Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор методов стабилизации размеров чугунных деталей 8
1.1. Механизм образования остаточных напряжений в чугунных обливках 8
1.2. Анализ причин, вызывающих коробление чугунных деталей в процессе их изготовления и эксплуатации 18
1.3. Методы стабилизации размеров чугунных деталей 29
Выводы 46
ГЛАВА 2. Разработка алгоритмов управления технологическим процессом отжига чугунных деталей из серого и высокопрочного чугуна ..48
2.1. Теоретические предпосылки разработки режимов управления отжигом чугунных деталей для полного снятия остаточных напряжений 48
2.2. Разработка режимов ускоренного отжига и управления степенью снижения остаточных напряжений в чугунных отливках...52
2.3. Оценка напряженного состояния изделий из серого чугуна акустическим методом 60
2.4. Структурные изменения в чугуне при проведении ускоренного отжига 67
Выводы 71
ГЛАВА 3. Реализация алгоритмов управления технологическим процессом отжига деталей машин и механизмов из серого и высокопрочного чугуна в промышленных условиях 73
3.1. Ускоренный отжиг чугунных базовых деталей металлообрабатывающих станков 73
3.2. Оценка стабильности размеров базовых деталей металлообрабатывающих станков после отжига 85
3.3. Ускоренный отжиг маховика двигателя автомобиля ВАЗ - 2110...97
Выводы 105
Заключение и общие выводы 107
Литература по
Приложение
- Механизм образования остаточных напряжений в чугунных обливках
- Анализ причин, вызывающих коробление чугунных деталей в процессе их изготовления и эксплуатации
- Теоретические предпосылки разработки режимов управления отжигом чугунных деталей для полного снятия остаточных напряжений
- Ускоренный отжиг чугунных базовых деталей металлообрабатывающих станков
Введение к работе
Актуальность проблемы
Повышение стабильности размеров базовых деталей машин и механизмов, изготовляемых из серого и высокопрочного чугуна, является важнейшей проблемой современного точного машиностроения.
К точности деталей предъявляются очень высокие требования, так, например, непрямолинейность направляющих поверхностей точного металлообрабатывающего станка, имеющих длину несколько метров, в ряде случаев не должна превышать 1-2 мкм.
Большинство деталей станков изготовляют из чугунных отливок, в которых в процессе охлаждения их в литейных формах формируются достаточно большие остаточные напряжения, достигая значений 100-150 МПа (10-15 кг/мм ), что близко к пределу прочности чугуна.
Основной причиной коробления деталей, т.е. потеря ими исходной геометрической точности является перераспределение и релаксация технологических остаточных напряжений.
Коробление деталей в процессе их изготовления вследствие перераспределения сохранившихся остаточных напряжений в заготовке приводит к повышению трудоемкости и к введению ручной механической операции шабрения направляющих поверхностей базовых деталей. Коробление деталей также происходит в процессе эксплуатации, обусловленное релаксацией остаточных напряжений.
Для снижения остаточных напряжений в чугунных деталях их подвергают различным видам обработки. Наиболее применяемым в производстве является метод низкотемпературного отжига (искусственного старения), который позволяет снимать только 50-60% исходных напряжений
в деталях.
Существующие методы стабилизации размеров не позволяют кардинально снизить исходный уровень остаточных напряжений в чугунных заготовках, тем самым не устраняется причина, вызывающая коробление.
Таким образом, исследования направленные на разработку эффективных способов управления снижением исходных остаточных напряжений в чугунных отливках следует рассматривать как актуальную задачу и в теоретическом, и в практическом аспектах, особенно учитывая тенденцию дальнейшего увеличения выпуска изделий точного машиностроения.
Описанные обстоятельства обусловливают актуальность данной работы, а также выбор объекта исследования - процессы, протекающие при отжиге чугунных отливок.
Целью диссертационной работы является повышение качества и эффективности управления технологическим процессом отжига, обеспечивающим высокую геометрическую точность и стабильность размеров готовых чугунных деталей машин и механизмов из серого и высокопрочного чугуна.
Достижение цели обеспечивается постановкой и решением следующих задач:
- разработка нового способа отжига чугунных отливок,
обеспечивающего полное снятие остаточных напряжений;
разработка алгоритмов управления технологическим процессом отжига, обеспечивающих высокий уровень снятия остаточных напряжений и сохранение механических свойств в чугунных отливках;
реализация алгоритмов управления технологическим процессом отжига в промышленных условиях для базовых деталей металлообрабатывающих станков.
