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

был равен 19%, а по изгибающему моменту он получался рав­ ным 33%• Объясняется это тем, что при напряжениях растяже­ ния,. близких к пределу прочности чугуна, увеличение этих на­ пряжений с увеличением изгибающего момента или, соответст­

Подобный характер изменения напряжений растяжения спо­ собствует уменьшению опасности разрушения чугунных отливок при стабилизирующей обработке методом статического изгиба. Однако это справедливо только в случае, когда разрушение от­ ливки не связано с наличием у нее местного концентратора нап­ ряжений,. около которого пластическая деформация металла обычно бывает затруднена.

Кроме того, необходимо учитывать, что в зоне нагрузок, близ­ ких к разрушающимся, особенно большая разница между про­ центом увеличения действующей нагрузки и соответствующим ему процентом увеличения напряжений растяжения (см. рис. 38), возникает у отливок, поперечное сечение которых представляет собой сплошной массив (не имеет полостей). К таким отливкам могут быть отнесены столы, планки и т. п. детали. Для отливок же коробчатой фромы разница между процентом увеличения нагрузки и процентом увеличения напряжений растяжения в этой зоне получается при изгибе значительно меньшей (см.

рис. 96).

Статическую перегрузку отливок можно производить при лю­ бом виде нагружения. Однако осуществить необходимую их пе­ регрузку при растяжении или сжатии, как правило, намного сложнее, чем создать требуемые максимальные напряжения в от­ ливке путем ее изгиба. Так, например, чтобы создать в бруске размером 50X50X1000 мм из чугуна СЧ 21-40 напряжения рас­ тяжения, составляющие 0,8 <тв, необходимо при чистом растяже­ нии приложить к нему силу 42 тс, а при изгибе — всего около 2 тс. Правда, при растяжени бруска все его точки будут нагру­ жены до этого напряжения, а при изгибе — только наиболее уда­ ленные точки сечения в плоскости изгиба. Но на последующее коробление отливок основное влияние оказывает релаксация на­ пряжений именно в этих наиболее удаленных точках сечения. Поэтому при перегрузке отливок напряжениями изгиба прежде всего стабилизируются участки их поперечного сечения, имею­ щие основное значение для устранения последующего коробле­ ния отливок.

Таким образом, нагружение при помощи изгиба обладает оп­ ределенными преимуществами по сравнению с другими способа­ ми нагружения (растяжение, сжатие) чугунных отливок при ста­ тической их перегрузке. В связи с этим рассмотрим некоторые принципиальные особенности стабилизирующей обработки чу­ гунных отливок методом статического изгиба. В качестве приме­

2 1 0

ра рассмотрим изгиб балки из чугуна с а„ = 210 МН/м2, имею­ щей остаточные напряжения.

Так как остаточные напряжения всегда взаимно уравновеши­ ваются в пределах рассматриваемого сечения, то их эпюра обыч­ но близка к симметричной относительно центра этого сечения. Предположим, что) эпюра остаточных напряжений в сечении рас­ сматриваемой чугунной балки толщиной h соответствует кривой

/ на рис. 95. Максимальные напряжения растяжения при этом

равны 0,38 ав.

Если создать перегрузку такой балки напряжениями изгиба, при которых максимальные напряжения растяжения достигнут величины 0,76 сгп, то эпюра суммарных напряжений перегрузки будет иметь вид, изображенный кривой 2 на рис. 95. После сня­

тия внешней нагрузки в отливке сохранятся остаточные напряже­ ния, соответствующие кривой 3.

Как видно на рис. 95, перегрузка напряжениями изгиба вызывает значительное снижение остаточ­ ных напряжений в правой части сечения. Кроме того, наличие на этом участке при перегрузке боль­ ших напряжений того же знака способствует упрочнению там ме­ таллической основы чугуна и по­ вышает ее сопротивление даль­ нейшим пластическим деформа­ циям. Таким образом, временная перегрузка не только снизила, но и стабилизировала остаточные на­ пряжения в правой части сечения балки.

Несколько иначе обстоит дело с остаточными напряжениями в левой части сечения. Они тоже немного снизились, но не из-за

возникшей там при перегрузке пластической деформации, а в ре­ зультате снижения остаточных напряжений в правой части сече­ ния, вызвавшего их перераспределение во всем объеме от­ ливки.

Кроме того, во время перегрузки этот участок сечения подвер­ гался воздействию значительных напряжений противоположно­ го знака (кривая 2), что может не только не повысить, а даже

уменьшить сопротивление металлической основы последующему пластическому деформированию из-за эффекта Баушингера (см. штриховую линию 1 рис. 10,а). Следовательно, после перегрузки

левая часть сечения в лучшем случае останется просто нестаби­ лизированной.

