Металлообрабатывающие машины состоят из различных механиз* мов и устройств, объединяемых в единый агрегат с помощью непо­движных деталей несущей системы: станин, оснований, плиД рам, стоек, колонн и других элементов. Общая масса деталей несущей системы достигает 80—90% массы всей машины. Эксплу­атационная надежность, требуемая точность обработки, циклы изготовления, себестоимость и другие важнейшие показатели изго­товления и эксплуатации агрегатов в значительной мере определя­ются конструкцией и технологией изготовления станинных деталей.

Станины работают в основном в условиях нормальной темпера­туры при повторно-статических нагрузках и могут подвергаться также динамическим и циклическим нагрузкам. В отдельных слу­чаях необходимо учитывать возможность работы при повышенных (300—350° С) или пониженных температурах (на открытых пло­щадках).

Ранее станины изготовляли в основном из чугунного или сталь­ного литья. Благодаря успехам в развитии сварочного производства, создалась возможность производства сварных станин любой практи­чески целесообразной конфигурации и массы.

Целесообразность применения сварных станин вместо литых определяется технико-экономическими показателями, учитываю­щими конкретные особенности предприятия, которому предстоит организовать выпуск необходимых деталей.

Учитывая многообразие конструкций и условий их производства, не может быть однозначных рекомендаций по переводу литых кон­струкций на сварные для всех типов машин.

Рабочему проектированию новых машин должен предшество­вать технико-экономический анализ возможных технологических решений с целью экономического обоснования выбора сварной кон­струкции вместо литой. Такой анализ является первым этапом конструктивно-технологического проектирования сварных станин.

Несущая система машин компонуется из деталей с различным соотношением размеров. Детали, у которых одно измерение значи­тельно больше, чем два других, составляют класс различных балок, детали, у которых два измерения больше, чем третье, составляют класс различных плит, детали, у которых все три размера имеют одинаковый порядок, составляют многочисленный класс станин, оснований, коробок, стоек и т. п.

За редким исключением, общим требованием технических усло­вий на проектирование для всех этих конструкций является обеспе­чение необходимой жесткости в процессе эксплуатационных нагру­зок. Как правило, при удовлетворении требований жесткости обеспечиваются и прочностные требования.

, Оптимальными, с точки зрения жесткости, следует считать конструкции, имеющие минимально допустимую из технологиче­ских соображений толщину стенок, оптимальную форму попереч­ного сечения и его размеры, определяемые требуемой жесткостью.

В этом отношении сварные конструкции представляют опреде­ленные преимущества, так как при тех же габаритах, но при меньшей массе они могут быть выполнены более высокой жесткости, чем литые.

В связи с тем, что по мере увеличения количества привариваемых элементов возрастает конструктивная и технологическая сложность изготовляемой сварной конструкции, необходимо стремиться к рацио­нальному расчленению крупногабаритных конструкций на отдель­ные простые сварные узлы и подузлы. Одновременно такое расчле­нение позволяет рассмотреть вопрос применения кованых, литых или штампованных элементов в сварной конструкции.

Точность размеров станин, оснований и других деталей несущей системы достигается, как правило, последующей механической обработкой. Отклонения геометрической формы сварного изделия, возникающие в результате выполнения заготовительных, сборочных и сварочных работ ориентировочно регламентируются техническими условиями и РТМ на изготовление различного типа конструкций.

Например, согласно [3], для изделий размером 1000 X 1000 мм неприлегание к плите не должно превышать 2,5 мм, а 10 000 X X 4Q 000 — 10—11 мм; для балок и ферм стрела прогиба при длине до 500 мм не должна превышать 1 мм, а длиной 25 000 и более мм — 15 мм и т. д. Подобным же образом в зависимости от размеров сечения ограничивают и величины перекоса и смещения одного элемента относительно другого. Так, для соединения листов одинаковой тол­щины встык смещение кромок не должно превышать 0,1 толщины листа, но не более 4 мм.

Знание величины предельных отклонений позволяет обоснованно назначать припуски на последующую механическую обработку. Кроме того, их соблюдение обеспечивает уверенность в том, что усло­вия работы изделий оказываются близкими к условиям, принятым в расчете.

Сохранение необходимой точности сварных конструкций связы­вается также с применением термообработки после сварки.

