Файл: Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин.pdf

Анализ физико-технических процессов, сопровождающих пластическое деформирование металлов при горячей штампов­ ке, позволяет сформулировать основные требования, которые должны быть учтены при конструировании штампуемых дета­ лей для повышения их технологичности. Для сокращения меха­ нической обработки максимально возможное количество по­ верхностей штампованных деталей должно предусматриваться (при их конструировании) без последующей механической об­ работки. Допуски на изготовление штамповок из черных метал­ лов на различных видах кузнечно-прессового оборудования ус­ танавливаются ГОСТом 7505—55. Припуски и допуски на поков­ ки общего назначения, изготовляемые свободной ковкой на моло­ тах, из углеродистой и легированной стали при единичном и мелкосерийном производстве регламентированы ГОСТом 7829—70, а на поковки весом до 35 т, изготовляемые свободной

няя точность и шероховатость поверхности, требующие механи­ ческой обработки, которая значительно усложняет и удорожает изготовление машины.

В конструкциях штамповок следует избегать резких перехо­ дов по поперечным сечениям. Желательно, чтобы плоскости по­ перечных сечений по длине штамповки изменялись не более чем в отношении 1 :3. При большем перепаде надо обязательно пре­ дусматривать плавные переходы. Несоблюдение этого требова­ ния затрудняет течение металла по ручьям штампа или требует введения припусков под последующую механическую обработ­ ку. Это не только усложняет изготовление детали, но и приво­ дит к перерезанию волокон при механической обработке, что сни­ жает долговечность детали. На внутренних и внешних углах и кромках штамповки следует предусматривать достаточные ра­ диусы или галтели. В конструкциях штамповок нежелательно иметь тонкие полки, особенно расположенные в плоскости, па­ раллельной плоскости разъема. При штамповке таких деталей требуется очень большая деформирующая сила либо большое число ударов молота, что приводит к быстрому износу штампов и удлинению процесса штамповки. Желательно, чтобы конст­ рукция детали предусматривала плоскость разъема, проходя­ щую по плоской, а не ломаной или криволинейной поверхности. В плоскости разъема должны лежать два наибольших габарит­ ных размера штампуемой детали. Технические требования на поковки общего назначения диаметром (толщиной) до 800 мм из конструкционной углеродистой, низколегированной и легиро­ ванной стали, получаемые свободной ковкой и горячей штам­ повкой, регламентированы ГОСТом 8479—70. Заготовки можно получать непосредственно из проката или стальных профилей. Сортовой прокат — круглый, квадратный, шестигранный, пря­ моугольный, листовой и трубный — целесообразно применять

для изготовления гладких и ступенчатых валов с небольшой разницей диаметров крепежных изделий, деталей типа рыча­ гов, тяг, втулок и т. и.; профильный прокат целесообразно при­ менять для изготовления балок, кронштейнов, полок и т. д. Фа­ сонный прокат позволяет сократить объем обработки резанием на 30—40%, сэкономить металл и снизить трудоемкость изготов­ ления деталей на 20—30%. Периодический продольный и попе­ речно-винтовой прокат целесообразно применять для изготовле­ ния заготовок в виде многоступенчатых валов, полых профили­ рованных трубчатых заготовок, шаров.

Изготовление профиля зубьев зубчатых колес методами хо­ лодного и горячего накатывания по сравнению с изготовлением резанием позволяет повысить предел выносливости зуба путем ориентации волокон материала до 20 % ; сэкономить до 20% ме­ талла и снизить затраты на изготовление зубчатых колес на 20—25%- Для повышения надежности необходимо использовать также прогрессивный метод точной объемной горячей штампов­ ки зубчатых колес с одновременным формообразованием зубь­ ев на обычном кузнечно-прессовом оборудовании. Это позволя­ ет снизить общие затраты на изготовление конических зубчатых колес на 10—12%, а цилиндрических на 30—32%■

Изменение основных свойств металлов при формообразова­ нии заготовок давлением. На основании исследований установ­ лено, что с увеличением степени обжатия прочность и твердость увеличиваются, а пластичность и ударная вязкость уменьша­ ются.

