CC BY
2
УДК 621.791.011
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-5-383-384
АНАЛИЗ СВАРИВАЕМОСТИ СТАЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ НЕСУЩИХ СИСТЕМ ПРЕЦИЗИОННЫХ
ТОКАРНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ
В.Р. Купцов, А.А. Широков, С.В. Лядник, А.В. Исаев, А.В. Исаев
Статья продолжает цикл публикаций, посвященных разработке конструкций конкурентоспособных высокоточных токарных станков, предназначенных для операций твердого точения и высокопроизводительной обработки. Проведен анализ вопросов технологической свариваемости конструкционных сталей. Приведены различные методики расчета углеродного эквивалента. Дано обоснование выбора марки стали для конструкций несущих систем современных прецизионных токарных станков с ЧПУ.
Ключевые слова: свариваемость сталей, несущая система станка, прецизионные токарные станки с
ЧПУ.
Одним из вопросов, решаемых при проектировании новых конструкций прецизионных токарных станков с ЧПУ, является определение конструкции несущей системы станка. Жесткость несущей системы и, соответственно, показатели назначения станка по ГОСТ 4.93-86 во многом зависят от выбора марки стали для деталей несущих систем и технологии их изготовления. При изготовлении базовых деталей несущих систем станков широко применяются сварные конструкции из низкоуглеродистых сталей, особенно для мелкосерийного и единичного типа производства. В сравнении с литыми чугунными конструкциями сварные несущие системы имеют меньшую на 30-40% массу при той же жесткости, что объясняется более высоким модулем упругости последних (табл. 1). Это, как и ряд других физико-механических и технолого-эксплуатационных свойств, позволяет применять оптимизированные методы проектирования, изготовления и сборки сварных несущих систем, что особенно актуально в современных условиях перехода к новому технологическому укладу [1].
Таблица 1
Физические свойства материалов базовых деталей__
Физическая характеристика Чугун серый Сталь
Удельный вес, Н/дм3 70...72 77.79
Модуль упругости Е ■ 104, Н/мм2 11,3...11,6 19,5.20,5
Коэф. теплового расширения а, 10-6, град-1 8,0.10,4 10.13
Теплопроводность X, Вт/(м ' град) 45.52 80
Предел прочности Ов, Н/мм2 100.300 400.1300
Логарифмический декремент затухания колебаний 0,0045 0,0023
Развитие технологий обработки в последние годы позволяет широко использовать натуральный камень в конструкциях несущих систем, особенно в конструкциях лёгких прецизионных станков. Для удобства сборки и эксплуатации такие станины чаще всего монтируют на сварной стальной раме [2].
Основными этапами техпроцесса изготовления сварных станин являются: подготовка набора деталей, сборка и сварка деталей, снятие остаточных напряжений, дополнительная обработка станины, окраска и отделка. [3]
Общие положения. Сварка представляет собой технологический процесс получения неразъемных соединений за счет создания межатомных связей между материалами соединяемых заготовок при их нагреве либо пластическом деформировании [4]. В промышленном производстве различают более 150 разновидностей сварочных процессов. Соответственно, широка классификация этих процессов: например, ГОСТ 19521-74 классифицирует сварку металлов по физическим, техническим и технологическим группам признаков. Иные подходы к классификации приведены, в частности, в периодических изданиях, посвященных вопросам сварки и включенных в Перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий Высшей аттестационной комиссии (ВАК) Минобрнауки РФ.
По технологическому признаку можно различить сварку плавлением (в том числе в процессе может участвовать пластическое деформирование), использующую специальные сварочные материалы, и сварку давлением (трением, перемешиванием и др.), при которой плавления не происходит и, как следствие, специальные сварочные материалы не используются [4].
Основной вид сварки в промышленном производстве - это сварка плавлением, при этом наибольшее распространение получили следующие её виды:
- электродуговая. Плавление производится электрической дугой с температурой более 5000 °С;
- газовая. Плавление за счет теплоты сгорания смеси газов, температуры превышают 3000 °С;
- электрошлаковая. Плавление за счет температуры жидкого шлака (2000 °С и выше).
Эти технологии реализуются путём использования специальных сварочных материалов, среди которых различают наплавочные материалы (металлы), а также обмазки и флюсы, основное назначение которых заключается в изоляции сварочной ванны от атмосферы, формировании устойчивой дуги, получении необходимых структуры и свойств сварного шва [4].