Большое количество факторов, определяющих работоспособность и надежность сварных конструкций не позволяет дать общие реко­мендации относительно необходимости термообработки или возмож­ности отказа от нее.

Термообработку станинных сварных деталей назначают в тех случаях, когда установлено, что работоспособность и надежность конструкции в состоянии после сварки не обеспечивается другими средствами и что применение термообработки даст положительный результат.

Следует принять за правило не назначать термообработку для тех конструкций, для которых имеется многолетний положительный опыт эксплуатации их без термообработки в аналогичных условиях или для вновь проектируемых конструкций, для которых Г имеется прототип, подтверждающий надежность - ее работы без термообра­ботки после сварки.

Применительно к станинным конструкциям термообработку после сварки следует назначать преимущественно в двух случаях:

если доказано, что перераспределение остаточных напряжений при механической обработке или при действии эксплуатационных нагрузок приводит к недопустимым деформациям;

если существует опасность возникновения хрупкого разрушения сварной конструкции из металла большой толщины с острыми кон­структивными или технологическими концентраторами напря­жений.

В спорных случаях, отпуск при температурах 630—650 °С свар­ных станинных конструкций следует признать, безусловно, полез­ной операцией, так как уменьшение величины остаточных напряже­ний для реальных конструкций является фактором более существен­ным, чем возможное некоторое уменьшение предела выносливости основного металла после отпуска.

ВЫБОР МАТЕРИАЛА

Выбор марки стали проката, поковок и отливок для сварных конструкций определяется соответствующими стандартами.

В тяжелом машиностроении принято разделение сталей по свари­ваемости на четыре группы: хорошо сваривающиеся, удовлетвори­тельно сваривающиеся, ограниченно сваривающиеся и плохо сва­ривающиеся.

При изготовлении станин и оснований рекомендуется использо­вать в основном только хорошо сваривающиеся стали и, в отдель­ных случаях, — удовлетворительно сваривающиеся, применение которых не требует подогрева при сварке, а при его необходимости температура подогрева является минимальной.

Применение этих сталей не должно также требовать назначение термообработки по условиям прочности, а лишь с целью снятия напряжений при отсутствии ограничения времени между окончанием сварки и термообработкой.

При использовании низколегированных конструкционных сталей необходимо учитывать, что наибольший экономический эффект от применения таких сталей может быть получен в изделиях, преоблада­ющими напряжениями в которых являются растягивающие. При этом применение низколегированных сталей в станинных деталях может быть допущено лишь в тех случаях, когда за этим не следует усложнения технологии производства.

Рекомендации по отнесению марок сталей к группам по свари­ваемости приведены в табл. 1.

1. Классификация сталей по группам свариваемости (примеры) гост Свариваемость хорошая удовлетворительная 380—71* (прокат) Ст2, СтЗ Ст4, Ст5 6713—53 (прокат) М16С; СтЗ мостовая — 5520—69*(прокат) 15К, 20К, 09Г2С (М) 10Г2С1 (МК), 16ГС(ЗМ) 5521—67 (прокат) ВМСтЗ, ВКСтЗ, 09Г2 09Г2С, 10Г2С1Д, 10ХСНД 1050—74 05кп, 08кп, Юкп 30, 35, 20Г, 25Г 4543—71 20, 25 — 5058—72 (прокат) 14Г, 09Г2, 14Г2, 12ГС, 16ГС 15ГФ, 18Г2С, 25Г2С, 15ХСНД 977—65* (литье) 15Л, 20Л 25Л, ЗОЛ, 35Л 7832—65 (литье) — 20ГЛС, 20ГЛ, ЗОГСЛ, 20ХМЛ, 08ГДНФЛ

Для второстепенных и слабонагруженных конструкций рекомен­дуется применять углеродистые спокойные, полуспокойные и кипя­щие стали Ст2 и СтЗ. При температурах до — 20 °С сталь СтЗ исполь­зуют и для изготовления несущих конструкций.

В сварных конструкциях, где применен мелкий и средний прокат из фасонных профилей толщиной до 16 мм и листы толщиной до

20 мм, полуспокойную сталь можно применять наравне со спокойной. По показателям свариваемости, стойкости против кристаллизаци­онных трещин в швах, склонности к образованию пор, относитель­ному повышению твердости в околошовной зоне для вышеуказанных толщин сталь ВСтЗГПС5 практически не отличается от спокойной стали.

