Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих способов упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием 8
1.1 Анализ технологии изготовления литых дисков автомобильных колес 8
1.2 Анализ существующих способов упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием 15
Выводы по разделу 31
2 Исследование возможности поверхностного упрочнения тонкостенных осе симметричных деталей без раскатки 33
2.1 Постановка задачи исследования 33
2.2 Математическое моделирование процесса обкатки тонкостенных заготовок .35
2.3 Экспериментальное исследование процесса обкатки 47
Выводы по разделу 64
3 Теоретическое исследование процесса обкатки при приложении к ролику тормозной силы 65
3.1 Постановка задачи теоретического исследования 65
3.2 Исследование влияния величины тормозной силы на характер упрочнения металла заготовки 65
3.3 Исследование процесса многоцикловой обкатки 75
Выводы по разделу 87
4 Экспериментальное исследование процесса обкатки тонкостенных заготовок с торможением ролика 89
4.1 Новый способ упрочнения обкаткой тонкостенных заготовок 89
4.2 Разработка оснастки для реализации нового способа 89
4.3 Условия эксперимента 92
4.4 Методика исследования микротвердости 96
4.5 Методика измерения шероховатости поверхности 98
4.6 Методика измерения радиального биения заготовки 99
4.7 Исследование процесса обкатки с торможением ролика 99
Выводы по разделу .- 106
5 Методика определения технологических параметров процесса обкатки 108
Выводы по разделу 116
Заключение 117
Список использованной литературы 119
Приложение
- Анализ существующих способов упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием
- Математическое моделирование процесса обкатки тонкостенных заготовок
- Исследование влияния величины тормозной силы на характер упрочнения металла заготовки
- Разработка оснастки для реализации нового способа
Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время широко применяются несущие тонкостенные осе-симметричные изделия со ступенчатой боковой поверхностью, в частности, диски автомобильных колес, изготовленные из литейных алюминиевых сплавов. Как правило, подобные изделия работают при высоких статических и динамических нагрузках, часто знакопеременного характера, поэтому к их прочности предъявляют высокие требования.
Наиболее распространена следующая технология изготовления литых дисков: получение отливки и механическая обработка обода для придания нужной формы и размеров. При этом срезаются наружные, наиболее прочные и мелкозернистые слои металла и обнажается внутренняя, крупнозернистая и рыхлая структура. Это резко снижает качество поверхности и прочностные характеристики, что заставляет конструкторов увеличивать толщину стенок диска. Упрочняющая термообработка тонкостенных деталей сложной формы имеет ряд ограничений, в частности, возникает значительное коробление стенок детали, требующее последующего исправления.
Повысить прочностные свойства изделий позволяет широко применяемая в промышленности обкатка наружной поверхности роликами. Однако, имеющиеся в литературе рекомендации и методики по определению технологических параметров обкатки относятся, главным образом, к обработке роликами малого диаметра, сопоставимого с толщиной стенки изделия, следовательно, непригодны при обкатке ступенчатых тонкостенных изделий, поскольку при обкатке таких изделий в силу их геометрии необходимо использовать ролики диаметром, сопоставимым с диаметром заготовки.
Поэтому задача по исследованию процесса упрочняющей обкатки тонкостенных изделий и определению оптимальных режимов их обработки, позволяющих добиться необходимого упрочнения и качества поверхности, является актуальной.
Работа выполнялась в соответствии с проектом "Исследование напряженно-деформированного состояния литых осесимметричных заготовок при локальном деформировании", выигравшим конкурс грантов Министерства образования Российской Федерации в 1997 году, проектом "Исследование характера пластического течения и упрочнения металла при получении тонкостенных осесимметричных деталей методом валковой штамповки", выигравшим конкурс грантов Министерства образования Российской Федерации в 2000 году, проектом "Исследование напряженно-деформированного состояния и характера пластического течения металла в разделительных и формообразующих операциях при локальном деформировании", вошедшим в единый заказ - наряд Министерства образования Российской Федерации в 2000 году.
