Снятие напряжений в металле после механической обработки

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

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

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.

Источник