Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обработка неполных сферических головок шаровых пальцев обкаткой. технологические решения и проблемы 7
1.1. Бесцентровые способы обкатки 10
1.2. Центровые способы обкатки 17
1.3. Способы планетарной обкатки 20
1А Задачи исследования 26
ГЛАВА 2 Исследование проблем традиционной технологии обработки неполных сферических головок шаровых пальцев и разработка нового способа планетарной обкатки их поверхностей 28
2.1. Причины различия параметров шероховатости на участках поверхности головок шаровых пальцев после черновой обработки фрезерованием 28
2.2. Экспериментальное изучение характера неравномерности исходного профиля
2.2.1. Методика эксперимента 31
2.2.2. Оценка точности измерения микротопографии сферических поверхностей головок шаровых пальцев 33
2.2.3. Результаты эксперимента и их анализ
2.3. Исследование традиционной кинематической схемы планетарной обкатки .38
2.4. Способ планетарной обкатки поверхности неполной сферической головки шарового пальца с дополнительным поворотом изделия .51
Выводы по главе
ГЛАВА 3 Математическое описание способа планетарно поворотной обкатки поверхностей головок шаровых пальцев 55
3.1. Кинематика процесса 55
3.2. Анализ равномерности обработки поверхностей головок шаровых пальцев при использовании планетарно-поворотной обкатки 61
3.3. Расчет основных параметров инструмента 68
3.4. Моделирование процесса смятия микронеровности
3.4.1. Алгоритм решения задачи 70
3.4.2. Анализ результатов расчетов энергосиловых параметров
Выводы по главе 90
ГЛАВА 4 Экспериментальное исследование закономерностей процесса формирования микрорельефа поверхности головки шарового пальца при планетарной обкатке 92
4.1. Методика проведения эксперимента 92
4.2. Промышленное и измерительное оборудование для исследований 93
4.3. Результаты исследований и их анализ 95
Выводы по главе 101
ГЛАВА 5 Разработка технологий, реализующих способ планетарно-поворотной обкатки 103
5.1 Планетарно-поворотная обкатка с дискретным поворотом шарового пальца. 103
5.2. Планетарно-поворотная обкатка с ускорением вращения обкатного инструмента 105
5.3. Головка для чистовой обработки неполных сферических поверхностей 107
5А Внедрение результатов работы... 109
Выводы по главе 111
Заключение
Список литературы
- Центровые способы обкатки
- Экспериментальное изучение характера неравномерности исходного профиля
- Анализ равномерности обработки поверхностей головок шаровых пальцев при использовании планетарно-поворотной обкатки
- Промышленное и измерительное оборудование для исследований
Центровые способы обкатки
Планетарная обкатка как способ чистовой обработки неполных сферических поверхностей получила широкое распространение на отечественных предприятиях, специализирующихся на выпуске комплектующих частей для легковых автомобилей [27-31]. Среди широкой гаммы способов как обкатки, так и поверхностного пластического деформирования в целом, планетарная обкатка является практически единственным, позволяющим эффективно производить обработку неполных сферических поверхностей с одним торцевым срезом. Именно в виде подобных неполных сфер выполнены головки шаровых пальцев, применяемых в качестве составных частей шаровых шарниров для большинства современных отечественных автомобилей.
В основе способов планетарной обкатки лежит кинематическая схема, согласно которой деформирующему инструменту сообщают вращение по окружности, лежащей в плоскости, смещенной относительно центра обрабатываемой сферической поверхности. Свойство сферической поверхности, заключающееся в том, что ее любое сечение плоскостью дает окружность, позволяет представить процесс обработки неполной сферической поверхности головки шарового пальца планетарной обкаткой как движение образующей линии окружности, описанной деформирующими элементами, плоскость которой смещена относительно центра сферы, по направляющей линии - окружности, полученной за счет вращения обкатываемой детали. При этом угловая скорость вращения обкатной головки а инст связанн а сгловоо йкоростью вращения ябрабатываемого шарового пальца соотношением тст » ФШ „ [32]. Благодаря этому соотношению обработка указанными способами характеризуется стабилизацией кинематики процесса обкатки по всей поверхности неполной сферы. В связи с этим данные способы применимы для обкатки сферических поверхностей с одним торцевым срезом.
