Проблемы машиностроения и надежности машин, 2022, № 3, стр. 63-71

Повышение требований к эксплуатационным свойствам ответственных изделий машиностроения приводит к необходимости применения упрочняющих технологических методов, целенаправленно изменяющих физико-механическое состояние поверхностного слоя деталей машин и обеспечивающих необходимые значения показателей качества [1–3].

Эксплуатационные свойства можно разделить на три группы, каждой из которых соответствует группа методов упрочнения [4] (табл. 1).

Ответственные детали авиа- и двигателестроения, работающие в условиях различных многофакторных воздействий, изнашиваются за счет газоэрозионного, абразивного воздействия, а также высокотемпературной коррозии и т.п.

По указанным в работе [3] граничным условиям были проанализированы методы упрочнения рабочих поверхностей деталей машин и сделан вывод о том, что в условиях современного мелкосерийного производства наиболее рациональным является применение способов газотермического напыления покрытий (табл. 2). Однако, отсутствие достоверных данных по характеристикам указанных способов [5–16] не позволяет однозначно определять наиболее эффективный вариант, т.е. такой вариант, который, согласно ISO 9000: 2015 имеет наилучший результат при минимальных ресурсах.

В связи с этим, актуальной задачей является разработка методики выбора способа газотермического напыления покрытий, обладающего наибольшей эффективностью в условиях мелкосерийного производства.

При выборе способа газотермического напыления исходными данными являются номенклатура деталей, подвергаемых операции нанесения покрытия {P} и параметры p-й детали номенклатуры (1)

где P – количество наименований деталей в номенклатуре, шт.; K₁ – материал основы детали; K₂ – материал напыляемого покрытия; K₃ – геометрическая и размерная характеристика напыляемой поверхности; h – толщина напыляемого покрытия, мкм; {PF} – совокупность заданных параметров качества покрытия; N – объем выпуска, шт./год.

Выбор способа газотермического напыления предлагается проводить в три этапа: 1) отсеивание способов напыления (вариантов) по ограничениям для каждой детали; 2) ранжирование вариантов по критериям эффективности для каждой детали; 3) выбор наиболее рационального варианта с учетом всей номенклатуры деталей.

Отсеивание вариантов осуществляется с целью определения множества способов напыления способных обеспечить заданные параметры качества для каждой детали номенклатуры ({S}_p).

В работе [3] предлагаются ограничения для отсеивания методов упрочнения: технологическая возможность обеспечения заданных параметров качества; универсальность; гибкость; производительность и возможность встраиваться в технологические комплексы (системы) механической обработки.

Применительно к газотермическим способам напыления первое ограничение следует уточнить, разбив его на три условия: 1) материал и толщина покрытия. Отсеивание способов напыления по возможности нанесения заданного материала и заданной толщины; 2) геометрическая характеристика обрабатываемой поверхности. Отсеивание вариантов по возможности напыления на поверхность с заданной геометрией и размерными характеристиками; 3) параметры качества. Отсеивание вариантов по возможности обеспечения заданных параметров качества. Условие применяется в случае, когда такие параметры качества как прочность сцепления или пористость заданы изначально.

Ограничение по гибкости не следует учитывать, в связи с тем, что все рассматриваемые способы имеют примерно одинаковые затраты на смену наладки средств технологического оснащения. Ограничение по универсальности способа, когда выбираемый вариант должен охватывать как можно большее число деталей из номенклатуры, является одним из основных критериев эффективности в случае сравнения газотермических способов в условиях мелкосерийного производства и подробно будет рассмотрен ниже. Все рассматриваемые способы имеют значительно отличающуюся производительность напыления, в связи с чем, этот параметр следует учесть при оценке экономической эффективности.

На этапе ранжирования определяется величина эффективности вариантов для каждой детали номенклатуры. В качестве критерия эффективности при сравнении способов газотермического напыления наиболее часто используют либо один из показателей качества (прочность сцепления или пористость), либо экономический критерий – величина затрат на напыление с учетом или без учета капитальных вложений [17–20]. Подобные подходы дают оценку без учета затрат, либо ранжируют способы по затратам без учета условий производства, получая абсолютные значения, не изменяющиеся в различных условиях производства.

Для выбора рационального способа газотермического напыления необходимо учитывать как достигаемые показатели качества покрытия, так и затраты на их нанесение. Помимо этого, важно учитывать условия (серийность) конкретного производства, которые в наибольшей степени определяют эффективность того или иного способа напыления в зависимости от номенклатуры и объемов выпуска изделий.

