Материал: Математическое моделирование. приобретение навыков разработки и использования моделей в машиностроении. Копосов В.Н

Сравнительная оценка по стоимости

Стоимость материала в условиях плановой экономики определялась прейскурантом оптовых цен; в условиях рыночных отношений она будет отличаться от указанных цен.

Вместе с тем, можно предположить, что соотношение цен в основном останется прежним, и поэтому при анализе этого вопроса будем опираться на оптовые цены, считая их условными. Это тем более целесообразно, что методология сравнительной оценки материалов с учетом их стоимости не зависит от ее уровня и соотношения.

Стоимость материалов в сильной степени зависит от технологии их получения, вида и профиля полуфабрикатов. Несмотря на большой разброс, можно констатировать, что наиболее дешевыми изделия машиностроения получаются из серых чугунов; при изготовлении их из ковких чугунов стоимость возрастает на 10-15%, а из высокопрочных - на 20-30%. Из машиностроительных материалов, поставляемых в виде полуфабрикатов, самыми дешевыми являются углеродистые стали обыкновенного качества. Вместе с тем, их стоимость зависит от способа выплавки: при кислородно-конверторном производстве они получаются на 10-20% дешевле, чем при производстве мартеновским способом; кипящая сталь всегда дешевле на 30-40%, чем спокойная. Более дорогими являются качественные и высококачественные углеродистые конструкционные и инструментальные стали. Еще более дорогими будут среднелегированные высококачественные стали. Затем идут цветные металлы и их сплавы. Самыми дорогими являются высоколегированные, высокопрочные и с особыми физическими и химическими свойствами стали и сплавы. Стоимость последних также заметно различается в зависимости от способа производства. Стали всегда будут дороже при рафинировании шлаками, переплавке в вакууме и во всех других случаях, когда проводятся какие-либо мероприятия по дополнительной очистке их от вредных примесей и газов.

Что касается неметаллических материалов, то из них более дорогими являются пластмассы; они по стойкости находятся примерно на уровне цветных металлов (термопласты) и высоколегированных сталей с особыми свойствами (реактопласты). Вместе с тем, изготовление изделий из них, в ряде случаев, экономически выгоднее вследствие большей технологичности.

Однако сопоставление материалов по стоимости, которая увязывается с единицей массы, не позволяет дать полной оценки, поскольку материалы различаются по уровню свойств. Более полной и объективной будет оценка по стоимости, отнесенной к определяющему показателю свойств (удельная стоимость) [14]. Для конструкционной стали это будет удельная стоимость по прочности С/σ_в, С/σ_0,2 (стоимость единицы прочности). Для ориентировки такие характеристики по некоторым материалам приведены в табл. 5.

Таблица 5.

Удельная стоимость некоторых материалов

Таким образом, сопоставление конструкционных материалов по удельным показателям физико-механических свойств в общем случае должно производиться с учетом их разброса и уровня надежности предполагаемых изделий. При сравнении же между собой материалов с одинаковым разбросом свойств можно ориентироваться на показатели удельной прочности без учета надежности.

Для инструментальных материалов при оптимизации их выбора методом сравнения в качестве оценочной принимаются показатели 60-минутной скорости резания при точении эталонной стали 45 с пределом прочности 650 МПа и твердостью 179 НВ (глубина резания 1,5 мм, подача 0,2 мм/об., главный угол в плане резца 60°) применительно к различным уровням теплостойкости. Наиболее полной оценкой работоспособности при этом будет экспериментальная функция зависимости 60-минутной скорости от температуры испытания; для приближенной же оценки можно воспользоваться экспериментальной функцией зависимости твердости от температуры испытания.

Из приведенных данных вытекает ряд положений. Прежде всего наглядно подтверждается экономическая целесообразность термической обработки: стоимость единицы прочности стали 40 в улучшенном состоянии значительно ниже, чем в горячеката­ном. Более выгодным может оказаться даже применение легированной стали, чем углеродистой (марки 30ХГСА и Ст5). Высокопрочные же стали характеризуются большей удельной стоимостью, особенно мартенситно-стареющая сталь; однако они имеют большую удельную прочность. С позиций удельной стоимости из алюминиевых сплавов предпочтительным представляется применение сплава В95 по сравнению с Д16.

При оценке по удельной стоимости представляется менее целесообразным применение полимерных композитов по сравнению с металлами и сплавами за исключением мартенситно-стареющей стали. Вместе с тем, не следует забывать об их большей удельной прочности и значительно лучшей технологичности, что в данном случае не учитывается.

Заметим, что удельными характеристиками стоимости можно пользоваться и при сравнительной оценке материалов по другим показателям свойств, в том числе физическим, например по электропроводности соответствующих сплавов меди и алюминия.

Таким образом, наиболее объективной оценкой конструкционных материалов при сравнении их по стоимости является удельная стоимость по определяющему показателю свойств. При этом, как и при оценке по удельной прочности, должны учитываться возможные изменения свойств материалов в процессе эксплуатации предполагаемых изделий.

По аналогии с оценкой по дельной прочности при оценке этих материалов по удельным характеристикам стоимости также можно было бы учесть еще и разброс свойств (неоднородность) материалов; при этом величину стоимости надо было бы заменить на величину С (1 - UVc). Однако практического значения это не имеет, так как разброс по стоимости непостоянен и значительно больше разброса по свойствам материалов.

Для инструментальных материалов сравнительную оценку по стоимости надо также производить по относительным показателям, в частности по удельной 60-минутной скорости резания при фиксированном (нужном) значении теплостойкости (С/M_60t,).

При сравнительной оценке как конструкционных, так и инструментальных материла, представленных в перечне, по стоимости необходимо учитывать также дефицитность материалов (составляющих его компонентов), которая не всегда совпадает с оценкой по стоимости.

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