Остаточные напряжения в заготовке после обработки
В заготовке, поступающей на металлорежущий станок, имеются внутренние напряжения, которые сохраняются при отсутствии внешних сил и потому называются остаточными.
Различают остаточные напряжения первого рода, охватывающие большую часть заготовки; напряжения второго рода, образующиеся в микроскопических объемах, - зернах, кристаллах; напряжения третьего рода, характерные для ячеек кристаллической решетки. При механической обработке, когда с заготовки в виде припуска удаляют часть металла, происходит перераспределение внутренних остаточных напряжений, их временное равновесие нарушается. Основную роль здесь играют напряжения первого рода. Величина и характер распределения остаточных напряжений зависят от конфигурации заготовки, ее габаритных размеров и соотношения размеров отдельных элементов, способа получения исходной заготовки и других факторов. Большие остаточные напряжения возникают в исходных заготовках, получаемых литьем, ковкой, штамповкой, из-за неравномерного охлаждения разных элементов заготовки. В сварных, сварно-литых, сварно-штампованных конструкциях наибольшие внутренние напряжения возникают в местах сварки, где из-за местного нагрева и охлаждения происходят неоднородные объемные изменения. Структурные' превращения металла и диффузионные процессы при сварке также способствуют появлению остаточных напряжений различного рода. В особо неблагоприятных случаях остаточные напряжения могут вызвать не только значительное нарушение формы заготовки - коробление, изогнутость и другое, но и трещины. Срезание поверхностных слоев металла освобождает ранее уравновешенные силы, и остаточные напряжения деформируют заготовку.
Но и сам процесс резания также служит источником остаточных напряжений, которые возникают как результат пластической деформации поверхностного слоя и нагрева зоны резания. Перераспределение внутренних напряжений происходит не сразу, а постепенно, и также постепенно происходит изменение формы заготовки и готовой детали. В практике бывают случаи, когда исходная заготовка, получившая большие остаточные напряжения, проходит черновую обработку. Частично перераспределяются внутренние напряжения и деформация заготовки. Получившиеся при этом искажения формы устраняют при чистовой обработке. Готовую деталь, если она годная, ставят на машину, а через некоторое время уже при эксплуатации выясняется, что деталь быстро изнашивается, причина этого - ее деформация, которая произошла после того, как деталь полностью обработали. Вот почему необходимо уделять самое серьезное внимание устранению внутренних напряжений. Самый простой путь устранения внутренних напряжений - разделение обработки резанием на несколько этапов. На первом этапе выполняют черновую обработку, удаляя наибольшую часть припуска с поверхностей заготовки. Затем передают заготовку на получистовую обработку и заканчивают изготовление детали на третьем этапе - чистовой обработке. Так как обычно заготовки обрабатывают партиями, а черновую, получистовую и чистовую обработки ведут на разных станках, а иногда и в разных цехах, то между черновой и получистовой обработками проходит определенное время. За эго время происходит в основном перераспределение внутренних напряжений и деформация заготовки. Чем больше промежуток времени между черновой и чистовой обработками, тем меньше опасность искажения формы готовой детали. Длительное выдерживание (вылеживание) заготовок для снятия остаточных напряжений называют естественным старением. Процесс естественного старения очень медленный.
Достаточно сказать, что основная часть остаточных напряжений в сложных отливках снимается при естественном старении в течение двух-трех месяцев. Но и после этого срока в течение еще нескольких месяцев оставшиеся напряжения могут влиять на форму заготовки. Естественное многомесячное старение не экономично - чрезвычайно затягивается цикл производства, недопустимо возрастает объем незавершенного производства, снижается оборачиваемость оборотных средств, поэтому естественное старение применяют главным образом для особо ответственных отливок, например заготовок станин прецизионных станков. Чтобы ускорить процесс перераспределения н снятия остаточных напряжений, старение часто ведут на открытом воздухе (резкая смена температур дня и ночи способствует интенсификации процесса). Для мелких и средних отливок эффективным способом снятия внутренних напряжений является искусственное старение - специальный процесс термической обработки. Отливку помещают в печь, нагревают до температуры 500-600° С и выдерживают в течение 1-6 ч (чем крупнее отливка, тем больше выдержка). Затем отливку медленно охлаждают вместе с печью таким образом, чтобы все части отливки (тонкие и толстые) охлаждались равномерно.
Скорость охлаждения составляет 25-75 град/ч. Когда температура отливки снизится до 200-250° С, ее вынимают из печи и окончательно охлаждают на воздухе. Для снятия напряжений, полученных при ковке, штамповке и литье, применяют также отжиг - нагрев до температуры 400- 600° С с выдержкой 2,5 мин на 1 мм толщины сечения заготовки, а для сварных заготовок - высокотемпературный отпуск с нагревом до 600-650° С. Отжигают также заготовки, получаемые из проката. Вследствие больших пластических деформаций при прокатке в поверхностных слоях заготовок образуются значительные растягивающие, а во внутренних слоях сжимающие напряжения. Если с такой заготовки снимать неравномерный припуск, то ее форма из-за перераспределения внутренних напряжений может измениться. Поэтому, например, после фрезерования длинных шпоночных канавок на валах, изготовляемых из проката, может происходить искривление вала. Для исправления кривизны заготовок валов, осей, стержней, длинных планок и т. д. их правят в холодном состоянии. В процессе правки происходит упругая, а затем пластическая деформация. Тщательная правка позволяет почти полностью устранить кривизну заготовки, вызванную действием остаточных напряжений. Но при правке в заготовке появляются новые напряжения. При дальнейшей чистовой обработке (а еще хуже - в работающей машине) эти остаточные напряжения могут вызвать новые искажения формы, поэтому для ответственных деталей правку применять нежелательно.