Цель работы:
Разработка новой технологии поверхностного упрочнения обкаткой роликами тонкостенных осесимметричных изделий, обеспечивающей высокие показатели прочности и качества, и методики ее проектирования.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и успешно решены следующие задачи:
-
Разработать математическую модель процесса обкатки тонкостенных изделий при различных схемах нагружения, провести ее анализ и установить возможности поверхностного упрочнения роликами тонкостенных осесимметричных изделий роликами большого диаметра, определить предельные режимы обкатки, при которых исключается раскатка.
-
Установить влияние основных технологических параметров процесса обкатки на напряженно-деформированное состояние и упрочнение поверхностного слоя заготовки и свойства получаемых изделий.
-
Разработать новую технологию, обеспечивающую интенсификацию упрочняющей обкатки, и произвести ее экспериментальное опробование.
-
Разработать научно обоснованную методику определения технологических параметров процесса обкатки для получения изделий с заданными показателями прочности и качества поверхности.
Методы исследования. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния заготовки при обкатке выполнены на основе теории пластического течения. Моделирование изменения напряженно-деформированного состояния в процессе обработки проводилось на персональном компьютере при помощи пакета прикладных программ "Штамп", реализующего анализ упруго-пластических моделей методом конечных элементов. Экспериментальные исследования проводились на специально сконструированной оснастке с применением общепринятых методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов экспериментов. Научная новизна работы заключается в следующем: Впервые разработана математическая модель и проведено численное конечно-элементное моделирование процесса обкатки тонкостенной заготовки при одновременном действии радиальной и тангенциальной сил, в результате которого выявлены особенности пластического течения и упрочнения металла. Определены предельные значения параметров процесса обкатки, при которых не происходит раскатка детали. Выявлен эффект увеличения упрочнения поверхности детали при обкатке роликом, нагруженным тормозной силой. Установлено влияние основных технологических параметров (диаметр ролика, величина радиальной и тормозной сил, приложенных к ролику) на упрочнение поверхностного слоя заготовки. Экспериментально определены зависимости шероховатости и твердости поверхности детали от параметров обкатки.
Достоверность результатов исследований обеспечивается применением современных методов математического моделирования упруго-пластическога течения с учетом контактного трения и упрочнения металла г
подтверждается сходимостью с экспериментальными данными. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 10%. Автор защищает:
математическую модель процесса обкатки тонкостенных изделий при различных схемах нагружения и результаты ее анализа;
методику и результаты экспериментальных исследований поверхностного упрочнения тонкостенной осесимметричной заготовки роликами большого диаметра;
новый способ упрочнения обкаткой роликами тонкостенных осесимметричных изделий при одновременном приложении радиальной и тангенциальной сил и результаты его экспериментального опробования;
научно обоснованную методику определения технологических параметров процесса обкатки тонкостенной заготовки для получения изделий с заданными показателями прочности и качества поверхности.
Практическая ценность и реализация работы.
-
Разработана новая технология упрочняющей обкатки роликами тонкостенных осесимметричных изделий, обеспечивающая высокие показатели прочности и качества.
-
Разработана научно обоснованная методика определения необходимых технологических параметров процесса обкатки тонкостенной заготовки для получения изделий с заданными показателями прочности и качества поверхности.
-
Разработаны основные конструкторские и технологические рекомендации по проектированию оснастки для реализации предложенной технологии.
Новизна технических решений подтверждена 3 патентами Российской Федерации.
Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 120400 «Машины и технология обработки металлов давлением» в Орловском государственном техническом университете. Апробация работы. Результаты работы докладывались на международном научно-техническом симпозиуме "Механика и технология в процессах формоизменения с локальным очагом пластической деформации, Орел, 1997, на 2-ой международной научно-технической конференции "Проблемы пластичности в технологии", Орел, 1998, на международной конференции "Ресурсосберегающие технологии, оборудование и автоматизация штамповочного производства", Тула, 1999, на научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии в машиностроении", Владимир, 1999. на международной конференции "Технология 2000", 28-30 сентября 2000, ОрелГТУ, на научно-технических конференциях в Орловском государственном техническом университете в 1998-2003 гг.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 1 статья в центральной печати, 3 статьи в сборниках научных трудов, 5 тезисов докладов, 3 патента Российской Федерации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 65 наименований, приложения и включает 75 страниц машинописного текста, содержит 61 рисунок и 5 таблиц. Общий объем 134 страницы.
