Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор способов и исследований отделочно-упрочняющей обкатки неполных сферических поверхностей 13
1.1 Детали-представители с конструктивными элементами в виде неполных сферических поверхностей 13
1.2 Обзор способов отделочно-упрочняющей обкатки неполных сферических поверхностей и инструментов для их реализации 18
1.2.1 Обкатка неполных сферических поверхностей коническими роликами 20
1.2.2 Обкатка неполных сферических поверхностей цилиндрическими роликами с фиксированными осями 22
1.2.3 Обкатка неполных сферических поверхностей шариковыми инструментами 23
1.2.3.1 Обкатка неполных сферических поверхностей шариковыми регулируемыми обкатниками сепараторного типа 24
1.2.3.2 Обкатка неполных сферических поверхностей шариковыми нерегулируемыми обкатниками сепараторного типа 28
1.2.4 Обкатка неполных сферических поверхностей с дополнительным дискретным поворотом заготовки 30
1.2.5 Обкатка неполных сферических поверхностей с дополнительным поворотом заготовки и переменной скоростью вращения инструмента 32
1.2.6 Обкатка неполных сферических поверхностей с дополнительным поворотом изделия с постоянной угловой скоростью 34
1.3 Обобщение и систематизация способов отделочно-упрочняющей обкатки неполных сферических поверхностей 36
1.4 Исследование особенностей отделочно-упрочняющей обкатки неполных сферических поверхностей 40
1.4.1 Определение подачи при обкатывании неполных сферических поверхностей 41
1.4.2 Исследование и определение параметров шероховатости при обкатке неполных сферических поверхностей 42
1.4.3 Определение припуска под обкатывание при обработке неполных сферических поверхностей 43
1.4.4 Неравномерность обработки неполных сферических поверхностей при обкатывании 45
1.5 Выводы, цель и задачи исследования 48
Глава 2. Разработка методик расчета неровностей профиля и припуска под обкатывание при отделочно-упрочняющей обработке неполной сферической поверхности бессепараторным инструментом 52
2.1 Кинематический анализ процесса обкатки неполной сферической головки шарового пальца 52
2.2 Определение реальной частоты вращения шариков вокруг оси инструмента 59
2.3 Определение круговой подачи при обкатке неполных сферических поверхностей бессепараторным инструментом 64
2.4 Взаимосвязь круговой подачи и технологических факторов при обкатке неполной сферической головки шарового пальца бессепараторным инструментом 67
2.5 Формирование шероховатости поверхности при обкатке бессепараторным инструментом 74
2.5.1 Математическая модель составляющей профиля шероховатости, обусловленной геометрией и кинематикой перемещения рабочей части инструмента 77
2.6 Аналитический расчет припуска под отдел очно-упрочняющее обкатывание 83
Глава 3. Методика моделирования и исследование процесса обкатки неполных сферических поверхностей на основе программного комплекса DEFORM-3D 93
3.1 Описание методики моделирования процесса обкатки головки шарового пальца 93
3.1.1 Создание геометрических трехмерных моделей заготовки шарового пальца и инструмента 96
3.1.2 Задание кинематических параметров элементов технологической схемы процесса обкатки 96
3.2 Исследование влияния технологических факторов на физические параметры поверхности головок шаровых пальцев при обкатывании .99
Глава 4. Комплект технологической оснастки для экспериментального исследования процесса обкатки неполных сферических поверхностей 105
4.1 Установка для выполнения операции, предшествующей обкатке 105
4.1.1 Приводная головка 107
4.1.2 Резцовая головка 107
4.2 Экспериментальные установки для исследования процесса обкатки головки шарового пальца 109
4.2.1 Экспериментальная установка для исследования процесса обкатки головки шарового пальца на базе токарного станка 109
4.2.2 Экспериментальная установка для исследования процесса обкатки головки шарового пальца на базе фрезерного станка 111
4.2.3 Шпиндель обкатника 112
4.2.4 Многошариковый бессепараторный обкатник 114
Глава 5. Экспериментальное исследование процесса обкатки головки шарового пальца многошариковым бессепараторным инструментом 116
5.1 Планирование и методика исследования влияния технологических факторов на шероховатость поверхности обкатываемой головки шарового пальца 116
5.2 Исследование точности формы головок шаровых пальцев после обкатки 133
5.3 Исследование микротвердости головки шарового пальца после обкатки 136
5.4 Исследование микроструктуры обкатанных головок шаровых пальцев 139