Понятие свариваемости материалов разделяют на физическую свариваемость и технологическую свариваемость [3]. Физическая свариваемость говорит о возможности получения монолитного соединения. Технологическая свариваемость характеризует возможность получения достаточно прочного соединения, обладающего требуемым набором качеств [1, 5]. На практике под свариваемостью сталей понимают технологическую свариваемость, так как она играет наибольшее значение в условиях основного вида сварки стальных изделий - сварке плавлением, при которой наплавляется шов сварочного материала, и под действием температуры нагревается околошовная зона с попутным окислением, образованием трещин и формированием определенных физико-механических характеристик соединяемых материалов [1, 4, 6].
В процессе сварки основной материал и материал электрода (при его наличии) плавятся, формируя жидкую сварочную ванну. Температура сварочной ванны и прилегающих к ней участков материала может быть очень высокой. За относительно кратковременным нагревом обычно следует быстрое охлаждение. Повторение процессов нагрева и охлаждения образует термический цикл, параметры которого определяют строение и характеристики сварного шва и околошовной зоны.
В сварном шве и околошовной зоне выделяют зоны, показанные на рис. 1 [1]:
I - собственно сварной шов, имеющий литую структуру. В этой зоне происходит нагрев выше температуры плавления металла. Вледствие направленного отвода теплоты после затвердевания шов имеет структуру, в виде крупных столбчатых кристаллов, вытянутых нормально к поверхности сплавления. Материал зоны I приобретает и пониженную прочность, и низкую пластичность, что вызывает предрасположенность к образованию горячих трещин;
II - околошовная зона, испытывающая нагрев до температур выше критических точек. В разных частях этой зоны могут наблюдаться участки перегрева, участки полной перекристаллизации и участки неполной перекристаллизации. Для легированных сталей возможно образование закалочных структур. Имеется предрасположенность к образованию холодных трещин;
III - околошовная зона, испытывающая в процессе сварки нагрев до температур ниже критических точек. В отличие от зоны II, происходящие изменения и превращения зависят от исходной структуры материала. В разных частях зоны III может происходить рекристаллизация (если материал подвергался холодной пластической деформации), отпуск различных видов (если материал был предварительно закален), либо сохраняться исходная структура [1, 4, 6].
С точки зрения прочности сварного шва наибольшую опасность представляют сварочные трещины. Выделяют горячие трещины и холодные трещины.
Г, "С 1600
Жидкость + | 539 + феррИТ~Т5-00
Феррит Феррит 4 аустенит
Рис. 2. Положение линий ликвидус и солидус на диаграмме «Железо - Цементит (Углерод)»
Горячие трещины возникают непосредственно в процессе кристаллизации сварного шва (зона I). Трещи-нообразование в этом случае характеризуется двухфазным состоянием материала шва (кристаллы+жидкость), причем механическая прочность шва минимальна. Горячие трещины могут также образовываться и в твердом состоянии при высоких температурах. Причиной возникновения таких трещин являются напряжения, возникающие из-за усадки при кристаллизации материала, и процессы формирования скоплений примесей (серы, фосфора и прочих), понижающих связь между образующимися зёрнами. Очевидно, что чем дольше материал будет находиться в таком двухфазном состоянии, тем выше опасность появления горячих трещин при прочих равных условиях. Следовательно,
химические элементы, способствующие расширению интервала кристаллизации между линиями ликвидус и солидус и снижению их температуры, повышают и склонность сплава к горячим трещинам (рис. 2, 3) [1, 4, 6]. Углерод, как и легирующие компоненты, расширяет интервал кристаллизации, способствуя повышению чувствительности к горячим трещинам.
Рис. 3. Влияние легирующих компонентов на вид диаграммысостояния сплава железо - легирующий элемент и температуры фазовых превращений: а - легирующие элементы с объемно-центрированной решеткой; б - легирующие элементы с гранецентрированной решеткой
Холодные трещины появляются преимущественно в зоне II по причине процессов, вызывающих структурные превращения (особенно мартенситного) и, как следствие, внутренние напряжения. Если в составе соединяемых сваркой материалов имеются легирующие элементы, способствующие стабилизации переохлаждённого аусте-нита, то вероятность развития холодных трещин возрастает. Кроме того, углерод, входящий в состав сталей, повышает степень тетрагональности кристаллической решётки мартенсита при мартенситном превращении, дополнительно способствуя возникновению и распространению холодных трещин (рис. 4) [1, 4, 6].
Таким образом, свариваемость стали, определяемая технологической свариваемостью, тем выше, чем меньше в стали углерода и легирующих элементов. Обычно в свариваемых сталях должно быть не более 0,22— 0,25 % углерода, и с увеличением сложности конфигурации свариваемых стальных деталей допустимое содержание углерода еще более снижается.
