Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА. 1 Постановка цели и задач исследований 12
1.1. Основные типы инструментов для обработки отверстий поверхностным пластическим деформированием 12
1.2. Ротационные инструменты сепараторного типа для обработки отверстий роликами 18
1.3. Центробежные раскатники непрерывного действия 23
1.4. Анализ исследований в области поверхностного пластического деформирования 27
1.5. Цель и задачи исследований 38
ГЛАВА 2 Исследования конструктивных и силовых параметров центробежных раскатников и контактной зоны .- 41
2.1. Разработка рациональной схемы раскатника 41
2.2. Объект исследования 47
2.3. Определение конструктивных параметров центробежного раскатника 51
2.4. Определение геометрических параметров контактной зоны 58
2.5. Напряженное состояние в контактной зоне 62
Выводы по главе 2 66
ГЛАВА 3. Исследования взаимосвязи конструктивных параметров деформирующих роликов, геометрии контактной зоны, контактных напряжений и качества обработанной поверхности 68
3.1. Влияющие факторы и диапазон их изменения 68
3.2. Влияние конструктивных параметров деформирующих роликов и глубины внедрения на геометрию контактной зоны 69
3.3. Зависимость глубины упрочнения от параметров дефор мирующего ролика и диаметра детали 80
3.4. Взаимосвязь напряженного состояния в зоне контакта 88
Выводы по главе 3 89
ГЛАВА 4. Методика экспериментальных исследований 92
4.1. Экспериментальные исследования контактной зоны 92
4.2. Условия испытаний центробежного раскатника 91
4.3. Определение площади контактной зоны 101
4.4. Измерительная и регистрирующая аппаратура 103
4.5. Определение точности экспериментальных исследований 105
4.6. Планирование проведения эксперимента 108
4.7. Обработка результатов измерений 110
Выводы по главе 4 113
ГЛАВА 5 Экспериментальные исследования контактной зоны и центробежного раскатника 115
5.1. Задачи и особенности проводимых исследований 115
5.2. Зависимости глубины внедрения ролика и максимального напряжения в контакте от усилия деформирования 117
5.3. Зависимость шероховатости поверхности от величины оборотов центробежного раскатника 121
5.4. Зависимость глубины упрочнения от величины оборотов центробежного раскатника 123
5.5. Зависимости площади контакта от усилия деформирования и глубины внедрения ролика 124
Выводы по главе 5 126
ГЛАВА 6 Использование результатов исследования 130
6.1. Методика автоматизированного расчета параметров центробежного раскатника 130
6.2. Рекомендации по совершенствованию конструкции центробежного раскатника 133
6.3. Рекомендации по использованию результатов работы 136
Выводы по главе 6 138
Заключение 139
Список литературы 141
- Анализ исследований в области поверхностного пластического деформирования
- Определение конструктивных параметров центробежного раскатника
- Влияние конструктивных параметров деформирующих роликов и глубины внедрения на геометрию контактной зоны
- Зависимости глубины внедрения ролика и максимального напряжения в контакте от усилия деформирования
Введение к работе
В настоящее время поверхностное пластическое деформирование (ППД) роликами нашло широкое применение в машиностроении при изготовлении деталей из стали, чугуна, а также цветных металлов и предназначено для повышения качества поверхности, эксплуатационных свойств и несущей способности деталей машин [98].
В сравнении с выглаживающими прошивками, протяжками и выглажи-вателями, роликовые раскатники работают в более выгодных условиях: поскольку трение качения инструмента с обрабатываемой поверхностью при прочих равных условиях требует меньших усилий вдавливания инструмента, то снижаются давления в зоне контакта, а также уменьшаются потери на трение и нагрев инструмента. При этом практически во всех случаях, улучшаются служебные свойства обработанных поверхностей.
Широкое применение методов ППД в промышленности привело к созданию многочисленных конструкций инструмента и схем обработки. Выбор рациональной схемы обработки и оптимальной конструкции инструмента определяет технико-экономические показатели процесса и зависит от различных факторов, важнейшими из которых является тип производства, жесткость технологической системы, размеры и конструкция обрабатываемой детали, точность ее изготовления и других факторов.
Вопросам поверхностного пластического деформирования посвящена обширная научная и патентная литература [12, 36, 55, 61, 74, 89, 93, 102-110]. Этой проблеме посвящены исследования П. Г. Алексеева, Д. Д. Папшева, И. В. Кудрявцева, Ю. Г. Шнейдера, В. М. Торбило, А. С. Донского, А. М. Пронина, О. С. Черненко, В. М. Браславского, М. М. Жасимова, Я. Н. Отения, Ю. Г. Проскурякова, Г. М. Азаревича, Г. Ш. Бернштейна, В. И. Меньшова, М. С. Дрозда, Ю. И. Сидякина и других ученых.