На рис. 112 показано увеличение предела прочности ав трех углеродистых сталей с различным содержанием углерода в за­ висимости от степени обжатия. Из графика видно, что при сте­ пени обжатия 80—90% предел прочности достигает максимума. При обжатии тонкой стальной проволоки на 90—95% можно увеличить предел прочности до 250—400 кгс/см2.

Пластическое деформирование влияет не только на статиче­ ские, но и на усталостные свойства металла. Как показали иссле­ дования Н. И. Черняка, растяжение при малом относительном удлинении снижает предел выносливости (рис. 113). Для стали 45 это снижение происходит в интервале относительного удлине­

приводит к росту предела выносливости указанных сталей при­ мерно до уровня, соответствующего недеформированному состо­ янию стали.

Известно, что реальные металлы являются структурно неод­ нородными, а пластическая деформация увеличивает неодно­ родность. Это вызывает повышение свободной энергии металла и приводит к его неустойчивому состоянию. Под влиянием этого в металле возникают такие процессы, которые стремятся перевести его в состояние с наименьшим запасом энергии.

К этим процессам относятся диффузионный процесс, характери­ зующийся выравниванием химического состава, снятие упругих искажений в кристаллической решетке, называемое возвратом, рекристаллизация и др. Вследствие этих процессов металл стано­ вится более однородным как в структурном отношении, так п по

химическому составу. В некоторых металлах (в таких как оло­ во, свинец и т. д.) эти процессы происходят при нормальной температуре. В таких металлах, как железо и сталь, они проис­ ходят только при нагреве, причем процесс возврата протекает при сравнительно невысоких температурах. Наиболее устойчивой является структура рекристаллизованного металла.

Абсолютная минимальная температура рекристаллизации для всех металлов определяется по известной формуле А А. Бочвара Гр = 0,4 Гпл (Гпл — абсолютная температура плавления). Температура начала рекристаллизации деформированного ме­ талла непостоянна и зависит от степени предварительной де­ формации. Металл с малой степенью деформации рекристаллизуется при более высоких температурах, чем металл с большой степенью деформации (рис. 114).

При минимальной температуре рекристаллизации, которая называется порогом рекристаллизации, происходит наиболее резкое изменение механических свойств деформированного ме­ талла. При этом прочность резко снижается, а пластичность уве­ личивается (рис. 115). Изменение механических характеристик зависит не только от температуры нагрева, но и от продолжи­ тельности выдержки. Наиболее существенные изменения меха­ нических свойств металла происходят в начальный период рекристаллизационного отжига. Дальнейшее увеличение времени

выдержки не оказывает влияния на изменение механических ха­ рактеристик.

Характерно также, что в результате рекристаллизационного отжига металла с относительно малой степенью деформации величина зерна получается больше, чем у металла с большей степенью деформации (рис. 116). Степень деформации, дающая в результате рекристаллизации наибольший размер зерна, назы­ вается критической степенью деформаций. Крупнозернистая

Рис. 114, Изменение температуры начала рекристаллизации Гр в за­

висимости от степени предвари­ тельной деформации Ô

структура обладает неравномерными и низкими механическими свойствами, поэтому в производстве надо избегать формообра­ зования штамповок при критической степени деформации.

Подробные исследования влияния критической степени де­ формации на механические свойства и величину зерна пласти­ чески деформированной стали рекристаллизационного отжига

10—20%• Нагрев деформированного металла не только сказы­ вается на изменении статических характеристик металла, но и за­ метно влияет на изменение предела выносливости. Это имеет большое значение применительно к тем деталям, которые в про­ цессе изготовления или в условиях эксплуатации подвергаются кратковременному воздействию повышенной температуры.

Влияние рекристаллизационного отжига на предел выносли­ вости упрочненной обкаткой детали из стали 25 изучалось д-ром техн. наук проф. И. В. Кудрявцевым. Обкаткой роликами на об­ разцах создавался поверхностный наклеп на глубину более 1 мм. Испытание на выносливость производилось при изгибе с вращением. Результаты этих испытаний показали, что с ростом температуры рекристаллизационного отжига до 300° С происхо­ дит повышение предела выносливости. Отжиг при температуре 600° С снижает предел выносливости на 20% по отношению к пределу выносливости стали, отожженной при температуре 300° С. Приведенные данные о влиянии пластической деформа-