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими положениями:
теоретическим обоснованием принципов разработки нового способа отжига чугунных отливок, основанного на теории эффекта субкритической сверхпластичности;
разработкой эффективных способов управления режимами отжига, позволяющими полностью снимать остаточные напряжения в чугунных отливках.
Практическая ценность. Разработанные алгоритмы управления положены в основу разработки прогрессивных технологий отжига деталей машин и механизмов из серого и высокопрочного чугуна, обеспечивающих значительное уменьшение коробления деталей при механической обработке и повышение стабильности размеров в процессе эксплуатации.
Разработанные режимы управления отжигом позволяют снизить энергозатраты в 2-3 раза, продолжительность термообработки в 3-4 раза по сравнению с режимами искусственного старения (низкотемпературного отжига).
Использование нового способа отжига позволяет снизить трудоемкость изготовления чугунных деталей за счет совмещения черновой и чистовой механической обработки, а также исключения операции шабрения.
Практическая ценность и научная новизна полученных результатов подтверждена патентом на изобретение (а.с. 1553563, патент 1992 г.).
Реализация результатов работы. Разработанные режимы управления технологическим процессом отжига внедрены для широкой номенклатуры чугунных деталей на ряде промышленных предприятий: ОАО «АвтоВАЗ», ПО «Боткинский завод», ПО «Ижмаш», РСПО «Рязанское станкостроительное производственное объединение», ХСЗ «Харьковский станкостроительный завод».
Фактический годовой экономический эффект, подтвержденный актами внедрения от использования разработанных технологий отжига чугунных отливок, составляет 390 тыс. руб (в ценах 1991 г.).
В первой главе на основании аналитического обзора литературных данных рассмотрены механизмы образования остаточных напряжений в чугунных отливках и причины, вызывающие коробление деталей в процессе их изготовления и эксплуатации. Проведен анализ существующих методов стабилизации размеров чугунных деталей.
Во второй главе рассмотрены теоретические предпосылки разработки нового способа отжига чугунных отливок, позволяющего полностью снимать остаточные напряжения. Представлены результаты исследования по разработке ускоренных режимов отжига и управления степенью снижения остаточных напряжений, позволяющие уменьшить коробление и повысить стабильность размеров деталей из серого и высокопрочного чугуна.
В третьей главе представлены результаты по реализации разработанных ускоренных режимов отжига в производственных условиях на ряде базовых деталей металлообрабатывающих станков и маховике двигателя автомобиля ВАЗ-2110.
Механизм образования остаточных напряжений в чугунных обливках
Основной причиной образования остаточных напряжений обычно является неравномерная пластическая деформация различных участков отливки [88]. Само наличие такой деформации не вызывает в отливке остаточных напряжений, и только когда эта депортация является различной в разных частях отливки, в последней возникают остаточные напряжения. Рассмотрим это на простейшем примере.
Допустим, что отливка, в которой отсутствовали остаточные напряжения, была разрезана на отдельные части. На рис. 1а показано, что отливка разрезана на отдельные бруски. Если теперь все части отливки подвергнуть временному нагружению до появления в них одинаковой пластической деформации вт а затем снова сложить вместе, то получится отливка несколько большего размера (рис. 16), в которой будут отсутствовать остаточные напряжения. Если величина вп у различных частей отливки будет разной, то, складывая эти части снова вместе, нельзя получить как бы целую отливку (рис. 1в), так как основным условием для любой целой отливки является непрерывность изменения деформации ее металла при переходе от одного участка отливки к другому. В рассматриваемом же случае деформация всех брусков различна. Поэтому, при переходе от одного бруска к другому, деформация скачкообразно изменяется, то есть между ними получаются разрывы.
Лишь в одном случае неравномерная пластическая деформация не вызывает остаточных напряжений. Происходит это тогда, когда величина пластической деформации еп во всех участках отливки является линейной функцией прямоугольных координат. При таком законе изменения отливка получится изогнутой (рис. 1г), но остаточных напряжений в ней не будет.
