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

риода Т каждого колебания, когда совпадающие с остаточными

напряжениями по знаку дополнительные напряжения достигают своего максимума. Если на каком-то участке отливки имелись остаточные напряжения, равные сто, то при наложении вибрации с амплитудой ад суммарные напряжения на этом участке в тече­ ние полного периода одного колебания будут изменяться так, как показано на рис. 99. Необходимые напряжения перегрузки создаются при этом в отливке только в течение времени тп (рис. 99), когда фаза колебаний отличается от значения, соответству­ ющего максимальным суммарным напряжениям, не более чем на

фо = ±30°.

Таким образом, при вибрации перегрузка отливки макси­ мальными напряжениями происходит всего в течение 7б ча­ сти от продолжительности периода каждого колебания, а сле­ довательно, в течение такой же части и от общей продолжитель­ ности вибрационной обработки.

Но ползучесть металла зависит от - продолжительности его пребывания под данной нагрузкой, и поэтому при статической пе­ регрузке пластическая деформация увеличивается вначале на­ много быстрее, чем при вибрации. В то же время происходящие при вибрации многократные нагружения и разгрузки способст­ вуют увеличению суммарной пластической деформации, возни­ кающей в процессе временной перегрузки. Этим и объясняется то обстоятельство, что со временем пластическая деформация при вибрации оказывается больше, чем при статической пере­ грузке.

Если при построении графика изменения пластической дефор­ мации чугуна в процессе его вибрационной обработки по оси абцисс откладывать не полное время вибрации, а только 7б его часть, когда создаются максимальные напряжения перегрузки, то получим зависимость (кривая 3 рис. 98), которая показывает,

что за одинаковое время перегрузки вибрационная обработка создает большую пластическую деформацию, чем статическая пе­ регрузка такими же дополнительными напряжениями.

Полная пластическая деформация чугуна, получающаяся по­ сле вибрации, зависит от величины исходных остаточных напря­ жений и амплитуды создаваемых вибрацией дополнительных на­ пряжений. Испытания на образцах камертонного типа из чугуна

«= 0,04 до 0,12 пластическая деформация возрастает почти про­ порционально величине амплитуды.

Наиболее интенсивное увеличение пластической деформации происходит за первые 3 ч вибрационной обработки чугунных от­ ливок. Это время можно считать максимальным для осуществле­ ния эффективного вибрационного старения. Вибрационная обра­ ботка отливок от 3 до 6 ч малоэффективна, а дольше 6 ч вооб­

2 2 0

ще нецелесообразна, так как величина возникающей при этом дополнительной пластической деформации очень мала.

Исследования различных режимов вибрационной обработки показали, что обеспечить стабилизацию размеров этим методом можно только у чугунных отливок, в которых наибольшая вели­ чина остаточных напряжений растяжения не превышает 0,35 оп [1]. Обработка таких отливок должна производиться при режи­ ме, когда возникающие в них дополнительные напряжения рас­ тяжения составляют 0,15 о„. Использовать режимы, создающие большие дополнительные напряжения, опасно, так как это мо­ жет вызвать разрушение отливок.

Вибрационная обработка отливок, имеющих остаточные нап­ ряжения растяжения больше 0,35ств, допустима только с мень­ шими дополнительными напряжениями. При этом последующее коробление уменьшается, но не обеспечивается полная стабили­ зация размеров отливок. Кроме того, вибрационная обработка таких отливок опасна, так как может вызвать их разрушение. При наличии в отливке больших остаточных напряжений ее не­ обходимо сначала отжечь при 500—600° С, а уже затем подверг­ нуть вибрационной обработке для более полной стабилизации размеров и повышения сопротивления пластическим деформаци­ ям от действия внешних сил.

Вибрационной обработке, как и статической перегрузке, обы­ чно подвергают отливки, имеющие сравнительно небольшую же­ сткость при изгибе. В зависимости от размера и массы отливок их либо устанавливают на специальном вибростенде, либо к ним прикрепляют индивидуальные вибраторы. Последний вариант обычно используют для вибрации крупных отливок.

В качестве вибраторов чаще всего используют электрические или пневматические двигатели, на роторе которых укреплена эксцентрично расположенная масса, создающая дисбаланс.

