книги из ГПНТБ / Коцюбинский О.Ю. Стабилизация размеров чугунных отливок

напряжений, соответствующих значениям Qo/Qn от 0 до 0,7, по­ казаны в виде заштрихованной зоны на рис. 52.

На основании данных рис. 52 можно сделать вывод, что у всех исследованных марок чугуна с пластинчатой формой графита характер релаксации напряжений с течением времени практиче­ ски одинаков и не зависит от их химического состава, прочности и величины исходных напряжений.

ки прекращают коробиться. Стало быть, величина дальнейшего коробления отливок лежит в пределах точности измерения. Коль­ цевые образцы имеют малую жесткость при изгибе, и поэтому при измерении можно фиксировать небольшие величины релак­ сации напряжений. С увеличением жесткости при изгибе абсо­ лютная величина коробления отливки уменьшается. Поэтому фиксируемое коробление отливок с учетом точности его измере­ ния может заканчиваться и раньше 9— 12 мес. Основное коробле­ ние от релаксации остаточных напряжений, составляющее ~70% от годового (см. рис. 52), происходит за первые три ме­ сяца вылеживания отливок.

С целью проверки результатов, полученных на кольцевых образцах, было исследовано происходящее с течением времени коробление направляющих трех отливок станины резьбошлифо­ вального станка модели 5822, обладающей значительной жест­ костью при изгибе, и трех отливок маложестких салазок коор­ динатно-расточного станка модели 2450. Габаритные -размеры станины 2070 X 1780 X 855 мм, масса 1600 кг. Габаритные раз­ меры салазок 2100 X 1398 X 355 мм, масса 630 кг. Все отливки

111

изготовляли из чугуна СЧ 21-40 и предварительно подвергали механической обработке.

Исследование коробления станин, продолжавшееся больше года, показало, что если в первые месяцы коробление было значительным и достигало 10 мкм, то с течением времени даль­ нейший его рост резко замедлялся, а через 6 мес. после меха­

нической обработки все станины прекратили коробиться. Точность измерения коробления составляла 3—4 мкм. В то же время коробление маложестких салазок, достигавшее в первые месяцы 20—25 мкм, не прекратилось полностью и через 8 мес.

измерения.

Характерно, что время, необходимое для прекращения коробления всех трех отливок станин, было одинаковым с момента их механической обработки, хотя время от их выбивки из формы до механической обработки было различным и коле­ балось в пределах 1—3,5 мес. Это объясняется значительным перераспределением остаточных напряжений, происходящим при механической обработке отливок (см. раздел 8). В резуль­

тате стабилизация размеров отливок, наступившая до их меха­ нической обработки из-за произошедшей к этому времени релаксации остаточных напряжений, нарушается механической обработкой и отливка снова начинает коробиться.

Ранее уже отмечалось, что релаксация остаточных напря­ жений является только одной из причин коробления чугунных отливок. Другой, часто встречающейся на практике причиной коробления отливок является пластическая деформация чугуна под действием временных нагрузок, возникающих при механи­ ческой обработке, сборке, транспортировке, а также в процессе эксплуатации станков и приборов.

Под действием временных нагрузок на бывшие в отливках остаточные напряжения ао накладываются дополнительные на­

пряжения ад. Суммарные напряжения (ао + стд) вызывают пла­ стическую деформацию чугуна и коробление отливок. Чем выше имевшиеся в отливке остаточные напряжения, тем больше будет пластическая деформация чугуна, а следовательно, и ее короб­ ление от действия одной и той же дополнительной нагрузки (см. рис. 18). Поэтому повышение остаточных напряжений сто в чугунных отливках при прочих равных условиях вызывает уве­ личение их коробления как от релаксации этих напряжений, так и от действия временных нагрузок.

Величина дополнительных напряжений, создаваемых временными нагрузками, может колебаться в широких пределах и не всегда поддается достаточно точному учету, особенно при транспортировке отливок. Для оценки возможного коробления чугунных отливок от временных нагрузок было принято, что в базовых деталях точных станков и приборов могут возникать дополнительные напряжения ад — 20 МН/м2.

Используя это допущение, изображенную на рис. 51 зави­

1 1 2

симость сто от ов, а также данные о пластической деформации кольцевых образцов из чугуна различных марок при их нагру­

кающая при его перегрузке на 20 МН/м2 от начальных напря­

Таким образом, коэффициент kc характеризует относительную

величину коробления отливок от действия одной и той же вре­ менной нагрузки, но при изготовлении их из чугуна различных марок. Средние значения коэффициента kc для чугуна различ­

ных марок даны в табл. 7.