Чтобы обеспечить снижение остаточных напряжений и их ста­ билизацию как в правой, так и в левой части сечения отливки, необходимо после ее перегрузки изгибом в одном направлении произвести аналогичную перегрузку в противоположном направ­ лении. Это обеспечит попеременное создание перегрузочных на­ пряжений растяжения то в правой, то в левой частях поперечно­ го сечения отливки.

Правда, при таком нагружении в левой и правой частях се­ чения попеременно будут возникать и напряжения сжатия, но величина их меньше напряжений растяжения (кривая 2 рис. 95),

и к тому же пластичность чугуна при сжатии намного меньше, чем при растяжении (см. рис. 18). Поэтому возникающая при перегрузке изгибом пластическая деформация растяжения ме­ талла будет намного больше пластической деформации сжатия, что, в свою очередь, обеспечит преобладающее упрочнение ме­ таллической основы чугуна по отношению к сохранившимся в балке после перегрузки остаточным напряжениям растяжения. Кроме того, если после статической перегрузки обеспечить не­ которое вылеживание отливок, то это дополнительно повысит ре­ лаксационную стойкость пластически деформированного метал­ ла независимо от того, совпадал ли знак напряжений перегруз­ ки со знаком сохранившихся остаточных напряжений или нет.

Из рассмотренного примера, видно, что для более полной стабилизации размеров чугунной отливки ее статическую пере­ грузку изгибом необходимо производить поочередно в противо­ положных направлениях.

В отдельных случаях, когда заранее известно направление коробления отливок, статическую перегрузку изгибом можно про­ изводить только в одном направлении, совпадающем с направ­ лением коробления данной отливки. Это устранит возможность последующего ее коробления в указанном направлении. Правда, после такой односторонней обработки сохраняется опасность возникновения коробления отливки в противоположном направ­ лении.

При рассмотрении коробления нестабилизированной отливки в какой-либо плоскости (например, zx на рис. 80) условно можно

представить себе, что оно состоит из двух самостоятельных ко­ роблений, одно из которых происходит в положительном, а дру­ гое в отрицательном направлениях оси z. Если величина обоих

этих короблений одинакова, то отливка коробиться не будет. В случае преобладания одного из них отливка будет коробиться на величину разности указанных короблений. Поэтому устранение коробления отливки в одном направлении приводит к тому, что полностью проявляется ее коробление в противоположном нап­ равлении. Конечно, при устранении наибольшего из двух короб­ лений суммарное коробление отливки уменьшается, но не ликви­ дируется полностью. Поэтому статическое нагружение отливок точных деталей необходимо производить во взаимно противопо­

2 1 2

ложных направлениях. Учитывая изложенное, можно выбрать оптимальный режим статической перегрузки для стабилизации размеров чугунных отливок. Однако на практике этот режим при­ ходится несколько видоизменять с учетом таких факторов, как опасность разрушения отливок, производительность операции старения и т. п.

Наиболее сложным вопросом при назначении режима стати­ ческой перегрузки является выбор максимальной силы нагруже­ ния. Дело в том, что величина остаточных напряжений в отлив­ ках сложной конфигурации часто бывает неизвестна. Кроме то­ го, статическая перегрузка должна стабилизировать остаточные напряжения, имеющиеся в основной массе отливки, так как толь­ ко они существенно влияют на ее коробление. Однако прочность отливки часто определяется не этими напряжениями, а местной их концентрацией на каком-либо участке, которая, в свою оче­ редь, никак не влияет на коробление данной отливки. В резуль­ тате отливка может разрушиться во время перегрузки даже при сравнительно небольшой суммарной величине напряжений, воз­ никающих в основной ее массе.

Расчет концентрации напряжений в чугунных отливках слож­ ной конфигурации при временной их перегрузке пока невозможен по следующим причинам. Прежде всего, нет метода расчетного определения остаточных напряжений, возникающих в местах концентрации при охлаждении отливок в форме. Кроме того, учет пластических деформаций металла в местах концентрации нап­ ряжений при временной перегрузке чугунной отливки очень сло­ жен и весьма неточен. Поэтому наиболее надежным и пока един­ ственным способом является экспериментальное определение величины силы, вызывающей разрушение отливки при ее пере­ грузке.