При установке вибраторов и креплении подвергаемых вибра­ ции отливок важно всегда учитывать, что стабилизация чугун­ ных отливок зависит от величины создаваемых в них вибрацией дополнительных напряжений. Если напряжения малы, то вибра­ ционная обработка неэффективна. Так, например, если к срав­ нительно жесткой отливке прикрепить вибратор и свободно уло­ жить ее на упругом основании (резиновые баллоны), то при до­ статочно мощном вибраторе отливка будет совершать очень интенсивные колебания. Однако это будут колебания всей отлив­ ки как абсолютно жесткого тела относительно неподвижного основания. Такая вибрационная обработка ничего не даст для стабилизации размеров отливки, так как создаваемые ею на­ пряжения будут малы.

При вибрационной обработке, как и при статической пере­ грузке, наибольшие напряжения легче всего получить, исполь­ зуя деформацию изгиба. Поэтому крепление отливок относитель­ но места установки на них вибратора должно быть таким, чтобы

2 2 1

создаваемые при вибрации инерционные силы вызывали макси­ мально возможный изгиб отливки, а не просто ее колебания.

Небольшие и средние отливки обычно укрепляют на вибро­ стенде консольно (рис. 100, а) или на двух опорах (рис. 100,6). Если масса отливки мала, то на свободном конце консоли, а так­ же в середине пролета между двумя опорами к отливке можно прикреплять дополнительную массу, увеличивающую создавае­ мые вибрацией напряжения. К крупным отливкам крепят инди­ видуальные вибраторы (рис. 100,в и г). Для увеличения созда­

ваемых в отливке напряжений ее крепят на двух опорах к фун­ даменту (рис. 100, в).

Рнс. 100. Схемы крепления отливок на вибростенде и от­ дельных вибраторов при вибрационной обработке

Свободно (без крепления) укладывать на упругое основание при вибрационной обработке можно только сравнительно мало­ жесткие длинные отливки, так как основная частота их собствен­ ных колебаний мала и вибратор может вызвать в них необходи­ мые напряжения изгиба. При этом крайние положения продоль­ ной оси отливки в процессе вибрации будут соответствовать штриховым линиям на рис. 100, г.

Для получения максимальных напряжений изгиба частоту вибрации во всех случаях стремятся выбрать близкой к частоте собственных колебаний отливки. В условиях возникающего при этом резонанса колебаний амплитуда деформаций отливки полу­ чается максимальной, а следовательно, максимальными будут и создаваемые вибрацией напряжения.

Таким образом, изменение частоты вибрации используется только как средство, позволяющее создать условия резонанса и вызвать в отливке максимальные напряжения при минимальной мощности вибратора. Поэтому все вибраторы снабжаются уст­ ройством, позволяющим плавно регулировать их частоту в про­ цессе вибрации.

При серийном производстве, когда вибрационной обработке периодически подвергаются одни и те же отливки, необходимо

2 2 2

заранее установить оптимальный режим их вибрации. Для это­ го на все участки отливки,, в которых при вибрации могут воз­ никнуть наибольшие дополнительные напряжения, наклеивают проволочные тензодатчики сопротивления. Предварительно тен­ зодатчики этой партии тарируются на разрывной машине в ус­ ловиях чистого растяжения образца из чугуна той же марки.

Полная деформация чугуна, происходящая при временной пе­ регрузке одинаковыми дополнительными напряжениями и изме­ ряемая проволочными тензодатчиками, существенно зависит от величины имевшихся в нем остаточных напряжений (см. рис. 35). Так как величина остаточных напряжений в чугунных отливках обычно неизвестна, а недогрузка дополнительными напряжения­ ми в процессе вибрации ухудшает получаемый стабилизирую­ щий эффект, то тарировку тензодатчиков необходимо произво­ дить следующим образом.

Тензодатчики фиксируют не сами напряжения, а полную (уп­ ругую и пластическую) деформацию. Чем выше остаточные нап­ ряжения в отливке, тем большей будет полная деформация чугу­ на при его временной перегрузке заданными напряжениями изза пластической части деформации. Предположим, что в отлив­ ке имеются максимальные напряжения растяжения, равные 0,35огп. Тогда при перегрузке дополнительными напряжениями, соответствующими 0,15сгв,. максимальная величина суммарных напряжений будет равна 0,5ств. При тарировке тензодатчиков образец предварительно нагружается напряжениями растяже­ ния, равными 0,35ст„. Затем датчик балансируется на нуль и производится нагружение образца до напряжения 0,5ав. Полная деформация образца при его нагружении с 0,35ав до 0,5ов, рав­ ная Дед, регистрируется тензодатчиком и используется в даль­ нейшем при подборе оптимального режима вибрационной обра­ ботки чугунных отливок.

