Погрешности, возникающие в результате температурных деформаций технологической системыи внутренних напряжений в материале заготовок

В процессе механической обработки происходит нагревание технологической системы, а при перерывах в работе – ее охлаждение. Источниками нагрева являются: тепло, образующееся в зоне резания; тепло, выделяющееся в узлах станка, а также тепло от внешних источников.

Тепловое состояние системы СПИД может быть стационарным и нестационарным. При стационарном тепловом состоянии имеет место тепловое равновесие системы – подвод тепла количественно равен его потерям. Нестационарное тепловое состояние наблюдается в период пуска станка.

Нагревание станины, корпусных деталей (шпиндельных бабок, столов) и других деталей станков происходит в результате трения в механизмах, гидроприводах и электроустройствах. Большое количество тепла сообщается охлаждающей жидкостью, отводящей тепло из зоны резания. Необходимо считаться с передачей тепла из внешней, окружающей станок, среды.

Нагревание станины происходит, в большинстве случаев, неравномерно. Разность температур отдельных элементов станины может достигать 10ºС. В этих условиях станина теряет правильную форму и взаимное расположение на ней основных узлов станка нарушается.

Одним из основных источников образования тепла в станке является шпиндельная бабка. Температура в различных точках корпуса бабки изменяется в пределах 10…50ºС. Наиболее высокая температура наблюдается в местах расположения подшипников шпинделя и подшипников быстроходных валов. Температура валов и шпинделей на 30…40% выше температуры корпусных деталей.

Если фиксация шпинделя от осевого перемещения осуществлена у заднего подшипника, то при длине Lи разности температур между корпусом и шпинделемΔt, перемещение патрона или центра в осевом направлении составит

ΔL = α L Δt, (2.14)

где α – термический коэффициент линейного расширения.

Приняв, в частном случае, L  = 800мм, Δt=10ºС иα = 1,2∙10^–5, получимΔL ≈ 0,1мм. Такое удлинение шпинделя может вызывать значительную погрешность обработки на настроенном станке.

Относительно сильный нагрев шпиндельных бабок влечет за собой изменение положения оси шпинделя в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Несмотря на то, что при обработке резанием в инструмент передается сравнительно небольшая доля образующегося тепла (при обычном точении 10…20%, а при скоростном точении 1…3%), он во многих случаях подвергается интенсивному нагреву. В начале резания происходит быстрый подъем температуры резца. Затем ее рост замедляется и через непродолжительное время достигается состояние теплового равновесия.

Если обработка производится методом пробных рабочих ходов и промеров, то температурные деформации не влияют на точность выполняемых размеров, так как рабочий может учесть их при выполнении данной операции.

Для снижения влияния тепловых факторов на элементы технологической системы необходимо:

1. выдерживать стабильную температуру в помещении, где установлено оборудование;

2. производить предварительный разогрев станков на холостом ходу до теплового равновесия;

3. устанавливать оптимальные режимы обработки и применять рациональные СОЖ;

4. не допускать длительных перерывов в работе станка;

5. обработку производить с максимально возможными скоростями;

6. использовать одностороннее жесткое закрепление длинных заготовок с возможностью перемещения второго конца;

7. обеспечивать ритмичность работы технологической системы и др.

В зависимости от применяемого технологического метода изготовления деталей в их материале возникают внутренние напряжения. Внутренними (остаточными или собственными) называются напряжения, которые существуют в заготовке или готовой детали при отсутствии внешних нагрузок.

Внутренние напряжения разделяются на:

1. литейные;

2. ковочные;

3. термические;

4. сварочные;

5. напряжения от наклепа, возникающие при холодной прокатке, волочении, холодной штамповке, чеканке, дробеструйной обработке и других методах;

6. напряжения, возникающие при обработке металлов резанием;

7. напряжения, создающиеся при электролитических покрытиях деталей.

Снятие или уменьшение внутренних напряжений в литых заготовках достигается естественным старением, термической обработкой (искусственным старением), некоторыми методами механического воздействия и воздействием ультразвука. Искусственное старение представляет собой низкотемпературный отжиг. Для снятия внутренних напряжений в поковках и штамповках применяют отжиг.

Термические напряжения являются следствием неравномерности нагрева и охлаждения деталей, а также результатом структурных изменений их материала. Деформации при термической обработке влияют на прочность детали и на величину припуска под последующую механическую обработку. Для устранения термических дефектов опытным путем определяется поправка на размер детали.

Сварочные напряжения могут быть значительно уменьшены при правильном конструировании детали (узла), рациональном выборе режима сборки, а также последующей термической правке детали. Внутренние напряжения в сварных конструкциях могут быть сняты последующим высокотемпературным отпуском.

Напряжения от наклепа возникают при холодной обработке металла методом пластической деформации и в процессе обработки резанием. В процессе резания поверхностный слой подвергается пластической деформации и местному кратковременному высокотемпературному нагреву. Пластическая деформация сопровождается наклепом с упрочнением, явлениями разупрочнения и рекристаллизации. Окончательное состояние поверхностного слоя зависит от сочетания силовых и тепловых факторов.

Количественно определить величину деформации детали от воздействия остаточных напряжений в производственных условиях невозможно, поэтому после предварительной обработки заготовок в технологическом процессе необходимо предусматривать термическую операцию для снятия напряжения.