Напряжения в металле после фрезерования

Тепловые деформации, остаточные напряжения при фрезеровании

Тепловые деформации, которые испытывают инструменты, заготовка, приспособление и сам станок, возникают через выделение большого количества теплоты при резании. Источник теплоты — работа, которая затрачивается на повреждения материала заготовок в месте резания, трения стружки о переднюю поверхность зубца и трения задней поверхности зуба инструментов о деталь.

Стружка получает основную часть теплоты, около 80 — 85% всего теплового потока. Другую часть получают режущий инструмент и заготовка. Количество теплоты различное и увеличивается с возрастанием скорости резания.

При фрезерной обработке поверхности, которая составляет значительный процент от общей поверхности детали (более 15 — 25%) за одну ее установку, количество теплоты, которое попадает в тело заготовки, может быть большим, что приводит к тепловым повреждениям, которые влекут нарушение необходимой точности, особенно при технических требованиях, выраженных прямолинейностью, плоскостностью, параллельностью и пр. Чтобы предотвратить нарушение точности, осуществляется применение смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), которые способствуют отведению теплоты из мест резания.

Остаточные напряжения являются теми внутренними напряжениями, которые сохраняются в заготовках при отсутствии сил извне. Они или появляются в заготовке в ходе ее производства как полуфабрикаты (штамповка, поковка, отливка), или проникают в нее с металлом. Через определенное время после возникновения происходит уравновешивание остаточных напряжений в исходной заготовке.

В процессе механической обработки, когда с заготовок в виде припуска снимается часть металла, внутренние напряжения перераспределяются, и происходит нарушение их временного баланса. Через освобожденные, ранее уравновешенные силы заготовка (деталь) деформируется, причем не сразу, а постепенно в течение относительно продолжительного периода времени. При этом форма может значительно изменяться, что приводит к созданию недоброкачественного изделия.

Источник

Влияние остаточных напряжений на качество обработки

Деформация материала может быть обратимой (т. е. при снятии нагрузки материал восстановит первоначальную форму), или необратимой (под нагрузкой материал вытянется, изогнётся и т. д.). Способность противостоять разрушению от внутренних напряжений, возникающих в ответ на внешнюю нагрузку, называется прочностью материалов. Расчётами на прочность, жёсткость и устойчивость занимается прикладная инженерная дисциплина «Сопротивление материалов».

Остаточные напряжения

Логично предположить, что, независимо от вида деформации, снятие внешней нагрузки ведёт к соответствующему исчезновению внутренних напряжений. Это, однако, соблюдается не всегда. После предварительной обработки (литья, проката, штамповки) в заготовках — даже без внешнего нагружения — могут сохраняться остаточные напряжения, обусловленные внутренней структурой материала.

Остаточные напряжения делятся на:

• напряжения 1-го рода, затрагивающие значительный объём материала заготовки;
• напряжения 2-го рода, присутствующие в малых объёмах (зёрнах, кристаллах материала);
• напряжения 3-го рода, не выходящие за границы кристаллической решётки.

Величина и характер остаточных напряжений определяется видом материала, геометрическими размерами заготовки и физическими процессами при её изготовлении. Так для литых заготовок остаточные напряжения образуются вследствие неравномерного остывания материала в форме. Для кованных или штампованных — от воздействия ударной внешней нагрузки. Сварные швы также являются концентратором значительных напряжений.

При механической обработке резанием, когда инструмент снимает часть поверхности заготовки (припуск на обработку), структура материала претерпевает значительные изменения и происходит перераспределение внутренних напряжений. Сам резец (или фреза) также является источником возникновения напряжений, деформируя и нагревая материал в зоне обработки. При этом остаточные напряжения 1-го рода могут оказать существенное влияние на качество готовой детали, вызывая коробление обрабатываемой заготовки или трещины на поверхности материала. Ещё более опасным является способность остаточных напряжений проявляться со временем — когда уже после обработки готовая деталь механизма вдруг начинает быстро изнашиваться, вследствие выхода размеров за границы допуска.

Методы устранения

Для снижения влияний остаточных напряжений на качество готового изделия, обработку заготовок осуществляют в несколько этапов. Первый (черновой) этап обработки частично снимает слой припуска. Затем следует получистовой этап — когда удаляется весь припуск с заготовки. И финальный — чистовой этап — служит для придания поверхности заготовки нужной шероховатости.