Из сопоставления полученных коэффициентов k0 видно, что

при использовании менее прочного чугуна коробление отливок от действия временных нагрузок увеличивается. Особенно силь­ но возрастает опасность коробления отливок по>этой причине при изготовлении их из чугуна СЧ 15-32 и СЧ 12-28.

При наличии в чугунной отливке остаточных напряжений ао, она может покоробиться как от их релаксации, так и рт действия временных нагрузок, создающих напряжения, равные (ао + ад). Величина возможного коробления от обеих этих причин для де­ талей, обладающих значительной жесткостью при изгибе, обычно бывает одного порядка. Причиной же коробления мало­ жестких деталей очень часто являются временные нагрузки, возникающие при их транспортировке, механической обработке, складировании, а также в процессе эксплуатации. Однако до сих пор обычно считают, что любое коробление чугунных отливок происходит только от релаксации остаточных напряжений. В результате не принимаются эффективные меры для устране­ ния причин, вызывающих коробление отливок от действия внешних сил. К таким мерам относится, прежде всего, исполь­ зование более прочного чугуна, обладающего меньшей величи­ ной kc. Кроме того, очень эффективной является упрочняющая

обработка чугунных отливок, которая обеспечивает уменьшение возможного их коробления именно от действия внешних нагрузок.

Как недостаток испытаний чугуна на релаксационную стойкость необходимо отметить большую их продолжительность. Поэтому желательно найти способ хотя бы приближенной оцен­ ки ожидаемой величины релаксационной стойкости чугуна по каким-либо кратковременным испытаниям. Наиболее подходя­ щими для этой цели могут быть испытания пластической деформации чугуна при его нагружении. Для проверки такого способа оценки релаксационной стойкости полученные на коль­ цевых образцах данные были обработаны следующим образом.

Определяли отношение деформации Д/по, полученной за год испытания на релаксацию при исходном напряжении 0О, к пла­

стической деформации кольцевого образца Д/пл в процессе его нагружения до этого же напряжения. Величина Д/Пл = (/но—/н)>

где /н — начальное значение расстояния / (см. рис. 32) перед нагружением кольцевого образца, а /но — значение этого расстоя­ ния в разгруженном образце после первого его нагружения и выдержки под нагрузкой в течение 3 мин.

Результаты такой обработки для образцов из чугуна всех марок от СЧ 12-28 до СЧ 35-56 представлены заштрихованной зоной на рис. 53 в зависимости от отношения Qo/Qn■ Несмотря

Рис. 53. Отношение пластической деформа­ ции Д/по кольцевых об­ разцов из чугуна раз­ личных марок от релак­ сации исходных напря­ жений в течение года к пластической их де­ формации Д/пл при пер­ воначальном нагружении до тех же исходных на­ пряжений, построенное в зависимости от Qo/Qn

на большое разнообразие исследованных марок чугуна, все обработанные таким образом данные расположились в сравни­ тельно узкой зоне. Следовательно, предложенная обработка получаемых экспериментальных данных позволит, по мере их накопления избежать необходимости каждый раз проводить длительные испытания релаксационной стойкости чугуна, если его микроструктура не слишком резко отличается от структуры ранее испытанных образцов.

8. Коробление При механической обработке чугунных отливок с отливок удаляют слои ме- после их механической талла, в которых имелись ос- обработки таточные напряжения. Это на­

рушает равновесие остаточ­ ных напряжений в отливке, вызывая ее коробление до наступле­ ния нового положения равновесия.

Чтобы представить себе возможную величину прогиба чугун­ ной отливки станочной детали из-за перераспределения остаточ­ ных напряжений при ее механической обработке, рассмотрим два примера.

После черновой механической обработки направляющих станины горизонтально-расточного станка модели 2А635, имев­ шей габаритные размеры 5540 X 2090 X 550 мм, прогиб отливки

П 4

на единицу длины составлял 14—20 мкм/м, и при длине направ­ ляющих 3,8 м полный их прогиб был равен 0,2—0,3 мм. Момент инерции поперечного сечения станины был равен / у —33 -10-4 м4,

был равен / у — 4 5 -10_3 м4, а остаточные напряжения в удален­

ном слое металла ~ 3 0 МН/м2.

Кроме того, механическая обработка чугунных отливок вы­ зывает также возобновление их коробления от релаксации остаточных напряжений. Происходящее при механической обра­ ботке перераспределение остаточных напряжений, сохранив­ шихся в отливке, приводит к тому, что в одних участках они уменьшаются, а в других увеличиваются. Если перед механиче­ ской обработкой отливка не коробилась, это значит, что релак­ сационная стойкость металла во всех ее участках достигла такого уровня, при котором сохранившиеся там остаточные напряжения уже не способны были вызвать его пластическую деформацию с течением времени, т. е. имелось равновесие между сохранившимися в отливке остаточными напряжениями и релак­ сационной стойкостью металла.

