Методы стабилизации размеров литых деталей

Точность металлорежущих станков во многом зависит от стабильности геометрии базовых чугунных деталей, поэтому вопросам стабилизации размеров литых деталей уделяется особое внимание. В прецизионных станках погрешности в прямолинейности направляющих скольжения всего на 0,5—3,0 мкм влияют на контактную жесткость и тем самым отражаются на параметрах работы станков [ПО ].

Коробление деталей является следствием необратимых деформаций, протекающих в материале отливки под действием остаточных напряжений и всевозможных внешних нагрузок. Величина его зависит от многих факторов и может достигать десятых долей миллиметра.

Для предупреждения коробления используют различные способы. Еще на стадии проектирования при выборе материала, тщательной проработки конструкции детали с целью повышения жесткости, обеспечения равномерных толщин стенок, устранения по-возможности тепловых узлов, сохранения симметричности конструкции и т. п. можно создать предпосылки для уменьшения последующего коробления деталей. К этому же приводит разработка технологии литья, при которой обеспечивается равномерное охлаждение частей отливки, регулирование силового взаимодействия отливки с формой, оптимальная температура выбивки и т. д.

Однако этот комплекс средств, описанный в предыдущих главах, лишь в редких случаях может позволить использовать детали в точных машинах без применения специального стабилизирующего процесса. Непосредственные измерения базовых деталей металлорежущих станков показывают, что самопроизвольное изменение их геометрической формы достигает 20— 200 мкм на 1000 мм длины. Допуск же на неточность изготовления деталей для станков нормальной точности составляет 20 мкм на 1000 мм длины, а для станков высокой точности 5—12 мкм (табл. 3). Поэтому чугунные детали, от которых требуется высокая стабильность размеров, подвергают в большинстве случаев специальной обработке, называемой старением. Хотя ряд способов старения известен и применяется давно, тем не менее многие современные отечественные и зарубежные станки обладают низким коэффициентом сохранения точности, особенно при действии факторов, связанных с силовым воздействием на детали. Это происходит из-за отсутствия единой обоснованной системы взглядов на эффективность различных способов старения, их взаимосвязи и области применения.

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

Устранить коробление детали — это значит исключить возможность образования пластических деформаций в ее материале под действием нагрузок или, другими словами, обеспечить необходимое соотношение между действующими, напряжениями и релаксационной стойкостью метериала.

Следовательно, при рассмотрении способов предотвращения коробления необходимо учитывать их влияние на 1) снижение остаточных напряжения в отливке и на 2) упрочнение материала, обеспечивающее повышение его релаксационной стойкости.

Как известно, практически в любой отливке, при охлаждении ее в форме, а затем на воздухе возникают остаточные напряжения, величина которых зависит от конфигурации отливки, разницы скорости охлаждения отдельных узлов, сопротивления формы усадке и т. д. Эти напряжения называются напряжениями 1 рода.

В процессе механической обработки литых деталей, сборки станка и последующей эксплуатации происходят перераспределение остаточных напряжений и их релаксация. Это, в свою очередь, вызывает коробление детали.

Следовательно, в общем случае снижение остаточных напряжений в отливке будет способствовать при прочих равных условиях уменьшению коробления детали в период изготовления станка, а также его эксплуатации.

Величина остаточных напряжений в отливке определяет также опасность ее разрушения, особенно в тех случаях, когда напряжение увеличивается в связи с проведением операций старения (см. ниже). Релаксационная стойкость материала характеризует способность материала противостоять пластической деформации при действии напряжений. Имеются в виду суммарные напряжения как остаточные, так и созданные внешними нагрузками, действующими длительно или кратковременно.

При рассмотрении релаксационной стойкости чугуна необходимо учитывать следующие особенности его структуры. Металлическая основа чугуна является по существу высокоуглеродистой сталью с повышенным содержанием кремния, серы и фосфора. Изменение релаксационной стойкости сталей под действием различных факторов (деформационных, температурных) изучено достаточно полно. В частности, пластическое деформирование стали обычно повышает ее релаксационную стойкость; температурное воздействие выше определенной границы вызывает разупрочнение материала и снижение релаксационной стойкости; совместное деформационно-температурное воздействие в определенных интервалах температур и деформаций также существенно повышает релаксационную стойкость и т. д. Однако чугун в отличие от стали имеет графитовые включения, которые искажают свойства его металлической основы. Выяснение общности и различий свойств чугуна и стали позволит правильно использовать сведения об изменениях свой ств ст али с учетом конкретных различий, обусловленных особенностями структуры чугуна.

