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

коробление отливок. Однако эти способы стабилизации требуют наибольших материальных затрат, причем не только перво­ начальных (для приобретения оборудования или изготовления приспособлений), но и для осуществления стабилизирующей обработки каждой отдельной отливки. Поэтому прежде чем использовать методы стабилизации, относящиеся к третьей группе, нужно постараться обеспечить необходимую стабилиза­ цию размеров отливки методами первых двух групп.

Рассмотрим возможности различных способов уменьшения коробления чугунных отливок.

Способы, уменьшающие ко­ робление отливок за счет по­ лучения в них минимальных остаточных напряжений, отно­ сятся к первым двум группам.

К первой группе относится также способ уменьшения ко­ робления отливок балочного типа за счет создания симметрич­

ной конструкции их поперечного сечения относительно осей у и z.

При симметричной конфигурации поперечного сечения эпюра остаточных напряжений и свойства материала отливки будут также симметричны относительно тех же осей в связи с одина­ ковыми условиями охлаждения в литейной форме симметрично расположенных участков отливки. В этом случае любая релак­ сация остаточных напряжений вызывает только некоторое рас­ тяжение или сжатие отливки в направлении продольной оси. Коробиться же такая отливка не будет.

Обеспечить строгую симметрию поперечного сечения в отлив­ ках различных машиностроительных деталей обычно довольно трудно. Конфигурация и размеры любой детали в первую оче­ редь должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к ней условиями эксплуатации.

Кроме того, возможность создания дополнительных массив­ ных участков отливки, исходя из условия симметрии ее сечения, ограничена, так как масса детали должна быть минимальной. Поэтому, как правило, речь может идти только о возможно большем приближении конфигурации поперечного сечения от­ ливки к симметричному профилю. При такой конструкции отливки значительно уменьшается ее коробление от релаксации остаточных напряжений. Коробление же от действия внешних сил при несимметричном приложении нагрузки не уменьшается.

При использовании симметричного профиля поперечного сечения отливки необходимо одновременно обеспечить и как можно более симметричную ее механическую обработку, так как иначе будет нарушена симметрия сохранившихся остаточ­ ных напряжений.

Однако следует учитывать, что при симметричном располо­ жении массивных участков в сечении отливки величина возни­ кающих остаточных напряжений будет больше, чем при одно­ стороннем расположении таких массивных участков. Поэтому если достаточно строгой симметрии в конфигурации попереч­ ного сечения и при его механической обработке не получается, лучше от нее отказаться и перейти к конструированию, основан­ ному на принципе получения в отливках минимальных остаточ­ ных напряжений.

пластичного состояния в упругое. Достигнуть этого можно либо соответствующей корректировкой конфигурации поперечного сечения отливки, либо регулированием ее охлаждения в форме.

Отрабатывать конструкцию отливки в нужном направлении можно только при условии, что известны температурные поля, возникающие в ней во время охлаждения в форме. Определить эти температурные поля можно как экспериментально, так и расчетным путем. Экспериментальный путь весьма сложен, так как требуется знание температурных кривых охлаждения раз­ личных участков отливки, а установка в отливках сложной конфигурации большого числа термопар чрезвычайно затруд­ нена. Кроме того, после каждого изменения размеров отдель­ ных участков отливки, эксперимент с замером ее температур­ ных полей в процессе охлаждения необходимо повторять.

Более целесообразным является расчетное определение температурных полей, возникающих в процессе охлаждения отливки в форме. Однако до последнего времени отсутствовали методы достаточно точного расчета охлаждения отливок слож­ ной конфигурации в форме. Имевшиеся методы расчета, как правило, относились к отливкам простейшей конфигурации типа плиты, цилиндра и шара. Расчеты были весьма трудоемки, а главное, предусматривали такие упрощающие допущения, при которых результат получался весьма неточным.

На основе использования современных цифровых вычисли­ тельных машин (ЦВМ) был разработан метод расчета температурных полей в отливках балочного типа с произвольно сложной конфигурацией поперечного сечения [25]. При расчете учитывается зависимость теплопроводности и теплоемкости материала отливки и формы от температуры, неравномерный прогрев формы в процессе ее сушки, а также заливки жидким металлом, различные свойства материала формы и стержней и т. п. Достаточно полный учет различных факторов, влияющих на охлаждение отливок в форме, позволил разработать метод расчета температурных полей в отливке, обеспечивающий необ-

242

ходимую точность их определения. Пользуясь им, можно еще на самых ранних стадиях проектирования литых деталей машин от­ рабатывать их конструкцию и технологию изготовления для по­ лучения в них минимальных остаточных напряжений.