Рис. 4. Зависимость периодов и степени тетрагональности кристаллической решетки мартенсита
от содержания в нем углерода
Определение углеродного эквивалента и группы свариваемости сталей. Для оценки технологической свариваемости сталей, определяемой склонностью стали к образованию горячих и холодных трещин, в России используют формулу так называемого углеродного эквивалента, утверждённую ГОСТ 27772-88 и ГОСТ 19281-89, аналогичную выражению, принятому в стандарте WES 135 японского общества сварщиков:
Сэ = C+ P + Mo + СГ + Mn + Cu + v + si + Ni,
э 2 4 5 6 13 14 24 40
где символы углерода и легирующих элементов - массовые доли в данной марке стали в процентах; числа показывают их коэффициенты активности.
В ЕС европейская ассоциация сварщиков для расчетов применяют следующую формулу, аналогичную применяемой в России по ТУ 14-3-1573-96, применяемого для труб стальных электросварных:
С — С+ — + Cr+Mo+(V+Nb+Ti) I (Ni+Cu) э _ 6 5 15 '
Свои методики расчета углеродного эквивалента имеются также у предприятий различных отраслей промышленности России (например, ОАО «РЖД») и других государств.
По значению углеродного эквивалента различают следующие группы свариваемости сталей:
I группа (Сэ < 0,2) - стали хорошей свариваемости. После сварки рекомендована термообработка (ТО);
II группа (Сэ = 0,2...0,35) - стали удовлетворительной свариваемости. Перед сваркой подогрев обязателен, ТО желательна. После сварки ТО необходима. Следует соблюдать режимы сварки и применяются особые присадочные материалы;
III группа (Сэ = 0,35...0,45) - стали ограниченной свариваемости. Сварка возможна лишь некоторыми способами с применением специальных флюсов и обмазок. Перед сваркой подогрев и ТО обязательны. В процессе сварки рекомендован подогрев. После сварки обязательна ТО;
IV группа (Сэ > 0,45) - стали плохой свариваемости. Получаются сварные соединения пониженного качества. Перед сваркой обязательны подогрев и ТО. Также во время сварки - подогрев, после сварки - ТО.
Свариваемость некоторых марок сталей приведена в табл. 2.
Таблица 2
Свариваемость конструкционных сталей различных марок [5]_
Хорошая Удовлетворительная Ограниченная Плохая
Ст. 0; Ст. 1; Ст. 2; Ст. 3; 08; 10; 15; 20; 25;15Г;20Г Ст. 4; Ст. 5; 30; 30Г; 30Г2; 15Х; 15М; 20ХМ; 30ХМА; 20ХГС; 25ХГС; 30ХГС; 25Н; 25Н3 Ст. 6; 35; 40; 40Г; 45; 35Г2; 40Г2; 20Х; 30Х; 35Х; 40Х; 45Х; 20ХФ; 30ХФ; 40ХФ; 30М; 30ХМА; 25СГ; 35СГ; 30ХГС; 30Н; 40Н; 25Н3; 20ХН; 30ХН; 12ХН2; 12ХН3; 20ХН3 Ст. 7; 50; 55; 60; 65; 50Г; 60Г; 65Г; 45Г2; 50Г2; 50Х; 35ХМ; 35Х2М; 35ХС; 40ХС; 40Х2Г; 40Х2ГМ; 50СГ; 35ХГС; 35ХМЮА; 35ХМФ; 40ХН; 50ХН; 30ХН3; 40ХН3
Примечание: Характеристика свариваемости дана применительно к сварке плавлением
К группе хорошей свариваемости в целом относят стали, содержащие не более 0,25% углерода: строительные и углеродистые стали, низколегированные стали и некоторые другие - например, стали с карбонитридным упрочнением, имеющие небольшие добавки ванадия при повышенном содержании азота (обычно до 0,025%). Если изделия небольших сечений из таких марок сталей не требуют дополнительных технологических приемов при сварке, то при больших сечениях и толщинах больше 15 мм, а также в состоянии после термического упрочнения требуется подогрев в ходе сварки и дополнительная термообработка после сварки [6].
Сварка изделий из марок сталей, содержащих более 0,3% углерода может быть затруднена ввиду образования продуктов закалки в зоне II и, как следствие, охрупчивания этой зоны. Сварка изделий из нержавеющих сталей (особенно высокохромистых и хромоникелевых) характеризуется неизбежностью фазовых превращений и потому требует специальных технологических приемов, упомянутых выше.