Известно, что графитовые включения являются причиной снижения прочности чугуна в сравнении со сталью, аналогичной по химическому составу и структуре. Другая особенность чугуна заключается в отсутствии у него четко выраженного предела упругости, хотя им обладает материал металлической основы. Графитовые включения, являясь концентраторами напряжений, приводят к возникновению локальных пластических деформаций при средних нагрузках намного ниже предела упругости основного металла. В данном случае они действуют как надрезы, трещины в стали, превращающие ее из пластического материала в хрупкий. Общая остаточная деформация при этом невелика и к моменту разрушения чугуна редко превышает 0,5—1%. Однако распределение ее по материалу неравномерное. В основном она концентрируется в ограниченных зонах около графитовых включений [ 140] так же, как в стали у надрезов.

Анализ напряженного состояния чугуна в углах графитовых включений позволяет сделать выводы относительно его свойств, определяющих разработку методов стабилизации деталей.

Несмотря на низкую среднюю пластичность чугуна, величина пластических деформаций в местах концентрации напряжений при значительных нагрузках сопоставима с величиной пластичности стали, химический состав и структура которой аналогичны составу и структуре металлической основы чугуна. Это должно проявляться в общности свойств чугуна и стали, обусловливаемых процессами пластического деформирования.

Уже в процессе охлаждения чугуна, даже если в отливке не возникают напряжения I рода, в углах графитовых включений протекают сначала упругие, а затем и пластические деформации, вызванные напряжениями II рода, появляющимися из-за различия коэффициентов линейного расширения металлической основы чугуна и графита. К концу охлаждения практически во всех углах графитовых включений существуют напряжения II рода на уровне предела упругости металлической основы.

Указанные напряжения не могут не релаксировать с течением времени, что должно сопровождаться изменением свойств материала в местах концентрации напряжений. Возникающие в отливке напряжения I рода интенсифицируют этот процесс, и внешняя нагрузка любой величины, приложенная к чугуну сразу же после охлаждения, должна вызывать дополнительные пластические деформации в местах концентрации напряжений.

Следовательно, с течением времени будет протекать процесс образования пластических деформаций в опасных зонах, сопровождаемый упрочнением металла в этих местах. Все это должно привести в итоге к повышению релаксационной стойкости материала. Это положение подтвердилось при исследовании образцов равного сопротивления изгибу из чугуна СЧ 21-40. Было установлено, что вылеживание образцов без нагрузки в течение 12—18 мес. вызвало упрочнение чугуна.

Таким образом, чугун обладает свойством стареть даже в отсутствии напряжений I рода или предварительной деформации внешними нагрузками, что необходимо для старения стали.

Наличием графитовых включений обусловлены и другие особенности процесса образования пластических деформаций в чугуне. Например, характер кривых напряжение—нелинейная часть деформации для разных чугунов зависит от количественного распределения графитовых включений по размерам.

При наличии дефектов типа трещин, выходящих на поверхность образца, для разрушения последнего, а следовательно, и для начала пластического течения необходима меньшая критическая нагрузка. В то же время известно, что тонкие поверхностные слои отливок (литейная корочка) не содержат графитовых включений. В этой связи интересны результаты определения пластической деформации литых образцов и образцов из того же чугуна, но после их механической обработки. Перед испытанием на растяжение все образцы подвергали отжигу при 500—600° С в течение 3 ч. Пластическая деформация образцов, не имевших выходящих на поверхность графитовых полостей, оказалась примерно в 2 раза меньше (рис. 182). Естественно, что количественно этот эффект зависит от отношения площади поверхности к объему образца, или периметра Р поперечного сечения к его площади f. При увеличении P/f эффект будет возрастать. Следовательно, наиболее чувствительны к нему тонкостенные отливки.

