CC BY
63
УДК 621.7.01
ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ МАТЕРИАЛА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ БАНКА ДАННЫХ ПО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ СВОЙСТВАМ
КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
В.И. Астащенко, И.О. Жигулев, Р.В. Шибаков
Приводится информационная модель конструкционного материала, в которой последовательно приводятся данные о технологических и эксплуатационных свойствах, а также сведения о типовой и прогрессивной упрочняющей обработке материала позволяющей улучшать доминирующие служебные свойства. Использование модели при формировании банка данных в виде многовходной, многоуровневой информационно-логической таблицы дает возможность принятия рациональных конструкторско-технологическихрешений в автоматизированных системах проектирования.
Ключевые слова: информация; модель; технологические, эксплуатационные свойства конструкционных материалов.
Малоинформативные условные обозначения марок металла принятые в машиностроении затрудняют принятие мотивированных решений при проектировании, особенно в автоматизированном режиме, изделий и технологических процессов для их производства. Эти недостатки преодолеваются, если необходимую для проектирования информацию об эксплуатационных и технологических свойствах металла представить в рациональной компоновке, обеспечивающей не только ее компактное расположение, но и возможность алгоритмизации принимаемых решений.
Обобщающей структурой компоновки данных являются многоуровневая, многовходная таблицы [1]. Условия по каждому входу задаются лингвистическими формулировками или алфавитно-цифровым кодом, в качестве конкретных значений которого могут быть использованы понятия: цифра; группа; интервал значений; коды и группы кодов.
Свойства материала (металл-основа и легирующие элементы) обобщенно характеризуются маркой материала. Марки металла можно представить цифровыми кодами на основе классификации (рис.1).
Первый уровень классификации отражает класс материала (черные, цветные), на втором уровне каждый класс делится на подклассы, например, стали, чугуны.
Нацеленность проектирования на обеспечение высоких служебных свойств деталей обуславливает необходимость указания в коде материала его принадлежности к той или иной группе специфичных по своим эксплуатационным характеристикам материалов. В связи с этим классификацию на следующем уровне целесообразно проводить по признаку наличия у него какого-либо ценного эксплуатационного свойства. К числу таких
свойств относятся: прочность; жаропрочность; износостойкость; коррозионная стойкость; упругость и др. Поскольку эти характеристики достигаются, в основном, целенаправленным легированием металла основы, то состав компонентов сплавов в пределах групп будет в некоторой степени подобен, что позволяет сохранить преемственность признаков классификации (однородность по химсоставу) на разных уровнях.
Рис. 1. Классификация и схема кодирования металлических
материалов
На очередном уровне классификации материалы целесообразно сгруппировать по признаку, конкретизирующему характерное эксплуатационное свойство. Например, стали, обладающие повышенной прочностью, имеет смысл разделить на два подмножества, чувствительных к концентраторам напряжений и малочувствительных. В первом подмножестве можно выделить широко применяемые в промышленности малоуглеродистые низколегированные стали (МНЛС) и среднеуглеродистые низколегированные стали (СНЛС). Второе подмножество образуют мартенсито-стареющие стали (МСС) и метастабильные аустенитные стали. На последнем уровне для каждой группы указывается перечень марок материалов. Например, типичные (СНЛС) стали 1-33ХС, 2-38ХГМА, 3-30ХГМА, 4-30ХГСА, 5-30ХГСН2А, 6-25Х2ГНТА, 7-30Х2ГН2СВМА, 8-40ХН2МА и т.д.
Аналогичные разбиения можно осуществить для всех подклассов материалов.
В коде также целесообразно указывать типовой и прогрессивный (наилучший из известных) способ обеспечения данного эксплуатационного свойства и достигаемый уровень свойств. Так, например, для достижения высокопрочного состояния типовой термообработкой для сталей МНЛС и
131
СНЛС является закалка на мартенсит с последующим низким отпуском. Прогрессивной упрочняющей обработкой является высоко- (ВТМО) и низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО). Стали типа НЛС подвергаются закалке на пересыщенный твердый раствор с последующим упрочняющим отпуском + старением. В виду высокой пластичности эти стали допускают и холодную пластическую деформацию, что может приводить к дополнительному упрочнению наклепом (ДН).
Информационная ценность кода повысится, если в нем будут приведены технологические свойства, характеризующие возможность применения того или иного способа формообразования детали из данного материала. Наиболее важными технологическими свойствами регламентирующими технологический маршрут обработки детали, является обрабатываемость материала - давлением, резанием, свариваемость. Возможность использования процессов литья маркой материала, как правило, не регламентируется, так как при необходимости, введением модификаторов, литейные свойства основных марок материалов могут быть улучшены до необходимого уровня.Возможность обработки металлов давлением, особенно в холодном состоянии, зависит от содержания некоторых карбононитридо-образующих элементов (углерод, хром, марганец, никель, титан, кремний и др.); вредных примесей (сера, фосфор, мышьяк); газов (водород, кислород, азот). В качестве классификационного признака, разделяющего конструкционные стали и стали типа МНЛС и СНЛС по такому технологическому свойству как возможность обработки давлением (штампуемость), можно принять содержание углерода и суммарную легированность.