Таким образом, по наличию у отливки (на которую не действуют внешние силы) изгиба, растяжения или другой остаточной деформации невозможно сказать, имеются ли в ней остаточные напряжения или нет. К сожалению, до сих пор довольно широко распространено ошибочное мнение о том, что если отливка изогнута, то в ней обязательно имеются остаточные напряжения.
Остаточные напряжения могут возникнуть в отливке не только из-за неравномерной пластической деформации, но и из-за разницы температурных деформаций различных участков отливки [12,61]. Как известно, изменение температурной деформации какого-либо участка отливки равно А5 = oAt где а - коэффициент температурного расширения отливки металла на этом участке; a At - изменение его температуры. Следовательно, неравномерность температурной деформации может возникнуть как от разного изменения температуры At в рассматриваемых участках отливки, как и от наличия различного коэффициента температурного расширения металла.
Чаще всего причиной неравномерной температурной деформации является разная скорость охлаждения отдельных участков отливки в форме, которая приводит к возникновению временных напряжений, вызывающих пластическую деформацию металла отливки. Но нередки случаи, когда причиной неравномерной температурной деформации является и разная величина коэффициента температурного расширения металла а. Известно, что участки чугунных отливок с различной микроструктурой металла имеют разный коэффициент температурного расширения, а, следовательно, и разную температурную деформацию А5 при одинаковом изменении их температуры. После полного охлаждения таких отливок свободная длина их участков, имеющих разную микроструктуру металла, будет различной, как и в случае, изображенном на рис. 1в. Только в данном случае неравномерность свободной деформации частей отливки вызвана не пластической, а температурной их деформацией.
Структурная деформация, происходящая в чугунных отливках при их охлаждении, обычно рассматривается совместно с температурной деформацией в виде свободной усадки металла [78]. Поэтому в дальнейших рассуждениях ее учитывают не отдельно, а как составную часть величины б. При этом в уравнении (1) следует принимать ес = 0. Напряжения всегда однозначно связаны только с упругой деформацией. При отсутствии упругой деформации напряжения тоже отсутствуют.
На основании используемой в сопротивлении материалов гипотезы плоских сечений предположим, что рассматриваемое сечение отливки все время остается плоским. Тогда для обеспечения неразрывности металла отливки суммарная деформация є в направлении, перпендикулярном плоскости этого сечения, должна быть для всех его участков либо одинаковой (рис. 16 и 1в), либо линейно зависеть от прямоугольных координат (рис. 1г). Если при отсутствии внешних сил, действующих на отливку, это условие обеспечивается в какой-то момент времени только суммой температурной и пластической деформаций и для его выполнения не требуется наличия упругой деформации, то в этот момент напряжений в отливке не будет. То же самое получится, если это условие будет выполняться при наличии только одной пластической или одной температурной деформации,
Важное практическое значение имеет следующий частный случай. Если тело, в котором отсутствуют остаточные напряжения и материал которого обладает одинаковым и постоянным коэффициентом температурного расширения, нагреть так, что температура в любой его точке будет линейной функцией прямоугольных координат, то никаких напряжений в нем не возникнет. Получается это потому, что температурная деформация в данном случае будет линейной функцией координат, и основное условие непрерывности материала рассматриваемого тела будет выполнено без наличия упругой или пластической деформаций.
Аналогичные условия возникают и в отливке, которая охлаждается, начиная с температур, соответствующих пластичному состоянию ее материала, так, что в любой момент времени температура в каждой ее точке является линейной функцией прямоугольных координат. То, что такое охлаждение начинается еще при пластичном состоянии материала отливки, обеспечивает отсутствие в исходном состоянии неравномерной пластической деформации, которая в дальнейшем вызвала бы остаточные напряжения. Если в отливке, материал которой находится в пластическом состоянии, и имелась неравномерная пластическая деформация, то после возникновения в этой отливке линейного температурного поля неравномерность пластической деформации ликвидируется [22,32,60]. Происходит это потому, что в момент создания линейного температурного поля в отливке возникнут временные напряжения, так как при неоднородной пластической и в то же время линейной температурной деформациях обеспечить линейный характер изменения полной деформации б (условие неразрывности) можно только при наличии упругой деформации. Но материал отливки находится в пластическом состоянии, и эти напряжения сразу же будут сняты новой пластической деформацией. Получившаяся суммарная пластическая деформация обязательно будет либо равномерной (рис. 16), либо линейно зависимой от координат (рис. 1г), и поэтому не будет создавать остаточные напряжения.