В толстых профилях полуспокойная сталь несколько уступает по порогу хладноломкости спокойной стали. Применение полуспо - койных сталей в этих случаях следует ограничить конструкциями, которые эксплуатируют при температуре не ниже —5 °С. Кипящие стали обладают значительно большей склонностью к хрупкому раз­рушению, чем спокойные стали. Ввиду своеобразного распреде­ления в этих сталях вредных примесей, сказывающихся на обра­зовании горячих трещин при сварке, необходима тщательная проверка основного металла на содержание углерода и серы, от­браковка металла, имеющего ярко выраженную строчечную струк­туру.

Для ответственных несущих конструкций рекомендуются кон­струкционные стали марок 15 и 20 по ГОСТ 1050—74. При этом в стали марки 20 следует ограничить верхний предел углерода до 0,22%. Допускается применять горячекатаные стали для мосто­строения по ГОСТ 6713—53 и сталь углеродистую листовую для котлостроения марок 15К и 20К по ГОСТ 5520—69*; стали’этих марок должны поставляться с контролем по свариваемости и проверкой ударной вязкости при отрицательной температуре, соответству­ющей температуре эксплуатации.

При оформлении комбинированных конструкций из литья, поковок и проката необходимо стремиться к применению сталей близкого химического состава.

Для комбинированных сварных конструкций рекомендуются отливки из стали 20Л и 25Л по ГОСТ 977—65*. Стали марок ЗОЛ и 35Л, хотя и относятся к удовлетворительно сваривающимся, однако применение их не рекомендуется в конструкциях, подвер­женных вибрационным и динамическим нагрузкам, так как из-за структурной неоднородности основного металла и шва значительно снижается предел выносливости сварного соединения. Это относится в особенности к изделиям больших толщин, ручную, автоматическую и полуавтоматическую сварку которых требуется производить с подогревом до 250—350 °С.

Некоторые узлы оборудования (колонны, рамы установок для вакуумирования стали и др.) в процессе эксплуатации подвержены воздействию теплосмен при 300—350 °С, а также воздействию отри­цательных температур до —50 °С.

Для таких конструкций рекомендуются низколегированные стали марок 09Г2С(М), 10Г2С1, 10ХСНД, 15ХНМ и др. по ГОСТ 5058—72, которые обладают достаточной для указанных темпе­ратур теплостойкостью, более низким порогом хладноломкости, более высокими прочностными свойствами, чем у низкоуглеродистых сталей и удовлетворительной свариваемостью.

КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ И СХЕМА РАСЧЕТА

Генеральное конструктивное оформление сварных станинных деталей обычно диктуется опытом изготовления предшествующих машин данного типа. Напротив, выбор формы поперечных сечений элементов, расположения и типа сварных соединений определяется параметрами и конструктивными особенностями конкретной проек­тируемой машины.

Так, при расчете станин прокатных станов (см. гл. I, рис. 2) необходимо учитывать, что станины станов холодной прокатки, а также чистовых клетей сортовых станов горячей прокатки, должны обладать не только достаточной прочностью, но и необходимой жесткостью. В том случае, когда соблюдается требование прочности, но имеется сомнение в надлежащей жесткости к^іети, можно идти, при достаточном обосновании, на некоторое увеличение сечений и тем самым на увеличение запаса прочности.

По данным ряда исследований рабочих клетей тонколистовых станов горячей и холодной прокатки жесткость станин по сравнению с жесткостью других сопряженных с ними деталей очень велика. По этим данным деформация станины составляет всего лишь 10—12% от общей деформации клети. Следовательно, даже при значительном увеличении жесткости станины общая жесткость клети может быть увеличена не более чем на 10—15%, что может и не привести к повы­шению точности прокатки.

Поэтому в большинстве случаев завышение массы станины при конструировании в целях достижения большей жесткости клети и большей точности прокатки не оправдано, что создает предпосылки для применения сварных облегченных станин с практически необхо­димой жесткостью. Имеются примеры расчетов, показывающие, что если деформация стоек станины не превышает 5% деформации всей клети, то снижение массы станины на 10% за счет сечения стоек практически не приводит к изменению точности прокатки.

В связи с этим, при проектировании новых сварных станин про­катных станов облегченного типа прежде всего необходимо стре­миться к определению удельного веса деформации станины в общей деформации клети. С учетом допустимой неточности прокатки определяется оптимальная жесткость клети, достигаемая уменьше­нием поперечного сечения стоек.

