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

стойкость направляющих поверхностей базовых деталей маши­ ны или прибора, обеспечивая длительное сохранение ими перво­ начальной точности. Чаще всего такая закалка осуществляется путем быстрого нагрева закаливаемой поверхности токами высо­ кой частоты (т. в. ч.) с последующим охлаждением водой, пода­ ваемой через спреер.

Однако указанный способ упрочнения направляющих по­ верхностей вызывает коробление закаливаемых деталей. Во-первых, деталь коробится уже в результате ее закалки. Это затрудняет последующее шлифование закаленной поверхности, так как из-за ее кривизны может оказаться, что на отдельных участках будет снято слишком много металла и удален упроч­ ненный слой, обладающий высокой твердостью, ради получения которого и производилась закалка. Кроме того, закалка создает нестабильную структуру металла в упрочненном слое, а также значительные остаточные напряжения не только в районе этого слоя, но и во всей отливке из-за ее прогиба при закалке. Проис­ ходящие с течением времени изменения объема нестабильной структуры и релаксация созданных закалкой остаточных напря­ жений вызывают последующее коробление детали и потерю ею первоначальной точности.

Чтобы предотвратить эти отрицательные явления, необходи­ мо знать основные причины, вызывающие коробление и иметь возможность оценивать его величину в каждом конкретном случае.

Ранее уже отмечалось, что многие базовые детали точных станков и приборов можно отнести к деталям балочного типа, поэтому рассмотрим вопросы коробления при поверхностной закалке применительно к таким деталям.

В ходе поверхностной закалки деталей балочного типа происходят следующие процессы. Нагреваемые слои металла стремятся расшириться, но этому препятствуют более холодные участки.отливки. В результате нагретые под закалку слои метал­ ла оказываются сжатыми и действуют на холодную часть отлив­ ки как эксцентрично приложенная продольная сила растяжения, создавая не только растяжение, но и изгиб. При температурах, соответствующих нагреву под закалку, чугун весьма пластичен. Поэтому в нагретых слоях произойдет пластическая деформация сжатия, которая будет тем больше, чем большее сопротивление окажет холодная часть отливки свободному температурному расширению нагретых слоев. Если после нагрева не производить закалку, а дать детали медленно охладиться, то в слоях, подвер-

120

гавшихся при нагреве пластическому сжатию, возникнут напря­ жения растяжения. Но из-за значительно меньшей пластичности холодного металла, чем нагретого, эти напряжения растяжения сохранятся, стремясь изогнуть всю деталь так, чтобы возникла вогнутость со стороны нагревавшейся поверхности.

Если же после нагрева произвести быстрое охлаждение и закалку нагретой поверхности, то в прилегающих к ней слоях произойдут структурные превращения, связанные с изменением объема металла. В частности, происходящее при закалке мартен­ ситное превращение вызовет значительное расширение удельного объема металла, которое в суммарной деформации нагревав­ шегося слоя будет компенсировать пластическую деформацию сжатия, получившуюся в нем при нагреве. В зависимости от соотношения величины пластической деформации металла при нагреве и структурной его деформации при закалке в закален­ ном слое окончательно могут превалировать как напряжения растяжения, так и напряжения сжатия. При этом деталь окажет­ ся изогнутой либо вогнутостью, либо выпуклостью в сторону за­ каленной поверхности. Возможен и такой случай, когда эти деформации полностью взаимно компенсируют друг друга и после односторонней закалки деталь останется прямой. Направ­ ление и величина прогиба, происходящего при закалке, зависит от жесткости детали при изгибе, свойств ее материала и глубины закаленного слоя.

Сказанное можно проиллюстрировать следующей схемой. Предположим, что площадь поперечного сечения закаливаемых слоев металла равна Fь а площадь остающейся холодной части отливки Fq. Допустим также, что напряжения сжатия, которые

способны выдержать без пластической деформации нагретые под закалку слои металла, равны Ст|. Более высоких напряжений в нагретых слоях не может возникнуть, так как они сразу же

где а'б' — свободная температурная деформация металла при его нагреве до температуры Ф; еро и е„о — деформации слоя от растя­ жения и изгиба холодной части отливки под действием возник­ ших в нагретом слое напряжений ай есс — упругое сжатие нагре­

того слоя под действием напряжения оь Пренебрегая изменением модуля упругости металла при на­

греве и производя необходимые выкладки, получаем

где z — расстояние нагретого под закалку слоя от главной цен­ тральной оси у холодной части поперечного сечения, а / — мо­ мент инерции холодной части сечения относительно оси у.