В связи с тем, что для выбора рационального способа напыления необходимо учитывать параметры, которые не могут быть сведены к единому критерию, в разрабатываемой методике предлагается использовать балльно-рейтинговую оценку. Для каждого варианта определяется суммарный балл, складывающийся из баллов по каждому критерию эффективности, при этом, способ напыления с наибольшим суммарным баллом будет являться наиболее эффективным для отдельной детали.

В качестве первого критерия эффективности предлагается использовать показатель качества – прочность сцепления покрытия с основным материалом σ_s. Использование данного показателя качества позволяет учесть вероятность изготовления деталей с минимальным процентом брака в условиях недостатка времени на отработку технологии напыления в связи с часто меняющейся широкой номенклатуры деталей.

Вторым критерием эффективности являются затраты на напыление покрытия, приходящиеся на одну деталь или поверхность (2)

где (A_p)_i – переменные затраты, приходящиеся на напыление p-й детали или поверхности i-м способом, руб; B_i – единовременные капитальные затраты на внедрение i-го способа нанесения, руб; N_p – объем выпуска p-й детали, шт./год; T_i – период окупаемости капиталовложений для i-го способа, год.

Переменные затраты состоят из стоимости материала покрытия, суммарной заработной платы рабочих и эксплуатационных расходов. Для корректного сравнивания вариантов, необходимо учесть разницу в технологических особенностях способов напыления, основными из которых являются коэффициент использования материала и производительность напыления (3)

где m_p – масса нанесенного покрытия на p-ю деталь или поверхность, кг; e_p – затраты на единицу массы покрытия, руб/кг; K_i – коэффициент использования материала i-го способа напыления; r_i – затраты на заработную плату рабочих, отнесенные ко времени обработки одной детали при напылении i-м способом, руб; R_i – эксплуатационные расходы работы оборудования i-го способа напыления, руб/час; Q_i – производительность i-го способа напыления, кг/час.

Таким образом, в формуле (3) первое слагаемое представляет собой стоимость материала с учетом его потерь при напылении, характерного для i-го способа. Третье слагаемое показывает затраты связанные с эксплуатацией оборудования (расход электроэнергии, сжатого воздуха, затраты на ремонт и техническое обслуживание и т.д.), приходящиеся на напыление одной детали или поверхности.

Массу нанесенного покрытия, приближенно, без учета изменения плотности в процессе образования покрытия, можно оценить по формуле (4)

где  f – площадь напыляемого покрытия, м²; h – толщина покрытия, м; ρ – плотность напыляемого материала, кг/м³.

Каждому варианту и критерию назначается определенный балл, который рассчитывается относительно максимального значения из массива данных. Для первого критерия используется формула (5)

где (δ₁)_i – значение балла по первому критерию для p-й детали и i-го способа напыления; (σ_s)_i – прочность сцепления, достигаемая i-м способом напыления, МПа; S – число сравниваемых способов напыления (вариантов).

Например, если (δ₁)_i = 0.3, это означает, что рассматриваемый вариант обеспечивает прочность сцепления, составляющую 30% от варианта, обеспечивающего максимальную величину σ_s.

Для расчета значения балла по второму критерию применяется следующее выражение (6)

где (δ_2p)_i – значение балла по второму критерию для p-й детали и i-го способа напыления; P – количество наименований деталей, шт.

Полученные баллы суммируются и определяется наиболее эффективный вариант по соотношению достигаемого показателя качества и затрат на напыление i-м вариантом p-й детали (7)

В качестве примера рассмотрим выбор способа напыления покрытия на деталь массой m = 0.2 кг и стоимостью материала e = 3500 руб/кг, объем N = 20 шт. Заработная плата принята одинаковая для всех способов – r = 500 руб/дет. Остальные исходные данные являются усредненными значениями из источников [5–11] (табл. 3).

Графически выбор способа напыления можно представить как диаграмму на рис. 1. Как видно из примера наибольший балл имеет способ детонационного напыления, что объясняется его эффективностью при сочетании таких факторов как небольшие капитальные затраты и небольшой объем выпуска. Данный подход позволяет учитывать изменение эффективности вариантов при изменении объемов выпуска.

На рис. 2 для этого же примера построены кривые изменения суммарного балла для каждого варианта в диапазоне N = 10–1000 шт.

Вариант детонационного напыления (рис. 2, V) теряет свою эффективность на больших объемах выпуска, т.к. растет доля затрат на потери, связанные с низкой производительностью и низким коэффициентом использования материала. При N = 136 шт. большую эффективность имеет вариант высокоскоростного газопламенного напыления прутком (рис. 2, III).