Для сравнительно небольших отливок в условиях крупносе­ рийного производства можно предварительно одну или несколь­ ко из них довести до разрушения и таким образом эксперимен­ тально определить разрушающую силу с учетом всех имеющих­ ся в отливке остаточных напряжений и мест их концентрации. Стабилизирующую статическую перегрузку отливок целесооб­ разно производить силой 0,5—0,6 от разрушающей. Следует отметить, что при точном знании разрушающей силы можно подвергать статической перегрузке и отливки, обладающие большими остаточными напряжениями. Такая перегрузка весь­ ма эффективна, так как резко уменьшает последующее короб­ ление.

Более сложно установить допустимую силу для перегрузки отливок при единичном или мелкосерийном их производстве. Разрушение даже отдельных экземпляров таких отливок нежела­ тельно или просто недопустимо. Особенно это относится к тяже­ лым отливкам, стоимость изготовления которых достаточно вы­ сока. Здесь прежде всего необходимо оценить уровень остаточ­

213

ных напряжений, имеющихся в отливке, и опасность ее разруше­ ния при перегрузке. Если отливки данного наименования в про­ цессе изготовления или механической обработки хотя бы иногда разрушались, то можно ожидать, что остаточные напряжения в этих отливках достаточно большие и осуществить стабилизацию их размеров методом силового нагружения опасно.

Чтобы полностью исключить возможность разрушения отли­ вок при их перегрузке, последнюю необходимо применять только для отливок, обладающих не очень высокими остаточными на­ пряжениями и не имеющих резких концентраторов в зоне макси­ мальных напряжений растяжения, возникающих при пере­ грузке.

Для отливок средних размеров стабилизирующую статичес­ кую перегрузку целесообразно производить до теоретических на­ пряжений изгиба его, составляющих примерно (0,25—0,3) ств, где <7В— предел прочности чугуна непосредственно в стенках отлив­ ки при их растяжении (см. рис. 20). Теоретическими эти напря­ жения названы потому, что определяются они по простейшим формулам типа (60), справедливым только для упругих дефор­ маций и при наличии одинаковых свойств материала в условиях растяжения и сжатия.

При статической перегрузке изгибом тяжелых отливок мас­ сой более 7 т максимальные теоретические напряжения целесо­ образно дополнительно уменьшить и брать их равными (0,15 ч- ч- 0,2) ов. Величина ав в стенках отливки может быть определена с помощью данных, приведенных на рис. 20.

Так как вместо фактических максимальных напряжений рас­ тяжения, возникающих в чугунных отливках при их перегрузке, в расчетах используются теоретические напряжения изгиба, то необходимо оценить, на сколько эти величины могут различать­ ся между собой. На рис. 38 штриховой линией изображены тео­ ретические напряжения, а линией 1 — действительные макси­

мальные напряжения растяжения при изгибе балки сплошного прямоугольного сечения. Как видно из этих графиков, в зоне вы­ соких напряжений наблюдается значительная разница между те­ оретическими и действительными напряжениями. Однако такая разница между ними бывает не всегда. Обычно для повышения жесткости при изгибе с сохранением минимальной массы отли­ вок стремятся располагать металл по периферии контура их по­ перечного сечения, оставляя центральную часть сечения пустой или с минимальным количеством металла только для стенок, слу­ жащих в качестве связующих элементов конструкции. В резуль­ тате получаются профили, имеющие коробчатую, двутавровую и т. п. форму. При изгибе чугунных отливок с таким профилем по­ перечного сечения разница между теоретическими и действитель­ ными напряжениями растяжения существенно уменьшается.

В качестве примера на рис. 96 приведены кривые теоретичес­ ких (штриховая линия), а также действительных максимальных

214

напряжений растяжения 1 и сжатия 2 при изгибе в плоскости zx

балки коробчатого сечения из чугуна с и , = 210 МН/м2Все кри­ вые построены в зависимости от отношения М/Мп, где М — изги­

бающий момент, а Мп — предельный изгибающий момент, при котором происходит разрушение отливки. Приведенные на рис. 96 данные существенно отличаются от аналогичных зависимо­ стей рис. 38, а.

Таким образом, теоретические напряжения перегрузки, опре­ деленные для случая изгиба чугунной отливки, имеющей короб­ чатую форму поперечного сечения, будут мало отличаться от воз­ никающих в ней при этом дейст­ вительных напряжений растяже­ ния.

Статическая перегрузка приве­ денными выше величинами до­ полнительных напряжений изги­ ба обеспечит резкое уменьшение коробления чугунных отливок и для большинства из них будет вполне достаточной с точки зре­ ния стабилизации их размеров. Для отдельных особо точных де­ талей после указанной статичес­ кой перегрузки необходимо пре­ дусматривать дополнительное их вылеживание в течение 0,5— 1 мес. или, еще лучше, отжиг при 200—

ливки после перегрузки.