Как показывают исследования, в общем случае, шероховатость обработанной поверхности, степень ее упрочнения, величина и знак остаточных напряжений зависит от технологических режимов ППД, усилия деформирова-
6 ния и подачи, исходной шероховатости заготовки, физико-механических свойств материала заготовки, типа применяемого инструмента и его конструктивных параметров [2, 9, 13, 19, 51, 68 и др].
Конструктивно инструмент для обработки ППД можно разделить на две группы: инструмент бессепараторного типа и инструмент сепараторного типа.
По характеру нагружения деформирующих элементов инструменты подразделяются: на механические с упругим контактом - пружинные, пневматические, гидравлические и комбинированные и с жестким контактом, настраиваемые строго на определённый размер.
Как показывает опыт, для обработки отверстий наибольшее распространение получили многороликовые раскатники. При этом, как правило, применяются инструменты с установкой роликов на опоры качения и сепараторного типа, инструменты упругого действия и, в редких случаях, инерционные раскатники.
Общим недостатком конструкций раскатников с установкой роликов на подшипники качения является то, что при этом увеличивается диаметр деформирующего элемента, а следовательно увеличивается пятно площади контактной зоны, что снижает его технологические и деформирующие возможности.
Недостаток жесткой роликовой головки заключается в том, что в процессе обработки без учета контактных деформаций ролика и его опор, диаметр обработки инструмента остается постоянным и не имеет возможности поднастройки. Недостатком также является и то, что установка роликов на диаметральный размер должна быть достаточно точной, чтобы соответствовать глубине внедрения деформирующего ролика в обрабатываемую поверхность, которая соизмерима с допуском на размер. Это не обеспечивает стабильности процесса обработки, так как с изменением действительного размера детали изменяется и усилие деформирования.
Применение пружины для нагружения деформирующих роликов уве- личивает податливость инструмента, но, тем не менее, полностью не обеспечивает стабильность процесса обработки, так как смещение пружины пропорционально усилию сжатию, при котором меняется величина натяга роликов, а следовательно и усилие деформирования.
Для устранения вышеназванных недостатков применяют пневматический и гидравлический приводы для нагружения деформирующих элементов, но и они обладают недостатками, громоздкостью и сложностью в эксплуатации. Кроме того, деформирующие ролики в этих конструкциях также установлены на подшипниковых опорах, что ведет к увеличению их диаметрального размера и большим площадям контактной зоны.
Широкое распространение получили ротационные раскатники сепараторного типа, выполненные по схеме планетарного обкатывания жесткой и упругой конструкции. Жесткие раскатники обладают высокой чувствительностью системы к самым незначительным колебаниям натяга при относительно точной предварительной обработки отверстий. Это является основным и труднопреодолимым недостатком. Поскольку величина натяга невелика и соизмерима с указанными погрешностями, возникают значительные колебания радиальных усилий деформирования, что влечет снижение качества обработки и стабильности процесса.
Более совершенными являются сепараторные копирующие раскатники пониженной жесткости. Однако, им также свойственны недостатки: конструкции сепараторов сложны и трудоемки в изготовлении; в местах контакта рабочей поверхности деформирующего ролика с опорным конусом, за счет установки под углом самозатягивания, его площадь уменьшается, а контактные напряжения и износ увеличивается. Кроме того, настройка на размер лежит в диапазоне (0,05...0,12) мм, что соизмеримо с допуском на диаметр обрабатываемой поверхности. В связи с тем, что размер детали в партии меняется в пределах допуска, а величина настройки неизменна, это приводит к значительным изменениям усилия деформирования, а, следовательно, снижает стабильность процесса ППД и качество обработки.
Более предпочтительными по сравнению с рассмотренными выглядят центробежные раскатники. При этом известны раскатники с применением рабочего агента - воздуха, для создания больших скоростей вращения корпуса инструмента с деформирующими элементами. Для достижения необходимого усилия воздействия деформирующих элементов на обрабатываемую поверхность, развиваемого центробежными силами, необходима окружная скорость (25...50) м/с [108], при которой в процессе пластического деформирования, как полагает ряд авторов [9, 65 и др] резко повышается температура, как на поверхности обрабатываемого материла, так и на деформирующих элементах, что снижает качество поверхности. Для создания высоких скоростей вращения необходимо специальное оборудование и технологическая оснастка.