На участках, где после механической обработки напряжения уменьшатся, они тем более не смогут вызвать пластической деформации металла, так как имевшаяся там релаксационная стойкость будет больше величины новых напряжений. На участ­ ках же, где после механической обработки остаточные напря­ жения возрастут, бывшая там релаксационная стойкость метал­ ла окажется недостаточной для предотвращения его пластиче­ ской деформации, которая будет происходить с течением времени, под действием новых более высоких остаточных напряжений. В этих местах снова начнется релаксация остаточ­ ных напряжений.

В результате возникают особенно благоприятные условия для возобновления коробления отливки — на одних участках ее сечения происходит релаксация остаточных напряжений, а на других она полностью отсутствует, несмотря на наличие там остаточных напряжений. Таким образом, величины процента релаксации остаточных напряжений в разных участках отливки максимально различаются между собой, а в разделе 5 было показано, что именно такое различие в пределах одной отливки является основной причиной ее коробления.

Абсолютная величина релаксации остаточных напряжений на участках, где они увеличились после механической обработ­ ки, и вызванное этой релаксацией коробление будут тем больше,

чем сильнее изменятся остаточные напряжения при механиче­ ской обработке отливки. Согласно формуле (141) раздела 13,

атакже формулам (136), (137) и (142) перераспределение

В то же время с увеличением общей площади поперечного сече­ ния отливки F и ее жесткости при изгибе перераспределение

остаточных напряжений при механической обработке меньше. Таким образом, коробление отливок от релаксации остаточ­

ных напряжений после механической обработки увеличивается с увеличением остаточных напряжений, бывших в удаленном при механической обработке слое металла, с увеличением процента массы удаленного металла по отношению к массе всей отливки и с уменьшением их жесткости при изгибе. Кроме того, имеет значение расположение участков, подвергаемых механической обработке относительно центра тяжести отливки. Чем ближе центр тяжести удаленных при обработке масс металла к центру тяжести отливки, тем меньше последующее ее коробление.

При прочих равных условиях происходящее с течением вре­ мени коробление отливок будет тем большим, чем большей окажется релаксация остаточных напряжений в местах, где эти напряжения увеличились после механической обработки. Поэто­ му для оценки процента релаксации напряжений, которые сна­ чала стабилизировались в процессе длительного вылеживания, а затем немного увеличились, был проведен эксперимент с до­

После этого образцы снова начали коробиться, причем их дефор­ мация за 3 мес. испытания составляла от 10 до 30% ранее

полученной на них деформации Д/ло от релаксации исходных на­ пряжений сто в течение года.

С целью проверки влияния механической обработки на коробление отливок деталей машин был проведен следующий эксперимент. Из чугуна СЧ 32-52 были изготовлены три отливки верхнего стола круглошлифовального станка модели ЗВ ПО, которые после первоначальной механической обработки проле­ жали 1,5 года и полностью прекратили коробиться в пределах точности измерения, составлявшей 2—3 мкм. Затем все отливки

116

мерно таким же, как их коробление за тот же срок после перво­ начальной механической обработки. Следовательно, механиче­ ская обработка очень сильно влияет на коробление отливок. После нее могут снова начать коробиться даже полностью ста­ билизированные отливки. Это всегда необходимо учитывать при составлении маршрутной технологии изготовления чугунных базовых деталей точных машин и приборов.

Чтобы избежать возобновления коробления отливок после окончательной механической обработки, всегда стремятся перед последней стабилизирующей обработкой производить возможно более полную предварительную механическую обработку всех поверхностей отливок. Тогда объем металла, удаляемого со ста­ билизированной отливки при окончательной механической обра­ ботке, будет минимальным, перераспределение остаточных на­ пряжений невелико и отливка останется стабильной в пределах точности измерения.

Для выяснения характера и величины изменения остаточных напряжений в чугунных отливках сложной конфигурации при их механической обработке были проведены следующие экспе­ риментальные исследования. Для исследования были выбраны описанные в разделе 7 отливки станин резьбошлифовального станка модели 5822 и салазок координатно-расточного станка модели 2450. Все отливки получали из чугуна СЧ 21-40 в песча­ ных формах, изготовленных по-сухому с применением около направляющих поверхностей чугунных холодильников.

Исследования остаточных напряжений как до, так и после механической обработки отливок производились с помощью наклеенных на них розеток из проволочных тензодатчиков по ме­ тодике, описанной в разделе 13. Для большей надежности остаточные напряжения измеряли в намеченных точках отливок "двумя расположенными рядом розетками из проволочных тен­ зодатчиков. Кроме того, напряжения измеряли в одних и тех же точках на трех одинаковых отливках.