Таким образом, для изготовления жестких станин прецизионных токарных станков с ЧПУ рекомендуются листовые стали марок Ст3, ВСт3, Ст4 либо Ст5 сравнительно большой толщины (8...12 мм). Трудоемкость изготовления сварных заготовок может быть существенно снижена путем широкой унификации конструкций базовых деталей станков [3]. Упомянутые выше преимущества сварных конструкций позволяют повысить эффективность проектирования и изготовления заготовок станин единичном и серийном производстве [3].
Для повышения общей жесткости конструкции несущей системы приваривают дополнительные поперечины [7]. Перед этим необходимо выполнить отпуск для снятия остаточных напряжений, возникающих после сварки основных элементов каркаса.
С использованием результатов выполненного анализа свариваемости стальных изделий авторами статьи была решена актуальная научно-производственная задача разработки конструкции инновационного отечественного прецизионного токарного станка с ЧПУ [8]. Станина и корпус передней бабки этого станка, отлитые из чугуна СЧ 20, смонтированы на основании, сваренном из стальных профилей марки Ст3. Изготовленная несущая система станка показана на рис. 5.
ШИШ
Рис. 5 Общий вид несущей системы спроектированного прецизионного токарного станка с ЧПУ
Заключение. Выполнен анализ вопросов технологической свариваемости сталей, применяемых в конструкциях прецизионных металлорежущих станков. По результатам анализа с учетом ранее выполненных исследований и разработок создана сварная несущая система прецизионного токарного станка с ЧПУ для операций твердого точения и высокопроизводительной обработки.
544 с.
Список литературы
1. Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986.
2. Исаев А.В., Лядник С.В., Широков А.А., Исаев А. В. и др. Анализ конструкций модульных несущих систем прецизионных токарных станков с ЧПУ // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 4. С. 501-506. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-501-507.
3. Материаловедение: Учеб. для учрежд. средн. профессион. образования / А. М. Адаскин, Ю. Е. Седов, А. К. Онегина, В. Н. Климов; под ред. Ю. М. Соломенцева. М.: Высш. шк., 2005. 456 с.
4. Материаловедение (металлообработка): учеб. пособие для нач. проф. образования / А. М. Адаскин, В. М. Зуев. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Издательский центр «Академия», 2008. 288 с.
5. Владиславлев В.С., Малов А.Н., Поздняков С.Н., Ростовых А.Я., Столбин Г.Б., Чернавский С.А. Справочник металлиста в пяти томах: том 4. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1959.
6. Материаловедение: учебник для вузов / Б. Н. Арзамасов, В. И. Макарова, Г. Г. Мухин и др. Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. 3-е изд., переработ. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 648 с.
7. Технология обработки станин для станков «Саста» [Электронный ресурс] URL: https://vk.eom/@stankozavodsasta-tehnologiYa-obrabotki-stanin-dlya-stankov-sasta (дата обращения: 28.04.2024).
8. Купцов В.Р., Лядник С.В., Исаев А.В. Математическая модель зажимного устройства токарного станка на базе пропорционального регулятора давления // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 11. С. 421-424. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-421-422.
Купцов Владимир Романович, генеральный директор, [email protected], Россия, Москва, ООО «Станко-
рус»,
Широков Александр Александрович, старший преподаватель, [email protected], Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,
Лядник Сергей Владимирович, преподаватель, [email protected], Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,
Исаев Алексей Вячеславович, заведующий лабораторией, [email protected], Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,
Исаев Александр Вячеславович, канд. техн. наук, доцент, avisz@yandex. ru, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»
ANALYSIS OF WELDABILITY OF STEELS USED FOR STRUCTURES OF FRAMES IN PRECISION CNC LATHES V.R. Kuptsov, A.A. Shirokov, S.V. Lyadnik, A.V. Isaev, A.V. Isaev
The paper continues the series of publications devoted to design of competitive high-precision CNC lathes intended for hard turning and high-performance machining operations. An analysis of the issues of technological weldability of structural steels was carried out. Various methods for calculating carbon equivalent are given. A justification is given for the choice of steel grade for the designs offrames for modern precision CNC lathes.
Key words: weldability of steels, machine tool frame, precision CNC lathes.
Kuptsov Vladimir Romanovich, general director company, vrk@stankorus. ru, Russia, Moscow, «Stankorus»,
Shirokov Aleksandr Aleksandrovich, senior lecturer, a.shirokov@stankin. ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Technology «STANKIN»,
Lyadnik Sergey Vladimirovich, lecturer, lyadnik@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow State University of Technology «STANKIN»,
Isaev Alexey Vyacheslavovich, head of laboratory, alexey. [email protected], Russia, Moscow, Moscow State University of Technology «STANKIN»,
Isaev Alexandr Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, avisz@yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Technology «STANKIN»
