Причины отказов станков с ЧПУ

Причины потери станком работоспособности

В процессе эксплуатации на станок дейст­вуют все виды энергии, что может привести к изменению параметров отдельных элементов, механизмов и станка в целом. Имеются сле­дующие источники воздействий на станок действие энергии окружающей среды, включая человека, исполняющего функции oпeратора или ремонтника (энергия при ремонтных работах), внутренние источники энергии, связанные как с рабочими процессами, протекающими в станке (процесс резания), так и с функционированием отдельных механизмов, потенциальная энергия, которая накоплена в материалах и деталях станка в процессе их изготовления (внутренние напряжения в отливке, монтажные напряжения).

Различные виды энергии, действующие на станок, вызывают в его узлах и деталях процессы, изменяющие (снижающие) его началь­ные характеристики. Эти процессы связаны, как правило, со сложными физико-химическими явлениями и приводят к деформации, износу, поломке, коррозии и другим видам повреждений. Повреждение — это отклонение контролируе­мых свойств материала или элемента изделия (включая геометрические размеры) от началь­ных, полученных при изготовлении объекта. Возникновение повреждений влечет за собой изменение выходных параметров изделий, что может привести к отказу.

На рис. 9.3 показана схема формирования показателей надежности сложной системы — станка, станочного модуля, станочной систе­мы. Энергия, проявляясь в механической, тепловой, химической, электромагнитной и дру­гих видах, определяет условия работы станка и его элементов и возникающие нагрузки, напряжения, температуры, скорости и ускорения, химические воздействия, давления, элект­ромагнитные силы и др. Данные воздействия являются причиной возникновения в станке изнашивания, коррозии, деформации, ползуче­сти и др. , которые приводят к повреждениям отдельных элементов U₁, U₂, , U_k.Эти повреждения вызывают изменения выходных параметров отдельных элементов, узлов и под систем, что, в свою очередь, приводит к из­менению во времени и выходных параметров всей системы X₁(t), X₂(t), , X_n(t). Опасность выхода этих параметров за установленные пределы и формирует показатели надежности всей системы (станка).

Процессы, возникающие в станке, различают­ся по скорости их протекания (см п 6.1) и по характеру влияния на выходные параметры. Обратимые процессы временно изменяют параметры деталей, узлов и всей системы в некоторых пределах без тенденций прогрессив­ного ухудшения. Наиболее характерные при­меры таких процессов — упругие и тепловые деформации узлов и деталей.

Необратимые процессы приводят к ухудше­нию технических характеристик объекта с те­чением времени. Эти процессы называют про­цессами старения, и они являются основной причиной постепенной потери станком, как и любой машиной, работоспособности, т.е определяют его надежность

Рис. 9.3. Формирование показателей надежности сложной системы (станка)

В табл. 9.7 приведена классификация про­цессов старения по их внешнему проявлению (результату процесса), указаны основные раз­новидности процессов и даны их примеры. Деталь может подвергаться разрушению, де­формироваться, а также могут изменяться свой­ства материала детали. Разрушение является наиболее опасным проявлением процессов ста­рения и в станках не допускается.

Наиболее часто процессы старения проте­кают в поверхностных слоях. При этом по­верхность детали может подвергаться темпе­ратурным, химическим, механическим или иным воздействиям внешней среды. В результате могут происходить явления, связанные с поте­рей (отделением) материала с поверхности в результате коррозии, эрозии, кавитации и дру­гих процессов, которые объединены одним тер­мином разъедание. На поверхности могут про­текать и такие процессы, как адгезия, адсорб­ция и др. Эти процессы называют наростом. В результате внешних воздействий возможно также изменение свойств поверхностного слоя.

Специфические процессы протекают при контакте двух сопряженных поверхностей, что наиболее характерно для механизмов и эле­ментов станков. В этом случае в подвижных соединениях возникают такие процессы изна­шивания, как истирание поверхности, усталость поверхностных слоев и ее пластическое дефор­мирование (смятие).

Для подвижных и неподвижных соединений может произойти изменение условий контакта, что приводит, как правило, к изменению жесткости, коэффициента трения и других па­раметров сопряжения.

9.7. Классификация процессов старения (необратимых процессов)

Для того чтобы оценить запас надежности детали, необходимо численно определить сте­пень ее повреждения. Существуют два основных метода оценки степени повреждения.

При первом методе выбирают численные критерии для непосредственного измерения величины повреждения изделия, например, деформации, линейного или весового износа, глубины и размеров каверн при локальном разрушении поверхности и т. п. Однако во многих случаях, особенно при локальных видах повреждения, бывает трудно непосредственно оценить степень повреждения.

В этом случае применяют второй метод, когда о повреждении судят по изменению выходных параметров или характеристик изде­лия. Например, при местных повреждениях тела детали или при возникновении пласти­ческих зон о степени повреждения судят по потере несущей способности (прочности); о локальных повреждениях золотника гидросис­темы судят по падению давления и т. п. Пока­затели, которые применяют для определения степени повреждения материала изделия, при­ведены в табл. 9.8.

Законы старения, характеризующие измене­ние степени повреждения материала в функции времени, являются основой для решения задач надежности. Они позволяют прогнози­ровать ход процесса старения, оценивать воз­можные его реализации и выявлять наиболее существенные факторы, влияющие на интенсив­ность процесса. Типичным примером таких зависимостей являются законы изнашивания материалов, которые на основе раскрытия физической картины взаимодействия поверхнос­тей дают методы расчета интенсивности про­цесса изнашивания или износа в функции времени и позволяют оценить факторы, влияю­щие на ход процесса [3, 11].

