Зачем чугунная станина должна выдерживаться, подобно коньяку? Почему на одном из олимпийских стадионов в Москве у кресел оказались разные подлокотники? Это тоже научные вопросы, и отвечает на них кандидат технических наук Юрий Михайлович Голубев.
— Качество машин — это очень многогранная задача. Из всего комплекса вопросов хотелось бы остановиться только на том, как влияет на свойства деталей шероховатость поверхностей. Одна из причин низкого уровня части российской продукции — пренебрежение тем, что можно делать в микронном диапазоне. Наша страна отстала от всего мира, в том числе и в метрологическом обеспечении. В настоящее время конструированием поверхностей при проектировании деталей машин в России почти никто не занимается.
Обычный конструктор идёт по пути наименьшего сопротивления, указывая лишь высоту неровностей. Но если говорить об эксплуатационных свойствах, то оказывается, что электрический ток, например, бежит по тонкой поверхности провода, и для оценки сопротивления и потерь важна, прежде всего, длина неровностей на ней. Оптические же свойства изделий вообще привязаны не к размеру, а к способу получения шероховатостей. Известен случай, когда два разных завода по одним и тем же чертежам изготавливали подлокотники кресел для олимпийского стадиона в Москве. В результате левые получились блестящими, а правые матовыми, хотя технические требования выполнили оба предприятия.
На самом деле, управляя шероховатостью поверхности деталей машин, можно повысить: усталостную прочность, износостойкость, контактную жёсткость. Разумеется, на это влияют и другие параметры: распределение твёрдости по глубине поверхностного слоя, характер остаточных напряжений и прочие характеристики. Но бороться с износом пар «металл-металл», «металл-резина» и прочих сопряжений мы во многом способны благодаря тому, как обработаем поверхность, какую структуру создадим на ней.
Теоретически и экспериментально доказано, что микрорельеф способен удерживать смазку (жидкую, твердую, газообразную). Наиболее оптимальным для пар трения «металл-металл» оказалось создание «карманов» — в установленном порядке расположенных крошечных лунок с определённым шагом, размером и глубиной. Такая мера повышает износостойкость пар трения в несколько раз, в том числе и при использовании газообразной смазки. Для сочетаний «металл-резина» (применительно, например, к уплотнениям манжетного типа, как в любом редукторе) надо создавать рельеф в виде замкнутых кольцевых неровностей, чтобы не было истечения жидкости.
Смазка присутствует в зоне контакта независимо от того, работает механизм или нет. Если говорить о гидроцилиндрах, то для них больше всего подходит структура металлической поверхности в виде сот, вытянутых в направлении движения. Эту конфигурацию следует создавать и на штоке, и на поверхности цилиндра. Мы проводили исследования применительно к авиационной технике: гидроцилиндры с таким «узором» больше выработали свой ресурс в более чем десятикратном размере, и когда их разобрали, то следов износа не было обнаружено. Эффект подтверждён в экспериментах при отрицательных (до -50 градусов) температурах, что важно при проектировании арктической и авиационной техники. За этим рельефом кроется очень много возможностей. А в целом подобные исследования привели к тому, что ещё в 1981 году группа новосибирских специалистов вошла в число соавторов первого в СССР стандарта по созданию регулярных неровностей.
Юрий Голубев — организатор и руководитель лаборатории технологического обеспечения качества деталей машин в НЭТИ (НГТУ), затем в НИИ технологии и организации производства, а также создатель журнала «Инструмент Сибири» (сегодня — «Обработка металлов», издание НГТУ).
Перейдём от износостойкости к усталостной прочности. При работе с одним типом деталей выяснилось, что если создать изотропную поверхность, и получить на ней напряжение сжатия, то срок службы изделия увеличивается на 30-40%. По роду деятельности мне приходилось много ездить по разным машиностроительным и приборостроительным предприятиям. Как-то, еще в 1970-е, меня пригласили на моторный завод в Барнауле. И попросили разобраться: почему с коленвала на работающем двигателе отлетают лепёшки металла? Я попросил, чтобы меня провели по всему технологическому процессу. Дойдя до момента черновой обработки шеек вала, я услышал скрежет. Присмотрелся и обнаружил, что резец используют до полного износа, когда он уже не режет, а оттесняет металл. И несмотря на последующую, более тонкую, обработку, сохранялась роль чернового точения. Сыграло свою роль то, что называется «технологической наследственностью» — это свойство присуще не только живым существам. Поэтому было предложено использовать один резец на строго ограниченном количестве деталей, а потом ставить новый. Как только перешли на такую схему использования инструмента, проблема отслаивания металла на коленвалах была снята.
Соответственно, разрабатывая или модернизируя технологические процессы, необходимо учитывать тонкие изменения, которые происходят на рабочих поверхностях — к сожалению, наши специалисты были и остаются далеки от этого. Мне приходилось столкнуться с казусом, когда один высокопоставленный чиновник приехал на завод и устроил разнос руководству завода за лежащие на улице станины, потребовав хранить их в помещении. Он не знал, что это требуется по технологии, что литые чугунные станины должны пройти процесс естественного старения под дождём и снегом и уже после этого применяться на производстве. В советское время такое было возможно: существовали пятилетние и долгосрочные планы, дирекция знала, когда и что предприятие будет выпускать, и те же станины могли выдерживать свой срок на заводском дворе практически до полного снятия остаточных напряжений. Возможно ли это сейчас?
Создавая или совершенствуя технологические процессы, нужно очень внимательно прорабатывать все вопросы, связанные с точностью: требования к поверхностям, к погрешностям формы, их взаимному расположению и так далее. И с учётом всего этого рассчитывать длительность производственных циклов. Для того, чтобы обеспечить качество некоторых точных деталей, на их изготовление нужно закладывать срок минимум в нескольких месяцев. В качестве примера могу назвать прецизионные шпиндели машин и приборов. Эти детали тоже должны проходить процесс естественного старения: только тогда можно обеспечить требуемую точность.
Вместо эпилога: год тому назад я был на машиностроительной выставке в новосибирском экспоцентре. Там я обнаружил продукцию, номинированную как «нанотехнологическую», а на самом же деле эти детали были обработаны давно известными методами. Таким, например, как алмазное выглаживание: видимо, руководство выделяет деньги на подобные работы только под конъюнктурным названием. А общее впечатление сложилось такое, что по ряду направлений в машиностроительных технологиях мы отстали, как говорится, навсегда.
Подготовил: Андрей Соболевский
Фото: 1 — автора, 2 — предоставлены Ю.Голубевым
