Деформации заготовок, вызываемые внутренними напряжениями

Внутренними или остаточными называют напряжения, существующие в заготовке при отсутствии внешних нагрузок. Они полностью уравновешиваются, а их действие в заготовках не проявляется.

В технологии машиностроения, в основном, изучаются напряжения, уравновешивающиеся в пределах больших объемов, соизмеряемых с размерами заготовок. Нарушение равновесия, вызываемое снятием припуска, термообработкой или другим воздействием, приводит к деформации обрабатываемых заготовок.

Внутренние напряжения в заготовках и деталях возникают при неравномерном остывании заготовок при литье (например, из-за разностенности); ковке и штамповке; сварке; термообработке; механической обработке (лезвийной и давлением); гальванопокрытиях.

Особенно характерны внутренние напряжения для крупных, нежестких и тонкостенных заготовок.

После удаления напряженных слоев металла при обработке происходит перераспределение внутренних напряжений до нового равновесного состояния. Перераспределение напряжений вызывает деформацию заготовок, приводящую к погрешностям формы и относительного расположения поверхностей. В некоторых случаях внутренние напряжения достигают больших значений и могут служить причиной появления трещин и саморазрушения заготовок (характерно для заготовок из хрупких материалов, например, чугуна).

Например, при закалке ТВЧ стальных деталей в поверхностных слоях появляются растягивающие напряжения, а в сердцевине — сжимающие. После снятия припуска из-за перераспределения напряжений происходит деформация деталей. Особенно характерны подобные деформации при изготовлении зубчатых колес. Практика показывает, что наличие упрочняющей термообработки приводит к потере точности зубчатого колеса приблизительно на одну единицу степени точности.

Расчеты и определение погрешностей из-за внутренних напряжений трудоемки.

Внутренние напряжения и их влияние на точность деталей могут быть уменьшены следующими мерами:

— выравниванием толщины стенок и температуры охлаждения заготовок (например, охлаждение вместе с печью, применение специальных холодильников при отливке);

— естественным старением отливок в течение 6...12 месяцев обычно после их обдирки. Применяется преимущественно для крупных заготовок. В некоторых случаях при изготовлении особо точных станков используются базовые детали станков, отработавших несколько лет, и, следовательно, не имеющие внутренних напряжений;

— искусственным старением методом термообработки, заключающимся в медленном нагреве до температуры 500...600° С, выдерживании при ней в течение 1...6 ч и охлаждении в печи до 150...200° С, и затем на воздухе;

— отжигом и отпуском поковок, штамповок и сварных заготовок;

— дробеструйной обработкой заготовок;

— разработкой наиболее рациональной конструкции заготовок, особенно сварных, режима сварки заготовок;

— выбором и применением наиболее рационального способа и режимов термообработки деталей;

— выбором рациональных способов, режимов механической обработки, последовательности и сочетания операций, переходов и рабочих ходов;

— применением виброобработки (например, с помощью вибраторов). Некоторые станкостроительные фирмы используют с этой целью воду, выдерживая ответственные детали в водопадах;

— применением после предварительной и черновой обработок заготовок термообработки (отжиг, нормализация). Для ответственных деталей возможно применение неоднократных промежуточных термообработок;

— применением для изготовления ответственных деталей (станин, стоек и т. п.) специальных искусственных материалов, не имеющих внутренних деформаций.

Размерная наладка станков

В соответствии со стандартами ЕСТД наладкой называется подготовка технологического оборудования и технологической оснастки к выполнению технологической операции. Часть наладки, относящаяся к установке инструмента, рабочих элементов станка, установочных элементов приспособления в положение, которое обеспечивает получение размера в поле допуска, называется размерной наладкой станка.

Цель размерной наладки станка заключается в придании режущему инструменту такого оптимального положения относительно установочных элементов станка или приспособления, которое надежно обеспечит получение действительных размеров обрабатываемых деталей в заданных пределах при возможно большей продолжительности работы до подналадки (рис. 2.51).

Наладочный размер — такое начальное значение среднего текущего размера на диаграмме точности обработки, при котором исключается опасность случайного перехода действительных размеров обрабатываемых деталей за непроходную границу поля допуска и достигается наибольшая возможная продолжительность работы до подналадки. Подналадкой называется дополнительная регулировка технологического оборудования и (или) технологической оснастки при выполнении технологической операции для восстановления достигнутых при наладке значений параметров.

Рис. 2.51. Схема расположения диаграммы точности в поле допуска

Рис. 2.52. Схема для расчета наладочного размера:

∆_зак — суммарное значение закономерно изменяющихся погрешностей; Т— допуск размера

В переводе на математический язык процесс наладки состоит в том, чтобы обеспечить совпадение середины поля мгновенного рассеивания с наладочным размером; а смещение центра группирования относительно L_нр и является погрешностью самой наладки.

Учитывая погрешность размерной наладки, полное рассеивание ∆_р при обработке будет состоять из рассеивания, обусловленного причинами, приведенными выше, и рассеивания, обусловленного погрешностью самой наладки ∆_рн. Схема для расчета наладочного размера представлена на рис. 2.52.

В соответствии с рисунком наладочные размеры рассчитываются следующим образом:

где L_min, L_max - соответственно минимальный и максимальный размеры детали; ∆_р — полное рассеивание размеров, вызванное случайными погрешностями; ∆₀ — возможное превышение в начальный момент работы тепловых деформаций технологической системы над размерным износом режущего инструмента; ∆_изм — погрешность измерения.

Для того чтобы установить режущий инструмент в требуемое положение, соответствующее наладочному размеру L_нр, используются следующие основные методы наладки станков.