Для расчета надежности необходимо знать скорость протекания процесса повреждения ϒ(t) или степень данного повреждения U(t) в функции времени. Такие зависимости могут быть получены на основе рассмотрения физики процесса или экспериментальным путем. Зна­ние аналитического выражения для закона ста­рения и рассмотрение его как функции слу­чайных аргументов — основа при расчете на­дежности.

В табл. 9.9 представлены типовые законо­мерности протекания процессов старения во вре­мени. Они относятся к одностадийным процес­сам, когда в течение рассматриваемого периода времени не происходит изменение физико-хими­ческой картины процесса.

9.8. Показатели степени повреждения материала изделия

9.9. Типовые закономерности протекания во времени процессов старения

Для станков основной причиной потери работоспособности является износ. Изнашивание характерно для таких ответственных сопряжений станков, как направляющие скольжения, ходовые винты и гайки, кулачковые механизмы, фрикционные муфты и др.

В станках для большинства сопряжений можно применять следующую закономерность для линейного износа U и скорости изнашивания ϒ материалов

где k — коэффициент износа, р — давление на поверхности трения, Па, v — скорость относи тельного скольжения, м/с, t — время работы

сопряжения, m — коэффициент, m = 1 для абра­зивного и усталостного видов изнашивания. Применяют также показатель интенсивности изнашивания j, определяемый как отношение износа U к пути трения s, который прошла одна пара сопряжения по отношению к другой за рассматриваемый промежуток времени

Интенсивность изнашивания является без­размерной величиной и связана со скоростью изнашивания соотношением ϒ = jʊ

Выражение (9.9) характеризует установившийся процесс изнашивания после окончания периода приработки В период приработки,

9.10. Показатели изнашивания материалов тихоходных пар трения

Обозначения: а — сталь 45, HRC, 38—43; б — сталь 20Х (цементирована или нитроцементирована*), HRC_Э 60—62; в — сталь ШХ15, HRC_Э, 60—62; г — сталь 38ХМЮА (азотиро­вана), HRC_Э 60; д — чугун СЧ20; е — БрОФ10-1; ж — БрАЖ9—4; А—солидол ГОСТ 4366—76; Б — солидол и 10 % меди; В — ЦИАТИМ-201 ГОСТ 6267—74.

когда происходит монотонное убывание скорости изнашивания, зависимость U(t) может быть аппроксимирована либо параболой, либо кривой вида

где А и ɑ — коэффициенты, характеризующие соответственно износ за период приработки и интенсивность приработки.

Период приработки стремятся свести к ми­нимуму за счет точного изготовления сопря­женных поверхностей и применения метода обкатки новых изделий (технологический про­гон станка).

При возрастании интенсивности изнашива­ния во времени, например, вследствие засоре­ния поверхностей трения зависимость U(t) мо­жет иметь вид

Данный процесс изнашивания характеризует, как правило, недопустимые условия эксплуа­тации станка или неэффективные методы за­щиты от загрязнения ответственных сопряже­ний. Поэтому основной формулой для расчета на износ является зависимость (9.9). В ней выделены силовые и кинематические факторы (p,ʊ), которые связаны с конструкцией стан­ка, а коэффициент износа k зависит от мате­риалов и условий трения сопряженных по­верхностей. Этот коэффициент, как правило, изменяется в широких пределах и проявляется как случайная величина. Теория изнашивания материалов в настоящее время позволяет лишь ориентировочно и то не для всех случаев, определить скорость изнашивания.

Применительно к сопряжениям станков мож­но использовать следующие источники инфор­мации для оценки коэффициента износа k.

1. Иметь банк данных по скоростям изна­шивания аналогичных сопряжений у эксплуа­тируемых станков. Для этого необходимо про­водить регулярные наблюдения и измерения в процессе эксплуатации и ремонта станков и обрабатывать полученную информацию по специальной программе.

2. Проводить сравнительные расчеты, опре­деляя, во сколько раз повысится износостой­кость данной пары по отношению к прото­типу или при сравнении нескольких вариантов конструкции.

3. Проводить нормирование скорости или ин­тенсивности изнашивания, назначая опреде­ленный класс износостойкости, и ставить усло­вие перед технологами и эксплуатационни­ками о необходимости подбора таких пар трения и создания таких условий эксплуата­ции, чтобы скорость их изнашивания нахо­дилась в установленных пределах.

4. Проводить испытание образцов сопряжен­ных материалов, используя эти данные для рас­чета сопряжений.

Для сопряжений, работающих в режиме граничной смазки при малых скоростях сколь­жения (до 0,1 м/с), когда температура на поверхности трения не влияет на процесс изнашивания, значения коэффициентов износа k₁ и k₂ для сопряженных деталей приведены в табл. 9.10. В таблице указаны также пока­затель степени т [см. формулу (9.9)] и кри­тические значения давления р_кр, при превыше­нии которых закономерности изнашивания изменяются.

Приведенные значения коэффициентов k и т являются средними и соответствуют раз­мерностям ʊ(м*с^-1) и р(даН*см^-2). Рассчитан­ная по формуле (9.9) скорость изнашивания должна удовлетворять требованиям надежнос­ти.

9.11. Классы износостойкости материалов по скорости их изнашивания

При прогнозировании надежности и при пред­варительных расчетах износостойкости сопря­жений целесообразно назначить класс изно­состойкости с последующим уточнением допус­тимых значений ϒ. Классы износостойкости по скорости изнашивания и примеры сопря­жений станков приведены в табл. 9.11.

Знание закономерностей изнашивания явля­ется предпосылкой для расчета на износ сопря­жений и механизмов станков на стадии проек­тирования и последующей оценки их надежно­сти