Если остаточные напряжения растяжения в отливке равны 0,35 ав, то создание дополнительной ее деформации на величину Дёд обеспечит требуемую перегрузку до напряжений 0,5 ов. Если же остаточные напряжения в отливке окажутся меньше 0,35 ств, то дополнительная ее деформация на величину Дед вызовет не­ сколько большие напряжения перегрузки, чем 0,15 ов. Это про­ исходит потому, что величина Дед была получена как суммарная

упругопластическая деформация чугуна. При меньшей величине остаточных напряжений доля пластической деформации в Дед будет меньше и, следовательно, большей будет упругая дефор­ мация, вызывающая напряжения перегрузки. Но наличие при вибрационной обработке таких отливок несколько повышенных напряжений перегрузки не опасно и не может вызвать их разру­ шения, так как из-за меньшей величины остаточных напряжений суммарные напряжения будут меньше 0,5 ств. Стабилизацию же размеров отливки указанная вибрационная обработка обеспечит гарантированно.

223

Необходимый режим вибрации определяют следующим образом. Все датчики, наклеенные на опытную отливку, пред­ варительно балансируют на нуль. Затем отливку устанавливают на вибростенд или к ней прикрепляют вибратор и осуществляют ее вибрацию. Меняя способ крепления отливки на вибростенде, частоту вибрации и дисбаланс вибратора, стремятся получить максимальную деформацию отливки при растяжении, равную Дед. Следует учитывать, что из-за пластической деформации металла, возникающей сразу же после начала вибрации опыт­ ной отливки, нуль у всех датчиков сместится. Однако всю отработку режима вибрации необходимо осуществлять, поль­ зуясь только первоначальной балансировкой датчиков, выпол­ ненной до начала вибрации отливки.

Обычно продолжительность вибрации назначают равной 3 ч. В случае необходимости ее можно уточнить следующим обра­ зом. Периодически в процессе вибрации отливку снимают с ви­ бростенда и измеряют ее прогиб по методике определения пря­ молинейности направляющих, изложенной в разделе 6. До тех пор, пока остаточный прогиб отливки под действием вибрации будет существенно изменяться, ее вибрационная обработка еще целесообразна, так как это означает, что в отливке происходит пластическая деформация металла. Продолжительность вибра­ ции, после которой дальнейшая пластическая деформация отливки прекращается, является максимальной. Более дли­ тельная вибрационная обработка отливок не имеет смысла. Правда, не всегда прогиб отливки характеризует момент прекращения пластических деформаций. При симметричной пла­ стической деформации прогиб не меняется. Однако, как правило, пластическая деформация чугунных отливок в процессе их вибрации несимметрична и по возникающему при этом прогибу отливки можно судить о том, что ее металл продолжает пластически деформироваться.

Для более полной перегрузки в процессе вибрации всего объема отливки иногда вибрационную обработку осуществляют, периодически меняя участки крепления отливки к вибростенду. Так, например, при консольном креплении отливки (рис. 100, а) около участка ее крепления при вибрации возникает максималь­ ный изгибающий момент, а на свободном конце он равен нулю. Поэтому после вибрации в течение не более 3 ч консольно за­ крепленные отливки переворачивают, крепят за ранее свободный конец и подвергают вибрационной обработке еще такое же время.

При единичном производстве, когда требуется подвергнуть вибрации всего одну-две отливки данного наименования, проводить подробные исследования оптимального режима их вибрационной обработки обычно нецелесообразно. В этом слу­

2 2 4

ных напряжений изгиба. Затем производят вибрационную об­ работку, причем частоту вибрации все время медленно меняют от минимального до максимального ее значения и наоборот. Это

импульсные методы нагружения отливок с помощью электрогидравлического удара, сильных магнитных полей и т. п. В этом случае мощный ударный импульс вызывает постепенно зату­ хающие собственные колебаний всей отливки или отдельных участков

Из-за кратковременности происходящего при этом колеба­ тельного процесса основное влияние на стабилизацию размеров отливки оказывает пластическая деформация чугуна, возни­ кающая во время увеличения напряжений при перегрузке. Пол­ зучесть металла при таком небольшом времени перегрузки бу­ дет мала и практически не скажется на процессе стабилизации. Поэтому основное значение при импульсном нагружении имеет получающаяся максимальная величина амплитуды деформации отливки.

Число ударных импульсов, если оно исчисляется единица­ ми, должно заметно влиять на стабилизацию размеров отливки в пределах первых 3—5 импульсов. Дальнейшее уве­ личение числа импульсов уже значительно меньше скажется на стабилизации размеров отливки по сравнению с полученной после первых ее перегрузок. Чтобы обеспечить дальнейшее за­ метное увеличение эффекта стабилизации отливки, число импульсов должно исчисляться по меньшей мере несколькими сотнями, как при вибрации, а это обычно трудно осуществить и невыгодно экономически.