В промышленности нашли применение шариковые центробежные раскатники. При обработке центробежными раскатниками такого типа угловая скорость достигает значений (1200... 1800) мин"1, при которой центробежное усилие деформирования находится в пределах (140... 150) Н на шар диаметра 32 мм.
В описанных центробежных раскатниках в качестве деформирующих элементов применяются шары, что не позволяет осуществлять выбор рациональных типов и конструктивных параметров деформирующих элементов. Кроме того, как показывает опыт, усилия деформирования, получаемые за счет центробежных сил, в рассмотренных конструкциях, недостаточны для обеспечения требуемого качества получаемой поверхности и глубины ее упрочнения.
Суммируя вышесказанное можно сделать вывод, что инерционные центробежные раскатники являются менее нагруженными и более производительными и частично устраняют известные недостатки раскатывающего инструмента. Вместе с тем, в отечественном машиностроении нет хорошо освоенных и серийно выпускаемых инерционных центробежных раскатни-ков, отсутствует методика расчета их конструктивных параметров и режимов обработки.
Поэтому, проблема создания центробежного многороликового раскатника, обеспечивающего стабильное качество при высокой производительности является актуальной.
Целью работы является обоснование конструктивных параметров и разработка центробежного раскатника, обеспечивающего высокую производительность, заданное качество поверхности и стабильность процесса обработки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
Провести структурный анализ схем обработки при центробежном раскатывании.
Разработать конструкцию центробежного раскатника.
Разработать математическую модель расчета конструктивных и силовых параметров центробежного раскатника.
Исследовать геометрические параметры контактной зоны при обработке отверстий роликами произвольной формы и размеров.
Исследовать напряженное состояние в контактной зоне.
Разработать методику и провести экспериментальные исследования контактной зоны и испытания центробежного раскатника.
Разработать методику автоматизированного расчета рациональных параметров центробежного раскатника.
На защиту выносятся:
Конструктивная схема центробежного раскатника для обработки поверхностным пластическим деформированием роликами с использованием промежуточных опорных катков.
Математическая модель взаимосвязи конструктивных и силовых параметров центробежного раскатника.
Результаты теоретических исследований геометрических параметров деформирующего ролика, контактной зоны и распределения в ней контакт- ных напряжений.
Результаты экспериментальных исследований геометрических параметров контактной зоны и испытаний экспериментального образца центробежного раскатника.
Конструкция центробежного пятироликового раскатника, обеспечивающего высокую производительность, заданное качество поверхности и стабильность процесса обработки.
Методика автоматизированного расчета рациональных параметров центробежного раскатника.
В первой главе рассматриваются различные типы существующих раскатывающих инструментов, особенности их работы и эксплуатации. Обозначаются требования, предъявляемые к конструкциям раскатывающего инструмента. Приводится обзор теоретических исследований их конструктивных параметров и геометрии контактной зоны. В этой же главе формируются цели и задачи исследований.
Во второй главе проводится синтез и анализ конструктивных схем многороликовых центробежных раскатников. Разрабатывается принципиально новая конструкция центробежного раскатника со схемой деформирования через промежуточные опорные катки. Раскрывается методика определения усилия деформирования и геометрических параметров контакта и математическая модель напряженного состояния в контактной зоне.
В третьей главе для вычисления функций разрабатывается алгоритм расчета на ЭВМ. Определяются функциональные зависимости влияния конструктивных и силовых параметров центробежного раскатника на геометрию и напряженное состояние контактной зоны. Это позволило определить критерии оптимизации параметров центробежного раскатника и легло в основу разработки и изготовления его экспериментального образца.
Четвертая глава посвящена описанию экспериментальной установка для исследований контактной зоны, экспериментального образца центробежного пятороликового раскатника для обработки отверстий. Обосновывается
11 выбор изменяемых параметров, их диапазон, шаг изменения и выбор измерительной аппаратуры заданной точности. Раскрывается методика планирования и постановки эксперимента, а также методика статистической обработки результатов исследований.
В пятой главе приводятся результаты экспериментальных исследований. Проведен анализ полученных экспериментальным путем результатов влияния усилия деформирования на глубину внедрения деформирующего ролика, максимального напряжения в контакте, площади контактной зоны, глубины упрочнения и шероховатости обработанной поверхности. Установлена качественная и количественная сходимость результатов аналитических и экспериментальных исследований.