12 1

После закалки суммарная остаточная деформация слоя умень­ шается на величину ем, соответствующую произошедшим в нем структурным превращениям. Но так как в общем случае она не становится равной нулю, то в закаленном слое возникают на­ пряжения 02, вызывающие на длине / прогиб f всей детали,

равный

закаленной поверхности. Из полученного уравнения (63) следует, что знак всего выражения, а следовательно, и направление про­ гиба детали после ее односторонней закалки зависит от знака разности, заключенной в квадратные скобки, а абсолютная вели­ чина прогиба определяется прежде всего величиной множителя перед скобками. С помощью уравнения (63) для простейшего случая односторонней закалки детали, имеющей форму попереч­ ного сечения в виде прямоугольника, была рассчитана кривая изменения прогиба f, происходящего при закалке, в зависимости от отношения глубины закаленного слоя s к высоте h незакален­

ной части сечения отливки (рис. 54). У маложестких деталей (большие значения s/h) прогиб положителен, а его величина быстро увеличивается с увеличением s/h. У деталей, обладающих большой жесткостью при изгибе (малые значения s/h), прогиб

отрицательный и его величина стремится к нулю по мере возра­ стания жесткости детали.

В качестве подтверждения рассмотренной схемы образования остаточных напряжений при односторонней поверхностной закал­ ке отливок балочного типа на рис. 55 приведены эксперимен­ тально определенные остаточные напряжения, возникшие в двух одинаково закаленных образцах из чугуна СЧ 21-40, имеющих разную жесткость при изгибе. Оба образца имеют поперечное сечение прямоугольной формы, но высота одного равна 25 мм, а другого — 55 мм. Остаточные напряжения в образцах опреде­ ляли методом послойного удаления металла с измерением возникающего при этом прогиба. Закалке подвергали поверх­

ную сторону. Это подтверждает данные рис. 54, построенного на основании чисто теоретических расчетов для упрощенной схемы. В то же время, полученные экспериментально эпюры остаточных напряжений в районе закаленного слоя свидетель­ ствуют о том, что процесс образования остаточных напряжений

122

а также влияние отдельных конструктивных параметров детали. Однако для получения количественных данных нужны прямые эксперименты, учитывающие все многообразие факторов, сопут­ ствующих поверхностной закалке чугунных деталей.

Эксперименты проводили на образцах балочного типа из чу­ гуна СЧ 21-40 при несимметричной их поверхностной закалке

70 кГц. Использованные при этом режимы закалки соответство­ вали обычно применяемым в заводской практике для закалки чугуна. Контролю подвергалась глубина закаленного слоя s,

под которой понималась толщина слоев металла с существенно более высокой микротвердостью. Закаливаемые образцы имели разную жесткость при изгибе, изменявшуюся в широких преде­ лах. Так, наименее жесткий образец имел момент инерции поперечного сечения, равный / = 5,2-ІО-8 м4, а наиболее жест­ кий J = 1,3- ІО-4 м4. После закалки у всех исследуемых образцов

измеряли прогиб, который затем пересчитывали на одинаковую длину балки, равную I = 1 м, и обозначали через fo-

Из формулы (63) видно, что при одном и том же материале детали, одинаковом режиме и постоянной глубине закалки про­ гиб на длине 1 м зависит только от геометрических размеров

поперечного сечения детали. К сожалению, в уравнении (63) величины, связанные с геометрическими размерами поперечного сечения детали, не могут быть представлены в виде одного ком­ плексного критерия, который можно было бы рассматривать как аргумент при исследовании прогиба' fo в качестве зависящей от

него функции. Перед скобкой в уравнении (63) в качестве такого

123

выражения можно было бы принять F,z , а в самой скобке-

ривается коробление поверхностно закаленных деталей при постоянной глубине закалки s, то вместо величины F\ = sb (где Ь — ширина закаленной поверхности) в указанные выра­

жения можно подставить только переменную величину, какой является Ь. В результате имеем следующие два выражения:

ко целесообразно выяснить, насколько существенным является разброс соотношений между указанными двумя выражениями и нельзя ли в некоторых слу­ чаях им пренебречь.

При проведении экспериментов по односторонней закалке

На рис. 56, где представлены результаты, видно, что между этими выражениями (для всех исследуемых образцов) получи­ лась практически однозначная зависимость. Поэтому при обработке полученных экспериментальных данных в качестве аргумента исследуемой функции использовали только одно

124

J — момент инерции всего поперечного сечения закаливаемой

детали. Под глубиной слоя s здесь и далее понимается глубина слоев металла с более высокой микротвердостью. На рис. 57, б

для тех же закаленных чугунных образцов построен график их прогиба fi, возникающего на длине 1 м в течение года вылежи­

вания после закалки.

