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

тальных, свидетельствует о некоторой разнице температурных полей, возникающих в отливке при ее охлаждении в форме и нагреве в печи. Следовательно, создаваемая ускоренным нагре­ вом перегрузка не будет строго одинаковой во всех участках отливки. Но это не имеет существенного значения. Важно, что все основные участки отливки испытывают перегрузку, способ­ ствующую стабилизации ее размеров.

По данным рис. 101, зная ft* и ftn, можно приближенно оце­ нить и величину перегрузки металла отливки, получающуюся

tit

при ее ускоренном нагреве в печи. Отношение температурных перепадов Aftn/Aft* равно отношению упругопластических деформаций металла при его нагружении температурными .на­ пряжениями в печи (Аед) и в процессе образования остаточных напряжений при охлаждении отливки в форме (Део). Так как для чугуна различных марок условная температура ft* его перехода из пластичного состояния в упругое меняется маЛо и в первом приближении может считаться постоянной, то для каждой данной величины ДѲП/АѲФ отношение Аед/Део будет линейной функцией температуры печи tn = (ftn + 20):

230

Подставляя в уравнение (147) величину АѲп/ДѲф, определен­

ную по рис. 101 для любого времени выдержки в печи тв, выра­ женного через доли тт , находим перегрузку, возникающую в отливке при данном времени ее выдержки в печи, нагретой до температуры /п- Так как при стабилизации размеров чугунных отливок важно обеспечить, чтобы их перегрузка была не меньше заданной, то для выбора режима ускоренного нагрева в печи необходимо использовать значения ДѲп/АѲф, соответствующие

нижним границам зон рис. 101, где это соотношение мини­ мально.

С учетом сказанного, на рис. 102 приведены кривые изме­ нения Дед/Део в зависимости от температуры печи /п для наибо­

лее часто встречающихся в отливках средних размеров соотно­

в долях тт- Задавшись температурой печи /п и зная необходи­

мую величину перегрузки Дед/Део, можно при помощи кривых рис. 102 определить необходимое для этого время выдержки отливки в печи, выраженное в долях тт .

Время %т зависит от температуры печи tu, а также от толщи­ ны массивных участков отливки Н и сопрягающихся с ними тонких стенок h. Для определения времени тт была построена

номограмма, изображенная на рис. 103. Определив по форму­ ле (146) величину Н массивной части отливки и зная толщину h сопрягаемой с ней тонкой стенки, находим отношение h/H.

Пользуясь им, а также толщиной тонкой стенки Л и задаваясь температурой печи /п, определяем время хт, как показано

стрелками на номограмме рис. 103.

До сих пор речь шла о выборе технологических параметров нагрева отливки в печи, обеспечивающих заданную ее перегруз­ ку дополнительными температурными напряжениями. Однако необходимо знать еще и величину этой перегрузки, обеспечиваю­ щую стабилизацию отливки, а также температуру металла, при которой такую перегрузку целесообразно осуществлять. Исследование влияния, оказываемого этими факторами на

СЧ 21-40.

Предварительно во всех образцах создавали исходные напря­

жения, соответствующие -^ - = 0,25. Часть образцов не подверQn

гали перегрузке и в качестве эталонных укладывали для на­ блюдения их коробления с течением времени. Остальные образцы подвергали различной перегрузке, . производившейся при разной температуре, и также наблюдали последующее их коробление. На основании производившегося в течение года на­ блюдения коробления образцов определяли отношение Д/п/Д/ш>

231

20 18 16 П 12

Рис. ЮЗ. Номограмма для расчета времени выдержки отливки в пе­ чи Тш, обеспечивающей максимальные температурные напряжения перегрузки

й і п/А Іпэ

• 2 0 0 t A m t

о т т

Рис. 104. Относительное уменьшение коробления в зави­ симости от перегрузки н температуры нагрева чугуна

осуществлялась именно при этих значениях температуры. При­ веденные на рис. 104 экспериментальные данные свидетель­ ствуют о том, что изменение в пределах 200—400°С температу­ ры металла, при которой осуществлялась перегрузка, не сказы­ вается на последующем короблении. Следовательно, весь указанный диапазон температур равноценен с точки зрения

после статической перегрузки при 20° С. Дополнительное сниже­ ние Q из-за увеличения пластической деформации чугуна при

повышенной температуре получилось незначительным, что и сле­ довало ожидать для интервала температур 200—400° С (см. рис. 85).