В шестой главе разработан алгоритм и блок- схема программного обеспечения автоматизированного расчета оптимальных параметров центробежного раскатника и частоты его вращения, обеспечивающих заданные показатели качества. Кроме того, предложены рекомендации по совершенствованию конструкции центробежного раскатника, позволяющие снизить динамические нагрузки на опорные катки в процессе раскатывания и повысить стабильность обработки.
Полученные в работе результаты могут быть использованы в выполнении расчетов и разработке технической документации центробежных рас-катников, а методика автоматизированного расчета может быть положена в основу технического задания на их изготовление и промышленное освоение.
Анализ исследований в области поверхностного пластического деформирования
Однако, всем вышерассмотренным конструкциям в той или иной степени свойственны недостатки: раскатывающие головки не универсальны, предназначены для обработки одного размера детали; конструкции сепаратора сложны и трудоёмки в изготовлении; в местах контакта рабочей поверхности деформирующих роликов со стенками сухарей или гнёзд сепараторов возникает значительное трение скольжение, что вызывает повышенный износ элементов инструмента; в области упругого контакта между роликами и опорным конусом действуют большие контактные напряжения, приводящие к быстрому выходу из строя деформирующих роликов и опорного конуса. За счёт установки роликов под углом самозатягивания площадь упругого контакта с опорным конусом резко уменьшается, при одновременном значительном увеличении контактных напряжений.
Более предпочтительными по сравнению с рассмотренными выглядят центробежные раскатывающие инструменты.
Помимо пружинных, пневматических и гидравлических раскатников упругого действия для чистовой обработки ППД применяют центробежные раскатники. Одними из таких инструментов являются центробежные шариковые раскатники с применением рабочего агента - воздуха, для создания больших скоростей вращения корпуса инструмента с деформирующими элементами [108]. Высокие скорости вращения деформирующих элементов позволяют увеличить усилие деформирования.
На рисунке 1.6 представлен центробежный раскатник Могилевского машиностроительного института [], предназначенный для раскатывания труб гидроцилиндров. Раскатник состоит из корпуса 1, соединенного с диском 2 винтами 3. Обращенные навстречу друг к другу торцы корпуса 1 и диска 2 образуют камеру расширения в которой размещено кольцо 4, в котором с внешней стороны выполнены сферические гнезда 5 для размещения деформирующих элементов - шаров 6. С внутренней стороны кольцо имеет лопатки 7. При работе сжатый воздух поступает в камеру расширения где воздействует на лопатки 7, приводит во вращение кольцо 4 с размещенным в его гнездах 5 деформирующих элементов - шаров 6, обеспечивая ППД поверхности отверстия детали 8.
Как видно из описания, рассмотренная выше конструкция обладает существенными недостатками. Для достижения необходимого усилия воздействия деформирующих элементов на обрабатываемую поверхность 8, развиваемого центробежными силами, необходима окружная скорость 25...50 м/с [108] при которой в процессе пластического деформирования, как полагает ряд авторов [10, 65] резко повышается температура, как на поверхности обрабатываемого материла, так и на деформирующих элементах. Для создания высоких скоростей вращения необходимо специальное оборудование и технологическая оснастка.
Центробежный раскатник иной конструкции, применяемый в настоящее время на Московском автомобильном заводе им. Лихачева и Горьков-ском автомобильным заводе [98] (см. рис. 1.7) состоит из механического привода, включающего электродвигатель 1, шкивы 2 и 3. При помощи ременной передачи осуществляется вращение шпинделя 4 шариковой головки, на которой закреплен с помощью болта 6 сменный корпус 5 шариковой головки с тремя шариками 7. Шарики свободно размещаются в радиально расположенных пазах, которые по высоте смещены относительно друг друга на 0,001 м. Выпадение шариков предотвращается развальцованными краями отверстия, выполненными таким образом, что шарики выступают из корпуса не более, чем на 0,0022 м. При обработке угловая скорость инерционного рас-катника достигает 240 сек."1, при которой развивается центробежная сила в пределах 140... 150 Н на шарик.
В описанных выше инерционных раскатниках применяются шары, что не позволяет осуществлять выбор их параметров формы и размеров для достижения требуемого качества при ППД. Кроме того, как показывает опыт и приведенные выше цифры, усилия деформирования, получаемые за счет центробежных сил в рассмотренных конструкциях недостаточны для обеспечения высокого качества получаемой поверхности и величины упрочненного слоя. Следовательно, технологические возможности рассмотренных инструментов ограничены.