Глава 6. Расширение технологических возможностей и практическое применение метода обкатки неполных сферических поверхностей 143
6.1 Разработка нового способа обкатки неполных сферических поверхностей 143
6.2 Апробация нового способа обкатки неполных сферических поверхностей 147
6.3 Экономический эффект от внедрения бессепараторной обкатки... 148
6.4 Практические рекомендации по применению бессепараторного обкатывания 150
Результаты и выводы по работе; 152
Список литературы 155
Приложения 169
- Обзор способов отделочно-упрочняющей обкатки неполных сферических поверхностей и инструментов для их реализации
- Определение реальной частоты вращения шариков вокруг оси инструмента
- Исследование влияния технологических факторов на физические параметры поверхности головок шаровых пальцев при обкатывании
- Экспериментальные установки для исследования процесса обкатки головки шарового пальца
Введение к работе
Актуальность темы. В современной технике существует большая группа деталей, конструктивным элементом которых является неполная сферическая поверхность (НСП): шаровые пальцы автомобильных шаровых шарниров, наконечники рулевых тяг, сферические вкладыши бойков механизмов ударного действия, шариковые подпятники, сферические наконечники штоков, стойки со сферическими головками сферических соединений рычажных механизмов, штоки клапанных механизмов со сферическими головками и другие.
Наиболее характерным представителем деталей этой группы является автомобильный шаровой палец, который входит в состав шаровых шарниров – наиболее ответственных узлов подвески современных автомобилей, определяющих безопасность их эксплуатации. Ежегодные объемы производства автомобильных шаровых пальцев исчисляются десятками миллионов штук в год.
В последнее время в качестве окончательной операции обработки головки шарового пальца получила распространение отделочно-упрочняющая обкатка. Благодаря своей кинематической схеме она является одним из немногих способов, позволяющих обрабатывать НСП с высокой точностью. Для её реализации используются инструменты сепараторного типа с деформирующими телами в виде шариков или роликов, обладающие, наряду с достоинствами (надежность, высокая стойкость, низкая себестоимость изготовления) рядом недостатков, основным из которых является малое количество рабочих элементов, что негативно сказывается на качестве и производительности процесса.
Существующие методики расчета параметров шероховатости сферических поверхностей при обкатывании весьма приблизительны, поскольку не учитывают реальной частоты вращения деформирующих шариков, а, следовательно, и реальной величины круговой подачи.
Несмотря на успешные результаты российских и зарубежных исследователей в области поверхностного пластического деформирования металлов (ППД), широкое применение данного метода для обработки неполных сфер сдерживается из-за отсутствия научно обоснованных методик определения параметров процесса обкатки и качества получаемых деталей.
Повышение качества НСП обкаткой может быть достигнуто посредством применения технологии, использующей прогрессивные многошариковые бессепараторные обкатники, содержащие максимальное число деформирующих элементов. Для её реализации необходимо соответствующее технологическое обеспечение. Поэтому разработка высокопроизводительной технологической оснастки, новых способов обработки, новых методик расчета параметров процесса обкатки и характеристик качества формируемых сферических поверхностей является весьма актуальной темой.
Целью работы является обеспечение требуемых значений параметров качества поверхностного слоя неполных сферических головок шаровых пальцев при отделочно-упрочняющем обкатывании бессепараторным инструментом.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработать математическую модель составляющей профиля шероховатости, обусловленной геометрией и кинематикой перемещения инструмента, учитывающую особенности процесса отделочно-упрочняющего обкатывания НСП многошариковым бессепараторным инструментом;
-
Разработать методику расчета припуска под обкатывание неполной сферы;
-
Разработать методику расчета круговой подачи заготовки при отделочно-упрочняющей обкатке НСП бессепараторным инструментом, с учетом реальной частоты вращения деформирующих шариков;
-
Разработать инструментальную и технологическую оснастку для реализации отделочно-упрочняющей обкатки многошариковым бессепараторным обкатником на универсальном оборудовании.