Приведенные данные имеют и практическое значение: часто только для улучшения товарного вида детали обрабатывают поверхности, не требующие этого по условиям эксплуатации, что снижает стойкость чугуна против пластических деформаций.

Известно, что для чугуна характерна различная прочность при растяжении и сжатии. Остаточные напряжения и напряжения, создаваемые внешними нагрузками и являющиеся причиной возникновения пластических деформаций, имеют в реальных деталях, даже в одном и том же сечении, не говоря о различных участках отливки, разные знаки.

В то же время нет сопоставимых данных о пластических свойствах этого материала под действием идентичных нагрузок разного знака.

= 78 кгс/мм2. Испытания проводили на релаксационной машине Rel-5 с оптической системой измерения деформаций.

в интервале 20—420° С оно находится в пределах отношения прочностей чугуна на сжатие и растяжение (3,5). С дальнейшим повышением нагрузки и температуры испытания различие в пластичности чугуна при разном способе нагружении увеличивается еще больше.

при кратковременных испытаниях, зависит от исходной нагрузки и температуры испытания. Отсюда естественный вывод о необходимости уделять особое внимание стабилизации растягивающих напряжений.

= 18 кгс/мм 2 ; Plf= 0,4

при идентичных нагрузках и температурах

Рис. 184. Изменение пластической деформации образцов после тренировки различными нагрузками и отжига:

1 — эталонные образцы; 2 — после тренировки вибрацией и статической нагрузкой; 3 — после тренировки и отжига при 550° С; 4 — после тренировки. о тжига и повторной тренировки

Исходя из изложенного можно утверждать, что одной из главных причин длительного коробления чугунных деталей является различная релаксация напряжений противоположного знака даже при их одинаковой величине.

Изменение пластических свойств чугуна в результате тренировки и отжига. Многие металлы и сплавы, в том числе и стали, упрочняются под воздействием внешних нагрузок. Установлено, что упрочнение получается обкаткой, обжатием изделий, обдувкой их дробью, предварительным нагружением растягивающими, сжимающими, изгибающими или скручивающими нагрузками. Не составляет в этом отношении исключение и чугун.

остается 1/10 первоначального гистерезиса, а после 7—8-кратной тренировки чугун приобретает свойства идеально упругого материала.

С ледовательно, при условиях, неблагоприятных для развития и сохранения упрочнения (для стали — повышение температуры выше 300—400° С), эти свойства должны исчезать.

На рис. 184 показаны результаты испытания при кратковременном нагружении образцов из чугуна СЧ 21-40 в виде балки равного сопротивления изгибу. При проведении указанных экспериментов, так же как и при последующих, использовали методику, подробно изложенную в работе.

Исходные напряжения всех образцов 8 кгс/мм 2. Часть указанных образцов в течение 6 ч обрабатывали циклической нагрузкой (вибрацией) на резонансной машине с амплитудой ±3 кгс/мм ² при частоте колебаний 50 Гц, а часть догружали на 6 ч статической перегрузкой 3 кгс/мм2. После полной разгрузки часть виброобработанных и статически перегруженных образцов отжи-галипри 550° С в течение 2 ч, охлаждение вместе с печью.

Для сравнения испытывали контрольные образцы, не подвергавшиеся тренировке и отжигу.

Образцы 2 без термообработки практически не имели пластической деформации в пределах тех напряжений, до которых они предварительно обрабатывались вибрацией или статической перегрузкой (11 кгс/мм 2 ). Деформация термообработанных образцов 3 существенно отличается от деформации нетермообработанных и равна деформации контрольных образцов 1. Другими словами, упрочнение, возникшее в образцах после вибрации и статической перегрузки, исчезло при термообработке. В дальнейшем разуп-рочненные термообработкой образцы трижды нагружали до напряжений 12 кгс/мм 2, после чего они снова стали упругими в пределах напряжений тренировки.

Таким образом, аналогично стали механическим упрочнением циклическими и статическими нагрузками можно повышать стойкость серого чугуна против образования пластических деформаций под действием нагрузки, а следовательно, и уменьшать коробление отливок. Термическая обработка способствует разупрочнению чугуна.