Поскольку технологический процесс зачастую предполагает обработку заготовок крупными партиями, с применением разных станков, между этапами проходит некоторое время, достаточное для завершения процесса перераспределения остаточных напряжений. Процесс длительной выдержки заготовок между этапами обработки получил название «естественное старение». Его основным недостатком является длительность во времени — заготовки могут выдерживаться до 2-3 месяцев. Но даже такой срок не гарантирует полного устранения влияния остаточных напряжений на последующую деформацию материала.

Поскольку естественное старение существенно замедляет производственный процесс и снижает прибыль предприятия (как за счёт прямого уменьшения темпов выпуска, так и посредством увеличения косвенных затрат — необходимость складирования и хранения полу-готовых изделий, снижение оборотных средств и т. п.). Поэтому данный метод применяется только для ответственных изделий (к примеру, несущих станин обрабатывающих станков высокой точности). Несколько ускоряет «естественное старение» выдержка заготовок на открытом воздухе, где смена дневной и ночной температуры благоприятно сказывается на интенсификации процессов внутри материала.

Способы ослабления остаточных напряжений

Для заготовок средних и малых размеров процесс устранения остаточных напряжений может быть ускорен при помощи метода «искусственного старения». При этом заготовка помещается в печь, нагретую до температуры 500-600 °С печь и выдерживается там в течение 1-6 ч (для более крупных отливок время выдержки соответственно больше). Далее заготовка медленно охлаждается вместе с печью. При достижении температуры 200-250 °С заготовка вынимается и продолжает охлаждаться на открытом воздухе.

Для снятия остаточных напряжений в заготовках, полученных ковкой/штамповкой применяется термическая обработка методом отжига или отпуска. В обоих случаях осуществляют нагрев заготовок ниже температуры фазовых превращений в материале, выдержку при этой температуре и последующее медленное охлаждение.

Метод холодной правки

Заготовки из проката, как правило, отличаются сильной неравномерностью внутренних напряжений: растягивающих волокна вблизи поверхности и сжимающих в толще материала. Обработка таких заготовок приводит к значительному перераспределению внутренних напряжений, следствием чего может стать потеря формы готовых изделий (например, искривление длинных валов после фрезерования шлицевых или шпоночных пазов). Вернуть первоначальную форму таким деталям можно холодной правкой — деформацией, не превышающей пределы упругости и текучести.

При этом устранение остаточных напряжений не должно приводить к возникновению новых — под нагрузкой от «исправляющих» сил. Крайне нежелательным последствием правки оказывается явление «ползучести» (самопроизвольное изменение формы материала с течением времени, после обработки), способное вывести размеры детали из первоначального допуска. Для любого мезенхима «ползучая» деталь означает гарантированную потерю работоспособности. Поэтому холодную правку для устранения остаточных напряжений не желательно применять к прецизионным деталям ответственных механизмов.

Источник

Тепловые деформации, остаточные напряжения при фрезеровании

Тепловые деформации , испытываемые инструментом, заготовкой, приспособлением и самим станком, происходят вследствие выделения значительного количества теплоты в процессе резания. Источником теплоты является работа, затрачиваемая на пластические деформации материала заготовки в зоне резания, трения стружки о переднюю поверхность зуба и задней поверхности зуба инструмента о заготовку.

Основная часть теплоты переходит в стружку (примерно 80—85 % теплового потока). Другая часть теплоты распределяется между режущим инструментом и заготовкой. Кроме этого, небольшой процент теплоты рассеивается окружающей средой. В зависимости от режима резания количество теплоты различно и возрастает с увеличением скорости резания.

При фрезеровании поверхностей, составляющих значительный процент от общей поверхности заготовки (15—25 % и более) за одну ее установку, количество теплоты, поступающей в тело заготовки, может быть относительно большим и вызвать тепловые деформации, влекущие нарушения требуемой точности, особенно в таких технических требованиях, как прямолинейность, плоскостность, параллельность и т. п. Для предотвращения нарушения точности применяют смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), отводящие теплоту из зоны резания.

Остаточные напряжения — это те внутренние напряжения, которые сохраняются в заготовке при отсутствии внешних сил. Остаточные напряжения либо возникают в заготовках в процессе их изготовлении как полуфабрикатов (поковка, штамповка, отливка), либо «проходят» в них с металлом — прокатом. За некоторый период времени после возникновения остаточные напряжения в исходных заготовках уравновешиваются, т. е. не проявляются в виде их короблении, изогнутости, нарушения формы и т. п.

При механической обработке, когда с заготовки в виде припуска удаляется часть металла, происходит перераспределение внутренних напряжений, и их временное равновесие нарушается. Освобожденные, ранее уравновешенные силы деформируют заготовку (изделие), причем не егхмуь а постепенно за некоторый относительно продолжительный период времени. При этом изменение формы может быть таким значительным, что сделает изделие вовсе недоброкачественным.