График рис. 57, а, полученный экспериментально, хорошо совпадает с теоретически рассчитанным графиком рис. 54. Важ­ но отметить, что большинство базовых корпусных деталей станков (исходя из предъявляемых к ним эксплуатационных требований) обладает значительной жесткостью при изгибе

(величина критерия - у - мала). Поэтому односторонняя закал­ ка будет вызывать у таких деталей отрицательный прогиб

125

(вогнутость со стороны закаленной поверхности). У маложест­ ких деталей типа планок и т. п. односторонняя поверхностная закалка вызывает положительный прогиб.

По-другому происходит коробление поверхностно закален­ ных чугунных деталей в течение последующего после закалки промежутка времени. Из рис. 57, б следует, что, независимо от того, какой прогиб (положительный или отрицательный) детали возник при закалке, дальнейшее ее коробление происходит только в сторону отрицательного прогиба, т. е. образуется вог­ нутость на закаленной поверхности. Значит, во всех рассмотрен­ ных случаях имеется один основной фактор, определяющий коробление поверхностно закаленных отливок с течением вре­ мени. Видимо, таким фактором является изменение тетраго­ нальное™ мартенсита в закаленном слое.

Характер деформации с течением времени у поверхностно закаленных чугунных деталей, имеющих различную жесткость при изгибе, оказался практически одинаковым. Так, например, если за 10 0 % принять величину коробления поверхностно зака­

ленной чугунной детали в течение одного года, то 70—80% этого коробления происходят за первые 2—3 мес. после закал­

ки. По прошествии года коробление полностью не прекращается, хотя интенсивность его нарастания резкр уменьшается.

На рис. 57 приведены графики коробления только при глуби­ не закалки 2,4 мм и для балки длиной 1 м. В более общем слу­ чае для чугунной детали с глубиной закаленного слоя s прогиб от закалки /3 на длине / можно определить по формуле

каленной части детали, для которой определяется прогиб; А4 —

строена на основании экспериментальных данных, полученных

при разной глубине закалки образцов с - у - ~ 0.004 1 /мм2. Воз­

можно, что для образцов с другими значениями -у-величины k4

где /к — прогиб детали на длине / за год вылеживания после закалки, мм; f і — прогиб, определяемый из рис. 57,6, мм; I —

126

длина, м, закаленной части детали, для которой определяется прогиб; k5— поправочнБги коэффициент, определяемый из рис. 58,6 по глубине закаленного слоя s; k6— поправочный ко­

эффициент, учитывающий влияние шлифования закаленного слоя на последующее коробление детали.

Кривая на рис. 58, б также была получена в результате об­

работки экспериментальных данных о влиянии глубины закален­

глубины удаленного при шлифовании закаленного слоя металла установить не удалось. Однако во всех исследуемых случаях было отмечено значительное уменьшение коробления шлифованных об­ разцов по сравнению с нешлифованными (рис. 59).

Как видно из полученных данных, величина коэффициента k6

127

щая величине обоих критериев, рассчитанных для какой-нибудь конкретной отливки, будет располагаться далеко от изображен­ ной на рис. 56 кривой, то для этой отливки пользоваться кри­ выми рис. 57 нельзя.

Построение кривых, типа изображенных на рис. 57 и 58, предполагает, что каждой глубине закаленного слоя s соответ­ ствует строго определенный режим нагрева и охлаждения всех участков металла, прилегающих к закаливаемой поверхности. В действительности же известно, что одну и ту же глубину за­ каленного слоя можно получить при разных режимах нагрева и охлаждения металла в процессе его поверхностной закалки. Однако проведенные на образцах наблюдения показали, что возможные в производственных условиях колебания режимов поверхностной закалки чугунных деталей с нагревом т. в. ч. не вызывают резкого изменения их коробления при соблюдении заданной глубины закалки s. Практически обычные на произ­ водстве колебания режимов закалки могут, по-видимому, выз­ вать изменение величины коробления при данной глубине закаленного слоя s не более чем на 20%.

Таким образом, приведенные в настоящем разделе данные позволяют оценить возможный порядокъ величины коробления поверхностно закаленных чугунных деталей как в результате самой закалки, так и с течением времени после закалки и зара­ нее принять необходимые меры для его уменьшения. В частно­ сти, для уменьшения коробления деталей от закалки и облегче­ ния последующего их шлифования часто осуществляют закалку заранее искривленных в противоположном направлении дета­ лей. Это предварительное искривление закаливаемой поверх­ ности обычно создают механической обработкой зажатой в изо­ гнутом состоянии отливки. Пользуясь формулой (64), можно определить величину необходимого обратного прогиба для каж­ дой конкретной детали. Кроме того, с помощью формулы (66) можно заранее оценить возможное коробление закаленной де­ тали с течением времени и установить, нужно ли для нее преду­ сматривать специальную стабилизирующую обработку или нет.

Способ стабилизации поверхностно закаленных чугунных, деталей изложен в разделе 15.

9 За к. 1383