Анализ существующих способов упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием
В промышленности широко и успешно применяются способы упроч нения и отделки деталей машин поверхностным пластическим деформирова нием (ППД) [9 - 37]. Для способов ППД может использоваться заготовка, полученная обработкой резанием, литьем или обработкой давлением. Фи нишная обработка, основанная на пластическом деформировании тонкого поверхностного слоя, имеет по сравнению с обработкой точением, шлифованием, полированием, доводкой ряд преимуществ, в том числе: - сохраняется целостность волокон металла и образуется мелкозернистая структура-текстура в поверхностном слое; - отсутствуют термические дефекты; можно достигать минимального параметра шероховатости (Ra=0,1...0,05 мкм и менее) как на термически необработанных сталях, цветных сплавах, так и на высокопрочных материалах, сохраняя исходную форму заготовки; - создается благоприятная форма микронеровностей с большей долей у опорной площади; - можно образовывать регулярные микрорельефы с заданной площадью углублений для задержания смазочного материала; - создаются благоприятные сжимающие остаточные напряжения в по 16 верхностном слое; - плавно и стабильно повышается микротвердость поверхности.
Указанные и другие преимущества методов ППД обеспечивают повышение износостойкости, сопротивления усталости, контактной выносливости и других эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей на 20 — 50 %, а в некоторых конкретных случаях - в 2 - 3 раза.
Методы ППД подразделяют на статические и ударные. При статических методах обработки инструмент, рабочие тела или среда воздействуют на обрабатываемую поверхность с определенной постоянной силой, происходит плавное перемещение очага воздействия, которые последовательно проходят всю поверхность, подлежащую обработке. К таким методам относятся раскатывание и обкатывание роликовым или шариковым инструментом, алмазное выглаживание, вибрационное накатывание и выглаживание, а также поверхностное дорнование. При ударных методах инструмент, рабочие тела или среда воздействуют на всю обрабатываемую поверхность или ее часть, при этом сила воздействия в каждом цикле изменяется от нуля или некоторого значения до максимума. К таким методам относят дробеструйную обработку, ультразвуковую обработку, ударное раскатывание, центробежную обработку, чеканку, вибрационную ударную обработку и обработку механическими щетками.
Сущность дробеметного или дробеструйного упрочнения состоит в том, что детали обрабатывают потоком сухой дроби или дроби с СОЖ [18 -23]. Дробинки (стальные, чугунные или стеклянные), увлекаемые струей сжатого воздуха или отбрасываемые лопатками быстровращающегося ротора, под действием сил от собственной массы производят упрочнение детали.
Дробеструйные установки получили широкое распространение благодаря высокой производительности, универсальности и эффективности. Конструкции их непрерывно совершенствуются, уточняются режимы обработки. Дробеструйное упрочнение, осуществляемое при помощи локальных установок, удобно для локальной обработки крупных деталей. В судостроительном и судоремонтном производствах для дробеструйного упрочнения применяются специальные аппараты АД-1, БДУ, пистолеты ПД-1, пневмо-динамические камеры ПДК [19 - 23]. В основном это оборудование используется для снятия технологических концентраторов в зоне сварных швов, а также для упрочнения швов. Однако обработка дробью имеет существенные недостатки: - нестабильность процесса связанная со значительным разбросом параметров в процессе обработки; - отсутствие научно обоснованных методик определения рациональных параметров процесса, большинство рекомендаций получены опытным путем для конкретного случая, что затрудняет процесс проектирования обработки конкретной детали; - высокая шероховатость поверхности после обработки, нерегулярный микрорельеф; - возможность деформации тонкостенных деталей. Поэтому обработка дробью применяется для деталей, к поверхности которых не предъявляют высоких требований. Упрочняющая чеканка Упрочнение чеканкой [10] производится с помощью приспособлений, выполненных на базе пневматических отбойных молотков с различными сменными инструментами, в том числе, представляющими собой пучок тонких закаленных проволок (рисунок 1.4). В результате применения таких инструментов достигается упрочнение в месте концентарции напряжений. Упрочняющая обработка многобойковыми упрочнителями обеспечивает глубину наклепанного слоя до 3 мм. К недостаткам многобойковых упрочнителей следует отнести низкую производительность, сравнительно малую стойкость рабочего инструмента (бойка и пучка проволоки), повышенные уровни вибраций и шума, нестабильные показатели шероховатости и упрочнения.