На базе описанной выше кинематической схемы был разработан целый ряд способов обкатывания и устройств для их осуществления. Основным их различием между собой является вид деформирующих элементов, а также их размещение в обкатном инструменте.
По виду применяемых обкатных тел способы можно разделить на использующие шарики, а также на способы, где применяются ролики. Из последних, в свою очередь, можно отдельно выделить способы обкатки с применением роликов цилиндрических и конусообразных.
Одним из достоинств планетарной обкатки шариками является то, что при эксплуатации данных деформирующих тел в процессе пластического деформирования принимает участие вся его поверхность за счет нефиксированного по 22 ложения шарика относительно инструмента. Благодаря этому существенно увеличивается срок службы деформирующих тел, поскольку износ распределяется по всей их поверхности.
Процесс планетарной обкатки шариками неполных сферических поверхностей осуществляется при помощи специальных головок сепараторного типа (рис. 1.13) [33]. Во время обработки шарики контактируют с обрабатываемой сферой и поверхностью опорной дорожки в составном корпусе обкатной головки. При этом проявляется один из недостатков данного способа обработки- некоторый износ поверхностей шариков и опорной дорожки за счет имеющего место их взаимного проскальзывания.
Обкатная головка для обработки неполных сферических поверхностей шариками: 1 - обрабатываемая деталь; 2 - деформирующие шарики; 3 - наружное кольцо; 4 - опорный ролик; 5 - охлаждающее устройство Планетарная обкатка неполных сферических поверхностей коническими роликами нашла свое применение при обработке сфер шаровых пальцев поверхностным пластическим деформированием на Волжском автомобильном заводе (рис. 1.14). Данный способ чистовой обработки [34] был внедрен в 1997 г. в це 23 хе Шасси-3 МСП АО "АвтоВАЗ" при обработке шаровых пальцев 2101-2904187-10 заднеприводных автомобилей взамен операции шлифования [35]. Способ осуществим при использовании устройства планетарного типа, деформирующие элементы которого выполнены в виде конических роликов со сферической торцовой поверхностью, установленных в обкатном устройстве (головке) с возможностью качения по опорной втулке. Требуемым условием является нахождение в одной точке вершин конусов роликов и центров радиусов их сферических торцов, при чем эта точка должна лежать на оси обкатной головки.
При данном способе обработки окружные скорости конического ролика и опорной дорожки одинаковы, чем обеспечивается снижение проскальзывания в зоне контакта ролика и опорной дорожки. Однако помимо очевидных достоинств, связанных со снижением износа деформирующих роликов и опорной дорожки, способ обладает серьезным недостатком, заключающимся в сложности изготовления роликов оригинальной конструкции. Также данный способ обладает недостатком, характерным для большинства способов планетарной обкатки где в качестве деформирующих тел выступают ролики - поверхность обкатного ролика, контактирующая с обрабатываемой деталью, составляет незначительную часть от общей поверхности ролика, что ведет к неэффективному использованию деформирующих тел.
К тому же невозможно реверсирование конических роликов при достижении критического износа узкой контактной поверхности. Данную операцию проводят с цилиндрическими роликами с целью переноса зоны взаимодействия инструмента и обрабатываемой детали на участок поверхности деформирующего тела, располагающийся симметрично выработанному относительно середины бочки ролика.