В качестве примера рассмотрим остаточные напряжения, возникающие в чугунной отливке тавровой балки при различных вариантах ее изготовления. На рис. 106, а даны размеры попе­ речного сечения рассматриваемой отливки и эпюра остаточных

Рис. 106. Распределение температуры и остаточных напря­ жений в поперечном сечении чугунной отливки тавровой балки при различных вариантах ее изготовления

напряжений, возникающих при ее охлаждении в песчаной форме без холодильников. На рис. 106, б, в, г и д приведены различные

варианты изменения конструкции или технологии изготовления этой отливки и соответствующие им эпюры остаточных напря­ жений. Кроме того, на рис. 106 представлены кривые распре­ деления температуры в поперечном сечении отливки при перехо­ де ее металла из пластичного состояния в упругое. При этом каждая кривая обозначена буквой соответствующего варианта изготовления отливки.

Расчет остаточных напряжений в отливках тавровой балки производился на ЦВМ по методу, изложенному в начале разде­ ла 11, причем учитывалась разница свойств металла в массив­ ной и тонкой частях отливки.

Варианты изготовления б и в отмечаются некоторым

изменением конструкции тонкого ребра тавра (его толщины). Отливка при этом охлаждалась в песчаной форме без холодиль-

ников. При вариантах г и д конструкция отливки не изменялась,

но в песчаную форму около различных участков массивной части отливки устанавливали чугунные холодильники.

На рис. 106 видно, что остаточные напряжения в отливке при

отливок из пластичного состояния в упругое имелись большие температурные перепады, превышавшие 200° С. Небольшая величина остаточных напряжений при таких значительных температурных перепадах объясняется приблизительно ли­ нейным распределением температуры вдоль тонкого ребра отливки.

Интересно отметить, что на поверхности массивной части отливки во всех случаях возникают сжимающие напряжения. Это подтверждается и экспериментальными данными, получен­ ными на аналогичных отливках тавровых балок [22]. Напряже­ ния растяжения возникают только с середины массивной части и достигают максимума на прилегающем к ней участке тонкого ребра.

Применение обычного холодильника (рис. 106, г) практически не изменяет остаточные напряжения в районе массивной части и уменьшает их только в части тонкого ребра, наиболее удален­ ной от массивной. Как следует из распределения температуры по сечению отливки при ее изготовлении по варианту г, приме­

нение холодильника мало изменило температурные перепады, возникающие в отливке. Поэтому уменьшение напряжений в тон­ ком ребре объясняется изменением кривизны температурной кривой, а не снижением температурных перепадов. Для на­ глядности на рис. 107 нанесены кривые изменения температуры в двух характерных точках 1 и 2 отливки тавровой балки при ее

охлаждении в песчаной форме без холодильников (сплошные кривые) и при использовании холодильника по схеме рис. 106, г (штриховые кривые). Сопоставление сплошных кривых со штри­ ховыми показывает, что влияние холодильника выбранной при расчете толщины сказывается главным образом в период затвер­ девания отливки и непосредственно после него. В дальнейшем холодильник прогревается и после конца перлитного превра­ щения, когда происходит переход металла отливки от пластич­ ного состояния к упругому, наличие холодильника оказывает уже незначительное влияние на процесс охлаждения отливки. Наиболее эффективным в этот период является принудительное охлаждение отливки сжатым воздухом или водой.

Остаточные напряжения в отливке даже при исходном кон­ структивном ее оформлении (рис. 106, а) были небольшими. Поэтому различные изменения ее конструкции, представленные на рис. 106, б и в , повлияли только на форму эпюры остаточных напряжений, но не уменьшили заметно их абсолютную величину.

244

В то же время небольшие конструктивные изменения отдельных участков отливок, имеющих сложную конфигурацию попереч­ ного сечения и значительные остаточные напряжения, могут существенно снизить величину возникающих в них остаточных напряжений. Такая корректировка конструкции отливки всегда желательна, так как любое снижение исходных остаточных на­ пряжений и, в первую очередь напряжений растяжения, облег­ чает последующую стабилизацию ее размеров.