-
Провести экспериментальное исследование влияния технологических факторов на параметры качества поверхностного слоя неполной сферической головки шарового пальца в процессе её обкатки многошариковым бессепараторным инструментом;
-
Разработать новый способ отделочно-упрочняющей обкатки НСП, позволяющий уменьшить кратность обработки полюсной зоны неполной сферы без снижения производительности.
-
Разработать методику объёмного моделирования процесса обкатки НСП многошариковым бессепараторным обкатником на основе программного комплекса DEFORM-3D, для определения характеристик физического состояния поверхностного слоя.
Объектом исследования является процесс отделочно-упрочняющего обкатывания НСП многошариковым бессепараторным обкатником.
Предметом исследования являются параметры технологического процесса отделочно-упрочняющего бессепараторного обкатывания шариками и качества поверхностного слоя неполных сферических головок шаровых пальцев.
Методы исследования:
методы планирования эксперимента;
методы статистического анализа;
методы анализа с применением прикладного программного обеспечения MathCAD 13 и MS Exel 2007;
численный метод решения интегральных уравнений;
метод математического моделирования с использованием программного комплекса DEFORM-3D.
Научная новизна. Разработана математическая модель составляющей профиля шероховатости, обусловленной геометрией и кинематикой перемещения инструмента при бессепараторном отделочно-упрочняющем обкатывании неполных сферических поверхностей, в виде уравнения, позволяющего учесть влияние основных технологических параметров процесса: частоты вращения инструмента и заготовки, диаметра обкатываемой сферы, количества, частоты вращения и диаметра деформирующих элементов, на шероховатость формируемой поверхности.
Установлена взаимосвязь параметров процесса предшествующей обработки фрезерованием: круговой подачи заготовки, радиуса при вершине режущей пластины, диаметра заготовки и исходной шероховатости с величиной припуска под обкатывание неполной сферической поверхности, описываемая дифференциальным уравнением, численное решение которого позволяет назначать исполнительный размер детали при предварительной лезвийной обработке и определять диаметр готовой детали после обкатывания.
Установлено, что при отделочно-упрочняющем обкатывании в рациональном диапазоне режимов: частота вращения инструмента 630…1000 об/мин, частота вращения заготовки 6…8 об/мин, сила обкатывания 200…700 Н, наиболее значимым параметром является частота вращения инструмента.
Достоверность результатов, полученных в ходе экспериментальных исследований, подтверждается применением научно обоснованной методики планирования эксперимента и обработки полученных данных, поверенного лабораторного оборудования и контрольно-измерительных устройств.
Достоверность результатов теоретических исследований подтверждается обоснованным использованием фундаментальных зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи математического моделирования, применением современных математических методов и средств вычислительной техники. Качественные и количественные результаты согласуются с данными экспериментальных исследований, проведенных в широком диапазоне технологических режимов отделочно-упрочняющей бессепараторной обкатки НСП.
Автор защищает:
-
Математическую модель составляющей профиля шероховатости, обусловленной геометрией и кинематикой перемещения инструмента, при обкатке НСП бессепараторным инструментом.
-
Методику расчета припуска под обкатывание, учитывающую высоту неровностей профиля, формируемую на предшествующей операции фрезерования.
-
Методику расчета круговой подачи заготовки с учетом реальной частоты вращения деформирующих шариков и математическую зависимость для её определения.
-
Методику объёмного моделирования процесса обкатки неполных сферических поверхностей многошариковым бессепараторным обкатником на основе программного комплекса DEFORM-3D, а также эмпирическую зависимость эквивалентного напряжения в полюсной части сферы от технологических факторов.
-
Инструментальную и технологическую оснастку для реализации отделочно-упрочняющей обкатки многошариковым бессепараторным обкатником на универсальном оборудовании.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния технологических факторов на параметры качества неполной сферической головки шарового пальца в процессе её обкатки многошариковым бессепараторным инструментом и эмпирические зависимости по определению среднего арифметического отклонения профиля шероховатости НСП.
-
Новый способ отделочно-упрочняющей обкатки НСП, позволяющий уменьшить кратность обработки полюсной зоны сферы без снижения производительности.