Сам процесс механической обработки резанием также служит источником (не столь существенных по значению) остаточных напряжений, которые возникают в процессе пластических деформаций поверхностного слоя и в результате нагрева в зоне резания.

Мерой устранения вредных последствий остаточных напряжений служит разделение обработки резанием на несколько этапов. На первом этапе выполняется черновая (предварительная) обработка фрезерованием, удаляющая наибольшую часть припуска с поверхностей заготовки. Затем заготовка подвергается получнетовои обработке по тем же поверхностям, и заканчивают изготовление изделии чистовой, окончательной обработкой. Такой порядок обработки может быть рекомендован и в тех случаях, когда в процессе фрезеровании за одну операцию могут и не возникнуть сколько-нибудь существенные остаточные напряжения, но к детали предъявляются высокие технические требования.

Для уменьшения износа фрезы также прибегают к использованию СОЖ в процессе резания. Это продиктовано необходимостью снижения температурных деформаций для зубьев фрезы и обрабатываемой заготовки, а также уменьшения трения между зубом фрезы, стружкой и заготовкой.

В табл. IV. 4 . приведены рекомендации по применению СОЖ для различных условий фрезерования. Существенное влияние оказывает и способ подачи охлаждающей жидкости к обрабатывающей фрезе. Наиболее распространен способ подачи свободным поливом, но он одновременно и наименее эффективен. Хорошие результаты получаются при подаче жидкости в распыленном виде под давлением [(15÷20) 104 Па] со стороны задней поверхности зубьев. При попадании СОЖ на раскаленный инструмент происходит интенсивное парообразование и отвод тепла существенно улучшается. Стойкость фрезы повышается в ряде случаев в 2—3 раза. Однако испарения СОЖ вредны при их вдыхании. Мерами защиты человека являются: использование фрезеровщиком респиратора; экранирование зоны обработки и создание путем ее вентилирования небольшого понижения в ней давления по сравнению с окружающим пространством.

Таблица IV.4 . Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), рекомендуемые для фрезерования

Источник

Напряжения в металле после фрезерования

Часто в металлической заготовке может иметься внутреннее напряжение, не имеющее внешних сил. Образуется оно при изготовлении заготовки из-за неравномерного охлаждения, например, при ковке, литье и в местах сварки. Остаточное напряжение может вызвать нарушение формы заготовки, из-за чего происходит быстрый износ или деформация детали. Во избежание подобного, в данной статье описаны способы устранения внутреннего напряжения.

Как правило, в заготовке, которая поступает на металлорежущий станок, обычно имеются внутренние напряжения, сохраняющиеся при отсутствии внешних сил, именно поэтому они называются – остаточными.

Остаточные напряжения различаются на:

• напряжения первого рода, которые охватывают наибольшую часть заготовки;
• напряжения второго рода, которые образуются в микроскопических объемах – кристаллах, зернах;
• напряжения третьего рода, которые характерны для ячеек кристаллической решетки.

Во время механической обработки, когда в виде припуска с заготовки удаляется часть металла, совершается перераспределение внутренних остаточных напряжений и их временное равновесие нарушается. При этом основную роль здесь играют именно напряжения первого рода. Характер и величина распределения остаточных напряжений напрямую зависят от конфигурации заготовки, соотношения размеров отдельных элементов, ее габаритных размеров, способа получения исходной заготовки, а также других немаловажных факторов.

Большие остаточные напряжения появляются в исходных заготовках, которые получаются путем литья, ковки, штамповки, из-за неравномерного охлаждения различных элементов заготовки. В сварно-литых, сварно-штампованных или просто сварных конструкциях наибольшие внутренние напряжения зарождаются именно в местах сварки, где непосредственно из-за местного охлаждения и нагрева происходят неоднородные объемные изменения. При этом диффузионные процессы и структурные превращения металла при сварке также способствуют возникновению остаточных напряжений разного рода.

В особо неблагоприятных моментах остаточные напряжения способны вызвать не только существенные нарушения формы заготовки (например, коробление, изогнутость и др.), но и всевозможные трещины.

Срезание поверхностных слоев с металлической заготовки освобождает ранее уравновешенные силы, поэтому остаточные напряжения деформируют саму заготовку. Однако и сам процесс резания тоже служит источником остаточных напряжений, возникающих как результат пластической деформации верхнего слоя поверхности и нагрева зоны резания.