На рис. 104 видно, что точно так же, как и после статической перегрузки при 20° С, значительное уменьшение коробления при термоударе получается только после перегрузки, в процессе которой суммарные напряжения растяжения достигают вели­ чины больше (0,5 -г- 0,6) Оц. На рис. 104 это соответствует значе­ ниям К п > 1,0. Перегрузка с К п = 1,5, когда максимальные сум­

марные напряжения растяжения достигают величины 0,75 ов

(см. рис. 38, а, для - ^ - = 0,625), обеспечивает почти полную

Qп

стабилизацию размеров отливки. Г Необходимо, однако, учитывать, что приведенные на рис. 104

данные получены на изгибных образцах, перегрузка которых имеет некоторые особенности. Так, например, в разделе 6 было показано, что перегрузка изгибных образцов с К п = 1,5 изменяет

не только абсолютную величину имевшихся в них остаточных напряжений, но и вид эпюры (рис. 41,6) этих напряжений по сравнению с исходной их эпюрой (рис. 37, а). Кроме того, в том

же разделе 6 было показано, что величина коэффициента пере­ грузки Кп неоднозначно определяет степень снижения остаточ­ ных напряжений, так как при одинаковом К п последняя очень

сильно зависит от их начальной величины. Все это не позволяет считать приведенные на рис. 104 данные в качестве абсолютных. В то же время они позволяют сделать вывод, что интенсивная

233

ных отливках различных машиностроительных деталей показа­

ла, что режимы стабилизации, соответствующие — - > 1,5, Дб0

практически полностью ликвидируют дальнейшее их коробле­ ние. Этого и следовало ожидать, так как метод термоудара одно­ временно сочетает в себе преимущества метода статической перегрузки и низкотемпературного отжига при 200—300° С.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что для достаточно полной стабилизации размеров чугун­ ных отливок необходимо выбирать режимы их обработки мето-

с короблением после одного нагрева. Увеличение числа термо­ ударов больше трех не вызывает заметного дополнительного эффекта стабилизации.

Метод термоудара, как и все методы стабилизации размеров, использующие временную перегрузку, можно применять только для отливок, у которых остаточные напряжения растяжения не превышают (0,25 -ч- 0,3) ов. При большей величине остаточных напряжений метод термоудара можно использовать только после предварительного отжига этих отливок при температуре

500—600° С.

Выбор режима ускоренного нагрева производится следую­ щим образом. Прежде всего задаются температурой печи tп.

Пользуясь кривыми рис. 102, ее выбирают, исходя из величины необходимойперегрузки Дед/Део с учетом возможностёй имею­ щегося печного оборудования. При выборе /п необходимо учиты­

исходит при более низкой температуре, чем была в пустой печи.

отливок.

Кривые рис. 102 позволяют выбрать не только tn, но и мини­

мально необходимое время выдержки отливок в печи, выражен­

234

величину Н. Затем для каждого к-го массивного участка с тол­ щиной Н к и сопрягающейся с ним тонкой стенки толщиной hK

по номограмме рис. 103 определяют время ттк, соответствующее принятой температуре іл. Из всех полученных для данной от­

ливки значений ттк выбирают наибольшее и принимают его за величину хт Для этой отливки. При таком выборе величины хт участок ОТЛИВКИ, у которого Ттк было наибольшим, получит при

отливки нагревались до темпе­ ратуры от 200 до 400° С. Более низкая температура не вызывает

дополнительного упрочнения металла в ходе его пластической деформации, а более высокая температура приводит к снижению уже достигнутого при перегрузке упрочнения чугуна. Выдержка Тт, небходимая для прогрева стенки толщиной h до температуры tMпри заданной температуре печи tn, может быть определена по

формуле

прогревается за данный промежуток времени рассматриваемый участок отливки, и температуры печи tп. На рис. 105 при­

ведены значения коэффициента со для различных значений и *п.

Пользуясь формулой (148) и кривыми рис. 105, определяют время выдержки в печи при данной tu, необходимой для нагрева

235

наиболее тонкой стенки отливки толщиной /іт до температуры 400° С. Оно должно быть равно выбранному времени выдержки

щиной Н м до температуры 200° С. Она должна быть меньше тв.

Если эти соотношения между продолжительностью нагрева раз­ личных участков отливки и выбранным временем выдержки тв соблюдаются, то можно считать, что основные параметры про­

шись новой величиной /п.

В отдельных случаях, когда разница между толщинами сте­ нок отливки особенно велика, не удается обеспечить такой ре­ жим нагрева, при котором температура всех ее участков будет находиться в интервале 200—400° С. Для таких отливок можно выбирать режим, при котором температура массивных участков будет меньше 200° С. Но во всех случаях необходимо обеспечить, чтобы никакие участки отливки не прогревались выше 400° С. Поэтому максимально допустимая продолжительность выдерж­ ки отливок в печи должна быть строго ограничена.

После извлечения из печи отливки охлаждают на воздухе. Ускоренное охлаждение отливок путем окунания в воду, как это предлагается в работах [7, 8], не улучшает, а в некоторых случаях может даже ухудшить их стабилизацию, о чем говори­ лось в начале данного раздела.