При исследовании отливок станин было установлено, что наиболее напряженными у них являются тонкие стенки в районе направляющих, где остаточные напряжения достигали 100—

140 МН/м2. В отливках салазок остаточные напряжения рас­ пределены более равномерно между всеми исследовавшимися участками и поэтому нельзя было выделить наиболее напря­ женные из них. Максимальная величина остаточных напряжений в салазках достигала 100 МН/м2.

Характер изменения остаточных напряжений в исследован­ ных отливках после их черновой механической обработки хоро­ шо виден в табл. 8, где приведены изменения максимальных по

абсолютной величине главных остаточных напряжений, полу­ чившиеся в различных розетках тензодатчиков после механиче­ ской обработки отливок. Все розетки были разделены на группы в зависимости от абсолютной величины максимального остаточ­

117

ного напряжения сто, бывшего в них до механической обработки. Затем в пределах каждой группы определяли число розеток, в которых остаточные напряжения после механической обработ­ ки отливок увеличивались, уменьшались или меняли знак. Выде­ ленные по этому признаку розетки объединяли в подгруппы. Сравнивая количество розеток в каждой подгруппе для данной величины Сто, можно судить о преобладающем характере изме­ нения остаточных напряжений при механической обработке отливок.

подгруппе.

Из табл. 8 следует, что в тех участках станины, где исходная

величина остаточных напряжений превышала 50 МН/м2, меха­ ническая обработка вызывала их уменьшение. В тех же участ­ ках, где исходные остаточные напряжения были меньше 50 МН/м2, их величина могла как уменьшаться, так и увеличи­ ваться, причем в среднем остаточные напряжения в этих участ­ ках изменялись после механической обработки станины на

10—20 МН/м2.

Несколько иначе менялись остаточные напряжения в иссле­ дованных участках отливок салазок после их черновой механи­ ческой обработки. В тех участках, где исходные остаточные напряжения были больше 50 МН/м2, они чаще всего умень­ шались, но были и случаи их увеличения. Во всех участках, где исходные остаточные напряжения были меньше 50 МН/м2, эти напряжения увеличивались. При этом средняя величина изме­ нения остаточных напряжений в салазках значительно больше, чем в станинах. Большее изменение остаточных напряжений в салазках объясняется прежде всего значительно большим про­

118

центом массы металла, удаляемого с них при механической обработке, и меньшей их жесткостью при изгибе.

Таким образом, механическая обработка чугунных отливок приводит к существенному перераспределению остаточных на­ пряжений, которые могут как уменьшаться, так и увеличиваться на значительную величину. Именно перераспределение уже су­ ществовавших в отливке остаточных напряжений, а не создание новых является основной причиной коробления отливок после их механической обработки.

Процесс резания при механической обработке отливок может создать в них остаточные напряжения только в очень тонком слое металла, непосредственно прилегающем к обработанной поверхности. Обычно его толщина составляет 0,05—0,25 мм, причем наибольшие напряжения оказываются непосредствен­ но на обработанной поверхности, где металл сильно деформи­ рован.

Для оценки возможного влияния релаксации этих напряже­ ний на коробление чугунных отливок рассмотрим следующий пример. Предположим, что у описанной в начале этого раздела отливки (станины горизонтально-расточного станка модели 2А635) механической обработке подвергали только направляю­ щие, причем с режимами резания, вызвавшими в слое на глубине 0,1 мм остаточные напряжения ~ 1 1 0 МН/м2 (выбран худший

вариант, вызывающий повышенное коробление, так как обе на­ правляющие расположены по одну сторону от главной оси инер­ ции поперечного сечения отливки). Если принять величину релаксации этих напряжений « 10 %, то вызванный релаксацией прогиб станины на длине 1 м будет ничтожно мал и составит всего f = 0,075 мкм.

Правда, рассмотренная отливка обладает значительной жесткостью при изгибе. Для маложестких деталей релаксация напряжений, созданных непосредственно процессом резания, может в отдельных случаях оказать большее влияние на вели­ чину их коробления.

Однако для подавляющего большинства чугунных отливок различных машиностроительных деталей основное влияние на их коробление оказывает происходящее при механической обработ­ ке перераспределение уже бывших в отливке остаточных напря­ жений.

Существенное значение для предотвращения коробления чугунных деталей имеет крепление их при механической обра­ ботке. Так как чугун легко пластически деформируется даже под действием сравнительно небольших нагрузок, крепление отливок при их механической обработке должно исключать по­ явление в них пластической деформации под действием сил ре­ зания или от усилий зажима. На это обязательно нужно обра­ щать внимание, особенно при механической обработке маложестких чугунных деталей.

119