Примером планетарной обкатки неполных сферических поверхностей шаро вых пальцев деформирующими телами в виде цилиндрических роликов может служить способ обработки самоцентрирующим устройством, рабочие элементы которого вращаются вокруг оси обкатной головки с большей угловой скоро стью, чем скорость вращения обрабатывающего пальца (рис. 1.15) [36]. Конструкция головки, предназначенной для его осуществления, позволяет в ка честве деформирующих тел использовать не менее трех рабочих роликов, уста новленных с возможностью качения на пальцы в корпусе симметрично относи тельно оси вращения инструмента. В связи с этим в качестве деформирующих элементов возможно применение стандартных изделий шарикоподшипников. Благодаря простоте конструкции обкатной головки, а также возможности применять в качестве обкатных тел стандартные изделия данный способ получил широкое распространение среди отечественных производителей шаровых шарниров. С его помощью производят обработку неполных сферических поверхностей шаровых пальцев для отечественных легковых автомобилей. Например, шаровых пальцев 2101-2904187-10 (диаметр сферы 32,7 мм) для задне-приводных автомобилей ВАЗ или 2108-2904187-10 (диаметр сферы 27,0 мм) для переднеприводных моделей Волжского автозавода. В качестве деформирующих элементов выступают три шарикоподшипника № 201 [37] с наружным диаметром обоймы 32 мм и твердостью обоймы 60 HRC
Экспериментальное изучение характера неравномерности исходного профиля
В пределах регулирования технологических параметров процесса планетарной обкатки (см. рис. 2.12. - 2.14.), осуществимых на действующем оборудовании, наиболее эффективными с точки зрения весомости влияния на кратность обработки представляются количество деформирующих тел качения N, установленных в обкатной головке, а также количество оборотов п шарового пальца вокруг своей оси в процессе обкатки (или времени обработки /, поскольку данные параметры связаны соотношением п — со ).
Однако при изменении значений данных параметров возникает ряд ограничений. Так, например, жесткая прямая зависимость времени, затрачиваемого на проведение операции чистовой обработки поверхности головки шарового пальца, от количества совершаемых им оборотов вокруг своей оси во время об 49 катки не позволяет в условиях реально действующего производства, где рассматриваемая операция является частью многоступенчатого технологического процесса, производить увеличение кратности обработки поверхности за счет снижения производительности. На практике стремятся производить обкатку поверхности головки шарового пальца за 1...2 оборота его вокруг своей оси вращения.
Увеличение количества деформирующих тел качения в обкатной головке ограничивается возможностью их одновременного размещения на поверхности обрабатываемой неполной сферической головки. Как правило, их число не превышает 8... 10 при использовании шариков либо роликов, соизмеримых с используемыми при изготовлении подшипников качения легких серий. Применение же в качестве деформирующих тел качения самих подшипников, например № 201 особолегкой серии [37, 59] (явление, широко распространенное на отечественных предприятиях - изготовителях шаровых шарниров), ограничивает в силу геометрических размеров обрабатываемых поверхностей и данных стандартных изделий их количество тремя единицами (рис. 2.17).
Режимы чистовой обработки поверхности неполной сферической головки шарового пальца планетарной обкаткой назначают из необходимости создания требуемых высотных параметров микронеровностей на ее экваториальных участках, поскольку именно на них имеют место наибольшие значения параметров шероховатости, связанных с высотными свойствами неровностей, после черновой обработки (см. рис. 2.7). Однако увеличение кратности обработки данных участков при планетарной обкатке по традиционной кинематической схеме за счет изменения времени протекания процесса либо числа деформирующих тел не влияет на характер распределения ее значений по поверхности головки (см. рис. 2.12, а и 2.13). При этом постоянно максимальное значение кратности обработки будет наблюдаться на полюсе головки, минимальное - на ее экваторе.
Распределение по поверхности головки значений параметров шероховатости, связанных с высотными свойствами неровностей, напротив, характеризуется максимумом на экваторе с постепенным их снижением по мере приближения к полюсу или торцевому срезу головки (см. рис. 2.7). Данное не 51 соответствие между распределениями вышеупомянутых параметров по поверхности головки неизбежно ведет к неэффективному использованию машинного времени при создании требуемых значений высотных параметров шероховатости на экваторе за счет неоправданной обработки участков поверхности головки, прилегающих к ее полюсу и торцевому срезу.
