基于机加工艺对机械部件可靠性影响的研究

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1、基于机加工艺对机械部件可靠性影响的研究王新刚，张义民，张飞(东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110004)摘要：应用应力～强度干涉模型、疲劳寿命可靠性分析和二阶矩等方法，分析了加工精度、加工工艺方法和表面划痕对机械部件可靠性的影响，并提出了相应的可靠度计算方法，计算结果表明，不同加工工艺方法对机械部件表面完整性和可靠性有很大的影响；由划痕导致的表面损伤将使机械部件的可靠度降低；部件可靠度是随加工精度的变化而变化的，加工精度提高，部件可靠性也提高，精度等级越高对可靠性越不敏感。关键词：工艺；应力一强度干

2、涉模型；加工精度；可靠性引言机械产品在设计和制造过程中，有些因素如强度和应力视为随机变量。根据可靠性设计的摄加工精度、加工工艺方法和表面划痕等都会影响动法嘲和可靠性指标定义可求出甚至降低产品的疲劳强度，使产品工作寿命缩短，早期失效概率增加，对产品的可靠性产生了肚矿fl__L器④巨大的影响。机械可靠性设计常根据材料的强度、刚度、寿命等来设计符合要求的产品或结构，这样一方面可以利用可靠性指标直接衡量构件此时应用的各种方程、判据中明显地和隐含地包的可靠性，另～方面在基本随机参数向量X服从正态分布时，可以用失败点

3、处状态表面的切平括动载荷、静载荷、强度极限、弹性模量、极限面近似地模拟极限状态表面，可以获得可靠度的应力、机加工尺寸、初始裂纹长度、材料性能等一阶估计量与设计有关的参数和变量。这些参数和变量的变R=①∽)(4)化直接影响到零部件的可靠性。又因为不同的机式中，颤．)为标准正态分布函数。加工艺会影响或改交上述参数和变量，所以机加在进行零部件的可靠性设计时，材料和尺寸工艺又间接的影响到零部件的可靠性。可见，找给定后，强度的数学期望和标准差可由实验数据到机加工艺与产品可靠性之间的关系是挺高产获得，应力的数学期望和

4、标准差由载荷和尺寸确品可靠性的理论保障。定，其中零件的实际尺寸与加工精度有关。当零部件的加工精度不同时，其数学期望为定值，而标准差则与加工精度的等级有关，大小等于该精1．加工精度对可靠性的影响度等级的标准公差数值的六分之一，即60原则，机械部件的可靠性设计是根据应力．强度干依此便可分析加工精度对可靠性的影响。涉理论进行的，以应力极限状态表示的状态方程为瓦吼=言g(X)=r-t7(1)式中，仍为部件尺寸；乃为标准公差等级数值。式中，r为材料强度；劝应力；X为随机变量数值算例：某种吨位货车转向直拉杆是受拉向量

5、。压载荷作用的管形截面构件，如图1所示，管形截面的内径do=25衄，外径d1=35ram，受载荷～“g(xX；三。0舅萎萎姜羹}c2，Q=(170，2．6)KN，材料的拉伸强度值)>为安全状态JR(400，11)MPa，以上数据来自参考文献【6】，计上述为可靠性分析模型多用于强度和应力不随算此拉杆的可靠度。时间变化或变化不大的情况n-41。可将141岖驷垣疆图l拉杆结构圆形直拉杆的拉应力为盯=嗣4Q(6)式中，Q为拉杆承受的载荷；do为管形截面的内径；dl为管形截面的外径。根据应力一强度干涉理论及公式(1

6、)一(4)就可求得拉杆的可靠度。表1．不同公差等级下拉杆的可靠度从表1中可以看出，随着加工精度的提高，拉杆的可靠性也提高，当公差等级在卜9级时，加工精度对可靠性的影响非常小；当公差等级在10-15级时，对可靠性的影响也仅为万分之几；当公差等级在15级以上时，加工精度对可靠性的影响才比较明显。2．加工工艺方法对可靠性的影响在机械部件加工过程中，不同的加工工艺对零部件的材料性能和疲劳强度影响是不同的。本文分别以磨N-抛光加工、金刚石锯片切割加工、超声波加工和电火花线切割加工对A1203／TiC材料进行加工试验

7、，试验数据来自参考文献[7]，研究了各种加工方法对材料疲劳强度和可靠性的影响，计算出了不同加工方法下的可靠度见表2。142图表2．不同加工工艺方法下的可靠度从表2计算可靠度的结果可以看出，不同的加工工艺方法对该材料加工表面完整性和可靠性有很大的影响。磨削一抛光加工的试样表面硬度高，抗弯强度及其可靠性最高；金刚石切割加工和超声波加工次之；电火花加工陶瓷试样表面粗糙度小，硬度低，抗弯强度及其可靠性最低。3．表面划痕对可靠性的影响机械零部件在机加工过程中，由于加工刀具的硬度远大于加工部件，所以在加工过程中避免不

8、了刀具对工件产生损伤，致使在工作区表面留下刮痕损伤并产生划痕线。当工件表面存在划痕的区域未被发现或未被处理时，由于划痕部位产生应力集中，形成疲劳源。一旦该工件继续投入使用，在划痕上某一点甚至更多点处，可能会导致疲劳裂纹提前形成，随着交变载荷的持续作用，疲劳源就会沿着划痕逐渐发展，继而在不同部位产生了一群相互影响的小裂纹，最终在循环载荷作用下连通成一条长裂纹。目前，表面划痕损伤对结构可靠性影响的研究还不多见，所以，研究表面划痕损