Анализ марочного состава сталей, используемых на предприятиях, показывает, что при производстве машиностроительных деталей холодной объемной штамповкой преимущественно используются стали с содержанием углерода ниже 0,45% и легирующих элементов в сумме менее 3% с пониженным содержанием серы и фосфора, а для полугорячей штамповки - углеродистые стали с содержанием легирующих элементов менее 10%. Соответственно в код материала для указанных случаев следует ввести идентификатор деформируемости материала (ХШ и ПШ). Введенные ограничения не исключают принципиальную возможность обработки давлением в холодном и полугорячем состоянием сталей с иным содержанием элементов, а лишь подчеркивают экономическую нецелесообразность использования в условиях массового и крупносерийного производства [2]. Остальные стали этих групп, вплоть до чугунов (С>2%), целесообразно деформировать в горячем состоянии, что в коде материала следует отметить идентификатором (Г).
Трудно- или недеформируемые сплавы, из которых целесообразно изготавливать детали только с применением литейных технологий (чугуны и ряд цветных сплавов), помечаются идентификатором Л.
Обрабатываемость резанием задается через характеристики твердо-
сти, например НВ 180-200, и прочности ов.
Таким образом, достаточно полная информация о предмете обработки (металле) может быть предоставлено кодом со структурой изображенной на рис. 2.
Рис. 2. Структура кода конструкционных материалов
С учетом принятой системы классификации (рис. 1) и кодирования (рис. 2) следующая запись
является информационной моделью стали повышенной прочности, чувствительной к концентраторам напряжений, относящийся к группе среднеуг-леродистых низколегированных сталей марки 40ХН2МА, типовая термообработка которой (закалка + низкий отпуск) обеспечивает конструкцион-
1/2
ную прочность характеризуемую показателями К1з=40 Мпа/м и о02=1500
Мпа, а прогрессивная термомеханическая обработка повышает значения
1/2
К1з до 60 Мпа/м , о02 до 2100 Мпа обрабатываемая давлением в полугорячем и горячем состоянии и имеющая удовлетворительную обрабатываемость резанием и свариваемость в отожженном состоянии.
Технологические свойства в коде целесообразно приводить в порядке возрастания потенциальной возможности того, или иного вида обработки (литья, обработки давлением) улучшать доминирующее служебное свойство. Это позволит ориентировать конструктора на разработку технологичной, с точки зрения данной технологии, конструкции детали, а технолога на выбор именно этого процесса.
С учетом изложенного, данные о эксплуатационных и технологиче-
ских свойствах материалов могут быть представлены в виде таблицы.
Фрагмент банка данных по машиностроительным материалам
Характеристики металла
Материалы Обозначе-ниедоминиру-ющего слу- Значение свойства после улучшающей обработки Обр абатываемость материала
жебно-го Типовой Прогрессив- Давле- Реза- Лить- Свар-
свойства ный нием нием ем кой
(N (N (N 1221 12212 122122
к
Стали Повышенной прочност Чувствительные концентраторам напряжений СНЛС 30ХГСА K1C, о02, МПа 185, 1440 термоулучшение 500, 2000 ВТМО ПШ 200 НВ + +
Объекты в таблице расположены в порядке возрастания или убывания оценочной функции (конструктивной прочности, обрабатываемости, стоимости). Признаком такого порядка может служить также легирован-ность материала (количество и содержание компонентов, особенно дорогостоящих: вольфрама, молибдена, ванадия, никеля). Как правило, чем выше легированность, тем выше служебные свойства, стоимость и хуже обрабатываемость материала.
При анализе составленных таким образом таблиц первое решение, соответствующее заданным условиям, будет наиболее рациональным. Табличные алгоритмы выбора объектов логичны, просты, наглядны и легко обозримы. Расширение таблиц при увеличении количества анализируемых объектов или их адаптации к конкретным условиям не вызывают необходимости переделки основной программы, что создает благоприятные предпосылки для автоматизации принятия рациональных конструкторских и технологических решений.
Список литературы
1. Интеллектуальная система формирования технологических процессов штамповочного производства на основе CALS-технологий/ В.Г. Шибаков [и др.] М.: Academia, 2011. 220 с.
2. Особенности штамповки на прессах/ В.А. Головин, Ковка и штамповка: справочник. В 4-х т/ Под ред. Е.И. Семенова. М.: Машиностроение, 1987. Т. 3. С 96-108.
Шибаков Ростислав Владимирович, старший преподаватель, Россия, Набережные Челны, Набережночелнинский институт Казанского (Приволжского) Федерального Университета,
Жигулев Илья Олегович, канд. техн. наук, доц., Россия, Набережные Челны, Набережночелнинский институт Казанского (Приволжского) Федерального Университета,
Астащенко Владимир Иванович, д-р техн. наук, доц., Россия, Набережные Челны, Набережночелнинский институт Казанского (Приволжского) Федерального Университета
INFORMA TION MODEL MA TERIAL FOR FORMING A DA TA BANK ON TECHNOLOGICAL AND OPERATIONAL PROPERTIES OF STRUCTURAL STEELS.
Provides information model structural material, which consistently provides data on technological and operational properties, as well as information on typical and progressive hardening processing of the material to improve the dominant service properties. Using a model for the formation of a data Bank in the form mnogovodnoe, multilevel information-logical table gives the possibility of making rational design and technological solutions in automated design systems.
Key words: information; model; technological, operational properties of structural materials.
Shibakov Rostislav Vladimirovich, senior Lecturer, Russia, Naberezhnye Chelny, Kazan federal university,
Jigulev Ilya Olegovich, candidate of technical sciences, docent, Russia, Naberezh-nyeChelny, Kazan federal university,
Astachenko Vladimir Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Na-berezhnyeChelny, Kazan federal university