Очевидно, что возникает необходимость в совершенствовании кинематической схемы планетарной обкатки поверхностей неполных сферических головок шаровых пальцев с целью повышения относительной кратности обработки ее экваториальных участков с одновременным понижением неоправданно высоких значений данного параметра на полюсе головки и участках поверхности, прилегающих к ее торцевому срезу.
С целью увеличения относительной кратности обработки участков поверхности неполной сферической головки шарового пальца, прилегающих к ее экватору, был предложен нетрадиционный способ планетарной обкатки - ППО (планетарно-поворотная обкатка). Отличительной особенностью данного способа является сообщение шаровому пальцу в процессе чистовой обработки поверхности неполной сферической головки, помимо вращения его вокруг своей оси, дополнительного поворотного движения [60]. Дополнительный поворот шарового пальца осуществляется в плоскости, проходящей через его продольную ось перпендикулярно плоскости вращения деформирующих тел качения, установленных в обкатной головке на определяемый геометрическими размерами неполной сферической головки угол ф (рис. 2.18).
При сообщении шаровому пальцу дополнительного поворота происходит постепенное сужение зоны поверхности его головки, подвергающейся чистовой обработке со стороны вращающихся деформирующих тел качения. Осуществ 52 ляется исключение из зоны обработки периферийных участков поверхности головки, прилегающих к ее полюсу и торцевому срезу. Тем самым сокращается время их обкатки и исключается дальнейший неоправданный рост кратности их обработки.
Анализ равномерности обработки поверхностей головок шаровых пальцев при использовании планетарно-поворотной обкатки
При использовании в качестве способа чистовой обработки поверхностей головок шаровых пальцев планетарно-поворотной обкатки характер распределения значений относительной кратности обработки существенно отличается от характера распределения значений данного параметра при традиционной планетарной обкатке (рис. 33). В качестве рассматриваемых кинематических режимов обработки головок шаровых пальцев 2108-2904187-10 при традиционной планетарной обкатке был выбран: Я=3; а тст =2111 0б./мин; //14с си=2об.; обУмин; А,=ЗС; содп =47сек) )/: = 11с;). Таким образом, время ябработки истава лось постоянным - 14 с при неизменных значениях угловой скорости вращения обкатной головки ушся и количестве деформирующии тел качения я.
Распределение значений относительной кратности обработки по поверхности головки шарового пальца при обработке традиционной планетарно-поворотной обкаткой: 1-при планетарно-поворотной обкатке; 2 - при традиционной планетарной обкатке
При рассмотрении зависимости k = f(x) можно отметить три характерных участка: 1) А...0; 2) 0.../Г; 3) й".../ /2. Точки излома графика соответствуют границам зоны обработки поверхности при завершении процесса планетарно 62 поворотной обкатки. При этом наблюдается существенное снижение относительной кратности обработки на полюсе и околополюсных участках. Так кратность обработки полюса, определяемая по зависимости (3.4), уменьшается в 4,7 раза (с 1470 до 320). Одновременно с этим происходит увеличение относительной кратности обработки участка поверхности головки при =-2,27...11,05 мм. Таким образом, увеличение относительной кратности поверхности имеет место на 58% площади всей поверхности неполной сферической головки шарового пальца, при этом на экваторе (как и на участке поверхности головки при д=0...А") оно составит 26% относительно базового варианта традиционной планетарной обкатки (рис. 3.4).
Распределение значений относительного изменения кратности обработки по поверхности головки шарового пальца при переходе планетарно-поворотную обкатку Значительное снижение относительной кратности обработки на участке поверхности головки, прилегающем к ее торцевому срезу, не стоит рассматривать как причину ухудшения качества обрабатываемого участка, поскольку значения высотных параметров исходной поверхности после черновой обработки также существенно снижаются по мере удаления от экватора в данной части поверхности головки (см. рис. 2.6,2.7).