Ультразвуковая обработка Если при обработке статическими методами ППД инструменту сообщают дополнительно ультразвуковые колебания с частотой 18 - 24 кГц и амплитудой 15-30 мкм, то они становятся ударными методами (ультразвуковое обкатывание, ультразвуковое выглаживание и т.д.) (рисунок 1,5). Ультразвуковая обработка [24 - 25] имеет следующие преимущества: - инструмент пластически деформирует поверхностный слой детали импульсивно, с большей интенсивностью колебаний, в результате чего деформирование сопровождается прерывистым и интенсивным трением; - кратность приложения силы при деформировании инструментом поверхности - 400 раз и более; - статическая сила, действующая на деталь, незначительна; - скорость деформирования - переменная, ее максимальное значение 200 м/мин и более; - среднее давление, создаваемое в поверхностном слое детали под действие нормально направленной силы, в 3 — 9 раз больше, чем при обкатывании шаром.
Математическое моделирование процесса обкатки тонкостенных заготовок
Традиционные методы расчета процессов обработки металлов давлением (ОМД), такие, как инженерный метод и метод линий скольжения, во многих случаях отстают от требований производства и не соответствуют возросшему уровню поиска оптимальных решений и требованиям точности при проектировании технологических процессов и оборудования.
Гораздо большими возможностями обладает широко применяемый в последнее время в научных и инженерных расчетах метод конечных элементов (МКЭ) [41-47].
Наиболее удачным инструментом математического моделирования процессов ОМД являются в настоящее время пакеты прикладных программ (ППП) для персональных ЭВМ (ПЭВМ). Они позволяют проводить сложные многовариантные расчеты в простом диалоговом режиме. При проведении с помощыо ППП вычислительных экспериментов можно следить за процессом формоизменения на экране дисплея, изменяя нужным образом различные внешние условия, внося по ходу расчета конструктивные дополнения с целью получения желаемого результата.
Для проведения теоретического исследования был выбран ППП "ШТАМП" [48 - 50], предназначенный для автоматизации инженерных расчетов, в частности, для статического анализа упругих и упруго-пластических систем, пошагового расчета перемещений, деформаций и напряжений.
Применение МКЭ в ППП "ШТАМП" для моделирования обработки давлением имеет ряд особенностей, связанных с высокой интенсивностью нагрузок, действующих на заготовку со стороны инструмента. Воздействие инструмента приводит к возникновению больших смещений в материале заготовки, моделирование которых может быть выполнено на основе теории пластического течения [51 - 59] с фиксацией при пошаговом анализе момента перехода отдельных частей заготовки из упругого состояния в пластическое и наоборот.
Анализ упруго-пластических моделей при помощи ППП "ШТАМП", включает следующие этапы: 1) подготовка входных данных для ППП МКЭ; 2) пошаговое нагружение модели и расчет напряженно-деформиро ванного состояния модели при помощи программного обеспечения МКЭ; 3) анализ полученных результатов. ППП "ШТАМП" предусматривает возможность продолжения анализа модели путем циклического повторения перечисленных этапов при измененных значениях некоторых входных данных. Это позволяет моделировать процессы обработки металлов давлением при сложном нагружении, изменяющемся в процессе обработки, и применить его к процессу обкатки тонкостенной заготовки роликами.
ППП "ШТАМП" представляет собой комплекс прикладных программ, включающий в себя: - AMS - программа интерпретации описания решаемой задачи; - AutoCAD - программа геометрического моделирования; - MESH - генератор сетки конечноэлементной модели; - DEFUN - подготовка формул функций; - EDIT— программа создания и редактирования файла описания; - SCREEN - программа графического отображения модели и вывода результатов расчетов; - SOLVER - программа упруго-пластического расчета. Чертеж модели подготавливается в графическом редакторе системы AutoCAD фирмы Autodesk, Inc. Модель конструкции, подлежащей анализу, вычерчивается в натуральную величину.
