Погрешности, вызываемые перераспределением внутренних напряжений в заготовках при обработке

Остаточными (или внутренними) называют напряжения, которые существуют в заготовке или готовой детали при отсут­ствии внешних нагрузок. Остаточные напряжения полностью вза­имно уравновешиваются и внешне ничем не проявляются до тех нор. пока это равновесие не будет нарушено. С нарушением рав­новесия, вызываемым удалением припуска, обработкой без сня­тия стружки или термическим воздействием, деталь начинает де­формироваться до тех пор, пока перераспределение (релаксация) напряжений не приведет к новому равновесному состоянию. В ре­зультате таких деформаций появляются погрешности формы (от­клонения от плоскостности, прямолинейности плоскостей и т.п.), а также поворота поверхностей (отклонения от параллельности, перпендикулярности и т.п.).

Различают три рода остаточных напряжений:

· первою рода, уравновешивающихся в больших объемах мате­риала, соизмеримых с размерами заготовки которые возникают вследствие неоднородного (неравномерного) нагрева или охлаждения; фазовых или структурных превращений металла, а также происходящих в нем диффузионных процессов; пластической деформации при наклепе и по друг им причинам.;

· второго рода, образующихся в микроскопических объемах, соизмеримых с размерами зерен и кристаллов материала;

· третьего рода, возникающих в ультрамикроскопических объе­мах, уравновешивающихся в пределах нескольких ячеек кристал­лической решетки вещества.

Знать характер распределения, а также качественную и коли­чественную характеристики остаточных напряжений необходимо для повышения качества деталей и правильного построения тех­нологических процессов их изготовления

В зависимости от применяемого технологического метода раз­личают остаточные напряжения: литейные, ковочные, термиче­ские, сварочные, от наклепа, образующиеся при механической обработке, электролитических покрытий и др.

Литейные напряжения влияют на точность обработки загото­вок-отливок. При охлаждении отливки остаточные напряжения возникают вследствие сопротивления материала форм и стерж­ней свободному протеканию усадки отливки (механическое тор­можение) и, главным образом, вследствие неравномерности охлаждения отдельных частей отливки при разной толщине сте­нок или различии условий охлаждения (термическое торможе­ние).

Наибольших значений остаточные напряжения достигают в от­ливках, имеющих сложные конструктивные формы с резкими пе­реходами от местных скоплений металла к тонким стенкам, реб­рам и т.д. Примерами таких деталей служат станины станков, рамы, различные корпусные детали, кронштейны и пр.

В процессе предварительной обработки после снятия поверх­ностных слоев отливки, и особенно при неравномерном снятии припуска, происходит перераспределение остаточных напряже­ний, сопровождаемое короблением заготовки. С целью заверше­ния процесса релаксации напряжений и окончания коробления заготовки после обдирки подвергают естественному или искусст­венному старению.

При естественном старении заготовок остаточные напряже­ния в них убывают по характерной кривой, показанной на рис. 6.31, а. Естественное старение может длиться несколько суток (например, для станин станков нормальной точности), месяцев или даже лет (например, для деталей высокоточных станков).

Заготовки мелких и средних деталей, габаритные размеры ко­торых позволяют помещать их в печи, подвергают искусственно­му старению. При искусственном старении заготовки из черных металлов в течение 3...4 ч (рис. 6.31, б) разогревают до темпера­туры 8 = 600...650°С, выдерживают при такой температуре 4...6 ч и затем медленно охлаждают вместе с печью до 200 "С в течение 20...24 ч (с последующим охлаждением на воздухе).

Известны механические способы снятия остаточных напря­жений с заготовок. К ним относятся обработка на дробеструйных аппаратах, голтовка во вращающихся барабанах вместе с други­ми деталями или небольшими кусками чугуна, механические встряхивания и простукивания пневматическими молотками, по­средством высокочастотных колебаний и вибраторов. Эффектив­ным мероприятием, позволяющим снизить внутренние напря­жения, является правильный выбор способа литья, а также тща­тельная конструктивная проработка форм деталей, исключаю­щая разностенность, резкие переходы, острые углы и отвечаю­щая требованиям равномерного остывания и затвердевания.

Сварочные напряжения возникают в результате неравномерного нагрева и остывания металла в процессе сварки

Снятию или уменьшению сварочных напряжений способ­ствую: 1.все мероприятия, применяемые для снятия остаточных напря­жений в отливках;2.конструирование сварных соединений со швами, симметрич­ными относительно геометрических осей;3.обеспечение правильной последовательности наложения свар­ных швов и выбор необходимой интенсивности сварочных режи­мов;4.применение последующей термической правки деталей путем местного нагрева или наложения специальных «фальшивых» швов (валиков) и др.

Ковочные напряжения в кованых (штампованных) заготовках и заготовках из проката, возникающие из-за неравномерного де­формирования и остывания различных элементов (например, по­лок, стенок, ребер и пр.), порождают при определенных обстоя­тельствах остаточные деформации обрабатываемых деталей. Оста­точные напряжения в заготовках из проката нередко достигают предела текучести.

Остаточные напряжения в поверхностных слоях металла воз­никают в результате наклепа заготовок и деталей давлением в холодном состоянии — холодной прокаткой, волочением, раз­вальцовкой, калибровкой отверстий с помощью прошивок, ша­риков и др.

Снятие поверхностного слоя металла (особенно с одной сто­роны заготовки) приводит к перераспределению остаточных на­пряжений и деформациям детали.