Теоретические исследования процесса поверхностного пластического деформирования, как правило, осуществляются на основе разработки и анализа математических моделей контактной зоны, геометрических параметров и напряженного состояния в контактной зоне и для выявления их качественных и количественных зависимостей, технических показателей раскатывающего инструмента от его конструктивных и силовых параметров.
Эти исследования сопряжены с определенными трудностями, т. к. поверхностный слой при обработке деталей формируется в результате сложных взаимосвязанных процессов, происходящих в очаге деформирования и прилегающих к нему зонах, многократных упругих и пластических деформаций, изменения прочностных и пластических свойств деформированного металла, трения и тепловых процессов, изменения макро- и микроструктуры, микрогеометрии самой поверхности и других явлений.
Определение конструктивных параметров центробежного раскатника
Полученная зависимость позволяет сделать вывод, что при обработке отверстий по схеме прямого раскатывания, максимальное усилие при постоянных частоте вращения инструмента и длине роликов достигается в случае, когда диаметр ролика превышает половину радиуса детали (см. рис. 2.2). Этого можно достичь только в случае, когда в инструменте установлен один ролик. С увеличением диаметра детали при соблюдении условия (2.6), диаметр ролика и усилие деформирования увеличиваются в прямо пропорциональной зависимости.
Увеличение диаметра деформирующих роликов необходимо с целью обеспечения номинального усилия деформирования при минимальной частоте вращения инструмента. В свою очередь известно, что увеличение диаметра деформирующего элемента приводит к необходимости увеличения усилия деформирования, так как при этом увеличивается и площадь контакта.
Рассмотрим схемы с различным количеством деформирующих роликов и опорных катков (см. рис. 2.3). Одним из главных факторов, влияющим на усилие раскатывания является угол 7) - между отрезком, соединяющим центры двух смежных роликов и направлением усилия взаимодействия Ркр между деформирующим роликом и опорными катками. Чем меньше этот угол, тем больше усилие деформирования. Однако, для схемы с двумя и тремя опорными катками, как видно из рисунка 2.2 а и 2.2 б, угол У\ является отрицательным. Это означает, что ролики и опорные катки под действием центробежных сил не взаимодействуют друг с другом, а расходятся в радиальных направлениях каждый по отдельности. При четырех роликах угол ц = О (см. рис. 2.3, в). Если предположить, что ролики и катки вписаны в абсолютно жесткую цилиндрическую поверхность, а сами катки выполнены упруго- деформируемыми и с положительными допусками, то ролики и катки заклинит относительно друг друга. При отрицательных допусках, образующих зазоры между катками схема обработки через промежуточные катки преобразуется в схему прямого действия.
Таким образом, обеспечение обработки через промежуточные опорные катки возможно только при пяти и более роликах. Принимая во внимание, что с увеличением размеров катков усилие Ру увеличивается пропорционально, то пятироликовый инструмент обеспечивает только ее усилие деформирования в схеме обработки с промежуточными опорными катками.
Суммируя вышесказанное можно сделать вывод, что использование в инструменте деформирующих роликов рациональных диаметров, обеспечивающих достижение необходимого качества обработанной поверхности, возможно лишь по схеме компоновки центробежного раскатника через промежуточные опорные катки в пятироликовом центробежном раскатнике.
На кафедрах "Металлорежущие станки и инструменты" Волгоградского государственного технического университета и "Технология машиностроения" Камышинского технологического института разработана принципиальная конструктивная схема центробежного раскатника, являющегося объектом исследования настоящей работы. В общем случае (см. рис. 2.4) центробежный раскатник состоит из корпуса 1, снабженного внутренней полостью 2, где располагаются инерционные узлы для создания усилия деформирования, каждый из которых включает два опорных катка 3, имеющих необходимые размеры и массу и установленных с помощью подшипников 4 в ползунах 5, размещенных в радиальных пазах 6 корпуса 1 таким образом, что на каждую пару опорных катков 3 опирается деформирующий ролик 7.
В рассматриваемом инструменте направления осей радиальных пазов 49 ползунов 5, опорных катков 3, деформирующих роликов 7 и шпилек 8 совпадают и выполнены под углом самозатягивания "со" по отношению к оси вращения инструмента.
