Коробление при термообработке: снятие напряжений, припуск и стратегия баз
Никого не удивляет, что деталь двигается при термообработке. Удивляет другое: насколько итоговая стоимость определяется решениями, принятыми до того, как деталь попала в печь.
Их три: сколько материала оставить, делать ли снятие напряжений и от каких поверхностей планировать повторную установку детали после.
Откуда берётся движение
Два механизма, и их стоит разделять, потому что средства борьбы различаются.
Изменение объёма при фазовом превращении. Аустенит превращается в мартенсит, а мартенсит занимает больший объём. Любая деталь растёт. Для типичной инструментальной стали это порядка 0.1-0.2% линейно, с поправкой на количество остаточного аустенита и на отпуск. Оно в целом равномерно и в целом предсказуемо, так что его можно запланировать.
Коробление из-за тепловых градиентов и остаточных напряжений. Деталь нагревается и остывает неравномерно, разные сечения превращаются в разное время, и высвобождаются остаточные напряжения, накопленные при прокатке, ковке или черновой обработке. Оно не равномерно и в деталях не предсказуемо. Именно оно превращает плиту в «чипс».
Со вторым как раз и борется снятие напряжений.
Снятие напряжений и почему триггер это черновая обработка
Катаный или кованый блок приходит с внутренними напряжениями. Черновая обработка снимает материал асимметрично, это нарушает баланс напряжений, и блок двигается, иногда сразу, иногда в печи.
Стандартная последовательность для детали сквозной закалки:
- Черновая обработка с щедрым припуском: обычно 2-3 mm на сторону на большом блоке.
- Снятие напряжений. Нагрев до 600-675 °C, выдержка примерно один час на 25 mm сечения, медленное охлаждение. Деталь двигается здесь, контролируемо, где это не вредит.
- Получистовая обработка, исправляющая то, что сдвинулось, с оставлением настоящего припуска под термообработку.
- Закалка и отпуск.
- Чистовая обработка или шлифование.
Пропуск шага 2 на большой или асимметричной детали самая частая причина того, что блок возвращается из печи без возможности восстановления.
Для деталей, которые уже закалены и проходят чистовое шлифование, низкотемпературное снятие напряжений после чернового шлифования, обычно на 25-55 °C ниже температуры отпуска, снимает шлифовальные напряжения, не затрагивая твёрдость.
Сколько материала оставить
Это число, которое предприятия больше всего хотят видеть на Вашем чертеже, и его чаще всего нет.
Ориентировочные значения припуска после термообработки:
| Тип детали | Припуск на сторону |
|---|---|
| Малая, простая, воздушной закалки (A2, D2) | 0.1-0.2 mm |
| Средний блок, воздушной закалки | 0.2-0.4 mm |
| Большая плита (>300 mm), воздушной закалки | 0.4-0.8 mm |
| Масляной закалки (O1, S7, большое сечение) | 0.3-1.0 mm |
| Тонкие или асимметричные сечения, любая марка | Добавить 50-100% |
Стали воздушной закалки двигаются значительно меньше, чем стали масляной закалки: это главный аргумент в O1 или A2. Выбрать сталь воздушной закалки часто дешевле, чем платить за выбирание коробления после закалки в масле.
Два сценария неудачи, которых нужно избегать:
Слишком малый припуск. Деталь двигается больше, чем Вы оставили, какое-то место не зачищается, и блок идёт в лом после всей вложенной в него работы.
Слишком большой припуск. Теперь Вам нужно твёрдо фрезеровать или шлифовать 1 mm стали 60 HRC с каждой поверхности. Это медленно, дорого и вносит тепло в деталь. См. обработка после термообработки.
Стратегия баз: часть, о которой все забывают
Вот сбой, который стоит дороже всего и обсуждается реже всего.
Вы обрабатываете деталь с элементами, размеры которых заданы от двух базовых поверхностей. Она идёт на термообработку. Возвращается, и эти базовые поверхности сдвинулись: они больше не плоские, больше не перпендикулярны друг другу и находятся не там, где были.
Теперь предприятию нужно восстановить базы, прежде чем что-либо дорабатывать. Если Вы не указали как, оно выберет само. Если выбор отличается от того, как заданы Ваши допуски, все размеры измеряются от неверного места, и деталь не проходит контроль, будучи геометрически в порядке.
Что делать:
Явно назначьте базы после термообработки. Примечание: «после термообработки восстановить базы A и B шлифованием; припуск 0.3 mm на обеих».
Оставляйте на базовых поверхностях больше материала, чем на всех остальных. Они должны зачищаться полностью, потому что всё остальное привязано к ним.
Где возможно, делайте базы большими, плоскими и на массивном материале. База на тонком фланце сместится сильнее, чем на сечении толщиной 40 mm.
Рассмотрите жертвенную базу. Дополнительный элемент, например обработанная площадка или пара развёрнутых отверстий, который существует только для установки детали после закалки и удаляется в конце. На сложной оснастке это обычная практика, и материал на это стоит потратить.
Что написать на чертеже
Короткое примечание о термообработке, охватывающее четыре пункта:
ТЕРМООБРАБОТКА
1. Черновая обработка, снятие напряжений при 650 °C, 1 ч / 25 mm сечения, медленное охлаждение.
2. Закалка и отпуск до 58-60 HRC. Двойной отпуск.
3. Припуск после ТО: 0.3 mm на сторону; 0.5 mm на базах A и B.
4. Восстановить базы A и B шлифованием перед чистовой обработкой.Четыре строки. Они убирают большую часть неопределённости, из-за которой предложения по закалённой стали так сильно расходятся, и предотвращают сбои, превращающие блок с 30 часами работы в лом.
Отправьте это примечание вместе с чертежом в RFQ, и предложения разных предприятий станут напрямую сопоставимыми, потому что все они оценивают один и тот же план.