Но не всегда конструктивные изменения позволяют обеспе­ чить желаемый характер охлаждения отливки в форме, и приходится регулировать ее охлаждение. Как правило, такое

г°с woo

регулирование осуществляется за счет ускоренного охлаждения массивных участков отливки путем установки в форму метал­ лических холодильников, а также за счет принудительного охлаждения формы сжатым воздухом или водой. Однако уско­ ренное охлаждение любых участков отливки создает в них со­

толщине стенок. Уменьшить эти остаточные напряжения можно

стенки отливки охлаждаются в песчаной форме при этом режиме

245

как обычно (кривая 2). Массивные же стенки (кривая 1) сна­

чала интенсивно захолаживаются, чтобы конец перлитного превращения наступил в них раньше, чем в тонкой стенке. Затем, после окончания перлитного превращения, когда металл массивной стенки находится в упругопластичном состоянии, скорость ее охлаждения резко замедляется. По мере снижения температуры массивной стенки и уменьшения способности ее

часто трудно, особенно для отливок с большой величиной соот­ ношения H/h, где Н — толщина массивных участков, определяе­ мая по формуле (146), а h — толщина тонких стенок отливки.

Предположим, что изображенная на рис. 109 штриховая кривая соответствует необходимому закону охлаждения массив­

246

охлаждения, соответствующего изображенному на рис. 108, необходимо, чтобы величина фп была существенно меньше еди­ ницы. Об условиях, обеспечивающих достижение таких значений величины фп, можно судить по кривым рис. ПО*, построенным для различных случаев принудительного воздушного охлажде­ ния массивных участков чугунных отливок характерных корпус­ ных деталей металлорежущих станков. Все кривые построены в зависимости от отношения

толщины L установленного

около массивного участка от­ ливки металлического холо­ дильника к приведенной тол­ щине Н этого участка. Отноше­

применяя весьма массивную охладительную арматуру. Так, на-

Построены Г. Д. Ситниковым

247

пример, при — = 2,5 масса охладительной арматуры должна h

н

быть равна массе охлаждаемых участков отливки, а при — = /і

= 3,5 даже в 1,5—2 раза превышать ее. При соотношении -у-=4,5

никаким увеличением массы охладительной арматуры невоз­ можно добиться значения -фп < 1.

Таким образом, возможности использования приведенного на рис. 108 графика для регулирования охлаждения отливок раз­ личных машиностроительных деталей ограничены. Но часто обеспечивать такой режим охлаждения нет особой необходимо­ сти. Значительные остаточные напряжения от температурных перепадов по толщине стенки обычно возникают у отливок, имеющих очень массивные участки. Отливки же корпусных деталей различных станков и приборов представляют собой сравнительно тонкостенные (по сравнению с габаритными раз­ мерами) конструкции сложной конфигурации. К моменту окон­ чания процесса перлитного превращения в металле таких отли­ вок, песчаная форма вокруг них успевает прогреться и соседние стенки оказывают друг на друга значительное тепловое воздей­ ствие.

возникающих в массивных участках различных чугунных отли­ вок от температурных перепадов по их толщине, эти напряжения

экспериментальных замеров охлаждения этих отливок в форме,

248

Как видно из табл. 11, где приведены результаты расчета, при всех вариантах охлаждения остаточные напряжения от температурных перепадов по толщине стенки малы и не превы­ шают 7 МН/м2, а у отливок станочных деталей они составляют всего 1—2 МН/м2. Поэтому скорость охлаждения массивных участков чугунных отливок может быть увеличена без опасности возникновения в них значительных остаточных напряжений по этой причине.

Таким образом, регулировать охлаждение сравнительно тонкостенных отливок чугунных корпусных деталей различных станков и приборов можно, не обращая внимания на темпера­ турные перепады, возникающие по толщине их стенок. Тогда в поперечном сечении отливки остаются только температурные перепады между массивными и тонкими участками ее стенок и для уменьшения остаточных напряжений необходимо обеспечить линейное распределение этих перепадов при переходе металла из пластичного состояния в упругое.

Чтобы выполнить такую задачу, необходимо прежде всего определить во всех участках поперечного сечения отливки зна­ чения температуры, при которых обеспечивается линейное ее распределение. При этом важно, чтобы указанные теоретические значения температуры как можно меньше отличались от факти­ ческих ее значений на соответствующих участках отливки в рассматриваемый момент времени.

249