Практическая ценность и реализация работы:
На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований:
установлено, что применение бессепараторного обкатывания позволяет получать высокие характеристики качества поверхностного слоя неполных сфер (шероховатость Rа = 0,16…0,19 мкм и отклонение от сферичности не более 5 мкм) за счет значительного увеличения количества деформирующих элементов обкатного инструмента и рационального выбора режимов обкатки на основе полученных уравнений взаимосвязи параметров качества с условиями обработки;
разработана научно обоснованная методика расчета средней высоты профиля шероховатости НСП при отделочно-упрчняющем обкатывании многошариковым бессепараторным инструментом;
разработана методика расчета припуска под отделочно-упрочняющее обкатывание, учитывающая исходную шероховатость, формируемую на предшествующей операции;
разработаны инструментальная и технологическая оснастка для реализации отделочно-упрочняющей обкатки многошариковым бессепараторным обкатником на универсальном оборудовании.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международном симпозиуме «Гидродинамическая теория смазки – 120 лет» (г. Орел, 2006 г.), на VIII-ой Международной научно-технической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения" - "Технология - 2007" (г. Орел, 2007), V-ой Международной научно-практической интернет-конференции "Энерго- и ресурсосбережение - XXI век", VI-ой Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ – технологий в производстве» (г. Москва, 2008 г.), IX-ой Международной научно-техническая конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения" - "Технология - 2008" (г. Тель-Авив, Израиль), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ОрелГТУ в 2006-2009 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ и получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 116 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 177 страниц, включает 86 рисунков, 33 таблицы и приложения.
Обзор способов отделочно-упрочняющей обкатки неполных сферических поверхностей и инструментов для их реализации
Известно, что все многообразие методов чистовой обработки металлов давлением по принципу взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью может быть сведено к двум классам [52]. К первому классу -классу дорнования - относятся все процессы, для которых характерно взаимодействие инструмента и детали, основанное на трении скольжения. Ко второму классу, получившему название класса ротационной обработки, относятся процессы, при которых взаимодействие между инструментом и деталью осуществляется путем качения деформирующего элемента по обрабатываемой поверхности. К их числу относятся и процессы обкатывания шариками или роликами, получившие широкое применение в качестве операции отделочно-упрочняющей обработки неполной сферы шарового пальца современных автомобилей.
Отделочно-упрочняющая обкатка обладает целым рядом достоинств: высокая производительность, относительная простота реализации (даже на универсальном оборудовании), надежность инструментов, высокое качество обработки. Кроме того, обкатывание является одним из немногих методов, с помощью которых можно эффективно обрабатывать неполные сферические поверхности, ограниченные торцовыми срезами.
Отделочно-упрочняющая обкатка может быть применена при обработке большой группы конструктивно подобных автомобильным шаровым пальцам деталей: наконечников рулевых тяг, сферических вкладышей бойков механизмов ударного действия, шариковых подпятников, сферических наконечников штоков, стоек со сферическими головками сферических соединений рычажных механизмов, штоков клапанных механизмов со сферическими головками и других.
За последние годы инженерная мысль выработала целую гамму способов [1-9,52,66-73] обкатки неполных сферических поверхностей, требующих систематизации и обобщения.
В основе рассматриваемых ниже способов отделочно-упрочняющей обкатки лежит кинематическая схема (рисунок 1.9), согласно которой инструменту (обкатнику), находящемуся в соприкосновении с обкатываемой поверхностью всеми деформирующими элементами, сообщают вращение по окружности, лежащей в плоскости, смещенной относительно центра обрабатываемой сферической поверхности и проходящей через полюс сферы и точку пересечения с ней линии торцового среза [66]. Заготовке шарового пальца сообщают вращение вокруг ее оси со скоростью значительно меньшей скорости вращения обкатника. В результате вращения детали зона упрочнения последовательно переносится на всю неполную сферическую поверхность.
Точность формообразования сферы по этой схеме определяется не профилем инструмента, а правильностью траекторий движений заготовки и обкатника, то есть кинематикой процесса, что позволяет получить сферические поверхности с минимальным отклонением от сферичности.
Способы обкатки рассматриваются не в хронологическом порядке их появления, а в соответствии с определенными отличительными признаками. Основное внимание уделено способам отделочно-упрочняющей обкатки с самоустанавливающимися (самоцентрирующимися) на обкатываемой сфере инструментами (обкатниками), поскольку только в этом случае возможно получение качественной сферической поверхности.
По виду применяемых деформирующих тел качения способы обкатки можно разделить на использующие ролики и шарики. Первые из них, в свою очередь, делятся на способы обкатки с применением конических и цилиндрических роликов.