Построение сетки конечных элементов производится входящей в состав ППП "ШТАМП" программой генератора сетки MESH в автоматическом режиме.
Чтобы провести описание дискретной модели на входном языке, необходимо получить изображение модели с пронумерованными узлами и суперэлементами. Такое изображение получается при помощи графического постпроцессора (программа SCREEN). Если їіеобходимо более детально рассмотреть интересующую часть графического изображения, можно воспользоваться функциями масштабирования и панорамирования.
После получения с помощью программы графического постпроцессора изображения сетки конечных элементов с пронумерованными суперэлементами и узловыми точками, выполняется описание решаемой задачи на входном языке ППП "ШТАМП" (формируется файл входных данных решаемой задачи).
Анализ имеющихся решений задач пластического формоизменения показывает, что без значительной потери точности при исследовании процесса обкатки тонкостенной заготовки можно принять следующие допущения: - материал однородный изотропный и нечувствительный к скорости деформации; - используется закон трения Амонтона-Кулона; - ширина заготовки b значительно больше ее толщины S, что дает возможность принять деформированное состояние заготовки как плоское. Поскольку величина пластических деформаций при обкатке сопоставима с величиной упругих деформаций, пренебрегать последними нельзя, поэтому для повышения точности расчетов использовалась упругопластиче-ская модель материала. При обкатке роликом металл заготовки упрочняется, что приводит к уменьшению глубины вдавливания ролика и очага пластической деформации при повторных циклах обкатки. Поэтому необходимо учитывать упрочнение материала. Для этого в модель вводили кривую упрочнения для рассматриваемого материала.
Использование при моделировании изотропной теории пластичности обусловлено тем, что при обкатке осуществляется циклическое деформирование заготовки или близкое к нему, при этом приращение параметра Удкви-ста на каждом цикле невелико. Таким образом, поверхность обратимости скорее всего мало будет отличаться от окружности и противоречия с реальной картиной деформирования практически не возникнет.
Для исследования процесса обкатки использовалась модель, представляющая собой часть поперечного сечения цилиндрической заготовки. Поскольку ширина заготовки значительно больше ее толщины, использовалась плоскодеформированная модель. Модель среды - упругопластическая с упрочнением и учетом контактного трения на поверхности инструмента.
Расчетная схема начала процесса обкатки показана на рисунке 2.2. Заготовка 1 представлена линиями границ своего сечения, инструмент - ролик 2 - только его рабочей поверхностью. Оправка 3 (рисунок 2.1) заменена закреплением узлов нижней границы заготовки.
Поскольку при обкатке заготовки наибольшие деформации и напряжения возникают вблизи наружной поверхности заготовки, то для получения качественной картины напряженно-деформированного состояния использовалась составная треугольная сетка, более густая на наружной поверхности заготовки. Фрагмент используемой сетки представлен на рисунке 2.3.
Исследование влияния величины тормозной силы на характер упрочнения металла заготовки
Схема процесса (рисунок 3.1), рассматриваемая при моделировании, аналогична схеме, рассмотренной в разделе 2. Отличие схемы в том, что в процессе обкатки к ролику прикладывают не только радиальную силу Р, но и тормозную тангенциальную силу FTop. Начальные и фаничные условия те же, что и в разделе 2. При моделировании изменяли следующие параметры : - диаметр ролика dpo-1, мм; 30, 40, 50, 60; - погонная радиальная сила обкатки Р/Ь, Н/мм: 460, 690. - погонная тормозная сила FTor/b, Н/мм: 0, 10, 20, 30, 40, 50, 75 Н. На рисунке 3.2 показана упрощенная картина деформирования поверхностного слоя при внедрении ролика в неподвижную заготовку и последующей обкатке. В первом случае (а) высота наплывов по обе стороны канавки одинакова, во втором (б) наплыв впереди ролика существенно выше. За счет этого равнодействующая давления ролика Р отклоняется от линии, на которой находятся центры вращения ролика и заготовки. При многоцикловой обкатке это приводит к накапливанию сдвиговой деформации, которая, хотя и меняет знак в пределах каждого цикла, однако имеет результирующую, отличную от нуля.