Сварная станина шлифовального станка представляет собой сварную конструкцию коробчатого сечения. Для увеличения про­дольной и крутильной жесткости расчетное сечение сварной станины выполнено в виде замкнутого коробчатого контура (рис. 1).

При разработке расчетной схемы нагружения станины станка принимают во внимание нагрузки, действующие на станину в зависи­мости от усилия резания и массы подвижных частей станка, бази­рующихся на направляющих станины (рис. 2).

На основе принятых мето­дик определяют требуемую жесткость расчетного сечения сварной станины, конфигура­цию и толщину стенок сече­ния. При этом габаритные размеры сечения принимают по нормам станков данного типа.

Исходя из особенностей нагрузки станины создаются различные расчетные схемы по оценке влияния отдельных конструктивных факторов на жесткость конструкции. При Рис. 1. Расчетное сечение, станины станка выборе формы поперечного (пример)

сечения элементов станин ре­комендуется исходить из того, в какой степени конструкция подвер­гается воздействию изгибающих или скручивающих усилий. Так как

Рх, Ру, Р2 — составляющие усилия резания; q — масса подвижных частей; 1 — станина; 2 — стол; 3 — магнитная плита; 4 — стойка

сварные детали станины проектируют в основном из сочетаний тавро - вых и коробчатых элементов, то необходимо учитывать, что при круче­нии жесткости открытого и замкнутого сечения сильно различаются.

При уменьшении толщины стенок требуемую жесткость можно получить посредством постановки ребер. К сожалению, опублико­вано чрезвычайно мало систематизированных данных по влиянию
конструктивных элементов сварных конструкций на статическую жесткость.

Определение жесткости сечений с ребрами расчетным путем является сложной и в ряде случаев невыполнимой задачей. В связи с этим возрастает роль опытных данных испытания натурных кон­струкций или моделей.

В работе [6] приведены данные по испытанию опытных моделей корпусов станин станков различной конструкции, показывающие, что сварные конструкции корпусов станин станков закрытого типа по своей жесткости не уступают литым станинам.

В балках без вырезов при приложении распределенной нагрузки ребра будут оказывать влияние на повышение жесткости только в том случае, если увеличивается осевой момент инерции.

При кручении целесообразно размещать ребра таким образом, чтобы получилось равномерное распределение напряжений сдвига по замкнутому сечению.

В местах приложения сосредоточенных сил рекомендуется уста­навливать ребра близко одно к другому. Диагонально расположен­ная система ребер отличается повышенной жесткостью при кручении. Продольные сквозные диагональные ребра, с одной стороны, повы­шают сопротивление при кручении, а с другой — обеспечивают равномерное распределение усилий по стенкам балки.

В работе [2] проанализированы формы и соотношения размеров элементов типа стоек станков с выводами, имеющими общее значение для таких типов конструкций:

в большинстве случаев наиболее рациональными оказываются сечения с одинаковой толщиной стенок контура. В тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую жесткость на изгиб только относительно одной оси, при одинаковых габаритах более рацио­нальными оказываются сечения, у которых толщина стенок, перпен­дикулярных плоскости изгиба, больше, чем остальных. При действии силы в плоскости одной из стенок, если поперечное сечение стойки может искажаться, оказывается выгодным увеличивать толщину нагруженной стенки;

влияние перегородок на жесткость стоек при изгибе, а при отсут­ствии искажения контура и при крушении, весьма незначительно. При искажении контура поперечного сечения введение перегородок устраняет это явление и тем самым многократно повышает жесткость;

оптимальным можно считать такое количество перегородок, при котором расстояние между перегородками примерно равно высоте нагруженной стенки;

вырезы стенок обуславливают значительное понижение жестко­сти стойки, которое труднее оценить расчетным путем. Желательно выбирать по возможности большее расстояние от выреза до места приложения сил. Усиления по краям вырезов целесообразно жестко соединять с поперечными ребрами.

Исследования токарных станков показали, что правильно спро­ектированные сварные конструкции наряду с экономическими преимуществами отличаются также лучшей виброустойчивостью по сравнению с литыми конструкциями.

