Внутренними (остаточными) напряжениями называются такие напряжения, которые имеются в материале заготовки или готовой детали при отсутствии каких-либо внешних нагрузок. Внутренние напряжения образуются в заготовках или на отдельных операциях механической обработки при наличии следующих факторов:
- неравномерности остывания отдельных частей отливок;
- сопротивления материала форм и стержней протеканию процесса литья или штамповки; – неравномерности фазовых и структурных превращений металла в поверхностных слоях по глубине заготовки на заготовительных, термических и сварочных операциях;
- пластической деформации металла при наклёпе на операциях накатки роликами и шариками и т.д.
На величину и характер распределения внутренних напряжений большое влияние оказывает конфигурация деталей. Максимальные напряжения возникают в местах переходов одного сечения в другое, а также при неравномерном распределении по детали её массы.
Особенность внутренних напряжений заключается в том, что они взаимно уравновешиваются и внешне не проявляются до тех пор, пока их равновесие не будет по каким-либо причинам нарушено. Такими причинами могут быть тепловые воздействия, механическое удаление припуска с заготовки, удары, вибрация и т.д. При этом внутренние напряжения перераспределяются по детали, что вызывает у неё остаточные деформации. Чем интенсивнее происходит перераспределение внутренних напряжений, тем большее влияние они оказывают на точность обработки. Таким образом, для обеспечения требуемой точности обработки, при проектировании технологических процессов маршрут обработки детали должен быть составлен с таким расчётом, чтобы свести к минимуму влияние остаточных напряжений.
Для решения таких задач используются конструкторские и технологические мероприятия.
Конструкторские мероприятия проводятся на этапе проектирования машины и сводятся к разработке конструкций деталей, не позволяющих создавать на своих поверхностях концентраторы напряжений в виде резких переходов сечений и скоплений больших масс.
Технологические мероприятия предусматривают грамотную разработку технологического процесса получения заготовки (наличие литейных и штамповочных уклонов, управление скоростью остывания и т.д.). После черновых операций, заготовку необходимо освободить от зажимов приспособления, чтобы дать ей свободно деформироваться из-за перераспределения внутренних напряжений (рис. 3.20). Только после этого заготовку можно переводить для обработки на чистовые операции.
Для снятия внутренних напряжений в заготовках может применяться естественное или искусственное старение.
При естественном старении заготовки складируются на открытом воздухе и выдерживаются от 15…20 дней до полугода. Выдерживание производится после предварительной обработки заготовок. Снятию внутренних напряжений при этом способствует колебание сезонных и дневных температур. Напряжения с течением времени снимаются неравномерно, вначале процесс идёт более интенсивно, затем постепенно замедляется. Естественное старение занимает много времени и требует наличия определённого материального запаса, и, следовательно, экономически неэффективно.
Более выгодно проводить искусственное старение при помощи термической обработки. При этом происходит нагрев, выдержка и охлаждение заготовок по схеме, изображённой на рис. 3.21
Классический термический метод старения заготовок имеет существенные недостатки:
– для крупных заготовок требуются специальные термические печи больших размеров;
– процесс обладает большой энергоёмкостью;
– необходимо создание транспортной сети между термическим и механическим цехами.
Рис. 3.21. Схема проведения процесса искусственного старения стальных заготовок
Поэтому часто применяются более экономичные методы искусственного старения с помощью механического воздействия.
Так мелкие и средние по размерам заготовки помещаются во вращающийся барабан, при этом постоянное соударение заготовок друг о друга способствует снятию внутренних напряжений.
Крупные заготовки в подвешенном состоянии обстукиваются пневматическим молотом, особенно такое воздействие эффективно для мест резких переходов сечений заготовки.
Существенно влияние на особенности учёта точности обработки оказывают внутренние напряжения и остаточные деформации в сложных сварных деталях. Часто после операций сварки, остаточные деформации нарушают выбранную схему базирования и усложняют установку заготовок на последующих операциях механической обработки, что приводит к появлению дополнительных погрешностей обработки.
Для уменьшения таких остаточных деформаций проводятся следующие технологические мероприятия:
- сварочные швы накладываются в одной и той же определённой последовательности;
- выдерживаются заданные режимы сварки;
- обеспечивается термическая правка заготовки путём наложения специальных «фланцевых» накладных швов и т.д.
Сварка сложных заготовок, как правило, выполняется в специальных приспособлениях – кондукторах. Для снятия внутренних напряжений после операций сварки выполняется операция термической обработки – отжиг. Технология отжига заключается в нагреве заготовки до температуры 500…600ºС (для конструкци- онных сталей) с последующим охлаждением вместе с печью.