Анализ причин, вызывающих коробление чугунных деталей в процессе их изготовления и эксплуатации
Точность машин и приборов, как правило, определяется не столько стабильностью абсолютных размеров базовых чугунных деталей, сколько сохранением ими первоначальной геометрической формы (прямолинейности направляющих поверхностей и тлт.). Поэтому наибольшее влияние на потерю этими деталями первоначальной точности оказывают их изгиб и кручение, объединяемые обычно под общим понятием коробление [63,65].
Остаточные напряжения в любом сечении отливки всегда взаимно уравновешиваются. Всякое изменение остаточных напряжений в каком-либо участке отливки вызывает их перераспределение во всем ее объеме до наступления нового состояния равновесия. Перераспределение остаточных напряжений происходит под действием возникающих в каком-либо сечении отливки неуравновешенных сил или моментов, причем величина деформации отливки, необходимой для наступления нового положения равновесия, тем больше, чем большими оказались неуравновешенные силы и моменты.
Рассмотрим влияние, оказываемое релаксацией остаточных напряжений на коробление отливок. Для наглядности этот анализ выполнен применительно к отливкам балочного типа, хотя все его выводы полностью справедливы для любых отливок. Предположим, что исходные остаточные напряжения, возникшие в поперечном сечении отливки площадью F, равны а0. Тогда из условия равновесия всех остаточных напряжений должны быть справедливы равенства N0 = ja0dF = 0 (8) F М0 = \a0rdF = 0 (9) где No - сила в направлении, перпендикулярном плоскости поперечного сечения; Мо - изгибающий момент относительно произвольной оси, лежащей в плоскости поперечного сечения, а г - расстояние элемента dF от этой оси.
В процессе релаксации остаточные напряжения уменьшаются, и если бы при этом отливка не деформировалась, то через некоторое время новые остаточные напряжения были бы равны б\ — Р б0 где Р 1 (Р - степень изменения остаточных напряжений в результате их релаксации). Но при этом в рассматриваемом сечении отливки могут возникнуть неуравновешенные сила Ni и момент Mi t которые будут стремиться деформировать ее так, чтобы в ней снова наступало равновесие остаточных напряжений: Nl = \crldF Ф О (10) F Мх = \axrdF Ф О (П) F Под действием неуравновешенной силы отливка удлинится или сожмется в центре тяжести ее сечения на величину деформации -=-JE (12) где Е - модуль упругости материала отливки. Если у и х - главные центральные оси поперечного сечения отливки, то неуравновешенные моменты относительно этих осей, возникающие от релаксации остаточных напряжении, будут М]у = \axzdF (13) F Mxz= jo-xydF (14) F Вызываемые этими моментами максимальные прогибы отливки балочного типа длиной L в плоскости ху и xz (рис. 5) соответственно равны 19 M, J Л = _ТЕ77 (16) где Jy и Jz - моменты инерции поперечного сечения отливки относительно ОСЄЙ YHZ. В результате такой деформации в отливке снова возникнет равновесие остаточных напряжений, причем действительная их величина біи для точки с координатами у і и zi "1- J,—Т 17 Таким образом, о короблении отливки в результате релаксации имевших в ней остаточных напряжений б0 можно судить по наличию неуравновешенного момента Mj , получающегося при использовании расчетных напряжений б і =Р б0_
Следовательно, наличие релаксации остаточных напряжений в отливке еще не означает, что она обязательно будет коробиться.
В общем случае интегралы в уравнениях (22) и (23) равны нулю. Поэтому равная степень релаксации остаточных напряжений, характеризующаяся величинами Р] и Рг, приводит к возникновению в поперечном сечений неуравновешенных сил и моментов, а, следовательно, и к короблению отливки.
Если поперечное сечение отливки имеет ось симметрии (например, ось z на рис. 5), то, учитывая одинаковые условия охлаждения в литейной форме симметрично расположенных участков отливки, можно ожидать, что свойства затвердевшего металла и эпюра остаточных напряжений будут также симметричны относительно этой оси. Это обусловит и симметричное расположение участков с одинаковым значением Р, так как степень релаксации остаточных напряжений в отливке зависит от свойств ее металла, а также величины и знака напряжения.
