机械设备在使用过程中,一些零件,特别是基础零件,如箱体等的变形称为零件的变形。变形的形式有:体积改变、弯曲、翘曲等。零件变形使零件之间的位置关系遭到破坏,造成零件偏磨、裂纹,甚至断裂,从而影响整个设备的使用寿命。
金属零件变形包括弹性变形和塑性变形两种情况。金属受力变形过程可分为弹性阶段和塑性阶段。弹性阶段,应力消除后,变形基本消失,当应力超过材料的弹性极限,则进入塑性变形阶段,应力消除后,变形不能全部恢复。研究金属材料的变形机理,了解变形规律及变形对材料性能的影响是很重要的。
(一)零件的弹性变形
弹性变形是材料在弹性范围内的变形,一般与强度无关,仅是刚度问题。轴类零件变形会使其上零件工作异常、支撑过载;箱体类零件可造成系统振动不稳定。
影响弹性变形的主要因素:
(1)结构因素,零件截面的结构对刚度影响最大。对型钢来说,在截面相等的情况下,工字钢刚度最大,槽钢次之,方钢最小;如果是扭曲变形,环形截面优于实心截面。
(2)弹性模量 E。材料的弹性模量E越大,抗变形能力越强。
(3)温度。一般情况下,弹性变形量与温度成正比,当温度过高时,材料的屈服极限降低,易发生塑性变形。
(二)零件的塑性变形
塑性变形的产生有两种情况,一种是在弹性变形中总是伴随着微小的塑性变形,并且会积累下来,如压缩弹簧经过一定次数的弹性变形后,在宏观上会产生缩短的现象;第二种是在使用中零件受力超过材料屈服应力,产生塑性变形。
影响塑性变形的因素主要有:温度、载荷、材质性能。另外以下因素也会产生影响:材质缺陷,如热处理存在问题;设计不当、载荷估计不足、工作温度估计不足等;使用维护不当、超载超速、检修拆装不当、零件存放不当等。
塑性变形对金属性能的影响:
(1)引起加工硬化。随着塑性变形的增大,材料的强度和硬度加大,塑性和韧性降低。(www.xing528.com)
(2)提高原子活泼能力。原子活泼能力被提高,使金属容易生锈,耐腐蚀能力下降。
(3)引起残余内应力。残余内应力与外加载荷方向相同时,可促使金属过早断裂。残余应力与外加载荷方向相反时,能提高金属的强度。金属表面通过喷丸引起压应力,便是提高疲劳强度的一例。
(三)零件在使用中变形的原因与减轻变形的措施
1.毛坯制造方面
锻、铸、焊接件的毛坯,在其制造和热处理过程中,都有一个从高温冷却下来的过程,在这个冷却过程中会产生内应力。用这种毛坯制造出的零件经过一段时间的使用后,会引起变形,这种现象称为应力松弛。为此,在制造工艺过程中必须安排消除内应力的工序。如对气缸、变速箱壳体等基础性零件在毛坯制造或粗加工后,进行一次或几次时效处理。
2.机械加工方面
如果毛坯在有应力的状态下进行机械加工,切去一部分表面金属后,破坏了内应力的平衡,由于应力的重新分布,零件将发生变形。在切削力和切削热的作用下,表层会产生较大的塑性变形。
为了防止机加工后零件的变形,对于比较重要或比较复杂的零件,在粗加工之前应进行一次自然或人工时效处理。在机加工中尽量保留工艺基准,留给修理时使用,这可以减小修理加工中因基准不一而造成的误差。
3.修理方面
零件检修时,要考虑引起变形的因素,避免可能造成更大的变形。在采用修复性工艺,如焊接、堆焊、压力加工等修复零件时,都可能产生新的应力和变形,所以要采取相应的措施减轻应力和变形。
4.使用方面
零件在工作中由于超载或温度过高,也会引起零件变形。零件在使用中要严格保证工作条件和按照操作规程进行,避免零件超载或温升过高。
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