Обычно перераспределение внутренних напряжений совершается не сразу, а постепенно, также постепенно происходит и изменение формы заготовки или готовой детали. На самом деле в практике случаются моменты, когда исходная заготовка, которая получила большие остаточные напряжения, проходит непосредственно именно черновую обработку. Таким образом, деформация заготовки и внутренние напряжения перераспределяются частично. При этом получившиеся искажения формы устраняются, как правило, при чистовой обработке. Готовая деталь, (если конечно она годная) ставится на машину, а через кое-какое время уже при эксплуатации быстро изнашивается, причина этого одна — деформация данной детали, которая произошла после полной ее обработки.

Чтобы не случались такие казусы именно поэтому – устранению внутренних напряжений – необходимо уделять самое основательное внимание. Простейший путь устранения внутренних напряжений — это разделить обработку резанием на несколько этапов, то есть:

• на первом этапе выполняется черновая обработка, путем удаления наибольшей части припуска с поверхностей заготовки;
• на втором этапе заготовка передается на получистовую обработку;
• на третьем этапе изготовление детали заканчивается путем чистовой обработки.

Так как зачастую заготовки обрабатывают партиями: черновая, получистовая и чистовая обработки производятся на разных станках, а в некоторых случаях и в разных цехах, поэтому между этими обработками проходит определенное время. В основном именно за это время и происходит перераспределение внутренних напряжений и соответственно деформация заготовок. Чем больше временной промежуток между обработками (черновой и чистовой), тем естественно и меньше опасность искажения форм готовых деталей.

Естественное старение

Длительное выдерживание заготовки для снятия остаточных напряжений называется – «естественным старением». Сам процесс естественного старения весьма и весьма медленный. Достаточно уточнить, что самая основная часть остаточных напряжений именно в сложных отливках при естественном старении снимается в течение 2-3х месяцев. Однако следует учесть, что даже после указанного срока еще в течение нескольких месяцев оставшиеся напряжения способны воздействовать на форму заготовки.

Многомесячное естественное старение крайне «не» экономично — потому как чрезвычайно затягивается весь производственный цикл, стремительно возрастает объем неготового производства, значительно снижаются оборотные средства предприятия, поэтому естественное старение главным образом применяют исключительно для особо ответственных и дорогостоящих отливок, к примеру, заготовок станин прецизионных станков.

Для того чтобы ускорить процесс перераспределения, а также снятия остаточных напряжений, очень часто старение происходит на открытом воздухе (то есть, резкая смена температуры «дня и ночи» существенно способствует интенсификации процесса старения).

Снятие остаточного напряжения

Для средних или достаточно мелких отливок самым эффективным способом снятия непосредственно внутренних напряжений является так сказать искусственное старение, то есть специальный процесс термической обработки. Отливка помещается в печь доведенную до температуры в 500-600оС, и выдерживается в ней в течение 1-6 часов (чем крупнее отливка, тем соответственно и больше выдержка). Далее печь вместе с отливкой медленно охлаждают таким образом, чтобы абсолютно все части отливки (толстые и тонкие) охлаждались – равномерно. При этом скорость охлаждения должна составлять 25-75 градусов в час. Когда температура отливки снизится примерно до 200-250оС, она вынимается из печи и на воздухе окончательно охлаждается.

Для снятия напряжений, которые были получены при ковке, литье и штамповке, также применяют и отжиг, то есть нагрев до температуры в 400-600оС с выдержкой в 2,5 минуты на 1 мм толщины сечения заготовки, для сварных же заготовок высокотемпературный отпуск выполняется при нагреве до 600—650оС. Также отжигают и заготовки, получаемые из проката стали.

Вследствие значительных пластических деформаций при прокатке непосредственно в поверхностных слоях заготовок формируются существенные растягивающие, а вот во внутренних слоях наоборот сжимающие напряжения. Если же с такой заготовки снимается неравномерный припуск, то, безусловно, из-за перераспределения внутренних напряжений ее форма может измениться. Именно поэтому, к примеру, после фрезерования на валах длинных шпоночных канавок, изготовляемых из проката, могут случаться искривления валов. Для исправления этой кривизны заготовок валов, стержней, длинных планок, осей и прочих подобных элементов правят их исключительно в холодном состоянии. В таком процессе правки происходит упругая, и затем пластическая деформация материала.

Тщательная правка позволяет практически полностью устранить кривизну заготовки, которая вызвана непосредственно действием остаточных напряжений. Однако во время правки в заготовках появляются новые напряжения, что при дальнейшей чистовой обработке (хуже — в работающей машине) данные остаточные напряжения способны достаточно легко вызвать новые искажения формы. Именно поэтому для ответственных деталей применять правку крайне – нежелательно.

Источник