Способ обкатки сферических поверхностей коническими роликами [68] нашел применение при обработке деталей типа шарового пальца подвески автомобиля. Схема способа представлена на рисунке 1.10. Он реализуется посредством обкатника с деформирующими телами в виде конических роликов со сферической торцовой поверхностью, установленными с возможностью качения по опорной втулке. Ролики выполняют и устанавливают так, чтобы вершины конусов и центры радиусов их торцев находились в одной точке. Оси хвостовика детали и обкатника размещают под углом друг к другу и сообщают последним вращательные движения вокруг этих осей.
Определение реальной частоты вращения шариков вокруг оси инструмента
Полученная на основе кинематического анализа зависимость (2.19) для определения числа оборотов деформирующих элементов вокруг оси инструмента nz не учитывает влияние силового фактора и проскальзывания шариков.
С целью определения реальной частоты вращения шариков вокруг оси инструмента было выполнено экспериментальное исследование. Экспериментальная установка показана на рисунке 2.3.
Для измерения частоты вращения деформирующих элементов использовался фотодатчик положения OMRON ES-DS5E2, который представляет собой оптическое устройство, состоящее из линз-фильтров для фокусировки и фильтрации полезного оптического сигнала, излучающего светодиода, приемного фотодиода, усилителя фототока и электронного преобразователя с релейной характеристикой.
Наличие фокусировки оптического потока позволяет получить на исследуемой поверхности пучок света с диаметром 1 мм, Фильтрующий элемент обеспечивает устранение влияния на результаты измерения внешней засветки.
Используемый датчик позволяет измерять частоты вращения в диапазоне от 0 до 250 Гц (0 - 15000 мин"1). Внешним измерительным прибором для датчика являлся частотомер CFG 80ЮН. Для согласования сигналов и устранения влияния помех использовался аттенюатор и фильтр низких частот.
Между корпусом обкатника 1 и заготовкой 2 имеется зазор, через который видны вращающиеся шарики 4. На открытую часть шарика 4 фокусируется оптическое излучение светодиода датчика 5, которое отражаясь от поверхности через приемную линзу попадает на фотодиод датчика. Сигнал с фотодиода в датчике усиливается и преобразуется в выходной сигнал, поступающий на частотомер 3. Так как поверхность шарика 4 сферическая и рассеивает определенную часть светового потока от светодиода, датчик 5 устанавливается в режим максимальной чувствительности.
Частотомер 3 считает число импульсов сигнала (равное числу прохождения шариков через зону чувствительности датчика) в единицу времени и индицирует показания в Герцах. Для их перевода в обороты в минуту используется выражение: Уравнения адекватно описывают процесс обкатывания при условиях: пи = 630...1200 об/мин; w3 = 6...8 об/мин; Р = 200...700 Н Величина замедления вращения деформирующих шариков при обкатывании головки шарового пальца 032,7 мм может быть определена на основе к Jdm+re) 1 dM+d/ Эмпирический коэффициент к2, учитывающий действие силового фактора и проскальзывание зависит от условий обработки и марки материала. Для сталей 38ХГНМ и 40Х его значение лежит в пределах к2 = 0,83...0,99 и может быть определено по формуле: Одним из основных параметров, оказывающих существенное влияние на качество получаемой неполной сферической поверхности, является подача. [38,116] Её определение при обкатывании бессепараторными инструментами (обкатниками) является важной и актуальной задачей. Известно, что технологическими факторами оказывающими виляние на величину подачи являются частоты вращения инструмента и заготовки. Принимая во внимание особенность процесса бессепараторного обкатывания, в качестве частоты вращения инструмента, при определении подачи следует, использовать реальную частоту вращения шариков вокруг оси обкатника, определяемую по формуле (2.29)..Она позволяет, задавая число оборотов в минуту инструмента, определять соответствующее число оборотов в минуту вращения шариков вокруг его оси. Именно частота вращения деформирующих шариков, а не обкатной головки, является основной характеристикой рабочего процесса, которую следует учитывать при расчете величин подачи и параметров качества поверхности при обкатке бессепараторным шариковым обкатником. Вращение заготовки шарового пальца вокруг своей оси с частотой п3 обеспечивает круговую подачу неполной сферы и распространение процесса обкатки на всю ее поверхность. Поэтому наиболее целесообразно определять величины подач в сечениях неполной сферической головки, перпендикулярных оси шарового пальца (рисунок 2.5).