Для динамически жесткого корпуса требуется высокая частота собственных колебаний, которую в сварной конструкции можно обеспечить увеличением жесткости при незначительной массе. В литой конструкции большую жесткость достигают только за счет увеличения толщины стенок, т. е. за счет увеличения массы.

При сложных натурных испытаниях требуется изыскание мето­дов получения информации, необходимой для расчетов. Применение одного из таких методов показано в работе [4] на примере исследо­вания циклической прочности сварной станины кривошипного горячештамповочного пресса усилием 2500 тс, при этом определя­лось напряженное состояние станины тензометрированием модели стойки пресса и оценивалась циклическая прочность наиболее нагру­женных участков стойки с помощью локальных моделей.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ

Способ сварки выбирают на стадии проектирования конструкции. При изготовлении станин и деталей несущей системы стационарных машин применяют в основном ручную дуговую сварку, полуавтомати­ческую и автоматическую сварку под флюсом, в средеС02и электро­шлаковую сварку. Все эти способы сварки обеспечивают необходи­мый уровень прочностных свойств при сварке деталей станины из углеродистых и низколегированных сталей. В связи с этим выбор способа сварки диктуется только конструктивно-технологи­ческими особенностями конструкции и экономическими соображе­ниями.

Необходимо стремиться к тому, чтобы ручная дуговая сварка покрытыми электродами применялась бы в ограниченном количестве лишь в тех случаях, когда невозможно или экономически невыгодно применение механизированных способов сварки. Конструкция и технология должны создавать возможность производства сварочных работ предпочтительно в нижнем положении. Нижнее положение открывает больше возможностей для механизации сварочных работ с применением полуавтоматических способов.

Роль рационально выбранной еще на стадии проектирования схемы сборки и сварки настолько велика, что она в основном и определяет возможность производства той или иной сложной сварной конструкции. Особое значение приобретает эта схема при сварке изделий из толстого проката и массивных литых и кованых деталей, так как неправильно выбранная схема может привести к трудно исправимому браку отдельных элементов конструкции и значительно увеличить сроки изготовления всего изделия в целом [5].

Расчленение сложной сварной конструкции на отдельные эле­менты позволяет организовать их параллельное изготовление на различных производственных участках с применением автоматиче­ских методов сварки, что в ко­нечном счете сокращает цикл из­готовления станины в целом.

ІГТ

1

Так, например, при проекти­ровании и изготовлении станин ножниц была принята следую­щая схема сборочно-сварочных работ:

JJ

стойка станины при проек­тировании была расчленена на две полустойки с целью обеспе­чения возможности осуществле­ния электрошлаковой сварки (рис. 3);

Ш5

полустойки были спроектиро­ваны так, чтобы замыкающие швы также можно было бы вы­полнить электрошлаковой свар­кой;

Рис. 3. Стойка сварной станины нож­ниц

приварка к станине всех остальных элементов полуавто­матической сваркой под флю­сом проводилась после сварки двух полустоек.

Такая схема позволяет умень­шить общую деформацию конст­рукции после сварки и изготовить станину с минимальными при­пусками на обрабатываемых после сварки плоскостях.

Примерами успешного решения вопросов сборки и сварки на ста­дии проектирования являются станины механических прессов уси­лием 4000, 6000 и 8000 тс, спроектированных и изготовленных на Новокраматорском машиностроительном заводе им. В. И. Ленина.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

В крупных станинных конструкциях наиболее часто применяют сварные соединения большой толщины.

Швы толщиной 100 мм и более доступны гаммаграфированию, но чувствительность этого метода в данном случае оказывается очень низкой. Применение бетатронов позволяет разрешить эту задачу, но высокая стоимость оборудования затрудняет повсеместное их применение.

Как показал опыт производства, ультразвуковая дефектоскопия является наиболее надежным средством контроля [11 элементов
большой толщины. При возрастании толщины, в связи со значи­тельным уменьшением чувствительности, контроль рекомендуется вести, как правило, прямым лучом с обеих поверхностей изделия. При толщине металла не более 100 мм допустим контроль однократно отраженным лучом с одной поверхности соединения, если нет доступа к противоположной поверхности сварного соединения.

В сварных станинах широко применяют угловые сварные швы. Ультразвуковая дефектоскопия является единственным методом, выявляющим в угловых швах тавровых и крестовых соединений трещины с раскрытием менее 0,2 мм и тонкие непровары в корне шва.