Можно предположить, что приложение к ролику тормозного момента вызовет увеличение сдвиговых деформаций (рисунок 3.2, в). Соответственно возрастает интенсификация упрочняющей обработки.
Пошаговый анализ модели при изменении различных параметров выявил ряд особенностей процесса обкатки тонкостенной заготовки при измененной схеме нагружения. Окружные напряжения распределяются по сечению заготовки следующим образом. Под роликом сжимающие напряжения максимальны (зона А на рисунке 3.3). Непосредственно за роликом образуется зона растягивающих напряжений (зона Б), значение которых зависит от величины тормозной силы. После обкатки на поверхности заготовки остаются сжимающие напряжения (зона В), величина которых уменьшается с приближением к внутренней поверхности заготовки, и на некоторой глубине остаточные напряжения становятся растягивающими (зона Г).
Поле скоростей течения металла в очаге деформации при обкатке с различной величиной тормозной силы (ролик катится влево, условно не показан) Выяснилось, что при приложении к ролику в процессе обкатки тормозной силы металл заготовки в очаге деформации перемещается не по направлению нормали к поверхности ролика, а под некоторым углом, значение которого возрастает при увеличении тормозной силы (рисунок 3.4). Следовательно, при нагружении ролика тормозной силой деформация носит в значительной степени сдвиговый характер.
Картина изолиний упрочнения металла при обкатке кольцевой заготовки показана на рисунке 3.5, а распределение упрочнения по сечению заготовки при различной величине тормозной силы представлено на рисунке З.б.
Распределение упрочнения по толщине стенки заготовки носит сложный характер. Упрочнение металла заготовки при обкатке плавно увеличивается от внутренних слоев к наружным. Однако при традиционной обкатке роликом большого диаметра наибольшее упрочнение металла наблюдается на некотором расстоянии от поверхности, затем упрочнение плавно снижается по мере приближения к поверхности. Это связано с тем, что при малой глубине вдавливания ролика большого диаметра угол вдавливания а (рисунок 3.3) очень мал, и перемещение металла по поверхности ролика затруднено. Поэтому в месте контакта ролика и заготовки возникает обширная зона прилипания, составляющая около 65% ширины пятна контакта, в которой деформация металла затруднена. Это подтверждает анализ эпюр скоростей течения металла относительно ролика в зоне контакта, показанных на рисунке 3.7.
При обкатке с приложением тормозной силы меняется картина распределения скоростей в пятне контакта (рисунок 3.7): по мере возрастания тормозной силы зона прилипания уменьшается, в результате увеличивается деформация и упрочнение поверхности. Эпюры перемещения металла относительно ролика в зоне контакта при обкатке с разной величиной тормозной силы (/ - длина дуги контакта) Исследования показали, что при приложении к ролику в процессе обкатки тормозной силы увеличивается сдвиговая составляющая л о кал г ной деформации поверхностного слоя, вследствие чего увеличивается поверхностное упрочнение металла заготовки. Упрочнение возрастает с увеличением тормозной силы (рисунок 3.8). При достижении значения тормозной силы, равной максимальной силе трения между поверхностями заготовки и ролика происходит полное проскальзывание ролика относительно заготовки, и дальнейшее увеличение упрочнения не наблюдается.
Показатели упрочнения изменяются также и при изменении диаметра ролика: при увеличении диаметра ролика уменьшается максимальное упрочнение поверхности. Диаграмма, показывающая зависимость максимального упрочнения поверхности от диаметра ролика и величины тормозной силы, представлена на рисунке 3.9. Из диаграммы видно, что, применяя для обкатки ролик большего диаметра и приложив к ролику тормозную силу, можно добиться такой же степени упрочнения, как и роликом меньшего диаметра при обычной схеме обкатки.
При увеличении радиальной силы, приложенной к ролику, в полтора раза глубина зоны деформации и упрочнение металла увеличиваются соответственно на 32 % и на 6 - 12 %, однако качественная картина напряженно-деформированного состояния не меняется. Показатели максимального упрочнения металла при увеличении радиальной силы обкатки в полтора раза по сравнению с рисунками 3.8 и 3.9, представлены на рисунках ЗЛО и 3.11.