Чтобы получить при статической перегрузке максимальный стабилизирующий эффект, желательно нагружать отливки, из­ гибая их во всех возможных направлениях, причем не один, а несколько раз в каждом направлении. Если в направлении обе­ их главных осей поперечного сечения у к z (см. рис. 80, а) отлив­

ка обладает приблизительно одинаковой жесткостью при изгибе, то целесообразно осуществлять ее статическую перегрузку по­ очередно вдоль каждой из указанных осей. При этом перегрузка вдоль любой оси осуществляется поочередно то в положитель­ ном, то в отрицательном направлении этой оси.

В некоторых случаях статическая перегрузка достаточна только вдоль одной оси поперечного сечения отливки. Чаще .все­ го это допустимо для отливок, у которых жесткость при изгибе в направлении осей у и z различна. К ним относятся, например,

215

отливки типа вытянутых плоских плит (столы, плоские планки и т. п.). Статическую перегрузку таких отливок обычно произво­ дят только в направлении минимальной их жесткости при изги­ бе, причем нагружение осуществляют поочередно то в одну, то в противоположную сторону.

Так как коробление отливок происходит главным образом в направлении, соответствующем минимальной их жесткости при изгибе, то статическая перегрузка именно в этом направлении наиболее эффективно устраняет общее коробление отливок.

Но и в отливках, обладающих примерно одинаковой жестко­ стью при изгибе в направлении осей у и z, не всегда обязатель­

но осуществлять перегрузку вдоль обеих этих осей. При выборе направления перегрузки всегда необходимо учитывать и требо­ вания к стабильности размеров отливки в том или ином направ­ лении. Например, если коробление отливки вдоль оси у не име­

ет значения, то перегрузку достаточно осуществлять только вдоль оси г.

Но во всех случаях нагружение отливки следует произ­ водить таким образом, чтобы направления любых двух по­ следовательных нагружений отличались между собой. Кроме то­ го, в течение всей операции статической перегрузки отливка дол­ жна нагружаться в каждом направлении не менее 2 раз. Если после перегрузок в отливке возникает значительный прогиб, то последние нагружения при необходимости можно производить так, чтобы, подбирая направление и величину силы перегрузки, уменьшить или полностью устранить этот прогиб.

Выдержка отливки под нагрузкой в каждом направлении мо­ жет быть любой. Однако выдержка при одном нагружении более 20 мин нецелесообразна. Минимальная продолжительность вы­ держки не ограничена, но желательно, чтобы какая-то вы­ держка отливки под нагрузкой была. Это улучшает ее стаби­ лизацию.

Метод статической перегрузки обычно используют для стаби­ лизации размеров деталей, обладающих сравнительно неболь­ шой жесткостью при изгибе, что позволяет создавать в них зна­ чительные напряжения изгиба. К ним относятся столы, планки, каретки, длинные станины, траверсы и т. п. Особенно удобен этот метод для стабилизации размеров длинных деталей тяжелых станков, так как статическую их перегрузку можно осуществить обычными грузами и для этого не требуется изготовления какихлибо специальных приспособлений.

Нагружение сравнительно небольших деталей лучше всего производить гидравлическими или другими домкратами в про­ стом приспособлении типа рамы. Такое приспособление позволя­ ет попеременно нагружать отливку в противоположных направ­ лениях без ее перестановки. Кроме того, оно может быть и многоместным для одновременного нагружения нескольких отливок.

216

При нагружении можно использовать одну из схем, изобра­ женных на рис. 97. Около каждой схемы приведена эпюра изги­ бающих моментов М, возникающих в отливке от сил Q.

У маложестких деталей типа столов металлорежущих стан­ ков, лежащих в процессе эксплуатации по всей своей длине на жестких направляющих, обычно бывает важно устранить короб­ ление прежде всего их концов. Если этого не сделать, то концы таких деталей будут от коробления приподниматься над направ­ ляющими, что ухудшит контактную жесткость соединения, а так­ же увеличит его износ из-за повышенного загрязнения.

Для стабилизации концов подобных чугунных деталей целе­ сообразно применять схему нагружения, изображенную на рис. 97, в. Эта схема вообще предпочтительнее, так как позволяет при перегрузке подвергать воздействию максимальных дополнитель­ ных напряжений практически всю длину отливки.

Рис. 97. Различные схемы статического нагружения отливок и эпюры созда­ ваемых при этом изгибающих моментов

При выборе нагружающей силы Q по схемам рис. 97, особен­

но для отливок тяжелых станков, необходимо учитывать и нап­ ряжения, возникающие в отливках от сил их собственного веса. Рекомендованные ранее напряжения перегрузки соответствуют суммарным напряжениям от силы Q и сил веса отливки.

