Влияние остаточных напряжений на качество механической обработки заготовок

Физика процесса

Под действием внешней нагрузки любой материал стремиться сохранить свою форму (размеры). Такую способность принято называть жёсткостью. В то же время, согласно фундаментальным законам физики твёрдого тела, при наличии внешней нагрузки в структуре материала возникают реактивные внутренние силы, стремящиеся сохранить кристаллическую решётку и не допустить деформации или разрушения. Однако жёсткость имеет свои пределы – при чрезмерной внешней нагрузке материалы ведут себя по-разному. Пластичные (например, стали, цветные металлы) – деформируются. А хрупкие (бетон, стекло, дерево) – разрушаются.

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.