На распределение значений относительной кратности обработки по поверхности головки шарового пальца при планетарно-поворотной обкатке значительное влияние оказывает соотношение между продолжительностью 1-го и 2 го этапов процесса ( , и t2). Поскольку время осуществления 2-го этапа плане тарно-поворотной обкатки зависит от угловой скорости дополнительного поворота и определяется как /2= S (3.11) выражение для определения суммарного времени осуществления планетарно-поворотной обкатки примет вид: Ь 1 + Ъ . (3.12) На рис. 3.5 представлен график распределения значений относительной кратности обработки при различных значениях суммарного времени осуществления планетарно-поворотной обкатки, изменяющихся за счет варьирования продолжительности 1-го этапа tx.
Распределение значений относительной кратности обработки по поверхности головки шарового пальца при различной продолжительности 1-го этапа планетарно-поворотной обкатки /, ( =var): 1) /,=7с; 2) tx =6с; 3) t, =5с; 4) f,=4c; 5) г,=3с; 6) /1= =14с (традиционная планетарная обкатка) Наиболее существенно влияние продолжительности 1-го этапа на значение относительной кратности обработки на полюсе, при этом на экваторе рост не 64 значителен: в рассматриваемом примере увеличение продолжительности обработки на каждые 1,0 с («7% от исходного суммарного времени) сопровождается ростом относительной кратности примерно на 5%, что негативно сказывается на производительности процесса.
Изменение продолжительности 1-го этапа обкатки при неизменном суммарном времени планетарно-поворотной обкатки сопровождается корректировкой угловой скорости дополнительного поворота. При этом неизменным остается протяженность зоны на поверхности головки шарового пальца, относительная кратность обработки на которой превышает значения данного параметра при традиционном способе планетарной обкатки, причем для головки шарового пальца 2108-2904187-10 она распространяется в диапазоне х =-2,27... 11,05 мм (рис. 3.6). Границы данной зоны определяются значением критического угла дополнительного поворота (q )) определяемым из условияя (p =a-2arctg е sina .fa — V 2) (3.13) .Координаты граничных точек данной зоны не зависят от технологических параметров процесса и определяются только геометрическими размерами обрабатываемой головки.
Варьирование суммарным временем протекания процесса планетарно-поворотной обкатки за счет изменения продолжительности 2-го этапа при постоянном значении времени 1-го этапа производится за счет изменения угловой скорости дополнительного поворота. Наибольшее влияние данное изменение производит на относительную кратность обработки на участке поверхности головки шарового пальца, располагающемся в интервале х = 0...А - участке, в течение всего 2-го этапа планетарно-поворотной обкатки подвергающемся обкатке (рис. 3.7).
Промышленное и измерительное оборудование для исследований
В качестве варианта реализации планетарно-поворотной обкатки был разработан способ, позволяющий регулировать время его протекания за счет угловой скорости вращения обрабатываемого шарового пальца. Согласно предложенному способу планетарно-поворотной обкатки [79] дополнительный поворот изделия в процессе обработки осуществляется дискретно, при этом шаровой палец дополнительно поворачивают на определенный угол после каждого полного оборота его вокруг своей оси. Максимальный угол дополнительного поворота представляют как сумму углов разовых поворотов (д?). При этом выражение для определения времени совершения дополнительного поворота t2 принимает вид: где Ар - угол, на который осуществляют дополнительный поворот шарового пальца после каждого его полного оборота вокруг своей оси. Значение угла А р выбирают в интервале е...5. Достоинством данного способа является возможность регулирования распределения кратности обработки по поверхности головки шарового пальца за счет изменения значений угла разового дополнительного поворота А р и угловой скорости вращения шарового пальца вокруг своей оси ФШП .
Относительная кратность обработки участков поверхности головки шарового пальца при способе планетарно-поворотной обкатки с дискретным поворотом шарового пальца определяется как: где верхний и нижний знаки в знакосочетании ± относятся к участкам поверхности головки шарового пальца, расположенным соответственно между ее экватором и полюсом (х 0) и между экватором и торцевым срезом ( 0). Графические зависимости относительной кратности обработки участков поверхности головки шарового пальца от удаленности от экватора при различных режимах процесса планетарно-поворотнои обкатки с дискретным дополнительным поворотом представлены нарис. 5.1, 5.2.
