9,7	0,24	0,75	0,85
30ХН2МА	10,3	0,43	0,4	0,7
BT20	16,5	9,58	-

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 30ХГСА с улучшающей термической обработкой.

2) Компрессор для летательного аппарата. Проведенный выше анализ относиться 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. Выбрать материал 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 [18, 28] формируем перечень и систематизируем свойства конкурирующих марок сталей и сплавов (табл. 8).

В этой же таблице приведены расчетные значения характеристик удельной прочности с учетом надежности; параметр нормированной функции в соответствии с требуемой безотказностью 0,999 был принят равным 3.

 

 

Таблица 8.

Свойства конкурирующих марок сталей и сплавов

Марка	, т	Термическая обработка	МПа		KCU, Дж/см2	, км
	7,8	Закалка, отпуск 200 °С		0,05		16,7
30ХГСН2А		Закалка 900 °C, HTMO: 550 °С, деформация 25, 25, 13% (три прохода), отпуск 275 *С		0,05		23,7
Н18К9М5		Закалка, старение 500 °С		0,05		20,6
Н13К16М10		Закалка, старение 500 °С		0,05		29,7
В95	2,85	Прессование, закалка, ступенчатое старение (170, 120 °С)		0,04	(30)	17,3
В96	2,85	Прессование, закалка, ступенчатое старение (170, 120 °С)		0,04	(25)	19,8
BT22	4,5	Деформация, закалка и старение 575 °С		0,04		25,3

Примечание. В скобках коэффициент интенсивности напряжений (МПа*м1/2).

 

Сопоставление данных указанной таблицы показывает, что минимальная масса тяги будет обеспечиваться при изготовлении ее из высоколегированной высокопрочной стали Н13К16М10, которая, однако, вследствие дефицитности кобальта и молибдена 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.

В заключение подчеркнем, что полученные в результате проведенного анализа решения относятся к данному конкретному случаю не только по условиям задачи, но и по способам получения сталей и сплавов, поскольку они оказывают влияние на однородность свойств материалов; это находит отражение в расчетных характеристиках удельной прочности с учетом надежности через коэффициенты вариации.

Пример. Выбрать материал для изготовления шестерни двигателя с расчетным напряжением 580 МПа и контактными напряжениями на поверхности 1300 МПа.

Уясняем задачу. Материал подвергается динамическим изгибающим нагрузкам при высоких контактных воздействиях в условиях трения скольжения. Деформация зубьев недопустима, поэтому оценочной характеристикой прочности принимаем предел текучести. Контактная выносливость зависит от твердости поверхности; с учетом эмпирической зависимости (σ_к =23 HRC) определяем требуемую твердость поверхности >57 HRC. Вследствие цикличности нагружения материал детали, наряду с требуемой прочностью, должен обладать определенным запасом вязкости; по опыту эксплуатации изделий-аналогов ударная вязкость должна быть не менее 50 Дж/см2.

Для решения задач обеспечения высокой прочности стали в сочетании с необходимой вязкостью при высокой твердости по­верхности детали существует несколько видов упрочняющей обработки. Основными из них являются химико-термическая обработка и поверхностная закалка. Для решения этих же задач может использоваться поверхностная пластическая деформация, однако она более эффективна в комбинации с вышеуказанными видами. Для достижения аналогичных целей начинают применять закалку с низким отпуском сталей пониженной прокаливаемости.

Каждый из указанных видов упрочняющей обработки имеет свои преимущества и недостатки, с учетом которых производится их выбор. Однако не всегда таких качественных соображений достаточно, чтобы выбор был оптимальным. Вместе с тем, выбор материала зависит от вида упрочняющей обработки. Необходимо, таким образом, системное рассмотрение вопроса - одновременный выбор и материала и вида упрочняющей обработки.

Вопросы оптимальности выбора вида (технологии) упрочняющей обработки будут рассмотрены позже. Здесь же 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. 9 [28].

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 лучше. По стали 20ХН такая информация неизвестна, 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.

Таблица 9.

Свойства сталей конкурирующих марок

Марка	Термическая обработка	МПа	, %	KCU, Дж/см^2	HRC (поверхность)	Сечение заготовки, мм
	XTO, закалка (в), отпуск 180-200 °С	290-340			55-63
20Х	XTO, закалка (м), отпуск 190 °С				55-63
15ХФ	XTO, закалка (м), отпуск 200 °С	350-380	16-20	59-98	59-63	-
20ХН	XTO, закалка (м), отпуск 190 °С				59-62
18ХГТ	XTO, закалка (м), отпуск 180-200 °С				57-63
Примечание. Охлаждающие среды: (в) - вода, (м) - масло.

 

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