При использовании динамических методов нагружения для стабилизации размеров чугунных отливок необходимо учиты­ вать, что и в стабилизированных отливках сохраняются значи­ тельные остаточные напряжения. Поэтому стабилизацию следу­ ет проводить после черновой механической обработки отливок. Стабилизация их до черновой механической обработки значи­ тельно менее эффективна. В связи с этим совмещение процесса стабилизации с выбивкой из полостей отливок электрогидравли­ ческими ударами песчаных стержней, как правило, недопусти­ мо, так как после дальнейшей механической обработки отливки снова могут начать коробиться.

Кроме того, дополнительными напряжениями должна осуществляться перегрузка всей отливки как единой конструк­ ции. Иногда стремятся вызвать вибрацию только участков тон­ ких стенок отливки, расположенных между ее массивными частями и ребрами жесткости. Но при такой обработке напря­ жения в массивных частях (направляющие и т. п.) остаются нестабилизированными. Да и в тонких стенках подобная ло­ кальная вибрация не всегда способна вызвать напряжения перегрузки необходимой величины и в нужном направлении. В результате отливка получится плохо стабилизированной и будет продолжать коробиться.

В отдельных частных случаях может оказаться, что и после такой местной вибрационной или ударной обработки отливка перестанет коробиться. Но чтобы убедиться в этом, необходимо произвести в течение 6 мес. измерение коробления данной отлив­ ки после ее вибрационной обработки. Выполнять такие исследо­ вания для всей номенклатуры отливок, используемых на данном заводе, трудоемко и нецелесообразно. Лучше использовать методы стабилизирующей обработки, которые позволяют зара­ нее быть уверенным в устранении коробления выбранных отли­ вок. В связи с этим и рекомендуется осуществлять перегрузку всей отливки в целом, а не отдельных ее частей, так как только перегрузка всей отливки обеспечивает уверенность в надежной стабилизации ее размеров.

Использовать вибрационную стабилизирующую обработку чугунных отливок базовых деталей станков на производстве пока трудно из-за отсутствия стандартных мощных вибраторов, способных создать необходимые напряжения перегрузки в де­ талях, обладающих значительной жесткостью при изгибе. Только в маложестких деталях типа столов и планок вибрацией можно обеспечить достаточно большие напряжения перегрузки. Но даже в тех случаях, когда вибрационная обработка отливок производится со сравнительно небольшими дополнительными напряжениями, она значительно уменьшает последующее их коробление, хотя и не устраняет его полностью [33].

18. Метод Одним из наиболее прогрес- термоударов сивных методов стабилизации размеров чугунных отливок

сложной конфигурации является предложенный в работе [21] метод термоударов. Этот метод основан на создании в отливках при быстром их нагреве температурных напряжений, вызываю­ щих временную перегрузку. Основными преимуществами этого метода являются большая производительность при высоком ка­ честве стабилизации размеров и пригодность для отливок короб­ чатой формы, в которых создать временную перегрузку другими способами не представляется возможным.

226

чивающую стабилизацию размеров отливок. Необходимо, чтобы на большинстве участков отливки, особенно там, где остаточ­ ные напряжения имеют наибольшее значение, знак дополнитель­

охлаждении в одинаковых услових геометрически подобных тел их температура будет одинаковой в моменты времени, при кото­ рых будут равны соответствующие им критерии Фурье Fo =

ат

=-^ -, где а — температуропроводность металла-отливки; т —

при нагреве любой отливки тонкие ее части всегда будут более горячими, чем массивные участки, а при охлаждении — наоборот.

При нагреве отливки литейной решетки в печи ее центральный массивный стержень будет иметь более низкую температуру, чем боковые тонкие стержни. Следовательно, и температурное рас­ ширение центрального стержня будет меньше, чем боковых. Так как все стержни решетки связаны между собой жесткими попе­ речинами, то в процессе нагрева центральный стержень будет растянут, а боковые сжаты дополнительными температурными напряжениями. При охлаждении же литейной решетки в цен­ тральном ее стержне возникнут дополнительные напряжения сжатия, а в боковом — напряжения растяжения. Величина воз­ никающих дополнительных напряжений будет тем больше, чем быстрее происходит нагрев или охлаждение отливки решетки.