На величине силы N согласно уравнению (22), симметричность расположения участков сечения отливки с одинаковым Р никак не скажется, но в уравнении (23) интеграл станет равным нулю. Следовательно, отливка не будет коробиться относительно плоскости ее симметрии. Сказанное справедливо при любой зависимости Р от свойств материала отливки, а также величины и знака напряжений.
При наличии в поперечном сечении отливки балочного типа двух осей симметрии отливка вообще не будет коробиться от релаксации имеющих в ней остаточных напряжений, а только удлиняться или сжиматься в продольном направлении согласно уравнению (12). Некоторое коробление такой отливки в реальных условиях может быть только из-за того, что у симметрично расположенных участков сечения затвердевший металл не будет обладать строго одинаковыми свойствами или одинаковыми остаточными напряжениями [62]. Но это коробление будет намного меньше, чем у аналогичной отливки с несимметричным профилем поперечного сечения.
При несимметричном профиле поперечного сечения и наличии релаксации остаточных напряжений отливка тоже будет коробиться не всегда, а только в случае, если степень этой релаксации, характеризующаяся величиной Р, различна для разных участков ее сечения. Как видно из уравнений (16) и (23), величина этого коробления будет тем больше, чем больше различие в степени релаксации остаточных напряжений на разных участках сечения, и чем меньше жесткость отливки при изгибе. В чугунных отливках степень релаксации остаточных напряжений при температуре 20С зависит от величины и знака напряжений, а также от структуры металла [34]. Степень релаксации напряжений при растяжении существенно больше, чем при сжатии; у чугуна с перлитно-ферритной структурой она больше, чем у чугуна с перлитной структурой, и т. п.. Поэтому при изготовлении отливок из чугуна, склонного к образованию резко различных структур в массивных и тонких сечениях, вероятность их коробления будет больше, чем при изготовлении из чугуна, обеспечивающего минимальную разницу в структуре различных участков отливки. Из уравнения (23) следует также, что при данной разнице величин (Рі-Рг) наибольшее коробление будет наблюдаться у отливок, имеющих максимальное значение интеграла, представляющего собой статистический момент исходных остаточных напряжений б0 на площади Fi, т. е. только на той части площади, где степень релаксации одинакова и равна Рь Так, например, если Pi относится к напряжениям растяжения, а Р2 - к напряжениям сжатия, то наибольшее коробление будет иметь отливка, у которой статистический момент всех остаточных напряжений растяжения относительно главных центральных осей поперечного сечения будет наибольшим. Следовательно, чем больше абсолютная величина остаточных напряжений растяжения и чем в большей степени эти напряжения расположены с одной стороны поперечного сечения и удалены от центральных его осей, тем большее коробление отливки вызовет при прочих равных условиях их релаксации [1,4].
Теоретические предпосылки разработки режимов управления отжигом чугунных деталей для полного снятия остаточных напряжений
Избыточная энергия в упругодеформированных областях может понизиться без нарушения целостности тела, если разрядка остаточных напряжений произойдет путем пластической деформации. Следовательно, чтобы добиться полного или частичного снятия остаточных макронапряжений в изделии, необходимо вызвать в нем пластическое течение.
Остаточные напряжения при отжиге уменьшаются двумя путями: 1) вследствие пластической деформации в условиях, когда эти напряжения превысят предел текучести; 2) в результате ползучести при напряжениях меньше предела текучести.
Рассмотрим первый путь. Остаточные напряжения, являющиеся упругими, по закону Гука пропорциональны модулю упругости и величине упругой деформации. С ростом температуры модуль упругости слабо снижается и, соответственно, слабо уменьшаются остаточные напряжения. Предел текучести также падает с ростом температуры, причем значительно более интенсивно, чем остаточные напряжения (рис. 7).
Выше некоторой температуры (t) предел текучести становится ниже остаточных напряжений, и происходит пластическая деформация, в результате которой остаточные напряжения уменьшаются до значения предела текучести. хг Т4 - І Г" --. — - Tetinepatnypa Рис. 7 Схема влияния температуры на остаточные напряжения (1) и предел текучести (2)
Нижняя температурная граница уменьшения остаточных напряжений не очень четкая, так как в разных участках тела действуют разнообразные по величине остаточные касательные напряжения.
При напряжениях выше предела текучести генерируется множество дислокаций, скольжение которых приводит к очень быстрой пластической деформации. Можно считать, что степень разрядки остаточных напряжений по такому механизму определяется температурой отжига, а не его продолжительностью.