Иногда ускоренное охлаждение после нагрева в печи рас­ сматривают как метод стабилизации остаточных напряжений,

случаях ускоренное охлаждение действительно может обеспе­ чить стабилизацию подобных напряжений. Но такая стабили­ зация обеспечивается не всегда, так как распределение напря­ жений, вызванных механической обработкой, и распределение напряжений, возникающих при ускоренном' охлаждении отливки, не связаны между собой.

Следовательно, назначая ускоренное охлаждение, технолог не может быть заранее уверен, что обеспечил этим стабилиза­ цию напряжений, возникших в отливке от механической обра­ ботки или других причин.

Эпюра остаточных напряжений в чугунных отливках базовых деталей станков и приборов обычно достаточно сложна (см. рис. 68) и, как правило, бывает не известна технологу, вы­ бирающему режим стабилизирующей обработки отливок. В то же время стабилизирующая обработка, назначаемая техноло­

236

гом, должна обеспечить нагружение тех участков отливки, где имеются наибольшие остаточные напряжения, причем в том же направлении, каков знак у этих напряжений. Только в этом случае можно быть заранее уверенным, что она будет надежно стабилизирована.

Одним из основных преимуществ метода термоудара являет­ ся то, что из-за сходства эпюры остаточных напряжений, воз­ никших в отливке от неравномерного охлаждения в форме, и эпюры временных напряжений при ускоренном ее нагреве в печи в отливке автоматически создаются необходимые напряжения перегрузки, причем практически во всех ее участках.

Используя метод термоудара, технолог обеспечивает нагру­

щихся в отливке остаточных напряжений. Если же остаточные напряжения возникли в отливке от других причин и их эпюра не аналогична эпюре временных напряжений при ускоренном нагреве или охлаждении, то быстрый нагрев или, соответствен­ но, быстрое охлаждение могут не вызвать необходимой пере­ грузки металла отливки и она будет продолжать коробиться. Подобный случай будет описан ниже на примере отливки сала: зок станка 1Е61М.

Назначение стабилизирующей обработки отливок обычно производится конструктором или технологом, которые не могут и не должны производить многомесячное исследование после­ дующего их коробления. Поэтому для производственного ис­ пользования можно рекомендовать только такие методы стаби­ лизирующей обработки, которые гарантировано уменьшают или полностью устраняют дальнейшее коробление отливок любой конфигурации. Кроме того, на основании ранее проведенных исследований должна быть четко определена область использо­ вания каждого метода и выбраны оптимальные режимы обработки.

При стабилизации размеров чугунных отливок методом термоудара очень важно обеспечить быструю их загрузку в печь. Если осуществлять эту операцию медленно, то, во-первых, произойдет значительное снижение температуры печи, а главное, начало нагрева будет растянуто и в отливках не возникнут необходимые температурные перепады. Время загрузки долж­

лучше.

Для ускорения загрузки обычно поступают следующим образом. В зависимости от конструкции печи изготовляют спе­ циальные рамы или подвески, на которые заранее устанавлива­ ют холодные отливки. Расположение отливок должно быть та­ ким, чтобы они свободно омывались со всех сторон печными газами и не мешали быстрому нагреву соседних отливок. Под-

237

готовленную таким образом садку располагают рядом с печью, чтобы сразу же после открытия печи ее быстро загрузить в печь.

Разогрев печи с опускающимся подом производят, когда она закрыта пустым подом. Одновременно на другом поду, распо­ ложенном рядом с печью, устанавливают отливки, предназна­ ченные для обработки термоударом. Затем пустой под опускают

отливок с помощью термоудара рассмотрим стабилизацию раз­ меров деталей токарно-винторезного станка модели 1Е61М: корпуса передней бабки массой 81 кг, с габаритными размерами 315 X 329 X 585 мм и каретки массой 33 кг, с габаритными раз­ мерами 66 X 448 X 487 мм. Корпус передней бабки отливали из чугуна СЧ 18-36, а каретку — из чугуна СЧ 21-40.

Коробление не подвергавшихся стабилизирующей обработке отливок корпуса передней бабки за 10 мес. наблюдения состав­

Стабилизация отливок производилась при однократном их ускоренном нагреве. Минимально необходимая выдержка, опре­

10 мин. Наличие допуска 3 мин облегчало точное соблюдение в производственных условиях установленной выдержки.

Результаты проведенного в течение 10 мес. измерения короб­ ления данных отливок, подвергнутых обработке методом термо­ удара, показали полную их стабильность в пределах точности измерения. Важно отметить, что одна из партий этих отливок была подвергнута стабилизирующей обработке методом термо­ удара еще до черновой механической обработки. Затем отливки были механически обработаны и установлены на измерение, которое производилось в течение 10 мес.

Результаты измерения показали, что даже в этом, наиболее невыгодном для стабилизации случае, обработка термоударом обеспечила полную стабильность указанных отливок. Это имеет очень большое практическое значение, так как позволяет в ряде случаев производить стабилизирующую обработку чугунных от­ ливок методом термоудара еще до начала их механической об­ работки. Такая последовательность обработок значительно уп­

238