Разработка оснастки для реализации нового способа
Одним из недостатков существующей оснастки для обкатки ступенчатых деталей, выявленным в 1 разделе, является снижение качества поверхности получаемых изделий вследствие проскальзывания роликов относительно боковой поверхности заготовки, возникающего из-за неравенства окружных скоростей контактирующих поверхностей заготовки и роликов.
Для устранения этого недостатка была предложена новая конструкция А ступенчатых роликов (рисунок 4.1). Ролики 1, контактирующие с заготовкой 2, выполняются составными в виде наборных дисков 3, посаженных на общей оси, причем каждый диск ро лика обладает возможностью независимого вращения относительно других дисков. Поскольку диски роликов вращаются независимо друг от друга, ис ключается проскальзывание дисков ролика относительно боковой поверхно сти заготовки. Предлагаемое устройство позволит получать изделия более высокого качества. На данную конструкцию роликов получен патент Российской Федерации [63]. Поскольку реализовать усовершенствованную технологию с помощью существующей оснастки невозможно, то необходимо было разработать новое обкатное устройство, которое позволит прикладывать к ролику в процессе обкатки не только радиальную, но и тангенциальную тормозную силу. При разработке были также учтены недостатки существующего обкатного уст Ы ройства, а именно недостаточно малая жесткость корпуса. Это приводило к тому, что при значительном радиальном биении заготовки существенно изменялась радиальная сила обкатки, что в некоторых случаях приводило к разрушению заготовки.
Конструкция ступенчатых роликов для обкатки Отличием данного обкатного устройства является наличие тормозного механизма, работающего следующим образом. В опорах корпуса на оси 7 ка чается коромысло 8, на котором закрепляется тормозная колодка 9 из фрик ционного материала, прижимаемая к ролику пружиной 10. Вращением гайки 11 можно изменять величину сжатия пружины, а следовательно и силу прижима. При этом на ролике создается тормозная сила, величина которой зависит от силы прижима и коэффициента трения между роликом и тормозной колодкой. К устройству прилагается комплект сменных роликов диаметрами 30, 40, 50, 60 мм. За счет изменения размеров корпуса по сравнению с преды : дущим обкатным устройством удалось снизить жесткость обкатного устрой ства до 5000 Н/мм. Максимальная величина радиальной силы обкатки 12000 Н. Максимальная тормозная сила, прикладываемая к ролику в процессе обкатки-1200 Н.
Усилие обкатки контролируется по деформации корпуса устройства с помощью индикатора часового типа ИЧ 10Б кл, 1 ГОСТ 577-68, с ценой деления 0.01 мм. Величина тормозной силы контролируется по величине сжатия тарированной пружины. Обкатка производилась при частоте вращения заготовки 30 об/мин (рисунок 4.6).
Для определения показателей упрочнения металла заготовки при обкатке был выбран один из экспериментальных методов — метод определения напряжений в пластической области по распределению твердости [64]. Этот метод основан на изменении твердости при холодном деформировании. Предполагается, что твердость деформированного тела не изменяется во времени (во всяком случае, за промежуток времени между деформированием объекта и измерением ее твердости). Из существующих способов измерения твердости был выбран способ измерения микротвердости, так как глубина отпечатка очень мала по сравнению с толщиной стенки заготовки, что позволяет достаточно точно определить твердость тонкого наклепанного слоя.
Обкатка литой заготовки однороликовым обкатным устройством Результаты измерений показали, что радиальное биение заготовки после об катки на всех режимах уменьшалось незначительно, поскольку жесткость об катного устройства мала и траектория движения ролика практически повто ряет профиль поверхности заготовки. Изменение диаметра заготовки проис ходит в основном за счет перераспределение металла микронеровностей, смятия выступов и заполнения впадин, при этом достигается равномерность упрочнения поверхности за счет очень малого колебания усилия обкатки. Очевидно, что для уменьшения радиального биения и разностенности поверхности заготовки необходимо применять обкатник более высокой жесткости.