Рассмотрим второй путь уменьшения остаточных напряжений, когда их величина меньше предела текучести. Если в какой-то момент испытания образца на растяжение перестать увеличивать деформацию и оставить образец в захватах разрывной машины под нагрузкой, то, как известно, в образце будет происходить релаксация напряжений. Напряжения в этом опыте падают вначале быстро, затем все медленнее и медленнее, и, наконец, достигается некоторый практически неизменный уровень напряжений. Общая деформация образца складывается из упругой и пластической: общ упр "" пл V і OJ
Длина образца, находящегося в захватах машины, остается неизменной. Напряжения в нем снижаются потому, что упругая деформация уменьшается при одновременном и равном увеличении пластической деформации, развивающейся в условиях ползучести. Релаксация при заданной общей деформации развивается путем ползучести при падающем напряжении.
В детали, в которой остаточные напряжения меньше предела текучести, упругая деформация также может с течением времени переходить в пластическую. В области температур, где остаточные напряжения меньше предела текучести, ползучесть является единственно возможным механизмом их уменьшения. При напряжениях меньше предела текучести не происходит массового размножения и массового скольжения дислокаций. Медленное пластическое течение осуществляется перемещением ограниченного числа легкоподвижных дислокаций. Встречаясь с препятствиями (дислокационными сплетениями, дисперсными частицами, границами зерен), скользящие дислокации тормозятся. Исчерпание легкоподвижных дислокаций приводит к затуханию ползучести, а уменьшение остаточных напряжений еще более усиливает это затухание.
Флуктуации тепловой энергии активируют скольжение. С увеличением продолжительности отжига они вовлекают в скольжение менее благоприятно расположенные дислокации, помогают дислокациям преодолевать и обходить препятствия. При температурах отжига выше 0,5 іпл препятствия обходятся дислокациями переползанием, как и при обычной высокотемпературной ползучести.
Остаточные напряжения в изделиях несколько снижаются вследствие ползучести и при комнатной температуре. Чем выше температура, тем больше термические флуктуации и тем быстрее и полнее уменьшаются остаточные напряжения.
Если изделия нагревать до температур, при которых предел текучести становится меньше остаточных напряжений, то вначале происходит быстрая разрядка напряжений до величины предела текучести вследствие массового размножения и скольжения дислокаций, а затем этот механизм пластической деформации сменяется ползучестью, приводящей к постепенной и затухающей во времени релаксации напряжений.
Следовательно, разработка режимов отжига, при которых остаточные напряжения будут сниматься полностью, сводится к нагреву до таких температур, когда предел текучести чугуна будет очень мал, то есть материал будет обладать очень высокой пластичностью. Рядом авторов (Гуляев А.П. и др.) указывается, что температуры, при которых у чугуна наблюдается аномально высокая пластичность, находятся в субкритическом интервале, т.е. в области температур 650-720 С, примыкающим к началу а-у превращения [28,29,72,73,74,75,76]. В указанном интервале температур наблюдается явление субкритической сверхпластичности, которое обусловлено тем, что вблизи фазового перехода кристаллическая решетка становится неустойчивой в результате ослабления межатомных связей. Однако, при температурах выше субкритического интервала (650-720 С) пластичность чугуна резко падает, в том числе, при температуре фазового а-у превращения. Этот эффект субкритической сверхпластичности и обусловливает полноту снятия остаточных напряжений.
В работах [26,97] рассматривается возможность использования эффекта сверхпластичности при сварке трением.
Исходя из таких теоретических предпосылок, строилась методика проведения экспериментальных исследований по разработке новых режимов отжига, позволяющих наиболее полно снимать остаточные напряжения в чугунных отливках. 2.2. Разработка режимов ускоренного отжига и управления степенью снижения остаточных напряжений в чугунных отливках.