Распределение значений относительной кратности обработки по поверхности головки при планетарно-поворотнои обкатке с дискретным поворотом шарового пальца (А р=5): 1КП =60 мин1; 2)о)ш„=45 мин 1; Ъ)ФШП =30 мин 1 5.2 Планетарно-поворотная обкатка с ускорением вращения обкатного инструмента С целью усиления роста относительной кратности обработки на экваторе головки шарового пальца при обкатке был предложен способ планетарно-поворотнои обкатки, при котором в процессе осуществления дополнительного поворота производится увеличение угловой скорости вращения обкатного инструмента. При этом увеличение угловой скорости производят со значения й шо до й тЛ, значения которых выбирают в интервалах 1200...1700 и 2000...2500 мин"1 соответственно.
В качестве фактора дополнительного воздействия на распределение значений относительной кратности обработки при планетарно-поворотнои обкатке выступает ускорение, с которым осуществляют увеличение угловой скорости вращения обкатного инструмента (обкатной головки с установленными в ней деформирующими телами качения).
Относительная кратность обработки участков поверхности головки шарового пальца к при способе планетарно-поворотнои обкатки с ускорением вращения обкатного инструмента определяется как: где a - ускорение, с которым производят увеличение угловой скорости вращения обкатного инструмента в процессе дополнительного поворота шарового пальца, при чем t - время выхода рассматриваемого участка поверхности головки шарового пальца из зоны обработки с момента начала осуществления дополнительного поворота.
Графические зависимости относительной кратности обработки участков поверхности головки шарового пальца от удаленности от экватора при различных режимах процесса планетарно-поворотной обкатки с ускорением обкатного инструмента при осуществлении дополнительного поворота представлены на рис. 5.3, 5.4.
Распределение значений относительной кратности обработки при планетарно-поворотной обкатке головки шарового пальца с ускорением вращения обкатного инструмента («о ПООмин1; „,,=2300 мин-1): \)а д„ =4,0%; 2КВ.4,,4%; 3)а д.=5,0/с 5.3 Головка для чистовой обработки неполных сферических поверхностей Для осуществления процесса планетарно-поворотной обкатки неполных сферических головок шаровых пальцев была предложена конструкция многошариковой сепараторной обкатной головки (рис. 5.5) [80], позволяющая снизить износ поверхности опорной дорожки за счет равномерного распределения между ее гранями нагрузки со стороны деформирующих элементов.
В нижней части корпуса головки содержатся кольцевая опорная дорожка, образованная двумя наклонными гранями, а также установленные в ней деформирующие елементы в виде шариков. При этом с целью равномерного распределения между гранями нагрузки со стороны деформирующих тел было предложено грани кольцевой опорной дорожки наклонять друг к другу так, чтобы биссектриса угла, образованного при вершине дорожки, пересекала ось симметрии головки под углом
Работает данная головка следующим образом. Головку подводят к обрабатываемой поверхности неполной сферической головки 8 шарового пальца 7 и создают технологически необходимое усилие, действующее со стороны деформирующих элементов 5 обрабатываемую головку. При этом деформирующие элементы 5 контактируют с гранями 3 и 4 кольцевой опорной дорожки 2. Затем головке сообщают вращательное движение, в результате чего происходит обкатка обрабатываемой неполной сферической головки 8 шарового пальца 7. Так как происходит равномерное распределение нагрузки между гранями 3 и 4 опорной дорожки 2 со стороны деформирующих элементов 5 за счет значения угла а между осью симметрии 6 головки и биссектрисой угла, образованного при вершине кольцевой опорной дорожки 2, определенного по зависимости (5.6), имеет место равномерный износ поверхности кольцевой опорной дорожки 2, что ведет к увеличению срока службы головки при одновременном повышении качества обрабатываемой поверхности неполной сферической головки шарового пальца. При этом за счет выбора расстояния гд от вершины угла кольцевой опорной дорожки 2 до оси симметрии 6 головки с использованием зависимости (5 7) происходит обработка всей поверхности неполной сферической головки шарового пальца 7