Исследование влияния технологических факторов на физические параметры поверхности головок шаровых пальцев при обкатывании
Несмотря на очевидные достоинства, способам обкатки неполных сферических поверхностей присущ общий недостаток - неравномерность обкатки различных участков неполной сферической головки пальца, заключающаяся в значительном увеличении кратности обработки полюсной части по сравнению с другими зонами неполной сферической поверхности. Следствием этого (при определенном сочетании технологических факторов) может явиться ухудшение качества головки пальца и даже отделение (отслаивание) упрочненного поверхностного слоя на полюсной части сферической поверхности. В связи с этим выявление причин и условий, при которых могут происходить указанные явления, а также определение, формирующихся на различных стадиях процесса отделочно-упрочняющей обкатки и при различных режимах, характеристик состояния поверхностного слоя, представляется важной и актуальной задачей.
Для решения этой задачи используется конечно-элементный программный комплекс DEFORM-3D (компания-разработчик SFTC,CIIIA), являющийся одним из мировых лидеров в области моделирования процессов обработки давлением и резанием.
DEFORM-3D заслуженно считается наиболее точной системой для моделирования сложных трехмерных процессов пластического деформирования и разрушения металлов. Данная система является мировым стандартом де-факто и признается как средство подтверждения качества технологического процесса и конечной продукции всеми ведущими компаниями в мире, имеющими дело с процессами обработки металлов давлением. Кроме того, DE- FORM является мощным инструментом для решения технологических задач и позволяет проверять и оптимизировать технологические процессы, избегая многочисленные дорогостоящие экспериментальные исследования.
В основе методики лежит расчет напряженно-деформированного состояния металла заготовки при обкатывании численным методом конечных элементов с использованием программного комплекса DEFORM-3D, реализующего анализ упруго-пластической.
Для описания степени деформации, очень часто достаточно иметь единственное характерное значение деформации. DEFORM-3D использует значение, известное как степень деформации или Фон-Мизес деформация:
Напряжение в DEFORM-3D определено как сила, действующая на область модуля материала. Напряжения действующие на грани модуля могут быть нормальными (перпендикулярно к грани) и сдвиговыми (по грани). Напряжения сдвига фрагмента объекта могут быть представлены в виде двух компонентов по произвольным ортогональным осям. Таким образом, законченное состояние напряжения может быть определено тремя нормальными составляющими напряжения тх,ст ,crs и шестью компонентами сдвига фрагмента объекта а , J , GT_ , т7,0 ,0 .
Через условия равновесия можно сказать, что компоненты, действующие одной плоскости эквивалентны. То есть а„, = а ,а,„ = т.„, т,г = сгг,.
Таким образом, законченное состояние напряжения может быть представлено 3 нормальными компонентами и 3 компонентами сдвига фрагмента.
Как и в случае с деформацией, пользуясь математическим анализом возможно ориентировать три ортогональных оси так, что компоненты сдвига фрагмента объекта напряжения по этим осям будут равны нулю 0. Результирующие нормальные напряжения, действующие на эти оси, являются основными напряжениями.
DEFORM-3D использует напряжение Мизес, чтобы определить характеристику эквивалентное напряжение: На базе программного комплекса DEFORM-3D в диссертации разработана методика моделирования и исследования процесса обкатки неполных сферических поверхностей бессепараторным многошариковым обкатником, на примере головки шарового пальца автомобильного шарового шарнира. Основными элементами предлагаемой методики моделирования и исследования являются: - создание геометрических трехмерных моделей заготовки шарового пальца и инструмента (обкатника) в системе SolidWorks и импортирование их в программный комплекс DEFORM 3D; - задание кинематических параметров элементов технологической схемы процесса обкатки (инструмента и заготовки); - создание предварительного натяга между головкой обкатываемой неполной сферы шарового пальца и инструментом (обкатником); - планирование вычислительного эксперимента для получения математических зависимостей физических характеристик поверхностного слоя обкатываемой неполной сферической головки шарового от технологических факторов; - моделирование процесса обкатки и расчет физических параметров состояния поверхностного слоя сферической головки шарового пальца; - просмотр, анализ и обработка результатов вычислительного эксперимента физических параметров состояния поверхностного слоя сферической головки шарового пальца и получение математических моделей их зависимости от технологических факторов.