Известно, что для обеспечения высокой геометрической стабильности размеров чугунных корпусных деталей их подвергают низкотемпературному отжигу для снятия остаточных напряжений. Коробление тем меньше, чем выше температура отжига. Однако, с повышением температуры отжига возрастает опасность снижения твердости чугунных отливок из-за происходящих в них структурных превращений [24,69]. В связи с этим температура отжига для большинства марок чугунов ограничивается 550 - 570С, а для высокопрочных чугунов (например ВЧ 36-56) - 620С [79,81]. Время выдержки после достижения в печи нужной температуры не менее 3-х часов. Но после такого отжига в деталях сохраняются еще значительные остаточные напряжения 30 - 40% от первоначальной величины, в связи с чем отжиг проводят после предварительной механической обработки (отжиг до механической обработки не обеспечивает стабилизации размеров). Таким образом, операция отжига при существующих режимах энергоемка, очень длительна (24 - 48 часов) и в то же время не обеспечивает стабильности размеров без предварительной механической обработки [7,18,56]. Нами исследованы и рекомендованы новые режимы отжига, обеспечивающие практически полное снятие остаточных напряжений при сохранении необходимых механических свойств. Полнота снятия остаточных напряжений обеспечивается повышением температуры отжига в область субкритических температур (650 - 700С) [35,38,39,50]. Основанием для такого повышения температуры отжига явились следующие известные экспериментальные факты. Чем выше температура отжига, тем меньше необходимое время выдержки для снятия напряжений, причем основная часть напряжений снимается в начальный период выдержки.
Ускоренный отжиг чугунных базовых деталей металлообрабатывающих станков
Разработанные алгоритмы управления технологическим процессом отжига были опробованы в производственных условиях ПО «Боткинский завод» на ряде базовых деталей металлообрабатывающих станков. Отжигу по ускоренным режимам были подвергнуты литейные заготовки станины станка ВМ-501 в количестве 19 штук. Масса станины 390 кг, длина направляющих 1000 мм, преобладающая толщина стенки 25 мм, марка чугуна СЧ25. Отжиг отливок проводился (без предварительной мехобработки) в камерной печи с выкатным подом в условиях цеха №24. Температура печи контролировалась тремя термопарами, установленными на своде печи. Температура отливок измерялась с помощью хромель-алюмелевых термопар, помещенных в различные зоны печи и контактирующих непосредственно с отливками.
Общее время термообработки по ускоренным режимам составило 5,5 часа, что в 4 раза короче цикла термообработки по режимам, которые используются на заводе. Использование новых режимов отжига позволяет сократить энергозатраты в 3 раза [52].
Все опытные детали прошли полный цикл мехобработки и были использованы в сборке станков. Таким образом, не было зафиксировано ни одного случая выбраковки деталей по параметрам геометрической точности, что зафиксировано в актах промышленных испытаний (см. Приложение).
Отклонение от прямолинейности направляющих опытных станин не превышало 5 мкм на длине 1000 мм, что удовлетворяет заложенному допуску на непрямолинейность. Прогиб направляющих рядовых станин превышал 10 мкм на длине 1000 мм, что значительно больше допуска на непрямолинейность. Для получения необходимой точности направляющие рядовых станин подвергают трудоемкой механической операции шабрения. Опытные же станины шабрению не подвергались в силу полученной требуемой точности (см. акты промышленных испытаний в Приложении).
По аналогичной методике проведены испытания на стабильность размеров опытной партии бабок станка ВМ-131 производства ПО «Боткинский завод».
Детали были подвергнуты термической обработке (в литейной заготовке) с целью более полного снятия остаточных напряжений по разработанным режимам (см. рис. 17): нагрев со скоростью 200С в час до температуры 650С, выдержка 0,5 часа, охлаждение в печи с выключенным нагревом до 450С, дальнейшее охлаждение на воздухе вне печи.
Опытные детали прошли полный цикл мехобработки. После операции шлифования были проведены замеры на непрямолинейность направляющих. Отклонение от прямолинейности составило 2-6 мкм, т.е. в пределах допуска. Все опытные детали были использованы при сборке станков (см. акты промышленных испытаний в Приложении)
Отжигу по разработанным режимам была подвергнута партия отливок столов станка ВМ-127 из чугуна марки СЧ20 с преобладающей толщиной стенки отливки 120 мм. Начальная твердость отливок 183-195 НВ. Ускоренный отжиг проведен по режиму: нагрев со скоростью 300С в час до 650С, выдержка 1 час, охлаждение в печи с выключенным нагревом до 450С, дальнейшее охлаждение на воздухе вне печи.
Твердость отливок после отжига составила 180-190 НВ, падение твердости не превышало 10 НВ. Цикл ускоренной термообработки составил 7 часов.