Дополнительные напряжения, возникающие при нагреве решетки, во всех стержнях имеют тот же знак, что и бывшие там остаточные напряжения. Это создает требуемую перегрузку материала отливки. При охлаждении же дополнительные напря­ жения имеют знак, противоположный остаточным. В этом случае

марные напряжения в ней будут иметь знак, обратный имев­ шимся там остаточным напряжениям. В частности, центральный стержень литейной решетки будет испытывать сжатие, а боковые стержни — растяжение. Возникновение суммарных напряжений, имеющих знак, противоположный остаточным, не только не способствует стабилизации размеров отливки, но, наоборот, ухудшает ее, так как получающаяся при этом пластическая деформация чугуна увеличивает бывшие в отливке остаточные напряжения.

Таким образом, ускоренный нагрев отливки способствует возникновению в ней временной перегрузки и стабилизации ее размеров. Ускоренное же охлаждение не сказывается на стаби­ лизации размеров отливки, а при очень быстром охлаждении даже увеличивает последующее ее коробление.

Для использования ускоренного нагрева в качестве способа стабилизации размеров чугунных отливок различных машино­ строительных деталей необходимо было выяснить, обеспечивает ли он перегрузку в отливках, имеющих любую произвольно сложную конфигурацию или только простейшую и какова вели­ чина этой перегрузки.

В разделе 10 были рассмотрены различные причины возник­ новения остаточных напряжений в чугунных отливках. Но основной причиной, как правило, является наличие в отливке температурных перепадов при переходе ее металла из пластич­ ного состояния в упругое. Все остальные причины только немно­ го изменяют полученное при этом пол'е остаточных напряжений. Дополнительные напряжения, возникающие в отливке при ус­

перегрузки отливки дополнительными напряжениями при уско­ ренном ее нагреве можно судить из сопоставления температур­ ных перепадов Ддф, получающихся во время перехода ее метал­ ла из пластичного состояния в упругое при охлаждении в литей­ ной форме, с температурными перепадами ДФП, возникающими при ускоренном нагреве в печи. То, что знаки этих температур­ ных перепадов противоположны, было показано на примере отливки литейной решетки.

У большинства отливок машиностроительных деталей мас­ сивные участки непосредственно соединяются с тонкими стенка­ ми (см. рис. 68). Поэтому при охлаждении в форме и при нагреве в печи между ними происходит теплообмен, создающий в отливке температурные поля, зависящие как от соотношения толщин сопрягающихся массивных участков и тонких стенок, так и от условий нагрева в печи.

Наиболее быстрый и наиболее удобный для практического осуществления нагрев происходит при установке холодных отливок в печь, заранее нагретую до заданной температуры. Для такого нагрева и производилось исследование возникающих в от­

228

ливке температурных полей. В начале нагрева температурные перепады между массивными участками и тонкими стенками быстро увеличиваются. Через время тт с начала нагрева величи­ ны этих парепадов достигают максимума. В этот момент возника­ ют и максимальные температурные напряжения. При дальней­ шем нагреве температурные перепады постепенно уменьшаются, а вместе с ними снижаются и дополнительные температурные на­ пряжения. Следовательно, выдержка отливок в печи вплоть до момента хт способствует увеличению возникающих в них темпе­

ратурных напряжений. Более длительная выдержка, если рас­ сматривать только величину дополнительных напряжений, является бесполезной.

Анализ температурных полей, возникающих в различных чугунных отливках при охлаждении в литейной форме и при нагреве в печи, показал, что получающиеся температурные перепады аналогичны по величине и противоположны по знаку. Это свидетельствует о том, что ускоренный нагрев вызывает у них временную перегрузку, необходимую для стабилизации размеров отливки. На рис. 101 приведены зоны, соответствующие возмож­ ным значениям отношения температурных перепадов, возникаю­

Для получения единых закономерностей здесь использованы относительные температурные перепады АѲ, причем Ф* соответ­ ствует избыточной температуре, при которой металл переходит из пластичного состояния в упругое, а Фп— избыточной темпе­ ратуре печи, при которой осуществляется ускоренный нагрев отливок.

Кривые рис. 101 построены для наиболее часто встречаю­ щихся соотношений между толщиной h тонких стенок отливок и толщиной Н их массивных участков. Толщина массивных участ­

ков отливки в данном случае определялась как удвоенная приведенная их толщина, равная отношению площади попереч­ ного сечения массивного участка F м к длине его периметра Рм,

соприкасающегося с окружающей формой:

форме и при ускоренном нагреве в печи, были строго идентичны, на рис. 101 получились бы три горизонтальные прямые линии. Наличие же не линий, а зон, и к тому же не строго горизон­

229