Характер изменения кривых, изображенных на рис. 2, зависит от значений параметров K, Q и R, которые характеризуют уровень освоения технологии нанесения газотермических покрытий на конкретном производстве.

В предыдущем примере рассматривалась только одна деталь, однако, из-за разницы в напыляемых материалах, толщинах покрытий и геометрических характеристик напыляемых поверхностей, различные детали будут иметь множество вариантов, успешно прошедших этап отсеивания. Поэтому еще одним критерием эффективности варианта напыления является его универсальность, т.е. при выборе способа напыления следует учесть его применение для большинства деталей рассматриваемой номенклатуры. Такой вариант будет являться рациональным.

Таким образом, для реализации такого подхода следует учитывать число наименований деталей, которые можно обработать каждым из способов (8)

где δ_ri – рациональный балл (рейтинг) реализации i-го способа напыления; Z_i – число наименований деталей, обрабатываемых i-м способом.

При расчете баллов следует учитывать вес каждого наименования деталей в номенклатуре, который определяется отношением объема выпуска p-й детали к суммарному объему выпуска N_Σ. Тогда формулу (7) можно записать как (9)

Например, необходимо определить рациональный способ напыления для десяти различных деталей P = 10 шт. Исходные данные и суммарные баллы приведены в табл. 4. Пустые ячейки означают невозможность обеспечения заданных параметров качества для p-й детали i-м способом напыления, т.е. i-й способ не прошел этап отсеивания.

Простое суммирование баллов выделяет третий вариант (табл. 4) (высокоскоростное газопламенное напыление проволокой) как наиболее эффективный, однако, этот вариант перекрывает только половину номенклатуры деталей, хотя для каждой из них имеет самый высокий балл. При этом, необходимо дополнительно закупать оборудование для второго и пятого способов газотермического напыления, чтобы упрочнить остальные детали.

С другой стороны, рациональный рейтинг выделяет седьмой вариант (атмосферное плазменное напыление, воздух) как наиболее эффективный, т.к. он позволяет нанести покрытия на 80% номенклатуры деталей, однако и здесь требуется рассмотреть необходимость закупки дополнительного оборудования или изменения исходных данных деталей.

На основе представленной методики разработан алгоритм выбор рационального способа нанесения покрытий на группу деталей, приведенный на рис. 3.

Блоки содержат следующие действия:

Блок 1. Ввод исходных данных.

Блок 2. Отсеивание способов газотермического напыления по материалу и толщине покрытия, геометрической и размерной характеристике поверхности напыления, а также по параметрам качества покрытия, если они заданы в исходных данных.

Блок 3. Выходные данные: совокупность способов газотермического напыления (вариантов), успешно прошедших этап отсеивания для p-й детали {S}_p.

Блок 4. Условие: “Вариантов больше или равно 1?”.

Блок 5. Условие: “Вариантов больше 1?”, если выполняется условие в блоке 4.

Блок 6. Ранжирование по суммарному баллу совокупности вариантов для p-й детали, если выполняется условие в блоке 5.

Блок 7. Выходные данные: суммарный рейтинг для напыления i-м способом покрытия на p-ю деталь.

Блоки с 1 по 7 повторяются для каждой детали.

Блок 8. Определение совокупности баллов с учетом универсальности для всех способов напыления по всей номенклатуре деталей.

Блок 9. Выходные данные: рациональный рейтинг вариантов с учетом универсальности способов напыления {δ_ri}.

Блок 10. Условие: “Вариант с наибольшим δ_r перекрывает всю номенклатуру деталей?”

Блок 11. Принять вариант с наибольшим δ_r, если выполняется условие 10.

Блок 12. Поиск альтернативного варианта с меньшим δ_r, но перекрывающим всю номенклатуру изделий или принятие большего числа вариантов с разделением деталей на группы по способу напыления покрытий.

Блок 13. Поиск решения: изменение исходных данных.

Блок 14. Принять единственный вариант.

Представленная методика выбора рационального способа газотермического напыления на группу деталей, учитывающая характеристики самих способов и условия конкретного производства, позволяет повысить эффективность конструкторско-технологических решений при упрочении ответственных деталей.

Методика позволяет проводить сравнение производств по уровню освоения технологии газотермического напыления покрытий на основании анализа коэффициента использования материала K, эксплуатационных затрат R и производительности напыления Q.