Шпильки 8 служат для удержания деформирующих элементов - роликов 7 от выпадения при неработающем инструменте. Кроме того, на корпусе 1 посредством подшипника 9 крепится базирующее устройство, выполненное в виде обоймы 10, внутренняя поверхность которой охватывает наружное неподвижное кольцо подшипника 9, закрепленного на корпусе 1 посредством внутреннего кольца. Внешняя поверхность обоймы снабжена направляющими шпонками 11, наружная поверхность которых имеет диаметральный размер и форму обработанной поверхности. Наличие в предлагаемом инструменте базирующего устройства позволяет в процессе работы осуществлять его координацию по обработанной поверхности, является дополнительной опорой, придает устойчивость и снижает динамику процесса пластического деформирования, что повышает качество обработанной поверхности.
Раскатывание осуществляется следующим образом. Центробежному раскатнику сообщается вращение и он вводится в обрабатываемое отверстие детали. В результате вращения корпуса 1 вместе с инерционными узлами (см. рис. 2.4) возникают центробежные силы, развиваемые массами опорных катков 3, установленных с помощью подшипников 4 в ползунах 5, перемещая их вдоль радиальных пазов 6 к периферии корпуса 1 инструмента вместе с деформирующими роликами 7. При этом на деформирующие ролики 7 действуют как центробежные силы, развиваемые их собственной массой, так и центробежные силы двух смежных опорных катков 3, обладающих по сравнению с ними более значительной массой. Поэтому, деформирующие ролики ,совершая движение по круговой траектории, внедряются в обрабатываемый материал детали, осуществляя пластическое деформирование ее поверхности. Наличие инерционных узлов для создания усилия деформирования, вращающихся с заданными окружными скоростями, могут образовывать диапазон центробежных сил, обеспечивающих расчетные усилия де-
формирования для обработки материалов с различными физико-механическими свойствами и микрогеометрическими параметрами. При этом, постоянство необходимого усилия деформирования является главным фактором обеспечения качества обработанной поверхности, в том числе и глубины упрочненного слоя.
При работе инструмента деформирующие ролики 7, вращаясь с заданной окружной скоростью с инерционными узлами, за счет сил трения, возникающих при их контакте с обрабатываемой поверхностью в процессе пластического деформирования, получают вращение вокруг собственной оси. При этом, каждый деформирующий ролик 7 опирается на пару опорных катков 3, установленных с помощью подшипников 4 и ползунов 5 в радиальных пазах 6 корпуса 1 под углом самозатягивания " у" по отношению к оси вращения. Следовательно, деформирующий ролик в процессе работы раскатника также будет устанавливаться под углом самозатягивания "& ", осуществляя процесс самоподачи центробежного раскатника.
При работе центробежного раскатника шпильки 8 за счет гарантированного зазора не соприкасаются с деформирующими элементами 7. Кроме того, в процессе работы раскатник, перемещаясь в осевом направлении, самоустанавливается (базируется) за счет базирующего устройства, установленного на корпусе 1 инструмента посредством подшипника 9 (см. рис. 2.4).
Таким образом, описанная конструкция центробежного раскатника дает возможность постоянства необходимого усилия деформирования при ППД, что является главным фактором обеспечения качества обработанной поверхности.
Влияние конструктивных параметров деформирующих роликов и глубины внедрения на геометрию контактной зоны
При выборе и назначении конструктивно-технологических параметров обработки возникают значительные затруднения, связанные с тем, что на окончательные результаты формирования качества поверхностного слоя влияет большое количество различных независимых и взаимосвязанных между собой аргументов. Как правило, любой показатель качества поверхности есть функция многих независимых переменных: - показатель качества поверхностного слоя (глубина упрочнения, степень упрочнения, распределение напряжений в поверхностном слое, достигаемая шероховатость, изменение микротвёрдости и т. д.).
Для определения некоторых показателей качества существуют аналитические зависимости, например в литературных источниках приводятся формулы для расчета шероховатости от профильного радиуса и подачи, глубины упрочнения от усилия деформирования и приведенного радиуса ролика и детали [7, 15, 47, 61, 65 и др.]. Многие другие показатели качества не удаётся определить через приемлемые теоретические решения, и в связи с тем, что при упругопластическом деформировании в контактной зоне протекают сложные физико-механические процессы, изучение которых на теоретическом уровне представляет значительные трудности, то эта задача полностью не решена.
Поэтому, влияние конструктивно-технологических параметров, в частности усилия деформирования, геометрических параметров деформирующих роликов на шероховатость, остаточные напряжения, изменения структуры металла, коррозионную стойкость и т. д. изучают преимущественно экспериментально. В связи с наличием большого количества независимых переменных, участвующих в процессе обработки, многие авторы из всей совокупности аргументов, влияющих на качество поверхности выделяют наиболее существенные и, в первую очередь, это относиться к усилию деформирования и площади контакта.