Опытные детали прошли полный цикл мехобработки. Прогиб шлифованной поверхности направляющих стола у деталей оказался меньше, чем у рядовых. Прогиб на опытных деталях не превышал 10 мкм на длине 1500 мм. На финишной операции, проводимой шлифованием, снятие припуска осуществлялось за один проход, тогда как в рядовых деталях для обеспечения допустимой непрямолинейности в 15 мкм требовалось многопроходное шлифование. Таким образом, опытные детали имели более высокую точность, чем рядовые.
Ускоренным режимам отжига были подвергнуты цилиндры из СЧ20 формовочно-упаковочной машины (ФУМ) производства ПО «Боткинский завод». Ответная партия деталей прошла однократную термическую обработку (в литейной заготовке) с целью более полного снятия остаточных напряжений по режиму: нагрев со скоростью 200С в час до температуры t,C
После окончательной обработки конусность и некруглость опытных деталей были в пределах допуска 5 мкм. Необходимо отметить, что после черновой обработки рядовых деталей происходит потеря точности посадочного размера цилиндра на планшайбу токарного станка для чистовой расточки. Опытные детали после черновой обработки не имели указанного недостатка. Это показывает, что в опытных деталях при отжиге полно снимаются остаточные напряжения, а у рядовых напряжение снимается не полностью, что и приводит к перераспределению напряжений при мехобработке и, как следствие, к потере точности.
Проведенные испытания показали целесообразность использования разработанных режимов ускоренного отжига для указанных деталей. Замена трехкратной термообработки на однократную позволяет сократить время отжига в 6 раз, а энергозатраты - более чем в 3 раза.
Разработанные режимы отжига были применены к массивным, длинномерным (до 3,5 мм) станинам станка ЗМ152МВ производства Харьковского станкостроительного завода. Начальная твердость отливок была близка к нижнему пределу 179 НВ, а именно 183-187 НВ.
После проведения отжига по режиму: нагрев до 650С, выдержка 0,5 часа, охлаждение в печи до 450С, дальнейшее охлаждение на воздухе вне печи - твердость отливок стала 179-180 НВ, т.е. не меньше нижнего предела. Общее время отжига составила 13 часов, что в 2 с лишним раза меньше продолжительности отжига по режимам, принятым на заводе - 32 часа.
Опытная партия отливок после отжига прошла полный цикл механической обработки. Размеры прогиба направляющих показали, что он не превышает 15 мкм на длине 3000 мм, т.е. не превосходит допуск на непрямолинейность.
Режимы ускоренного отжига внедрены на Харьковском станкостроительном заводе. Ускоренные режимы отжига были опробованы на каретках металлообрабатывающих станков производства Рязанского станкостроительного завода.
Отжиг опытной партии кареток в литейной заготовке (без предварительной механической обработки) проводился по режиму: нагрев до 650С, выдержка 0,5 часа, охлаждение в печи до 450С, далее вне печи на воздухе. Твердость отливок до отжига 187-199 НВ, после отжига - 170-196 НВ. Продолжительность ускоренного отжига составила около 10 часов. При использовании на заводе традиционных режимов низкотемпературного отжига время термообработки составляет 30 часов. Таким образом, использование ускоренного отжига сокращает время термообработки в 3 раза.
После прохождения полного цикла механической обработки измерялся прогиб направляющих каретки с помощью уровня «Таливел». Замеры показали, что прогиб не превышает 15 мкм на длине 1000 мм, т.е. не превосходит допуск на непрямолинейность.
Режимы ускоренного отжига внедрены на Рязанском станкостроительном заводе. На станкостроительном производстве «Ижмаш» использовались отливки из чугуна СЧ25 с повышенной твердостью, что вызывает трудности при мехобработке. Для станин станков 250ИТ был предложен следующий режим отжига: нагрев со скоростью 300С в час до 700С, выдержка 1 час, охлаждение в печи с выключенным нагревом до 450С, дальнейшее охлаждение на воздухе вне печи. Твердость до отжига 250-270 НВ, твердость отливок после отжига составила 197-210 НВ. Продолжительность цикла термообработки составляет 6 часов. При таких режимах отжига обеспечивается высокая степень снятия остаточных напряжений - до 97% (определялась на образцах).
Похожие диссертации на Управление технологическим процессом отжига деталей машин и механизмов из серого и высокопрочного чугуна