Экспериментальные установки для исследования процесса обкатки головки шарового пальца
В состав экспериментальной установки для исследования процесса обкатки неполной сферической головки шарового пальца (рисунок 4.6) входят: токарно-винторезный станок модели 16К20, приводная головка, шпиндель обкатника и многошариковый бессепараторный обкатник. На рисунке 4.7 показан фрагмент экспериментальной установки, на котором четко видны обкатываемая неполная сферическая головка шарового пальца, шпиндель обкатника и многошариковый обкатник.
Приводная головка предназначена для закрепления и обеспечения вращения заготовки шарового пальца при обкатывании его неполной сферической поверхности. Она состоит из сварного корпуса, источника движения, червячного редуктора и шпинделя с механизмом зажима обрабатываемой заготовки шарового пальца. Обкатная головка крепится винтами к суппорту токарного станка. Ось шпинделя обкатной головки (заготовки пальца) и ось накатника (ось шпинделя токарного станка) выставляются на одном уровне и под определенным углом скрещивания.
Приводная головка по принципу действия похожа на приводную головку для фрезерования, но несколько отличается от нее по конструкции и меньше по габаритам. Отвод и подвод головки осуществляется перемещением суппорта токарного станка.
Шпиндель обкатной головки установлен в ее корпусе на радиально- упорных подшипниках. Вращательное движение шпинделю передается от индивидуального асинхронного электродвигателя. Обрабатываемая заготовка шарового пальца крепится в шпинделе головки с помощью специального цангового зажима, приводимого в действие рычагом вручную.
С целью увеличения жесткости системы и обеспечения совпадения направления следов на поверхности головки сферы от фрезерования с направлением следов от шариков при обкатывании нами была разработана экспериментальная установка для исследования процесса обкатки головки шарового пальца на базе фрезерного станка (рисунок 4.8). В состав экспериментальной установки входят: горизонтально-фрезерный станок модели 6Р82, приводная головка с регулируемым приводом, шпиндель обкатника и многошариковый бессепараторный обкатник. Приводная головка 4, устанавливается на столе фрезерного станка модели 6Р82 и крепится к нему винтами. Ось шпинделя обкатной головки (заготовки пальца) и ось обкатника (ось шпинделя фрезерного станка) выставляются на одном уровне. Для реализации схемы обкатывания стол фрезерного станка поворачивается на тот же угол, что и при фрезеровании, обеспечивая скрещивание осей обкатника и заготовки. Отвод и подвод головки к обкатнику осуществляется поперечным перемещением стола фрезерного станка. Для обеспечения возможности регулировки частоты вращения обрабатываемой заготовки шарового пальца в обкатной головке, с целью варьирования ее значений на разных уровнях, головка оснащена малогабаритным преобразователем частоты переменного тока E2-MINI на IGBT транзисторах (рисунок 4.9). В состав экспериментальных установок для исследования процесса обкатки головки шарового пальца на базе токарного и фрезерного станков входит шпиндель обкатника, показанный на рисунках 4.10 и 4.13. Шпиндель обкатника служит для: закрепления обкатника и передачи ему вращательного движения от станка; контроля силы обкатывания и регулировки её пределов. Обкатник 1 (рисунок 4.11) крепится к подвижному штоку 3 посредством центрального винта 2. Шток 3, подпружиненный пружиной 5, имеет возможность осевого и радиального перемещения относительно корпуса 4. Эти перемещения необходимы как для самоустановки обкатника на сфере заготовки, так и для выбора требуемой силы обкатывания. Контроль силы обкатывания осуществлялся по специальной шкале, нанесенной на выступающей части штока 4. Регулировка пределов измерения силы обкатывания осуществлялась за счет изменения жесткости пружины 5 регулировочным винтом 6. Для определенных положений регулировочного винта осуществлялась тарировка пружины и шкалы что позволяло контролировать силу обкатывания. Хвостовик шпинделя служит для его крепления в станке. На рисунке 4.12 показан шпиндель обкатника с установленным на нем бессепараторным многошариковым обкатником, закрепленный в шпинделе фрезерного станка.