В первой главе было установлено, что усилие деформирования и площадь контакта при одних и тех же значениях величин по-разному влияют на качество поверхностного слоя, если исследование производят разными деформирующими роликами, как по форме, так и по размеру.
Экспериментальные исследования (см. раздел 1.2) как правило проводят на валах, как более простые по реализации. При этом, во многих других случаях нет подробных пояснений на каких поверхностях проводились исследования - на валах или на отверстиях.
Поэтому, важным является вопрос о правомерности использования результатов теоретических и экспериментальных исследований, полученных при обработке валов. Необходимо выявить возможность применения имеющихся результатов при назначении технологических режимов для обработки отверстий. Кроме того, необходимо выяснить правомерность применения переводных коэффициентов, чтобы использовать обширный материал в области ППД, полученный при обработки валов для назначения режимов при обработке отверстий. Поэтому, целесообразно получить сравнительные данные и провести их анализ для различных условий деформирования, как по площадям контакта, так и по условиям деформирования и их взаимосвязь с качеством обработанного поверхностного слоя.
При рассмотрении площади контакта возникает вопрос по каким параметрам сравнивать контактные зоны: 1 - имеющие одинаковые площади контакта; 2 - имеющие различные площади контактной зоны, но оказывающие одинаковые влияние на показатели качества. Например, два эллипсных контакта с одинаковой площадью могут иметь разную ориентацию по отношению к оси обрабатываемой детали (см. рис. 3.1). Первое пятно контакта образуется значительно большим по размеру профильным роликом и меньшим профильным радиусом по сравнению со вторым контактом, который образуется роликом небольших размеров со сравнительно большим профильным радиусом. Результаты обработки в каждом случае, очевидно, будут неравнозначны. Этот пример показывает, что сравнивать необходимо контактные зоны, получаемые при обработке одним и тем же роликом. Анализируя аналитические зависимости для определения уравнения контурной линии контактной зоны можно сделать вывод, что на размеры контактной зоны влияют конструктивные параметры деформирующих роликов, ориентация ролика по отношению к оси детали, размеры обрабатываемой поверхности, вид обработки (отверстие или вал), глубина внедрения ролика и другие. Это усложняет выбор геометрии контактной зоны по которой можно анализировать влияние перечисленных параметров на качество обработки. Из графиков изменения полуширины контактной зоны от его длины, представленных на рисунке 3.2 видно, что при увеличении диаметра обрабатываемой детали, площадь контакта при одной и той же глубине внедрения ролика увеличивается. Максимальные напряжения в центре площадки останутся теми же, в то время как суммарное усилие будет возрастать. Таким образом можно сделать вывод, что сравнивать нужно между собой площади контакта, полученные при обработке идентичными роликами, внедрёнными в поверхность на одну и туже глубину. При обработке центробежным раскатыванием размеры роликов и катков нельзя выбирать произвольно: они зависят от диаметра обрабатываемого отверстия и выбранного количества роликов (катков) (см. разделы 2.1, 2.2). Кроме того, в предыдущей главе было доказано, что прямая схема раскатывания возможна при любом количестве роликов, а схема раскатывания через опорные катки - когда в раскатнике их не менее пяти.
Зависимости глубины внедрения ролика и максимального напряжения в контакте от усилия деформирования
Кроме того, муфта 3 при установке на рычаг 2 фиксируется в вертикальной плоскости специальным винтом 13, исключая перекос при передаче усилия через муфту к ролику. При необходимости, если запланирован эксперимент в передаче усилия под заданным углом, муфта 3 имеет возможность поворачиваться вокруг горизонтальной оси рычага 2.
Под действием заданного груза 7 (см. рис. 4.1) создаётся усилие нагружения, передаваемое через муфту 3 и седло 4 на деформирующий элемент -ролик 9. Деформирующий элемент под действием создаваемого рычажным механизмом с соотношением плеч 1/7 усилия, внедряется в поверхность детали 10. Ролик, внедряясь в обрабатываемую поверхность детали образует на промежуточном элементе 13 отпечаток площади контактной зоны, что является задачей эксперимента. При этом щуп индикатора часового типа фиксирует вертикальное перемещение только деформирующего элемента - величину глубины внедрения, что также является задачей эксперимента. Устройство нагружения 6 (см. рис. 4.1) позволяет прикладывать нагрузку плавно, без ударов.