Следует всегда иметь в виду, что после статической перегруз­ ки в отливках могут сохраняться еще значительные остаточные напряжения. Поэтому основную их механическую обработку ну­ жно производить до стабилизирующей перегрузки. Кроме того, для особо точных деталей припуск, оставляемый на окончатель­ ную механическую обработку, желательно удалять в два приема. Непосредственно после перегрузки целесообразно производить получистовую обработку с удалением основной части оставлен­ ного припуска, а окончательную механическую обработку с ми­ нимальным съемом металла — только после дополнительного вылеживания отливок или стабилизирующего их отжига при

200—300° С.

217

17. Метод Метод динамического нагруже- динамического ния отливок для стабилизации нагружения их размеров был известен дав­ но. Как правило, динамическое

нагружение осуществляли путем принудительной вибрации отли­ вок или их остукивания со всех сторон. При этом в отливке воз­ никают постоянные или затухающие колебания, создающие периодическое нагружение ее материала дополнительными напря­ жениями. В случае принудительной вибрации частота и ампли­ туда этих колебаний определяются частотой и мощностью вибра­ тора, а при остукивании — частотой собственных колебаний дан­ ной конструкции отливки и силой наносимых ей ударов.

Так как вибрационная обработка способствовала уменьше­ нию коробления отливок, то по существовавшим ранее представ­ лениям считалось, что она вызывает резкое снижение имевшихся в отливке остаточных напряжений. Проведенное на образцах ка­ мертонного типа исследование показало, что несмотря на не­ большой процент снижения остаточных напряжений, происходя­ щего при вибрационной обработке, она обеспечивает надежную стабилизацию размеров чугунных отливок [20].

При вибрационной обработке, как и при статической пере­ грузке, происходит периодическое нагружение отливки дополни­ тельными напряжениями, знак которых все время чередуется. Основное отличие от статической перегрузки состоит в том, что нагружение, как и разгрузка, происходят быстро, время выдерж­ ки под нагрузкой мало, а число нагружений очень велико.

Как известно, многократность нагружения чугуна обеспечива­ ет более полное его пластическое деформирование и поэтому также должна способствовать стабилизации размеров чугунной отливки.

Чтобы выяснить, какое влияние оказывает на стабилизацию чугунных отливок скорость нагружения, проводили следующее исследование [20]. Исследовали влияние частоты вибрации на создаваемую при вибрационной обработке пластическую дефор­ мацию чугуна, так как именно пластическая деформация опре­ деляет процессы, обеспечивающие стабилизацию размеров от­ ливки. Было установлено, что изменение частоты вибрации от 30 до 200 Гц при постоянной амплитуде вызываемых ею дополни­ тельных напряжений практически не сказывается на величине получающейся пластической деформации. Отсюда следует вы­ вод, что в указанном диапазоне частот, наиболее характерном для вибрационной обработки чугунных отливок, скорость нагру­ жения не оказывает заметного влияния на получаемый эффект стабилизации.

Таким образом, вибрация не вызывает в чугуне каких-то осо­ бых процессов и ее можно рассматривать просто как удобный способ временной перегрузки чугунных отливок для создания в них пластической деформации.

218

Особенности создаваемой вибрацией пластической деформа­ ции чугуна были исследованы на образцах камертонного типа из чугуна СЧ 21-40. Предварительно образцы нагружали исходны­

образцов перегружали статически путем увеличения распорной

силы на - ^ - ~ 0 , 1, а другую часть подвергали вибрации, при коQn

торой распорную силу также изменяли на величину-----*»±0,1. Qn

&І п , м п м

> - •

t

Периодически у всех образцов измеряли пластическую деформа­ цию, вызванную их перегрузкой. Результаты измерений приве­ дены на рис. 98.

Вначале пластическая деформация, вызванная вибрацией (кривая 2), получается меньшей, чем при статической перегруз­ ке (кривая 1). Но постепенно их величины сравниваются, а за­

тем пластическая деформация от вибрации становится больше, чем от статической перегрузки. Такой характер изменения плас­ тических деформаций объясняется следующим.

При статической перегрузке интенсивное увеличение пласти­ ческой деформации в первые минуты после нагружения объяс­ няется ползучестью металла под действием возросшей нагрузки. Но примерно через 20 мин после нагружения этот процесс резко замедляется.

В случае вибрационной обработки также происходит процесс ползучести металла, но значительно медленнее, чем при стати­ ческой перегрузке. Дело в том, что при вибрационном нагруже­ нии максимальные напряжения перегрузки действуют на отлив­ ку не все время, а только в течение небольшой части полного пе­

219