9. Погрешности, вызываемые перераспределением внутренних напряжений в заготовках в процессе их обработки

   1. Напряжения в заготовках

Остаточными (или собственными) называют напряжения, которые существуют в заготовке или готовой детали при отсутствии внешних нагрузок. Остаточные напряжения полностью урав­новешиваются и их действие на деталь не проявляется. С нарушением равновесия, вызываемого удалением припуска, обработкой без снятия стружки или термическим воздействием деталь начинает деформировать­ся до тех пор, пока перераспределение (релаксация) напряжений не приведёт к новому равновесному состоянию.

Различают три рода остаточных напряжений:

первого рода, уравновешивающиеся в больших объёмах материала, со­измеримых с размерами заготовки;

второго рода, образующиеся в микроскопических объёмах, соизмери­мых с размерами зёрен и кристаллов;

третьего рода, возникающие в ультрамикроскопических объёмах, уравновешивающиеся в пределах нескольких ячеек кристаллической решёт­ки вещества.

Технологов-машиностроителей интересуют в основном напряжения первого рода, которые возникают в результате объёмных изменений вследствие неоднородного (неравномерного) нагрева или охлаждения; фазовых или структурных превращений металла, а также происходящих в нём диффузионных процессов; пластической деформации при наклёпе и другим причинам.

Знать характер распределения, а также качественную и количест­венную характеристики остаточных напряжений необходимо для повыше­ния качества деталей и правильного построения технологических про­цессов их изготовления. Например, для многих деталей желательно со­здание сжимающих напряжений в поверхностных слоях, способствующих повышению их усталостной прочности и т.п.

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

2. Напряжения в отливках

Литейные напряжения влияют на точность обработки заготовок-отли­вок. При охлаждении отливки возникновение остаточных напряжений происходит 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 величин остаточные напряжения достигают в отливках, имеющих сложные конструктивные формы с резкими переходами от мест­ных скоплений металла к тонким стенкам, рёбрам 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 напряжения в заготовках убывают по характерной кривой (рис. 79, 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 чёрных металлов в течение 3...4-х ч (см. рис. 79,б) ра­зогревают до температуры 600...650°C, выдерживают при такой температуре 4...6ч 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 относится: 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 тщательная конструктивная проработка форм дета­лей, исключающая разностенность, резкие переходы, острые углы и от­вечающая требованиям равномерного остывания и затвердевания.