Разработанный стенд позволяет провести экспериментальные исследования влияния усилия деформирования и геометрии деформирующего ролика на геометрию геометрии контактной зоны при следующих варьируемых параметрах: D - диаметр детали; Ру - усилие деформирования; d - диаметр ролика; R - исходная шероховатость. Значения варьируемых параметров приведены в таблице 4.1:
Выбор параметров и диапазона их изменения, представленных в таблице 4.1, производился на основе анализа проведенных теоретических исследований в полном соответствии с выводами, полученными в результате их проведения. Вариация диаметра сегмента трубы осуществлялась установкой на поворотном столе из последовательного ряда запланированных диаметров равных соответственно 0,8 м; 0,16 м; 0,24 м; 0,32 м. Вариация усилия деформирования осуществлялась путем изменения величины груза на подвеске 7 (см. рис. 4.1), обеспечивающих величину усилия: 500 Н; 1500 Н; 2000 Н; 3500 Н; 5000 Н. Значение диаметра деформирующего ролика варьировалось от 10-10" м до 66-10" м. Исходная шероховатость варьировалась от 1,25 мкм до 10 мкм. Предварительно обработанную с заданной шероховатостью деталь разрезали в продольном направлении на сегменты, маркировали и использовали в экспериментах в соответствии с разработанной методикой. По результатам анализа графических зависимостей, полученных теоре тическим путем и исследований контактной зоны на установке для экспери ментальных исследований, были определены рациональные значения конст руктивных параметров, по которым разработана техническая документация и изготовлен экспериментальный образец центробежного раскатника для обра ботки ППД отверстий, имеющего следующие характеристики [83]: диаметр обрабатываемого отверстия, м - 0,16; диаметр деформирующего ролика, м диаметр опорного катка, м длина опорного катка, м количество деформирующих элементов и опорных катков, шт. частота вращения, мин"1 усилие деформирования, Н
На рисунке 4.3. показан центробежный раскатник, который состоит из корпуса 1, снабженного внутренней полостью, где располагаются инерционные узлы для создания усилия деформирования, каждый из которых включает два опорных катка 2, имеющих необходимые размеры и массу и установленных с помощью игольчатых подшипников в ползунах 3, размещенных в радиальных пазах 4 корпуса 1 таким образом, что на каждую пару опорных катков 2 опирается деформирующий элемент 5, выполненный в виде конического ролика.
Шпильки б служат для удержания деформирующих элементов - роликов от выпадания при неработающем раскатнике. Внутренние концы шпилек 5, введенные в поднутрения роликов, оснащены конусами, где для уменьшения трения установлены шарики. Это позволяет центрировать деформирующие ролики с помощью шпилек 5 в осевом направлении и, кроме того, воспринимать осевую нагрузку через шарик на плоскую поверхность поднутрения в процессе обработки ППД.
В рассматриваемом инструменте направления осей радиальных пазов 4, ползунов 3, опорных катков 2, деформирующих элементов 5 и шпилек 6 совпадают и выполнены под углом самозатягивания "и" по отношению к оси вращения раскатника. Это обеспечивает постоянство скорости подачи и создает условие для стабильного процесса пластического деформирования, что обеспечивает качество обработанной поверхности.
Кроме того, на корпусе 1 посредством подшипника 7 крепится базирующее устройство 8, выполненное в виде обоймы, внутренняя поверхность которой охватывает наружное неподвижное кольцо подшипника 7. Внешняя поверхность обоймы снабжена направляющими шпонками 9, изготовленными из второпласта. Наружная поверхность шпонок имеет диаметральный размер и форму обработанной поверхности. Наличие в предлагаемом инструменте базирующего устройства позволяет в процессе работы осуществлять его координацию по чистовой обработанной поверхности, является дополнительной опорой, придает устойчивость и снижает динамику процесса пластического деформирования, что повышает качество обработанной поверхности.
Корпус инструмента имеет также радиальные отверстия для подачи смазывающе-охлаждающей жидкости в зону пластического деформирования.
Исследования проводились на токарном станке 1М63 (см. рис.4.4), т. к. для процесса раскатывания деталей чаще всего используют универсальные металлорежущие станки практически всех типов [47]. Центробежный раскат-ник 1 устанавливается на оправке 2 , которая крепится в патроне станка 3. На суппорте станка 4 установлено специальное приспособление 5 в виде призмы и зажима для крепления заготовки - трубы 6. Головная часть раскатника фиксируется задним центром 7, установленным в задней бабке станка.
